Das chemische Gleichgewicht
Von der unvollständigen Reaktion
bis zur Gleichgewichtskonstante
Inhalt
Gleichgewichte
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Von der unvollständigen Reaktion bis zur Reversibilität
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Prinzip vom kleinsten Zwang
Das Massenwirkungsgesetz Ausblick
Schulrelevanz
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
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion -
1) Ba
2+(aq)+ CrO
42-(aq) BaCrO
4(s)
2) 2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l) 2 BaCrO
4(s) + 2H
+(aq)Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Experiment 1a): Fällung von Bariumchromat - Unvollständige Reaktion -
1) Ba
2+(aq)+ CrO
42-(aq) BaCrO
4(s)
Entfärbung der Lösung
nahezu quantitative Fällung
„vollständiger“ Stoffumsatz
2) 2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l) 2 BaCrO
4(s) + 2H
+(aq)
farbige Lösung
unvollständiger Stoffumsatz
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
(3) 2 BaCrO
4(s)+ 2 H
+(aq) 2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l)Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat
- Umkehrbarkeit der Reaktion -
(3) 2 BaCrO
4(s)+ 2 H
+(aq) 2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l)Vergleich mit (2):
(2) 2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l) 2 BaCrO
4(s)+ 2 H
+(aq)______________________________________________________________________
2 Ba
2+(aq)+ Cr
2O
72-(aq)+ H
2O
(l) 2 BaCrO
4(s)+ 2 H
+(aq)Experiment 1b):Fällung von Bariumchromat - Umkehrbarkeit der Reaktion -
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Berthollets Entdeckung
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Claude L. Berthollet mit Napoleon in Ägypten (1798) Beobachtung an Natronseen :
Natriumchlorid + Kalkstein Natriumcarbonat + Calciumchlorid
(Seewasser) (Seegrund) (Krusten am Ufer) (See)
2 NaCl + CaCO
3 Na
2CO
3+ CaCl
2Recherches 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
Reaktionsverständnis im Wandel der Zeit
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Prinzip vom kleinsten
Zwang
Demonstration 1:
Reaktion von Kohlendioxid und Wasser
1) CO
2(g) CO
2(aq)2) CO
2(aq)+ 2 H
2O
(l) HCO
3-(aq)+ H
3O
+(aq)3) HCO
3-(aq)+ H
2O
(l) H
3O
+(aq)+ CO
32-(aq)Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2:
pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
2Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2:
pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
21) CO
2(g)CO
2(aq)2) CO
2(aq)+ 2 H
2O
(l)HCO
3-(aq)+ H
3O
+(aq)3) HCO
3-(aq)+ H
2O
(l)H
3O
+(aq)+ CO
32-(aq)OH
-+ H
3O
+ 2 H
2O
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 2:
pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
21) CO
2(g)CO
2(aq)2) CO
2(aq)+ 2 H
2O
(l)HCO
3-(aq)+ H
3O
+(aq)3) HCO
3-(aq)+ H
2O
(l)H
3O
+(aq)+ CO
32-(aq)Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
2Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 3: Druck-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
21) CO
2(g)CO
2(aq)2) CO
2(aq)+ 2 H
2O
(l)HCO
3-(aq)+ H
3O
+(aq)3) HCO
3-(aq)+ H
2O
(l)H
3O
+(aq)+ CO
32-(aq)Einflüsse auf das Gleichgewicht
Sodawasser
Joseph Priestley (1733 – 1804)
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
2Einflüsse auf das Gleichgewicht
Experiment 4: Temperatur-Abhängigkeit der Löslichkeit von CO
21) CO
2(g)CO
2(aq)H<0
2) CO
2(aq)+ 2 H
2O
(l)HCO
3-(aq)+ H
3O
+(aq)3) HCO
3-(aq)+ H
2O
(l)H
3O
+(aq)+ CO
32-(aq)Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das Prinzip vom kleinsten Zwang
„Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es, indem sich der Zwang verkleinert.“
1884: Henry Louis Le Chatelier
Einflüsse auf das Gleichgewicht
Das
Massenwirkungsgesetz
Experiment 5: Bestimmung der
Dissoziationskonstante von Essigsäure
CH
3COOH
(aq) CH
3COO
-(aq)+ H
+(aq)K
s= 1,76 x 10
-5mol/L pK
s= 4,75
Das Massenwirkungsgesetz
Das Massenwirkungsgesetz
c
c(C) c
d(D)
c
a(A) c
b(B) = K
kinetische Herleitung:
v
hin= v
rück
k
hin• c(A) • c(B) = k
rück• c(C) • c(D)
...
thermodynamische Herleitung:
G = H - TS
...
G = -RTln K
aA + bB cC + dD
Rückblick Experiment 1:
Löslichkeitsprodukt
BaCrO
4(s) Ba
2+(aq)+ CrO
42-(aq)K
L= c(Ba
2+) c(CrO
42-)
= 1,17 10
-10mol
2/L
2Das Massenwirkungsgesetz
Geschichte des Massenwirkungsgesetz
1860-1865: Saint-Gilles und Berthelot:
Untersuchungen zum Gleichgewichtszustand (Estersynthese & -hydrolyse)
1864-1869: Guldberg und Waage entwickeln das Massenwirkungs- gesetz
Das Massenwirkungsgesetz
Ausblick
Experiment 6:
Verteilungsgleichgewicht
Erste Glasschale:
H
3O
+(aq)+ Cl
-(aq) HCl
(aq)+ H
2O
(l)HCl
(aq) HCl
(g)HCl
(g) HCl
(ad)Ausblick
Zweite Glasschale:
HCl
(ad) HCl
(g)HCl
(g) HCl
(aq)HCl
(aq)+ H
2O
(l) H
3O
+(aq)+ Cl
-(aq)H
3O
+(aq)+ OH
-(aq) 2 H
2O
(l)Ind
-(aq)+ H
2O
(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 (Al
2O
3)
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
