Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD
65px|Kein GFDL
|
Der Artikel Chemische Reaktionen basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 4.Kapitels (Abschnitt 5) der Thermodynamikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD.
|
|}}
{{#set:Urheber=Prof. Dr. E. Schöll, PhD|Inhaltstyp=Script|Kapitel=4|Abschnitt=5}}
Kategorie:Thermodynamik
__SHOWFACTBOX__
Ziel: Berechnung von Reaktionswärme und Affinität für gegebene chemische Reaktionen;
Bestimmung des Gleichgewichts durch Massenwirkungsgesetz
Chemisches Gleichgewicht
Keine Hemmung! bzgl. Teilchenzahländerung durch die Reaktionen!
Beispiel:
(Ammoniak- Synthese nach Haber Bosch)
chemische Komponenten:
i=1 entsprechend H2, Molzahl n1
i=2 entsprechend N2, Molzahl n2
i=3 entsprechend NH3, Molzahl n3
Reaktionsgeschwindigkeit
Dabei ist
die Reaktionslaufzahl
Allgemein:
Mit
Komponenten und
als stöchiometrische Koeffizienten der Vorwärts-
bzw. Rückwärtsreaktion
!!
Beispiel:
Betrachte System in Kontakt mit Wärme - und Druckbad, nur chemische Reaktionen sollen möglich sein:
Mit der neu eingeführten molaren Affinität der Reaktion
,
Chemisches Gleichgewicht für
Nebenbemerkung
Unter allgemeinen Reaktionsbedingungen
mit (vergl. Kapitel 3.5, Seite 81) der Exergie
folgt:
isotherm- isobar:
isotherm- isochor
isoliert:
Le- Chatelier- Braun- Prinzip (Vergl. Stabilität, Kapitel 3.6, Seite 90):
Nach einer Entwicklung von
bis zur zweiten Ordnung
Dabei ist
extensive Variable
intensive, thermodynamisch konjugierte Variable
.
entspricht der treibenden thermodynamischen Kraft der Reaktion (Konsequenz des 2. Hauptsatzes)
Reaktionswärme (vergl. S. 81)
Reaktion unter T= const, V=const
Reaktionswärme: mit
folgt:
Es gilt:
- exotherm endotherm
für ideale Systeme (
unabhängig von V!!)
Reaktionen unter T= const., p= const.
Reaktionswärme:
Zusammenhang mit der Affinität
Annahme:
ändert sich nur durch chemische Reaktionen, nicht durch externen Austausch:
Maxwell- Relation:
Reaktionswärme:
Im Reaktionsgleichgewicht:
Massenwirkungsgesetz
Voraussetzung: ideales System (verdünnte Lösung)
Gleichgewicht:
Mit
(Seite 118):
Also:
(Massenwirkungsgesetz)
mit der Gleichgewichtskonstanten
K(T)= mit
erhält man:
Es gilt:
Also:
Im Normalbereich:
ist linear in T
Also:
mit der dominanten Temperaturabhängigkeit im Exponenten
Beispiel: Haber- Bosch- Verfahren:
x3 entspricht der Ammoniakausbeute der Reaktion.
- x3 soll möglichst groß werden!
- wähle Druck möglichst groß, Temperatur möglichst niedrig.
- Problem: niedrige Temperaturen → Reaktion langsam!
Betrachte nur eine Reaktion
Mit
folgt (vergl. S. 122)
Also:
→ hier: Arrhenius- Plot
Gleichgewicht: A=0
A>0 → spontane Vorwärtsreaktion
A<0 → spontane Rückwärtsreaktion!
Nach dem Prinzip von Le Chatelier - Braun
T<To erniedrigt → A>0
- Vorwärtsreaktion! → Wärmeproduktion → T steigt!
Nichtgleichgewichtsdynamik
Für ideale (also verdünnte) chemische Systeme gilt: bzgl. der Reaktion:
die Ratengleichung:
mit dem Einstreuterm der Hinreaktion
und der Rückreaktion
Die Ratenkonstanten (temperaturabhängig) sind
k´ und k´´
Also:
- Ratengleichung (Massenwirkungskinetik)
Nichtlineare DGL für
bzw.
Beispiel:
also:
Im Nichtgleichgewicht können aufgrund der Nichtlinearitäten unter Umständen Instabilitäten, Oszillationen etc... auftreten!
Gleichgewicht:
unabhängig von xi
- Dies ist das Massenwirkungsgesetz fürs Gleichgewicht!