Prinzip von Le Chatelier: Gleichgewichte vorhersagen

Im dynamischen Gleichgewicht laufen Hin- und Rückreaktion gleich schnell weiter. Die Konzentrationen bleiben dabei konstant, müssen aber nicht gleich groß sein.

Das Prinzip von Le Chatelier sagt qualitativ voraus, welche Reaktionsrichtung nach einer wirksamen Störung begünstigt wird. Es sagt allein weder die Größe der Verschiebung noch die Zeit bis zum neuen Gleichgewicht voraus.

Bei unveränderter Temperatur und sonst gleichen Bedingungen gilt für gelöste oder gasförmige Reaktionspartner: Zugabe begünstigt ihre Verbrauchsrichtung; Entnahme begünstigt ihre Bildungsrichtung. Die bloße Mengenänderung eines reinen Feststoffs oder einer reinen Flüssigkeit verschiebt das Gleichgewicht nicht, solange diese Phase vorhanden ist.

Die Druckregel gilt für ideale Gasgleichgewichte, wenn sich das Volumen bei konstanter Temperatur ändert. Kompression begünstigt die Seite mit weniger gasförmigen Teilchenanteilen; Volumenvergrößerung die Seite mit mehr. Zähle dazu die Koeffizienten vor den gasförmigen Stoffen. Reine Feststoffe und Flüssigkeiten zählen nicht mit. Bei gleicher Summe auf beiden Seiten folgt aus der Volumenänderung keine Verschiebung.

„Druck erhöht“ beschreibt den Eingriff noch nicht genau genug. Wird bei konstantem Volumen und konstanter Temperatur ein nicht reagierendes Gas zugegeben, steigt der Gesamtdruck. Die Konzentrationen der reagierenden Gase ändern sich im idealen Modell nicht; das Gleichgewicht verschiebt sich dadurch nicht.

Eine Temperaturänderung ist von einer Konzentrations- oder Volumenänderung zu unterscheiden: Sie kann auch die Gleichgewichtskonstante ändern. Erwärmung begünstigt die endotherme, also wärmeaufnehmende Richtung. Abkühlung begünstigt die exotherme, also wärmeabgebende Richtung.

Bei der Bildung von Distickstofftetraoxid aus Stickstoffdioxid ist die Hinreaktion exotherm. Im Beispiel bedeutet ein Formelumsatz: Aus zwei Mol NO₂ entsteht ein Mol N₂O₄. Das negative \Delta H zeigt, dass dabei Wärme frei wird. Mehr braunes Stickstoffdioxid macht das Gasgemisch dunkler; mehr farbloses Distickstofftetraoxid macht es heller. Das ist eine gedankliche Deutung der Beobachtung, keine Anleitung zum Umgang mit dem Gas.

Bei der Ammoniaksynthese gilt \ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)}. Die Bildung von Ammoniak ist exotherm. Kompression bei gleicher Temperatur begünstigt die Produktseite, weil dort zwei statt vier gasförmige Anteile stehen. Abkühlung begünstigt ebenfalls die Produktseite, kann die Einstellung des Gleichgewichts aber verlangsamen. Sehr hoher Druck stellt technische Anforderungen. Die tatsächliche Wahl von Temperatur und Druck ist deshalb ein Kompromiss aus Gleichgewichtslage, Geschwindigkeit und technischer Umsetzbarkeit.

Ein Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion. Er verschiebt das Gleichgewicht nicht und erhöht dessen Gleichgewichtsausbeute nicht. Gehe bei Aufgaben in dieser Reihenfolge vor: Änderung benennen, passende Regel wählen, die Reaktionsgleichung auswerten und die Richtung begründen.