das chemische gleichgewicht von der unvollständigen reaktion bis zur gleichgewichtskonstante

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


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)


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


(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 -


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

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


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)


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



1) CO2(g) CO2(aq)

2) CO2(aq) + 2 H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+

(aq)

3) HCO3-(aq) + H2O(l) H3O+

(aq) + CO32-

(aq)


Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2


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)


Sodawasser

Joseph Priestley

(1733 – 1804)


Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO2


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)


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


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


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


Geschichte des Massenwirkungsgesetz

1860-1865: Saint-Gilles und Berthelot: Untersuchungen zum Gleichgewichtszustand (Estersynthese & -hydrolyse)

1864-1869: Guldberg und Waageentwickeln das Massenwirkungs-gesetz


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

das chemische gleichgewicht von der unvollständigen reaktion bis zur gleichgewichtskonstante

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