Massenwirkungsgesetz

Das chemische Gleichgewicht stellt sich bei umkehrbaren (reversiblen) Reaktionen ein und wird in der Reaktionsgleichung durch einen Gleichgewichtspfeil $\underset{}{\overset{}{\rightleftarrows }}$ charakterisiert.

$A+B\underset{}{\overset{}{\rightleftarrows }}AB$

Mathematisch läßt sich das chemische Gleichgewicht durch das Massenwirkungsgesetz beschreiben, das 1867 vom norwegischen Technologen und Mathematiker CATO MAXIMILIAN GULDBERG (1836-1902) und dem norwegischen Chemiker PETER WAAGE (1833-1900) hergeleitet wurde.

Definition

Bei gegebener Temperatur und Druck ist der Quotient aus dem Produkt der Konzentrationen der Reaktionsprodukte und dem Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe eine Konstante die Gleichgewichtskonstante K.

$K=\frac{\text{Produkt der Konzentrationen der Reaktionsprodukte}}{\mathrm{Pr}oduktderKonzentrationenderAusgangsstoffe}$

Für die oben genannte allgemeine Beispielreaktion lautet des Massenwirkungsgesetz:

$K=\frac{\text{c(AB)}}{c(A)·c(B)}$

Beispiel
Ein Beispiel für eine reversible Reaktion, bei der sich ein chemisches Gleichgewicht einstellt, ist die Veresterung eines Alkohols mit einer Säure, z. B. die Reaktion zwischen Ethanol und Essigsäure.

Die chemischen Reaktionen zur Esterbildung und Esterspaltung laufen gleichzeitig ab. Es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.
Werden Ethanol und Essigsäure in einem geschlossenen Gefäß im Stoffmengenverhältnis 1 mol : 1 mol gemischt (mit Schwefelsäure als Katalysator versetzt) reagieren nur 0,67 mol der Ausgangsstoffe zu Ester und Wasser. 0,33 mol der Ausgangsstoffe bleiben unverändert.
Im Gleichgewicht liegen dann 0,67 mol Ester, 0,67 mol Wasser, 0,33 mol Alkohol und 0,33 mol Säure vor. Das gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn man 1 mol Ester mit 1 mol Wasser umsetzt.
Setzt man die Gleichgewichtskonzentrationen in das MWG ein, so ergibt sich eine Gleichgewichtskonstante von K = 4. Diese ist bei gegebenem Druck und Temperatur unveränderlich.

Die Abhängigkeit chemischer Gleichgewichte von den äußeren Bedingungen beschreibt das vom französichen Chemiker HENRY LOUIS LE CHATELIER formulierte Prinzip vom kleinsten Zwang . Danach versucht ein chemisches System einem äußeren durch die Änderung von Druck oder Temperatur verursachten Zwang auszuweichen. Dadurch ändert sich das Verhältnis der Konzentrationen der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte und somit die Gleichgewichtskonstante K.

Katalysatoren haben keinen Einfluß auf die Gleichgewichtslage und damit auch nicht auf den Wert der Gleichgewichtskonstante. Die Formel des Massenwirkungsgesetztes bleibt unverändert. Katalysatoren bewirken nur eine Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion, d. h. sie verringern die Einstellzeit des chemischen Gleichgewichts.