DO01756831 K04.indd 21.11.2011 07:58:05 Seite: 57 ......Elemente Chemie 2 57 4.1 Die Geschwindigkeit...

Elemente Chemie 2 57

4.1 Die Geschwindigkeit von Reaktionen

Zur AufgabeA1 a)

0

t in s

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0120

V(H2) in ml

20 40 10060 80

b) Hinweis: Da das Volumen der Salzsäure hier nicht angegeben ist, kann das Volumen des gebildeten Wasserstoffs nicht in eine Konzentrationsänderung umgerechnet weren. Die Durch-schnittsgeschwindigkeiten werden daher in der Einheit ml/s angegeben.

›(0 s, 10 s) = 30 ml – 0 ml ______ 10 s – 0 s = 3,0 ml/s

›(10 s, 20 s) = 47 ml – 30 ml ______ 20 s – 10 s = 1,7 ml/s

›(20 s, 30 s) = 60 ml – 47 ml ______ 30 s – 20 s = 1,3 ml/s

›(30 s, 40 s) = 68 ml – 60 ml ______ 40 s – 30 s = 0,8 ml/s

c) Die Durchschnittsgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab.

Zum VersuchV1 Das Ergebnis einer Messung zeigt B4 im Schülerbuch; die Auswertung zeigen B5, B6 und B7.

4 Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht

DO01756831_K04.indd 21.11.2011 07:58:05 Seite: 57 [Farbbalken für Fogra39] CyanDO01756831_K04.indd 21.11.2011 07:58:05 Seite: 57 [Farbbalken für Fogra39] MagentaDO01756831_K04.indd 21.11.2011 07:58:05 Seite: 57 [Farbbalken für Fogra39] YellowDO01756831_K04.indd 21.11.2011 07:58:05 Seite: 57 [Farbbalken für Fogra39] BlacK

58 Elemente Chemie 2


4.2 Exkurs Airbag

Zur AufgabeA1a) Fahrerairbag, Beifahrerairbag, Rücksitzairbag, Seitenairbags, Kopfairbags, Knieairbags, Sitzpolsterairbags, Gurtairbags, Heckairbag

b) Reaktionsgleichung: 10 NaN3 + 2 KNO3 + 5 SiO2 5 Na2O · K2O · 5 SiO2 + 16 N2

Aus der Reaktionsgleichung folgt: n(NaN3)

____ n(N2) = 10

__ 16 ⇔ n(NaN3) = 10 __ 16 · n(N2)

⇒ Allgemeine Berechnung der Masse des Natriumazids:

m(Natriumazid) = M(NaN3) · n(NaN3) = M(NaN3) · 10 __ 16 · n(N2)

Berechnung der Stoffmenge von 60 l Stickstoff mit Vm ≈ 24 l/mol (bei 20 °C und 1013 hPa):

n(N2) = 60 l _____ 24 l · mol–1 = 2,5 mol

Einsetzen in die Gleichung für die Masse des Natriumazids mit M(NaN3) = 65 g/mol ergibt:

m(Natriumazid) = 65 g/mol · 10 __ 16 · 2,5 mol ≈ 102 g

Man benötigt 102 g Natriumazid für die Bildung von 60 l Stickstoff bei 20 °C und 1013 hPa.

4.3 Konzentration und Reaktionsgeschwindigkeit

Zu den VersuchenV1 Der Versuch wurde mit Magnesiumband der Firma Riedel-de Haën (Magnesium, Bandform, ca. 3 mm · 0,2 mm) durchgeführt. (1 cm Magnesiumband entspricht 13 mg Magnesium.)Die drei Ansätze mit jeweils 1 cm Magnesiumband und 5 ml Salzsäure ergaben:c(HCl) = 1 mol/l: Reaktionsdauer ca. 80 sc(HCl) = 0,5 mol/l: Reaktionsdauer ca. 6 minc(HCl) = 0,1 mol/l: Auch nach 30 Minuten ist das meiste Magnesium noch vorhanden.

756831.indb 17.11.2011 11:21:12 Seite: 58 [Farbbalken für Fogra39] Cyan756831.indb 17.11.2011 11:21:12 Seite: 58 [Farbbalken für Fogra39] Magenta756831.indb 17.11.2011 11:21:12 Seite: 58 [Farbbalken für Fogra39] Yellow756831.indb 17.11.2011 11:21:12 Seite: 58 [Farbbalken für Fogra39] BlacK



V2 Messwerte eines Experiments (Fettdruck) und berechnete Werte:

tin s

ðt in s

t in %

E c in mmol/l

ðc in mmol/l

t + 0,5 ðtin s

_ v in mmol/(l · s)

_ c in mol/l

0 30 0,9 2,062 0,05000 -0,01574 15 0,0005246 0,04213

30 30 3,9 1,413 0,03426 -0,00958 45 0,0003193 0,02947

60 30 9,6 1,018 0,02468 -0,00686 75 0,0002287 0,02125

90 30 18,4 0,735 0,01782 -0,00504 105 0,0001681 0,01530

120 30 29,7 0,527 0,01278 -0,00344 135 0,0001148 0,01106

150 30 41,2 0,385 0,00934 -0,00242 165 0,0000808 0,00812

180 30 51,9 0,285 0,00691 -0,00172 195 0,0000574 0,00605

210 30 61,1 0,214 0,00519 -0,00121 225 0,0000404 0,00458

240 30 68,5 0,164 0,00398 -0,00082 255 0,0000275 0,00356

270 30 74,2 0,130 0,00315 -0,00058 285 0,0000194 0,00286

300 30 78,3 0,106 0,00257 -0,00039 315 0,0000129 0,00238

330 30 81,2 0,090 0,00218 -0,00029 345 0,0000097 0,00204

360 30 83,6 0,078 0,00189 -0,00019 375 0,0000065 0,00179

390 30 85,2 0,070 0,00170 -0,00012 405 0,0000040 0,00164

420 30 86,1 0,065 0,00158 -0,00012 435 0,0000040 0,00152

450 30 87,1 0,060 0,00145 -0,00005 465 0,0000016 0,00143

480 87,5 0,058 0,00141

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration:

0,00

0,0006

0,0005

0,0004

0,0003

0,0002

0,0001

0,00000,050,02 0,040,01 0,03

v in mmol/(l · s)

c in mmol/l

Durch die Punkte im Diagramm lässt sich eine Ursprungsgerade als Ausgleichsgerade legen, ähnlich wie in B1c im Schülerbuch. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also proportional zur Konzentration von Malachitgrün. Anmerkung zum Diagramm: Dass fast alle Werte unterhalb der Ursprungsgeraden liegen, ist ein systematischer Fehler. Die farblose Form des Malachitgrüns ist in Wasser schwer löslich und erzeugt im Laufe der Reaktion eine zunehmende Trübung. Dies täuscht zu hohe Extinktionswerte und damit zu hohe Konzentrationen vor.




4.4 Praktikum Geschwindigkeit von Reaktionen

Zu den VersuchenV1 Messwerte eines Experiments mit „Marmor granuliert zur Kohlensäureentwicklung“ von Merck und Marmorstücken von einem alten Fenstersims:

t in s m (Kohlenstoffdioxid) in g

Granulierter Marmor, m = 10,0 gSalzsäure, w (HCl) ≈ 5 %

Granulierter Marmor, m = 10,0 gSalzsäure, w (HCl) ≈ 10 %

Marmorstück, m = 10,0 gSalzsäure, w (HCl) ≈ 10 %

0 0,000 0,000 0,000

30 0,414 1,056 0,120

60 0,580 1,279 0,251

90 0,665 1,378 0,380

120 0,707 1,425 0,508

150 0,734 1,454 0,618

180 0,755 1,475 0,717

210 0,772 1,493 0,800

240 0,785 1,506 0,874

270 0,794 1,518 0,936

300 0,800 1,529 0,994

330 0,808 1,538 1,042

360 0,812 1,549 1,087

390 0,817 1,557 1,124

420 0,821 1,565 1,158

450 0,823 1,569 1,188

480 0,826 1,576 1,214

510 0,829 1,580 1,238

540 0,831 1,584 1,261

570 0,833 1,588 1,284

600 0,834 1,593 1,302

0

t in s

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0600

m(Kohlenstoffdioxid) in g

100 200 400300 500

granulierter Marmorw(HCl) ≈ 10 %


0

t in s

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0600

m(Kohlenstoffdioxid) in g

100 200 400300 500


Marmorstückw(HCl) ≈ 10 %

a) b)




Interpretation der Diagramme: Calciumcarbonat (Marmor) liegt hier in deutlichem Überschuss vor. Die Oberfläche des Marmors bleibt daher ungefähr konstant, sodass (bei derselben Marmorprobe) die Reaktions geschwindig-keit hauptsächlich von der Konzentration der Salzsäure abhängt. Die Reaktions geschwindig keit nimmt im Verlauf der Reaktion ab, da die Salzsäure allmählich verbraucht wird.Zu a): Bei höherer Salzsäure konzentration ist auch die Reaktions geschwindig keit höher. Die in

den ersten 30 Sekunden gebildete Masse von Kohlenstoffdioxid ist ungefähr proportional zur Anfangsgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit bei t = 0). Vergleicht man die beiden Werte, so stellt man fest, dass bei der doppelten Salzsäure konzentration auch die Anfangsgeschwindigkeit ungefähr doppelt so groß ist.

Zu b): Mit dem Marmorstück verläuft die Reaktion wegen der kleineren Oberfläche deutlich langsamer als mit granuliertem Marmor. In den ersten 2 Minuten ist die Masse des gebildeten Kohlenstoffdioxids nahezu proportional zur Reaktionszeit, d. h., die Reaktions-geschwindigkeit ist praktisch konstant. In diesem Fall wird die Reaktionsgeschwindigkeit also hauptsächlich von der (kleinen) Oberfläche bestimmt, an der nur eine begrenzte Anzahl von H3O

+-Ionen gleichzeitig angreifen kann. Nach mehr als 2 Minuten macht sich aber die Abnahme der Salzsäure konzentration auch deutlich bemerkbar; die Reaktions-geschwindig keit nimmt ab.

V2 Zeitlicher Verlauf des pH-Werts während einer Messung, bei der die Anfangskonzentration etwas höher war als im Schülerbuch angegeben (0,0135 mol/l), aufgenommen mit einem Messwert erfassungs system für den Computer:

0

t in s

3,4

3,2

3,0

2,8

2,6

2,4

2,2

2,0

1,8

1,6250

pH

100 20050 150

Obwohl während der Reaktion gerührt wird, treten durch die Gasentwicklung schnelle, kleine Schwankungen des Messwerts auf. Indem man eine Ausgleichsgerade durch die Messkurve legt und dieser einige Wertepaare entnimmt, erhält man die folgende Wertetabelle und das entspre-chende Konzentrations-Zeit-Diagramm (hier etwas abweichend von der Aufgabenstellung im Schülerbuch in Abständen von 50 Sekunden und im pH-Bereich von 1,87 bis 3,20):

t in s 0 50 100 150 200 250

pH 1,87 2,14 2,40 2,67 2,93 3,20

c (H3O+) in mol/l 0,0135 0,0073 0,0040 0,0022 0,0012 0,00063




0

t in s

0,014

0,012

0,010

0,008

0,006

0,004

0,002

0,000500

c(H3O+) in mol/l

50 100 150 200 250 350 450300 400

4.5 Das Kollisionsmodell

Zur AufgabeA1 Der Tabelle lässt sich zunächst Folgendes entnehmen: Bei einer Verdoppelung von c (S2O8

2–) verdoppelt sich auch die Reaktions geschwindig keit. Bei einer Verdreifachung von c (I–) verdrei-facht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also – in diesem Konzentrationsbereich – sowohl proportional zu c (S2O8

2–) als auch proportional zu c (I–).

Das Geschwindigkeitsgesetz lautet folglich:

v = k ·c (S2O82–) · c (I–)

Zur Berechnung der Geschwindigkeitskonstante k werden die Werte einer Messung eingesetzt, z. B.:

c (S2O82–) = 0,0002 mol/l c (I–) = 0,010 mol/l v = 1,30 · 10–6 mol/(l · min)

k = 1,30 · 10–6 mol/(l · min)

___________ 0,0002 mol/l · 0,010 mol/l = 0,65 l/(mol · min)

Entsprechende Rechnungen mit den anderen Messwerten haben dasselbe Ergebnis.Anmerkung: In der Praxis wäre zur Ermittlung des Geschwindigkeitsgesetzes einer Reaktion eine größere Anzahl von Messwerten erforderlich.

4.6 Reaktionsgeschwindigkeit und Zerteilungsgrad

Zu den Aufgaben A1 Beispiele für Prozesse, bei denen eine Vergrößerung der Phasengrenzfläche eine Geschwin-digkeitserhöhung bewirkt:1. Während grobe Stücke aus brennbaren Materialien oft schwer zu entzünden sind, reicht eine

lokale Erwärmung durch elektrostatische Entladung aus, um Stäube dieser Stoffe zu einer explosionsartigen Verbrennung zu bringen. So ereignen sich Staubexplosionen oft beim Zerkleinern, vor allem in Mühlen, bei der Herstellung von Pulvern, Pudern und Granulaten sowie beim Trocknen und beim Fördern. Besonders anfällig für explosionsartige Verbrennungen sind Stäube aus Holz, Mehl, Zucker, Getreide, Kunststoffen, Kohle, Leichtmetallen und Papier.




2. Die Adsorption unerwünschter Gase oder Flüssigkeiten an Aktivkohle gelingt umso besser, je größer die Oberfläche der Kohle bzw. ihr Zerteilungsgrad ist.

3. Zigarettenfilter bestehen meist aus fein verteilter Cellulose, die die Aufgabe hat, einen Teil der schädlichen Stoffe (z. B. Nicotin, Teer, Phenole) zu adsorbieren.

4. Bei der Einspritzung des Benzins in den Verbrennungsraum eines Ottomotors wird dieses „versprüht“, damit es schneller verdampft und so nach der Zündung rascher verbrennt.

5. Alle Katalysatoren, an deren Oberfläche eine Reaktion beschleunigt wird, gelangen in mög-lichst hohem Zerteilungsgrad zur Anwendung. Beispiel: Abgaskatalysator beim Auto.

A2 Wegen der starken Oberflächenvergrößerung durch die Zerteilung in feinste Tröpfchen entsteht sehr schnell eine große Menge Wasserdampf. Das schnelle Verdampfen des Wassers entzieht dem Brand in kurzer Zeit viel Energie (Verdampfungswärme), dadurch sinkt die Tempera-tur stärker ab als beim Löschen mit einem Wasserstrahl. Gleichzeitig wird die Konzentration des Sauerstoffs durch Verdünnung mit Wasserdampf so stark verringert, dass die Flammen erlöschen.

Zum VersuchV1 Messwerte eines Experiments mit 0,05 g Magnesium und 50 ml Salzsäure (c(HCl) = 0,5 mol/l):

Magnesium- pulver

Magnesium- späne

Magnesium- band

t in s V (H2) in ml V (H2) in ml V (H2) in ml

0 0 0 0

10 22 10 3

20 34 16 6

30 42 21 8

40 48 25 10

50 50 29 12

60 33 14

120 45 26

180 50 36

240 44

300 50

0

t in s

50

40

30

20

10

0300

V(H2) in ml

50 150 250100 200

Magnesiumpulver Magnesiumspäne Magnesiumband

Je größer der Zerteilungsgrad des Magnesiums ist, desto größer ist die Steigung der Kurve. Erklärung: Die Reaktion kann nur an der Magnesiumoberfläche ablaufen. Diese wächst mit dem Zerteilungsgrad.Hinweis: In einem Teil der Auflage des Schülerbuchs ist die Massenangabe zum Magnesium fehlerhaft. Richtig ist jeweils 0,05 g Magnesiumpulver, Magnesiumspäne und Magnesiumband.

4.8 Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur

Zur AufgabeA1 Nach der RGT-Regel ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei 20 °C (v20) doppelt so groß wie die Reaktionsgeschwindigkeit bei 10 °C (v10): v20 = 2 · v10

Eine Temperaturerhöhung auf 30 °C ergibt wieder eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindig-keit: v30 = 2 · v20 = 2 · 2 · v10= 22 · v10 Entsprechend gilt für eine Temperaturerhöhung von 10 °C auf 100 °C: v100 = 29 · v10 = 512 · v10

Hinweis: Solche Rechnungen dürfen nur als überschlagsmäßige Näherungen (Abschätzungen) angesehen werden, da die RGT-Regel keineswegs exakt gilt.




4.9 Praktikum Temperatur und Katalysator

Zu den VersuchenV1 Messungen mit einer verdünnten Salzsäure, die aus 10 ml konz. Salzsäure (w(HCl) = 36 %) und 50 ml dest. Wasser hergestellt wurde:

Temperatur h 2 °C 4 °C 19,5 °C 30 °C 39 °C

Zeit bis zur Trübung 100 s 85 s 40 s 20 s 12 s

Die Zeit bis zum Auftreten einer erkennbaren Trübung nimmt mit steigender Temperatur ab.

V2a) Sobald die Katalysatorperlen in die Wasserstoffperoxidlösung gefallen sind, beginnt eine lebhafte Gasentwicklung. Der glimmende Holzspan flammt hell auf.b) Nach Zugabe der zerriebenen rohen Kartoffel setzt nach kurzer Zeit eine lebhafte Gasentwick-lung ein, auch die Glimmspanprobe verläuft positiv. Erklärung: Kartoffeln enthalten das Enzym Katalase, das den Zerfall von Wasserstoffperoxid katalysiert.

V3 Die Gelatine löst sich im warmen Wasser und bildet beim Abkühlen ein zusammenhängendes, festes, stabiles Gel. Ohne Zusatz von Waschmittel bleibt die Gelatine unverändert fest. Beim Zusatz enzymhaltiger Waschmittel bleibt die Gelatine dünnflüssig oder wird höchstens halbfest. Erklärung: Unter dem Einfluss der Enzyme (Proteasen) werden die Eiweißketten der Gelatine gespalten; die Gelstruktur kann sich nicht ausbilden.Hinweise: Wollwaschmittel enthalten keine Proteasen. Weitere Informationen zu Enzymen in Waschmitteln finden Sie im Schülerbuch, Kap. 11.6.

4.10 Katalyse

Zum VersuchV1 Ergebnisse eines Experiments (unter ständigem Rühren durchgeführt; h = 22 °C; w(Oxalsäure-Dihydrat) = 6,66 %; w(Kaliumpermanganat) = 0,60 %):

Erster Versuchsansatz ohne Zugabe von Mangan(II)-sulfat:

Zugabe Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Zeit bis zur Entfärbung in s

75 50 35 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 keine Entfärbung

Zweiter Versuchsansatz mit vorheriger Zugabe von 120 mg (1 Spatelspitze) Mangan(II)-sulfat:

Zugabe Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Zeit bis zur Entfärbung in s

40 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 keine Entfärbung

Beim ersten Versuchsansatz kommt die Entfärbung des Permanganats zunächst erst nach einer Anlaufphase in Gang. Bei der 2. Zugabe von Permanganat erfolgt sie schneller, ab der 4. Zugabe ist die Zeit bis zur Entfärbung konstant, bis alle Oxalsäure verbraucht ist. Beim zweiten Versuchs-ansatz, bei dem von vornherein Mn2+-Ionen vorhanden sind, läuft die Entfärbung sofort relativ schnell ab; bereits ab der 2. Zugabe ist die Zeit bis zur Entfärbung konstant.Die Deutung erfolgt dadurch, dass man den Mn2+-Ionen katalytische Wirkung zuschreibt. Beim ersten Versuchsansatz wird der Katalysator erst durch die (zunächst langsam anlaufende) Reaktion selbst erzeugt. Wenn dann schon etwas Katalysator gebildet ist, beschleunigt sich die




Reaktion deutlich. Ab der 4. Zugabe von Kaliumpermanganat ist ein so deutlicher Katalysator-überschuss vorhanden, dass die Zeit bis zur Entfärbung konstant bleibt.

4.12 Exkurs Biokatalysatoren

Zur AufgabeA1 Verlauf einer enzymatisch katalysierten Reaktion: In einem ersten Reaktionsschritt bildet ein Enzymmolekül mit einem Substratmolekül einen Enzym-Substrat-Komplex. Anschließend wird das Substrat molekül zu den Produkten umgesetzt, das Enzymmolekül wird wieder frei. Es kann erneut ein Substrat molekül aufnehmen. Im Vergleich zur Reaktion des Substrats ohne Enzym wird auf diesem Reaktionsweg die Aktivierungsenergie so weit herabgesetzt, dass z. B. die Körper-temperatur für eine schnelle Reaktion ausreicht.Schlüssel-Schloss-Prinzip: Die Bindungsstelle des Enzymmoleküls, das aktive Zentrum, ist eine Passform für das umzusetzende Substratmolekül. Andere Moleküle können i. d. R. nicht entspre-chend gebunden werden. Das Substratmolekül passt in das Enzymmolekül wie ein Schlüssel in das Schloss.

4.13 Chemische Reaktion und Gleichgewichtseinstellung

Zu den AufgabenA1 a) c (CH3COOH) =

n (CH3COOH) ______ V (Lösung) =

0,5 mol ____ 0,0572 l    ≈  8,7 mol/l

b) Reaktionsgleichung der Titration: CH3COOH (aq) + NaOH (aq) CH3COONa (aq) + H2O (l)

⇒ n(CH3COOH)

______ n(NaOH) = 1 _ 1 = c(CH3COOH) · V(Essigsäurelösung)

_______________ c(NaOH) · V(Natronlauge) ⇔ c(CH3COOH) = c(NaOH) · V(Natronlauge)

___________ V(Essigsäurelösung)

c (CH3COOH) = 1 mol/l · 18 ml

______ 5,0 ml = 3,6 mol/l

Stoffmenge der Essigsäure im gesamten Reaktionsansatz:

n (CH3COOH) = c (CH3COOH)· V (Essigsäurelösung) = 3,6 mol/l · 0,0572 l = 0,21 mol

Anmerkung (siehe Hinweis bei V1): Berücksichtigt man den Verbrauch von ca. 0,6 ml Natronlauge durch die Neutralisation der Schwefelsäure und rechnet mit V(Natronlauge) = 17,4 ml, so erhält man n (CH3COOH) = 0,20 mol.

Um zu beurteilen, ob das chemische Gleichgewicht erreicht ist, halbiert man die Stoffmengen in B1 im Schülerbuch. Im Gleichgewicht müsste also n (CH3COOH) ≈ 0,33 mol : 2 ≈ 0,17 mol  sein. Da sich im Reaktionsgemisch jedoch mehr Essigsäure befindet, ist das chemische Gleichgewicht noch nicht erreicht.

A2 a) Zu Beginn der Veresterung liegen im Reaktionsgefäß nur Carbonsäure- und Alkoholmoleküle vor. Wenn ein Carbonsäure- und ein Alkoholmolekül aufeinandertreffen, können sie zu einem Ester- und einem Wassermolekül reagieren. Diese verteilen sich aufgrund der Diffusion gleich-mäßig in der Lösung. Mit dem Fortschreiten der Veresterung wird also die Anzahl der Moleküle der Ausgangsstoffe abnehmen und die Anzahl der Moleküle des Esters und des Wassers zuneh-men. Die Konzentration der Ausgangsstoffe nimmt also ab und die Konzentration der Reaktions-produkte nimmt zu. Dies führt dazu, dass immer seltener ein Carbonsäuremolekül auf ein Alkoholmolekül trifft, die Veresterung verlangsamt sich. Gleichzeitig treffen immer häufiger Estermoleküle auf Wassermoleküle, sodass die Hydrolyse voranschreitet. Im Reaktionsverlauf




wird schließlich ein Zustand erreicht, ab dem in der gleichen Zeit genauso viele Estermoleküle gebildet wie gespalten werden: Der Gleichgewichtszustand ist erreicht.

b) Im Gleichgewichtszustand reagieren pro Zeiteinheit genauso viele Teilchen der links vom Gleichgewichtspfeil stehenden Reaktionsteilnehmer zu den rechts vom Gleichgewichtspfeil stehenden Reaktionsteilnehmern wie umgekehrt. Insgesamt erfolgt keine Änderung der Stoff-mengen bzw. Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer. Das chemische Gleichgewicht ist ein dynamisches Gleichgewicht: Die Hin- und die Rückreaktion laufen ständig ab, aber wegen der ent-gegengesetzten Gleichheit beider Geschwindigkeiten heben sich die Teilreaktionen in ihrer Wirkung auf die Konzentrationen auf.

Zum VersuchV1 Reaktionsgleichung der Titration: CH3COOH (aq) + NaOH (aq) CH3COONa (aq) + H2O (l)

⇒ n(CH3COOH)

______ n(NaOH) = 1 _ 1 = c(CH3COOH) · V(Essigsäurelösung)

_______________ c(NaOH) · V(Natronlauge) ⇔ c(CH3COOH) = c(NaOH) · V(Natronlauge)

___________ V(Essigsäurelösung)

Bei der Titration einer 5-ml-Probe werden i. d. R. 14 bis 16 ml Natronlauge der Konzentration c (NaOH) = 1 mol/l verbraucht; dies gilt für beide Versuchsansätze. Sowohl nach der Veresterung als auch nach bei der Esterhydrolyse liegt also gleich viel Essigsäure vor. Die Rechnung für 15 ml Natronlauge ergibt:

c (CH3COOH) = 1,0 mol/l · 15 ml

_______ 5,0 ml = 3,0 mol/l

n (CH3COOH) = c (CH3COOH) · V (Essigsäurelösung) = 3,0 mol/ l · 0,0575 l = 0,17 mol

Hinweis: Die Schwefelsäure wirkt katalytisch. Ohne Zugabe von Schwefelsäure befindet sich die Reaktion auch nach 10 Tagen noch nicht im Gleichgewicht. Die kleine Schwefelsäureportion beeinflusst die Gleichgewichtslage praktisch nicht, führt aber bei der Titration zu einem zusätz-lichen Verbrauch von Natronlauge. Fügt man dem Versuchsansatz von 57,5 ml eine Portion von ca. 0,2 ml konz. Schwefelsäure hinzu, so ergibt sich die folgende Stoffmenge in der 5-ml-Probe:

n(H2SO4)  ≈  0,2 ml · 1,8 g/ml

_______ 98 g/mol · 5 ml ___ 57,5 ml   ≈  0,000 3 mol

Da Schwefelsäure zweiprotonig ist, werden zur Neutralisation der Schwefelsäure in der 5-ml-Probe ca. 0,000 6 mol NaOH benötigt. Bei der Titration werden also ca. 0,6 ml Natronlauge (c (NaOH) = 1 mol/l) zusätzlich verbraucht. Subtrahiert man diese 0,6 ml vom bei der Titration gemessenen Volumen V(Natronlauge), so erhält man einen genaueren Wert für n (CH3COOH).

4.14 Praktikum Umkehrbarkeit und Gleichgewicht

Zu den VersuchenV1 Zur Neutralisation der Schwefelsäure in der 1-ml-Probe werden ca. 0,4 ml Natronlauge der Kon-zentration c (NaOH) = 1 mol/l benötigt (Versuchsteil e). Dieses Volumen muss von dem bei der Titration gemessenen Volumen jeweils subtrahiert werden: V(Natronlauge, korr) = V(Natronlauge) – 0,4 ml

Reaktionsgleichung der Titration: HCOOH (aq) + NaOH (aq) HCOONa (aq) + H2O (l)

⇒ n (HCOOH)

__ n (NaOH) = 1 _ 1 = c(HCOOH) · V(Methansäurelösung)

_______________ c(NaOH) · V(Natronlauge, korr)

⇔ c (HCOOH) = c(NaOH) · V(Natronlauge, korr)

______________ V(Methansäurelösung)




Beispiel: V(Natronlauge, korr) = 9,5 ml ⇒ c (HCOOH) = 1 mol/l · 9,5 ml

_______ 1 ml = 9,5 mol/l

Die Zahlenwerte von V(Natronlauge, korr) in ml und c(HCOOH) in mol/l sind also bei diesem Versuch gleich.

Die folgende Tabelle und das Diagramm zeigen die Auswertung je einer Messreihe:

Bildung von Methansäuremethylester Spaltung von Methansäuremethylestert in min

V (Natronlauge) in ml

V (Natronlauge, korr) in ml

c (HCOOH)in mol/l

V (Natronlauge) in ml

V (Natronlauge, korr) in ml

c (HCOOH)in mol/l

0 13,2 12,8 12,8 0,4 0,0 0,05 9,9 9,5 9,5 2,6 2,2 2,2

10 8,4 8,0 8,0 4,0 3,6 3,615 7,4 7,0 7,0 4,8 4,4 4,420 6,8 6,4 6,4 5,4 5,0 5,025 6,5 6,1 6,1 5,8 5,4 5,430 6,2 5,8 5,8 6,0 5,6 5,635 6,2 5,8 5,8 6,1 5,7 5,740 6,2 5,8 5,8 6,2 5,8 5,845 6,2 5,8 5,8 6,2 5,8 5,850 6,2 5,8 5,8 6,2 5,8 5,8

0

t in min

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

050

c(HCOOH) in mol/l

5 10 15 20 25 35 4530 40

Bildung von Methansäuremethylester

Spaltung von Methansäuremethylester

Bei der Bildung des Esters nimmt die Methansäurekonzentration zunächst stark ab. Im Verlauf der Reaktion wird die Änderung der Methansäurekonzentration immer kleiner. Nach etwa 30 Minuten ändert sie sich nicht mehr. Bei der Spaltung des Esters nimmt die Methansäure-konzentration zunächst stark zu. Auch hier wird im Verlauf der Reaktion die Änderung der Methansäurekonzentration immer kleiner. Nach etwa 40 Minuten ändert sie sich nicht mehr. Die Methansäurekonzentrationen, die sich schließlich einstellen, sind in beiden Versuchsansätzen gleich.

V2 a) Im Glasrohr bildet sich ein weißer Belag zwischen den Wattestäbchen (ein wenig näher am Wattestäbchen mit der konz. Salzsäure). Es handelt sich um Ammoniumchlorid.

Reaktions gleichung: NH3 + HCl NH4Cl




b) Das Indikatorpapier in der Nähe des Ammoniumchlorids wird zunächst ein wenig grün, bei kontinuierlichem Weitererhitzen verschwindet die Farbe wieder und nach kurzer Zeit wird das zweite Indikatorpapier grün. Kurz danach wird das Indikatorpapier in der Nähe des Ammonium-chlorids rot. Beim Erhitzen wird das Ammoniumchlorid in Ammoniak und Hydrogenchlorid zerlegt.

Reaktionsgleichung: NH4Cl NH3 + HCl

Die NH3-Moleküle wandern (wegen ihrer kleineren Teilchenmasse) schneller als die HCl-Moleküle. Beim Erreichen des Indikatorpapiers bildet Ammoniak mit Wasser eine alkalische Lösung, die die grüne Farbe des Papiers hervorruft. Hydrogenchlorid wandert hinterher und bildet nach Neutrali-sation der Lösung auf dem Indikatorpapier eine saure Lösung, die das Indikatorpapier bzw. dessen Rand rot färbt. Das Ammoniak bildet mit der Feuchtigkeit auf dem zweiten Indikator-papier eine alkalische Lösung.

4.15 Praktikum Gleichgewichtseinstellung im Modell

Zu den VersuchenV1 Ergebnisse von zwei Schülergruppen (die Tabellen wurden hier aus Platzgründen weggelas-sen):

0

Ziehung Nr.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

040

N

5 10 15 20 25 3530

N(blau) = N(gelb)

N(rot) = N(grün)

0

Ziehung Nr.

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

040

N

5 10 15 20 25 3530

N(blau) = N(gelb)

N(rot) = N(grün)

Die Anzahl der blauen und gelben Kugeln nimmt ab, die Anzahl der roten und grünen Kugeln nimmt zu. Nach ca. 30 bis 40 Ziehungen haben sich die Anzahlen ungefähr ausgeglichen und schwanken meistens zwischen 4 und 6, seltener auch zwischen 3 und 7.Übertragung auf die Gleichgewichtsreaktion A + B C + D:Die blauen und die gelben Kugeln repräsentieren die Teilchen der Ausgangsstoffe A und B, die roten und grünen Kugeln die Teilchen der Reaktionsprodukte C und D. Stoßen Teilchen der Ausgangsstoffe (mit genügender Geschwindigkeit) zusammen, so entstehen Teilchen der Reaktionsprodukte. Im Verlauf der Reaktion nimmt die Anzahl der Teilchen der Ausgangsstoffe ab, die Anzahl der Teilchen der Reaktionsprodukte nimmt zu. Sobald Teilchen der Reaktions produkte vorhanden sind, setzt die Rückreaktion ein. Im Gleichgewicht liegen – bei diesem Beispiel – gleich viele Teilchen der verschiedenen Stoffe vor. Die Anzahlen der Teilchen der einzelnen Stoffe schwanken nur noch geringfügig. (Bei einer sehr großen Anzahl von Teilchen ist keine Änderung mehr messbar, da dann wenige Teilchen nicht ins Gewicht fallen.)




V2 Die folgenden Messergebnisse wurden in Schülerversuchen mit Glasrohren erhalten, die einen Innendurchmesser von ca. 9 mm (Glasrohr A) bzw. ca. 6 mm (Glasrohr B) aufwiesen. Die Dezimalstellen wurden abgeschätzt.

Übertragungs-vorgang Nr.

V(Wasser) im Glasrohr A in ml

V(Wasser) im Glasrohr B in ml

V(Wasser) im Mess- zylinder A in ml

V(Wasser) im Mess- zylinder B in ml

0 – – 90,0 0,01 11,3 0,0 78,7 11,32 9,8 0,6 69,5 20,53 8,6 1,1 62,0 28,04 7,7 1,5 55,8 34,25 7,0 1,8 50,6 39,46 6,3 2,1 46,4 43,67 5,8 2,4 43,0 47,08 5,4 2,5 40,1 49,99 5,1 2,7 37,7 52,3

10 4,7 2,8 35,8 54,211 4,5 2,9 34,2 55,812 4,2 3,0 33,0 57,013 4,1 3,0 31,9 58,114 4,0 3,1 31,0 59,015 3,9 3,1 30,2 59,816 3,8 3,2 29,6 60,417 3,7 3,2 29,1 60,918 3,5 3,3 28,9 61,119 3,4 3,3 28,8 61,220 3,4 3,4 28,8 61,221 3,4 3,4 28,8 61,222 3,4 3,4 28,8 61,223 3,4 3,4 28,8 61,224 3,4 3,4 28,8 61,225 3,4 3,4 28,8 61,2

a) Auftragung der Wasservolumina in den Glasrohren (links) und Messzylindern (rechts) gegen die Nummer des Übertragungsvorgangs (Glasrohre mit unterschiedlichen Durchmessern, gleiche Messzylinder):

0

Übertragungsvorgang Nr.

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

025

V(Wasser)

5 10 15 20

Glasrohr A

Glasrohr B

0

Übertragungsvorgang Nr.

90

80

70

60

50

40

30

20

10

025

V(Wasser)

5 10 15 20

Messzylinder A

Messzylinder B




b) Das Volumen des mit dem Glasrohr A herausgehobenen Wassers nimmt zunächst ab, ebenso das Volumen des Wassers im Messzylinder A. Das Volumen des mit dem Glasrohr B herausgeho-benen Wassers nimmt zunächst zu, ebenso das Volumen in Messzylinder B. Die Abnahme bzw. Zunahme ist zu Beginn sehr viel größer als gegen Ende der Übertragungen. Die Volumina der Wasserportionen in den Glasrohren nähern sich einander an. Ab etwa dem 20. Übertragungs-vorgang sind die Volumina der Wasserportionen in den beiden Glasrohren gleich. Die Volumina der Wasserportionen in den Messzylindern ändern sich nicht mehr, sie sind aber unterschiedlich.

c) Die Auftragungen der Wasservolumina ergäben ungefähr symmetrische Kurven, die genau bei der Hälfte des Startvolumens zusammenlaufen. Dies gilt sowohl für die Auftragung der Wasser-volumina in den Glasrohren als auch in den Messzylindern.

4.16 Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts

Zu den AufgabenA1 Die Ausbeute an Essigsäureethylester kann folgendermaßen erhöht werden:– Man erhöht die Konzentration eines Ausgangsstoffes (Essigsäure oder Ethanol). Das Gleich-

gewicht wird in die Richtung verschoben, die einen Teil davon verbraucht; dadurch entsteht mehr Essigsäureethylester.

– Man entnimmt während der Reaktion ein Reaktionsprodukt (Essigsäureethylester oder Wasser) und verringert dadurch dessen Konzentration. Das Gleich gewicht wird in die Richtung verscho-ben, die einen Teil davon neu entstehen lässt; dadurch entsteht (auch wenn man Wasser entnimmt) mehr Essigsäureethylester.

A2 Zugabe von Säure erhöht die Konzentration der H3O+-Ionen. Dadurch wird das Gleichgewicht

zugunsten der Bildung von Dichromationen verschoben. (Die Farbe der Lösung wird tiefer orange.)Die OH–-Ionen der Natronlauge reagieren mit den H3O

+-Ionen zu Wassermolekülen. Die Weg-nahme der H3O+-Ionen verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung der Bildung der Chromat-ionen. Dadurch werden Dichromationen verbraucht. (Die Lösung ist im Alkalischen gelb.)

A3 Eine Temperaturerhöhung begünstigt die endotherme Rückreaktion. Die Ausbeute an Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff sinkt.

A4a) 2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g)Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach rechts. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase kleiner. Eine Druckerniedrigung verschiebt das Gleichgewicht nach links. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase größer.

b) C (s) + CO2 (g) 2 CO (g)Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach links. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase kleiner. (Der Kohlenstoff liegt fest vor.) Eine Druckerniedrigung ver-schiebt das Gleichgewicht nach rechts. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase größer.

c) CO (g) + NO2 (g) CO2 (g) + NO (g)Die Lage des Gleichgewichts dieser Reaktion wird weder durch Druckerhöhung noch durch Druckerniedrigung beeinflusst, da die Anzahl der Teilchen in der Gasphase auf der rechten und linken Seite des Gleichgewichtspfeils gleich ist.




d) CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach links. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase kleiner. (Calciumcarbonat und Calciumoxid liegen in fester Form vor.) Eine Druckerniedrigung verschiebt das Gleichgewicht nach rechts. Dadurch wird die Anzahl der Teilchen in der Gasphase größer.

Zu den VersuchenV1 Am festen Kaliumthiocyanat bzw. Eisen(III)-chlorid bilden sich rote Schlieren. Durch Schütteln lösen sich die Festkörper auf; die resultierende Lösung hat eine dunklere Farbe als vorher. Durch Zugabe eines Natriumhydroxid-Plätzchens wird die Lösung heller (hellgelb) und trübt sich leicht. Die Farbänderung bei der Zugabe von Eisen(III)-chlorid und Kaliumthiocyanat fällt ja nach Konzentration der Lösung und zugegebener Menge unterschiedlich aus.

V2 Das Ergebnis dieses Versuches kann aus B3 im Schülerbuch abgelesen werden. Stickstoff-dioxid ist braun, Distickstofftetraoxid ist farblos. Temperatur erhöhung führt zu Farbvertiefung, also zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung der endothermen Reaktion.

V3 Beim Ansaugen des Wassers mit Indikatorlösung löst sich sofort etwas Kohlenstoffdioxid im Wasser, sodass man den Kolben ein wenig über die 100-ml-Marke hinausziehen muss, um 20 ml Wasser in den Kolbenprober einzusaugen. a) Nach dem Schütteln verringert sich das Volumen von Gas und Flüssigkeit um ca. 20 ml. Es tritt ein Farbwechsel von Grün (Gelbgrün bis Blaugrün) nach Orangegelb ein. b) Presst man den Stempel in den Zylinder und hält ihn fest, wird die Farbe der Lösung noch etwas dunkler, mehr orange. c) Der Stempel bewegt sich wieder ein Stück heraus, allerdings i. d. R. nicht so weit wie vor Versuch (b), da beim Hineinpressen und Festhalten des Stempels meist ein wenig Kohlen stoff-dioxid entwichen ist. d) Zieht man den Stempel heraus, perlen kleine Gasbläschen aus der Flüssigkeit.

V4 Reaktionsgleichung: 2 NO2 N2O4

braun farblos

Versuchsdurchführung Beobachtung Deutung

Volumenverringerung V1 < V0

zunächst Farbvertiefung, anschließend Aufhellung

zunächst Erhöhung der NO2-Konzentration (gleiche Teilchenanzahl in kleinerem Raum), anschließend Bildung von mehr farblosem N2O4 (Gleichgewichtsverschiebung nach rechts)

VolumenvergrößerungV2 > V0

zunächst Aufhellung,anschließend Farbvertie-fung

zunächst Erniedrigung der NO2-Konzentration (gleiche Teilchenanzahl in größerem Raum), anschließend Bildung von mehr braunem NO2 (Gleichgewichtsverschiebung nach rechts)

4.18 Die Ammoniaksynthese

Zu den AufgabenA1 Ermittlung aus B1:a) bei 400 °C und 20 MPa: v (NH3) ≈ 40 % b) bei 400 °C und 60 MPa: v (NH3) ≈ 67 % c) bei 300 °C und 30 MPa: v (NH3) ≈ 72 % d) bei 500 °C und 30 MPa: v (NH3) ≈ 29 %




A2 Die nicht umgesetzten Gase gehen nicht verloren, sondern werden in den Kreislauf zurück-geführt. Der Nachteil der unvollständigen Umsetzung besteht also nur darin, dass die Gase abgekühlt und wieder aufgeheizt werden müssen. Es ist wirtschaftlicher, die Gase rasch über den Katalysator strömen zu lassen, da der hierdurch bedingte Verzicht auf den maximalen Ammoniak-anteil durch die viel größeren Gasmengen überkompensiert wird.

4.20 Herstellung von Salpetersäure

Zu den AufgabenA1 Das entstehende Stickstoffmonooxid ist instabil und zerfällt in einer exothermen Reaktion zu Stickstoff und Sauerstoff:

2 NO N2 + O2 | exotherm

Die Aktivierungsenergie dieser Gleichgewichtsreaktion ist aber hoch, sodass sie nur bei hohen Temperaturen abläuft. Daher muss das bei der Ammoniakverbrennung entstehende Stickstoff-mono oxid rasch abgekühlt werden, um die Einstellung dieses (unerwünschten) Gleichgewichts zu verlangsamen.Hinweis: Die endotherme Rückreaktion dieser Gleichgewichtsreaktion wurde früher zur großtech-nischen Gewinnung von Stickstoffmonooxid verwendet. Bei der sogenannten „Luftverbrennung“ leitete man Luft durch einen (über 3000 °C heißen) elektrischen Lichtbogen. Der Luftstickstoff reagierte dabei mit dem Luftsauerstoff zu Stickstoffmonooxid; die Ausbeute betrug etwa 3 Prozent (bezogen auf das Gasvolumen).

A2 Die Abkühlung des im Ammoniak-Verbrennungsofen gebildeten Stickstoffmonooxids soll zum einen dessen Zerfall zu Stickstoff und Sauerstoff verhindern (s. A1). Außerdem wird durch die Kühlung die Weiterreaktion von Stickstoffmonooxid mit weiterem Luftsauerstoff zu Stickstoff-dioxid begünstigt, da diese Reaktion exotherm ist (Prinzip von Le Chatelier und Braun):

2 NO + O2 2 NO2 | exotherm

In den Rieseltürmen arbeitet man unter erhöhtem Druck (und kühlt auch nochmals durch das Wasser und die Frischluft). Die Druckerhöhung lässt sich mit dem Prinzip von Le Chatelier und Braun begründen. Bei der Reaktion von Stickstoffdioxid mit Sauerstoff und Wasser zu Salpeter-säure verringert sich dabei die Anzahl der Gasteilchen; dies wirkt dem erhöhten Druck entgegen:

4 NO2 + 2 H2O + O2 4 HNO3 | exotherm

Durch die (formale) Verringerung der Anzahl der Gasteilchen auf null ist dieses Gleichgewicht besonders stark druckabhängig. Auch die Kühlung begünstigt diese exotherme Reaktion.

A3 –III II IV V V

NH3 NO NO2 HNO3 NO3–

Nitrobenzol

NOIIIO

(TNT)Trinitrotoluol

CH3

N

O

OIII

O

NOIII

N

O

III

O

Nitroglycerin

NO

OH2CO

HC

H2C

V

NO

OO

V

NO

OO

V




Zu den VersuchenV1 Das Platinblech glüht auf; im Erlenmeyerkolben bildet sich ein braunes Gas. Erklärung: Ammoniak verbrennt an dem heißen Platinblech katalytisch zu (farblosem) Stickstoffmonooxid; dieses wird bei niedriger Temperatur weiter zu (braunem) Stickstoffdioxid oxidiert.Reaktionsgleichungen: siehe Schülerbuch.

V2 Das Platin-Drahtnetz glüht auf; im Rundkolben bildet sich ein braunes Gas. Erklärung: siehe V1. Die Bromthymolblaulösung färbt sich gelb. Erklärung: Stickstoffdioxid reagiert mit Wasser und Sauerstoff zu Salpetersäure. Reaktionsgleichung: siehe Schülerbuch.

4.21 Herstellung von Schwefelsäure

Zu den AufgabenA1 Die Oxidation von Schwefeldioxid ist eine exotherme Reaktion. Um eine hohe Ausbeute von Schwefeltrioxid zu erzielen, müsste man also niedrige Temperaturen einhalten. B4 im Schüler-buch zeigt, dass bei Temperaturen unter 300 °C die Ausbeute nahezu 100 % betragen müsste. Ohne Katalysator wäre aber die Reaktions geschwindigkeit viel zu niedrig. Mit dem in der Technik verwendeten Katalysator Vanadium(V)-oxid erreicht man bei etwa 450 °C eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit, aber dafür keinen vollständigen Umsatz. Das restliche Schwefeldioxid wird aber abgetrennt und in den Kontaktofen zurückgeführt, sodass Umsatz des Gesamtprozes-ses trotzdem fast vollständig ist.

A2 a) Die Erhöhung der Stoffmenge eines Reaktionspartners verschiebt ein Gleichgewicht in die Richtung, in der ein Teil dieser Komponente verbraucht wird. Die Erhöhung der Stoffmenge des Sauerstoffs bzw. der Luft, also des preisgünstigen Ausgangsstoffes, führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung des gewünschten Schwefeltrioxids.b) Auf der rechten Seite der Gleichgewichtsreaktion ist die Anzahl der Teilchen in der Gasphase geringer als auf der linken Seite. Eine Druckerhöhung führt also zur Verschiebung des Gleich-gewichts auf die Seite des gewünschten Schwefeltrioxids.

Zum VersuchV1 Beobachtungen: siehe auch B2 im Schülerbuch. Beim starken Erhitzen des Katalysators entsteht deutlich weniger SO3-Rauch. Dies lässt sich mithilfe von B4 im Schülerbuch oder mit dem Prinzip von Le Chatelier und Braun erklären: Eine Temperaturerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der Ausgangsstoffe.Durch Zugabe von Wasser zum zweiten Rundkolben erhält man eine saure Lösung, die auch beim Sieden sauer bleibt. Die erhaltene Schwefelsäure kann also nicht (wie Schweflige Säure) „aus-getrieben“ werden, da sie nicht durch Lösen eines gasförmigen Stoffs in Wasser entstanden ist.Zugabe von Bariumchloridlösung zur Lösung aus der Waschflasche ergibt einen Niederschlag von Bariumsulfat; dies ist ein Nachweis für Sulfationen. Die Lösung enthält also ebenfalls (protolysier-te) Schwefelsäure.

4.22 Exkurs Lösungsgleichgewichte von Salzen

Zur AufgabeA1 Beim Verdünnen einer gesättigten Lösung ändert sich zunächst nur die Konzentration. Ist allerdings genügend Bodenkörper vorhanden, so wird nach einiger Zeit wieder die Sättigungs-konzentration erreicht, weil ein Teil des Bodenkörpers in die Lösung übergeht. Hierbei kann sich auch die Temperatur ändern: Ist der Lösungsvorgang endotherm, fällt die Temperatur, ist der Lösungsvorgang exotherm, steigt die Temperatur.




Zu den VersuchenPraktikum – V1a) Beobachtung: Tropft man zu der gesättigten Kaliumnitratlösung Kaliumchloridlösung oder Natrium nitratlösung, erfolgt die Bildung eines Niederschlags, bei Zugabe einer Natriumchlorid-lösung bildet sich kein Niederschlag.Erklärung: Lösungsgleichgewicht einer gesättigten Kaliumnitratlösung: KNO3(s) K+(aq) + NO3

–(aq)Die Zufuhr von K+- oder NO3

–-Ionen verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, die einen Teil dieser Komponente verbraucht, d. h., das Salz fällt aus. (Mit der Zufuhr der K+- oder NO3

–-Ionen darf natürlich keine nennenswerte Verdünnung verbunden sein, sonst bildet sich kein Nieder-schlag.) Die Natriumchloridlösung hat keinen Einfluss auf das Lösungsgleichgewicht von Kalium-nitrat, da an diesem weder Natrium- noch Chloridionen beteiligt sind.

b) Beobachtung: Tropft man zu der türkisblauen Suspension Salzsäure, so verschwindet mit jeder Salzsäurezugabe ein Teil der Trübung, dabei ist eine deutliche Gasentwicklung zu beobachten. Am Ende liegt eine klare hellblaue Lösung vor.Erklärung: Kupfer(II)-hydroxidcarbonat löst sich nur sehr wenig in Wasser (0,8 mg/l bei 20 °C). Gibt man das Salz in Wasser, entsteht schon bei geringen Mengen eine Suspension mit folgendem Lösungsgleichgewicht:

CuCO3·Cu(OH)2(s) 2 Cu2+(aq) + CO32–(aq) + 2 OH–(aq)

Gibt man zu der Suspension eine Säure, so reagieren die H3O+-Ionen mit den OH–-Ionen zu

Wassermolekülen und mit den CO32–-Ionen zu Kohlensäuremolekülen (diese zersetzen sich zu

Kohlenstoffdioxid- und Wassermolekülen, daher die Gasentwicklung). Die Wegnahme der CO32–-

und OH–-Ionen verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, die diese Komponenten entstehen lässt. Der Feststoff löst sich auf. Die Lösung zeigt die blaue Farbe der hydratisierten Kupfer(II)-Ionen.

Praktikum – V2a) Bei den durchgeführten Versuchen betrug die Temperatur des destillierten Wassers 21 °C.

b) Beobachtung: Kaliumnitrat löst sich unter deutlicher Abkühlung. (Bei der ersten Zugabe fiel die Temperatur von 21 °C auf 12 °C, bei weiteren Zugaben stieg sie wieder auf 18 °C.) Durch Erwärmen löst sich der Bodenkörper. Beim Abkühlen kristallisiert Kaliumnitrat in schönen Kristallen aus.Erklärung: Aus der Abkühlung kann man schließen, dass der Lösungsvorgang endotherm ist:

KNO3(s) K+(aq) + NO3–(aq) u endotherm

(Die Erwärmung bei weiteren Zugaben lässt sich durch Temperaturausgleich mit der Umgebung erklären.)Ist der Lösungsvorgang endotherm, so steigt die Löslichkeit bei Temperaturerhöhung (Verschie-bung des Gleichgewichts nach rechts).

c) Beobachtung: Calciumacetat löst sich unter Erwärmung. (Bei Zugabe von Calciumacetat-Hydrat Ca(CH3COO)2·x H2O stieg die Temperatur von 21 °C auf 30 °C.) Wird die klare, gesättigte Calcium-acetatlösung erwärmt, trübt sich die Lösung (Bildung kleiner Flocken, die sich langsam absetzen). Wird die Lösung in Eiswasser gestellt, löst sich der Niederschlag wieder.Erklärung: Aus der Erwärmung kann man schließen, dass der Lösungsvorgang exotherm ist:

Ca(CH3COO)2(s) Ca2+(aq) + 2 CH3COO–(aq) u exotherm

Ist der Lösungsvorgang exotherm, so sinkt die Löslichkeit bei Temperaturerhöhung (Verschiebung des Gleichgewichts nach links).




4.23 Das Massenwirkungsgesetz

Zu den AufgabenA1 Im Gleichgewichtszustand ändern sich die Konzentrationen der Edukte und Produkte (der Stoffe der links und rechts vom Gleichgewichtspfeil stehenden Stoffe) nicht mehr, weil die Anzahlen der pro Zeiteinheit zerfallenden und sich bildenden Teilchen übereinstimmen.

A2 Vor der Reaktion: n(H2) = 8,300 mol; n(I2) = 2,940 molNach der Einstellung des Gleichgewichts: n(HI) = 5,596 molAus der Reaktionsgleichung H2 + I2 2 HI folgt: 5,596 mol Hydrogeniodid (Iodwasserstoff) werden aus 2,798 mol Wasserstoff und 2,798 mol Iod gebildet. Im Gleichgewicht gilt also:n (H2) = 8,300 mol – 2,798 mol = 5,502 moln (I2) = 2,940 mol – 2,798 mol = 0,142 mol

Konzentrationen im Gleichgewicht:

c (H2) = 5,502 mol

_____ 2,000 l = 2,751 mol/l

c (I2) = 0,142 mol

_____ 2,000 l = 0,071 mol/l

c (HI) = 5,596 mol

_____ 2,000 l = 2,798 mol/l

Kc = c2(HI) _____ c(H2) · c (I2)

= (2,798 mol/l)2

__________ 2,751 mol/l · 0,071 mol/l = 40

4.24 Impulse Das MWG im www

Zu den AufgabenA1 Einige Beispiele (Stand 11.07.2011):http://lpmfs.lpm.uni-sb.de/chemie/lplinks/das2.htmhttp://www.chm.davidson.edu/vce/Equilibria/EquilibriumConstant.htmlhttp://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/simDownload/index4.htmlhttp://www.physchem.co.za/OB12-che/equilibrium.htm

A2 Links zu den Abbildungen im Schülerbuch (Stand 11.07.2011):http://www.youtube.com/ (Effect of Temperature on an Equilibrium Reaction; von robertburkottawa)http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/lechv17.swfWeiteres Beispiel: http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-ii/chemical-equilibrium/

chemical-equilibrium-animation.php

A3 Auf das Gleichgewicht im rechten Kolben wurde durch Erniedrigung der Temperatur ein Zwang ausgeübt. Das System reagierte durch die exotherme Bildung von farblosem N2O4 aus braunem NO2 , dadurch wurde die Farbe des Gasgemisches heller. Die Reaktionswärme führte zu einer kleinen Erhöhung der Temperatur, d. h., die zunächst erfolgte Temperaturänderung wurde verringert.




4.25 Exkurs Aggregatzustände und Gleichgewichte

Zur AufgabeA1 Ablesen aus B4 im Schülerbuch ergibt:

Flüssigkeit Dampf

hsd bzw. hkond x (Ethanol) x (Wasser) x (Ethanol) x (Wasser)

82 °C 30 % 70 % 58 % 42 %

Zum VersuchV1 Der Versuch wurde mit 500 ml eines sehr preiswerten Weißweins durchgeführt (Verschnitt aus verschiedenen Ländern der EU, Volumenkonzentration s (Ethanol) = 10 %). Zusätzlich zur Versuchs-vorschrift wurde das 4. Destillat noch einmal destilliert. Die Volumenkonzentration und der Massenanteil wurden anhand einer Tabelle aus der Dichte bestimmt. Das 1. Destillat war nicht entflammbar. Das 2. Destillat entzündete sich, nachdem ein brennender Holzspan einen kurzen Moment über die Flüssigkeit gehalten wurde. Das 3. und 4. Destillat entzündete sich jeweils sofort.

Destillat Nr.

Volumen V (Destillat)

Dichte bei ca. 20 °C r (Destillat)

Volumenkonzentration s (Ethanol)

1 ca. 250 ml 0,97 g/ml ca. 20 %

2 ca. 125 ml 0,94 g/ml ca. 40 %

3 ca. 60 ml 0,88 g/ml ca. 65 %

4 ca. 30 ml 0,83 g/ml ca. 90 %

Der gleiche Wein wurde auch mit einer Glockenbodenkolonne mit fünf Böden und aufgesetztem Rückflusskühler destilliert. Nach ca. 40 Minuten waren alle Böden mit Flüssigkeiten bedeckt. Die zurückfließende Flüssigkeit am Kopf der Kolonne hatte eine Temperatur von 79 °C, die Temperatur der Flüssigkeit im Destillationskolben betrug 100 °C.

Glockenboden Nr.

Dichte bei ca. 20 °C r (Destillat)

Volumenkonzentration s (Ethanol)

1 (unten) 0,96 g/ml ca. 30 %

2 0,95 g/ml ca. 40 %

3 0,92 g/ml ca. 55 %

4 0,89 g/ml ca. 70 %

5 (oben) 0,83 g/ml ca. 90 %

4.26 Durchblick Zusammenfassung und Übung

Zu den AufgabenA1 a) Durch die Zerkleinerung des Zinkstücks wird die Oberfläche vergrößert, die Reaktion mit Salzsäure läuft schneller ab.

b) Bei einer höheren Temperatur läuft die Reaktion schneller ab, da mehr Teilchen über die notwendige Aktivierungsenergie verfügen.

c) Wird das Volumen der Salzsäure durch Zugabe von Salzsäure gleicher Konzentration vergrö-ßert, so hat dies zu Beginn keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Da nun jedoch insgesamt mehr Salzsäure vorhanden ist, nimmt ihre Konzentration mit fortschreitender Reaktion langsamer ab, d. h., auch die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt langsamer ab als ohne Zugabe von




Salzsäure. (Nimmt man an, dass das Volumen der Salzsäure durch Zugabe von dest. Wasser vergrößert wird, führt dies zu einer Konzentrationsverringerung der Salzsäure und damit zu einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit.)

d) Durch das Schütteln werden die Wasserstoffblasen schneller von der Oberfläche des Zink-stücks entfernt, sodass dort wieder die Salzsäure angreifen kann. Außerdem bewirkt das Schütteln eine Erhöhung der Salzsäurekonzentration an der Oberfläche des Zinkstücks, da die „verbrauchte“ Salzsäure durch „frische“ Salzsäure ersetzt wird. Beide Effekte führen zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit.

A2 Die Zeit vom Zusammengeben der Natrium thiosulfat lösung und der Salzsäure bis zum Auftreten der Trübung durch fein verteilten Schwefel wird durch eine Temperaturerhöhung um 10 °C jeweils ungefähr halbiert. Eine Halbierung der Zeit entspricht einer Verdopplung der Reaktions geschwindigkeit. Dies entspricht der RGT-Regel.

A3 a)

0

t in s

80

70

60

50

40

30

20

10

0100

V(Wasserstoff) in ml

10 20 30 40 50 70 9060 80

b) Während in den ersten 10 Sekunden 20 ml Wasserstoff gebildet werden, nimmt in gleichen Zeitintervallen das Volumen des gebildeten Wasserstoffs immer mehr ab. Von der 90. bis zur 100. Sekunde werden nur noch 3 ml Wasserstoff gebildet. Am Anfang ist die Reaktionsgeschwindigkeit am größten; im Verlauf der Reaktion nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab.

c) _ v (10 s, 20 s) = 35 ml – 20 ml ______ 20 s – 10 s = 1,5 ml/s

_ v (35 s, 45 s) = 57 ml – 49 ml ______ 45 s – 35 s = 0,8 ml/s

_ v (50 s, 60 s) = 65 ml – 60 ml ______ 60 s – 50 s = 0,5 ml/s

A4 a) Eine Temperaturerhöhung begünstigt die endotherme Rückreaktion, dadurch sinkt die Aus beute an Wasserstoff.b) Die Entfernung von Kohlenstoffdioxid führt dazu, dass das Gleichgewicht zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff verschoben wird.c) Eine Druckerniedrigung wirkt sich nicht auf die Gleichgewichtslage aus, da die Teilchen-anzahlen der gasförmigen Stoffe links und rechts vom Gleichgewichtspfeil gleich sind.




A5 a) Bei Temperaturen bis 500 °C liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Schwefeltrioxids. Bei Temperaturen über 500 °C verschiebt sich das Gleichgewicht sehr stark auf die Seite des Schwe-feldioxids. Bei über 900 °C liegt es fast vollständig auf der Seite des Schwefeldioxids.

b) Eine Temperaturerniedrigung begünstigt die exotherme Reaktion, eine Temperaturerhöhung die endotherme Reaktion. Da bei niedriger Temperatur das Gleichgewicht auf der Seite des Schwefeltrioxids liegt und mit steigender Temperatur das Gleichgewicht sich auf die Seite des Schwefel dioxids verschiebt, muss die Bildung des Schwefeltrioxids eine exotherme Reaktion sein:

2 SO2 + O2 2 SO3 u exotherm

c) Folgende Maßnahmen erhöhen die Ausbeute an Schwefeltrioxid:– Verringerung der Temperatur (Begünstigung der exothermen Reaktion)– Erhöhung des Drucks: (Gleichgewichtsverschiebung zur Seite mit der kleineren Anzahl von

Teilchen gasförmiger Stoffe)– Entfernen des Schwefeltrioxids aus dem Gemisch (Gleichgewichtsverschiebung durch

Erniedrigung der Konzentration des Produkts)– Einsatz eines der Ausgangsstoffe (Schwefeldioxid oder Sauerstoff) in großem Überschuss

(Gleichgewichtsverschiebung durch Erhöhung der Konzentration eines Edukts)

A6 Ethanol + Ethansäure Ethansäureethylester + Wasser C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O

Kc = c (CH3COOC2H5) · c (H2O)

___________ c (C2H5OH) · c (CH3COOH) = 0,5 mol/l · 0,5 mol/l

_________ 1 mol/l · 0,0625 mol/l = 4


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