Gleichgewichtsreaktionen – das Prinzip von Le Chatelier
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Grundlagen zum Thema Gleichgewichtsreaktionen – das Prinzip von Le Chatelier
In diesem Video wird gezeigt, was das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier ist und in welchem Zusammenhang es mit dem chemischen Gleichgewicht einer Reaktion steht. Es wird erklärt, welche Komponenten Einfluss auf ein chemisches Gleichgewicht haben können. Dies sind Druck, Temperatur und Konzentration.
Transkript Gleichgewichtsreaktionen – das Prinzip von Le Chatelier
Gleichgewichtsreaktionen - das Prinzip von le Chatelier
Hallo! Beginnen wir heute mit einem kleinen Experiment: Stell dir vor du hast einen Luftballon. Was passiert wenn du diesen Luftballon an einer Stelle kräftig zusammen drückst? Du wirst beobachten, dass der Ballon sich an der Stelle ausdehnt, an der du nicht drückst. Die Luft weicht also in mögliche Bereiche aus, die sich ausdehnen können.
Ähnlich wie die Luft im Ballon verhalten sich auch Stoffe im chemischen Gleichgewicht. Dazu beschäftigen wir uns heute mit dem Prinzip des kleinsten Zwangs, welches auch das Prinzip von le Chatelier genannt wird. Was genau damit gemeint ist, wollen wir uns jetzt einmal genauer ansehen.
Zuerst wollen wir aber noch einmal wiederholen was eigentlich ein chemisches Gleichgewicht ist. Wenn Substanzen eine chemische Reaktion miteinander eingehen und diese Reaktion reversibel, also umkehrbar ist, kann sich ein chemisches Gleichgewicht einstellen. Das setzt natürlich voraus, dass keine der Substanzen entweichen kann. Das System, in dem diese Reaktion abläuft, muss also geschlossen sein.
Ein chemisches Gleichgewicht ist dann erreicht, wenn Hin-und Rückreaktion gleich schnell ablaufen und die Konzentrationen der Edukte und der Produkte konstant bleibt.
Am Beispiel des Boudouard-Gleichgewichts, wollen wir uns nun ansehen wie sich Temperatur, Druck und Konzentration auf das chemische Gleichgewicht auswirken können.
Als erstes wollen wir uns mit der Temperatur beschäftigen. Sehen wir uns das Boudouard-Gleichgewicht an. Hier reagiert Kohlendioxid mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Die Reaktion verläuft endotherm.
Das bedeutet, dass die Reaktion zum Ablaufen Energie benötigt und somit der Enthalpiewert positiv sein muss. Wir können daher auch davon ausgehen, dass die Rückreaktion um den gleichen Energiebetrag exotherm verläuft. Das bedeutet, dass die Bildung der Edukte aus den Produkten exotherm verläuft.
Erhöhen wir nun die Temperatur, so begünstigen wir die endotherme Reaktion also die Bildung der Produkte. Wenn wir die Temperatur hingegen erniedrigen, begünstigen wir die exotherme Reaktion und das Gleichgewicht wird auf die Seite der Edukte verschoben.
Wir müssen also immer erst, wenn wir uns mit dem Einfluss der Temperatur auf das chemische Gleichgewicht beschäftigen wollen, darüber im Klaren sein, welche der Reaktionen endotherm und welche exotherm verläuft.
Als nächstes betrachten wir den Einfluss des Drucks auf das chemische Gleichgewicht. Du musst wissen, dass der Druck nur Einfluss auf gasförmige Stoffe hat. Feststoffe und Flüssigkeiten sind davon also nicht betroffen. Da in unserer Reaktion aber nur Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid gasförmige Stoffe sind, können wir den Kohlenstoff, der ein Feststoff ist, vernachlässigen.
Nun überlegen wir, wie das Prinzip des kleinsten Zwanges nach le Chatelier hier anzuwenden ist. Wir haben auf der Eduktseite ein Mol Kohlenstoffdioxid, also ein Mol eines gasförmigen Stoffes. Auf der Produktseite befinden sich zwei Mol Kohlenstoffmonoxid, also zwei Mol eines gasförmigen Stoffes.
Das molare Volumen von Gasen ist immer gleich groß, egal welches Gas du hast. Daher haben 2 Mol eines Gases auch etwa das doppelte Volumen von einem Mol eines anderen gasförmigen Stoffes. Wenn wir nun den Druck auf unser System erhöhen, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite mit der geringeren Teilchenzahl gasförmiger Stoffe, also auf die Eduktseite.
Wenn wir den Druck hingegen erniedrigen verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite, auf der sich mehr Teilchen des gasförmigen Stoffes befinden. Also auf die Produktseite.
Als letztes wollen wir noch überprüfen, welchen Einfluss eine Änderung der Konzentration auf der Edukt- oder Produktseite auf das chemische Gleichgewicht hat. Das Gleichgewicht beschreibt ja das Verhältnis der Konzentration der Produkte zur Konzentration der Edukte. Dieses Verhältnis ist konstant.
Nehmen wir an, wir verringern nun in unserem Gleichgewicht die Konzentration von Kohlenstoff. Das System wird daraufhin versuchen diese Erniedrigung der Konzentration durch die Bildung von Kohlenstoff auszugleichen. Das bedeutet, dass Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff reagieren wird. Das chemische Gleichgewicht liegt also auf der Seite der Edukte. Wenn wir nun aber die Konzentration des Kohlenstoffs erhöhen, würde das System versuchen den Überschuss an Kohlenstoff abzubauen und es würde sich Kohlenstoffmonoxid bilden. Das Gleichgewicht würde sich also auf die Seite der Produkte verschieben.
Du siehst also, dass ein System, welches sich im chemischen Gleichgewicht befindet auf verschiedene Faktoren reagiert und immer dem Prinzip des kleinsten Zwangs gehorcht.
Du siehst, dass wie beim Luftballon auch im chemischen Gleichgewicht das Prinzip des geringsten Zwang wirkt. Du hast heute gelernt, dass es drei Faktoren gibt, die Auswirkungen auf ein chemisches Gleichgewicht haben können. Dies sind der Druck, die Temperatur und die Änderung der Konzentration der an der Reaktion beteiligten Stoffe. Auch weißt du nun, dass es immer von der Reaktion selbst abhängt, welche Verschiebung das chemische Gleichgewicht erfährt. So hat der Druck nur Auswirkungen auf gasförmige Stoffe und die Änderung, die durch die Temperatur eintreten kann, wird von der Reaktionsenthalpie bestimmt.
Tschüß und bis bald!
Gleichgewichtsreaktionen – das Prinzip von Le Chatelier Übung
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Nenne die Faktoren, die folgende Gleichgewichtsreaktion beeinflussen.
TippsEin System, welches sich im chemischen Gleichgewicht befindet, reagiert auf verschiedene Faktoren und gehorcht dem „Prinzip des kleinsten Zwangs“.
Druck hat nur Einfluss auf gasförmige Stoffe.
Das Verhältnis der Konzentration der Produkte zur Konzentration der Edukte ist konstant.
LösungSchau dir noch einmal die Reaktion an. Du stellst fest, dass auf der Seite der Edukte einmal das Gas Kohlenstoffdioxid und der Feststoff Kohlenstoff stehen, während sich auf der Produktseite zwei Moleküle Kohlenstoffmonoxid befinden. Auch Druck übt einen Einfluss auf das chemische Gleichgewicht in diesem System aus. Allerdings hat Druck nur einen Einfluss auf gasförmige Stoffe. Daher kannst du den Feststoff Kohlenstoff vernachlässigen. Du solltest beachten, dass das molare Volumen von Gasen immer gleich groß ist. Dabei ist es egal, um welches Gas es sich handelt. Auf der Produktseite findest du doppelt so viele Teilchen wie auf der Eduktseite, denn aus einem Molekül Kohlenstoffdioxid werden zwei Moleküle Kohlenstoffmonoxid. Erhöht sich nun der Druck auf dieses System, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite, auf der sich weniger Teilchen befinden. Also verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite der Edukte.
Wie der Druck hat auch die Temperatur einen Einfluss auf die Lage des Gleichgewichts in dieser Reaktion. Die Bildung von Kohlenstoffmonoxid ist endotherm, während die Rückreaktion exotherm ist. Wird die Temperatur nun erhöht, wird die endotherme Reaktion unterstützt. Also verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite der Produkte. Wird die Temperatur reduziert, kann natürlich nicht der Feststoff vernachlässigt werden, denn dies gilt nur für den Druck. Das chemische Gleichgewicht verschiebt sich deshalb auf die Seite der Edukte.
Auch eine Änderung der Konzentration hat einen Einfluss auf das System. Entfernt man beispielsweise Kohlenstoffmonoxid aus dem System und reduziert damit dessen Konzentration, wird das chemische Gleichgewicht auf die Seite verschoben, auf der Kohlenstoffmonoxid gebildet wird, damit das vorherige chemische Gleichgewicht wiederhergestellt wird.
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Erkläre, wie sich das chemische Gleichgewicht verschieben lässt.
TippsDas Verhältnis der Konzentration der Produkte zur Konzentration der Edukte ist im Gleichgewicht konstant.
Das molare Volumen von Gasen ist immer gleich groß. Dabei ist es egal, um welches Gas es sich handelt.
Druck hat nur Einfluss auf gasförmige Stoffe.
LösungDas Prinzip nach Le Chatelier besagt, dass das chemische Gleichgewicht einem äußeren Zwang ausweicht, indem es sich verschiebt. Das kann zum einen durch Temperatur- oder Konzentrationsänderungen geschehen, zum anderen aber auch durch eine Änderung des Drucks, der auf die Reaktion einwirkt.
Da sich Druck nur auf gasförmige Stoffe auswirkt, kannst du Feststoffe oder Flüssigkeiten vernachlässigen. Erhöht sich der Druck, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite, auf der weniger gasförmige Teilchen vorhanden sind. Reduziert man den Druck stattdessen, verschiebt es sich auf die Seite, auf der mehr gasförmige Teilchen vorhanden sind.
Wie kann man nun die Temperatur ändern, damit sich das chemische Gleichgewicht verschiebt? Dazu solltest du immer zuerst wissen, ob eine Reaktion endotherm oder exotherm verläuft. Verläuft die Hinreaktion unter Abgabe von Energie, verläuft sie exotherm. Reduziert man die Temperatur, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Eduktseite. Andersherum ist es, wenn du die Temperatur erhöhst und eine endotherme Reaktion vorliegt. Sie benötigt Energie, damit Produkte entstehen. Führst du nun also mehr Energie in Form von Wärme zu, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht auf die Produktseite.
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Entscheide, auf welche Seite das Gleichgewicht in folgenden Beispielen verschoben wird.
TippsDas Verhältnis der Konzentration der Produkte zur Konzentration der Edukte ist im Gleichgewicht konstant.
LösungBei der Lösung dieser Aufgabe solltest du daran denken, dass das Verhältnis der Konzentrationen von Produkten und Edukten im Gleichgewicht konstant ist. Das bedeutet, dass bei einer Verdünnung einer Säure diejenige Reaktion begünstigt wird, bei der die Ionen gebildet werden. Andersherum wird bei einer Erhöhung der Konzentration diejenige Reaktion begünstigt, bei der dieser Stoff verbraucht wird.
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Gib an, auf welche Seite sich das chemische Gleichgewicht bei Temperaturerhöhung verschiebt.
TippsEine Reaktion, bei der Wärme entsteht, ist eine exotherme Reaktion.
$2~H_2 + O_2 \rightarrow H_2O$
Dies ist die Knallgasreaktion, bei der explosionsartig Wasser entsteht.
Eine Verbrennung erfolgt mit Sauerstoff.
Die Vergasung von Kohlenstoff mit Wasserdampf wird auch Kaltblasen genannt und ist endotherm.
LösungNach dem Prinzip von Le Chatelier verschiebt sich das chemische Gleichgewicht bei einer endothermen Reaktion, bei der also Wärme zugeführt werden muss, auf die Seite der Produkte. Dies ist bei der zweiten Reaktion der Fall.
Wird die Temperatur von exothermen Reaktionen erhöht, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht hingegen auf die Seite der Edukte. Die Knallgasreaktion und auch die Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid sind exotherm und somit liegt das chemische Gleichgewicht nach Erhöhung der Temperatur auf der linken Seite, der Eduktseite.
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Nenne die Faktoren, die ein chemisches Gleichgewicht nach Le Chatelier beeinflussen.
TippsGleichgewichte weichen äußeren Zwängen aus.
LösungEin System, welches sich im chemischen Gleichgewicht befindet, reagiert auf verschiedene Faktoren und gehorcht dem Prinzip des kleinsten Zwanges nach Le Chatelier. Nach Le Chatelier wird das chemische Gleichgewicht durch die drei Faktoren Druck, Temperatur und Konzentration beeinflusst.
Erhöht man beispielsweise die Temperatur, wird diejenige Reaktion begünstigt, die endotherm verläuft. Reduziert man die Temperatur, wird entgegengesetzt die exotherm verlaufende Reaktion begünstigt. Das muss nicht unbedingt die Hinreaktion sein. Vielmehr muss man dies bei jeder Reaktion einzeln betrachten. Druck hat nur Einfluss auf gasförmige Stoffe, weshalb Feststoffe und Flüssigkeiten vernachlässigt werden können. Erhöht man den Druck, reagiert das System, indem sich das Gleichgewicht in die Richtung verschiebt, bei der eine geringere Teilchenanzahl vorhanden ist. Und umgekehrt verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der höheren Teilchenanzahl, wenn der Druck reduziert wird.
Gleiches kann man auch auf die Konzentration anwenden. Erhöht man die Konzentration eines Stoffes in einem chemischen Gleichgewicht, wird die Reaktion begünstigt, bei der der Stoff verbraucht wird. Reduziert man eine Konzentration eines Stoffes, wird diejenige Reaktion begünstigt, bei der dieser Stoff gebildet wird.
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Erkläre, wie man das chemische Gleichgewicht auf die Produktseite verschieben könnte.
TippsÜberlege dir, ob eine Reaktion endotherm oder exotherm verläuft.
Das molare Volumen von Gasen ist immer gleich groß.
LösungÜberlege dir zuerst, welche Reaktion endotherm und welche exotherm ist. Du wirst feststellen, dass die erste Hinreaktion endotherm und die zweite exotherm ist.
Das bedeutet, dass sich bei der ersten Reaktion das chemische Gleichgewicht auf die Seite der Produkte verschiebt, wenn du die Temperatur erhöhst und somit weiter Energie zuführst und bei der zweiten, wenn du die Temperatur erniedrigst.Da Druck nur einen Einfluss auf gasförmige Stoffe hat, kann man feste oder flüssige Stoffe vernachlässigen. Dabei solltest du beachten, dass das molare Volumen von Gasen stets gleich groß ist. Dies bedeutet, dass du keinen Unterschied zwischen den verschiedenen Gasen machen musst. Wenn du dir die Reaktionen anschaust, wird dir auffallen, dass in der ersten Reaktion kein Gas bei den Edukten vorhanden ist, in den Produkten aber 1 mol Kohlenstoffdioxid. Erhöht sich nun den Druck auf das System, weicht es dem Zwang aus, indem sich das chemische Gleichgewicht auf die Seite der Edukte verschiebt. Entsprechend muss der Druck also vermindert werden, damit sich das chemische Gleichgewicht in der ersten Reaktion auf die Seite der Produkte verschiebt. In der zweiten Reaktion ist es genau andersherum. Auf der Eduktseite gibt es 1 mol Stickstoff und 3 mol Wasserstoff. Es sind also insgesamt 4 mol gasförmige Stoffe auf der Eduktseite vorhanden. Auf der Produktseite nur 2 mol. Hier ist es nun also richtig, den Druck zu erhöhen, damit sich das chemische Gleichgewicht auf die Produktseite verschiebt.
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Hallo, es wäre ganz gut wenn auch bei den Übungen alle Reaktionen mit einem Doppelpfeil dargestellt sind, so ist das etwas verwirrend
Hallo Johanna,
du hast natürlich recht, die Ammoniaksynthese an sich ist exotherm. Trotzdem wird bei hohen Temperaturen gearbeitet. Grund ist, dass sehr viel Energie benötigt wird, um die Bindungen in den Ausgangsstoffen aufzubrechen. Es ist also ein Kompromiss, der bei der Ammoniaksynthese eingegangen wird.
Grüße aus der Redaktion!
Bezüglich der letzten Übung hab ich eine Frage: Ist die Ammoniaksynthese an sich nicht exotherm?
Edukte und Produkte liegen im Gleichgewicht immer in einem konstanten Verhältnis vor. Wenn ich also die Konzentration von Wasserstoff (Edukt) reduziere, dann versucht die Reaktion wieder ihr Gleichgewicht einzustellen, in dem sie den Mangel an Wasserstoff ausgleicht. Sie produziert also Wasserstoff solange nach, bis das Defizit ausgeglichen ist. Wenn man nun also kontinuierlich Wasserstoff reduziert, wird das Gleichgewicht auf die Seite verschoben, wo der Mangel herrscht, also auf die Seite der Edukte.
Hallo, ich habe eine Frage zu den Übungsaufgaben.Ich verstehe nicht warum durch das Entfernen von Wasserstoff ( H2 + I2 -> 2HI) das chemische Gleichgewicht auf der seite der Edukte liegt. Ich meine,wenn H2 entfernt wird, dann muss doch die Rückreaktion begünstigt werden,oder?