Was besagt das chemische Gleichgewicht?

Ein chemisches Gleichgewicht bedeutet, dass Hinreaktion und Rückreaktion gleichzeitig ablaufen und gleich schnell sind. Dadurch ändern sich die Stoffmengen beziehungsweise Konzentrationen im Gemisch mit der Zeit nicht mehr, obwohl die Reaktion weiterhin in beide Richtungen stattfindet.

Warum ändert sich die Gleichgewichtskonstante K nicht mit dem Druck, sondern nur mit der Temperatur?

Die Gleichgewichtskonstante hängt bei einer gegebenen Reaktion nur von der Temperatur ab, weil sich mit der Temperatur die energetischen Verhältnisse der Reaktion ändern. Eine Druckänderung verändert dagegen nur die Partialdrücke im Gemisch, sodass sich die Zusammensetzung verschiebt, bis das Verhältnis der Partialdrücke wieder zu passt.

Warum zählt der feste Kohlenstoff C im Massenwirkungsgesetz nicht mit?

Der feste Kohlenstoff () zählt im Massenwirkungsgesetz nicht mit, weil seine „wirksame Konzentration“ im Gleichgewicht konstant ist. Nur die Größen der Gase ändern sich merklich mit Druck und Zusammensetzung, daher taucht in nur der Beitrag der gasförmigen Stoffe auf.

Ist die Boudouard-Reaktion endotherm oder exotherm?

Die Boudouard-Reaktion (Reaktion von Kohlenstoffmonoxid () zu Kohlenstoffdioxid () und Kohlenstoff ()) lautet vereinfacht: . Sie ist exotherm, weil negativ ist und bei dieser Reaktionsrichtung Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Video

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Boudouard Gleichgewicht

Wichtige Inhalte in diesem Video

Boudouard Gleichgewicht einfach erklärt

(00:14)

Boudouard-Gleichgewicht und Prinzip von Le Chatelier

(00:44)

Boudouard Gleichgewicht Druckabhängigkeit

(01:47)

Anwendungen des Boudouard Gleichgewichts

(02:29)

Du hast vor kurzem etwas vom Boudouard Gleichgewicht gehört und möchtest jetzt noch mehr über dieses spannende Thema erfahren? Kein Problem, denn hier erklären wir dir wie du mit dem Prinzip von Le Chatelier, in CO_2 effektiv umwandeln kannst.

Falls du das Ganze lieber in geballter Form in einem Video anschauen möchtest, dann klicke doch auf unser Video !

Inhaltsübersicht

Boudouard Gleichgewicht einfach erklärt

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(00:14)

Das Boudouard Gleichgewicht beschreibt das chemische Gleichgewicht der Reaktion von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid CO_2 .

Merke

Diese Reaktion entspricht einer Komproportionierung, also einem Spezialfall der Redoxreaktion.

Wenn man sich die Oxidationszahlen von Kohlenstoff ansieht, erkennt man, dass sie sich von anfangs +II, in zwei verschiedene Oxidationszahlen aufteilt, nämlich 0 und +IV.

+II +IV 0

$2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s)$

Boudouard-Gleichgewicht und Prinzip von Le Chatelier

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(00:44)

Das Boudouard-Gleichgewicht ist eine Reaktion, deren Gleichgewichtslage sich hervorragend über das Prinzip von Le Chatelier beschreiben lässt. Das heißt man kann mit diesem Prinzip einfach vorhersagen, ob das chemische Gleichgewicht unter gegebenem Druck und Temperatur auf der Edukt- oder auf der Produktseite liegt.

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Boudouard Gleichgewicht Druckabhängigkeit

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(01:47)

Zuerst zur Druckabhängigkeit der Reaktion. Schauen wir uns dazu nochmal die Reaktionsgleichung an:

$2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s)$

Das Prinzip von Le Chatelier sagt für Reaktionen in der Gasphase aus, dass bei einer Druckerhöhung sich das Gleichgewicht auf die Seite der Reaktion schiebt, auf der weniger Teilchen in der Gasphase sind. Schaut man sich obige Gleichung an, sieht man, dass auf der Eduktseite zwei Teilchen in der Gasphase sind und auf der Produktseite nur ein Teilchen in der Gasphase ist. Kohlenstoff liegt in fester Form vor und zählt daher nicht mit. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Seite vom Kohlenstoffdioxid, wenn man den Druck erhöht.

Man sollte dabei beachten, dass sich hierbei nicht die Gleichgewichtskonstante an sich ändert, sondern nur die Partialdrücke der Reaktanden im Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante:

$K= \frac {p_{CO_2}}{p_{CO}^2}$

=Gleichgewichtskonstante; $p_{CO}$ =Partialdruck ; $p_{CO_2}$ =Partialdruck CO_2

Boudouard Gleichgewicht Temperaturabhängigkeit

Desweiteren kann man das Boudouard Gleichgewicht auch über die Temperatur beeinflussen. Schauen wir uns dazu wieder an, was das Prinzip von Le Chatelier dazu sagt. Nach dem Prinzip von Le Chatelier wird bei exothermen Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung das Gleichgewicht auf die Seite der Edukte verschoben.

$2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s) \Delta H=-172,5 kJ/mol$

$\Delta H= Reaktionsenthalpie$

Man sieht am negativen Vorzeichen der Reaktionsenthalpie, dass die Reaktion von zu CO_2 exotherm ist. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung also auf die Seite von . Wenn man die Partialdrücke von und CO_2 über einen breiteren Temperaturbereich aufträgt, ergibt sich folgende Kurve.

Boudouard Gleichgewicht, Kurve, Temperaturabhängigkeit — Boudouard Gleichgewicht Temperaturabhängigkeit

Man erkennt, dass bei steigenden Temperaturen der Partialdruck von deutlich ansteigt, sich also das Gleichgewicht deutlich auf die Seite von verschiebt.

Anwendungen des Boudouard Gleichgewichts

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(02:29)

Jedoch kann man am Boudouard Gleichgewicht nicht nur gut chemische Grundprinzipien wie das Prinzip von Le Chatelier gut erkären, das Boudouard Gleichgewicht hat auch in der Industrie einige Bedeutung.

Boudouard Gleichgewicht im Hochofenprozess

Wie schon gesagt, ist die Boudouard Gleichgewicht im Hochofenprozess von zentraler Bedeutung. Dort reduziert das Kohlenstoffmonoxid den Rohstoff Eisenerz in mehreren Reaktionsschritten zu elementarem Eisen. Eine Reaktion, die dabei abläuft, ist folgende:

+II +II +IV 0

$FeO + CO \longrightarrow CO_2+ Fe$

Man erkennt an den Oxidationszahlen: Eisenoxid wird reduziert und Kohlenstoffmonoxid wird oxidiert zu CO_2 . Da im Hochofen konstant hohe Temperaturen von über 1000°C herrschen, wird ständig das bei der Reduktion von Eisenoxid entstehende CO_2 wieder zurückverwandelt werden über das Boudouard Gleichgewicht:

$CO_2 (g) + C(s) \longrightarrow 2CO(g)$

Somit kann der Prozess immer weiter stattfinden bis gar keine Kohle mehr da ist. Das beim Hochofenprozess entstandene Roheisen kann man dann später in den wichtigen Baustoff Stahl umwandeln. Falls du jetzt noch einmal Lust bekommen hast mehr über den Hochofenprozess zu erfahren, dann klicke doch hier .

Boudouard Gleichgewicht Generatorgas

Im 19. und 20. Jh. haben die Leute hauptsächlich noch mit Kohle geheizt. Beim Heizen mit Kohle handelt es sich um eine Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff:

$C + O_2 \longrightarrow CO_2$

Dabei handelt es sich um eine stark exotherme Reaktion, die also viel Wärme erzeugt. Allerdings kann man diese nicht nur zum Heizen verwenden, sondern sie wird auch für das Boudouard Gleichgewicht wieder aufgewandt:

$CO_2 (g) + C(s) \longrightarrow 2CO(g) \DeltaH =+172,5kJ/mol$

Die Reaktion von CO_2 zu ist endotherm und somit wird durch die frei werdende Hitze auch wieder Kohlenmonoxid erzeugt.

Früher hat man das bei der Kohleverbrennung entstandene Generatorgas hauptsächlich zum Erhitzen des Stahls in der Härte- und Glühindustrie verwendet.

Allerdings muss man auch beim heimischen Betrieb von Kohleöfen in geschlossenen Räumen aufpassen. Denn beim Verbrennen von Holz laufen genau die obigen Reaktionen ab. Es entsteht also auch Kohlenmonoxid. Auch die niedrigen Temperaturen im Zimmer, bei denen eigentlich kein vorliegen sollte, schützen nicht. Denn die Umwandlung vom giftigen in das ungefährliche CO_2 benötigt eine gewisse Aktivierungsenergie, die bei Raumtemperatur aber nicht vorhanden ist. Es ist also metastabil. Also liegt auch bei Raumtemperatur eine gewisse Konzentration von vor, die auch schädlich ist.

Boudouard Gleichgewicht — häufigste Fragen

(ausklappen)

Was besagt das chemische Gleichgewicht?

Ein chemisches Gleichgewicht bedeutet, dass Hinreaktion und Rückreaktion gleichzeitig ablaufen und gleich schnell sind. Dadurch ändern sich die Stoffmengen beziehungsweise Konzentrationen im Gemisch mit der Zeit nicht mehr, obwohl die Reaktion weiterhin in beide Richtungen stattfindet.
Warum ändert sich die Gleichgewichtskonstante K nicht mit dem Druck, sondern nur mit der Temperatur?

Die Gleichgewichtskonstante hängt bei einer gegebenen Reaktion nur von der Temperatur ab, weil sich mit der Temperatur die energetischen Verhältnisse der Reaktion ändern. Eine Druckänderung verändert dagegen nur die Partialdrücke im Gemisch, sodass sich die Zusammensetzung verschiebt, bis das Verhältnis der Partialdrücke wieder zu passt.
Warum zählt der feste Kohlenstoff C im Massenwirkungsgesetz nicht mit?

Der feste Kohlenstoff ( $\text{C}$ ) zählt im Massenwirkungsgesetz nicht mit, weil seine „wirksame Konzentration“ im Gleichgewicht konstant ist. Nur die Größen der Gase ändern sich merklich mit Druck und Zusammensetzung, daher taucht in nur der Beitrag der gasförmigen Stoffe auf.
Ist die Boudouard-Reaktion endotherm oder exotherm?

Die Boudouard-Reaktion (Reaktion von Kohlenstoffmonoxid ( $\text{CO}$ ) zu Kohlenstoffdioxid ( $\text{CO}_2$ ) und Kohlenstoff ( $\text{C}$ )) lautet vereinfacht: $\text{CO} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{C}$ . Sie ist exotherm, weil $\Delta H$ negativ ist und bei dieser Reaktionsrichtung Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

Chemische Gleichgewichte verstehen

Das Boudouard-Gleichgewicht gehört zu den chemischen Gleichgewichten und ist ein wichtiges Beispiel aus der anorganischen Chemie. Wer sich mit chemischen Gleichgewichten beschäftigt, ordnet Reaktionen nach Edukten, Produkten, Druck und Temperatur ein. So wird klar, warum sich eine Gleichgewichtslage verschiebt und wie Stoffmengen in einer Reaktion zusammenhängen. Weitere Videos dazu findest du in unserem Chemiebereich.

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