die natur - ein system der gleichgewichte experimentalvortrag (oc) tobias rocksloh sose 2011 1
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Die Natur -
Ein System der Gleichgewichte
Experimentalvortrag (OC)Tobias RockslohSoSe 2011
1
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„Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung.
Sie ist Gleichgewicht der Bewegung.“
Ernst Freiherr von Feuchtersleben, 1840
2
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Vortragsziele
Das Aufzeigen von Gleichgewichten als eine zentrale Eigenschaft der belebten und unbelebten Natur
Darstellung der Schul- und Lehrplanrelevanz des Themas
3
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Ablauf
1. Einführung
4
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
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5
1. Einführung
Statisches Gleichgewicht:
Ein System im Ruhezustand
Dynamisches Gleichgewicht:
Zwei gegenläufige Prozesse gleichen sich aus
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Ablauf
1. Einführung
6
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
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2. Phasengleichgewichte
Der Aggregatzustand
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8
2. Phasengleichgewichte
Der Phasenbegriff
Phase: Räumlicher Bereich, den eine Substanz ohne erkennbare Grenzflächen
in seinem Inneren einnimmt.
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9
2. Phasengleichgewichte
Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf
Beobachtung: Der freie Raum über der Flüssigkeit reichert sich bis zu einer
bestimmten Konzentration mit dem Dampf der Flüssigkeit an.
20° C
0.023 bar
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2. Phasengleichgewichte
Maxwell-Boltzmann-Verteilung
Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die
Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.
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2. Phasengleichgewichte
Maxwell-Boltzmann-Verteilung
Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die
Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.
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2. Phasengleichgewichte
Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf
Dynamisches Gleichgewicht: Anzahl der Teilchen, die in Gasphase
übergehen Anzahl der Teilchen, die flüssige Phase verlassen.≙
20° C 100° C 300° C
0.023 bar 1.013 bar 85.88 bar
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2. Phasengleichgewichte
Dampfdruck
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2. Phasengleichgewichte
Zustandsdiagramm des Wassers
20°C
0.023 bar
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2. Phasengleichgewichte
Demonstration 1: Dampfdruck
Demonstration 1
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2. Phasengleichgewichte
Demonstration 1: Dampfdruck
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Ablauf
1. Einführung
17
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
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3. Lösungsgleichgewichte
Definition: Lösung
Lösung: Eine Mischung von Verbindungen, die eine einheitliche
Zusammensetzung (eine Phase) hat.
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3. Lösungsgleichgewichte
Der Lösungsprozess
Solvatation: Umhüllung von gelösten Teilchen durch Lösungsmittelmoleküle
aufgrund von anziehenden Kräften (Hydratation: Solvatation in Wasser).
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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.
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3. Lösungsgleichgewichte
Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit
Polarität: Getrennte Ladungsschwerpunkte aufgrund einer ungleichen
Verteilung der Elektronendichte im Molekül.
Polar Unpolar
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3. Lösungsgleichgewichte
Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit
Prinzip: Similia similibus solvuntur
(Lat.: Ähnliches wird von Ähnlichem gelöst.).
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23
3. Lösungsgleichgewichte
Definition: Lösungsgleichgewicht
Phase β
Phase α
Lösungsgleichgewicht: Gleichgewicht, das sich bei der Verteilung eines
Stoffes zwischen zwei Phasen einstellt.
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3. Lösungsgleichgewichte
Kombinationen von Lösungsgleichgewichten
Kombinationen:
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
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Versuch 1
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 0 h
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 24 h
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 48 h
29
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 96 h
30
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3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
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Verteilungskoeffizient
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]
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Prozess: Kronzentrationsgradient vs. Löslichkeitsgradient
3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
Rhodamin b in Butanol Rhodamin b in Wasser Rhodamin b in Butanol
Konzentrationsgradient
Löslichkeitsgradient
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Zugabe Farbstoff
3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
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Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.
3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
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![Page 36: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/36.jpg)
3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
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Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.
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Im Gleichgewicht: Löslichkeitsgradient überwiegt Konzentrationsgradient.
3. Verteilungsgleichgewichte
Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz
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![Page 38: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/38.jpg)
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3. Lösungsgleichgewichte
Kombinationen von Lösungsgleichgewichten
Kombinationen:
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
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39
3. Lösungsgleichgewichte
Henry-Dalton-Gesetz
Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem
Dampfdruck des Gases über der Lösung.
Gas A in Lösung Gas A im Gasgemisch über der Lösung
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40
3. Lösungsgleichgewichte
Kombinationen von Lösungsgleichgewichten
Kombinationen:
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
![Page 41: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/41.jpg)
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3. Verteilungsgleichgewichte
Demonstration 2: Chromatographie
Demonstration 2
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42
3. Verteilungsgleichgewichte
Demonstration 2: Chromatographie
Prinzip: Freisetzung der Blattfarbstoff durch mechanische Zerstörung
der Zellwand und Zellmembranen.
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CH3
CH3
N
N
N
N
Mg2+
CH3
CH3
CH3
CH2
OO
CH3CH3
CO2
CH3
CH3
43
3. Verteilungsgleichgewichte
Demonstration 2: Chromatographie
CH3CH3
HCH3CH3
CH3 CH3
CH3
CH3CH3 CH3
CH3
CH3
N
N
N
N
Mg2+
HOC
CH3
CH3
CH2
OO
CH3CH3
CO2
CH3
CH3
→ α-Carotin
Carotin
Chlorophyll a
Chlorophyll b
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44
3. Verteilungsgleichgewichte
Demonstration 2: Chromatographie
Schwach polar
Polar
Unpolar
Polare, stationäre Phase
Unpolares Lösungsmittel
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45
3. Verteilungsgleichgewichte
Demonstration 2: Chromatographie
Chlorophyll a/b
an stationärer Phase (Kreide)
Chlorophyll a/b
an mobiler Phase (Ethanol)
Carotin
an stationärer Phase (Kreide)
Carotin
an mobiler Phase (Ethanol)
Prinzip: Trennung der Stoffe aufgrund unterschiedlicher Lösungsgleichgewichte
zwischen stationärer Phase und mobiler Phase.
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Ablauf
1. Einführung
46
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
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47
4. Das chemische Gleichgewicht
Chemische Reaktionen
Chemische Reaktion: Vorgang, bei dem eine oder mehrere Verbindungen
in andere umgewandelt werden.
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48
4. Das chemische Gleichgewicht
Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion
Versuch 2
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49
4. Das chemische Gleichgewicht
Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion
Prinzip: Umkehrbare Einlagerung der Polyiodidketten
in das Stärkepolymer.
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50
4. Das chemische Gleichgewicht
Reversible Reaktionen
Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen (Hin- bzw.
Rückreaktion) laufen gleichschnell ab.
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51
4. Das chemische Gleichgewicht
Reversible Reaktionen
Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen
gleichschnell ab.
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52
4. Das chemische Gleichgewicht
Reversible Reaktionen
Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen
gleichschnell ab.
![Page 53: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/53.jpg)
53
4. Das chemische Gleichgewicht
Das Massenwirkungsgesetz
Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen
gleichschnell ab.
αA + εE xX + zZ
![Page 54: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/54.jpg)
Ablauf
1. Einführung
54
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
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55
5. Steuerung der Gleichgewichte
Das Prinzip von Le Chatelier
Henry Louis Le Chatelier
(1850 – 1936)
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“
![Page 56: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/56.jpg)
56
5. Steuerung der Gleichgewichte
Parameter zur Steuerung des Gleichgewichts
Gleichgewicht Paramter Beispiel
Phasengleichgewicht Druck, Temperatur
Lösungsgleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration
Chemisches Gleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration
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57
5. Steuerung der Gleichgewichte
Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten
Versuch 3
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58
5. Steuerung der Gleichgewichte
Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten
Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem
Dampfdruck des Gases über der Lösung.
CO 2 (g) CO2 (aq)
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5. Steuerung der Gleichgewichte
Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts
Versuch 4
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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.
OH
O2N NO2
NO2
+
OH
O2N NO2
NO2
Anthracen Pikrinsäure Anthracenpikrat
e-Donore-Akzeptor
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61
5. Steuerung der Gleichgewichte
Versuch 5: Katalyse
Versuch 5
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62
5. Steuerung der Gleichgewichte
Versuch 5: Katalyse
NH2
O
NH2OH
O
NH2
HH
O+
NH2
O-
NH2
HHO
NH3+
spontan
CO2 + NH3
alkalisch
Mechanismus: Nucleophiler Angriff des Wassers am elektrophilen
Carbonylkohlenstoff und anschließender Zerfall der tetraedrischen Zwischenstufe.
NH3(aq) + OH2 NH4+
(aq) + OH-(aq)
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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.
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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.
NH2
O
NH2
HHO
OH
O
NH2NH3+
Urease
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Ablauf
1. Einführung
65
2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte
4. Das chemische Gleichgewicht
6. Die Lehrplanrelevanz des Themas
5. Steuerung der Gleichgewichte
![Page 66: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/66.jpg)
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
Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht
Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen
Darstellung von Anthracenpikrat Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht
Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen
Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe
![Page 67: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/67.jpg)
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 Lehrplanrelevanz
Dampfmaschine 7 G1: Stoffe unterscheiden und isolieren: Der Aggregatzustand
Fächerübergreifender Unterricht mit der Physik
Säulenchromatographie:
Auftrennung der Blattfarbstoffe
Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe
Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie
![Page 68: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/68.jpg)
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !
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![Page 69: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/69.jpg)
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.
69
Literatur- und Quellenverzeichnis
![Page 70: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/70.jpg)
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)
70
Literatur- und Quellenverzeichnis
![Page 71: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/71.jpg)
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)
71
Literatur- und Quellenverzeichnis
![Page 72: Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062219/55204d8349795902118d77b8/html5/thumbnails/72.jpg)
72
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)