Massenwirkungsgesetz

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Inhaltsverzeichnis

Einstieg

  • Theoretisch: Betrachtet man die Reaktionsgeschwindikeiten der Hin- und der Rückreaktion in einer Gleichgewichtsreaktion so kann man für die Gleichgewichtssituation das Massenwirkungsgesetz von alleine formulieren. Als Einstieg dazu könnten die Schüler eine Gleichgewichtssitation nachspielen, z.B. das Zusammen- und Auseinanderbauen von Legosteinen.

Aufgaben

Erweiterungen

Le Chatelier'sches Prinzip vom kleinsten Zwang

Einstieg

Aufgaben

Bearbeitung von verschiedenen Beispielen in Gruppenarbeit

Vorstellung des Beispiels für die Mitschüler: Stellt das betrachtete Gleichgewicht vor und teilt die wichtigsten Informationen dazu mit, ggf. zum Ergänzen an der Reaktionsgleichung. Erklärt, in welche Richtung das Gleichgewicht verschoben werden soll und wie man das erreicht.


  • Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren

Reaktionsgleichung: N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3

Informationen: Trotz Katalysator ist für die Reaktion aufgrund der Dreifachbindung des Stickstoffmoleküls noch eine hohe Aktivierungsenergie nötig, die durch die hohe Temperatur aufgebracht wird. Die Reaktion zum Ammoniak hin selbst ist jedoch exotherm. D.h. es wird bei der der Bildung von Ammoniak wieder Energie frei. Deshalb führt die hohe Temperatur also auch dazu, das Ammoniak wieder zersetzt wird wodurch sich die Ausbeute verringert.

Fragen:

  1. Wie könnte man mit der Temperatur das Gleichgewicht beeinflussen? Und warum geht es doch nicht?
  2. Da Temperatur zur Beeinflussung des Gleichgewichts zum Erreichen einer höheren Ausbeute ausscheidet, musste man eine andere Bedingung verändern. Deshalb wird die Reaktion unter hohem Druck durchgeführt. Erkläre anhand der Reaktionsgleichung, warum hoher Druck das Gleichgewicht in Richtung Ammoniak verschiebt.

  • Löslichkeit von CO2 in Wasser und Bildung von Kohlensäure

Reaktionsgleichung: CO2 + H2O ⇌ H2CO3

Informationen: In Wasser, das mit Indikator versetzt ist, lässt man CO2 sprudeln, bis die Farbe des Indikators umschlägt. Die Hälfte der Lösung bewahrt man zum

Farbvergleich auf (→ hintere Spritze). Die andere Hälfte kommt in eine Spritze mit einem durchbohrten Stempel. Sie wird vorne verschlossen und durch kräftiges Ziehen am Stempel ein Unterdruck erzeugt. Der Stempel kann durch das Loch mit einem Nagel fixiert werden.

Man sieht ein deutliches Ausgasen und zugleich einen Farbumschlag des Indikators.

Fragen:

  1. Was bedeutet der Farbwechsel des Indikators von (dunkel)rot zu grün?
  2. Wo kommt das Gas in der vorderen Spirtze her?
  3. Wie bewirkt der Unterdruck in der Spritze eine Beeinflussung des Gleichgewichts?

  • Veresterung von Carbonsäuren

Reaktionsgleichung: R1-COOH + R2-OH ⇌ R1-COO-R2 + H2O

Informationen: Bei der Herstellung Estern aus Carbonsäuren und Alkoholen, auch bei Einsatz von Katalysatoren, findet niemals ein vollständiger Umsatz der Edukte statt. Es liegt immer ein Gleichgewicht vor, in dem alle vier beteiligten Stoffe vorliegen. Um die Ausbeute zu erhöhen, wird an das Reaktionsgefäß eine Destillationsapparatur angeschlossen. Unter leichter Erwärmung wird ein Teil des gewünschten Reaktionsproduktes Ester aus dem Gemisch entfernt.

Fragen:

  1. Warum führt die Entfernung von Ester aus dem Gemisch dazu, dass mehr der Ausgangsstoffe umgesetzt werden.
  2. Welcher Zwang wird hier auf die Reaktion ausgeübt?
  3. Welchen Stoff könnte man noch entfernen, um die Ausbeute zu verbessern? Warum macht man dies nicht?

  • Behandlung einer Kohlenmonoxid-Vergiftung

Information: Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin ist eine lebensnotwendige Verbindung, die ein aromatisches System mehrerer Kohlenstoffringe und ein Eisenatom enthält. Für den Sauerstoff-Transport wird ein Sauerstoff-Molekül über eine sogenannte Komplex-Bindung locker an das Eisenatom gebunden.

Reaktionsgleichung 1: Hb + O2 ⇌ HbO2

Wenn Atemluft Kohlenmonoxid enthält werden dagegen die CO-Moleküle an das Hämoglobin gebunden. Da mit Kohlenmonoxid eine 300-mal festere Bindung als mit Sauerstoff eingegangen wird, reichen schon kleine Mengen an Kohlenmonoxid aus, um einen großen Teil des Hämoglobins zu inaktivieren. Sind etwas 2/3 des Hämoglobins blockiert tritt der Tod ein.

Reaktionsgleichung 2: Hb + CO ⇌ HbCO

Die Bindung des Kohlenmonoxids an das Hämoglobin ist aber glücklicherweise reversibel. Bei einer Vergiftung muss der Patient möglichst schnell reinen Sauerstoff einatmen.

Reaktionsgleichung 3: HbCO + O2 ⇌ HbO2 + CO

Fragen:

  1. In welches Gleichgewicht wird hier bei der Behandlung eingegriffen?
  2. Welcher Zwang führt hier zu einer Verschiebung dieses Gleichgewichts zugunsten der Gesundung des Patienten?

  • Herstellung von Schwefelsäure

Reaktionsgleichung: 2 SO2 + O2 ⇌ 2 SO3

Informationen: Zur großtechnischen Darstellung von Schwefelsäure wird meist elementarer Schwefel oxidiert. Es entsteht zunächst Schwefeldioxid. Der wesentliche Schritt ist die katalytische Oxidation von SO2 zu SO3, die allerdings umkehrbar ist. Da die Oxidation von SO2 exotherm ist muss das Gasgemisch aus SO2/SO3 und O2 gekühlt werden, wodurch aber die Reaktions­ge­schwin­digkeit verringert wird. Hier hilft aber der Katalysator. Gleichzeitig findet eine sogenannte Zwischenabsorption statt, d.h. ein Teil des Schwefeltrioxid wird aus dem Gemisch durch Lösung in konzentierter Schwefelsäure entfernt.

Fragen:

  1. Wie würde eine zu hohe Temperatur das SO2/SO3-Gleichgewicht stören und warum?
  2. Warum wäre es günstig, bei der Oxidation von SO2 einen Überschuss an Sauerstoff einzusetzen?
  3. Wie beeinflusst die Zwischenabsorption die Wirtschaftlichkeit der Produktion?

  • Reinigung von Schwermetall-belastetem Abwasser durch Ausfällung

Reaktionsgleichung: PbCl2 (fest) + Wasser ⇌ Pb2⊕(aq) + 2 Cl⊖(aq)

Informationen: Schwermetall-Ionen trennt man aus Abwässern grob durch Fällung als schwer lösliche Salze ab. Ist eine Lösung übersättigt, liegt also ungelöster Feststoff in einer Lösung vor, so ist Oberfläche des Festkörpers ein ständiges Kommen und Gehen von Ionen beobachten. Dabei löst sich genau so viel Salz wie sich wieder zurückbildet. Die europäische Trinkwasser-Verordnung schreibt für Blei den Grenzwert 10 µg/l vor. Eine bei Zimmertemperatur gesättigte Lösung von Bleichlorid mit ihrem Bleigehalt von 3,294 g/l um den Faktor 3,3 · 105 konzentrierter, als der Grenzwert zulässt, und ist entsprechend toxisch. Allerdings ist Bleisulfat wesentlich schlechter löslich als Bleichlorid. Man gibt deshalb Sulfat-Ionen in Bleibeastetes Abwasser, was zu einer Ausfällung von Bleisulfat führt.

Fragen:

  1. Welchem Zwang weicht hier das Lösungsgleichgewicht aus?
  2. Kann man das Blei durch diese Methode vollständig entfernen?

Säure-Base-Gleichgewichte

Einstieg

  • Experiment: Aufgrund der Löslichkeit von Kohlensäure in Wasser lässt sich berechnen, wie der pH-Wert wäre, wenn alle vorhandenen Wasserstoff-Atome als Protonen abgespalten werden würden. Untersucht man aber den pH-Wert einer gesättigten Lösung von CO2 in Wasser, so stellt man fest, dass der pH-Wert nicht so niedrig ist wie erwartet.
Unter Betrachtung des Gleichgewichtes CO2 + H2O ⇌ H2CO3 lässt sich das Massenwirkungsgesetz formulieren und aus dem festgestellten pH-Wert die Säure-Konstante für die Kohlensäure bestimmen.

Löslichkeitsgleichgewichte

Siehe auch