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Le Chateliers Prinzip: Temperatur ändern
In Übereinstimmung mit dem Massenwirkungsgesetz verschiebt sich ein durch eine Konzentrationsänderung belastetes Gleichgewicht, um das Gleichgewicht w…
Die Temperatur beeinflusst die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion; daher wirkt eine Änderung der Temperatur für eine Reaktion im Gleichgewicht als Belastung des Systems. Das Le Châtelier-Prinzip sagt voraus, wie das System reagieren wird, um solche Störungen zu minimieren.
Eine Änderung der Temperatur ändert den Wert der Gleichgewichtskonstante, im Gegensatz zu einer Änderung der Konzentration oder des Volumens, die das Gleichgewicht verschiebt, ohne den Wert von K zu ändern.
Man denke an die Zerlegung von gasförmigem Phosphorpentachlorid in Phosphortrichlorid und Chlorgas. Für diese endotherme Reaktion kann man sich die absorbierte Wärme als Reaktant vorstellen.
Ein Temperaturanstieg fügt dem System Wärme hinzu, ähnlich wie bei der Zugabe von mehr Reaktanten. Dadurch verschiebt sich die Gleichgewichtsposition in Richtung der Produkte und produziert mehr Phosphortrichlorid und Chlor, um die zusätzliche Wärme zu verbrauchen, da der Wert der Gleichgewichtskonstante K gestiegen ist.
Auf der anderen Seite entzieht ein Temperaturabfall dem System Wärme, ähnlich wie das Entfernen eines Reaktanten. Die Gleichgewichtslage verschiebt sich in Richtung der Reaktanten und produziert mehr Phosphorpentachlorid, um Wärme abzugeben, da der Wert von K gesunken ist.
Für eine exotherme Reaktion, wie z. B. die gasförmige Reaktion zwischen Schwefeldioxid und Sauerstoff zur Herstellung von Schwefeltrioxid, kann die freigesetzte Wärme als Produkt betrachtet werden.
Ein Temperaturanstieg ist vergleichbar mit der Zugabe von mehr von einem Produkt. Dies führt dazu, dass sich die Gleichgewichtsposition in Richtung der Reaktanten verschiebt und mehr Schwefeldioxid und Sauerstoff produziert werden, um einen Teil der zusätzlichen Wärme zu absorbieren, da der Wert von K gesunken ist.
Umgekehrt entzieht das Verringern der Temperatur dieser exothermen Reaktion die Wärme, wie das Entfernen eines Produkts. Die Gleichgewichtsposition verschiebt sich in Richtung der Produkte und produziert mehr Schwefeltrioxid, um Wärme freizusetzen, wenn K zugenommen hat.
So begünstigt ein Temperaturanstieg die Produkte in einer endothermen Reaktion, während ein Temperaturabfall die Produkte in einer exothermen Reaktion begünstigt.
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Q1: Why does temperature change affect the equilibrium constant differently than concentration changes?
Temperature changes alter the equilibrium constant value itself, whereas concentration changes shift equilibrium without changing K. This occurs because temperature affects the rate constants for both forward and reverse reactions through the Arrhenius equation. Since the rate constants vary with temperature, the equilibrium constant—which depends mathematically on these rate constants—also changes with temperature.
Q2: How does increasing temperature affect an endothermic reaction at equilibrium?
For endothermic reactions, heat is treated as a reactant. Increasing temperature adds heat to the system, similar to adding more reactant. The equilibrium shifts toward products to consume the extra heat, and the equilibrium constant K increases. This produces more products like phosphorus trichloride and chlorine in the decomposition of phosphorus pentachloride.
Q3: What happens to an exothermic reaction when temperature decreases?
For exothermic reactions, heat functions as a product. Decreasing temperature removes heat, similar to removing a product. The equilibrium shifts toward products to release heat and restore the removed energy, and K increases. This produces more sulfur trioxide in the reaction between sulfur dioxide and oxygen.
Q4: How can you predict which direction an equilibrium will shift with a temperature change?
Consider the reaction's enthalpy change. For endothermic reactions, increasing temperature favors products; decreasing temperature favors reactants. For exothermic reactions, the opposite occurs: increasing temperature favors reactants, while decreasing temperature favors products. This prediction follows from treating heat as either a reactant or product depending on reaction type.
Q5: Why does decreasing temperature shift an exothermic equilibrium toward products?
In exothermic reactions, heat is a product. Removing heat by decreasing temperature is like removing a product, causing the equilibrium to shift right toward products. This shift produces more products to release additional heat and counteract the temperature decrease, while the equilibrium constant K increases.
Q6: How does temperature change differ from volume or pressure changes in affecting equilibrium?
Temperature changes alter the equilibrium constant value, while volume or pressure changes shift equilibrium without changing K. This fundamental difference occurs because temperature affects the rate constants underlying K through the Arrhenius equation. Understanding this distinction is essential for predicting how equilibrium systems respond to different stresses.
Q7: What role does the equilibrium constant play when temperature changes?
The equilibrium constant K is a mathematical function of the forward and reverse rate constants. Since temperature changes affect these rate constants differently through the Arrhenius equation, K itself changes. A new equilibrium is established with a different K value and different relative composition of reactants and products compared to the original equilibrium.