Post on 05-Apr-2015
Das chemische Gleichgewicht
Von der unvollständigen Reaktion bis zur
Gleichgewichtskonstante
Inhalt
GleichgewichteReaktionsverständnis im Wandel der Zeit Von der unvollständigen Reaktion bis zur
Reversibilität
Einflüsse auf das Gleichgewicht Das Prinzip vom kleinsten Zwang
Das MassenwirkungsgesetzAusblickSchulrelevanz
Gleichgewichte
Paul Klee: Schwankendes Gleichgewicht (1922)
„Das Gleichgewicht ist eine Bewegung von der Lotrechten weg, welcher immer eine ent-sprechende Gegenbewegung gegenübersteht.“
„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.“
Reaktionsverständnis im Wandel der
Zeit Von der unvollständigen
Reaktion bis zur Reversibilität
Chemie bis zum 18. Jahrhundert
Alchemie bis ins 18. Jh. Griechische Naturphilosphie:
mystische Stoffumwandlung
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
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat
- Unvollständige Reaktion -
1) Ba2+(aq) + CrO4
2-(aq) BaCrO4(s)
2) 2 Ba2+(aq) + Cr2O7
2-(aq) + H2O(l) 2 BaCrO4(s) + 2H+
(aq)
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat
- Unvollständige Reaktion -
1) Ba2+(aq) + CrO4
2-(aq) BaCrO4(s)
Entfärbung der Lösung nahezu quantitative Fällung „vollständiger“ Stoffumsatz
2) 2 Ba2+(aq) + Cr2O7
2-(aq) + H2O(l) 2 BaCrO4(s) + 2H+
(aq)
farbige Lösung unvollständiger Stoffumsatz
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
(3) 2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq) 2 Ba2+
(aq) + Cr2O72-
(aq) + H2O(l)
Reaktionsverständnis im Wandel der ZeitExperiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit
der Reaktion -
(3) 2 BaCrO4(s) + 2 H+(aq) 2 Ba2+
(aq) + Cr2O72-
(aq) + H2O(l)
Vergleich mit (2):
(2) 2 Ba2+(aq) + Cr2O7
2-(aq) + H2O(l) 2 BaCrO4(s) + 2 H+
(aq)
______________________________________________________________________
2 Ba2+(aq) + Cr2O7
2-(aq) + H2O(l) 2 BaCrO4(s) + 2 H+
(aq)
Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat
- Umkehrbarkeit der Reaktion -
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
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 + CaCO3 Na2CO3 + CaCl2
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!
Berthollets Entdeckung
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Prinzip vom kleinsten Zwang
Demonstration 1: Reaktion von Kohlendioxid und Wasser
1) CO2(g) CO2(aq)
2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+
(aq) + CO32-
(aq)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
1) CO2(g) CO2(aq)
2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+
(aq) + CO32-
(aq)
OH- + H3O+ 2 H2O
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2: pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
1) CO2(g) CO2(aq)
2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+
(aq) + CO32-
(aq)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
1) CO2(g) CO2(aq)
2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+
(aq) + CO32-
(aq)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Sodawasser
Joseph Priestley
(1733 – 1804)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2
1) CO2(g) CO2(aq) H<0
2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+
(aq)
3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+
(aq) + CO32-
(aq)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Prinzip vom kleinsten Zwang
„Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewichteinen Zwang aus, so reagiert es, indem sich der Zwangverkleinert.“
1884: Henry Louis Le Chatelier
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Massenwirkungsges
etz
Experiment 5: Bestimmung der Dissoziationskonstante von Essigsäure
CH3COOH(aq) CH3COO-(aq) + H+
(aq)
Ks= 1,76 x 10-5 mol/L
pKs= 4,75
Das Massenwirkungsgesetz
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 - TS...G = -RTlnK
aA + bB cC + dD
Rückblick Experiment 1:Löslichkeitsprodukt
BaCrO4(s) Ba2+(aq) + CrO4
2-(aq)
KL = c(Ba2+) c(CrO42-)
= 1,17 10-10 mol2/L2
Das Massenwirkungsgesetz
Geschichte des Massenwirkungsgesetz
1860-1865: Saint-Gilles und Berthelot: Untersuchungen zum Gleichgewichtszustand (Estersynthese & -hydrolyse)
1864-1869: Guldberg und Waageentwickeln das Massenwirkungs-gesetz
Das Massenwirkungsgesetz
Ausblick
Experiment 6:Verteilungsgleichgewicht
Erste Glasschale:H3O+
(aq) + Cl-(aq) HCl(aq) + H2O(l)
HCl(aq) HCl(g)
HCl(g) HCl(ad)
Ausblick
Zweite Glasschale:HCl(ad) HCl(g)
HCl(g) HCl(aq)
HCl(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl-(aq)
H3O+(aq) + OH-
(aq) 2 H2O(l)
Ind-(aq) + H2O(l) HInd(aq) + OH-
(aq)
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)
Ausblick
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