Das Prinzip vom Zwang (auch Prinzip vom kleinsten Zwang oder Prinzip von Le Chatelier) gibt Auskunft darüber, wie man ein chemisches Gleichgewicht durch äußere Bedingungen in eine bestimmte Richtung lenken kann (Produkt- oder Eduktseite).

Wie bereits in den letzten Kapiteln erwähnt, hängt die Gleichgewichtskonstante immer vom Druck, der Temperatur und den einzelnen Konzentrationen ab. Nach dem Prinzip von Le Chatelier reagiert ein System im Gleichgewicht auf einen äußeren Zwang, um diesem Zwang zu entgehen. Für das Abitur solltest du wissen, wie die verschiedenen Arten von Zwängen ein Gleichgewicht genau verändern: 

1. Wird der Druck erhöht, weicht das System so aus, dass die volumenverkleinernde Reaktion gefördert wird. Somit wird die Reaktion auf die Seite mit weniger Molekülen verlagert. Bei der Ammoniaksynthese (3 H₂ + N₂ ↔ 2 NH₃) würde sich das Gleichgewicht daher auf die Produktseite verlagern. Eine Druckerniedrigung verschiebt das Gleichgewicht wiederum in die entgegengesetzte Richtung der Edukte. 

   Die Beeinflussung durch den Druck spielt bei Gasreaktionen eine Rolle. Eine Stoffmenge eines Gases besitzt immer ein bestimmtes Volumen (in Abhängigkeit von der Temperatur). Bei Raumtemperatur sind das ca. 24 L/mol und bei 0 °C ca. 22,4 L/mol. Diese Angaben gelten für jede Art von Gas! Eine Druckerhöhung befürwortet außerdem die Bildung einer Flüssigkeit anstatt eines Gases oder noch besser die Bildung eines Feststoffes. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich beim Wechsel des Aggregatzustandes das Volumen verändert, welches dem Druck entgegenwirken kann.

2. Bei einer Temperaturänderung muss die Reaktionsenthalpie betrachtet werden. Wird die Temperatur erniedrigt, werden wärmeliefernde (exotherme) Reaktionen bevorzugt, während bei hohen Temperaturen wärmeverbrauchende (endotherme) Reaktionen vermehrt ablaufen. In welche Richtung die Reaktion letztendlich vermehrt abläuft, hängt davon ab, ob die Bildung der Produkte exotherm oder endotherm ist.

   Im Falle des Ammoniaks ist die Reaktionsenthalpie ∆H_R= - 92 kJ/mol. Die Synthese ist daher exotherm. Möchte man also eine möglichst hohe Ammoniakausbeute haben, sollte die Temperatur möglichst gering sein, da bei niedrigen Temperaturen viel Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak reagiert.

3. Wird die Konzentration einer Komponente geändert, indem diese beispielsweise durch weitere Reaktion aus dem Gleichgewicht entfernt wird, versucht das Gleichgewicht diesen Mangel auszugleichen. 

   Angenommen, der gebildete Ammoniak wird direkt nach der Reaktion entfernt, so verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts, um den Ammoniak möglichst schnell wieder nachzubilden. Würde die Konzentration von Ammoniak deutlich erhöht werden, würde sich das Gleichgewicht logischerweise nach links verschieben.

Beispiel:

Gerade in Gleichgewichtssystemen mit mehreren Teilreaktionen ist es nicht unbedingt einfach, den Überblick zu behalten. Daher gehen wir hier eine mögliche Argumentation anhand des Kohlensäuregleichgewichts zusammen durch. Die Reaktionsgleichungen sind:

H₂O _(l) + CO_{2 (g)} ↔ H₂CO_{3 (aq)}

H₂CO_{3 (aq)} + H₂O _(l) ↔ HCO₃^- _(aq) + H₃O⁺ _(aq)

HCO₃^- _(aq) + H₂O _(l) ↔ CO₃^2- _(aq) + H₃O⁺ _(aq)

Frage: Wie müssen die äußeren Bedingungen verändert werden, um mehr Carbonat (CO₃^2-) zu erhalten?

Antwort:

Soll eine besonders hohe Ausbeute an Carbonat (CO₃^2-) erzielt werden, gibt es verschiedene Bedingungen, die geändert werden können, um dies zu erreichen:

1. Veränderung des Drucks: Es würde sich zunächst lohnen, den Druck zu erhöhen, damit die erste Reaktion (Bildung von Kohlensäure) vermehrt abläuft. Dadurch liegen insgesamt weniger Moleküle vor, was durch eine Volumenreduktion dem erhöhten Druck entgegenwirkt.
2. Veränderung der Konzentrationen: In der zweiten und dritten Gleichung wird jeweils H₃O⁺ gebildet. Wird dessen Konzentration gesenkt, würde die Bildung von Carbonat bevorzugt ablaufen. Dies kann beispielsweise durch eine Base, die mit H₃O⁺ reagiert, erreicht werden. Außerdem kann man die Konzentration der Edukte erhöhen, indem besonders viel Kohlenstoffdioxid eingeleitet wird. Man könnte auch das gebildete Carbonat aus dem Gleichgewicht entfernen (z.B. durch Bildung von Kalk mit Calcium). Der Kalk würde dann als Feststoff ausfallen und könnte zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu dem gewünschten Carbonat zurück reagieren.

Wie man hier bereits sieht, gibt es immer sehr viele Wege, um das gewünschte Produkt vermehrt zu erhalten. Man sollte sich beim Prinzip des Zwangs jedoch bewusst sein, dass es eine qualitative Überlegung ist. Es können also keine genauen Werte für eine Ausbeute berechnet werden. Trotzdem werden diese Faktoren in industriellen Herstellungsmethoden stark berücksichtigt, wie im Folgenden anhand des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniaksynthese verdeutlicht wird.