Massenwirkungsgesetz – Überblick

Hallo und herzlich willkommen. Das Thema dieses Videos lautet: Das Massenwirkungsgesetz. Nach dem Film weißt Du dann, wie das Massenwirkungsgesetz, auch MWG abgekürzt, lautet. Außerdem wirst Du wissen, worauf dieses Gesetz beruht und wie man es anwendet. Um das Video zu verstehen, solltest Du allerdings bereits wissen: Erstens, was eine Reaktionsgleichung ist und zweitens, was ein chemisches Gleichgewicht ist. Aber vielleicht sollte man an dieser Stelle auf jeden Fall noch einmal rekapitulieren, was ein chemisches Gleichgewicht genau ist. Sagen wir mal, wir haben eine Reaktion bei der der Stoff A mit dem Stoff B reagiert, um die Stoffe C und D zu ergeben. A und B nennen wir die Edukte, also die Ausgangsstoffe und C und D sind die Produkte. Also das, was im Laufe der Reaktion entsteht. Nun nehmen wir mal an, dass die Reaktion nicht nur von links nach rechts verlaufen kann, sondern auch von rechts nach links. Wir sagen dann, die Reaktion ist reversibel und stellen das durch diesen Doppelpfeil dar. Sagen wir mal, wir haben am Anfang nur A und B in unserem Reaktionsgefäß und im Laufe der Zeit entsteht immer mehr C und D. Aber je mehr C und D entsteht, desto mehr C und D kann auch wieder zurück reagieren, um zu A und B zu werden. Irgendwann wird ein Zustand erreicht sein, wo genauso viel A und B nach rechts reagiert, wie C und D nach links reagiert. Diesen Zustand nennt man das chemische Gleichgewicht, also den Gleichgewichtszustand und der ist dadurch charakterisiert, dass sich in ihm die Konzentrationen der Edukte und die Konzentrationen der Produkte nicht mehr verändern. Man kann auch sagen, die Hin- und die Rückreaktion laufen gleich schnell ab und eigentlich haben wir damit schon erklärt, was das Massenwirkungsgesetz überhaupt ist. Es lautet nämlich: Das Mengenverhältnis von Produkten und Edukten ist im chemischen Gleichgewicht für eine gegebene Reaktion unter gegebenen Bedingungen konstant. Und dieses Gesetz kann man auch mathematisch ausdrücken. Für die Reaktion A+B=C+D sähe das dann folgendermaßen aus. Die Konzentration des Stoffes C mal die Konzentration des Stoffes D geteilt durch die Konzentration des Stoffes A mal die Konzentration des Stoffes B ist gleich K - und K ist eine Konstante. Man nennt sie die Gleichgewichtskonstante, auch manchmal die Massenwirkungskonstante. Allerdings ist diese Formulierung des Massenwirkungsgesetzes für die gegebene Reaktion noch etwas sehr vereinfacht. Tatsächlich kommen in den meisten Reaktionsgleichungen sogenannte stöchiometrische Faktoren vor. Zahlen also, die angeben, in welchem Verhältnis die verschiedenen Stoffe miteinander reagieren. Bezogen auf unsere Gleichung hier, auf unsere allgemein formulierte Gleichung hier, schreibe ich sie mal als Kleinbuchstaben hier hin. Also klein aa +  klein bb ergibt klein cc + klein dd. Möchte man diese stöchiometrischen Faktoren im Massenwirkungsgesetz berücksichtigen und es ist gar keine Frage des möchtens, sondern des Müssens, dann schreibt man sie als Exponenten zu den Konzentrationen der jeweiligen Stoffe. In unserem Beispiel steht dann da: Die Konzentration des Stoffes ist C^c mal die Konzentration des Stoffes D^d geteilt durch die Konzentration des Stoffes A^a mal die Konzentration des Stoffes B^b. Hier noch mal ein ganz konkretes Beispiel zur Formulierung des Massenwirkungsgesetzes. Wir betrachten die Reaktion Wasserstoff+Jod= Jodwasserstoff. Das Massenwirkungsgesetz lautet hier folglich: Die Konzentration von HI² geteilt durch die Konzentration von H2 mal die Konzentration von I2 ist gleich K. Nun ist Euch sicher aufgefallen, dass bei der Definition des Massenwirkungsgesetzes wir von Mengenverhältnissen sprachen, in den folgenden Beispielen darauf aber immer von der Konzentration. Tatsächlich ist es so, dass die mengenabhängigen Größen, die in das Massenwirkungsgesetz eingesetzt werden, je nach Betrachtung im System variieren können. Man kann wie gehabt die Konzentration C der betroffenen Stoffe nehmen, oder den sogenannten Partialdruck, abgekürzt mit klein p, oder den Molenbruch, abgekürzt mit klein x, oder, ganz allgemein, die sogenannte chemische Aktivität, abgekürzt mit klein a, verwenden. Welche dieser Größen wir nehmen, hängt davon ab, was für ein Reaktionssystem wir vorliegen haben. Bei verdünnten Lösungen würden wir die Konzentration nehmen, bei Gasen den Partialdruck oder auch den Molenbruch und bei konzentrierten Lösungen müssten wir die Aktivität nehmen. Je nach verwendeter Größe spricht man dann von KC, KP oder KX. Bei Verwendungen der Aktivität sagt man einfach nur K. Die Aktivität ist von diesen Größen die Genaueste, aber was sie genau ist, möchte ich an dieser Stelle nicht weiter diskutieren. Tatsache ist, dass für den Hausgebrauch meistens die Verwendungen der Konzentration oder die Verwendung des Partialdruckes ausreichen. Und dann sollte man sich noch eine Eigenschaft des Massenwirkungsgesetzes vor Augen halten, und zwar die Tatsache, dass die Einheit der Gleichgewichtskonstante sich mit der betrachteten Reaktion und der verwendeten Größe ändert. Schauen wir uns zum Beispiel das Beispiel H2+I2=2HI an, dann sehen wir, dass bei Verwendung der Konzentration und Einsetzen der entsprechenden Einheiten, nämlich mol/l, die Einheiten sich rauskürzen und am Ende gar keine Einheit übrig bleibt. Das heißt, die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion ist dimensionslos. Schauen wir uns eine andere Reaktion an, nämlich die der Ammoniaksynthese N2+3H2=2NH3 und formulieren dafür das Massenwirkungsgesetz, dann sehen wir, dass die Einheiten sich hier nicht völlig rauskürzen. mol/l² :mol/l ×mol/l³ =1:mol/l², bzw. (mol/l)^-2. Bei dieser Reaktion handelt es sich allerdings um eine typische Gasphasenreaktion, weshalb man hier sinnvollerweise Partialdrücke verwenden würde. Die Einheit wäre dann nicht mol/l^-2, sondern Pa^-2. So und an dieser Stelle quält Euch sicher die durchaus sinnvolle Frage, wozu das alles? Das klingt ja alles wie völlig trockenes Zeug und irgendwie realitätsfremd. Tatsache ist, dass das Massenwirkungsgesetz so etwas wie eine ganz grundlegende Gesetzmäßigkeit  für chemische Reaktionen darstellt. Und damit ist es der Schlüssel für eine Vielzahl von Anwendungen in der Chemie, von denen ich hier Einige nennen möchte, ohne jetzt im Einzelnen darauf einzugehen, was da genau abläuft. Zum Beispiel kann man mithilfe des Massenwirkungsgesetzes Ausbeuteberechnungen durchführen. Also man kann sich ausrechnen, wie viel von meinem gewünschten Produkt am Ende entstehen wird. Oder es ist nützlich, wenn man ph-Wert-Berechnungen durchführen möchte. Also, wenn man rausfinden möchte, wie sauer ist meine Lösung, nachdem ich einen Tropfen von der und der Säure reingegeben habe. Ein weiteres Einsatzgebiet der Gleichgewichtskonstanten und des Massenwirkungsgesetzes ist die Untersuchung von Reaktionsgeschwindigkeiten. Jenen Teil der Chemie also, den man chemische Kinetik nennt. Und so weiter und so fort. So und damit wären wir auch schon am Ende des Videos angelangt. Wir haben gerade gelernt, wie das Massenwirkungsgesetz lautet, wie es zustande kommt und wie und wofür es angewendet wird. Vielen Dank für´s Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal.