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

„Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung „Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung. Sie ist Gleichgewicht der Bewegung.“ Ernst Freiherr von Feuchtersleben, 1840

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

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

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

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

2. Phasengleichgewichte Der Aggregatzustand

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

2. Phasengleichgewichte Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf 0.023 bar 20° C Beobachtung: Der freie Raum über der Flüssigkeit reichert sich bis zu einer bestimmten Konzentration mit dem Dampf der Flüssigkeit an.

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

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

2. Phasengleichgewichte Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf 0.023 bar 1.013 bar 85.88 bar 20° C 100° C 300° C Dynamisches Gleichgewicht: Anzahl der Teilchen, die in Gasphase übergehen ≙ Anzahl der Teilchen, die flüssige Phase verlassen.

2. Phasengleichgewichte Dampfdruck  

2. Phasengleichgewichte Zustandsdiagramm des Wassers 0.023 bar 20°C

2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck

2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

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

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

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.

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

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

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

3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten 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

3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

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

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

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

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

3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz ṽButanol → Wasser = k1 • cButanol (Rhodamin b) [1] ṽWasser → Butanol = k2 • cWasser (Rhodamin b) [2] Im Gleichgewicht: ṽButanol → Wasser = ṽWasser → Butanol [3] k1 • cButanol (Rhodamin b) = k2 • cWasser (Rhodamin b) [4]     Verteilungskoeffizient

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

3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz Zugabe Farbstoff

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

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

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

3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten 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

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

3. Lösungsgleichgewichte Kombinationen von Lösungsgleichgewichten 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

3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie

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

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

3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie

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

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

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

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

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

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

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

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

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

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte Das Prinzip von Le Chatelier 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“ Henry Louis Le Chatelier (1850 – 1936)

Lösungsgleichgewicht Druck, Temperatur, Konzentration 5. Steuerung der Gleichgewichte Parameter zur Steuerung des Gleichgewichts Gleichgewicht Paramter Beispiel Phasengleichgewicht Druck, Temperatur Lösungsgleichgewicht Druck, Temperatur, Konzentration Chemisches Gleichgewicht

5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten

Dampfdruck des Gases über der Lösung. 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten CO 2 (g) CO2 (aq)   Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem Dampfdruck des Gases über der Lösung.

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

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.

5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 5: Katalyse

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

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.

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.

Ablauf 1. Einführung 2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte 4. Das chemische Gleichgewicht 5. Steuerung der Gleichgewichte 6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

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 Darstellung von Anthracenpikrat

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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

Literatur- und Quellenverzeichnis Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie für die Jahrgangsstufen G7 bis G12 http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a- 8cc6-1811-f3ef-ef91921321b2 (Zugriff 10.11.2011) Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Berlin, New York: de Gruyter. Jander, Blasius (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. 16. Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. Literatur- und Quellenverzeichnis

Literatur- und Quellenverzeichnis 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 11. 2006/2007. http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011)   http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetimestamp=20100828092422 (8.10.2011) Literatur- und Quellenverzeichnis

Literatur- und Quellenverzeichnis http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011) http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetimestamp=20100828092422 (8.10.2011) http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0909.html (11.11.2011) http://www.chemie-master.de/FrameHandler.php?loc=http://www.chemie-master.de/lex/begriffe/h04.html (29.9.2011) http://www.dampfspeck.de/attachments/Image/Skizze.jpg (9.9.2011) http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/4/cm/kinetik/bilder/profil2.gif (1.9.20111) http://www.itusozluk.com/gorseller/le+chatelier/271065 (7.9.2011)   Literatur- und Quellenverzeichnis

Literatur- und Quellenverzeichnis http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011)   http://www.cornelsen.de/fm/649/ideal_gas.gif (25.11.2011) http://www.hamm-chemie.de/images/k10/dipol.jpg (8.11.2011)