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Das chemische Gleichgewicht Von der unvollständigen Reaktion bis zur Gleichgewichtskonstante.

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Präsentation zum Thema: "Das chemische Gleichgewicht Von der unvollständigen Reaktion bis zur Gleichgewichtskonstante."—  Präsentation transkript:

1 Das chemische Gleichgewicht Von der unvollständigen Reaktion bis zur Gleichgewichtskonstante

2 Inhalt Gleichgewichte Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Von der unvollständigen Reaktion bis zur Reversibilität Einflüsse auf das Gleichgewicht Das Prinzip vom kleinsten Zwang Das Massenwirkungsgesetz Ausblick Schulrelevanz

3 Gleichgewichte Paul Klee: Schwankendes Gleichgewicht (1922) Das Gleichgewicht ist eine Bewegung von der Lotrechten weg, welcher immer eine ent- sprechende Gegenbewegung gegenübersteht.

4 Ein dynamisches Gleichgewicht liegt stets dann vor, wenn in einem System zwei entgegengesetzt verlaufende Prozesse sich in ihrer Wirkung gerade aufheben. [...] ein Zustand, bei dem keine weitere Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches erfolgt [...] nennt man chemisches Gleichgewicht Gleichgewichte Der Ausdruck Gleichgewicht bezeichnet den ausgeglichenen Zustand eines Systems bzw. ein System mit vernachlässigbaren Schwankungen. Das Wort kommt von der Balkenwaage, deren Waagbalken bei gleichem Gewicht auf beiden Seiten horizontal steht.

5 Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Von der unvollständigen Reaktion bis zur Reversibilität

6 Chemie bis zum 18. Jahrhundert Alchemie bis ins 18. Jh. Griechische Naturphilosphie: mystische Stoffumwandlung Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

7 Chemie bis zum 18. Jahrhundert Affinitätstheorie bzw. Verwandtschaftslehre: eingeführt von Albertus Magnus (13. Jh.) Affinitätstabellen (18. Jh.): Reaktionsverlauf nur in eine Richtung & vollständig Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

8 Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - 1) Ba 2+ (aq) + CrO 4 2- (aq) BaCrO 4(s) 2) 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) 2 BaCrO 4(s) + 2H + (aq) Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

9 Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - 1) Ba 2+ (aq) + CrO 4 2- (aq) BaCrO 4(s) Entfärbung der Lösung nahezu quantitative Fällung vollständiger Stoffumsatz 2) 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) 2 BaCrO 4(s) + 2H + (aq) farbige Lösung unvollständiger Stoffumsatz Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

10 (3) 2 BaCrO 4(s) + 2 H + (aq) 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit der Reaktion -

11 (3) 2 BaCrO 4(s) + 2 H + (aq) 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) Vergleich mit (2): (2) 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) 2 BaCrO 4(s) + 2 H + (aq) ______________________________________________________________________ 2 Ba 2+ (aq) + Cr 2 O 7 2- (aq) + H 2 O (l) 2 BaCrO 4(s) + 2 H + (aq) Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit der Reaktion - Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

12 Berthollets Entdeckung Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Claude L. Berthollet mit Napoleon in Ägypten (1798) Beobachtung an Natronseen : Natriumchlorid + Kalkstein Natriumcarbonat + Calciumchlorid (Seewasser) (Seegrund) (Krusten am Ufer) (See) 2 NaCl + CaCO 3 Na 2 CO 3 + CaCl 2

13 Recherches sur le lois de laffinité (1801) & Essai de statique chimique (1805) Reaktionen laufen auch in entgegengesetzter Richtung zur Affinitätstheorie! Substanzmenge hat Einfluss auf Reaktion! Berthollets Entdeckung Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit

14 Einflüsse auf das Gleichgewicht Das Prinzip vom kleinsten Zwang

15 Demonstration 1: Reaktion von Kohlendioxid und Wasser 1) CO 2(g) CO 2(aq) 2) CO 2(aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 3) HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) Einflüsse auf das Gleichgewicht

16 Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 Einflüsse auf das Gleichgewicht

17 Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 1) CO 2(g) CO 2(aq) 2) CO 2(aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 3) HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) OH - + H 3 O + 2 H 2 O Einflüsse auf das Gleichgewicht

18 Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 1) CO 2(g) CO 2(aq) 2) CO 2(aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 3) HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) Einflüsse auf das Gleichgewicht

19 Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 Einflüsse auf das Gleichgewicht

20 Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 1) CO 2(g) CO 2(aq) 2) CO 2(aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 3) HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) Einflüsse auf das Gleichgewicht

21 Sodawasser Joseph Priestley (1733 – 1804) Einflüsse auf das Gleichgewicht

22 Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 Einflüsse auf das Gleichgewicht

23 Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 1) CO 2(g) CO 2(aq) H<0 2) CO 2(aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) 3) HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) Einflüsse auf das Gleichgewicht

24 Das Prinzip vom kleinsten Zwang Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es, indem sich der Zwang verkleinert. 1884: Henry Louis Le Chatelier Einflüsse auf das Gleichgewicht

25 Das Massenwirkungsgesetz

26 Experiment 5: Bestimmung der Dissoziationskonstante von Essigsäure CH 3 COOH (aq) CH 3 COO - (aq) + H + (aq) K s = 1,76 x mol/L pK s = 4,75 Das Massenwirkungsgesetz

27 c c (C) c d (D) c a (A) c b (B) = K kinetische Herleitung: v hin = v rück k hin c(A) c(B) = k rück c(C) c(D)... thermodynamische Herleitung: G = H - T S... G = -RTlnK aA + bB cC + dD

28 Rückblick Experiment 1: Löslichkeitsprodukt BaCrO 4(s) Ba 2+ (aq) + CrO 4 2- (aq) K L = c(Ba 2+ ) c(CrO 4 2- ) = 1, mol 2 /L 2 Das Massenwirkungsgesetz

29 Geschichte des Massenwirkungsgesetz : Saint-Gilles und Berthelot: Untersuchungen zum Gleichgewichtszustand (Estersynthese & -hydrolyse) : Guldberg und Waage entwickeln das Massenwirkungs- gesetz Das Massenwirkungsgesetz

30 Ausblick

31 Experiment 6: Verteilungsgleichgewicht Erste Glasschale: H 3 O + (aq) + Cl - (aq) HCl (aq) + H 2 O (l) HCl (aq) HCl (g) HCl (g) HCl (ad) Ausblick Zweite Glasschale: HCl (ad) HCl (g) HCl (g) HCl (aq) HCl (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) H 3 O + (aq) + OH - (aq) 2 H 2 O (l) Ind - (aq) + H 2 O (l) HInd (aq) + OH - (aq)

32 Demonstration 2: Chromatographie Auftrennung von Stoffgemisch wiederholte Gleichgewichtseinstellung zwischen stationärer und mobiler Phase Bestandteile unterschiedlich in Phasen verteilt hier: polare stationäre Phase (Al 2 O 3 ) unpolare mobile Phase (Petrolether/ Toluen) Ausblick

33 Schulrelevanz

34 Lehrplan in Hessen Schulrelevanz 8.1: Fakultative Unterrichtsinhalte/Aufgaben Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit Chromatographie GK 13.1: Das Chemische Gleichgewicht / LK 13.1: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Prinzip vom Zwang Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes

35 Ende


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