In den vorherigen Kapiteln haben wir uns mit dem chemischen Gleichgewicht beschäftigt. Dabei haben wir festgestellt, dass chemische Reaktionen in Lösungen oft nicht vollständig ab, sondern es stellt sich immer ein chemisches Gleichgewicht ein. In einem solchen Gleichgewicht(szustand) ist immer eine bestimmte Menge Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte gleichzeitig in Lösung vorhanden.
Mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes stellen wir nun die sogenannte Gleichgewichtskonstante Kc auf. Das Massenwirkungsgesetz ist dabei das “mathematische Produkt” der Konzentrationen der Produkte dividiert durch das Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe.
Gleichgewichtskonstante berechnen
Sind an einer Gleichgewichtsreaktion Gase beteiligt, so können wir nicht mehr die Konzentration als Rechengröße verwenden (die nur in Lösungen gilt), sondern müssen den Partialdruck als Rechengröße verwenden.
Im ersten Schritt berechnen wir die “Einzelvolumina” der Gase (an Stoff A, B, …). Dazu verwenden wir die ideale Gasgleichung: p ·V = n ·R ·T und formen diese um, so erhalten wir p : ( R ·T) = n : V. Da das Verhältnis aus Stoffmenge n und Volumen V der Stoffmengenkonzentration c entspricht, erhalten wir folgende Formel: c = p : ( R ·T)
Starten wir die Umrechnung von Kc in Kp bzw. umgekehrt mit einer einfachen Gleichgewichtsreaktion:
Der Zusammenhang der Gleichgewichtskonstanten Kc un Kp lautet für diese einfache Gleichgewichtsreaktion: Kc = Kp· ( R ·T)
Betrachten wir hierzu komplexere Gleichgewichtsreaktionen, ist das Ergebnis immer das Gleiche, Kc = Kp· ( R ·T)n
Der Faktor “n” ergibt sich aus der Reaktionskoeffizienten (= stöchiometrische Koeffizienten)
Analog verhält sich die Umrechnung von Kc in Kp bzw. umgekehrt für komplizierte Gleichgewichtsreaktionen
Kc = [p(C) : ( R ·T)]c · [p(D): ( R ·T)]d : ([p(A) : ( R ·T)]a · [c(B): ( R ·T)]b)
Auch hier erhalten wir als Ergebnis wieder einen Ausdruck, der Kc = Kp· ( R ·T)n entspricht, mit n = Differenz der stöchiometrischen Faktoren.
Die Gleichgewichtskonstanten Kp und Kc sind Maße für das chemische Gleichgewicht einer Reaktion. Kc bezieht sich auf die Konzentrationen der Stoffe, während Kp den Partialdruck repräsentiert.
Die Umwandlung von Kp in Kc kann mit der Idealen Gasgesetz-Formel durchgeführt werden: Kp = Kc(RT)^Δn, wobei R die allgemeine Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin und Δn die Änderung der Mol-Zahl ist.
Wenn Kp größer als Kc ist, bedeutet dies, dass der Druck durch die Produkte der Reaktion größer ist als der Druck durch die Reaktanden.
Die Werte von Kp und Kc ändern sich alle mit der Temperatur, sie sind temperaturabhängig.
Die Umwandlung von Kp in Kc ist nützlich, wenn man mehr Informationen über die chemische Reaktion haben möchte, insbesondere wenn man das Verhältnis der Konzentrationen der teilnehmenden Stoffe wissen möchte.
Die Änderung der mol-Zahl, Δn, bezieht sich darauf, wie sich die Anzahl der Mol von Gasen auf der Produktseite von der auf der Reaktantenseite ändert.
Wenn Kp kleiner als Kc ist, bedeutet dies, dass der Druck der Reaktanden den Druck der Produkte überwiegt.
Kp ist temperaturabhängig, da er den Partialdruck repräsentiert und Druck und Temperatur durch das ideale Gasgesetz verbunden sind.
Wenn Δn = 0 ist, dann ist Kp gleich Kc, weil das Produkt von 0 immer 0 ist.
Die Umwandlung von Kp in Kc ist am nützlichsten, wenn man das Verhältnis der Konzentrationen der Stoffe in einer gasförmigen Reaktion kennen möchte.