Massenwirkungsgesetz – Chemie, Definition und Beispiele

Erfahre, wie das Massenwirkungsgesetz das chemische Gleichgewicht beschreibt und warum es für Reaktionen wichtig ist. Entdecke, wie Gleichgewichtskonstanten berechnet werden und wie externe Faktoren das Gleichgewicht beeinflussen können. Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.

Inhaltsverzeichnis 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.
Massenwirkungsgesetz

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

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.

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.

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.

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.

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.
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.
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.

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