Massenwirkungsgesetz – Chemie, Definition und Beispiele

Inhaltsverzeichnis zum Thema Massenwirkungsgesetz

Massenwirkungsgesetz im Überblick
Massenwirkungsgesetz – Definition
Chemisches Gleichgewicht berechnen – Beispiel
Häufig gestellte Fragen zum Thema Massenwirkungsgesetz

Massenwirkungsgesetz im Überblick

Läuft eine chemische Reaktion reversibel ab, stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Im Gleichgewicht verläuft die Hinreaktion genauso schnell wie die Rückreaktion und die Konzentrationen aller beteiligten Stoffe bleiben konstant.
Das Verhältnis der Konzentrationen, die an einer sich im Gleichgewicht befindenden chemischen Reaktion beteiligt sind, wird durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben. In der Chemie wird das Massenwirkungsgesetz mit MWG abgekürzt.

Quelle sofatutor.com

Massenwirkungsgesetz – Definition

Das Massenwirkungsgesetz besagt, dass bei einer chemischen Reaktion im Gleichgewicht der Quotient aus den Produkten der Konzentrationen der Reaktionsprodukte und Edukte eine Konstante ist. Diese Konstante trägt in der Chemie die Bezeichnung Gleichgewichtskonstante ( $K$ ). Wie das Massenwirkungsgesetz aufgestellt bzw. formuliert wird, wollen wir nun an einem allgemeinen Beispiel verdeutlichen: Stoff $\text{A}$ reagiert mit Stoff $\text{B}$ zu den Stoffen $\text{C}$ und $\text{D}$ :

$a \text{A} + b \text{B} \rightleftarrows c \text{C} + d \text {D}$

$a$ , $b$ , $c$ , $d$ : Stöchiometriezahlen

Daraus ergibt sich folgende Formel für das Massenwirkungsgesetz:

$K = \frac{{c (\text{C})^{c}} \cdot {c (\text{D})^{d}}}{{c (\text{A})^{a}} \cdot {c (\text{B})^{b}}}$

Die Gleichgewichtskonstante K ist temperaturabhängig. Die Einheit der Gleichgewichtskonstanten im Massenwirkungsgesetz ist außerdem davon abhängig, welches System betrachtet wird und welche Reaktion abläuft, sie kann sich also ändern. Der Wert von $K$ gibt Auskunft darüber, auf welcher Seite der Reaktion sich der Schwerpunkt des chemischen Gleichgewichts befindet:

Wert	Lage des Gleichgewichts
$K=1$	Gleichgewicht liegt in der Mitte. Konzentration der Edukte ist gleich der Konzentration der Produkte.
$K<1$	Hinreaktion überwiegt. Konzentration der Produkte ist größer als die der Edukte.
$K>1$	Rückreaktion überwiegt. Konzentration der Edukte ist größer als die der Produkte.

Das Massenwirkungsgesetz gilt für Lösungen und auch für gasförmige Stoffe. Bei Gasen wird statt der Konzentration der Partialdruck $p$ der beteiligten Gase betrachtet. Zur Unterscheidung werden die entsprechenden Gleichgewichtskonstanten mit $K_{c}$ bzw. $K_{p}$ abgekürzt. Das Massenwirkungsgesetz lässt sich nicht für Feststoffe aufstellen.

Chemisches Gleichgewicht berechnen – Beispiel

Wie die Gleichgewichtskonstante berechnet werden kann, soll am folgenden Beispiel verdeutlicht werden. Distickstofftetroxid $\left(\text{N}_2\text{O}_4 \right)$ dissoziiert zu Stickstoffdioxid $\left(\text{NO}_2 \right)$ :

$\text{N}_2\text{O}_4 \rightleftarrows 2\,\text{NO}_2$

Im Gleichgewicht liegen folgende Konzentrationen bei $25\,^\circ\text{C}$ vor:

$c(\text{N}_2\text{O}_4) = 4{,}27 \cdot 10^{-2}~\frac{\text{mol}}{\ell}$

$c(\text{NO}_2) = 1{,}41 \cdot 10^{-2}~\frac{\text{mol}}{\ell}$

Daraus folgt:

$K_{c} = \frac{{c \left(\text{NO}_2 \right)}^2}{{c \left(\text{N}_2\text{O}_4 \right)}} = \frac{\left(1{,}41 \cdot 10^{-2}\right)^2~\frac{\text{mol}^2}{\ell^2}}{4{,}27 \cdot 10^{-2}~\frac{\text{mol}}{\ell}} = 4{,}66 \cdot 10^{-3}~\frac{\text{mol}}{\ell}$

Umgekehrt können auch die Gleichgewichtskonzentrationen berechnet werden, wenn die Gleichgewichtskonstante bekannt ist. Außerdem ist es möglich, mithilfe des Massenwirkungsgesetzes Reaktionsgeschwindigkeiten und pH-Werte zu berechnen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Massenwirkungsgesetz

Was sagt der Kc-Wert aus?

Der $K_{c}$ -Wert ist der Wert der Gleichgewichtskonstante und gibt Auskunft über die Lage des chemischen Gleichgewichts einer Reaktion, für die das Massenwirkungsgesetz gilt. $K_{c}$ im Speziellen gibt Auskunft über die Lage des Gleichgewichts der Konzentrationen der beteiligten Stoffe. Ist $K_{c}=1$ , sind die Konzentrationen der Edukte und Produkte der Reaktion gleich groß. Ist $K_{c}>1$ , überwiegt die Konzentration der Produkte, d. h., der Schwerpunkt des chemischen Gleichgewichts liegt auf der rechten Seite der Reaktion. Ist $K_{c}<1$ , überwiegt die Konzentration der Edukte, d. h., der Schwerpunkt des chemischen Gleichgewichts liegt auf der linken Seite der Reaktion.

Was sagt die Gleichgewichtskonstante aus?

Die Gleichgewichtskonstante $K$ gibt Auskunft über die Lage des Gleichgewichts einer chemischen Reaktion, d. h., in welchem Verhältnis die Edukte und Produkte der Reaktion vorliegen, wenn sich ein chemisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Was gibt Kc an?

$K_{c}$ gibt an, in welchem Verhältnis die Konzentrationen der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion vorliegen, für die das Massenwirkungsgesetz gilt. Ist $K_{c}=1$ , sind die Konzentrationen der Edukte und Produkte der Reaktion gleich groß. Ist $K_{c}>1$ , ist die Konzentration der Produkte größer als die der Edukte. Ist $K_{c}<1$ , ist die Konzentration der Edukte größer als die der Produkte.

Woher weiß man, wo das Gleichgewicht liegt?

Der Wert der Gleichgewichtskonstanten $K$ lässt Rückschlüsse auf die Lage des Gleichgewichts einer chemischen Reaktion zu. Ist $K$ größer als eins, läuft hauptsächlich die Hinreaktion ab, ist $K$ kleiner als eins, findet hauptsächlich die Rückreaktion statt. Ist $K$ gleich eins, liegt das Gleichgewicht in der Mitte, d. h., Hin- und Rückreaktion laufen gleichermaßen ab.

Wie stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein?

Ein chemisches Gleichgewicht stellt sich dann ein, wenn sich das Verhältnis von Produkten zu Edukten einer chemischen Reaktion nicht mehr verändert, also einen konstanten Wert annimmt. Das ist dann der Fall, wenn sich die äußeren Reaktionsbedingungen nicht mehr verändern, insbesondere die Temperatur und der Umgebungsdruck.

Wie verschiebt sich das chemische Gleichgewicht?

Durch eine Veränderung äußerer Parameter wie Druck oder Temperatur kann sich das chemische Gleichgewicht verschieben. Außerdem, wenn die Konzentrationen verändert werden, in denen die Ausgangsstoffe vorliegen. Jede Änderung der Reaktionsbedingungen hat Auswirkungen auf das chemische Gleichgewicht. Die Gleichgewichtskonstante einer chemischen Reaktion wird üblicherweise für Normalbedingungen (Raumtemperatur und Atmosphärendruck) angegeben.

Wohin verschiebt sich das Gleichgewicht bei Druckerhöhung?

Wie sich eine Druckerhöhung auf die Lage des Gleichgewichts auswirkt, ist abhängig von der Art der Reaktion. Eine Veränderung des Drucks ist vor allem für Reaktionen zwischen Gasen relevant. Die einzelnen Partialdrücke $p$ der beteiligten Gase werden durch die Gleichgewichtskonstante $K_{p}$ berücksichtigt, die mit folgender Formel berechnet wird:

$K_{p} = \frac{{p (\text{C})^{c}} \cdot {p (\text{D})^{d}}}{{p (\text{A})^{a}} \cdot {p (\text{B})^{b}}}$

Hier sind $p (\text{A})$ und $p (\text{B})$ die Partialdrücke der Edukte und $p (\text{C})$ und $p (\text{D})$ die Partialdrücke der Produkte. Die stöchiometrischen Koeffizienten $a$ , $b$ , $c$ und $d$ der zugehörigen Reaktionsgleichung gehen als Exponenten in das Massenwirkungsgesetz ein.