Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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5.4 Das chemische Gleichgewicht

Material: V1-2

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5.4.1 Chemische Systeme

V1: Reaktion von Marmor mit Salzsäure
M:
bulletMarmor in Stücken
bulletverd. HCl
bulletRG mit Stopfen
D: Marmor in das RG, dann mit HCl (und ggf. Wasser) bis fast zum Rand füllen, so dass nur noch ein sehr kleiner Gasraum übrig bleibt, wenn der Stopfen aufgesetzt ist.  RG verschließen.
E: Man beobachtet ein entweichendes Gas und (wenig) Wärmeentwicklung. Bei Verschluss stoppt die Reaktion.

CaCO3 + 2 HCl     ----->     CaCl2 + H2O + CO2   dH<0

Man unterscheidet drei mögliche Zustände von chemischen Systemen:

bulletwenn sie Materie und Energie austauschen, bezeichnet man sie als offene Systeme;
bulletwenn sie nur Energie austauschen können, nennt man sie geschlossene Systeme;
bulletwenn sie weder Materie noch Energie austauschen können, sind sie isoliert oder abgeschlossen.

Im offenen System verlaufen viele Reaktionen irreversibel.

Zn + H2SO4     ----->     ZnSO4 + H2

Wasserstoff entweicht so lange, bis die Schwefelsäure verbraucht ist. Dann stoppt die Reaktion. Würde man die Reaktion in einem geschlossenen, druckfesten Gefäß durchführen und zusätzlich Wasserstoff hineinpumpen, könnte man folgende Reaktion beobachten:

ZnSO4 + H2     ----->     Zn + H2SO4

Das ist genau die Rückreaktion zu obiger Reaktion. In jedem Fall taucht irgendwann die Situation auf, dass die Gasentwicklung oder der Verbrauch aufhört. Dann ist:

vR(hin) = vR(rück)

Im abgeschlossenen System sind alle chemischen Reaktionen reversibel.

Hinweis: Manche Reaktionen sind auch im offenen System merklich reversibel, falls dH nicht allzu groß ist, kein Gas entweicht oder kein NS entsteht.

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5.4.2. Das Massenwirkungsgesetz

V2: Modellversuch
M:
bullet2 Glasrohre verschiedenen Durchmessers
bulletWasser mit Methylenblau angefärbt
bullet2 Zylinder 50ml
D: Schüler 1 ist die Hinreaktion, Schüler 2 die Rückreaktion. S1 füllt mit einem Glasrohr aus dem gefüllten Zylinder in den leeren, S2 umgekehrt. S3 protokolliert an der Tafel.
E: Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein GG (konstanter Wasserspiegel) ein.

Beschreibung einer reversiblen Reaktion:

t=0

bulletNur Edukte sind vorhanden.
bulletvR(hin) >> 0, vR(rück) = 0

t=1

bulletDie Produktkonzentration steigt, damit die vR(rück).
bulletDie Eduktkonzentration sinkt, damit die vR(hin).

t --> unendlich:

bulletEs stellt sich ein bestimmtes Gleichgewicht zwischen den Edukt- und Produktkonzentrationen ein.
bulletvR(hin) = vR(rück), d.h. die Reaktionen kommen nie zum Stillstand!

Beim chemischen GG handelt es sich um ein dynamisches GG: im GG-Zustand ist die
vR(hin) = vR(rück)!
A + B   ----->    C + D
v(hin) = k1 * c(A) * c(B)
v(rück) = k2 * c(C) * c(D)

GG:

Das GG bei chemischen Reaktionen ist ein dynamisches GG.

v(hin) = v(rück)
k1 * c(A) * c(B) = k2 * c(C) * c(D)

k1 c(C) * c(D)
---   = ---------------- = K
k2 c(A) * c(B)
bulletK>1 bedeutet, dass im GG viel von den Produkten vorliegt.
bulletK<1 bedeutet, dass im GG viel von den Edukten vorliegt.

Im GG-Zustand ist der Quotient aus den Produktkonzentrationen und den Eduktkonzentrationen konstant. Diesen Zusammenhang nennt man Massenwirkungsgesetz (MWG).

Für eine Reaktion mA + nB   <===>   p(C) + q(D) gilt das MWG wie folgt:

c(C)p * c(D)q
------------------- = K
c(A)m * c(B)n

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5.4.3 Beinflussung der Lage des chemischen GG

5.4.3.1 Der Einfluss üblicher Konzentrationen: c und p

2 CrO42-      +      2 H3O+      -----> Cr2O72-      +      3 H2O
Chromat, gelb Dichromat, orange
   
     c(Cr2O72-) * c(H2O)3
K =    ----------------------------
     c(CrO42-)2 * c(H3O+)2
  1. Wird die Konzentration eines Stoffes auf der linken Seite erhöht (hier: Zugabe von Säure), so stellt  sich das GG neu so ein, dass rechts auch mehr Produkt entsteht (hier: Dichromat, merklich an der orangen Verfärbung).
  2. Wird die Konzentration eines Stoffes auf der linken Seite erniedrigt (hier: Zugabe von Base, d.h. Säure wird "vernichtet"), so stellt sich das GG neu so ein, dass links weniger Produkt zu finden ist .

Zn + H2SO4    <==>    ZnSO4 + H2

Bei Gasen wirkt eine Veränderung des Drucks wie eine Veränderung der Konzentration bei gelösten Stoffen:

  1. Wird der Druck in einem System erhöht, so stellt sich das GG so ein, dass die Anzahl der Gasteilchen vermindert wird.
  2. Wird der Druck in einem System erniedrigt, so stellt sich das GG so ein, dass sich die Anzahl der Gasteilchen erhöht.

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5.4.3.2 Der Einfluss merkwürdiger "Konzentrationen": T und e-

N2O4 "+ E"    <===> 2 NO2    dH>0
farblos braun
Distickstofftetraoxid Stickstoffdioxid
   
  p(NO2)2
K = -----------------
  p(N2O4) * "E"
  1. Wird die Temperatur in einem System erhöht, so stellt sich das GG so ein, dass Energie verbraucht wird.
  2. Wird die Temperatur erniedrigt, so stellt sich das GG so ein, dass Energie freigesetzt wird.

Fe3+ + 3 e-    ----->    Fe

  c(Fe3+) * "c(e-)3"
K = -----------------
  c(Fe)

Bedeutung:

bulletErhöhung der c(e-) bedeutet: elektrischer Strom fließt.
bulletman könnte Eisen durch Anlegen einer Spannung am rosten hindern! Verfahren wird tatsächlich zum Schutz von Schiffsrümpfen, Pipelines und unterirdischen Vorratstanks angewendet.

Das Prinzip vom kleinsten Zwang (LeChatelier) sagt aus, dass, wird auf ein chemisches GG ein äußerer Zwang ausgeübt, dieses sich in der Weise verschiebt, dass es dem Zwang ausweicht.

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5.4.4 Katalyse

  [MnO2]
2 H2O2 --------->      2 H2O + O2    dH<0

Durch Untersuchung der Reaktion stellt man fest, dass nach ihrem Ablauf noch genau soviel MnO2 vorhanden war wie vorher. Braunstein taucht also in der Gleichung nicht auf.

A 1: Formulieren Sie das MWG!

A 2: Beeinflusst ein Katalysator die Lage des GG zugunsten von Wasser?
System ist offen! keine GG-Verschiebung, nur Beschleunigung der Einstellung!

A3: Entwerfen Sie ein Experiment, mit dem man nachweisen könnte, dass Katalysatoren die Lage des GG nicht beeinflussen! abgeschlossenes System, Druckmesser, einmal mit, einmal ohne Katalysator; Ergebnis: der gleiche Druck!

Katalysatoren haben keinen Einfluss auf die Lage des chemischen GG. Sie beschleunigen lediglich seine Einstellung (erhöhen die vR).

Tafelskizze: Energiergieprofil und Energieverteilungsdiagramm für die Katalysa-torwirkung

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de