14.9: Das Prinzip von Le Chatelier: Temperaturwechsel

In Übereinstimmung mit dem Gesetz der Massenwirkung verschiebt sich ein Gleichgewicht, das durch eine Konzentrationsänderung betont wird, um das Gleichgewicht wiederherzustellen, ohne dass sich der Wert der Gleichgewichtskonstante K ändert. Wenn sich ein Gleichgewicht jedoch als Reaktion auf eine Temperaturänderung verschiebt, wird es mit einer anderen relativen Zusammensetzung wiederhergestellt, die einen anderen Wert für die Gleichgewichtskonstante aufweist.

Um dieses Phänomen zu verstehen, betrachten wir die elementare Reaktion:

Da es sich um eine elementare Reaktion handelt, können die Geschwindigkeitsgesetze für den Vorwärts- und Rückwärtsgang direkt aus der Stöchiometrie der ausgeglichenen Gleichung abgeleitet werden:

Wenn sich das System im Gleichgewicht befindet,

Das Einsetzen der Tarifgesetze in diese Gleichheit und die Neuanordnung ergibt

Die Gleichgewichtskonstante kann als mathematische Funktion der Geschwindigkeitskonstanten für die Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen ausgedrückt werden. Da die Gangkonstanten mit der Temperatur variieren, wie sie durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben wird, liegt es nahe, dass die Gleichgewichtskonstante ebenfalls mit der Temperatur variiert (unter der Annahme, dass die Gangkonstanten in unterschiedlichem Maße von der Temperaturänderung beeinflusst werden). Bei komplexeren Reaktionen mit mehrstufigen Reaktionsmechanismen besteht eine ähnliche, aber komplexere mathematische Beziehung zwischen der Gleichgewichtskonstante und den Geschwindigkeitskonstanten der Schritte im Mechanismus. Unabhängig davon, wie komplex die Reaktion auch sein mag, bleibt die Temperaturabhängigkeit ihrer Gleichgewichtskonstante bestehen.

Die Vorhersage der Verschiebung, die ein Gleichgewicht als Reaktion auf eine Temperaturänderung erfahren wird, wird am einfachsten durch Berücksichtigung der Enthalpieänderung der Reaktion erreicht. So ist z.B. die Bildung von Ammoniak durch das Haber-Verfahren ein exothermer (wärmeerzeugender) Prozess:

Für die Zwecke der Anwendung des Le Châtelier-Prinzips kann die Wärme, q, als ein Produkt betrachtet werden:

Die Erhöhung der Temperatur des Systems ist vergleichbar mit der Erhöhung der Menge eines Produkts, und so verschiebt sich das Gleichgewicht nach links. Eine Absenkung der Systemtemperatur führt ebenfalls zu einer Verschiebung des Gleichgewichts nach rechts. Bei endothermen Prozessen wird die Wärme als Reaktant der Reaktion angesehen und somit die entgegengesetzte Temperaturabhängigkeit beobachtet.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 13.3 Verschiebung von Gleichgewichten: Le ChâtEliers Prinzip.