Chemisches Gleichgewicht

Das chemische Gleichgewicht wird durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben. Die darin enthaltene Gleichgewichtskonstante $K$ steht in Beziehung zur Gibbs-Energie $\mathit{G}$. In (Abb. 1) ist die Veränderung von $\mathit{G}$ im Laufe der Gleichgewichtsreaktion $\begin{array}{ccc}\hfill \text{A}+\text{B}& \rightleftharpoons & \text{C}+\text{D}\hfill \end{array}$ aufgetragen.

Hat $\mathit{G}$ ein Minimum erreicht - bei $\Delta \mathit{G}$ gleich null -, hat sich ein Reaktionsgleichgewicht eingestellt. In unserem Beispiel ist dieses Gleichgewicht bei einem Umsatz von etwa 80 Prozent erreicht. Es liegen dann noch 20 Prozent der Edukte A + B vor, 80 Prozent wurden in C + D umgesetzt. Ausgehend von den reinen Edukten A + B, also von 0 Prozent Umsatz, wurde als Energie ${\Delta \mathit{G}}_{\text{hin}}$ frei, um den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Geht man von den reinen Produkten C + D aus, also von 100 Prozent Umsatz, stellt sich das gleiche Gleichgewicht bei 80 Prozent Umsatz ein (20 Prozent der Produkte reagieren zu Edukten). Dabei wird aber weniger Energie frei: ${\Delta \mathit{G}}_{\text{rück}}$ .

In Fachbüchern und Tabellenwerken sind meist genormte Werte (Standardwerte) für die Gibbs-Energie angegeben, weil diese vergleichbar sind und man einfach mit ihnen rechnen kann. So bezeichnet die Standard-Gibbs-Energie $\Delta \mathit{G}°$, die Gibbs-Energie, die bei vollständiger Umsetzung eines Mols A + B zu C + D (im Standardzustand) freigesetzt wird:

$$\Delta \mathit{G}°={\Delta \mathit{G}}_{\text{hin}}-{\Delta \mathit{G}}_{\text{rück}}$$

In der Praxis gibt es aber selten Reaktionen, bei denen die Edukte zu 100 Prozent in Produkte umgesetzt werden. Bestimmt man bei solchen nicht vollständig ablaufenden Reaktionen die Konzentrationen der Edukte und Produkte im Gleichgewicht, lässt sich über das Massenwirkungsgesetz die Gleichgewichtskonstante $K$ berechnen. Damit lässt sich über Gleichung die freie Standard-Gibbs-Energie bestimmen.

$$\Delta \mathit{G}=\Delta \mathit{G}°+\mathit{R}\cdot \mathit{T}\cdot ln\left(K\right)$$

Weil im Gleichgewicht $\Delta \mathit{G}$ gleich null ist, vereinfacht sich Gleichung nämlich zu:

$$\Delta \mathit{G}°=-\mathit{R}\cdot \mathit{T}\cdot ln\left(K\right)$$

Umgekehrt lässt sich bei gegebener Standard-Gibbs-Energie $\Delta \mathit{G}°$ mit Gleichung auf die Lage des Gleichgewichts einer Reaktion schließen.