Gleichgewichtsreaktionen

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):

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• 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

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H₂SO₄  + H₂O → HSO₄^- + H₃O⁺
HSO₄^-  + H₂O  → SO₄^2- +  H₃O⁺

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

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• H₃O⁺  (Oxonium-Ion; früher Hydronium-Ion oder „Hydroxonium-Ion“)
• HSO₄^-  (Hydrogensulft-Ion)
• SO₄^2-  (Sulfat-Ion; wenig)
• H₂O  Enthält viele Wassermoleküle

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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.

Versucht eine Deutung dieses Versuches:

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• Zylinder 1 nimmt mehr H₂O -Moleküle aus der Umgebung auf als er abgibt.

• Zylinder 2 gibt mehr H₂O -Moleküle an die Umgebung ab, als er aufnimmt.

• Nach einigen Jahren hat sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt: Pro Zeiteinheit werden nun gleich viel H₂O-Moleküle an die Umgebung abgegeben wie H₂O-Moleküle in die Lösung hinzukommen.

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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. 

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. 

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Es erfolgen mehr Hinreaktionen; dadurch stellt sich ein neues Gleichgewicht ein. Man sagt: „Das GG wird nach rechts verschoben.“

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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? 

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In einem offenen System kann sich kein Gleichgewicht einstellen; Die Reaktion läuft vollständig ab.

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Eisenrhodanit-Gleichgewicht

Vergleich dazu Arbeitsblatt zum Experiment. 

Vereinfachte Reaktionsgleichung:

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? 

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Deutung: Das GG wird nach links verschoben

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

Nenne die mögliche Beobachtung und Deutung: 

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Beobachtung: Die Lösung wird dunkelrot.
Deutung: Das GG wird nach rechts verschoben.

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

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Beobachtung: Die Lösung wird dunkelrot.
Deutung: Das GG wird nach rechts verschoben

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e) Reagenzglas 5 wird in heißes Wasser gestellt.

Beobachtung: Die Lösung wird heller

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Deutung: Das GG wird nach links verschoben

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f) Reagenzglas 6 wird in Eiswasser gestellt

Überlegt, was jetzt die Beobachtung sein könnte: 

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Beobachtung: Die Lösung wird dunkler.
Deutung: Das GG wird nach rechts verschoben

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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:

β) Bei Druckerniedrigung verschwinden diese Chlorethantröpfchen wieder.

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

Vergleiche dazu auch das ausgeteilte Arbeitsblatt zum Experiment. 

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? 

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Versuch 1 und 2 führen zum gleichen Ergebnis („Gleichgewichtszustand“)

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 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? 

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2.4 Merkmale eines chemischen Gleichgewichts

Wiederholung: System-Begriff

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. 

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Geruch: stechend                                                                              Geruch: Klebstoff
Kondensationsreaktion!

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Mechanismus der Veresterung:

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?  

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Schaut euch nochmals die Merkmale eines Gleichgewichts an. 

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Ergebnis: Man erhält in beiden Fällen denselben Endzustand.

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

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. 

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

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Damit Teilchen miteinander reagieren können, müssen sie zusammenstoßen. 
a) Erklärung: Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit:

Reaktionsgeschwindigkeit bei Stoffen zweier Phasen (Aggregatzustände):

• Können nur an der Phasengrenze miteinander reagieren
• Je größer die Oberfläche (je stärker der Zerteilungsgrad), desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit ⇨ Anzünden eines Feuers

          ⇨ Biologie: Oberflächenvergrößerung/-verkleinerung

b) Mindestgeschwindigkeit der Teilchen = Temperaturabhängigkeit

• nicht jeder Zusammenstoß führt zur Reaktion
• Reaktion setzt eine Mindestenergie und die richtige Orientierung der Teilchen zueinander voraus.

höhere Temperatur => höhere mittlere Geschwindigkeit der Teilchen
Mindestgeschwindigkeit v_A ist nötig

Maxwell-Boltzmann-Verteilung bei 3 Temperaturen:

vgl. Heftaufschrieb. 

Je höher die Temp, desto mehr Teilchen überschreiten eine gegebene Temp. v_A.

RGT-Regel (Reaktions-Geschwindigkeit-Temperaturregel):
Bei vielen Reaktionen bewirkt eine Temperaturerhöhung um 10°C eine 2-4 fache Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit.

Zusammenfassung: 3 Faktoren die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen:

1. Konzentration
2. Temperatur
3. Sterische Faktoren (v.a. bei großen Molekülen)

Info: Arrhenius-Gleichung beschreibt die quantitative Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k von der Temperatur

k = Geschwindigkeitskonstante
A = sterischer Faktor (Produkt aus der Stoßzahl Z und dem Orientierungsfaktor P)
EA = Aktivierungsenergie
R = 8,314 J/(K mol); Avogadro-Konstante (NA) und Boltzmann-Konstante (kB) R = NA ∙ kB
T = absolute (thermodynamische) Temperatur (Einheit: K).
e = Konstante = eulersche Zahl = 2,72
⇨T groß ⇨ k groß ⇨ v groß
⇨EA klein ⇨k groß ⇨v groß

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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

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 ↓

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; 

2.8 Allgemeines Zahlenbeispiel

2.9 Säure-Basereaktionen mit Benzoesäure

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). 

Erklärt, warum Benzoesäure nur schlecht in Wasser löslich ist!

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Bei Benzoesäure ist ein großer Teil unpolar. Der polare Teil ist kleiner. Es kann zwar mit Wasser H-Brücken ausbilden, aber der große Rest sorgt bisher für eine schlechte Löslichkeit. 

Hinweis: Ähnliches löst sich in ähnlichem. 

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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. 

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Es findet nur eine schwache Reaktion mit H₂O statt. Es reagieren nur wenige Benzoesäuremoleküle. Das Gleichgewicht liegt rechts. 

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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. 

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Die Benzoesäuremoleküle reagieren praktisch vollständig.

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

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