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1 Exotherme/endotherme endotherme Reaktionen Edukte - H Produkte Exotherme Reaktion Edukte Produkte + H Endotherme Reaktion 101

2 Das Massenwirkungsgesetz Das Massenwirkungsgesetz Gleichgewicht chemischer Reaktionen Bei der Betrachtung einer chemischen Reaktion könnte man annehmen, n, dass die beschriebene Reaktion vollständig von links nach rechts abläuft. Das gilt aber streng genommen nur bei heterogenen Reaktionen,, d.h. wenn Edukte und Produkte nicht in der gleichen Phase vorliegen: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) Diese Reaktion läuft vollständig ab, weil CO 2 entweichen kann und daher nicht mehr für eine Rückreaktion zur Verfügung steht. Bei homogenen Reaktionen (Gas- und Lösungsreaktionen) kommt es zum Reaktionsstillstand wenn noch alle beteiligten Reaktionspartner in endlichen Mengen vorhanden sind es kommt zum chemischen Gleichgewicht. 102

3 Das Massenwirkungsgesetz Das Massenwirkungsgesetz Gleichgewicht chemischer Reaktionen Betrachten wir die Reaktion N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) H= kj farblos braun Bei tiefen Temperaturen (< 10.2 C) ist N 2 O 4 ein farbloser Feststoff, der sich bei Erwärmung rmung über den Siedepunkt (21.2 C) zunehmend dunkler färbt, weil N 2 O 4 in NO 2 zerfällt (dissoziiert( dissoziiert). Bei Temperaturen über Raumtemperatur kommt die Verfärbung rbung aber trotz der Anwesenheit von N 2 O 4 zum Stillstand, weil die Reaktion ein Gleichgewicht erreicht. Dieser Gleichgewichtszustand stellt sich ein, weil die Reaktion reversibel ist, d.h. N 2 O 4 kann nicht nur in NO 2 zerfallen, sondern NO 2 kann umgekehrt auch N 2 O 4 bilden. 103

4 Das Konzept des Gleichgewichtszustandes T < C T > C Gleichgewicht 104

5 Das Konzept des Gleichgewichtszustandes Wir können dieses Gleichgewicht analysieren, wenn wir die Grundlagen der Reaktionskinetik berücksichtigen. Reaktionskinetik: : beschreibt den zeitlichen Verlauf einer Reaktion. Betriebswirtschaftlich interessiert nicht nur die Lage des Gleichgewichtes, d.h. die Ausbeute des gewünschten Produktes, sondern auch wie schnell sich dieses Gleichgewicht einstellt. Vorwärts-Reaktion N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) r = k [N 2 O 4 ] Rückwärts-Reaktion 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) r = k [NO 2 ] 2 r: Reaktionsgeschwindigkeit k: Reaktionsgeschwindigkeitskonstante onstante Im Gleichgewicht ist r = r daher ist k [N 2 O 4 ] = k [NO 2 ] 2 Umformung der obigen Gleichung ergibt: [NO 2 ] 2 k = = K (für( r konst. Temperatur) [N 2 O 4 ] k 105

6 Einstellung des chemischen Gleichgewichtes 106

7 Allgemeine Formulierung des Massenwirkungsgesetzes C. M. Guldberg und P. Waage haben 1864 das für r chemische Reaktionen formuliert. Für r die Reaktion gilt Massenwirkungsgesetz (MWG) aa + bb b cc + dd [C] c [D] K d = (für r eine bestimmte Temperatur) [A] a [B] b Vereinbarung: die Konzentrationen der Produkte stehen im Zähler. Z Aus industrieller Sicht bedeutet ein großes K eine hohe Ausbeute an erwünschtem Produkt. 107

8 Reaktionskinetik Die Reaktionskinetik untersucht den zeitlichen Ablauf einer chemischen Reaktion. Die experimentelle Grundlage ist die Messung der Reaktionsgeschwindigkeiten indigkeiten r in Abhängigkeit von der (den) Konzentration(en) ) und der Temperatur. Reaktionsordnung: Anzahl der Moleküle, deren Konzentration die Geschwindigkeit der betrachteten Reaktion bestimmen. Einfachster Fall: Reaktion 1. Ordnung A B + C Konzentration von A: [A] = c A Reaktionsgeschwindigkeit r = - dc A /dt = k 1 c A c a = c 0 e -k1t bzw. k 1 = 1/t ln c 0 /c a Halbwertszeit (Zeit in der c 0 auf c 0 /2 abgesunken ist): τ 1/2 = ln2/k 1 108

9 Das Ionenprodukt von Wasser Eines der bekanntesten Gleichgewichte ist die Dissoziation von Wasser: W mit K' = H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - [H 3 O + ] [OH - ] [H 2 O] 2 [H 2 O] 2 kann für Wasser und verdünnte wässerige Lösungen als konstant betrachtet werden K' [H 2 O] 2 = K w = [H 3 O + ] [OH - ] K w (Ionenprodukt von Wasser) ) = (bei 25 C) Im Gleichgewicht muß das Produkt der Konzentrationen von [H 3 O + ] und von [OH - ] immer gleich K w sein. Diese Beziehung gilt auch dann, wenn man die Konzentration dieser Ionen entweder durch Säurezugabe (Erhöhunghung von [H 3 O + ]) oder durch Zugabe einer Base (Erh( Erhöhunghung von [OH - ]) verändert ndert. 109

10 Das Ionenprodukt von Wasser K w = [H 3 O + ] [OH - ] = (bei 25 C) [H 3 O + ] = [OH - ] = mol/l = 10-7 mol/l Zur Vereinfachung der Angaben für [H 3 O + ] und [OH - ] führte P. L. Sörensen (Dänemark,, ) 1939) 1909 den Wasserstoffexponenten ph ein. ph = - log [H 3 O + ] = 7 (für( Wasser bei 25 C) poh = - log [OH - ]) = 7 (für( Wasser bei 25 C) ph + poh = 14 ph und poh können als Parameter für f r die Stärke einer Säure S oder Base herangezogen werden: 0.1 mol HCl-Lösung sung: [H 3 O + ] = 0.1 mol/l = 10-1 mol/l ph = mol NaOH-Lösung sung: [OH - ] = 0.1 mol/l = 10-1 mol/l poh = 1 (ph = 13) 110

6. Tag: Chemisches Gleichgewicht und Reaktionskinetik

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