Das Chemische Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz

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1 Das Chemishe Gleihgewiht Massenwirkungsgesetz Reversible Reaktionen: Beisiel : (Bodenstein 899 Edukt (Reaktanden Produkt H + I HIH Beobahtung: Die Reaktion verläuft unvollständig! ndig! D.h. niht alle H und I Moleküle reagieren zu HI. H Chemie im Nebenfah Das Chemishe Gleihgewiht Exeriment a Bildung von HI. H. Gemish (Stoffmengen H I HI Anfang mol mol 0 mol Im Gleihgewiht 0,8 mol 0,8 mol,544 mol (bei 490 C Exeriment b Zerfall von HI. H. Gemish (Stoffmengen H I HI Anfang 0 mol 0 mol mol Im Gleihgewiht 0,8 mol 0,8 mol,544 mol (bei 490 C Chemie im Nebenfah

2 Das Chemishe Gleihgewiht Beisiel : Ammoniak-Synthese (Haber-Bosh Bosh-Verfahren Hinreaktion: N + 3 H NH 3 Rükreaktion: Zusammengefasst: NH 3 N + 3 H N + 3 H NH 3 Befunde: Alle reversiblen Prozesse tendieren zum Erreihen eines Gleihgewihtszustandes. Gleihgewihtszustand: keine weitere Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgemishes. Das Gleihgewiht ist dynamish und läßt sih beeinflussen. Chemie im Nebenfah 3 Das Chemishe Gleihgewiht Einige wihtige reversible Prozesse Bouduard-Gleihgewiht Gleihgewiht: (Hohofen-Prozess, T R 000 C Shwefelsäure ure-darstellung: C(f + CO SO + ½ O at. CO SO 3 ohlevergasung: (Endotherme Reaktion C(f + H O CO + H Reaktionen mit Synthesegas: Gemish CO / H (wihtig für f r organishe Vor- und Zwishenrodukte CO + H CO + 3 H [at] [at] CH 3 OH H H -9 kjmol - CH 3 OH + H O H H -50 kjmol - ( 350 bar; T 350 C Chemie im Nebenfah 4

3 Das Chemishe Gleihgewiht CH 3 OH + HCl CH 3 Cl + H O H H -33 kjmol - H C CH + H O CH 3 CH CH + H O at. at. C H 5 OH H H -46 kjmol - (CH 3 COH H H -50 kjmol - Reduktion (Gewinnung von Metallen: FeO(f + CO Fe(f + CO MoO 3 (f + 3 H Mo(f + 3 H O Interhalogen-Verbindungen: IBr I + Br Br + Cl BrCl Chemie im Nebenfah 5 Das Chemishe Gleihgewiht Zersetzung von Oxiden (u.a.: alkbrennen: CaCO 3 (f (alkstein 000 C CaO(f + CO (gebrannter alk CaO(f + H O Ca(OH (f (gelöshter alk Ca(OH (f + CO CaCO 3 (f + H O (Abbinden HgO(f Hg + O Pb 3 O 4 (f 6 PbO(f + O Chemie im Nebenfah 6

4 Das Chemishe Gleihgewiht Interessante Gleihgewihtsreaktionen in der organishen Chemie: O T H N 6 H N C NH N N + 6 NH CO N NH (Melamin NH H C CH CH + SO CH S O S O (Sulfolan Chemie im Nebenfah 7 Das Chemishe Gleihgewiht Interessante Gleihgewihtsreaktionen in der organishen Chemie: CH - CH 3 [at.], -H CH CH Styrol ( Polystyrol Chemie im Nebenfah 8

5 Das Chemishe Gleihgewiht 3 Der Gleihgewihtszustand onz. / mol L - Die onzentrationen aller beteiligten Substanzen bleiben konstant. Es handelt sih um ein dynamishes Gleihgewiht. (Produkte (Edukte Hinreaktion mit Rükreaktion mit Im Gleihgewiht: t G Zeit v hin f [(Edukte[ (Edukte] v rük f [(Produkte] v hin v rük Chemie im Nebenfah 9 Das Chemishe Gleihgewiht Beisiel: H + I Allgemein: Annahme: A + B HI H AB Die Hin- wie auh die Rükreaktion R verlaufen in einem Shritt. Dann folgt: v hin k hin (A (B und v rük k rük (AB Im Gleihgewiht: v hin v rük k hin (A (B k rük (AB (v: Reaktionsgeshwindigkeit k: Geshwindigkeitskonstante k k hin rük (A (AB (B Chemie im Nebenfah 0

6 Das Chemishe Gleihgewiht Die Gleihgewihtskonstante ist allein von der Temeratur abhängig. ist völlig v unabhängig ngig von den Stoffmengen, vom Druk sowie von der An- oder Abwesenheit eines atalysators. Nah der Gasgleihung V n R T gilt: (n/v R T T R T Somit gilt analog: (A (AB (B Chemie im Nebenfah Das Chemishe Gleihgewiht 4 Formulierung der Gleihgewihtskonstanten und (Anwendung des Massenwirkungsgesetzes (MWG Um das MWG zu formulieren sind drei Angaben unabdingbar: a Edukte und Produkte müssen m definiert sein; b Stöhiometrie der Reaktionsgleihung; Zustände der beteiligten Stoffe (gasförmig, flüssig, fest. zu a Ohne diese enntnis ist überhaut keine Aussage möglih! m zu b Die Zahlenwerte und Dimensionen von und sind entsheidend: Beisiel: CO + H O CO + H Chemie im Nebenfah

7 Das Chemishe Gleihgewiht Beisiel: CO + H O CO + H Mit dem MWG folgt: (CO (H (CO (H O bzw. (CO (H (CO (H O Die Werte für f und dieser Reaktion sind dimensionslos! Beisiel: (N N + 3 H (NH3 3 (H NH 3 Dimension hier für: f : (mol/l - : bar - Chemie im Nebenfah 3 Das Chemishe Gleihgewiht Völlig äquivalent, aber anders formuliert: / N + 3/ H führt zu: (N (NH 3 3 (H NH 3 hat hier die Einheit (mol/l - und vor allem einen ganz anderen Zahlenwert!!! Chemie im Nebenfah 4

8 Das Chemishe Gleihgewiht zu Heterogene Systeme: Definition: Die onzentration in einem reinen Feststoff oder in einer reinen Flüssigkeit ist konstant, wenn der Druk und die Temeratur T konstant sind. Daher werden diese Stoffe dann im MWG niht aufgeführt! Beisiele: NiO(f + CO Ni(s + CO (CO bzw. (CO (CO (CO Chemie im Nebenfah 5 Das Chemishe Gleihgewiht 3Fe(f + 4 H O Fe 3 O 4 (s + 4 H 4 (H bzw. 4 (H O 4 (H 4 (H O Chemie im Nebenfah 6

9 Das Chemishe Gleihgewiht NO Cl NO + Cl NO Cl + Cl NO + Cl NO Cl NO + Cl Für r die Gleihgewihtskonstante der Gesamtreaktion kann man daher die folgende Gleihung formulieren: (NO (Cl (NO Cl (NO (Cl (NO (Cl (NO Cl (NO Cl (Cl Chemie im Nebenfah 7 Das Chemishe Gleihgewiht 5 Bedeutung der Zahlenwerte von und Die Gleihgewihtskonstanten und mahen konkrete Aussagen über die Lage des Gleihgewihtes. a Wenn, Die Reaktion läuft l nahezu vollständig in Rihtung der Produkte ab. Beisiel: H + O H O (5 C 0 80 bar -, d.h. sehr großer Wert! Daher: eine Zersetzung von Wasser bei 5 C. b Wenn, Die onzentrationen (Edukt und (Produkt im Gleihgewiht sind vergleihbar groß,, wie z.b. im System H + I HI. Chemie im Nebenfah 8

10 Das Chemishe Gleihgewiht Wenn, Die Reaktion läuft raktish niht ab. Beisiel: N + O NO (5 C 0-30, d.h. sehr kleiner Wert! Daher: Aus dem Luftgemish entsteht bei dieser Temeratur kein NO! 6 Einzelheiten über die Gleihgewihtskonstanten und a Temeraturabhängigkeit Die Zahlenwerte von bzw. sind temeraturabhängig. Chemie im Nebenfah 9 Das Chemishe Gleihgewiht Die Zahlenwerte von bzw. sind temeraturabhängig. Bei exothermen Reaktionen ( H < 0: 0 Temeraturerhöhung: hung:, werden kleiner. Das Gleihgewiht vershiebt sih nah links,, zum Edukt. ( Prinzi des kleinsten Zwangs Bei endothermen Reaktionen ( H > 0: 0 Temeraturerhöhung: hung:, werden größ ößer. Das Gleihgewiht vershiebt sih nah rehts,, zum Produkt. ( Prinzi( des kleinsten Zwangs Quantitative Beshreibung der Änderung von und als Funktion der Temeratur T: o Aus der Thermodynamik: d ln H dt R T Chemie im Nebenfah 0

11 Das Chemishe Gleihgewiht Die Integration liefert: ln H R o T T bzw. log o H,3 R Beisiel: Temeraturabhängigkeit des Bouduard-Gleihgewihts C(f + CO CO H H > 0, endotherm T T Bei ges bar: 0 00 Vol.-% CO Vol.-% CO C 600 C 800 C 000 C Chemie im Nebenfah Das Chemishe Gleihgewiht b Zusammenhang zwishen und Für r die allgemeine Reaktion aa + bb C + dd Gilt die Beziehung: mit: Gilt die Beziehung: ( R T (+ d a b d (C (D a b (A (B Ableitung: Aus dem idealen Gasgesetz: V V n R Tn n Folgt für f r die onzentration: V R T Somit: d (C (D a b (A (B C R T A R T a D R T B R T (a+ b d Chemie im Nebenfah d b C a A d D b B (R T

12 Das Chemishe Gleihgewiht Es folgt: (a+ b d ( R T Bzw.: ( R T Mit: ( R T n Chemie im Nebenfah 3 Wir können k nun 3 möglihe m Fälle F für f n n diskutieren: n n 0, n n < 0, n n > 0. ( n n 0 n + d a b (+ d a b folgt: Somit: (R T o und Das gilt für f r Reaktionen ohne Volumenänderungen nderungen (keine Molzahländerung nderung. Beisiele: N + O NO n n 0 IBr I + Br n n 0 Das Chemishe Gleihgewiht Folge: ( n n > 0 Man findet keine Vershiebung des Gleihgewihtes durh Veränderung des Gesamtdrukes. Die Reaktion ist mit Drukzunahme verbunden! Beisiel: N O 4 NO n n (R T Folge: (3 n n < 0 Bei Erhöhung hung des Gesamtdrukes findet man eine Vershiebung des Gleihgewihtes nah links. Die Reaktion ist mit Drukabnahme verbunden! Verringerung der Molzahl. Beisiel: CO + Cl Folge: COCl n n - - (R T Chemie im Nebenfah 4 T - Bei Erhöhung hung des Gesamtdrukes findet man eine Vershiebung des Gleihgewihtes nah rehts.

13 Das Chemishe Gleihgewiht Zu Verdeutlihung: Bouduard-Gleihgewiht CO C(f + CO CO ; n ; (R T Qualitativ: Die Erhöhung hung von ges führt zur Erniedrigung des CO-Anteils im System. Quantitativ: P ges wird hier von bar auf 0 bar erhöht. ht. ( 0,8 bei T700 C Es soll das Verhältnis (CO /(CO bestimmt werden. CO CO CO somit : CO + CO ges CO ( ges CO Die Lösung L der quadratishen Gleihung ist: 0 CO ges Chemie im Nebenfah 5 Das Chemishe Gleihgewiht Ergebnis: P ges [bar] P(CO P P(CO P(CO /P(CO 0,58 0,4 0,7 0,8 0,47 7,53 3,05 0,8 Erhöhung hung der Ausbeute einer Gleihgewihtsreaktion durh Änderung der onzentration Hier existieren zwei Möglihkeiten: M Erhöhung hung der onzentration der Ausgangskomonenten Ständige Entfernung der Produkte aus dem Gleihgewiht. Zusammengefasst: Die Beeinflussung hemisher Reaktionen durh die Änderung von, T, (Le Chatelier Prinzi. Chemie im Nebenfah 6

14 Das Chemishe Gleihgewiht Aufgabe: Gegeben sei eine exotherme Reaktion des Tys Frage: X + Y Z H < 0 Bei welhem der vier folgenden Fälle F ist mit der größ ößten Ausbeute am Produkt Z zu rehnen? Begründung! a 00 bar und 0 C b 00 bar und 300 C 400 bar und 0 C d 400 bar und 300 C Chemie im Nebenfah 7 Das Chemishe Gleihgewiht 7 Voraussagen über die Rihtung einer Umsetzung mit Hilfe von bekannten Gleihgewihtskonstanten ((, Der Reaktionsquotient Q Für r die allgemeine Reaktion aa + bb [C] [A] Gl a Gl [D] [B] d Gl b Gl Analog : Q [C] [A] C + dd gilt: [D] [B] Wobei: [A] Gl : Gleihgewihtskonzentration des Stoffes A [A] : Gegebene, aktuelle onzentration des Stoffes A Wir vergleihen Q mit : Drei MöglihkeitenM Q < : Die Reaktion wird von links nah rehts ablaufen, bis zum Gleihgewiht. Q : Gleihgewihtszustand. Q > : Die Reaktion wird von rehts nah links ablaufen, bis zum Gleihgewiht. Chemie im Nebenfah 8 a d b

15 Das Chemishe Gleihgewiht 8 atalysatorwirkung E Erhöhung hung der Reaktionsgeshwindigkeit Das Gleihgewiht wird shneller eingestellt. E a(hin Der atalysator hat keinerlei Einfluss auf die Lage des hemishen Gleihgewihtes. Übergangszustand E a(rük E Übergangszustand- Übergangszustand- A at A at + X A at E a(hin E a(rük A + B U A + B U AB AB Reaktionskoordinate ( Zeit Reaktionskoordinate ( Zeit Ohne atalysator Mit atalysator Chemie im Nebenfah 9 Das Chemishe Gleihgewiht Der atalysator begünstigt die Hin- und Rükreaktion R gleihermaßen. en. Die Aktivierungsenergie E a(rük k für r die Rükreaktion R wird in Anwesenheit eines atalysators ebenfalls um den gleihen Betrag gesenkt wie E a(hin für r die Hinreaktion. Chemie im Nebenfah 30

16 Das Chemishe Gleihgewiht 9 Zusammenfassung Reversible Prozesse Reaktionsgleihungen, Zustände der beteiligten Stoffe Stöhiometrie hiometrie, H (endo- oder exotherm,, Q; (RT n Vershiebung des Gleihgewihts (Le Chatelier Prinzi Übungsaufgaben: Anwendung des idealen Gasgesetzes. Stoffmengenanteil x i ; x i i / ges n i /n ges V i /V ges Lösung der quadratishen Gleihung a x + ax + b 0 zu: x, a ± b Chemie im Nebenfah 3

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