Chemische Reaktionen
laufen nie vollständig ab, sondern sie erreichen einen Gleichgewichtszustand.
Dieser Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer bestimmten Zeiteinheit
ebenso viele Produktmoleküle zu den Ausgangsstoffen reagieren, wie
Produktmoleküle aus den Ausgangsstoffen gebildet werden. Folglich ändert
sich die Konzentrationen der an der Reaktion beteiligten Stoffe nicht mehr,
d. h. die Konzentrationen bleiben konstant.
Es dauert jedoch eine gewisse, von Reaktion zu Reaktion unterschiedliche
Zeit, bis sich diese Gleichgewichtskonzentrationen eingestellt haben. Die
Zeitspanne bis zum Erreichen der konstanten Konzentrationen nennt man Einstellzeit
des chemischen Gleichgewichts (Bild 2).
Betrachtet man das Reaktionsgemisch als Ganzes, so erfolgen keine Veränderungen
mehr, während bei einer Betrachtung einzelner Moleküle Veränderungen
zu beobachten sind. Die Anzahl der in der Hin- und Rückreaktion umgesetzten
Moleküle ist jedoch identisch, d. h. die Geschwindigkeit von Hin-
und Rückreaktion sind gleich. Einen solchen Zustand bezeichnet man
als dynamisch.
Das chemische Gleichgewicht
stellt sich bei umkehrbaren (reversiblen) Reaktionen ein und wird in der
Reaktionsgleichung durch einen Gleichgewichtspfeil 
charakterisiert.
Mathematisch läßt sich das chemische Gleichgewicht durch das Massenwirkungsgesetz beschreiben, das 1867 vom norwegischen Technologen und Mathematiker CATO MAXIMILIAN GULDBERG (1836-1902) und dem norwegischen Chemiker PETER WAAGE (1833-1900) hergeleitet wurde.
Definition
Bei gegebener Temperatur und Druck ist der Quotient aus dem Produkt der
Konzentrationen der Reaktionsprodukte und dem Produkt der Konzentrationen
der Ausgangsstoffe eine Konstante die Gleichgewichtskonstante
K.
Für die oben genannte allgemeine Beispielreaktion lautet des Massenwirkungsgesetz:
Das Gleichgewicht der reversiblen Reaktion liegt auf der Seite des Reaktionsprodukts
(AB), wenn die Gleichgewichtskonstante K >>1 ist.
Ist die Gleichgewichtskonstante K <<1, liegt das Gleichgewicht auf
Seiten der Ausgangsstoffe (A und B)
Das Massenwirkungsgesetz bezieht sich immer auf eine konkrete Reaktionsgleichung.
Vereinbarungsgemäß stehen auf der linken Seite -vor dem Reaktionspfeil-
die Ausgangsstoffe (Edukte) und auf der rechten Seite - nach dem Reaktionspfeil-
der Reaktionsgleichung die Endstoffe (Produkte).
Beispiel
Ein Beispiel für eine reversible Reaktion, bei der sich ein chemisches
Gleichgewicht einstellt, ist die Veresterung eines Alkohols mit einer
Säure, z. B. die Reaktion zwischen Ethanol und Essigsäure.
Die chemischen Reaktionen zur Esterbildung und Esterspaltung laufen
gleichzeitig ab. Es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein.
Werden Ethanol und Essigsäure in einem geschlossenen Gefäß
im Stoffmengenverhältnis 1 mol : 1 mol gemischt (mit Schwefelsäure
als Katalysator versetzt) reagieren nur 0,67 mol der Ausgangsstoffe zu
Ester und Wasser. 0,33 mol der Ausgangsstoffe bleiben unverändert.
Im Gleichgewicht liegen dann 0,67 mol Ester, 0,67 mol Wasser, 0,33 mol
Alkohol und 0,33 mol Säure vor. Das gleiche Ergebnis wird erhalten,
wenn man 1 mol Ester mit 1 mol Wasser umsetzt.
Setzt man die Gleichgewichtskonzentrationen in das MWG ein, so ergibt
sich eine Gleichgewichtskonstante von K = 4. Diese ist bei gegebenem Druck
und Temperatur unveränderlich.
Die Abhängigkeit chemischer Gleichgewichte von den äußeren Bedingungen beschreibt das vom französichen Chemiker HENRY LOUIS LE CHATELIER formulierte Prinzip vom kleinsten Zwang. Danach versucht ein chemisches System einem äußeren durch die Änderung von Druck oder Temperatur verursachten Zwang auszuweichen. Dadurch ändert sich das Verhältnis der Konzentrationen der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte und somit die Gleichgewichtskonstante K.
Katalysatoren haben keinen Einfluß auf die Gleichgewichtslage und
damit auch nicht auf den Wert der Gleichgewichtskonstante. Die Formel
des Massenwirkungsgesetztes bleibt unverändert. Katalysatoren bewirken
nur eine Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion,
d. h. sie verringern die Einstellzeit des chemischen Gleichgewichts.