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Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1.

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Präsentation zum Thema: "Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1."—  Präsentation transkript:

1 Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe

2 „Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung. Sie ist Gleichgewicht der Bewegung.“ Ernst Freiherr von Feuchtersleben,

3 Vortragsziele Das Aufzeigen von Gleichgewichten als eine zentrale Eigenschaft der belebten und unbelebten Natur Darstellung der Schul- und Lehrplanrelevanz des Themas 3

4 Ablauf 1. Einführung 4 2. Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

5 5 1. Einführung Statisches Gleichgewicht: Ein System im Ruhezustand Dynamisches Gleichgewicht: Zwei gegenläufige Prozesse gleichen sich aus

6 Ablauf 1. Einführung 6 2. Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

7 7 2. Phasengleichgewichte Der Aggregatzustand

8 8 2. Phasengleichgewichte Der Phasenbegriff Phase: Räumlicher Bereich, den eine Substanz ohne erkennbare Grenzflächen in seinem Inneren einnimmt.

9 9 2. Phasengleichgewichte Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf Beobachtung: Der freie Raum über der Flüssigkeit reichert sich bis zu einer bestimmten Konzentration mit dem Dampf der Flüssigkeit an. 20° C bar

10 10 2. Phasengleichgewichte Maxwell-Boltzmann-Verteilung Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

11 11 2. Phasengleichgewichte Maxwell-Boltzmann-Verteilung Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

12 12 2. Phasengleichgewichte Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf Dynamisches Gleichgewicht: Anzahl der Teilchen, die in Gasphase übergehen ≙ Anzahl der Teilchen, die flüssige Phase verlassen. 20° C100° C300° C bar1.013 bar85.88 bar

13 13 2. Phasengleichgewichte Dampfdruck

14 14 2. Phasengleichgewichte Zustandsdiagramm des Wassers 20°C bar

15 15 2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck Demonstration 1

16 16 2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck

17 Ablauf 1. Einführung Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

18 18 3. Lösungsgleichgewichte Definition: Lösung Lösung: Eine Mischung von Verbindungen, die eine einheitliche Zusammensetzung (eine Phase) hat.

19 19 3. Lösungsgleichgewichte Der Lösungsprozess Solvatation: Umhüllung von gelösten Teilchen durch Lösungsmittelmoleküle aufgrund von anziehenden Kräften (Hydratation: Solvatation in Wasser).

20 20 3. Lösungsgleichgewichte Definition: Löslichkeit Die Löslichkeit eines Stoffes ist u.a. abhängig von: 1. Art und Stärke der Anziehungskräfte zwischen: a) den Lösungsmittelteilchen b) den Lösungsmittelteilchen und den gelösten Teilchen c) den gelösten Teilchen 2. Verhältnis von Lösungsmittel und gelösten Teilchen ( ≙ Konzentration) 3. Temperatur Löslichkeit: Die Eigenschaft eines Stoffes, sich unter homogener Verteilung der Teilchen dieses Stoffes im Lösungsmittel zu vermischen.

21 21 3. Lösungsgleichgewichte Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit Polarität: Getrennte Ladungsschwerpunkte aufgrund einer ungleichen Verteilung der Elektronendichte im Molekül. PolarUnpolar

22 22 3. Lösungsgleichgewichte Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit Prinzip: Similia similibus solvuntur (Lat.: Ähnliches wird von Ähnlichem gelöst.).

23 23 3. Lösungsgleichgewichte Definition: Lösungsgleichgewicht Phase β Phase α Lösungsgleichgewicht: Gleichgewicht, das sich bei der Verteilung eines Stoffes zwischen zwei Phasen einstellt.

24 24 3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten Kombinationen: a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

25 25 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Versuch 1

26 26

27 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 0 h 27

28 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 24 h 28

29 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 48 h 29

30 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 96 h 30

31 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz 31

32 Verteilungskoeffizient 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz ṽ Butanol → Wasser = k 1 c Butanol (Rhodamin b) [1] ṽ Wasser → Butanol = k 2 c Wasser (Rhodamin b) [2] Im Gleichgewicht: ṽ Butanol → Wasser = ṽ Wasser → Butanol [3] k 1 c Butanol (Rhodamin b) = k 2 c Wasser (Rhodamin b) [4] 32

33 Prozess: Kronzentrationsgradient vs. Löslichkeitsgradient 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Rhodamin b in Butanol Rhodamin b in Wasser Rhodamin b in Butanol Konzentrationsgradient Löslichkeitsgradient 33

34 Zugabe Farbstoff 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz 34

35 Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient. 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz 35

36 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz 36 Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.

37 Im Gleichgewicht: Löslichkeitsgradient überwiegt Konzentrationsgradient. 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz 37

38 38 3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten Kombinationen: a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

39 39 3. Lösungsgleichgewichte Henry-Dalton-Gesetz Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem Dampfdruck des Gases über der Lösung. Gas A in Lösung Gas A im Gasgemisch über der Lösung

40 40 3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten Kombinationen: a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

41 41 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie Demonstration 2

42 42 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie Prinzip: Freisetzung der Blattfarbstoff durch mechanische Zerstörung der Zellwand und Zellmembranen.

43 43 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie → α-Carotin Carotin Chlorophyll a Chlorophyll b

44 44 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie

45 45 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie Chlorophyll a/b an stationärer Phase (Kreide) Chlorophyll a/b an mobiler Phase (Ethanol) Carotin an stationärer Phase (Kreide) Carotin an mobiler Phase (Ethanol) Prinzip: Trennung der Stoffe aufgrund unterschiedlicher Lösungsgleichgewichte zwischen stationärer Phase und mobiler Phase.

46 Ablauf 1. Einführung Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

47 47 4. Das chemische Gleichgewicht Chemische Reaktionen Chemische Reaktion: Vorgang, bei dem eine oder mehrere Verbindungen in andere umgewandelt werden.

48 48 4. Das chemische Gleichgewicht Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion Versuch 2

49 49 4. Das chemische Gleichgewicht Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion Prinzip: Umkehrbare Einlagerung der Polyiodidketten in das Stärkepolymer.

50 50 4. Das chemische Gleichgewicht Reversible Reaktionen Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen (Hin- bzw. Rückreaktion) laufen gleichschnell ab.

51 51 4. Das chemische Gleichgewicht Reversible Reaktionen Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen gleichschnell ab.

52 52 4. Das chemische Gleichgewicht Reversible Reaktionen Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen gleichschnell ab.

53 53 4. Das chemische Gleichgewicht Das Massenwirkungsgesetz Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen gleichschnell ab. αA + εExX + zZ

54 Ablauf 1. Einführung Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

55 55 5. Steuerung der Gleichgewichte Das Prinzip von Le Chatelier Henry Louis Le Chatelier (1850 – 1936) Prinzip des kleinsten Zwanges: „Übt man auf ein System, das im Gleichgewicht ist, durch Druck,- Temperatur-, oder Konzentrationsänderungen einen Zwang aus, so verschiebt sich das Gleichgewicht. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, bei dem der Zwang vermindert ist“

56 56 5. Steuerung der Gleichgewichte Parameter zur Steuerung des Gleichgewichts GleichgewichtParamterBeispiel PhasengleichgewichtDruck, Temperatur LösungsgleichgewichtDruck, Temperatur, Konzentration Chemisches GleichgewichtDruck, Temperatur, Konzentration

57 57 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten Versuch 3

58 58 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem Dampfdruck des Gases über der Lösung. CO 2 (g) CO 2 (aq)

59 59 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts Versuch 4

60 60 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts Prinzip: Ein Überschuss an Anthracen bewirkt ein Ausweichen des Systems in Richtung des kleineren Zwanges, die Seite des Produkts.

61 61 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 5: Katalyse Versuch 5

62 62 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 5: Katalyse Mechanismus: Nucleophiler Angriff des Wassers am elektrophilen Carbonylkohlenstoff und anschließender Zerfall der tetraedrischen Zwischenstufe.

63 63 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 5: Katalyse Prinzip: Der Harnstoff-Urease-Komplex besitzt eine geringere potentielle Energie als Harnstoff. Die Aktivierungsenergie sinkt, die Reaktion verläuft schneller.

64 64 5. Steuerung der Gleichgewichte Wirkung von Katalysatoren → Erhöhen die Geschwindigkeit der Reaktion, ohne selbst verbraucht zu werden. → Katalysieren Hin- und Rückreaktion, d.h. es wird die Einstellung des Gleichgewichts beschleunigt, jedoch nicht dessen Lage.

65 Ablauf 1. Einführung Phasengleichgewichte3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas 5. Steuerung der Gleichgewichte

66 66 4. Die Lehrplanrelevanz des Themas Versuch:Lehrplanrelevanz Verteilung von Rhodamin zwischen Butanol und Wasser 9 G1: Wassermolekül als Dipol Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe Iod-Stärke-Reaktion Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie Kohlensäure im Mineralwasser: Das Prinzip von Le Chatelier Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen Darstellung von AnthracenpikratQ3 GK: Das chemische Gleichgewicht Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe

67 67 4. Die Lehrplanrelevanz des Themas VersuchLehrplanrelevanz Katalyse: Zersetzung von Harnstoff durch Urease Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie DemonstrationLehrplanrelevanz Dampfmaschine 7 G1: Stoffe unterscheiden und isolieren: Der Aggregatzustand Fächerübergreifender Unterricht mit der Physik Säulenchromatographie: Auftrennung der Blattfarbstoffe Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie

68 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit ! 68

69 Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie für die Jahrgangsstufen G7 bis G12 8cc f3ef-ef b2 (Zugriff ) Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. Jander, Blasius (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. 16. Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. 69 Literatur- und Quellenverzeichnis

70 Mortimer, C. E. (2001). Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 7. Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag. Unfallkasse Hessen, Hessisches Kultusministerium. Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version / ( ) stamp= http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetime stamp= ( ) 70 Literatur- und Quellenverzeichnis

71 ( ) stamp= http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetime stamp= ( ) ( ) master.de/lex/begriffe/h04.htmlhttp://www.chemie-master.de/FrameHandler.php?loc=http://www.chemie- master.de/lex/begriffe/h04.html ( ) ( ) ( ) ( ) 71 Literatur- und Quellenverzeichnis

72 72 Literatur- und Quellenverzeichnis ( ) ( ) ( )


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