Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz

Chemical Equilibrium and Law of Mass Action

Chemie Klasse 11 9 Aufgaben

GleichgewichtLe ChatelierMassenwirkungsgesetzKerncurriculum

Im Gleichgewicht passiert nicht nichts — Hin- und Rückreaktion laufen gleich schnell weiter. Die Kinder formulieren das Massenwirkungsgesetz, lesen aus K ab, auf welcher Seite das Gleichgewicht liegt, und sagen mit dem Prinzip von Le Chatelier voraus, wie Druck, Temperatur und Konzentration es verschieben — am Beispiel der Ammoniaksynthese, deren Dünger die halbe Menschheit ernährt (Haber-Bosch; Geschichte, Geographie). Zwei dokumentierte Fehlvorstellungen stehen im Zentrum: das Gleichgewicht sei ein Stillstand, und ein Katalysator verschiebe seine Lage (Van Driel & Gräber 2002). Bereitet Säure-Base- und Redoxgleichgewichte vor.

Voraussetzungen (2)

Reaktionskinetik und Enzymkatalyse

Klasse 11

›

Energie bei chemischen Reaktionen

Klasse 8

›

Mittel

Multiple Choice #1 30s ▶ Testen

Was kennzeichnet ein chemisches Gleichgewicht?

● Hin- und Rückreaktion laufen mit gleicher Geschwindigkeit ab; die Konzentrationen von Edukten und Produkten ändern sich makroskopisch nicht mehr.
○ Die Reaktion ist abgeschlossen, alle Edukte sind verbraucht.
○ Es findet keine Reaktion mehr statt.
○ Die Konzentrationen aller Stoffe sind gleich groß.

Im Gleichgewicht ("dynamisches Gleichgewicht") reagieren weiterhin Teilchen — nur genauso viele in jede Richtung. Symbol: Doppelpfeil ⇌. Die Konzentrationen sind konstant, aber nicht zwingend gleich.

Multiple Choice #2 35s ▶ Testen

Was sagt das Prinzip von Le Chatelier ("Prinzip des kleinsten Zwangs")?

● Übt man Druck-, Temperatur- oder Konzentrationsänderungen auf ein Gleichgewicht aus, so weicht es so aus, dass es dem Zwang ausweicht.
○ Ein Gleichgewicht ändert sich nie.
○ Druck hat auf Gleichgewichte keinen Einfluss.
○ Die Temperatur verschiebt das Gleichgewicht immer nach rechts.

Beispiele: Erhöht man die Konzentration eines Edukts, läuft die Hinreaktion bevorzugt; entfernt man ein Produkt, läuft die Hinreaktion bevorzugt; erhöht man den Druck, weicht das System in die Richtung mit weniger Gas-Teilchen aus; bei exothermer Reaktion verschiebt höhere Temperatur das Gleichgewicht nach links.

Wahr / Falsch #3 20s ▶ Testen

Ein Katalysator verschiebt die Lage eines chemischen Gleichgewichts.

✓ Falsch

Falsch. Ein Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion gleichermaßen — das System erreicht das Gleichgewicht schneller, aber dessen Lage bleibt unverändert. Will man die Ausbeute beeinflussen, braucht es Druck-, Temperatur- oder Konzentrationsänderungen nach Le Chatelier.

Multiple Choice #4 25s ▶ Testen

Was ist ein "geschlossenes System" im Sinne der Gleichgewichtschemie?

● Ein System, das mit der Umgebung Energie, aber keine Stoffe austauscht — Voraussetzung dafür, dass sich überhaupt ein Gleichgewicht einstellen kann.
○ Ein System ohne Reaktionen.
○ Ein System aus festen Stoffen.
○ Ein System ohne Volumen.

In offenen Systemen (z. B. Kochtopf ohne Deckel) entweichen Produkte ständig — die Rückreaktion findet kaum statt, das System läuft praktisch nur in eine Richtung. Erst im geschlossenen Kolben können Hin- und Rückreaktion einander einholen und ein Gleichgewicht entstehen.

Schwer

Lückentext #1 25s ▶ Testen

Für die Reaktion aA + bB ⇌ cC + dD lautet das Massenwirkungsgesetz K = ___ / [A]^a [B]^b.

✓ Antwort: [C]^c [D]^d

Das Massenwirkungsgesetz (Guldberg & Waage 1864) verknüpft Konzentrationen im Gleichgewicht: K_c = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b. Die Gleichgewichtskonstante K hängt nur von der Temperatur ab. Großes K → Produkte überwiegen; kleines K → Edukte überwiegen.

Multiple Choice #2 35s ▶ Testen

Bei der Ammoniaksynthese N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ (exotherm) — wie verschiebt eine Temperaturerhöhung das Gleichgewicht?

● Nach links (zu den Edukten) — die Ausbeute an NH₃ sinkt.
○ Nach rechts — die Ausbeute steigt.
○ Gar nicht.
○ NH₃ zerfällt explosionsartig.

Hinreaktion: exotherm (gibt Wärme ab). Le Chatelier: Bei Temperaturerhöhung wird die Wärme aufnehmende, also endotherme Richtung bevorzugt — das ist hier die Rückreaktion. Tatsächlich arbeitet das Haber-Bosch-Verfahren bei 400–500 °C: ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit (hoch) und Ausbeute (niedrig).

Multiple Choice #3 35s ▶ Testen

Bei der Ammoniaksynthese werden 4 Mol Gas (1 N₂ + 3 H₂) zu 2 Mol Gas (2 NH₃). Wie wirkt sich eine Druckerhöhung aus?

● Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts — weniger Gasteilchen senken den Druck. Die NH₃-Ausbeute steigt.
○ Nach links — mehr Edukte bilden sich.
○ Druck hat keinen Einfluss.
○ NH₃ wird zerstört.

Le Chatelier "weicht aus" der Erhöhung — bei Druck steht das System in Richtung weniger Gas-Mol unter Druck. Daher arbeitet Haber-Bosch bei 200–300 bar. Höhere Drücke wären besser, sind technisch aber sehr teuer (Gefäßwandstärke, Sicherheit).

Multiple Choice #4 30s ▶ Testen

Was bedeutet eine sehr große Gleichgewichtskonstante (K ≫ 1)?

● Das Gleichgewicht liegt fast vollständig auf der Seite der Produkte.
○ Die Reaktion läuft sehr schnell ab.
○ Es entsteht viel Wärme.
○ Die Reaktion ist umkehrbar.

K = [Produkte]^... / [Edukte]^.... Großer Wert → der Zähler dominiert. Beispiel HCl-Dissoziation in Wasser hat K ~ 10⁶ — praktisch alles dissoziiert. Achtung Dim. Mismatch — K sagt nur etwas über die *Lage*, nicht über die *Geschwindigkeit* aus. Eine Reaktion mit großem K kann trotzdem extrem langsam sein (z. B. Verbrennung von Diamant).

Zahleneingabe #5 60s ▶ Testen

Im Gleichgewicht der Reaktion H₂ + I₂ ⇌ 2 HI gilt: [H₂] = 0,1 mol/L, [I₂] = 0,1 mol/L, [HI] = 0,8 mol/L. Berechne K_c.

✓ Antwort: 64

K_c = [HI]² / ([H₂]·[I₂]) = (0,8)² / (0,1 · 0,1) = 0,64 / 0,01 = 64. Hinweis zur Einheit: Da bei dieser Reaktion auf beiden Seiten zwei Mol-Gas stehen, kürzen sich die Einheiten weg — K_c ist dimensionslos.