Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 15.07.16


Chemisches Gleichgewicht

Vortrag von Bong Jaqueline im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 16


Gliederung:

1 Dolinenbildung

2 Chemisches_Gleichgewicht
    
2.1 Merkmale
     2.2 Temperaturabhängigkeit

3 Transfer_auf_Dolinen


Einführung. Immer wieder kommt es in Florida zu großen Erdfällen. Dabei verschwinden ganze Häuser und häufig werden Menschen verletzt oder kommen zu Tode. Auch bei uns kommt es gelegentlich zu solchen Vorfällen, jedoch von geringerem Ausmaß. Bevor die Flächen jedoch bebaut wurden, war keinerlei Hinweis auf ein Loch im Gestein zu finden. Wie ein solches Phänomen zustande kommt wird im Folgenden erläutert.


1 Dolinenbildung

Kohlenstoffdioxid aus der Luft löst sich reversibel in Wasser. Dabei entsteht in geringer Menge durch eine Gleichgewichtsreaktion Kohlensäure.

CO2 (aq) + H2O H2CO3 (aq)

Dort wo Dolinen entstehen, besteht das Gestein im Boden größtenteils aus Kalk, welcher von der Kohlensäure umgesetzt werden kann.

H2CO3 (aq) + CaCO3   Ca(HCO3)2 (aq)

Dadurch entstehen zunächst kleine Risse im Karst, durch die Wasser fließt. Dieses Wasser enthält in geringer Menge durch obigen Vorgang Kohlensäure, sodass die Risse sich durch weitere Umsetzung des Kalks ausdehnen bis unterirdisch riesige Hohlräume entstehen.


2 Chemisches Gleichgewicht

2.1 Merkmale

Das chemische Gleichgewicht bezeichnet den Zustand, in dem durch Hin- und Rückreaktion einer chemischen Reaktion die Konzentration/Menge von Produkten und Edukten nicht mehr verändert wird:

  • Hin- und Rückreaktion sind gleich schnell
  • Konzentrationen der Stoffe bleiben effektiv gleich
  • Weitere Farbänderung bleibt aus (bei farbigen Stoffgemischen)
  • Änderung der Gibbs-Energie ΔG = 0

Modellversuch zum chemischen Gleichgewicht:
http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/standard/
1405a_chemisches_gleichgewicht.htm (Stand: 12.07.16) 

2.2 Temperaturabhängigkeit

Das chemische Gleichgewicht lässt sich mit Hilfe einer Gleichgewichtskonstante K mathematisch beschreiben, welche für einige Berechnungen eine große Rolle spielt.

Für a A + b B  c C + d D gilt:

 

Meist wird zur Berechnung statt der Aktivität a der Stoffe die Konzentration c oder der Partialdruck p verwendet. Die Temperaturabhängigkeit zeigt sich dann erstmals in der Gleichung der Änderung der Gibbs-Energie:

Hat sich das chemische Gleichgewicht eingestellt, entspricht ΔG = 0, was folgende Umstellung der Gleichung möglich macht:

                        (1)

Für weitere Berechnungen ist auch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung nötig:

              (2)

Setzt man daraufhin Gleichung (2) in (1) ein, ergibt sich also: 

Diese Gleichung wird dann für zwei Temperaturen  T1 und T2  betrachtet:

           (3)

          (4)

Subtrahiert man anschließend Gleichung (4) von (3) erhält man die van't Hoff'sche Gleichung:

 

Dies ermöglicht dann eine Voraussage im Bezug auf die Dolinen.


3 Transfer auf Dolinen

Beispielberechnung für

 CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (aq)

mit T1 = 10 °C und T2 = 40 °C

Daraus folgt, dass bei geringerer Temperatur das Gleichgewicht auf Seite des Produktes liegt. Da sich das ganze unterirdisch bei niedriger Temperatur abspielt, bleibt das Calciumhydrogencarbonat also in Lösung und wird ausgewaschen.


Zusammenfassung. Das chemische Gleichgewicht beeinflusst chemische Reaktionen. Dabei ist die Lage des Gleichgewichts von Bedingungen wie z.B. der Temperatur abhängig. Diese lassen sich größtenteils berechnen, sodass Aussagen zur Lage des Gleichgewichts getroffen werden können.

Abschluss. Mit Hilfe des chemischen Gleichgewichts lassen sich Naturphänomene wie die Dolinen-Entstehung und auch die Tropfsteinbildung erklären. Darüber hinaus lassen sich bestimmte Vorhersagen zu chemischen Reaktionen treffen. Dies ist vor allem im Labor und der Technik von Nutzen, da so eine Optimierung des Reaktionsverlaufs erreicht werden kann. Aber auch bei der Bebauung von Grund sollte berücksichtigt werden, dass verschiedene Bedingungen chemische Reaktionen beeinflussen können und deshalb der Untergrund genau geprüft werden muss.


Literatur:

  1. Attkins, Peter W.: Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim, 2002.
  2. Dr. Häfner, Wolfgang: Scriptum zum Modul PC II, Physikalische Chemie II, Bayreuth, 2014.
  3. Internetquellen:   

URL: http://flexikon.doccheck.com/de/Chemisches_Gleichgewicht (Stand: 05.06.15)
URL: http://www.physik.wissenstexte.de/tropfstein.htm (Stand: 05.06.15)
URL: http://www.chemieonline.de/forum/showthread.php?t=186242 (Stand: 05.06.15)
URL: http://www.sueddeutsche.de/wissen/
          geologie-und-ploetzlich-ist-da-ein-loch-1.1616302 (Stand: 05.06.15)
URL: http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/verkarst.htm
          (Stand: 05.06.15)


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 15.07.16