Massenwirkungsgesetz

Englisch: law of mass action

Definition

Das Massenwirkungsgesetz, kurz MWG, beschreibt das Verhältnis der Aktivitäten zwischen Edukten und Produkten einer Reaktion im chemischen Gleichgewicht. Das MWG trifft auf jede Reaktion zu, die reversibel ist und sich bereits in einem Gleichgewichtszustand befindet.

Hintergrund

Die aus dem Gesetz resultierende Konstante hat unter gegebenen Bedingungen einen festen, für die betrachtete Reaktion spezifischen Wert. Dieser kann einzig über die äußeren Bedingungen (z.B. Temperatur) beeinflusst werden.

Gesetz

Als Beispiel wird die folgende chemische Reaktion betrachtet:

A+B\rightleftharpoons C+D

In diesem Fall sind die Gleichgewichtskonzentrationen aller beteiligten Stoffe konstant, da Hin- und Rückreaktion gleich schnell ablaufen (Doppelpfeil). Dieses Verhältnis der Konzentrationen der Stoffe führt zu einer spezifischen Konstante, der Gleichgewichtskonstante K. Wie schon erwähnt, ist dieser Wert von der Temperatur abhängig. Das Massenwirkungsgesetzt der Reaktion lautet:

K={\frac {[C]\times [D]}{[A]\times [B]}}

oder

K={\frac {c(C)\times c(D)}{c(A)\times c(B)}}

Erklärung: A und B sind die Edukte, C und D stellen die Produkte dar. Das Produkt der Konzentrationen der Produkte (Zähler) dividiert durch das Produkt der Konzentrationen der Edukte (Nenner) ist konstant. Die eckigen Klammern bedeuten eine Konzentration (z.B. [A] in mol/L) - identisch dazu auch die Angabe c(A). K selbst ist dimensionslos.

Man verwendet das Massenwirkungsgesetz dann, um Auskunft über die Lage eines Gleichgewichtes zu erhalten: Ein Zahlenwert K > 1 zeigt an, dass die Reaktion auf der Seite der Produkte liegt – die Hinreaktion überwiegt. Liegt ein Zahlenwert K < 1 vor, überwiegen die Edukte im Gleichgewicht – die Rückreaktion ist stärker.

Konzentrationen im Zähler und Nenner müssen multipliziert werden. Somit führen stöchiometrische Zahlen in der Reaktionsgleichung dazu, dass diese als Exponenten im MWG erscheinen. D.h. für folgende Formel

a\times A+b\times B\rightleftharpoons c\times C+d\times D

gilt das MWG:

K={\frac {[C]^{c}\times [D]^{d}}{[A]^{a}\times [B]^{b}}}

Beispiel:

{\ce {3H2{\text{+}}N2\rightleftharpoons 2NH3}}

K={\frac {[NH_{3}]^{2}}{[H_{2}]^{3}\times [N_{2}]}}

Anwendungsmöglichkeiten

Will man eine Reaktion mit mehreren Teilreaktionen (oder auch Reaktionsschritten) berechnen, lässt sich für jede Teilreaktion ein Massenwirkungsgesetz mit eigener Gleichgewichtskonstante K_i formulieren. Will man die Gesamtreaktion berechnen, so ist die Gleichgewichtskonstante K_gesamt gleich dem Produkt der Gleichgewichtskonstanten für die Einzelreaktionen:

K_{gesamt}=K_{1}\times K_{2}...\times K_{i}

Ein weiterer Vorteil des MWG ist, dass es Vorsaussagen über die Richtung von Reaktionen erlaubt, die noch gar kein Gleichgewichtszustand erreicht haben. Man muss dazu nur die Konzentrationen in den analogen Ausdruck für das MWG einsetzen, so erhält man den so genannten Reaktionsquotienten Q (mit Q ≠ K). Diese Reaktion wird so lange in eine bestimmte Richtung ablaufen, bis das Gleichgewicht ( Q = K) erreicht ist.

Q < K (es werden bevorzugt die Produkte gebildet, es überwiegt die Hinreaktion)
Q = K (das System befindet sich im Gleichgewicht)
Q > K (es werden bevorzugt die Edukte gebildet, es überwiegt die Rückreaktion)