seminar 10

Chemische Gleichgewichte

Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetzt mit den Gleichgewichtskonstanten Kp und Kc welchen Zusammenhang gibt es zwischen beiden Konstanten? Was geschieht bei Druckerhöhung?

C(s) + CO2(g) 2 CO(g)

4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(g)

Ni(s) + 4 CO(g) Ni(CO)4(g)

)()()()(

25

34

264

OcNHcOHcNOcKc ⋅

⋅= )()()()(

25

34

264

OpNHpOHpNOpK p ⋅

⋅=

cRTRTVnp =⋅= 5464

25

34

264

)()()()()( −−+⋅

⋅⋅= RT

OcNHcOHcNOcK p

Kp = Kc·(RT)∆n

Chemische Gleichgewichte

Für die folgende Reaktion ist Kc = 4,08·10-4 bei 2000 K und 3,60·10-3 bei 2500 K. Ist die Reaktion von links nach rechts exotherm oder endotherm?

N2(g) + O2(g) 2 NO(g)

Die folgende Reaktion ist von links nach rechts exotherm. Wie verlagert sich das Gleichgewicht, wenn

• Die Temperatur erhöht wird?

• H2S(g) zugesetzt wird

• CS2(g) entfernt wird?

• Der Druck erhöht wird?

• Ein Katalysator verwendet wird?

CH4(g) + 2 H2S(g) CS2(g) + 4 H2(g)

Chemisches Gleichgewicht

Für das Gleichgewicht

4 HCl(g) + O2(g) 2 Cl2(g) + 2 H2O(g)

ist Kc = 889 L/mol bei 480 oC.

Wenn 0,030 mol HCl(g), 0,020 mol O2(g), 0,080 mol Cl2(g) und 0,070 mol H2O(g) in einem 1L-Gefäß vermischt werden, in welche Richtung wird die Reaktion verlaufen?

Wie groß ist Kp bei 480 oC?

02,000000081.00049,00064,0

)()()()(

24

22

22

⋅⋅=

⋅⋅=

OcHClcOHcClcQ

Q = 1935,8 L·mol-1

Q > Kc

Reaktion von rechts nach links

Kp = Kc·(RT)∆n

∆n = -1

RTKK c

p =

KmolKkPamolLK p 753/314,8

/889⋅

=

1142,0 −= kPaKp


0,074 mol PCl5(g) wurden in einen 1L-Kolben eingebracht. Nachdem sich bei einer bestimmten Temperatur das Gleichgewicht eingestellt hat, ist c(PCl3) = 0,050 mol/L.

PCl5 PCl3 + Cl2Welches sind die Gleichgewichtskonzentrationen von Cl2(g) und PCl5(g)?

Wie groß ist Kc?

c(Cl2) = c(PCl3) = 0,050 mol/L

c(PCl5) = 0,024 mol/L

LmolPClc

ClcPClcKc /104,0)(

)()(

5

23 =⋅

=


Für das folgende Gleichgewicht gilt bei 225 oC Kc = 10,2 L2/mol2.

CO(g) + 2 H2(g) CH3OH(g)

Wenn c(CO) = 0,075 mol/L und c(H2) = 0,060 mol/L sind, wie groß ist dann die Methanolkonzentration?

)()()(

22

3

COcHcOHCHcKc ⋅

=

c(CH3OH) = Kc·c2(H2)·c(CO)

c(CH3OH) = 10,2 L2/mol2·(0,060 mol/L)2·0,075 mol/L

c(CH3OH) = 0,0028 mol/L


Festes Ammoniumhydrogensulfid (NH4SH) wurde bei 24 oC in ein evakuiertes Gefäß gebracht. Nach Einstellung des Gleichgewichtes

NH4SH(s) NH3(g) + H2S(g)

ist der Gesamtdruck im Gefäß 62,2 kPa. Wie groß ist Kp bei 24 oC?

p = p(H2S) + p(NH3)

p = 2 p(NH3)

p(NH3) = 31,1 kPa

Kp = p(NH3)·p(H2S) = p(NH3)2

Kp = 967 kPa2

Löslichkeitsprodukt

1) Nennen Sie Faktoren, die die Löslichkeit einer Verbindung beeinflussen.

2) Leiten Sie für AgBr aus dem MWG das Löslichkeitsprodukt ab

3) Was verstehen Sie unter gleichionigen Zusätzen? Gravimetrie von BaSO4

4) Was verstehen Sie unter fremdionigen Zusätzen? AgNO3 + NO3-

5) Wie groß ist das Löslichkeitsprodukt, wenn sich bei 25 oC 1,7·10-5 mol/L Cd(OH)2 lösen?


1,96·10-14


Bei 25 oC lösen sich 0,00188 g AgCl in einem Liter Wasser. Wie groß ist das Löslichkeitsprodukt L?

AgCl Ag+ + Cl-

molmolg

gAgClMAgClmAgCln 51031,1

/14300188,0

)()()( −⋅===

c(Ag+) = c(Cl-) = 1,31·10-5 mol/L

L = c(Ag+)·c(Cl-) = (1,31·10-5 mol/L)2 = 1,7·10-10 mol2/L2


Kommt es zur Fällung, wenn 10 mL einer Silbernitratlösung, c(AgNO3) = 0,01 mol/L, mit 10 mL einer Kochsalzlösung c(NaCl) = 0,0001 mol/L, vermischt werden?

L(AgCl) = 1,7·10-10 mol2/L2

Nach dem Vermischen V(Lösung) = 20 mL,

Ionenkonzentrationen werden halbiert

c(Ag+)·c(Cl-) = (5·10-3 mol/L)·(5·10-5 mol/L) = 2,5·10-7 mol2/L2

2,5·10-7 mol2/L2 > L(AgCl)

Fällung von Sulfiden

H2S HS- + H+ S2- + 2 H+

Pb2+(aq) + 2 HS-(aq) Pb(SH)2(s) PbS(s) + H2S(aq)

Fe2+(aq) + 2 HS-(aq) FeS(s) + H2S(aq)

In eine Lösung mit pH = 0,5, c(Pb2+) = 0,050 mol/L und c(Fe2+) = 0,050 mol/L wird H2S-Gas bis zur Sättigung eingeleitet. Fallen PbS und FeS aus?

L(PbS) = 7 · 10-29 mol2L2 L(FeS) = 4 · 10-19 mol2/L2

)(101,1)( 2

222

+

−− ⋅=

HcSc

pH = 0,5 dann ist c(H+) = 0,3 mol/L

LmolSc /102,13,0101,1)( 21

2

222 −

−− ⋅=⋅=

c(M2+) · c(S2-) = 0,050 mol/L · 1,2·10-21 mol/L = 6,0·10-23 mol2/L2

Gegeben ist

Säuren und Basen

Arrhenius

Dissoziation, schwache und starke Säure/Basen, ein- und mehrprotonige Säuren, Amphoterie, saure und basische Oxide, Löslichkeit von Säuren und Basen, Salze, Nomenklatur.

Säure-Base-Titration

Brønstedt

Konjugierte S-B-Paare, Amphoterie H2O/NH3, nivellierender Effekt H2O/NH3, Säurestärke E-H, EOH, E(O)OH, Kationensäuren, Anionensäuren

Methanol, Trifluormethanol, Phenol, Pentalfluorphenol

Lewis-Säure

Cu2+, Ni, SiF4/CF4

Struktur von BF3, AlCl3

Säuren und Basen

Diskutieren Sie die Reaktion von Ammoniumchlorid mit Natriumamid in flüssigem Ammoniak

NH4Cl + NaNH2 NaCl + NH3

gemäß der S-B-Definition von Brønsted, von Lewis und der lösungsmittelbezogenen S-B-Theorie. Nennen Sie die beteiligten Säuren und Basen.

Brønsted

NH4+ + NH2

- NH3 + NH3

S1 B2 B1 S2

Lewis

H3N-H+ + NH2- NH3 + NH3

Konkurrenzreaktion

Lösungsmittelbezug

H3N·HCl + NaNH2 NaCl + 2 NH3

S B Salz Lösungsmittlel

Säuren und Basen

Charakterisieren Sie H2O nach den S-B-Konzepten von

• Arrhenius

• Brønsted

• Lewis

Benennen Sie die konjugierte Base:

H3PO4 HS-

H2PO4- H2SO4

NH3 HCO3-

Säuren und Basen

Benennen Sie die konjugierten Säuren

H2O H2AsO4-

HS- F-

NH3 NO2-

Identifizieren Sie alle Brønsted-Säuren und –Basen

NH3 + HCl NH4+ + Cl-

HSO4- + CN- HCN + SO4

2-

H3O+ + HS- H2S + H2O

N2H4 + HSO4- N2H5

+ + SO42-

H2O + NH2- NH3 + OH-

Säuren und Basen

Formulieren Sie Reaktionsgleichungen, um das Verhalten folgenderSubstanzen als Brønstedt-Säuren aufzuzeigen:

H2O NH4+

HF HOCl

HSO3- H2PO4

-

Formulieren Sie Reaktionsgleichungen, um das Verhalten folgenderSubstanzen als Brønstedt-Base aufzuzeigen:

OH- HCO3-

H2O N3-

O2- SO42-

Säuren und Basen

Folgende Gleichgewichte liegen auf der rechten Seite. Ordnen Sie alle vorkommenden Brønsted-Säuren (Basen) nach abnehmender Stärke.

H3O+ + H2PO4- H3PO4 + H2O

HCN + OH- H2O + CN-

H3PO4 + CN- HCN + H2PO4-

H2O + NH2- NH3 + OH-

Säure: H3O+ > H3PO4 > HCN > H2O > NH3

Base: NH2- > OH- > CN- > H2PO4

- > H2O

Säuren und Basen

Folgende Gleichgewichte liegen auf der rechten Seite. Ordnen Sie alle vorkommenden Brønsted-Säuren (Basen) nach abnehmender Stärke.

HCO3- + OH- H2O + CO3

2-

CH3COOH + HS- H2S + CH3COO-

H2S + CO32- HCO3

- + HS-

HSO4- + CH3COO- CH3COOH + SO4

2-

Base: OH- > > SO42-

Säure: HSO4- > H2S > H2O

Säure: HSO4- > CH3COOH > H2S > HCO3

- > H2O

Base: OH- > CO32- > HS- > CH3COO- > SO4

2-

Säuren und Basen

In welchen Fällen ist eine erhebliche Reaktion zu erwarten?

H3O+ + CN- HCN + H2O

NH3 + CN- HCN + NH2-

HCN + H2PO4- CN- + H3PO4

H3PO4 + NH2- H2PO4

- + NH3

In welchen Fällen ist eine erhebliche Reaktion zu erwarten?

HCO3- + CH3COO- CO3

2- + CH3COOH

HSO4- + HS- SO4

2- + H2S

CH3COOH + CO32- CH3COO- + HCO3

-

H2S + CH3COO- HS- + CH3COOH

+

--

--

+

--

+

+

--

Säuren und Basen

Stärke von E-H-Säuren

Periode – zunehmend mit zunehmender EN des Zentralatoms

Gruppe – von oben nach unten

Ordnen Sie nach abnehmender Säurestärke:

H2S H2Se H2Te AsH3 H2Se HBr

Stärke von Oxosäuren

Gruppe – homologe Säuren – zunehmend mit der EN des Elements

Element – E(O)nOH – zunehmend mit der Zahl der E=O-Doppelbindungen

Welches der folgenden Paare ist die stärkere Säure?

H3PO4 H3AsO4 H3BO3 H2CO3

H3AsO3 H3AsO4 H2SeO4 H2SO4

H2SO4 H2SO3 HClO3 HIO3

Säuren und Basen

Welche ist von den folgenden Paaren jeweils die stärkere Base?

P3- S2- NO2- NO3

-

PH3 NH3 Br- F-

SiO32- SO3

2- SO42- PO4

3-

Säuren und Basen

Zeichnen Sie die Valenzstrichformeln von

HNO3, Te(OH)6, H2SeO4

Interpretieren Sie die folgenden Reaktionen:

AuCN + CN- [Au(CN)2]-

SiF4 + 2 F- [SiF6]2-

Fe + 5 CO Fe(CO)5

Welches ist die stärkere Säure Te(OH)6 oder H2SeO4?

Säure-Base-Paare und pKS-Werte

+29O2-OH-+4,97[AlOH(H2O)5]2+[Al(H2O)6]3+

+12,89S2-HS-+4,75CH3COO-CH3COOH+12,35PO4

3-HPO42-+3,18F-HF

+11.65HO2-H2O2+2,46[FeOH(H2O)5]2+[Fe(H2O)6]3+

+10,31CO32-HCO3

-+2,16H2PO4-H3PO4

+9,25NH3NH4++1,90HSO3

-H2SO3

+9,21CN-HCN+1,96SO42-HSO4

-

+7,21HPO42-H2PO4

--1,37NO3-HNO3

+7,20SO32-HSO3

--3,0HSO4-H2SO4

+6,99HS-H2S-6,1Cl-HCl+6,35HCO3

-CO2 + H2O-10ClO4-HClO4

pKSBaseSäurepKSBaseSäure

Säure-Base-Paare und pKS-Werte

pKS > pKS(H2O) = 15,74Sehr starke Base Extrem schwache Säure

9,0 < pKS < 15,74Starke BaseSehr schwache Säure

4,5 < pKS < 9,0Schwache BaseSchwache Säure

-1,74 < pKS < 4,5Sehr schwache BaseStarke Säure

pKS < pKS(H3O+) = -1,74Extrem schwache BaseSehr starke Säure

pKW = pKS + pKB = 14

Gilt nur für das System Wasser

Säure-Base-Gleichgewichte

Autoprotolyse des Wassers, Ionenprodukt des Wassers,

basisch, sauer, neutral

pH, pOH, Kw, KS, KB

Ableitung des pH-Werts für Wasser

Ableitung des pH-Werts für starke Säuren

Ableitung des pH-Werts für schwache Säuren


cx

xcx

HAcOHc

HAcAcOHcKS

2

0

23

23

)()(

)()()(

≈−

==⋅

=+−+

KS·c(HA) = c2(H3O+)

c(HA) ≈ c0

pKS – log c0(HA) = 2 pH

2)(log 0 HAcpKpH S −

=

x2 + KSx – KSc0 = 0

02

3 41

21)( cKKKOHcx SSS ⋅++−== +

KS sehr klein

03 )( cKOHcx S ⋅≈= +

x = 4,23 · 10-3 mol/L

x = 4,24 · 10-3 mol/L

x gilt für CH3COOH

c0 = 1,0 mol/L

KS = 1,8 · 10-5 mol/L


Wie groß sind die Konzentrationen c(H+) und c(OH-) der folgenden Lösungen:

0,015 mol/L HNO3

0,0025 mol/L Ba(OH)2

0,00030 mol/L HCl

0,016 mol/L Ca(OH)2

c(H+) = 0,015 mol/L c(OH-) = 6,6·10-13 mol/L

pH = 14 – pOH

c(OH-) = 0,0050 mol/L c(H+) = 2,0·10-12 mol/L

c(H+) = 3·10-4 mol/L c(OH-) = 3,3·10-11 mol/L

c(OH-) = 0,032 mol/L c(H+) = 3,1·10-13


Welchen pH-Wert haben die folgenden Lösungen?

c(H+) = 7,3·10-5 mol/L

c(H+) = 0,084 mol/L

c(H+) = 3,9 ·10-8 mol/L

c(OH-) = 3,3 ·10-4 mol/L

c(OH-) = 0,042 mol/L

pH

4,14

1,08

7,41

10,52

12,62


Wie groß sind c(H+) und c(OH-)?

• pH = 1,23

• pOH = 12,34

pH = 1,23 pOH = 12,77

c(H+) = 5,9·10-2 mol/L c(OH-) = 1,7·10-13 mol/L

pOH = 12,34 pH = 1,66

c(OH-) = 4,6·10-13 mol/L c(H+) = 2,2·10-2 mol/L


Die Lösung einer schwachen Säure HX mit c0(HX) = 0,26 mol/L hat einen pH-Wert von 2,86. Wie groß ist die Säuredissoziationskonstante?

cx

xcx

HAcOHc

HAcAcOHcKS

2

0

23

23

)()(

)()()(

≈−

==⋅

=+−+

pH = 2,86 c(H+) = 1,4·10-3 mol/L

KS = 7,3·10-6

c2(H3O+) = KS · c(HA)

pH = ½(pKS – log c(HA))


Die Lösung einer schwachen Base B mit c(B) = 0,44 mol/L hat einen pH-Wert von 11,12. Wie groß ist KB?

pH = 11,12 c(H+) = 7,6·10-12

pOH = 2,88 c(OH-) = 1,3·10-3

KB = 3,95·10-6

)()(

)()()(

0

2

0 BcOHc

BcOHcBHcK B

−−+

=⋅=


Welchen pH-Wert hat eine Lösung von 0,3 mol NH3 pro Liter?

KB = 1,8·10-5

2)(log

1414 0 BcpKpOHpH B −−=−=

pKB = 4,7

pH = 11,4


Welchen pH-Wert hat eine Lösung von Cyansäure mit c = 0,12 ml/L? KS = 1,2·10-4

2)(log 0 HAcpKpH S −

=

pKS = 3,9

pH = 2,42

Puffer-Lösungen

Pufferlösungen enthalten eine schwache Säure (Base) und ihre konjugierte Base (Säure). Sie halten den pH-Wert konstant.

Physiologische Puffersysteme

Blut: pH = 7,39 ± 0,05

Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Puffer

H2CO3 HCO3- + H+

Phosphat-Puffer

H2PO4- HPO4

2- + H+

Puffer-Lösungen

Essigsäure-Acetat-Puffer

CH3COOH H+ + CH3COO-

Einwage CH3COONa/CH3COOH = 1:1

c(HA) = c(A-)

xmolxmolHc

COOHCHcCOOCHcHcK S ⋅=

⋅= +

−+

)()(

)()(

3

3

KS = 1,8·10-5 mol/L

pH = pKS = -log(1,8 · 10-5) = 4,74

Konstanter pH-Wert ±0,1

Max. Zugabe von 0,115x Säure oder Base

Puffer-Lösungen

Ammoniak-Ammonium-Puffer

NH4+ NH3 + H+

Einwaage 1:1

pH = 9,26

Variable Mengenverhältnisse

HA H+ + A-

)()()(

HAcAcHcKS

−+ ⋅=

)()()( −

+ ⋅=AcHAcKHc S

)()(log −−=

AcHAcpKpH S

Henderson-Hasselbalch

Wirkungsbereich 1:10 – 10:1

Puffer-Lösungen

0,010 mol Natriumformiat und 0,0025 mol Ameisensäure werden in Wasser auf ein Lösungsvolumen von 100 mL gebracht. Welchen pH-Wert hat die Lösung?

KS = 1,8·10-4

)()(log −−=

AcHAcpKpH S

pKS = 3,745

c(HA) = 0,0025 mol/L

c(A-) 0,1 mol/L

pH = 4,35

Puffer-Lösungen

Welche Konzentration benötigt man, um eine Ammoniak/Ammoniumsalz-Pufferlösung mit pH = 9,50 herzustellen?

KB(NH3) = 1,8·10-5

pKB = 4,74

pKS = 9,26

)()(log −−=

AcHAcpKpH S

pHpKAcHAc

S −=− )()(log

24,0)()(log −=−Ac

HAc

56,0)()( =−Ac

HAc

pH-Wert von Salzlösungen – Mechanismus

NaCl Na2SO4

NH4Cl Na3PO4

MgCl2 Na2CO3

AlCl3 Na4SiO4

pH-Wert von Salzlösungen

Welchen pH-Wert hat eine Lösung von Ammoniumchlorid mit c(NH4Cl) = 0,30 mol/L.

KB(NH3) = 1,8·10-5

NH4+ NH3 + H+

pKS(NH4+) = 14 – pKB(NH3)

pKS = 14 – 4,7 = 9,3

pH = ½ (pKS – log c0)

pH = ½(9,3 – log 0,30) = 4,4

Säure-Base-Titration

Starke Säure – starke Base

Schwache Säure – starke Base

Starke Base – schwache Säure

Indikator

seminar 10

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