chemisches Gleichgewicht

Der Stoffumsatz bei reversiblen chemischen Reaktionen ist immer unvollständig. Diese speziellen umkehrbaren Prozesse sind dadurch gekennzeichnet, dass die Hinreaktion und Rückreaktion gleichzeitig und ungehemmt nebeneinander ablaufen.
Dabei muss die Rückreaktion über den gleiche Übergangszustand erfolgen wie die Hinreaktion. Zudem dürfen keine Energieverluste auftreten, d. h., die Energiebeträge der Hinreaktion und der Rückreaktion müssen identisch sein. Sie unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen.

Typische Beispiele für solche reversiblen Reaktionen sind Veresterungen, viele Redoxreaktionen sowie Säure-Base-Reaktionen und Fällungsreaktionen. Bei diesen Reaktionen stellen sich nach einer bestimmten Zeit konstante Konzentrationen an Ausgangsstoffen (Edukten) und Reaktionsprodukten (Produkten) ein.

Voraussetzung für diesen makroskopisch stationären Gleichgewichtszustand ist, dass dem Reaktionssystem kein Stoff entnommen oder dazugefügt wird. Dies ist in isolierten oder geschlossenen thermodynamischen Systemen der Fall, bei denen kein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfindet.
Beispiele für geschlossene Systeme sind Rundkolben mit Stopfen oder Rührkessel zur industriellen Herstellung von Seife.

Ein chemisches Gleichgewicht kann sich nur bei reversiblen Reaktionen in geschlossenen oder isolierten thermodynamischen Systemen einstellen.

Die Einstellung des Gleichgewichts lässt sich am besten auf der Teilchenebene nachvollziehen. Betrachten wir dazu die Veresterung von Ethansäure mit Ethanol im Kolben mit Rückflusskühler:

Zu Beginn der Reaktion liegen nur Alkohol- und Säuremoleküle vor. Sie werden schnell zu Ester- und Wassermolekülen umgesetzt, sodass die Anzahl der Eduktteilchen abnimmt. Dadurch finden mit der Zeit immer weniger wirksame Zusammenstöße zwischen Alkohol- und Säuremolekülen statt.
Gleichzeitig steigt die Anzahl der Ester- und Wassermoleküle an, die in der Rückreaktion zu Alkohol- und Säuremolekülen umgesetzt werden können. Da die Anzahl der Produktteilchen zunimmt, erfolgen pro Zeiteinheit mehr wirksame Zusammenstöße zwischen ihnen. Infolgedessen entstehen mehr Eduktteilchen.
Nach einer bestimmten Zeit bilden sich pro Zeiteinheit genauso viele Teilchen der Edukte wie Teilchen der Produkte. Hin- und Rückreaktion laufen mit gleich großer Geschwindigkeit ab.
Nach dieser Einstellzeit des chemischen Gleichgewichts bleiben die Gleichgewichtskonzentrationen c_GG aller Reaktionsteilnehmer konstant. Dennoch findet auf der Teilchenebene weiterhin eine ständige Umwandlung von Eduktmolekülen zu Produktmolekülen bzw. von Produktmolekülen zu Eduktmolekülen statt. Es bildet sich ein dynamischer Zustand heraus.