Petra Wlotzka und Ilka Parchmann

Bausteine zum Chemischen Gleichgewicht

Chemisches Gleichgewicht, Chemische Reaktion, Modellexperiment
Apfelkrieg, © Zeichnung: Wanda Warning

Petra Wlotzka und Ilka Parchmann

Gleichgewichtsreaktionen sind hoch bedeutsam für ein Verständnis und ein Steuern chemischer Reaktionen in der Natur, in industriellen Prozessen, in der Erforschung von Synthesen usw. im Sinne nachhaltiger Entwicklungen (s. Kasten1).
Gleichgewichtsreaktionen in Forschung und Industrie
Gleichgewichtsreaktionen in Forschung und Industrie
Rainer Herges, Chemiker an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Bedeutung des chemischen Gleichgewichtes in der chemischen Forschung
Das chemische Gleichgewicht spielt bei praktisch jedem chemischen Prozess in der Industrie und im Labor eine wichtige Rolle. In der Regel versucht man natürlich, die Ausgangsstoffe möglichst vollständig zum gewünschten Produkt umzusetzen. In der industriellen Großproduktion kann die Steigerung der Produktausbeute um weniger als ein Prozent über die Rentabilität eines Prozesses entscheiden. Das chemische Gleichgewicht hängt von einer Reihe von Parametern, wie Temperatur, Druck, Volumen, Masse etc., ab. Um eine möglichst große Ausbeute zu erreichen, versucht man, diese Parameter zu optimieren. Bei komplizierten Reaktionen, z.B. bei Verbrennungsprozessen, kann das sehr schwierig werden. Die derzeitige Diesel-Debatte ist ein gutes Beispiel. Man versucht, den Kraftstoff möglichst vollständig bei hoher Temperatur zu verbrennen, um den Wirkungsgrad der Umwandlung von chemischer Energie in Arbeit zu maximieren und um den Ausstoß von Ruß und Kohlenmonoxid zu minimieren. Dabei handelt man sich aber ein anderes Problem ein, die sogenannte Luftverbrennung. Das Gleichgewicht der Reaktion N2 + O2 2 NO liegt bei höheren Temperaturen zunehmend auf der Seite des Stickstoffmonoxids (~0.5% bei 2000 °C). Dazu kommt die Tatsache, dass sich das Gleichgewicht bei höheren Temperaturen auch schneller einstellt (~90% des Gleichgewichtes in 12s bei 2000 °C). Die politische Dimension dieses Gleichgewichts ist evident!
Die Grundlagen zur Beschreibung chemischer Gleichgewichte durch die klassische Thermodynamik sind gelegt. Wesentlich schwieriger zu beschreiben und vom Standpunkt der Grundlagenforschung deutlich interessanter sind Nichtgleichgewichtsprozesse. Praktisch alle Systeme in der belebten Natur sind nicht im Gleichgewicht. Der stetige Kampf gegen das Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts unter Nutzung externer Energiequellen ist eine Definition für Leben (if you are in thermodynamical equilibrium with your environment, you are dead). Die Theorie der Nichtgleichgewichtsdynamik wurde von Ilya Prigogine (Nobelpreis 1977) entwickelt. Peter D. Mitchell erhielt 1978 den Nobelpreis für seine Theorie der Chemiosmose, mit der er die Funktion der ATP-Synthase, dem Paradebeispiel eines Nichtgleichgewichts-Systems, erklärte. Die ATP-Synthase ist eine molekulare Maschine, die einen Protonengradienten an einer Membran als Energiequelle nutzt, um die endergone Reaktion ADP + P → ATP weg vom chemischen Gleichgewicht zu treiben (das Gleichgewicht liegt auf der linken Seite). Die Kopplung anderer wichtiger biochemischer Prozesse an Energiequellen (z.B. Licht in der Fotosynthese zum Aufbau energiereicher Glucose) ist wenig verstanden. Hier tut sich ein extrem interessantes Forschungsgebiet auf. Beherrscht man die Grundlagen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik, kann man eine synthetische, molekulare Welt aufbauen, die den Prinzipien des Lebens ähnelt. Der Fantasie sind kaum Grenzen gesetzt.
Christa Jansen, Chemikern bei Merck
Bedeutung des chemischen Gleichgewichtes in der chemischen Produktion
Chemische Gleichgewichte stellen sich in vielen chemischen Reaktionen ein, die reversibel sind. Sie nehmen in der Natur und in der chemischen Produktion, d.h. bei allen Upscaling Prozessen eine zentrale Rolle ein. Die Lage des Gleichgewichtes wird von den Reaktionsbedingungen beeinflusst, wie Konzentration der Reaktanden, Druck und Temperatur.
Ein berühmtes Beispiel ist die Haber-Bosch-Synthese zur Herstellung von...

Friedrich+ Chemie

Sie sind bereits Abonnent?

Jetzt anmelden und sofort lesen

Jetzt ganz einfach mit F+ weiterlesen

  • 30 Tage kostenloser Vollzugriff
  • 5 Downloads gratis enthalten

30 Tage kostenlos testen

Mehr Informationen zu Friedrich+ Chemie

Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 166 / 2018

Chemisches Gleichgewicht

Friedrich+ Kennzeichnung Methode & Didaktik Schuljahr 5-13