Stöchiometrische Berechnungen Beispiel: Wie viel Gramm Kohlenstoff werden zur Reduktion von 20 Gramm Bleioxid benötigt?

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1 2. Chemische Reaktion 2.1. Quantitative Beziehungen Stöchiometrische Berechnungen Beispiel: Wie viel Gramm Kohlenstoff werden zur Reduktion von 20 Gramm Bleioxid benötigt? 1. Reaktionsgleichung richtig aufstellen: 2 PbO + C 2 Pb + CO 2 2. Massenverhältnisse (auf Stoffmenge bezogen) angeben: 2 (207+16) g 12g 3. Beziehungen aufstellen (Dreisatz): 2 223g 12g = 20g x x = g = 0,538g Konzentration: c=n/v Stoffmenge/Volumen [mol/m³] [CO 2 ] = c(co 2 ) Molarität einer Lösung: M = n Stoff /(1l Lösung) Molalität: n/(1000g) 137,3 35,5 208,3 Beispiel: 0,2 M BaCl 2 Lösung, d.h. 0,2 mol BaCl 2 /1l Lösung = 0,2 (137,3+2 35,5))g/1l Lösung = 41,6 g pro 1 l Lösung = 0,2 molar Beispiel: Konzentrierte Salpetersäure (HNO 3 ) enthält 69 Massen% HNO 3 ; die Dichte beträgt 1,41g/cm³ Molarität: 1 l = 1000 cm³; 1410 g konz. HNO 3 enthalten 0, g = 973 g reines HNO 3. m 973 g n = = = 15,4 mol Die Säure ist 15,4 molar. M g 63 mol Molalität: 1l Säure enthält ( ) g = 437 g H 2 O. 15,4 mol x = x = 35,2 mol Die Säure ist 35,2 molal. 437g 1000g Berechnung der zur Herstellung von 100 ml 1 molarer Säure aus konzentrierter Säure benötigten Menge: 1000 ml 0,1 15,4 = 65 ml 1

2 2.2 Chemische Thermodynamik Reaktionsenthalpie Energie = Fähigkeit Arbeit zu leisten Jeder chemische Vorgang ist mit einem Energieumsatz verknüpft. Nur Energiedifferenzen sind messbar. Definition eines Standardzustands: 25 C ( K), bar (=1atm = 1.013*10 5 Pa) Messungen der Reaktionsenergien: Kalorimeter Kalorimeter (Schema) für Reaktionen bei konstantem Volumen (Sog. kalorimetrische Bombe) Die Reaktion wird durch Zündung (Heizspirale) ausgelöst. Betrachtung der inneren Energie U eines Systems: Änderung der inneren Energie aufgrund von Wärmeaustausch Q und am System geleisteter Arbeit p V (Expansion, Kompression) U = Q + W = Q p V 2

3 Enthalpie H = U + pv H = Q + p V + V p p V = Q + V p d.h. Messung bei p = const: H = Q (gemessener Wert über c p T) Messung bei V = const: U = Q Reaktionsenthalpie: Bildungsenthalpie: R H < 0 exotherm (Produkte energieärmer, Energie wird frei) R H > 0: endotherm (Produkte energiereicher, Energie muss dem System zugeführt werden) Stoffspezifische, energetische Größe zur Berechnung von Reaktionsenthalpien 0 molare Standard-Bildungsenthalpie: H f H 0 f = 0 für alle Elemente in ihrer thermodynamisch stabilen Modifikation im Standardzustand Berechnung von H 0 f für alle anderen Stoffe aus R H R H = ν i H f 0 (Produkte) - ν i H f 0 (Edukte) (ν i = stöchiometrische Verhältniszahl) Zur Festlegung des Vorzeichens der Standard-Bildungsenthalpie 3

4 Molare Standard-Bildungsenthalpien [kj/mol] H f 0 (H 2 O) = R H bei der Reaktion H 2 + 1/2 O 2 H 2 O (was gemessen werden kann) H 0 f (CO): C(s) + H 2 O CO + H 2 0 bekannt? 0 Beispiel: 4 NH 3 (g) + 5 O 2 (g) 4 NO(g) + 6 H 2 O(l) kj kj R H = 4 H f ( NO) + 6 H f ( H 2O)( l) 4 H f ( NH 3 ) = [361, ( 182,4)] = 1172, 4 mol mol Satz von Heß: Die Reaktionsenthalpie H 0 f hängt nicht vom Weg, sondern nur von Anfangs- und Endzustand ab. (gilt für alle Zustandsgrößen, H, S, G) Berechnung der Reaktionsenthalpie: Beispiele: C + 1/2 O 2 CO R H = -111 kj/mol CO + 1/2 O 2 CO 2 R H = -282,5 kj/mol Summe: C + O 2 CO 2 R H = -393,5 kj/mol Wassergas entsteht beim Überleiten von Wasserdampf über glühenden Koks: C(s) + H 2 O(g) CO + H 2 R H = -111 kj/mol (- 241,8 kj/mol) - 0 = +130,8 kj/mol 4

5 Reaktionsenthalpie der Umsetzung von Wasserdampf mit Kohle H f 0 ist temperaturabhängig und nimmt mit der Temperatur zu. T H (T) = H (T ) + c (T)dT c p (T): Wärmekapazität bei p = const, steigt monoton mit T ref ref Tref p Prinzip vom Energieminimum: Systeme sind bestrebt, den energieärmsten Zustand anzunehmen für chemische Reaktionen: Minimierung von R H Reaktionsentropie 1. Es existieren auch endotherme Prozesse, die freiwillig ablaufen, z. B. Schmelzen, Verdampfen, C(s) + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) T>1500 C: K>0 R H = -111 kj/mol (- 241,8 kj/mol) = +130,8 kj/mol 2. Reaktionen sind umkehrbar (reversibel); es entsteht im Allgemeinen kein vollständiger Umsatz. H nicht alleinige Triebkraft für den Ablauf einer Reaktion. Entropie S: Maß für die Anzahl an Möglichkeiten, eine bestimmte Energiemenge auf die Teilchen eines Systems zu verteilen. 2. Hauptsatz der TD: Die Entropie eines abgeschlossenen Systems kann im Verlauf von irreversiblen Prozessen nur größer werden. Sie bleibt konstant, wenn reversible Zustandsänderungen angenommen werden. S 0 5

6 S= ( Q)/T [J/(mol K)] Zustandsgröße; molare Standardentropie S 0 S(T) c p (T' ) = S(Tref ) + dt' T' Es gibt in der Natur selbstorganisierende Vorgänge, bei denen die Entropie abnimmt. Synergetik beschäftigt sich mit solchen Vorgängen in der Natur. Merkmale von Selbstorganisationsvorgängen: 1 Sie treten auf in Systemen, die sich fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht befinden. 2 Dieser Zustand fernab vom Gleichgewicht muß durch ständige Energiezufuhr aufrecht erhalten werden. 3 Sie treten auf bei,,nichtlinearen Systemen. Diese Vorgänge stellen keinen Widerspruch zum 2. Hauptsatz der Thermodynamik dar, wonach sich ein System ja hin zu größerer Unordnung entwickeln muss, d.h. größere Entropie. Die Aussage des 2. Hauptsatzes gilt ausdrücklich für abgeschlossene Systeme. Der Energieaustausch mit der Umgebung macht solche Ordnungsvorgänge möglich. Beispiel: Schäfchenwolken 3. Hauptsatz der TD: lim S(T) = 0 T 0K 6

7 Reaktionsentropie R S = ν i S 0 (Produkte) - ν i S 0 (Edukte) Beispiel: CO(g) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) R S = 213,8 J/(mol K) - (198 J/(mol K) + ½ 205 J/(mol K)) = -86,7 J/(mol K) R H = (- 393,5 kj/mol) - (-111 kj/mol) = -282,5 kj/mol Was hat den größeren Einfluss, S oder H? Standard-Entropien S 0 [J/(mol K] Freie Enthalpie G Triebkräfte einer Reaktion sind sowohl Reaktionsenthalpie R H als auch Reaktionsentropie R S. Endotherme Reaktionen verlaufen nur dann freiwillig ab, wenn die Entropie stark zunimmt. Exotherme Vorgänge laufen freiwillig ab, wenn die Entropie zunimmt oder nicht wesentlich abnimmt. Freie Enthalpie G = H - TS entspricht nutzbarer Enthalpie R G = R H - T R S Gibbs-Helmholtz- Gleichung 7

8 Chemische Reaktionen laufen dann spontan ab, d.h., sie können Arbeit verrichten, wenn R G <0 ist. R G < 0: exergonisch: Die Reaktion läuft freiwillig (spontan) ab. R G = 0: System befindet sich im Gleichgewicht R G > 0: endergonisch: Die Reaktion läuft nicht freiwillig ab. Beispiele: Oxidation von CO (siehe oben): CO(g) + ½ O 2 (g) CO 2 (g) R G = -282,5 kj/mol - (298K (-86,7 J/(mol K)) = -256,7 kj/mol Das Auflösen von Salzen in Wasser läuft oft auch dann noch ab, wenn Gesamtreaktion endotherm (sog. Kältemischungen ) ist. Das Auflösen des Kristallgitters erfordert Energie Abkühlung. Kristallgitter ist aber hochgeordneter Zustand, dessen Auflösung mit einem großen Entropie- Gewinn einhergeht Chemisches Gleichgewicht Versuch: NO 2 /N 2 O 4 Gleichgewicht 3 Ampullen werden mit NO 2 (rotbraunes Gas) gefüllt. Eine Ampulle wird erwärmt, eine weitere mit Hilfe eines Eis/ Wassergemischs abgekühlt, die dritte bleibt auf Raumtemperatur. Man erkennt, dass die Farbe des Gases in der erwärmten Ampulle deutlich intensiver, die des Gases in der abgekühlten Ampulle deutlich blasser wird. Die Beobachtung basiert darauf, dass das Gleichgewicht der Reaktion (farblos) NO 2 N 2 O 4 (rotbraun) bei tiefer Temperatur auf der Seite des farblosen N 2 O 4, bei hoher Temperatur auf der Seite des dunkel rotbraunen NO 2 liegt. 8

9 Beispiel: 2 HI(g) H 2 (g) + I 2 (g) Die Konzentrationen von H 2, I 2 und HI als Funktion der Zeit. Die Reaktion kommt äußerlich zum Stillstand, bevor die Edukte vollständig verbraucht sind. Alle am Gesamtvorgang beteiligten Stoffe sind in bestimmten Konzentrationen vorhanden. Es hat sich ein Gleichgewicht zwischen Hin- und Rückreaktion eingestellt, dessen Lage nur von den Ausgangskonzentrationen (Atomzahlverhältnissen) und der Temperatur abhängt. Massenwirkungsgesetz: bestimmt das Verhältnis der Konzentrationen im Gleichgewicht a A + b B c C + d D (a, b, c, d) sind stöchiometrische Koeffizienten Gleichgewichtskonstante: K = [C] [A] c a [D] [B] d b [Produkte] [Edukte] stöchiometrische Koeffizienten stöchiometrische Koeffizienten Gleichgewichtsbedingung: R G = 0 Zusammenhang zwischen K und G: R G = R H - T R S = R H - R Q = R Q + V p - R Q = V p Wegen d(ln P)/dP = 1/P = V/(νRT) V p = νrt (ln P) gilt: R G = R G - R G 0 = - R G 0 = νrt ln P/P 0 wegen R G = 0. Da P 0 =1 bar: - R G 0 = νrt ln P* = RT Σ ν i ln P i * = RT lnk(t) 9

10 R G = - RT lnk bzw. K = exp(- R G/RT) K = K (T) Berechnung des Gleichgewichts aus Enthalpie und Entropie der beteiligten Stoffe Folgerungen: Erhöhung der Konzentration eines Eduktes verschiebt das Gleichgewicht in Richtung Produkte. A + B C K = [C] / {[A] [B]} 1. [A] damit K = const. muss [C] da [A] mit [B] zu [C] reagiert [B] 2. [C] [A] und [B] A und B müssen verstärkt miteinander reagieren exotherme Reaktionen werden durch Temperaturerniedrigung, R G < 0 (Vereinfachende Annahme: R S sei 0 für Reaktion) K 1 = exp(+ C 1 / T 1 ) bei T 1 bzw. K 2 = exp(+ C 2 / T 2 ) bei T 2. Falls T 1 < T 2 K 1 > K 2. endotherme Reaktionen werden durch Temperaturerhöhung gefördert. Betrachte experimentelles Beispiel: N 2 O 4 2 NO 2 Druckerhöhung fördert Reaktionen mit Volumenabnahme Bei gasförmigen Stoffen folgt wegen P V = ν R T: P = RT ν/ V = const. [C] Prinzip von Le Chatellier ( Prinzip des kleinsten Zwanges ): Wird auf ein System im Gleichgewicht ein Zwang ausgeübt, z. B. durch Veränderung von Druck, Temperatur oder Zusammensetzung, dann weicht das System diesem Zwang aus. 10

11 2.2.5 Das Löslichkeitsprodukt, Lp AB(s) A + (aq) + B - (aq) im Gleichgewicht: [A + ][B - ] = Konstant = Lp [mol 2 /l 2 ]; temperaturabhängig Löslichkeitsprodukte schwerlöslicher Salze [(mol/l)²] bzw. [(mol/l)³ bzw. [(mol/l) 4 ] Beispiel: Wasserlöslichkeit von Marmor (CaCO 3 ) M(CaCO 3 ) = 100 g/mol Lp = 4, mol 2 /l 2 = [Ca 2+ ][CO 3 2- ] [Ca 2+ ] = [CO 3 2- ] = mol/l 7mg Enthalpie und Entropie von Mischphasen, z.b. Lösungen H vor Mischung = n i h i H nach Mischung ; S vor Mischung = n i s i S nach Mischung (h i, s i : molare Enthalpie bzw. Entropie, n: Stoffmenge) aufgrund der Änderung zwischenmolekularer Kräfte beim Mischvorgang. Verdünnungsenthalpie: H bei Zugabe von Lösungsmittel Lösungsenthalpie: H bei Zugabe von zu lösender Substanz Mischungsentropie: S Mischung = -R x i ln x i + S extra x i = n i /n ges Molenbruch 11

12 2.3 Reaktionskinetik Versuch: Landoltsche Zeitreaktion In drei Bechergläsern wird eine saure KIO 3 - Lösung, versetzt mit einigen Tropfen Stärkelösung, vorgelegt. In jedes der Bechergläser wird eine saure Hydrogensulfit- Lösung zugegeben, wobei in jedes Becherglas eine andere Menge an Hydrogensulfit zugegeben wird. Nach unterschiedlichen Zeiten beobachtet man in allen Bechergläsern, wie die zunächst farblose Lösung schlagartig dunkelblau wird. Erklärung: Es laufen 2 Redoxreaktionen ab. Das Iodat reagiert mit dem Hydrogensulfit nach der Reaktionsgleichung IO H HSO - 3 I HSO H + Diese Reaktion läuft relativ langsam ab. Ist das Hydrogensulfit verbraucht, reagiert das überschüssige Iodat mit dem zuvor gebildeten Iodid nach der sehr schnell ablaufenden Reaktion IO H I - 3 I H 2 O, die beobachtete intensive Blaufärbung ist auf die Bildung des Iodstärkekomplexes zurückzuführen, die Zeit bis zum Auftreten der Blaufärbung hängt von der zugegebenen Menge an Hydrogensulfit ab Zeitgesetze A+B C Reaktionsgeschwindigkeit ω& C = d[c] dt = d[a] dt = d[b] dt (= Änderung der Konzentration pro Zeiteinheit) abhängig von Konzentrationen und Temperatur; Zeitgesetz: funktionaler Zusammenhang. 12

13 Konzentrations-Zeit-Diagramm. Die Steigung einer Tangente ist die Momentangeschwindigkeit, die Steigung einer Sekante ist die Durchschnittsgeschwindigkeit Reaktion erster Ordnung: ω& = k(t) [A] Reaktion zweiter Ordnung: ω& = k(t) [A][B] C C Verallgemeinerung: Reaktionsordnung (Summe aller Exponenten) wird experimentell bestimmt. Elementarreaktion: Reaktion läuft molekular so ab, wie es die Reaktionsgleichung beschreibt. z. B. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O keine Elementarreaktion; ω& a b H O = k [H2 ] [O2 ] 2 H + OH H 2 O Elementarreaktion; ω& = k [H][OH] H 2 O Temperaturabhängigkeit: k(t) = A exp(-e a /RT) E a : Aktivierungsenergie (Arrhenius, 1889) Mechanismus chemischer Reaktionen Genauer molekularer Ablauf einer chemischen Reaktion Elementarreaktionen Aktiver Komplex: Kurzzeitiger Übergangszustand während des Ablaufs einer chemischen Reaktion 13

14 Energetischer Verlauf einer einstufigen Reaktion (links) und energetischer Verlauf einer zweistufigen (katalysierten) Reaktion (rechts) Radikalreaktionen: A:B A + B Ionische Reaktionen: A:B A + + B - Teilchen mit einzelnen ungepaarten Elektronen heißen Radikale und sind sehr reaktiv (z. B. H, OH, O ) Katalyse Katalysatoren verringern E a Homogene Katalyse Zersetzung von Ameisensäure zu Wasser und Kohlenmonoxid ohne Katalysator (links) und unter der Wirkung konzentrierter Säure als Katalysator (rechts) 14

15 Heterogene Katalyse: Reaktionspartner und Katalysator in verschiedenen Phasen (z. B. Gas/ Feststoff) Aktivierung von N 2 O-Molekülen an der Oberfläche von Gold Wichtige Anwendung der heterogenen Katalyse: Verfahren zur Reinigung der Abgase bei der motorischen Verbrennung Schadstoffe: Verbrennungsreaktionen im Ottomotor; Volumenanteile (schematische Darstellung) 15

16 Mögliche Betriebsweisen des Motors: stöchiometrisch Benzinmotor Schadstoffe mager Dieselmotoren Magermischmotoren C m H n CO NO x Dreiwegekatalysator Rußfilter Speicherkatalysatoren SCR-Katalysatoren Reinigungsverfahren: a) Dreiwegekatalysator Umwandlungsgrad der drei Hauptschadstoffe und λ- Fenster (links) und Aufbau eines Abgaskatalysators (rechts) 16

17 b) Verringerung der Stickoxidemissionen in Kfz durch Abgasnachbehandlung: Selektive Katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) Prinzip der Harnstoff-SCR zur Reduktion der Stickoxidemissionen in Kraftfahrzeugen, die mit Diesel- oder mageren Ottomotoren betrieben werden c) Verringerung der Stickoxidemissionen in Kfz durch Abgasnachbehandlung: Speicherkatalysator 17

18 d) Reduzierung der Partikelemissionen: Rußfilter 18

19 2.4 Säure/Basen-Reaktionen (Protolysen) Allgemeines Beispiele für Säuren: Salzsäure HCl Schwefelsäure H 2 SO 4 Salpetersäure HNO 3 Kohlensäure H 2 CO 3 Beispiele für Basen: Ätznatron Ätzkali NaOH KOH Calciumhydroxid Ca(OH) 2 Aluminiumhydroxid Al(OH) 3 Ammoniak NH 3 Natriumcarbonat Na 2 CO 3 Eine Säure ist eine Wasserstoffverbindung, die in einer wässrigen Lösung unter Bildung von H + (aq) dissoziiert, wobei die H + (aq) für die sauren Eigenschaften der Lösung verantwortlich sind. Eine Base ist eine Hydroxidverbindung, die in wässriger Lösung unter Bildung von OH - -Ionen dissoziiert, wobei diese Ionen für die alkalische Reaktion der Lösung verantwortlich sind. Säure + Base Salz + H 2 O HCl + NaOH NaCl + H 2 O 19

20 2.4.2 Säure/Base - Begriff nach Brønsted Beispiel: H-Cl + O H H Cl - + H O + H H Hydronium-Ion (H 3 O + ) umgibt sich über Wasserstoffbrücken mit H 2 O-Molekülen (H 9 O 4 + ) Das H 9 O 4 + -Ion 20

21 Beispiel für eine Base: NH 3 +H 2 O NH OH - Definition: Säure = Protonen- Donator Base = Protonen- Akzeptor Wasser verhält sich gegenüber Säuren als Base und gegenüber Basen als Säure; es ist ein Ampholyt. Aus einer Säure entsteht eine Base und umgekehrt: Säure 1 + Base 2 Base 1 + Säure 2 HCl + H 2 O Cl - + H 3 O + Säure/Base -Paare Protolyse: Übertragung von Protonen Beispiel: H 3 O + + Cl - + Na + + OH - H 2 O + H 2 O + Na + + Cl - Sauer basisch (Säure)<>(Base) neutral Protonenübertragungen sind umkehrbar ( ) Protonenabgabe Säure Base + H + je stärker eine Säure, desto Protonenaufnahme schwächer ihre konjugierte Base HA A - + H + HB B - + H + Protolysegleichgewicht: Säure Base + Proton 21

22 2.4.3 ph - Wert H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - Autoprotolyse K + [H3O ] [OH ] = K W = [H 3 O + ] [OH - ] Ionenprodukt des Wassers [H O]² 2 K W temperaturabhängig K W = mol²/l² ph = -log [H 3 O + ] saure Lösungen: [H 3 O + ] > [OH - ] ph < 7 basische Lösungen: [H 3 O + ] < [OH - ] ph > 7 neutral [H 3 O + ] = [OH - ] ph = Stärke von Säuren und Basen HA + H 2 O A - + H 3 O + B + H 2 O HB + + OH - K S = [A ] [H 3 [HA] O + ] K B = + [HB ] [OH ] [B] Säurekonstante pk S = - logk S Basenkonstante pk B = -logk B pk S + pk B = 14 für ein Säure/Basen-Paar Beispiele: 22

23 Versuche: 1. Indikatorfarben Wässrige Lösungen von Indikatoren zeigen eine für den jeweiligen Indikator charakteristische Farbe, die sich bei Zugabe von Säuren oder Basen deutlich ändert. 2. verschiedene Säurekonzentrationen Mit Hilfe der Indikatoren (oder aber mit Hilfe eines ph-wert Messgerätes) kann der Einfluss der Konzentration von HCl auf den p H - Wert sichtbar gemacht und mit CH 3 COOH verglichen werden. 3. Pufferwirkung In Reagenzgläsern werden Wasser und eine Phosphat- Pufferlösung vorgelegt. Durch Zugabe von Säure oder aber Base beobachtet man im Fall des Wassers sofort den Farbumschlag des Indikators, im Fall der mit dem Phosphatpuffer versehenen Lösung schlägt der Indikator erst nach Zugabe großer Menge an Säure oder Base um. Der ph-wert der mit Phosphatpuffer versehenen Lösung ändert sich also zunächst nicht. 23

24 2.4.5 Indikatoren und Pufferlösungen Indikatoren (ph-wert): Farbstoffe mit vom ph-wert abhängiger Farbe Pufferlösungen: besitzen stabilen ph-wert, der sich auch bei Zusatz größerer Mengen an Säure oder Base kaum ändert. Acetatpuffer (NaAc, HAc) (ph = 4.5 5) Phosphatpuffer (NaH 2 PO 4, Na 2 HPO 4 ) (ph = 7) Ammoniakpuffer (NH 4 Cl, NH 3 ) (ph = ,5) Blut (H 2 CO 3, NaHCO 3 ) (ph 7,5) Neutralisation H 3 O + + OH - H 2 O + H 2 O HA + OH - A - + H 2 O Zugabe einer Base zu einer Säure über Neutralisationen lassen sich bei Anwesenheit von Indikatoren (Farbumschlag) Konzentrationen von Säuren bzw. Basen messen (Titration). 24

25 Titrationskurven (darin eingezeichnet die Umschlagsgebiete dreier Indikatoren) Lewis -Säuren und -Basen Säure: Elektronenpaar- Akzeptor Base: Elektronenpaar- Donator H + + :OH 2 H 3 O + Lewissäure Lewisbase Addukt Komplexverbindung: Ni + 4 :PF 3 Ni(PF 3 ) 4 25

26 2.5 Komplexreaktionen Allgemeines bisher: Verbindungen 1. Ordnung: binäre Verbindungen, nur aus Atombindungen bestehende Verbindungen, z.b. CHCl 3 Alle anderen: Verbindungen höherer Ordnung = Komplexverbindung, Koordinationsverbindung: An einem Zentralatom (Zentralion) werden andere Atome oder Atomgruppen (bzw. Ionen), die so genannten Liganden, angelagert und durch elektrostatische Wechselwirkung oder koordinative Bindung gebunden Komplexbindung an Nichtmetallion z.b. Salze sauerstoffhaltiger Säuren Na 2 SO 4 2 Na + + Ein Komplex ist eine elektrisch geladene Atomgruppe [NO 3 ] -, [PO 4 ] 3-, [ClO 3 ] -, [ClO 4 ] -, gemeinsames Elektronenpaar stammt von Zentralatom Komplexbildung am Metallion Versuch: Reaktion von CuSO 4 mit NH 3 Eine Lösung von CuSO 4 in Wasser zeigt eine blassblaue Färbung. Bei Zugabe von konzentriertem Ammoniak fällt der Tetramin-Kupfer(II)-Sulfat-Komplex aus, die tiefblaue Farbe ist deutlich zu erkennen. Tetramin-Kupfer (II)-Sulfat: NH 3 2+ [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 SO NH 3 Cu NH 3 NH 3 (Kationkomplex) 26

27 Entsteht aus CuSO 4 + Elektronenpaar kommt von Liganden Kalium Hexacyanoferrat (II) (gelbes Blutlaugensatz) 4- CN CN K 4 [Fe(CN) 6 ] 4 K + + CN Fe CN [ C N ] - CN CN (Anionkomplex) Beispiele für Komplexreaktionen Ligandenaustausch 2+ HCl Zugabe [Cu(H2 O) 4 ] + 4 Cl [CuCl4 ] + 4 H2O 2 3+ Zugabe Base 2 + [Al(H O) 6 ] + 3B Al(OH) 3 (H2O) 3 3 HB Aquakomplex elektrisch neutrales Hydroxid (schwerlöslich. Niederschlag) Kationensäure Fällungs/Niederschlagsreaktionen 27

28 2.6 Redoxreaktionen Begriffe 2 H + O O H H 2 Na + 2 Na + + O O 2- Na + Cl Na + + Cl - Oxidation ist Elektronenentzug Reduktion ist Elektronenzufuhr. Ein Redoxvorgang ist eine Elektronenverschiebung. Na + Cl Na + + Cl - Reduktionsmittel Oxidationsmittel Oxidationsmittel Reduktionsmittel Red 1 Ox 2 Ox 1 Red 2 Redoxpaar: Red Ox + n e - Redoxvorgang: Red 1 + Ox 2 Ox 1 + Red 2 Oxidationszahl (OZ) gibt an, welche Ladung ein Element in einer Verbindung tragen würde, wenn alle am Aufbau dieser Verbindung beteiligten Elemente in Form von Ionen vorlägen. Das bindende Elektronenpaar zählt zum elektronegativeren Element. Beispiele: NaCl Al 2 O 3 +1 einatomige Ionen: OZ= Ladung Na neutrale Moleküle: OZ = 0 H 2 O +6-2 Komplexion: OZ = Ladung [SO 4 ] 2- Regeln: freie Elemente OZ = 0 Metalle OZ > 0 B, Si OZ > 0 F OZ = -1 H OZ = +1 O OZ = NH 3 NaH NaHCO 3 28

29 2.6.2 Redoxreaktionen - Beispiele Na + Cl 2 2 Na Cl - (Na Na + = Ox / Cl Cl - = Red) Oxidation: OZ nimmt zu (Na 0 Na + ) Reduktion: OZ nimmt ab (Cl Cl - ) Reduktion CuO + H 2 Cu + H 2 O Oxidation Oxidation Fe + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu Reduktion Ein Reduktionsmittel (Red 1 ) überträgt Elektronen nur auf Oxidationsmittel (Ox 2 ), die stärker sind (leichter Elektronen binden) als sein konjugiertes Oxidationsmittel (Ox 1 ). Aufstellen von Reaktionsgleichungen: Beispiel: Salpetersäure (HNO 3 ) reagiert mit Schwefelwasserstoff (H 2 S) in saurer Lösung zu Schwefel (S) und Stickstoffmonoxid (NO) ) Redoxpaare: 3H + + HNO e - NO + 2 H 2 O H 2 S S + 2 H + + 2e - 3 2) Bilanzieren der Atome, deren OZ sich ändert 3) (saure Lösung): für jedes benötigte O Atom wird ein H 2 O-Molekül verwendet; für jedes H-Atom wird ein H + verwendet. 3 H + + HNO 3 NO + 2 H 2 O H 2 S S + 2 H + 4) Zufügen von e - zur Ladungsbilanzierung 3 H + + HNO 3 + 3e - NO + 2 H 2 O H 2 S S + 2 H + + 2e - 5) Bilanziere Anzahl der Elektronen in beiden Redoxpaaren (kleinstes gemeinsames Vielfaches): 6 6 H HNO e - 2 NO + 4 H 2 O 3 H 2 S 3 S + 6 H e - 6) Addiere beide Teilgleichungen 2 HNO H 2 S 2 NO + 3 S + 4 H 2 O 7.) Überprüfe Bilanz 29

30 2.6.3 Redoxpotential Versuche: 1. Spannungsreihe In 3 mit CuSO 4 -Lösung gefüllte Porzellanschalen werden a) ein Fe-Blech b) ein Zn-Blech c) ein Ag-Blech hineingelegt. Man beobachtet, dass sich im Fall a) Cu abscheidet, b) Cu abscheidet, c) nichts verändert. 2. Cu/Fe-Element In der unten abgebildeten Versuchsanordnung wird das Normalpotential des Cu/Fe- Elements gemessen. Die in der Vorlesung verwendete Apparatur unterscheidet sich von der in der Abbildung lediglich dadurch, dass ein Fe- Stift in eine 1- molare FeSO 4 - Lösung eintaucht. Die am Voltmeter angezeigte Spannung entspricht genau dem aus der Spannungsreihe (siehe unten) folgenden Wert von 0,75 V. Ox, E 0 = V Fe + Cu 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Cu E 0 = (-(-0.41)+0.34)V = 0.75 V Red, E 0 = 0.34 V 3. Normalwasserstoffelektrode In der eben verwendeten Versuchsanordnung wird der in die FeSO 4 - Lösung eingetauchte Fe- Stift durch die unten abgebildete Normal- Wasserstoffelektrode ersetzt. Diese Elektrode besteht aus einem von H 2 bei Umgebungsdruck umspülten Pt- Blech, das in eine Säure mit [H + ] = 1 mol/l eintaucht. Nach kurzer Zeit wird am Voltmeter das Normalpotential von Cu (0,34 V) abgelesen. Messung des Elektronenübergangs durch Messung eines Stromes, wenn beide Teilvorgänge örtlich getrennt werden. Spannung (Potentialdifferenz) zwischen Elektroden ist messbar. 30

31 Messung der Spannung bzw. Stromstärke zwischen zwei Metallelektroden. Die Halbzellen sind mit einem Stromschlüssel leitend miteinander verbunden. (links) Wasserstoffelektrode (rechts) Am Zinkblech: Zn 2+ -Ionen gehen in Lösung (Anode) Kupferelektrode: Entladung von Cu 2+ -Ionen (Kathode) Elektronen wandern über den Draht (das Amperemeter), in den Stromschlüssel (gesättigte KCl- Lösung) wandern Zn 2+ -Ionen, aus dem Stromschlüssel treten K + - Ionen in die CuSO 4 -Lösung über, da diese an Ionen verarmt. Spannung (Potentialdifferenz) zwischen den Elektroden messbar. Hier: Zn- Elektrode negativer Pol (Elektronen wandern von hier zum Kupferblech (0.8 V bei 1M-Lösung) Galvanische Zelle = Kombination zweier Halbzellen (Stromquelle) Aufstellen einer Spannungsreihe (Redoxreihe) mittels Normalwasserstoffelektrode (Pt, von H 2 unter Atmosphärendruck umspült, in Lösung mit ph=0 oder [H 3 O + ] = 1M). 2 H 2 O + H 2 2 H 3 O e -. 31

32 Das Standardpotenzial E 0 ist das gegenüber einer Normalwasserstoffelektrode gemessene Potential eines Redoxpaares im Standardzustand (25 C, 1 atm, Konz. aller Reaktanden 1mol/l). Das Normalpotential des Gleichgewichts Red Ox + z e - hängt von den Konzentrationen von Red und Ox ab: RT [Ox] E = E0 + ln F = Faraday-Konstante = N A e = 9,648*10 4 C/mol = [As/mol] zf [Re d] Nernst sche Gleichung 32

33 2.7 Elektrochemie Primärbatterien Zink-Kohle-Batterie (Le Clanché-Zelle) Anode (-) Zinkblech Zn Zn e - Kathode (+) Braunstein/Graphitstift (MnO 2 ) 2 MnO H 2 O + 2 e - 2 MnO(OH) + 2 OH - Zn + 2 MnO NH 4 Cl 2 MnO(OH) + [Zn(NH 3 ) 2 ]Cl Handelsübliche Zink/Kohlebatterien (links) und Aufbau der Leclanché (rechts oben) und der Alkali/Mangan-Zelle (rechts unten) Alkali-Mangan-Batterie (-) Zn + 4 OH - [Zn(OH) 4 ] e - (+) MnO H 2 O + 2 e - Mn(OH) OH - +Folge- und Nebenreaktionen Vorteil gegenüber der Zink/Kohle-Batterie: H 2 O wird verbraucht (ist trocken) Heute wieder aufladbar; E = 1.5 V 33

34 2.7.2 Sekundärbatterien (Akkumulatoren) Aufladen der Batterie durch Stromumkehr möglich. Bleiakku (Autobatterie) Bleiakkumulator (nach Pauling) Entladen / Aufladen : A(-) Pb + SO 2-4 PbSO e - (hin) (zurück) K(+) PbO 2 + SO H 3 O e - PbSO H 2 O Nickel-Cadmium-Akku: (NiCd) (-) Cd + 2 OH - Cd(OH) e - (+) 2 NiOOH + 2 H 2 O + 2 e - 2 Ni(OH) OH - Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) (-) 2 MH + 2 OH - 2M + 2 H 2 O + 2e - E=1,32V (+) 2 NiOOH + 2 H 2 O + 2 e - 2 Ni(OH) OH - M=La 0,8 Nd 0,2 Ni 2,5 Co 2,4 Si 0,1 34

35 Lithium-Ionen-Akkumulator (sehr hohe Energiedichte) Schema eines Li-Ionen-Akkumulators Anode (-): Li x C n n C + x Li + + x e - Kathode (+): Li n-x Mn 2 O 4 + x Li + + x e - Li n Mn 2 O 4 Li sehr reaktiv ( Probleme bei Laptops) Reaktionsgeschwindigkeit stark temperaturabhängig: Überhitzung muss vermieden werden. 35

36 2.7.3 Brennstoffzellen direkte Umwandlung chemischer in elektrische Energie, kontinuierlich PEM-Brennstoffzelle (PEM-BZ bzw. engl.: PEMFC Fuel Cell) Schema einer PEM-Brennstoffzelle Polymerelektrolyt, z. B. Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane) Elektroden: Pt/C Ladungsträger: H 3 O + (H + ) Anode: 2 H H 2 O 4 H 3 O e - Kathode: O H 3 O e - 6 H 2 O Gesamtreakt.: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O T= (CO-Vergiftung möglich) 36

37 SOFC Solid-Oxide Fuel Cell (Festoxid-BZ) Elektrolyt: Oxid (YSZ) Anode: Ni/YSZ 2 H O 2-2 H 2 O + 4 e - Kathode: Ni/Oxid O e - 2 O 2-2 H 2 + O 2 2 H 2 O Betriebstemperatur: 800 C (keine CO-Vergiftung möglich, daher kann der Brennstoff auch Kohlenwasserstoffe (HC = hydrocarbons im Bild) oder CO enthalten) 37

38 2.7.4 Elektrolyse Versuch: Kupfer-Elektrolyse Die Versuchsanordnung entspricht der unten abgebildeten Elektrolyse von Na 2 SO 4, jedoch wird eine CuCl 2 - Lösung verwendet. Nach einiger Zeit erkennt man, dass an der als Kathode geschalteten Messingelektrode Cu abgeschieden wird (Farbe). Elektrolyte: Stoffe, die den elektrischen Strom durch Wanderung von Ionen leiten. Elektrolyse: Redoxreaktionen unter Einwirkung des elektrischen Stroms; zwangsweise Umkehrung von Vorgängen, die in einer Galvanischen Zelle freiwillig ablaufen. Elektrolyse einer Na 2 SO 4 -Lösung. Faradaysche Gesetze: 1. abgeschiedene Stoffmenge proportional zur Ladung 2. abgeschiedene Masse proportional zum Atomgewicht m abgeschieden = M I t z F n = Q z F 38

39 Beispiele: Elektrolytische Raffination Cu und Elemente mit höherem Normalpotential werden abgeschieden, Elemente mit geringerem Normalpotential bleiben in der Lösung Cu und Elemente mit geringerem Normalpotential gehen in Lösung, Elemente mit größerem Normalpotential fallen als Anodenschlamm aus Schema der elektrolytischen Raffination von Kupfer. An der Kathode setzt sich das reine Kupfer an. Der Anodenschlamm wird zur Gewinnung von Edelmetallen weiterverarbeitet. Herstellung galvanischer Überzüge (Versilbern, Vernickeln, Verchromen) Anodische Oxidation elektrolytische Gewinnung (Cl 2, H 2 ) 39