Zuerst einmal ist es notwendig, sich mit einigen Definitionen vertraut zu machen. Bekanntlich kann man von einem statischen oder einem dynamischen Gleichgewicht sprechen.
Ein dynamisches Gleichgewicht ist ein Zustand, bei dem gegenläufige Prozesse (in der Chemie: Hin- und Rückreaktion) mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen, so dass sich das System (z.B. die Stoffmenge der einzelnen Verbindungen) insgesamt nicht mehr verändert. Ein dynamisches Gleichgewicht kann im Gegensatz zum statischen Gleichgewicht, bei dem kein Prozess mehr abläuft, seine Lage ändern.
Man könnte postulieren, dass irgendwann der Teil Ausgangsstoffe reagiert hat und nun alle Elemente bzw. Verbindungen unverändert bleiben. Dann würde ein statisches Gleichgewicht vorliegen. Auch das ist in der Chemie nicht der Fall..
Wenn sich das Gleichgewicht einer Reaktion eingestellt hat (Zusammensetzung des Gemisches im Reaktionsgefäß ändert sich nicht mehr), laufen immer noch die beiden gegenläufigen Reaktionen (Edukte reagieren zu Produkten und Produkte reagieren zu den Edukten) ab, und zwar mit gleicher Geschwindigkeit. Dadurch entsteht in der einen Reaktion genauso viel Produkte, wie in der anderen verbraucht wird Es liegt also ein dynamisches Gleichgewicht vor.
Wenn eine Reaktion in beide Richtungen verlaufen kann (Hin- und Rückreaktion), wird diese Reaktion als Gleichgewichtsreaktion bezeichnet. Ändert sich bei einer Gleichgewichtsreaktion die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches nicht mehr, ist das (dynamische) Gleichgewicht der Reaktion erreicht, diesen Zustand bezeichnet man als Gleichgewichtszustand.
Der Gleichgewichtszustand einer chem. Reaktion lässt sich mithilfe des Massenwirkungsgesetzes und der Reaktionsgeschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion ableiten.
Betrachtet wird nun folgende (Gleichgewichts)reaktion: Iod und Wasserstoff reagieren zu Wasserstoffiodid.
H2 + I2 -> 2HI (Hinreaktion) und H2 + I2 <- 2HI (Rückreaktion)
Die Geschwindigkeit der Hinreaktion ist abhängig von der Konzentration der Ausgangsstoffe
vHin = kHin c(H2) c(I2)
Die Geschwindigkeit der Rückreaktion ist dementsprechend abhängig von der Konzentration der Produkte:
vRück = kRück c(I2) c(I2) = kRück c(I2)2
Wie bereits erwähnt ist im Gleichgewichtszustand die Geschwindigkeit beider Reaktionen gleich groß vHin = vRück
Damit ergibt sich folgende Beziehung: kHin c(H2) c(I2) = kRück c(I2)2
Fasst man nun kHin : kRück zu der sog. Gleichgewichtskonstante K zusammen, so gilt:
K = c(I2)2 : [ c(H2) c(I2)]
Allgemein gilt: Dividiert man das mathematische Produkt der Konzentrationen der Endstoffe im Gleichgewicht durch das Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe im Gleichgewicht, so erhält man für jede Reaktion eine charakteristische Konstante, die den Gleichgewichtszustand beschreibt.
Das chemische Gleichgewicht ist der Zustand in einer umkehrbaren chemischen Reaktion, in dem die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion ist. Dies führt dazu, dass die Konzentrationen aller Reaktanten und Produkte konstant bleiben.
Das Massenwirkungsgesetz beschreibt das Verhalten von Reaktionsteilnehmern in einem chemischen Gleichgewicht. Es besagt, dass das Verhältnis der Konzentrationen der Produkte zu den Konzentrationen der Reaktanten, jeweils auf ihre stöchiometrischen Koeffizienten erhoben, konstant bei einer gegebenen Temperatur ist.
Die Zugabe eines Katalysators an einer Reaktion im Gleichgewicht ändert nicht die Position des Gleichgewichts. Es beschleunigt jedoch sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion gleichermaßen, sodass das Gleichgewicht schneller erreicht wird.
Ändert man den Druck, so verschiebt sich das Gleichgewicht zur Seite mit der geringeren Molekülzahl. Dies folgt aus dem Le Chatelier’schen Prinzip.
Eine Erhöhung der Temperatur verschiebt immer das Gleichgewicht in Richtung der endothermen Reaktion, während eine Senkung der Temperatur das Gleichgewicht in Richtung der exothermen Reaktion verschiebt.
Wenn die Gleichgewichtskonstante K größer als 1 ist, liegen am Ende der Reaktion überwiegend Produkte vor. Es wird gesagt, dass das Gleichgewicht auf der Produktseite liegt.
Die Reaktionsquote ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abläuft.
Eine chemische Reaktion ist “umkehrbar”, wenn sie in beide Richtungen ablaufen kann – sowohl als Hinreaktion (Reaktanten zu Produkten) als auch als Rückreaktion (Produkte zu Reaktanten). Das wird durch einen Doppelpfeil in der Reaktionsgleichung gekennzeichnet.
Unter einem dynamischen Gleichgewicht versteht man einen Zustand, in dem Hin- und Rückreaktion noch ablaufen, sich jedoch in ihrer Geschwindigkeit entsprechen. Dabei ändern sich die Konzentrationen der an der Reaktion beteiligten Stoffe nicht mehr.
Das Prinzip von Le Chatelier besagt, dass wenn ein dynamisches Gleichgewicht durch äußere Einflüsse (Druck, Temperatur, Konzentration) gestört wird, es sich auf eine neue Position einstellt, um die Störung auszugleichen.