Die Natur - Ein System der Gleichgewichte

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

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

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

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

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

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

7 2. Phasengleichgewichte Der Aggregatzustand

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

9 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.

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

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

12 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.

13 2. Phasengleichgewichte Dampfdruck

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

15 2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck

16 2. Phasengleichgewichte Demonstration 1: Dampfdruck

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

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

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

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 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.

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

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

24 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

25 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

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

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

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

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

31 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

32 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

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

34 3. Verteilungsgleichgewichte Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Zugabe Farbstoff

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

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

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

38 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

39 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.

40 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

41 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie

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

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

44 3. Verteilungsgleichgewichte Demonstration 2: Chromatographie

45 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

55 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)

56 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

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

58 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.

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

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 5. Steuerung der Gleichgewichte Versuch 5: Katalyse

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

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

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 Darstellung von Anthracenpikrat

67 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

68 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

69 Literatur- und Quellenverzeichnis
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. Literatur- und Quellenverzeichnis

70 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 /2007. ( ) ( ) Literatur- und Quellenverzeichnis

71 Literatur- und Quellenverzeichnis
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Literatur- und Quellenverzeichnis

72 Literatur- und Quellenverzeichnis
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