Gleichgewichtskonstante - Chemie


Gleichgewichtskonstante - Chemie
Gleichgewichtskonstante - Chemie

Einleitung
Die Gleichgewichtskonstante beschreibt, wie die Stoffe einer umkehrbaren chemischen Reaktion im chemischen Gleichgewicht verteilt sind. Sie gehört zum Massenwirkungsgesetz und hilft Dir zu beurteilen, ob im Gleichgewicht eher Produkte oder eher Edukte vorliegen.
Ein chemisches Gleichgewicht bedeutet nicht, dass die Reaktion stillsteht. Hin- und Rückreaktion laufen weiter, aber gleich schnell. Deshalb bleiben die messbaren Konzentrationen konstant. Dieser Zustand heißt dynamisches Gleichgewicht.
In diesem aiMOOC lernst Du, Gleichgewichtsausdrücke aufzustellen, die Größe von zu deuten, mit zu rechnen und den Reaktionsquotienten mit zu vergleichen.

Lernziele
- Chemisches Gleichgewicht: Du erklärst den Unterschied zwischen Stillstand und dynamischem Gleichgewicht.
- Massenwirkungsgesetz: Du stellst einen passenden Gleichgewichtsausdruck auf.
- Gleichgewichtslage: Du deutest große und kleine Werte der Gleichgewichtskonstante.
- Reaktionsquotient: Du entscheidest mithilfe von und , in welche Richtung eine Reaktion netto abläuft.
- Le-Chatelier-Prinzip: Du unterscheidest zwischen einer Verschiebung der Gleichgewichtslage und einer Änderung von .
Das dynamische chemische Gleichgewicht
Betrachte die allgemeine umkehrbare Reaktion:
Zu Beginn überwiegt meist eine Reaktionsrichtung. Mit zunehmender Produktmenge wird die Rückreaktion stärker. Im Gleichgewicht gilt:
Die Konzentrationen sind dann zeitlich konstant, aber nicht zwingend gleich groß. Ein Gleichgewicht kann sich von der Eduktseite oder von der Produktseite aus einstellen.
Das Diagramm zeigt den typischen Verlauf: Eduktkonzentrationen sinken, Produktkonzentrationen steigen, und schließlich werden alle Kurven waagerecht. Das bedeutet, dass sich die Konzentrationen nicht mehr ändern.
Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante
Für die allgemeine Reaktion wird die thermodynamische Gleichgewichtskonstante mit den Aktivitäten formuliert:
Die Aktivität berücksichtigt, dass sich reale Teilchen nicht immer ideal verhalten. Die so definierte thermodynamische Konstante ist dimensionslos.
Im Schulunterricht wird bei verdünnten Lösungen häufig mit Stoffmengenkonzentrationen gerechnet:
Dabei werden die Gleichgewichtskonzentrationen eingesetzt. In vereinfachten Schulrechnungen kann für je nach Reaktionsgleichung eine Einheit angegeben werden. Streng thermodynamisch werden Konzentrationen durch eine Standardkonzentration geteilt, sodass die Konstante dimensionslos bleibt.
So stellst Du den Ausdruck auf
- Schreibe die ausgeglichene Reaktionsgleichung mit Gleichgewichtspfeil.
- Setze die Produkte in den Zähler und die Edukte in den Nenner.
- Übernimm die stöchiometrischen Koeffizienten als Exponenten.
- Verwende nur Werte, die zum Gleichgewichtszustand gehören.
Für
lautet das Massenwirkungsgesetz:
Sind im Gleichgewicht , und , dann gilt:
Der Wert ist deutlich größer als eins. Daher ist die Produktseite unter diesen Bedingungen begünstigt.
Reine Feststoffe und reine Flüssigkeiten
Bei einem heterogenen Gleichgewicht werden reine Feststoffe und reine Flüssigkeiten im Gleichgewichtsausdruck normalerweise nicht ausgeschrieben, weil ihre Aktivität näherungsweise konstant und gleich eins ist.
Für die Zersetzung
bleibt deshalb nur der gasförmige Stoff im Ausdruck. Bei Verwendung von Partialdrücken gilt vereinfacht:
Was der Wert von K aussagt
- : Im Gleichgewicht überwiegen die Produkte.
- : Im Gleichgewicht überwiegen die Edukte.
- : Edukte und Produkte liegen in vergleichbaren Größenordnungen vor.
Die Größe von sagt etwas über die Gleichgewichtslage, aber nicht darüber, wie schnell das Gleichgewicht erreicht wird. Eine Reaktion kann thermodynamisch stark produktbegünstigt und trotzdem sehr langsam sein.
Ein anschauliches Beispiel ist:
Braunes Stickstoffdioxid und weitgehend farbloses Distickstofftetroxid bilden ein temperaturabhängiges Gleichgewicht.

Der Reaktionsquotient Q
Der Reaktionsquotient hat dieselbe mathematische Form wie , wird aber mit den momentanen Konzentrationen oder Aktivitäten berechnet. Er zeigt, in welche Richtung das System laufen muss, um das Gleichgewicht zu erreichen.
- Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle Q<K} : Die Netto-Hinreaktion wird begünstigt.
- Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle Q>K} : Die Netto-Rückreaktion wird begünstigt.
- : Das System befindet sich im Gleichgewicht.
Diese Gegenüberstellung ist besonders nützlich, wenn Anfangskonzentrationen gegeben sind und Du entscheiden sollst, wie sich das Gemisch weiterentwickelt.
Einfluss von Temperatur, Konzentration und Druck
Nach dem Prinzip vom kleinsten Zwang reagiert ein Gleichgewicht auf eine Störung so, dass deren Wirkung teilweise abgeschwächt wird. Dabei musst Du zwischen der Zusammensetzung im Gleichgewicht und dem Wert der Gleichgewichtskonstante unterscheiden.
- Temperatur: Eine Temperaturänderung verändert den Wert von .
- Konzentration: Eine Konzentrationsänderung verschiebt die Zusammensetzung, verändert bei gleichbleibender Temperatur aber nicht.
- Druck: Bei Gasgleichgewichten kann eine Druckänderung die Zusammensetzung verschieben, bleibt bei gleichbleibender Temperatur unverändert.
- Katalysator: Ein Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion, verändert aber weder noch die Gleichgewichtslage.

Die Abbildung zeigt dasselbe NO2/N2O4-System bei verschiedenen Temperaturen. Die Farbänderung macht sichtbar, dass sich die Gleichgewichtszusammensetzung mit der Temperatur ändert.
Auch das Cobaltchlorid-System kann Gleichgewichtsverschiebungen durch Farbänderungen sichtbar machen. Cobaltverbindungen und konzentrierte Säuren gehören jedoch nicht in unbetreute Schülerexperimente.
Endotherme und exotherme Reaktionen
Bei einer exothermen Hinreaktion begünstigt eine Temperaturerhöhung die endotherme Rückreaktion. Dadurch wird die Produktseite weniger stark bevorzugt und für die Hinreaktion wird kleiner. Bei einer endothermen Hinreaktion ist es umgekehrt.
Die Temperaturabhängigkeit ist kein bloßer Geschwindigkeitseffekt: Nach der Temperaturänderung stellt sich ein Gleichgewicht mit einem neuen Wert von ein.
Kc, Kp und thermodynamische Vertiefung
Für Gasreaktionen wird häufig eine Gleichgewichtskonstante aus Partialdrücken verwendet:
Für ideale Gase kann in einer schulischen Näherung gelten:
Dabei ist die Summe der stöchiometrischen Koeffizienten gasförmiger Produkte minus der Summe der Koeffizienten gasförmiger Edukte.
Die thermodynamische Gleichgewichtskonstante ist mit der freien Standardreaktionsenthalpie verbunden:
Daraus folgt: Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle K>1} entspricht unter Standardbedingungen einem negativen Wert von , während Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle K<1} einem positiven Wert entspricht.

Rechnen mit umgeformten Reaktionen
Wird eine Reaktionsgleichung umgekehrt, bildet man den Kehrwert:
Werden alle stöchiometrischen Koeffizienten mit dem Faktor multipliziert, wird die Konstante potenziert:
Werden mehrere Teilreaktionen addiert, werden ihre Gleichgewichtskonstanten multipliziert:
Typische Fehler
- Gleichgewichtskonzentration: Setze nicht automatisch Anfangskonzentrationen in den Ausdruck ein.
- Stöchiometrischer Koeffizient: Vergiss die Exponenten aus der ausgeglichenen Reaktionsgleichung nicht.
- Aggregatzustand: Nimm reine Feststoffe und reine Flüssigkeiten nicht als veränderliche Terme in den Ausdruck auf.
- Katalysator: Verwechsle eine schnellere Einstellung des Gleichgewichts nicht mit einer Änderung von .
- Reaktionsgeschwindigkeit: Deute einen großen K-Wert nicht als schnelle Reaktion.
- Temperaturabhängigkeit: Gib bei tabellierten Gleichgewichtskonstanten immer die zugehörige Temperatur an.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was kennzeichnet ein dynamisches chemisches Gleichgewicht? (Hin- und Rückreaktion laufen gleich schnell) (!Die Reaktion ist vollständig beendet) (!Alle Konzentrationen sind gleich groß) (!Es sind nur noch Produkte vorhanden)
Welche Stoffe stehen im Konzentrationsausdruck für Kc im Zähler? (Die Produkte) (!Die Edukte) (!Nur die Katalysatoren) (!Nur die Feststoffe)
Woher stammen die Exponenten im Massenwirkungsgesetz? (Aus den stöchiometrischen Koeffizienten) (!Aus den molaren Massen) (!Aus den Ordnungszahlen) (!Aus den Anfangstemperaturen)
Was bedeutet ein sehr großer Wert der Gleichgewichtskonstante? (Die Produktseite ist stark begünstigt) (!Die Eduktseite ist stark begünstigt) (!Die Reaktion läuft besonders schnell) (!Die Reaktion ist nicht umkehrbar)
Welche Änderung kann den Wert der Gleichgewichtskonstante verändern? (Eine Änderung der Temperatur) (!Die Zugabe eines Katalysators) (!Die Zugabe eines Edukts bei gleicher Temperatur) (!Eine Volumenänderung bei gleicher Temperatur)
Welche Wirkung hat ein Katalysator auf ein Gleichgewicht? (Er beschleunigt das Erreichen des Gleichgewichts) (!Er vergrößert die Gleichgewichtskonstante) (!Er verschiebt das Gleichgewicht dauerhaft zur Produktseite) (!Er verhindert die Rückreaktion)
Was gilt, wenn der Reaktionsquotient gleich der Gleichgewichtskonstante ist? (Das System befindet sich im Gleichgewicht) (!Es läuft nur die Hinreaktion) (!Es läuft nur die Rückreaktion) (!Die Temperatur muss steigen)
Wie wird ein reiner Feststoff im thermodynamischen Gleichgewichtsausdruck behandelt? (Seine Aktivität wird als konstant angenommen) (!Seine Konzentration steht immer im Zähler) (!Seine Masse wird als Exponent verwendet) (!Er macht die Konstante null)
Wie lautet die Gleichgewichtskonstante der umgekehrten Reaktion? (Sie ist der Kehrwert der ursprünglichen Konstante) (!Sie ist identisch mit der ursprünglichen Konstante) (!Sie ist das Quadrat der ursprünglichen Konstante) (!Sie ist immer gleich eins)
Was gilt für die Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht? (Sie bleiben zeitlich konstant) (!Sie müssen alle gleich groß sein) (!Sie sinken alle auf null) (!Sie ändern sich ständig messbar)
Memory
| Gleichgewichtskonstante | Verhältnis der Aktivitäten im Gleichgewicht |
| Massenwirkungsgesetz | Mathematische Beschreibung der Gleichgewichtslage |
| Reaktionsquotient | Kennzahl der momentanen Zusammensetzung |
| Katalysator | Beschleuniger für Hin- und Rückreaktion |
| Produktseite | Bei großem K bevorzugte Seite |
| Temperatur | Einflussgröße auf den Wert von K |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Aussage |
|---|---|
| Große Gleichgewichtskonstante | Produktseite begünstigt |
| Kleine Gleichgewichtskonstante | Eduktseite begünstigt |
| Reaktionsquotient kleiner als Konstante | Netto-Hinreaktion |
| Reaktionsquotient größer als Konstante | Netto-Rückreaktion |
| Reaktionsquotient gleich Konstante | Chemisches Gleichgewicht |
...
Kreuzworträtsel
| Dynamisch | Wie heißt ein Gleichgewicht, in dem Hin- und Rückreaktion weiterlaufen? |
| Produkte | Welche Stoffgruppe steht im Massenwirkungsgesetz im Zähler? |
| Koeffizient | Welche Zahl aus der Reaktionsgleichung wird zum Exponenten? |
| Temperatur | Welche Zustandsgröße verändert den Wert der Gleichgewichtskonstante? |
| Katalysator | Welcher Stoff beschleunigt beide Reaktionsrichtungen, ohne K zu verändern? |
| Aktivität | Welche thermodynamische Größe steht im exakten Massenwirkungsgesetz? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffskarte Gleichgewicht: Gestalte eine Karte mit den Begriffen dynamisch, Hinreaktion, Rückreaktion und konstante Konzentration.
- Diagramm lesen: Beschreibe in eigenen Worten, woran Du in einem Konzentrations-Zeit-Diagramm das Erreichen des Gleichgewichts erkennst.
- Formelplakat: Erstelle ein übersichtliches Plakat zum allgemeinen Ausdruck von und markiere Zähler, Nenner und Exponenten.
- Fehlerdetektiv: Sammle drei typische Fehler beim Aufstellen eines Gleichgewichtsausdrucks und korrigiere sie.
Standard
- Rechenbeispiel Kc: Entwickle eine eigene ausgeglichene Gleichgewichtsreaktion mit passenden Gleichgewichtskonzentrationen und berechne .
- Reaktionsquotient vergleichen: Erfinde je ein Zahlenbeispiel für Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle Q<K} , Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle Q>K} und und deute die Reaktionsrichtung.
- Erklärvideo Gleichgewichtskonstante: Plane ein zweiminütiges Erklärvideo, das den Unterschied zwischen Gleichgewichtslage und Reaktionsgeschwindigkeit zeigt.
- Infografik Le Chatelier: Gestalte eine Infografik, die erklärt, welche Änderungen nur die Zusammensetzung verschieben und welche den Wert von verändern.
Schwer
- Temperatur und Gleichgewicht: Recherchiere ein industrielles Gleichgewicht und erkläre den Zielkonflikt zwischen günstiger Gleichgewichtslage und ausreichender Reaktionsgeschwindigkeit.
- Reaktionsgleichungen umformen: Leite mit Beispielen her, warum beim Umkehren einer Reaktion der Kehrwert und beim Multiplizieren der Koeffizienten eine Potenz von entsteht.
- Modellversuch planen: Entwickle ein ungefährliches mechanisches oder digitales Modell für ein dynamisches Gleichgewicht und benenne Grenzen des Modells.
- Fachinterview: Führe ein Interview mit einer Chemielehrkraft oder einer Person aus einem Labor über die praktische Bedeutung von Gleichgewichtskonstanten und werte die Aussagen fachlich aus.


Lernkontrolle
- Transfer Gleichgewichtslage: Eine Reaktion besitzt bei einer bestimmten Temperatur einen sehr großen K-Wert, läuft aber ohne Katalysator kaum messbar ab. Erkläre, warum das kein Widerspruch ist.
- Analyse einer Störung: Zu einem Gleichgewichtsgemisch wird bei konstanter Temperatur ein Edukt gegeben. Beschreibe mit und , wie das System reagiert.
- Vergleich zweier Temperaturen: Bei einer exothermen Hinreaktion ist bei niedriger Temperatur größer als bei hoher Temperatur. Begründe den Zusammenhang.
- Bewertung einer Aussage: Prüfe die Behauptung „Ein Katalysator erhöht die Produktausbeute im Gleichgewicht“ und formuliere eine fachlich richtige Korrektur.
- Modellkritik: Erkläre, warum konstante Konzentrationen allein noch kein Beweis für einen mikroskopischen Stillstand sind.
- Anwendung auf Feststoffe: Stelle für ein selbst gewähltes heterogenes Gleichgewicht den passenden Ausdruck auf und begründe, welche Stoffe nicht erscheinen.
- Mehrschrittige Reaktion: Kombiniere zwei Teilreaktionen zu einer Gesamtreaktion und leite die Gesamtgleichgewichtskonstante aus den Teilkonstanten ab.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- ein dynamisches Gleichgewicht auf Teilchen- und Stoffebene erklären kannst,
- das Massenwirkungsgesetz aus einer ausgeglichenen Reaktionsgleichung korrekt aufstellst,
- Gleichgewichtskonzentrationen sicher einsetzt und berechnest,
- große und kleine K-Werte fachlich deutest,
- den Reaktionsquotienten mit der Gleichgewichtskonstante vergleichst,
- Temperatur-, Konzentrations-, Druck- und Katalysatoreinflüsse voneinander unterscheidest,
- typische Fehler erkennst und Deine Rechenwege nachvollziehbar begründest.
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