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Formulierung von Gleichgewichtsgleichungen (Übungsvideo) 09:50 min

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Transkript Formulierung von Gleichgewichtsgleichungen (Übungsvideo)

Hallo und ganz herzlich Willkommen. Das Video heißt: Formulierung von Gleichgewichtsgleichungen. Du kennst das Massenwirkungsgesetzt von Guldberg und Waage. Nachher kannst Du Gleichgewichtsgleichungen aus den Reaktionsgleichungen für chemische Gleichgewichte formulieren. Erinnern wir uns an das chemische Gleichgewicht. Es geht um eine chemische Reaktion. Der Einfachheit halber, lassen wir die Verbindung A mit der Verbindung B im Gleichgewicht sein. Tragen wir die Konzentrationen gegen die Zeit ab, so erhalten wir folgenden Verlauf. Ab der gestrichelten Linie ändern sich die Konzentrationen nicht mehr. Von da an herrscht das chemische Gleichgewicht. Das chemische Gleichgewicht hat sich eingestellt, wenn die Konzentrationen der Reaktionspartner sich nicht verändern. Kommen wir weiter zum Massenwirkungsgesetzt. Die Entdecker des Gesetztes waren die Herren Guldberg und Waage. Das Gesetz wird ausschließlich auf Gleichgewichtsreaktionen angewendet. Diesmal sollen zwei Teilchen von A mit drei Teilchen von B im chemischen Gleichgewicht stehen. Das Massenwirkungsgesetz wird dann so formuliert: Die Konzentration des Reaktionsproduktes B3 dividiert durch die Konzentration des Ausgangsstoffes A2 ist gleich K. K nennt man Gleichgewichtskonstante. K ist konstant, wenn die Temperatur T und der Druck p ebenfalls konstant sind. "Achtung": Die Konzentrationen müssen "nicht" stöchiometrisch sein. Stürzen wir uns nun mit aller Kraft in die Übung. Wir beginnen mit einer gut bekannten Säure: Der Salzsäure. Wir betrachten die Dissoziation in wässriger Lösung. HCl Chlorwasserstoff dissoziiert in ein Proton und in ein Chlorid-Ion. Die Konzentrationen der Reaktionsprodukte kommen wieder in den Zähler. Sie werden miteinander multipliziert und durch die Konzentration des Ausgangsstoffes Chlorwasserstoff HCl dividiert. Der Quotient ist gleich der Gleichgewichtskonstanten K und natürlich läuft die Reaktion in wässriger Lösung H2O ab. Die Gleichgewichtskonstante hat einen Wert von 106. Häufig wird die Einheit nicht angegeben. Betrachten wir nun die chemische Reaktion unter Beteiligung eines Wassermoleküls. HCl plus H2O stehen im chemischen Gleichgewicht mit H3O+ und Cl-. Das Produkt der Konzentrationen des Hydronium-Ions H3O+ und des Chlorid-Ions Cl- schreiben wir in den Zähler. Die Konzentrationen des Chlorwasserstoffes HCl und des Wassers als Produkt in den Nenner. Der Quotient beider Terme ist die Gleichgewichtskonstante K. Solche Reaktionen werden häufig in verdünnten Lösungen betrachtet. Das heißt die Konzentrationen des Hydronium-Ions, des Chlorid-Ions und des Chlorwasserstoff-Moleküls sind bedeutend kleiner als die Konzentration des Lösungsmittels Wasser. "Achtung": Das Hydronium-Ion H3O+ wird in der Schule häufig Oxonium-Ion genannt. Wenn das so ist, kann man davon ausgehen, dass die Konzentration des Wassers konstant ist. Folglich fließt sie nicht in die Gleichgewichtsgleichung ein und wir können auf sie verzichten. Eines jedoch ist klar. Ob wir mit Protonen H+ oder mit den Oxonium-Ionen H3O+ arbeiten, ist völlig gleich. Betrachten wir nun Iodwasserstoff-Säure. Wir werden wieder mit dem Hydronium-Ion H3O+ arbeiten. Die Dissoziation erfolgt wie beim Chlorwasserstoff. Ein Molekül HI und ein Molekül Wasser stehen im chemischen Gleichgewicht mit einem Oxonium-Ion H3O+ und einem Iodid-Ion I-. Die Gleichgewichtsgleichung ist schnell formuliert. In den Zähler schreiben wir das Produkt aus den Konzentrationen des Hydronium-Ions und des Iodid-Ions. In den Nenner schreiben wir die Konzentration des Iodwasserstoffes. Wir arbeiten verdünnt. Die Konzentration des Wassers ist konstant. Somit fließt sie nicht in die Formel ein. Die Gleichgewichtskonstante K ist hier gigantisch: 1010. Ich schreibe zur Abwechselung einmal die Einheit auf: Mol pro Liter. In der Regel wird diese weggelassen. Veresterung: Ich wähle ein populäres Beispiel: Plus: Stehen im chemischen Gleichgewicht in Anwesenheit von Protonen mit und. Habt ihr diesen Spezialfall der Veresterung erkannt? Es reagieren CH3COOH, Essigsäure mit C2H5OH, Ethanol in Anwesenheit eines Protons in einer Gleichgewichtsreaktion zu CH3COOC2H5, das ist Ethylacetat: Ein Ester und Wasser. Wir können die Reaktion auch so formulieren. Säure plus Alkohol stehen im protonenkatalysierten Gleichgewicht mit Ester und Wasser. Die entsprechenden Konzentrationen bezeichnen wir dann als CS, CA, CE und CH20. "Achtung": Die Konzentration des Wassers ist hier nicht konstant, denn es handelt sich nicht um eine wässrige Lösung. Also müssen wir alle Konzentrationen berücksichtigen: CE * CH2O / CS * CA = K. K ist etwa vier. Und der Witz ist hier: Hier ist K wirklich Einheitslos. Wir wollen nun Salze betrachten. Ihre Dissoziation. Betrachten wir die Dissoziation von Calciumphosphat: Ca3(PO4)2. Ein Molekül Calciumphosphat dissoziiert in wässriger Lösung in drei Calcium-Ionen und zwei Phosphat-Ionen. Die Konzentrationen bezeichnen wir mit CS, CCa2+ und CPO43-. Die Gleichgewichtskonstante K ist dann: K = CCa2+3 * CPO43-2 / CS. Das Salz Calciumphosphat ist schwer löslich. Das bedeutet, dass seine Konzentration als konstant angenommen werden kann. CS fließt dann in K ein. Diese neue Größe bezeichnen wir als KL: KL = CCa2+3 * CPO43-2. KL nennt man Löslichkeitsprodukt. Gasreaktionen: Die Ammoniaksynthese, die Ihr bestimmt gut kennt. Stickstoff und Wasserstoff reagieren in einer Gleichgewichtsreaktion zu Ammoniak. Ich trage die stöchiometrischen Koeffizienten ein. Wir erhalten dann: K = pNH32 / pN * pNH32. p sind die Partialdrücke. Partialdruck ist der Druck eines Gases in einem Gasgemisch den es hätte, wenn es alleine vorläge. Ein weiteres Beispiel: Dampfreforming von Erdgas. Erdgas ist zum größten Teil Methan. Methan und Wasser reagieren in einer Gasreaktion zu Kohlenstoffmonoxyd und Wasserstoff. Zwischen Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten liegt ein chemisches Gleichgewicht vor. K ist dann gleich: K = pCO * pH23 / pCH4 * pH2O. "Achtung": Wasser ist gasförmig. Denn die Reaktion heißt "Dampfreforming". Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

2 Kommentare
  1. Als Tutor habe ich auf technische Probleme keinen Einfluss.
    Viele Grüße
    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. das video hackt :(

    Von Ramuz84, vor mehr als 4 Jahren

Formulierung von Gleichgewichtsgleichungen (Übungsvideo) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Formulierung von Gleichgewichtsgleichungen (Übungsvideo) kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere das chemische Gleichgewicht.

    Tipps

    Ab einem bestimmten Zeitpunkt einer Reaktion bleiben die Konzentrationen der Reaktionspartner konstant.

    Lösung

    Viele chemische Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Bei diesen Reaktionen sind Hin- und Rückreaktion möglich. Zu Beginn läuft die Hinreaktion schnell ab. Mit steigender Konzentration der Produkte wird sie aber langsamer und die Rückreaktion nimmt Fahrt auf. Ein Erklärungsansatz dafür ist die Stoßtheorie: Bei einer hohen Konzentration sind viele Teilchen vorhanden, die eine Reaktion miteinander eingehen können. Ein effektives Zusammentreffen ist also wahrscheinlich. Diese Wahrscheinlichkeit nimmt im Verlauf der Reaktion mit der Konzentration ab. So laufen dann im Zustand des Gleichgewichts Hin- und Rückreaktion gleich schnell ab. Die Konzentrationen ändern sich dadurch nicht mehr.

  • Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Chlorwasserstoff und Wasser.

    Tipps

    Chlorwasserstoff gibt ein Proton an das Wasser ab.

    Es entsteht ein Hydronium-Ion.

    Lösung

    Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Protolysereaktion. Das ist eine Reaktion mit Protonenübergang. Das Molekül Chlorwasserstoff ist stark polar. Die Bindungselektronen sind weit zum Chloratom verschoben. Das Wasserstoff-Ion (Proton) löst sich daher leicht vom Chloratom ab und wandert zum Wassermolekül. Das Elektron des Wasserstoffatoms bleibt dabei am Chlor zurück, wodurch dieses zum negativ geladenen Chlorid-Ion wird. Durch die Reaktion mit Wasser entsteht so ein Hydronium-Ion (auch Oxonium-Ion genannt). Dadurch fällt der pH-Wert. Die Lösung ist sauer.

  • Stelle das Massenwirkungsgesetz für die gezeigte Reaktion auf.

    Tipps

    Im Massenwirkungsgesetz stehen die Produkte im Zähler und die Edukte im Nenner.

    Die stöchiometrischen Faktoren gehen als Exponenten in die Gleichung ein.

    Lösung

    Das Massenwirkungsgesetz (MWG) dient zur Berechnung der Gleichgewichtskonstanten. Dies ist ein Maß für die Lage des Gleichgewichts, also ob eher die Hin- oder die Rückreaktion abläuft. Um das Massenwirkungsgesetz aufzustellen, benötigst du die Reaktionsgleichung. Es berechnet sich dann als das Produkt der Konzentrationen der Produkte geteilt durch das Produkt der Konzentrationen der Edukte. Die stöchiometrischen Faktoren werden als Exponenten an die Konzentration des jeweiligen Stoffes geschrieben.

    So ergibt sich für die Reaktion $2~A~\rightleftharpoons~3~B$ das MWG:
    $K=~\frac{{c_B}^3}{{c_A}^2}$

  • Erkläre, wie das Gleichgewicht der Ammoniaksynthese beeinflusst werden kann.

    Tipps

    Durch die Änderung der äußeren Parameter kann eine Gleichgewichtsreaktion beeinflusst werden.

    Bei hohem Druck wird die Seite des Gleichgewichts begünstigt, die das kleinste Volumen einnimmt (kleinste Stoffmenge an Gas).

    Lösung

    Der Chemiker LeChatelier entwickelte das Prinzip des kleinsten Zwangs. Es besagt, dass wenn auf ein im Gleichgewicht befindliches System ein äußerer Zwang ausgeübt wird, sich die Lage des Gleichgewichts so verschiebt, dass der Zwang minimiert wird.

    Äußere Zwänge stellen dabei die Änderungen der Temperatur, des Drucks und der Konzentration dar. Eine hohe Temperatur begünstigt eine endotherme Reaktion. Diese wird bei solchen Temperaturen dann verstärkt ablaufen. Im Falle der Ammoniaksynthese würde das Gleichgewicht dadurch zur Seite der Edukte verschoben, da die Hinreaktion exotherm ist. Ein hoher Druck bewirkt die Verschiebung hin zum geringsten Gasvolumen. Ein hoher Druck erhöht also die Ausbeute an Ammoniak, da die Edukte insgesamt 4 mol Gas darstellen und das Produkt Ammoniak nur 2 mol Gas (siehe Reaktionsgleichung). Die Konzentration hat ebenfalls einen Einfluss. Entnimmt man einen Reaktionspartner, läuft die Reaktion in die Richtung ab, in die er nachgebildet wird. Eine kontinuierliche Entnahme des Ammoniaks erhöht folglich auch die Ausbeute.

  • Nenne die Eigenschaften von Gleichgewichtsreaktionen.

    Tipps

    Bei Gleichgewichtsreaktionen sind Hin- und Rückreaktion möglich.

    Im Gleichgewichtszustand laufen immer noch beide Reaktionen ab, nur passiert es gleich schnell.

    Lösung

    Gleichgewichtsreaktionen sind reversibel. Das bedeutet sie sind umkehrbar. Das Produkt kann somit auch wieder zu den Edukten reagieren. Nach einer bestimmten Zeit stellt sich ein Gleichgewicht ein. Zu diesem Zeitpunkt ändern sich die Konzentrationen nicht mehr. Die Reaktion kommt aber keineswegs zum Erliegen.

    Hin- und Rückreaktionen laufen immer noch permanent ab. Nur passiert dies mit gleicher Geschwindigkeit. Es wird also ein Produkt gebildet, das aber genauso schnell wieder zu den Edukten. Nach außen hin ist daher keine Konzentrationsänderung zu bemerken. Man spricht von einem dynamischen Gleichgewicht, da die Reaktion immer weiter läuft.

    Katalysatoren beeinflussen die Lage des Gleichgewichts nicht. Sie verkürzen nur die Zeit bis zur Einstellung des Gleichgewichts.

  • Formuliere die Reaktion und das Massenwirkungsgesetz der Reaktion von Phosphorsäure mit Wasser.

    Tipps

    Phosphorsäure ist eine dreiprotonige Säure.

    Das Massenwirkungsgesetz errechnet sich aus dem Produkt der Konzentrationen der Produkte geteilt durch das Produkt der Konzentrationen der Edukte.

    Lösung

    Phosphorsäure ist eine mehrporotonige Säure. Das bedeutet, sie trägt mehrere Protonen, die abgegeben werden können. In der Reaktion hier betrachten wir nur die erste Protolysestufe, also die Abgabe des ersten Protons. Dabei entstehen ein Hydronium-Ion und ein Dihydrogenphosphat-Ion $({H_2PO_4}^-)$.

    Das MWG ist das Produkt der Konzentrationen der Produkte geteilt durch das Produkt der Konzentrationen der Edukte. Die stöchiometrischen Faktoren werden als Exponenten an die Konzentration des jeweiligen Stoffes geschrieben. Die Reaktionsgleichung ist also unbedingt notwendig, um das MWG aufzustellen.