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Chemisches Gleichgewicht

Gleichgewichtskonstante

Reaktionsgleichgewichte gibt es in homogenen und heterogenen Phasensystemen. Reaktionsgleichgewichte in der Gasphase und in flüssigen Lösungen sind Beispiele für homogene Gleichgewichte und Katalysen mit festen Katalysatoren sind Beispiele für heterogene Gleichgewichte.

Gasgleichgewichte

Das chemische Potenzial μ i ( p , T ) eines idealen Gases ist von Druck p und Temperatur T abhängig. Die Druckabhängigkeit bei konstanter Temperatur ist in einer idealen Gasmischung durch nachfolgenden Ausdruck gegeben.

μ i ( p , T ) = μ i ( p , T ) + R T ln p i p μ i ( p , T ) = Standardpotenzial R = allgemeine Gaskonstante p i = Partialdruck p = Standarddruck

Im Reaktionsgleichgewicht ist die Gibbs-Reaktionsenergie Δ r G p null (Gibbs-Energie). Die Partialdrucke p i sind dann konstant und die Gleichgewichtskonstante für das homogene Reaktionsgemisch aus idealen Gasen ist:

Δ r G p = i ν i μ i ( p , T ) = Δ r G p + R T ln K p = 0 K p = l ( p l p ) | ν l | k ( p k p ) | ν k | Δ r G p = Standard-Gibbs-Reaktionsenergie (Druck) K p = Gleichgewichtskonstante (Druck) ν i , ν l , ν k = stöchiometrische Zahlen

Bei Gasreaktionen ist die Gleichgewichtskonstante ein Bruch mit den Partialdrucken der Produkte (Zähler) und Edukte (Nenner), wobei die Gase eine ideale Reaktionsmischung bilden sollen.

Bei realen Gasen müssen anstelle der Partialdrucke Fugazitäten eingesetzt werden.

μ f = μ + R T ln f p Δ r G f = Δ r G f + R T ln K f = 0 K f = i ( f i p ) | ν i | k ( f k p ) | ν k | μ f = Standardpotenzial (Fugazität) Δ r G f = Standard-Gibbs-Reaktionsenergie (Druck) f i = Fugazität von Gas i K f = Gleichgewichtskonstante (Fugazität)

Die Gibbs-Reaktionsenergie besteht aus den Anteilen der chemischen Potenziale beim Standarddruck und den Anteilen, die durch die Partialdrücke oder Fugazitäten hinzukommen.

Lösungsgleichgewichte

Das chemische Potenzial μ i eines Stoffes in einer idealen Mischphase ist von der Stoffmengenanteil (Molenbruch) x i abhängig.

μ i = μ i + R T ln x i μ i = chemisches Potenzial von reinem Stoff i

Diese Gleichung kann für Gasmischphasen und kondensierte Mischphasen angewendet werden.

Die Gleichgewichtskonstante für Stoffmengenanteile gilt nur für ideale, homogene Mischphasensysteme.

K x = i x i | ν i | k x k | ν k | K x = Gleichgewichtskonstante (Stoffmengenanteil)

In fluiden Lösungen ist das chemische Potenzial von den Stoffmengenkonzentrationen c i oder Aktivitäten a i der gelösten Stoffe i abhängig.

μ i = μ i + R T ln c i μ i = μ i + R T ln a i μ i = chemisches Standardpotenzial von Stoff i

Das Standardpotenzial wird hier auf den Reinstoff i oder eine ideale (unendlich verdünnte) Lösung bezogen.

Die entsprechenden Gleichgewichtskonstanten sind nachfolgend angegeben. Die Konzentrationen und Aktivitäten beziehen sich auf den Gleichgewichtszustand.

K c = i c i | ν i | k c k | ν k | K a = i a i | ν i | k a k | ν k | K c = Gleichgewichtskonstante (Konzentration) K a = Gleichgewichtskonstante (Aktivität)

Bei Reaktionen in Lösung und unter Annahme starker Verdünnung sind Aktivitäten und Stoffmengenkonzentrationen annähernd gleich. Die entsprechenden Gleichgewichtskonstanten sind dann auch annähernd gleich. Die Standard-Gibbs-Reaktionsenergien sind nur bei gleichen Standards gleich (reiner Stoff, ideale Lösung).

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