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Gleichgewichtsreaktionen

  • 02 Gleichgewichte

    2 Gleichgewichte

    2.1 Schwefelsäure – Wasserdampf – Gleichgewicht

    a) konzentrierte Schwefelsäure (H2SO4)

    • enthält Schwefelsäuremoleküle
    • zeichnet einmal die Strukturformel(n) (unter Berücksichtigung, dass die Edelgas-Regel erfüllt sein muss):
     

    • Konzentrierte Schwefelsäure ist geruchlos;
    • Siedetemperatur beträgt 300°C;
    • Konzentrierte Schwefelsäure reagiert heftig mit Wasser und Ionenbildung (Protolyse-Reaktion)

    Formuliert für die Reaktion der Schwefelsäure mit Wasser in zwei Stufen die Reaktionsgleichung in Summenformeln

     


    b) Verdünnte Schwefelsäure
    Verdünnte Schwefelsäure enthält folgende Ionen und Moleküle; nennt diese: 

     


    2.2 Langzeitversuch: Konzentrierte Schwefelsäure

    Versuchsdurchführung: In einen Zylinder 1 werden 100 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. In einen Zylinder 2 werden zunächst 900 ml Wasser und dann vorsichtig 100 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Beide Zylinder werden mehrere Jahre offen im gleichen Zimmer stehengelassen.

    04 ta langzeitversuch schwefelsaeure

     

    Versucht eine Deutung dieses Versuches:

     

  • 2.10 Verschiebung des Gleichgewichts

    2.10 Verschiebung des Gleichgewichts

    Die Lage des GG ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Hinreaktion und Rückreaktion. Das GG verschiebt sich, wenn beide Reaktionen verschieden stark geändert werden.

    Das ist häufig der Fall bei einer Änderung von

    1. Konzentration (Konzentration = Stoffmenge/Volumen)
    2. Temperatur
    3. Druck

    2.10.1 Änderung der Konzentration und Temperatur

    α) einmaliger Zusatz von Stoff D
    Es erfolgen mehr Rückreaktionen (Wichtig, das über das Kollisionsmodell zu verstehen: durch mehr Teilchen wird häufiger ein Zusammenstoß zwischen C und D erfolgen); dadurch stellt sich ein neues Gleichgewicht ein. Man sagt: „Das GG wird nach links verschoben.“

    Roter Pfeil: Zugabe von dem Stoff D -> Stoff D kollidiert häufiger mit C und reagieren miteinander. Dadurch werden es etwas weniger Stoffe C und D (blaue Pfeile auf der Produktseite); gleichzeit entstehen etwas mehr Stoffe A und B. Bitte immer dran denken, bei einem Gleichgewicht gibt es immer alle Stoffe; hier also gibt es gleichzeitig A, B, C und D!. Man kann sich das relativ schnell veranschaulichen, wenn man bei einer Reaktionsgleichung die Pfeile reinschreibt. 

    08 ta aenderung der konzentrationen 


    β) einmalige Wegnahme von Stoff D

    Jetzt seid ihr dran. Wie ändert sich das GG, wenn man einmalig den Stoff D wegnimmt. Macht eine analoge Reaktionsgleichung mit Pfeilen wie oben. 

    γ) dauernde Wegnahme von Stoff D (z.B. als Gas)

    Wie ändert sich bei dauerhaften Wegnahme das GG, wenn der Stoff D, der entsteht, permanent aus dem System verdampft? 

    Eisenrhodanit-Gleichgewicht

    Vergleich dazu Arbeitsblatt zum Experiment. 

    Vereinfachte Reaktionsgleichung:

    11-ta-eisenrhodanid-gleichgewicht

     

    a) Das 1. RG bleibt unverändert und dient zum Vergleich!

    b) Ein Spatellöffel NH4Cl (Ammoniumchlorid) wird in das Reagenzglas 2 gegeben.
    Beobachtung: Die Lösung wird heller.

    Wie kann man das mit Hilfe des Verschiebung des Gleichgewichts deuten? 

    c) Ein Spatelspitze FeCl3 (Eisenchlorid) wird in das Reagenzglas 3 gegeben.

    Nenne die mögliche Beobachtung und Deutung: 

    d) Ein Spatellöffel NH4 SCN (Ammoniumrhodanid = Ammoniumthiocyanat) wird in das Reagenzglas 4 gegeben.

    Ergebnis: Konzentrationserhöhung eines Reaktionspartners begünstigt die Reaktion, die diesen Stoff verbraucht.

    e) Reagenzglas 5 wird in heißes Wasser gestellt.

    Beobachtung: Die Lösung wird heller

    f) Reagenzglas 6 wird in Eiswasser gestellt

    Überlegt, was jetzt die Beobachtung sein könnte: 

    Ergebnis:
    • Temperaturerhöhung begünstigt die endotherme Reaktion;
    • Temperaturerniedrigung begünstigt die exotherme Reaktion.

    FeCl3 + 3 NH4SCN   ⇌   Fe(SCN)3 + 3 NH4Cl           ΔH<0


    b) weitere Beispiele

    H2O (l)  ⇌  H2O  (g)       ΔH=+41 kJ
    flüssig     gasförmig

    Temperaturerhöhung --> mehr Wasser verdampft.  

     

    2.10.2 Änderung des Drucks

    a) Chlorethandampf - Chlorethanflüssigkeit (Kältespray); genau: Monochlorethan

    C2H5Cl (g) ⇌ C2H5Cl  (l)

    α) Bei Druckerhöhung bilden sich im Kolbenprober Chlorethantröpfchen:

     02 ta aggregatzustaende und experimente chlorethan b

    β) Bei Druckerniedrigung verschwinden diese Chlorethantröpfchen wieder.

      02 ta aggregatzustaende und experimente chlorethan a

    γ) Ergebnis:
    • Druckerhöhung begünstigt die Reaktion mit Volumenabnahme.

     

    b) weitere Beispiele

    H₂O (s) ⇌ H₂O (l)
    Fest (solid) flüssig (liquid)

    Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach rechts, Wasser wird flüssig.  

    Grund: flüssiges Wasser hat eine größere Dichte (kleineres Volumen) als Eis (Eis schwimmt).

  • 2.3 Modellexperiment - Stechheberversuch

    2.3 Modellexperiment - Stechheberversuch

    Vergleiche dazu auch das ausgeteilte Arbeitsblatt zum Experiment. 

    04 stechheberversuch

    Versuch 1: Flüssigkeit gelangt von A nach B. Die reversible Reaktion setzt mit der „Hinreaktion“ ein. 
    Anschließend gelangt auch Flüssigkeit von B zurück nach A. Es findet also auch eine „Rückreaktion“ statt. Nach einiger Zeit sind die in den Rohren im gleichen Takt beförderten Flüssigkeitsportionen gleich groß geworden.

     

    Wie könnten die Endzustände bei den Experimenten 1 und 2 ausschauen? 

     Was für ein Diagramm bekommt man, wenn man das Volumen in den Standzylindern gegen die Zeit aufträgt? Und wie sieht das Diagramm aus, wenn man das Volumen innerhalb der Pipetten/Glasrohre gegen die Zeit aufträgt? 

     

  • 2.4 Merkmale eines chemischen Gleichgewichts

    2.4 Merkmale eines chemischen Gleichgewichts

    Wichtig:

    1. Im abgeschlossenen System stellt sich ein Gleichgewicht von beiden Seiten her ein.
    2. Im Gleichgewicht (Endzustand) erfolgen gleich viel Hin- wie Rückreaktionen pro Zeiteinheit.
    3. Im Gleichgewicht liegen meist nicht gleich viel Anfangs- wie Endstoffe vor.

     

    Wiederholung: System-Begriff

      Offenes System Geschlossenes System  Abgeschlossenes System
    (= isoliertes System 
    Austausch von....  + Energie
    + Teilchen
     + Energie  --
     Kein Austausch von....    - Teilchen - Energie
    - Teilchen
         
    • Gesamtenergie ist konstant
    • i.d.R. idealisiertes System
    idealisierte  Beispiele  "Kochtopf"
    Mensch
     "Dampfkochtopf"
    Reagenzglas mit Stopfen
     "Thermoskanne"
    Universum
  • 2.5 Estergleichgewicht

    2.5 Estergleichgewicht (AB )

    Allgemeine Reaktion
    Carbonsäure    +        Alkohol             ⇌        Ester        +         Wasser

    Wer sich an die 10. Klasse erinnern kann, kann ja mal versuchen die Reaktionsgleichung für Ethansäure und Ethanol zu formulieren. 

    Tipp 1: Es handelt sich um eine Kondensationsreaktion (also eine Reaktion in dem sich zwei Moleküle unter Abspaltung eines kleinen Moleküls, hier Wasser, verbindet). 

    Tipp 2: Es reagieren meisten die funktionelle Gruppen miteinander und selten die Alkylgruppen. 

    Mechanismus der Veresterung:

     

    02 ta reaktionsmechanismus der esterbildung

     


    Estergleichgewicht

    Versuchsansatz 1 = Hinreaktion: Man gibt 1 mol Carbonsäure und 1 mol Alkohol zusammen.
    Versuchsansatz 2 = Rückreaktion: Man gibt 1 mol Ester und 1 mol Wasser zusammen.

    Wie sieht das Ergebnis aus?  

     

    Man kann in beiden Fällen die vorhandene Carbonsäuremenge durch quantitative Reaktion mit Natronlauge (Titration) messen.

     

    05 titration von essigsaeure mit natronlauge2

     

  • 2.6 Schreibweise und 2.7 Kollisionsmodell

    2.6 Schreib- und Sprechweise bei Gleichgewichtsreaktionen

    Man sagt: „Das GG liegt rechts“

    Um zu zeigen, dass das Gleichgewicht rechts liegt, gibt es mehrere Möglichkeiten:

    • Man kann die Produkte "größer" Schreiben (wird so gut wie nie benutzt);
    • Man kann den Pfeil nach rechts dicker machen; 
    • Man kann den Pfeil nach rechts länger zeichen. 

    05-ta-estergleichgewicht--schreibweise

     

    2.7 Estergleichgewicht und Kollisionsmodell

    Problem: Wie ist ein Gleichgewicht zwischen wenigen Säure- und Alkoholmolekülen und vielen Ester- und Wasserteilchen möglich?

    2.7.1 WH: Kollisionsmodell

    Zurück zum Problem:  Wie ist ein Gleichgewicht zwischen wenigen Säure- und Alkoholmolekülen und vielen Ester- und Wasserteilchen möglich?

    Wie ist ein Gleichgewicht zwischen wenigen Säure- und Alkoholmolekülen und vielen Ester- und Wasserteilchen möglich?

               S        +             A                       ⇌                  E     +         W

    Weniger Stöße, jedoch größere Erfolgchancen: Teilchen sind reaktionsfreudig   VieleStöße, jedoch geringere Erfolgschancen Teilchen sind reaktionsträge

     

    Merke: Wenige reaktionsfreudige Teilchen können vielen reaktionsträgen Teilchen das Gleichgewicht halten.

    2.7.2 Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysatoren

    a) homogene Katalyse: Edukte und Kat. sind in der gleichen Phase (z.B. Lsg)

    • Bildung von Zwischenstufen ⇨ EA ↓ ⇨ vmin ↓

    09-ta-wh-reaktionsgeschwindigkeit-und-katalysator

    b) heterogene Katalyse: Edukte u. Kat bilden 2 verschiedene Phasen


    Edukte werden an Kat.-Oberfläche adsorbiert
    ⇨ Schwächung der Bdg.
    ⇨ günstige Räumliche Orientierung
    ⇨ Erhöhung der Konzentration
    (Bsp. H₂ an Pt-Oberfläche)
    Vermutung: Elektronenüberschuss oder –mangel an Oberfläche.

    c) Autokatalyse: Katalysator entsteht erst durch den Reaktionsablauf ⇨ Reaktion erst langsam ⇨ dann immer schneller (vgl. Abb. S. 80)

    d) Biokatalyse: Enzyme (Proteine, Eiweiße) beschleunigen sehr selektiv Reaktionen ⇨ Bilden Enzym-Substrat-Komplex ⇨ Rkt findet bei Körpertemperatur statt. Substratspezifisch und Wirkungsspezifisch; 

     

     

     

  • 2.9 Säure-Base-Reaktion mit Benzoesäure

    2.8 Allgemeines Zahlenbeispiel

      A + B C    +   D
    Vorher  1000          1000              0            0     
    Nachher 1000 - X     1000 - X         X
    z.B. in GG      800   800   200   200

     

    2.9 Säure-Basereaktionen mit Benzoesäure

    07 ab benzoesaeuregleichgewicht

     

    a) Benzoesäure + Wasser

    Man gibt festes Benzoesäure in Wasser. Dabei beobachtet man, dass die Benzoesäure als weiße Substanz oben auf dem Wasser schwimmt. Auch mit Schütteln löst sie sich nichtauf. 

    Frage: Warum löst sich Benzoesäure nicht in Wasser? Dafür muss man sich einmal Benzoesäure anschauen (Hinweis: Benzoesäure ist noch vereinfacht "falsch" geschrieben, da wir die Aromaten erst später genauer betrachten). 

    08 ta benzoesaeure nur so

    Erklärt, warum Benzoesäure nur schlecht in Wasser löslich ist!

    Zusammenfassung Beobachtung: wenig löslich in Wasser; die Lösung reagiert schwach sauer.

    Formuliert die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Benozesäure mit Wasser mit binden und nichtbindenen Elektronenpaaren (Hinweis; Benzoesäure ist jetzt schon etwas vereinfacht geschrieben indem die H-Atome am Ring weggelassen wurden. 

    b) Benzoesäure + Natronlauge (Neutralisation)

    Man gibt vorsichtig Natronlauge zu und schüttelt die Lösung bis 
    Beobachtung: Es entsteht eine klare Lösung. 

    Formuliert hierfür auch wieder eine Reaktionsgleichung mit bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. 


    Die Benzoesäuremoleküle reagieren praktisch vollständig.

    c) gelöstes Natriumbenzoat + verd. Salzsäure
    Die klare Lösung wird trübe. Weißes, pulverartige Substanz schwimmt wieder auf der Oberfläche. 

    Feste Benzoesäure scheidet sich ab; die Benzoanionen reagieren praktisch vollständig.