Chemisches Potential und Gleichgewicht

Das chemische Potential misst, wie sich die freie Energie eines Systems ändert, wenn Materie hinzugefügt wird, und die Gleichsetzung der chemischen Potentiale von Reaktanten und Produkten bestimmt die Lage des chemischen Gleichgewichts.

Definition

Das chemische Potential ist die partielle molare freie Gibbs-Energie einer Spezies, und das chemische Gleichgewicht ist der Zustand, in dem die gesamte Gibbs-Energie minimiert ist, sodass die gewichteten chemischen Potentiale von Reaktanten und Produkten gleich sind.

Scope

Dieses Thema behandelt das chemische Potential als partielle molare Gibbs-Energie, seine Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Zusammensetzung durch Aktivität und Fugazität sowie seine Rolle als treibende Kraft für Reaktion und Phasenübergang. Es entwickelt die Gleichgewichtsbedingung für eine Reaktion, die Beziehung zwischen der Standard-Reaktions-Gibbs-Energie und der Gleichgewichtskonstante sowie die Reaktion des Gleichgewichts auf Zustandsänderungen durch das Prinzip von Le Chatelier und die van't Hoff-Gleichung. Die kalorimetrische Messung der zugrunde liegenden Energetik wird in einem separaten Thema behandelt.

Core questions

• Wie hängt das chemische Potential einer Spezies von ihrer Aktivität oder ihrem Partialdruck ab?
• Warum wird das Gleichgewicht erreicht, wenn die Reaktions-Gibbs-Energie und nicht die Standard-Gibbs-Energie null ist?
• Wie hängt die Gleichgewichtskonstante über die van't Hoff-Gleichung von der Temperatur ab?
• Wie sagt das Prinzip von Le Chatelier die Reaktion des Gleichgewichts auf Störungen voraus?

Key concepts

• Chemisches Potential und partielle molare Größen
• Aktivität, Fugazität und Standardzustände
• Gleichgewichtskonstante und Reaktionsquotient
• van't Hoff-Gleichung und Temperaturabhängigkeit
• Prinzip von Le Chatelier

Key theories

Gleichgewichtskonstante aus der Reaktions-Gibbs-Energie

Die Reaktions-Gibbs-Energie ist die Steigung der gesamten Gibbs-Energie entlang der Reaktionskoordinate; ihre Nullsetzung ergibt die Gleichgewichtsbedingung und die Beziehung zwischen der Standard-Reaktions-Gibbs-Energie und der Gleichgewichtskonstante.

Temperaturabhängigkeit über die van't Hoff-Gleichung

Die Variation der Gleichgewichtskonstante mit der Temperatur wird durch die Standard-Reaktionsenthalpie bestimmt, sodass exotherme Gleichgewichte beim Abkühlen zu den Produkten und endotherme beim Erhitzen zu den Produkten verschoben werden.

Clinical relevance

Chemisches Potential und Gleichgewicht steuern die Ausbeute industrieller Synthesen wie des Haber-Bosch-Verfahrens, die Löslichkeit und Verteilung von Arzneimitteln und Schadstoffen, Säure-Basen- und Komplexbildungsgleichgewichte in Lösung sowie die Energetik gekoppelter Reaktionen im Stoffwechsel.

History

Gibbs führte das chemische Potential in den 1870er Jahren ein; van't Hoff verband die Gleichgewichtskonstante in den 1880er Jahren durch seine Isochore mit der Thermodynamik, und Lewis führte später Aktivität und Fugazität ein, um die Behandlung rigoros auf reale, nicht-ideale Lösungen und Gase auszudehnen.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Warum wird in Gleichgewichtsausdrücken die Aktivität anstelle der Konzentration verwendet?

In nicht-idealen Lösungen und Gasen interagieren Moleküle so, dass die effektive Verfügbarkeit von der nominalen Konzentration oder dem Druck abweicht; die Aktivität ist die thermodynamisch korrigierte Größe, die die einfache Form der Gleichgewichtskonstante für reale Systeme wiederherstellt.

Verändert ein Katalysator die Gleichgewichtslage?

Nein. Ein Katalysator beschleunigt die Annäherung an das Gleichgewicht, indem er die Aktivierungsbarriere in beide Richtungen gleichermaßen senkt, aber er lässt die Gleichgewichtskonstante und die endgültige Gleichgewichtszusammensetzung unverändert, da diese durch die Thermodynamik und nicht durch die Kinetik bestimmt werden.