Prinzip vom kleinsten Zwang
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Prinzip von Le Chatelier oder das Prinzip vom kleinsten Zwang wurde von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert:
Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es, indem es den Zwang verkleinert.
"Zwänge" sind Änderungen der: Temperatur, Druck, Stoffkonzentration
- Erhöht man die Temperatur, wird die wärmeliefernde Reaktion zurückgedrängt und umgekehrt.
- Erhöht man den Druck, weicht das System so aus, dass die volumenverkleinernde Reaktion gefördert wird und umgekehrt.
- Ändert man die Konzentration, z. B. indem man ein Produkt aus dem Ansatz entfernt, so reagiert das Gleichgewichtssystem, indem dieses Produkt nachproduziert wird.
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[Bearbeiten] Beispiel: Zufuhr bzw. Entzug von Wärme
Wärmeentzug begünstigt exotherme (Energie freisetzende) Reaktionen, Wärmezufuhr begünstigt die endothermen (Energie verbrauchende) Reaktionen. Hierbei wird das Gleichgewicht (Konzentration) in Richtung des Produkts / der Produkte verschoben.
Beispiel die sog. Knallgasreaktion, bei der aus Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) Wasser entsteht:
- 2 H2 + O2 → 2 H2O
Die freiwerdende Energie beträgt drH0 = -571,6 kJ/mol, d.h. es handelt sich um eine exotherme Reaktion. Nach den Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik beträgt die benötigte Energie für die entgegengesetzte Reaktion (2 H2O → 2 H2 + O2) drH0 = +571,6 kJ/mol, die Reaktion verläuft demnach endotherm. Erhöht man nun die Temperatur stark, so wird die Reaktion in diese Richtung ablaufen, oder, wenn man die obere Reaktion betrachtet, wird das Gleichgewicht auf die „linke Seite“ zu den Edukten Wasserstoff und Sauerstoff verschoben.
[Bearbeiten] Beispiel: Druckänderung
Eine bekannte Reaktion ist die Herstellung von Ammoniak (NH3). Ammoniak wird aus Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) hergestellt
- N2 + 3 H2 → 2 NH3
Es entstehen also aus 4 Gasmolekülen auf der Eduktseite (linke Seite) 2 Gasmoleküle auf der Produktseite (rechte Seite). Wird nun der Druck erhöht, so weicht das System auf die volumenverkleinernde Seite - also diejenige mit weniger Molekülen - aus. Somit lässt sich durch Druckerhöhung die Bildung von Ammoniak begünstigen. In der Technik wird diese Reaktion daher bei ca. 450 Bar (45 MPa) Druck im sogenannten „Haber-Bosch-Verfahren“ durchgeführt
[Bearbeiten] Beispiel: Stoffmengenänderung
Der Einfluss von Änderungen der Stoffmenge auf die Lage eines Gleichgewicht lässt sich an der Veresterung von Carbonsäuren bzw. der Hydrolyse von Carbonsäureestern verdeutlichen.
- R-COOH + R'-OH → R-COO-R' + H2O
bzw.
- R-COO-R' + H2O → R-COOH + R'-OH
Wenn eine Carbonsäure in einem Alkohol gelöst wird, befindet sich das System zunächst nicht im Gleichgewicht. Wenn sich das Gleichgewicht eingestellt hat (z.B. nach Zugabe eines Katalysators oder nach –sehr langem– Warten) und die erste Reaktion abgelaufen ist, hat sich die Menge des Alkohols kaum verändert, es hat sich der Ester und eine entsprechende Menge Wasser gebildet und es ist eine sehr kleine Menge Carbonsäure übrig. Wenn jetzt die Mengen von Wasser und Alkohol verändert werden, z.B. durch abdestillieren des Alkohols und Zugabe von Wasser, und anschließend wieder das Gleichgewicht eingestellt wird, so läuft eine umgekehrte Reaktion ab. Die Menge des Wassers, da im großen Überschuss vorhanden, verändert sich fast nicht, der Ester wird nahezu vollständig verbraucht, die Carbonsäure und der Alkohol werden zurückgebildet.
Das bedeutet, dass man durch Zugabe einer Reaktionskomponente im Überschuss (Alkohol bzw. Wasser) steuern kann, welches Reaktionsprodukt (Ester oder Säure) im Gleichgewicht überwiegt.
