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:
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.
Im Falle des Ammoniaks ist die Reaktionsenthalpie ∆HR= - 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.
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:
H2O (l) + CO2 (g) ↔ H2CO3 (aq)
H2CO3 (aq) + H2O (l) ↔ HCO3- (aq) + H3O+ (aq)
HCO3- (aq) + H2O (l) ↔ CO32- (aq) + H3O+ (aq)
Frage: Wie müssen die äußeren Bedingungen verändert werden, um mehr Carbonat (CO32-) zu erhalten?
Antwort:
Soll eine besonders hohe Ausbeute an Carbonat (CO32-) erzielt werden, gibt es verschiedene Bedingungen, die geändert werden können, um dies zu erreichen:
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.