Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Massenwirkungsgesetz: Kc berechnen und deuten
Stelle den Gleichgewichtsausdruck auf, berechne Kc und vergleiche den momentanen Quotienten Q.
0 von 12 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Das Massenwirkungsgesetz bildet für eine festgelegte Reaktion einen Quotienten aus Produkt- und Eduktaktivitäten. Die Koeffizienten werden Exponenten; reine Feststoffe und Flüssigkeiten fehlen sichtbar. Im Gleichgewicht hat der Quotient bei einer bestimmten Temperatur den Wert K.
Das Massenwirkungsgesetz (MWG) beschreibt die Zusammensetzung eines chemischen Gleichgewichts. Für eine festgelegte Reaktion bildest du einen Quotienten aus den Aktivitäten der Produkte und Edukte. Im Gleichgewicht hat dieser Quotient bei einer bestimmten Temperatur den Wert der Gleichgewichtskonstante K.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
In einem geschlossenen Gefäß kann sich bei einer umkehrbaren Reaktion ein dynamisches Gleichgewicht einstellen. Sind anfangs nur Edukte vorhanden, überwiegt zuerst die Hinreaktion. Mit der Produktbildung nimmt die Rückreaktion zu, bis beide Richtungen gleich schnell laufen. Auf der Teilchenebene reagieren Stoffe weiter; auf der Stoffebene bleiben die Konzentrationen dann konstant.
Für eine ausgeglichene Reaktion gilt im Konzentrationsmodell:
\ce{a A + b B <=> c C + d D}
K_c=\frac{c(\mathrm C)^c\cdot c(\mathrm D)^d}{c(\mathrm A)^a\cdot c(\mathrm B)^b}
c(\mathrm A) bis c(\mathrm D) bezeichnen Gleichgewichtskonzentrationen. Zuerst gleichst du die Reaktion aus. Dann setzt du Produkte in den Zähler und Edukte in den Nenner und übernimmst die Koeffizienten als Exponenten. Erst danach setzt du Werte ein.
Definition
Dynamisches chemisches Gleichgewicht
Im dynamischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion weiterhin ab, aber gleich schnell. Deshalb bleiben die Konzentrationen von außen betrachtet konstant. Sie müssen dabei nicht gleich groß sein.
Merke: „Konstante Konzentrationen“ bedeutet nicht „Stillstand“ und auch nicht „gleich große Konzentrationen“.
Beispiel: Koeffizienten als Exponenten
- 1Für \ce{2 SO2(g) + O2(g) <=> 2 SO3(g)} gilt ein ausgeglichenes Gasmodell.
- 2Der Ausdruck lautet K_c=\frac{c(\mathrm{SO_3})^2}{c(\mathrm{SO_2})^2c(\mathrm{O_2})}.
- 3Die 2 vor SO₃ wird zum Exponenten im Zähler; die 2 vor SO₂ zum Exponenten im Nenner.
Teste dich
Die thermodynamische Form des Massenwirkungsgesetzes verwendet Aktivitäten: Sie beschreiben die wirksame Beteiligung der Stoffe und sind auf einen Standardzustand bezogen. Die so definierte Konstante K ist dimensionslos. In hinreichend verdünnten Lösungen nähert man Aktivitäten oft durch Konzentrationsverhältnisse an und schreibt K_c; bei Gasen kann man Partialdrücke und K_p verwenden.
Ein reiner Feststoff oder eine reine Flüssigkeit hat bei festgelegten Bedingungen die Aktivität 1. Diese Stoffe fehlen deshalb sichtbar im Quotienten. Gelöste Stoffe und Gase bleiben im Ausdruck. Ein nicht normierter Konzentrationsausdruck kann je nach Koeffizienten formale Einheiten tragen; gib bei Rechnungen das verwendete Modell an.
Beispiel: Ein Feststoff im Gleichgewicht
- 1\ce{Ag+(aq) + Fe^2+(aq) <=> Ag(s) + Fe^3+(aq)}
- 2Im verdünnten Konzentrationsmodell gilt näherungsweise K_c=\frac{c(\mathrm{Fe^{3+}})}{c(\mathrm{Ag^+})c(\mathrm{Fe^{2+}})}.
- 3Festes Silber erscheint nicht sichtbar: Seine Aktivität ist 1. Die gelösten Ionen bleiben enthalten.
Teste dich
Für die umkehrbare Reaktion \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)} sind bei einer bestimmten Temperatur im Gleichgewicht c(\mathrm{HI})=3{,}50\,\mathrm{mol/L} und c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=0{,}480\,\mathrm{mol/L} gegeben.
Ein deutlich über 1 liegender dimensionsloser K-Wert spricht für eine produktbegünstigte Lage, ein sehr kleiner für eine eduktbegünstigte. Ein nicht normierter K_c-Wert kann Einheiten tragen; seine Zahl allein erlaubt dann keinen solchen Vergleich mit 1. Aus K=1 folgen im Allgemeinen keine gleichen Konzentrationen.
Wenn eine Gleichgewichtskonzentration unbekannt ist, verbindest du den MWG-Ausdruck mit den Konzentrationsänderungen aus der Reaktionsgleichung. Die Musteraufgabe zeigt die Schritte für dieselbe Reaktion bei einem anderen vorgegebenen K_c.
Beispiel: Kc aus Messwerten
- 1Für \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)} gilt K_c=\frac{c(\mathrm{HI})^2}{c(\mathrm{H_2})c(\mathrm{I_2})}.
- 2Einsetzen der Gleichgewichtswerte: K_c=\frac{(3{,}50\,\mathrm{mol/L})^2}{(0{,}480\,\mathrm{mol/L})^2} K_c\approx53{,}2
- 3Der Quotient ist größer als 1. Im erreichten Gleichgewicht sind trotzdem Hin- und Rückreaktion gleich schnell.
Teste dich
Der Reaktionsquotient Q hat dieselbe Form wie der Gleichgewichtsausdruck. Für Q setzt du momentane Werte ein; für K die Gleichgewichtswerte. Bei derselben Reaktionsgleichung und Temperatur gilt: Q<K bedeutet eine Nettoänderung zur Produktseite, Q=K Gleichgewicht und Q>K eine Nettoänderung zur Eduktseite.
Bei festgelegter Reaktionsgleichung hängt K von der Temperatur ab. Andere Anfangskonzentrationen ändern bei gleicher Temperatur die Gleichgewichtszusammensetzung, aber nicht K. Der Netto-Umsatz bis zum Gleichgewicht ist die Konzentrationsänderung gegenüber dem Start; er hängt deshalb auch von der Anfangsmischung ab. Ein Katalysator beschleunigt beide Reaktionsrichtungen und verkürzt nur die Zeit bis zum Gleichgewicht. Bei gleicher Anfangsmischung und Temperatur ändert er den Netto-Umsatz bis zum Gleichgewicht nicht.
Beispiel: Momentanen Quotienten vergleichen
- 1Für \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)} gelte bei einer bestimmten Temperatur K_c=4{,}00. Momentan seien c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=1{,}00\,\mathrm{mol/L} und c(\mathrm{HI})=1{,}00\,\mathrm{mol/L}.
- 2Einsetzen in denselben Konzentrationsausdruck ergibt Q_c=\frac{(1{,}00)^2}{1{,}00\cdot1{,}00}=1{,}00.
- 3Weil Q_c<K_c, entsteht netto weiteres \ce{HI}, bis wieder Q_c=K_c gilt.
Merke: K sagt, wo das Gleichgewicht liegt. Geschwindigkeitskonstanten und Aktivierungsbarrieren sagen, wie schnell es erreicht wird. Q sagt, in welche Richtung sich ein momentaner Zustand entwickelt.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Massenwirkungsgesetz
Dynamisches Gleichgewicht
gleiche Hin- und Rückreaktionsgeschwindigkeit; konstante, nicht zwingend gleiche Konzentrationen
Gleichgewichtsausdruck
Produkte im Zähler, Edukte im Nenner; Koeffizienten als Exponenten; reine Feststoffe und reine Flüssigkeiten nicht sichtbar
Größen
K für Gleichgewichtswerte; K_c als Konzentrationsform; Q für momentane Werte
Aussagen
K beschreibt die Gleichgewichtslage; Vergleich von Q und K zeigt die Reaktionsrichtung; Katalysator verändert nur die Geschwindigkeit
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Eine unbekannte Gleichgewichtskonzentration
- 1Für \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2 HI(g)} gilt bei einer bestimmten Temperatur K_c=4{,}00. Anfangs: c_0(\mathrm{H_2})=c_0(\mathrm{I_2})=1{,}00\,\mathrm{mol/L}, c_0(\mathrm{HI})=0.
- 2Sei x die verbrauchte Konzentration von H₂ und I₂ in \mathrm{mol/L}. Wegen des Verhältnisses 1:1:2 entstehen 2x HI. Im Gleichgewicht gilt c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=1{,}00\,\mathrm{mol/L}-x und c(\mathrm{HI})=2x.
- 3Einsetzen: 4{,}00=\frac{(2x)^2}{(1{,}00\,\mathrm{mol/L}-x)^2}. Nur für 0\le x<1{,}00\,\mathrm{mol/L} bleibt der Nenner positiv; die passende Wurzel ist positiv.
- 4Daraus folgt 2{,}00=\frac{2x}{1{,}00\,\mathrm{mol/L}-x} und x=0{,}500\,\mathrm{mol/L}.
- 5Also c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=0{,}500\,\mathrm{mol/L} und c(\mathrm{HI})=1{,}00\,\mathrm{mol/L}. Die Probe ergibt K_c=\frac{(1{,}00)^2}{(0{,}500)^2}=4{,}00.
Fehler finden
Anfangs- und Gleichgewichtswerte In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4In der letzten Zeile werden Anfangswerte statt Gleichgewichtswerte eingesetzt. Richtig ist K_c=0{,}50/0{,}50=1{,}00 im angegebenen Konzentrationsmodell.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Der konstante Gleichgewichtswert des Reaktionsquotienten heißt . Im Gleichgewicht gilt Q=K. Vor dem Gleichgewicht setzt du momentane Werte in ein. Steht vor einem gelösten oder gasförmigen Produkt in der ausgeglichenen Gleichung der Koeffizient 2, erhält dessen Konzentration den Exponenten .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback