Beeinflussung der Lage des chemischen Gleichgewichts

Die Lage des Gleichgewichts kann durch Anderung der Reaktionsbedingungen, also der Temperatur, des Drucks und der Konzentration der Reaktionsteilnehmer, beein- flusst werden. Allgemeine Aussagen tiber die Richtung, in die sich ein Gleichgewicht bei Anderung der auBeren Bedingungen verschiebt, wurden 1887 von Le Chatelier und Braun im Prinzip des kleinsten Zwanges formuliert.

Ubt man auf ein im Gleichgewicht befindliches System durch Anderung der auBeren Bedingungen (Temperatur, Druck bzw. Konzentration der Reakti – onspartner) einen Zwang aus, so verschiebt sich das Gleichgewicht derart, dass es dem auBeren Zwang ausweicht.

Einfluss der Temperatur. Ein chemisches Gleichgewicht reagiert sehr empflndlich auf Temperaturanderungen. Jeder Temperatur entspricht ein anderer Gleichgewichts – zustand bzw. eine andere Gleichgewichtslage und damit ein anderes K. Bei Tempera- turerhohung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung des endothermen Reak – tionsverlaufs, bis sich ein neues chemisches Gleichgewicht eingestellt hat. Bei Tem – peraturerniedrigung erfolgt dementsprechend eine Verschiebung des Gleichge – wichts in Richtung des exothermen Reaktionsverlaufs.

Der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperaturerhohung bedeutet fur den Gleichgewichtszustand eine Erhohung der Reaktionsgeschwindigkeit der Hin – und der Ruckreaktion. Erwarmen fuhrt zu einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung. Je hoher die Temperatur, umso schneller wird der jeweilige Gleichgewichtszustand er – reicht.

Einfluss des Druckes. Bei einer Reihe von Gleichgewichtsreaktionen treten Volu – menanderungen auf, wenn sie bei konstantem Druck ablaufen. In diesen Fallen lasst sich das Gleichgewicht prinzipiell durch Anderung des Druckes beeinflussen. Dieser Einfluss ist naturgemaB am starksten bei Gasgleichgewichten.

Eine Druckanderung fuhrt dann zu einer Beeinflussung der Gleichgewichtslage, wenn das Volumen der gasformigen Reaktionsprodukte von dem der gasformigen Aus – gangsstoffe verschieden ist. Bei Druckerhohung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Teilreaktion, die unter Volumenverminderung ablauft, bei Drucker – niedrigung dagegen in Richtung der Teilreaktion, die unter Volumenzunahme ablauft. Die Volumenzunahme bei einer Gasreaktion ergibt sich aus der Differenz der Stochio – metriekoeffizienten (Molzahldifferenz: An) der Reaktionsteilnehmer.

Einfluss der Konzentration. Erhoht man die Konzentration eines der Reaktionsteil­nehmer, verlagert sich das Gleichgewicht derart, dass der betreffende Reaktionsteil­nehmer verbraucht wird und sich dessen Konzentration wieder emiedrigt. Wird zum Beispiel die Konzentration eines Ausgangsstoffes erhoht, verlagert sich das Gleich­gewicht auf die Seite der Reaktionsprodukte. Die Reaktion schreitet in der Richtung fort, bei der die Ausgangsstoffe verbraucht und die Reaktionsprodukte gebildet wer – den. Damit erhoht sich die Ausbeute. Emiedrigt man die Konzentration eines Aus­gangsstoffes, wird die Geschwindigkeit der Ruckreaktion, bei der dieser Stoff nach – gebildet wird, erhoht.

Das Zusammenwirken von Druck, Temperatur und Katalysator soli am Beispiel der Ammoniaksynthese nach Haber und Bosch (Haber-Bosch-Verfahren) erlautert wer – den. Die Synthese von NH3 war das erste chemische Produktionsverfahren bei dem die Forschungsergebnisse zum MWG unmittelbar zur Anwendung kamen. Ammoniak ist eine der wichtigsten anorganischen Grundchemikalien. Als Ausgangspunkt fur Salpetersaure, Nitrate und Hamstoff bildet NH3 die Grundlage fur die Produktion von

Pflanzenschutzmitteln, Dimgemitteln, Kunst – und Farbstoffen sowie Kunstfasem. Die Reaktionsgleichung fur die Ammoniaksynthese lautet:

Kat.

N2 + 3H2 * " 2 NH3 AH= -92 kJ/mol. (4-9)

Die Bildung des NH3 verlauft exotherm und unter Volumenverminderung. Nach dem Prinzip von Le Chatelier und Braun sollte demnach bei moglichst tiefen Temperatu – ren und hohen Driicken gearbeitet werden, um eine hohe Ausbeute an NH3 zu erhal – ten. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Umsetzung von N2 und H2 ist bei niedrigen Temperaturen allerdings sehr gering. Um ein wirtschaftlich arbeitendes Verfahren zu ermoglichen, miissen deshalb Katalysatoren eingesetzt werden. Diese benotigen wie – derum eine bestimmte Betriebstemperatur, um voll wirksam zu sein. Die chemische Industrie arbeitet heute bei Driicken um 300 bar und Temperaturen zwischen 400…500° C unter Verwendung eisenoxidhaltiger Mischkatalysatoren, die als zusatz – liche aktivierende Substanzen K20, CaO, MgO und Si02 enthalten.