Was sind Gleichgewichtskonstanten?
Einige chemische Einwirkungen verlaufen irreversibel in eine Richtung. Ein Beispiel hierfür ist das Verbrennen von Wasserstoff (H) -Gas in Sauerstoff (O) zur Erzeugung von Wasser, wie in der Formel 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O gezeigt. Die entgegengesetzte Reaktion, 2 H 2 O => 2 H 2 + O 2 tritt unter diesen Bedingungen nicht auf, egal wie viel Zeit vergeht. Es gibt reversible Reaktionen, wie der Chemiker Claude-Louis Berthollet 1803 entdeckte. Reversible Reaktionen verlaufen in eine Richtung, bis die umgekehrten Reaktionen zu den bevorzugten Reaktionen werden, was zu einem Gleichgewicht führt und die Berechnung von Gleichgewichtskonstanten ermöglicht.
Solche Gleichgewichtskonstanten wurden aus mathematischen Zusammenhängen abgeleitet, die durch die Bemühungen vieler Wissenschaftler in der Zeit aufgedeckt wurden. Diese Beziehungen nutzen die Konzentrationsverhältnisse der gelösten Spezies im Reaktionssystem. Ein einfaches Beispiel ist die Ionisation von Essigsäure. Ein weiterer Grund ist der reversible Abbau des Gases Distickstofftetroxid. In diesen sind, wie in allen Beispielen, Gleichgewichtskonstanten von Systembedingungen wie der Temperatur abhängig.
Essigsäure dissoziiert in ein positives Wasserstoffion plus ein negatives Acetation. Was die Reaktion reversibel macht, ist, dass diese Ionen sich zu Säuremolekülen rekombinieren können und werden. Andere Essigsäuremoleküle dissoziieren dann und ersetzen die rekombinierten. Das Ergebnis ist ein Gleichgewicht, das zu einem mathematischen Ausdruck führt. Ionen- und Säurekonzentrationen beziehen sich auf die Gleichgewichtskonstante durch den Ausdruck K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logischerweise ist die Gleichgewichtskonstante für die Rückreaktion umgekehrt zu K, da die Säurekonzentration zum Zähler und die Ionenkonzentration zum Nenner wird.
Für Distickstofftetroxid, das Stickstoff (N) und Sauerstoff enthält, ist die chemische Reaktion N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Jede Änderung des Anteils dieser beiden Arten in einem geschlossenen System hängt von der Änderung des Systemdrucks ab. Für jedes zersetzende Tetroxidmolekül bilden sich zwei Moleküle Stickstoffdioxid, wodurch der Druck erhöht wird. Dies erfordert Energie und wirkt sich über einen gewissen Punkt hinaus negativ auf die Aufteilung aus. Die Gleichung lautet K = [NO 2 ] [NO 2 ] / [N 2 O 4 ]. Was Essigsäure betrifft, so ist die Gleichgewichtskonstante für die Rückreaktion wie für alle Gleichgewichtskonstanten für alle Rückreaktionen die Inverse von K.
Irreversible Reaktionen folgen denselben mathematischen Beziehungen wie die reversiblen Reaktionen. In solchen Fällen wird der Nenner jedoch entweder 0 oder unendlich, wenn man die Vorwärtsreaktion oder die Rückwärtsreaktion untersucht. Dies deutet auf eine Gleichgewichtskonstante mit einem entgegengesetzten Wert von unendlich oder 0 hin. Solche Informationen sind nutzlos. Interessant ist auch die Möglichkeit, eine Reaktion vollständig ablaufen zu lassen, wodurch sie irreversibel wird, indem eines der Produkte aus dem System entfernt wird, beispielsweise durch eine semipermeable Membran, die die Reaktanten zurückhält.