Das chemische Gleichgewicht Von der unvollständigen Reaktion bis zur Gleichgewichtskonstante

Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit 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

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

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.“ „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“ Statisches GGW Wikipedia (18.juni)

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

Chemie bis zum 18. Jahrhundert Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Chemie bis zum 18. Jahrhundert Alchemie bis ins 18. Jh. Griechische Naturphilosphie: mystische Stoffumwandlung Bis Ende 18. Jh. Völlig andere Vorstellung von der Natur der chemischen Reaktion (gestirne, wie gott: leiden, sterben, auferstehen in neuer daseinsform, china, indien, antropomorph) Seit 1200 iom christl Abendland Affinitätstabellen Wahlverwandtschaften von Goethe

Chemie bis zum 18. Jahrhundert Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Chemie bis zum 18. Jahrhundert Affinitätstheorie bzw. Verwandtschaftslehre: eingeführt von Albertus Magnus (13. Jh.) Affinitätstabellen (18. Jh.): Reaktionsverlauf nur in eine Richtung & vollständig Bis Ende 18. Jh. Völlig andere Vorstellung von der Natur der chemischen Reaktion (gestirne, wie gott: leiden, sterben, auferstehen in neuer daseinsform, china, indien) Affintät: von anderen parametern unabhängige, stoffspezifische größe Seit 1200 iom christl Abendland Affinitätstabellen Wahlverwandtschaften von Goethe

Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - Ba2+(aq) + CrO42-(aq)  BaCrO4(s)  2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l)  2 BaCrO4(s) + 2H+(aq)

Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion - Ba2+(aq) + CrO42-(aq)  BaCrO4(s)  Entfärbung der Lösung nahezu quantitative Fällung „vollständiger“ Stoffumsatz 2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l)  2 BaCrO4(s) + 2H+(aq) farbige Lösung unvollständiger Stoffumsatz

Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit der Reaktion - 2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq)  2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l)

Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit der Reaktion - 2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq)  2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l) Vergleich mit (2): 2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l)  2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq) ______________________________________________________________________ 2 Ba2+(aq) + Cr2O72-(aq) + H2O(l)  2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq)

Berthollets Entdeckung Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Berthollets Entdeckung Claude L. Berthollet mit Napoleon in Ägypten (1798) Beobachtung an Natronseen : Natriumchlorid + Kalkstein  Natriumcarbonat + Calciumchlorid (Seewasser) (Seegrund) (Krusten am Ufer) (See) 2 NaCl + CaCO3  Na2CO3 + CaCl2 Untersuchungen über die Gesetze der Verwandtschaft  

Berthollets Entdeckung Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit Berthollets Entdeckung Recherches sur le lois de l‘affinité“ (1801) & „Essai de statique chimique“ (1805) Reaktionen laufen auch in entgegengesetzter Richtung zur Affinitätstheorie! Substanzmenge hat Einfluss auf Reaktion! Untersuchungen über die Gesetze der Verwandtschaft

Einflüsse auf das Gleichgewicht Das Prinzip vom kleinsten Zwang

Demonstration 1: Reaktion von Kohlendioxid und Wasser Einflüsse auf das Gleichgewicht Demonstration 1: Reaktion von Kohlendioxid und Wasser CO2(g)  CO2(aq) CO2(aq) + 2 H2O(l)  HCO3-(aq) + H3O+(aq) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq) Infos zu ozeanen, Enthalpie

Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Infos zu ozeanen

Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 CO2(g) CO2(aq) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq) OH- + H3O+ 2 H2O       Infos zu ozeanen

Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 CO2(g) CO2(aq) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq)       Infos zu ozeanen

Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Infos zu ozeanen, entropie steigt!

Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 CO2(g) CO2(aq) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq)       Infos zu ozeanen

Sodawasser Einflüsse auf das Gleichgewicht Joseph Priestley Infos zu ozeanen Joseph Priestley (1733 – 1804)

Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Infos zu ozeanen

Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 Einflüsse auf das Gleichgewicht Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2 CO2(g) CO2(aq) H<0 CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32-(aq)       Infos zu ozeanen

Das Prinzip vom kleinsten Zwang Einflüsse auf das Gleichgewicht 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

Das Massenwirkungsgesetz

Experiment 5: Bestimmung der Dissoziationskonstante von Essigsäure Das Massenwirkungsgesetz Experiment 5: Bestimmung der Dissoziationskonstante von Essigsäure CH3COOH(aq)  CH3COO-(aq) + H+(aq) Ks= 1,76 x 10-5 mol/L pKs= 4,75 Der Rest an der Tafel !/ Excel starten!

Das Massenwirkungsgesetz cc(C)  cd(D) ca(A)  cb(B) = K kinetische Herleitung: vhin= vrück khin • c(A) • c(B) = krück • c(C) • c(D) ... thermodynamische Herleitung: G = H - TS G = -RTlnK aA + bB  cC + dD Der Rest an der Tafel !

Rückblick Experiment 1: Löslichkeitsprodukt Das Massenwirkungsgesetz Rückblick Experiment 1: Löslichkeitsprodukt BaCrO4(s)  Ba2+(aq) + CrO42-(aq) KL = c(Ba2+)  c(CrO42-) = 1,17  10-10 mol2/L2 Der Rest an der Tafel !/ Excel starten!

Geschichte des Massenwirkungsgesetz Das Massenwirkungsgesetz Geschichte des Massenwirkungsgesetz 1860-1865: Saint-Gilles und Berthelot: Untersuchungen zum Gleichgewichtszustand (Estersynthese & -hydrolyse) 1864-1869: Guldberg und Waage entwickeln das Massenwirkungs- gesetz aktive Masse = Aktivität norwegen

Ausblick

Experiment 6: Verteilungsgleichgewicht Ausblick Experiment 6: Verteilungsgleichgewicht Erste Glasschale: H3O+(aq) + Cl-(aq)  HCl(aq) + H2O(l) HCl(aq)  HCl(g) HCl(g)  HCl(ad) Zweite Glasschale: HCl(ad)  HCl(g) HCl(g)  HCl(aq) HCl(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + Cl-(aq) Bild vom Indikator! H3O+(aq) + OH-(aq)  2 H2O(l) Ind-(aq) + H2O(l)  HInd(aq) + OH-(aq)

Demonstration 2: Chromatographie Ausblick Demonstration 2: Chromatographie Auftrennung von Stoffgemisch wiederholte Gleichgewichtseinstellung zwischen stationärer und mobiler Phase Bestandteile unterschiedlich in Phasen verteilt hier: polare stationäre Phase (Al2O3) unpolare mobile Phase (Petrolether/ Toluen)

Schulrelevanz

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

Ende