A Reaktionsgleichungen

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1 A Reaktionsgleichungen Die Darstellung einer Reaktion in einer Reaktionsgleichung ist ein Åbersichtliches und anschauliches Hilfsmittel, das die an der Reaktion beteiligten Stoffe und deren Umsetzung wiedergibt und den Reaktionstyp erkennen lässt. Die Aufstellung von Reaktionsgleichungen wird durch zwei Grundgesetze ermçglicht: Gesetz von der UnzerstÄrbarkeit der Elemente Bei einer chemischen Reaktion werden weder Elemente zerstçrt noch neue gebildet. Gesetz von der Erhaltung der Masse Die Gesamtmasse der an einer chemischen Reaktion beteiligten Stoffe bleibt unverändert. Die Edukte (Ausgangsstoffe) stehen auf der linken, die Produkte auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung. Dazwischen steht ein Reaktionszeichen, das die Richtung der Reaktion und die Stoff- und Massengleichheit wiedergeben soll. Durch einen einfachen Pfeil kennzeichnet man Reaktionen, die nur in einer Richtung ablaufen. 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 Gleichgewichtsreaktionen erhalten einen Doppelpfeil, der andeuten soll, dass die Reaktion auf beide Seiten ablaufen kann. CaCO 3 CaO + CO 2 Besondere Bedingungen werden Åber den Reaktionspfeil geschrieben. / Kat 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 Zur leichten Erkennung von entweichenden Gasen oder ausfallenden NiederschlÄgen setzt man besondere Pfeile ein. 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Aufstellen von Reaktionsgleichungen Die an einer Reaktion beteiligten Edukte und Produkte und deren formelmässige Zusammensetzung måssen bekannt sein. Reaktionen 33 RRi

2 Beispiele: a) Kaliumhydroxid KOH reagiert in wässriger LÇsung mit Aluminiumchlorid AlCl 3 zu Kaliumchlorid KCl und Aluminiumhydroxid Al(OH) 3. ZunÄchst schreibt man die Formeln der Edukte auf die linke, die der Produkte auf die rechte Seite des Reaktionspfeils. Damit die Stoffbilanz ausgeglichen ist, muss jede Atomsorte, die in den Edukten auftritt auch in den Produkten enthalten sein. KOH + AlCl 3 KCl + Al(OH) 3 Damit auch die Massenbilanz ausgeglichen ist, måssen die einzelnen Formeln der Stoffe in geeigneter Weise mit Koeffizienten vervielfacht werden, bis von jeder Atomsorte auf beiden Seiten des Reaktionspfeiles je gleich viele Atome vorhanden sind. 3 KOH + AlCl 3 3 KCl + Al(OH) 3 b) 2 NaCl + H 2 SO 4 2 HCl + Na 2 SO 4 c) 3 Ca(OH) H 3 PO 4 Ca 3 (PO 4 ) H 2 O Aufgaben Erstellen Sie in den folgenden unvollständigen Reaktionsgleichungen die Massengleichheit: 1. KClO 3 KCl + O 2 2. Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 + H 2 O 3. N 2 + H 2 NH 3 4. TiF 4 + H 2 SO 4 HF + SO 3 + TiO 2 5. NH 3 + O 2 NO + H 2 O 6. C 2 H 4 O 2 + O 2 CO 2 + H 2 O 7. NO 2 + O 2 + H 2 O HNO 3 Quantitative Beziehungen Eine chemische Reaktionsgleichung besitzt einen doppelten Aussageinhalt. Sie macht eine qualitative Aussage und eine quantitative. Beispiel: C 2 H O 2 2 CO H 2 O Qualitative Aussage Ethen verbrennt zu Kohlendioxid und Wasser. Reaktionen 34 RRi

3 Quantitative Aussage TeilchenzahlenverhÅltnis: 1 MolekÅl Ethen verbrennt mit 3 MolekÅlen Sauerstoff zu 2 MolekÅlen Kohlendioxid und 2 MolekÅlen Wasser. StoffmengenverhÅltnis: 1 Mol Ethen verbrennt mit 3 Mol Sauerstoff zu 2 Mol Kohlendioxid und 2 Mol Wasser. MassenverhÅltnis: 28,0 g Ethen verbrennt 96,0 g Sauerstoff zu 88,0 g Kohlendioxid und 36,0 g Wasser. VolumenverhÅltnis: Im Normzustand (0 ÉC und 1,013 bar) beträgt das Molare Volumen eines idealen Gases V m,n = 22,41 L/mol. Daraus ergibt sich das folgende VolumenverhÄltnis der reagierenden Stoffe: 22,4 L Ethen verbrennt mit 67,2 L Sauerstoff zu 44,8 L Kohlendioxid und 44,8 L Wasserdampf. StÄchiometrie Mit Hilfe der obigen quantitativen Beziehungen lassen sich Berechnungen Åber die StoffumsÄtze bei einer chemischen Reaktion anstellen. Beispiele: a) 3,5 kg Bleichromat PbCrO 4 sollen durch Umsetzung von Bleiacetat mit Kaliumbichromat hergestellt werden. Welche Masse an Kaliumbichromat ist einzusetzen? 2 Pb(CH 3 COO) 2 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 O 2 PbCrO CH 3 COOH + 2 CH 3 COOK 3500g n PbCrO4 10,8292mol 323,2g/mol n K 2Cr2O7 10,8292mol : 2 = 5,4145mol m K Cr O 5,4145mol 294,2 g/mol 1592,9g = 1,59 kg Reaktionen 35 RRi

4 b) Wie viele Liter Luft (Sauerstoffanteil = 21,0 %) braucht es zur Verbrennung von 1,00 kg Koks (Kohlenstoffgehalt = 91,0 %)? C + O 2 (g) CO 2 m n V V C 1000g 0,91 = 910g C 910g :12,01g/mol 75,77019mol = n O2 O2 75,77019mol 22,41L/mol = 1698,0099L Luft 1698,0099L:0,21 = 8085,761L = 8086 L Aufgaben 1. 10,0 g Lithium werden mit Wasser umgesetzt 2 Li + 2 H 2 O 2 LiOH + H 2 a) Wie viele g Wasser werden verbraucht? b) Wie viele Liter Wasserstoff werden frei gesetzt? 2. Wie viele g Kaliumchlorat måssen erhitzt werden, damit 10,0 Liter Sauerstoffgas entweichen? 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 (g) 3. Wie gross ist der Massenverlust beim GlÅhen von 3,48 g Calciumcarbonat? CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) 4. Wie gross ist die Gas-Dichte bei Normbedingungen von Methan CH 4? 5. Welche Stoffmenge an Cl - -Ionen wird beim LÇsen von 2,50 g CaCl 2 freigesetzt? CaCl 2 Ca Cl - 6. Wie viele g Wasser entstehen bei der Explosion von 1,00 Liter Wasserstoffgas (NB)? 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 7. Die Probe einer verdånnten SchwefelsÄure wird mit Bariumchlorid versetzt. Es fallen 1,165 g BaSO 4 -Niederschlag aus. Wie viele Gramm reine SchwefelsÄure enthielt die Probe? H 2 SO 4 + BaCl 2 BaSO HCl 8. 10,0 g einer Mischung von je 50 % CaCO 3 und MgCO 3 werden mit SalzsÄure gekocht. Welches Volumen nimmt das dabei entwickelte CO 2 (NB) ein? CaCO HCl CaCl 2 + H 2 O + CO 2 (g) MgCO HCl MgCl 2 + H 2 O + CO 2 (g) 9. 10,0 ml einer SalzsÄure werden mit Silbernitrat AgNO 3 versetzt. Der entstehende Silberchlorid- Niederschlag AgCl wiegt 1,285 g. Wie viele Liter Chlorwasserstoffgas sind in einem Liter dieser SalzsÄure gelçst? HCl + AgNO 3 AgCl + HNO ,8 mg des Eisenerzes Magnetit enthalten 56,8 % Fe 3 O 4. Die Probe wird in SÄure gelçst und auf ein Volumen von 100 ml verdånnt. Wie viele mmol Fe 3+ -Ionen sind in einem Liter dieser LÇsung enthalten? Reaktionen 36 RRi

5 B Reaktionsgeschwindigkeit Als Mass får den zeitlichen Ablauf einer chemischen Reaktion dient uns die Reaktionsgeschwindigkeit v. Unter der Reaktionsgeschwindigkeit v versteht man das VerhÄltnis aus der GehaltsÄnderung eines beteiligten Stoffes und der dazu bençtigten Zeit. Stosstheorie FÅr den Eintritt einer Reaktion ist Bedingung, dass die kleinsten Teilchen der Reaktionspartner aufgrund der WÄrmebewegung zusammen stossen. Der Zusammenstoss muss so heftig erfolgen, dass in den reagierenden Stoffen die alten Bindungen gelçst werden, damit durch den Aufbau von neuen Bindungen andere Stoffe entstehen kçnnen. Eine chemische Reaktion läuft also umso schneller ab, je mehr erfolgreiche ZusammenstÄsse pro Zeiteinheit zwischen den kleinsten Teilchen erfolgen. AbhÅngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Temperatur Eine hçhere Temperatur bewirkt eine grçssere Teilchengeschwindigkeit und es kommt häufiger zu StÇssen. Die Teilchen prallen zudem heftiger aufeinander, der Anteil an erfolgreichen StÇssen wird grçsser. H T H T E S aktivierte Teilchen E E S aktivierte Teilchen E Faustregel: Pro 10ÉC TemperaturerhÇhung verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Konzentration Mit der Konzentration Ändert sich die Teilchendichte und damit die Wahrscheinlichkeit får ZusammenstÇsse. Reaktionen 37 RRi

6 Die Reaktionsgeschwindigkeit ist proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktionspartner. v = k Ñ c(a) Ñ c(b) k ist eine von der Temperatur und dem Druck abhängige ProportionalitÄtskonstante. Im Verlaufe einer Reaktion nimmt die Konzentration der Edukte ständig ab und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit. v OberflÅche In heterogenen Systemen kçnnen sich die Teilchen der Reaktionspartner nur an der GrenzflÄche treffen. Je feiner die Stoffe verteilt sind, umso grçsser ist die GrenzflÄche und umso häufiger die ZusammenstÇsse. Katalysator Katalysatoren sind Stoffe, die in kleinen Mengen die Reaktionsgeschwindigkeit um grosse BetrÄge vergrçssern, indem sie die Energie får einen erfolgreichen Stoss herunter setzen. Nach der Reaktion liegen sie in unveränderter Form wieder vor und kçnnen erneut in Funktion treten. t H T H T aktivierte Teilchen aktivierte Teilchen E S E E S E Reaktionen 38 RRi

7 Aufgaben 1. BegrÅnden Sie mit Hilfe der Stosstheorie die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit durch a) Temperatur b) Druck c) Katalysator 2. Eisenpulver wird in eine verdånnte SalzsÄure mit c(hcl) = 0,1 mol/l gegeben. Zu Beginn der Reaktion entwickeln sich bei einer Reaktionstemperatur von 20ÉC Wasserstoffgas mit einer Geschwindigkeit v = 0,5 mmol/s. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante k! b) Mit welcher Geschwindigkeit wårde sich Wasserstoff unter gleichen Bedingungen aber bei einer Anfangskonzentration von c(hcl) = 0,2 mol/l entwickeln? c) Mit welcher Geschwindigkeit wårde sich Wasserstoff bei gleichem Ansatz aber bei einer Reaktionstemperatur von 30ÉC ungefähr entwickeln? C Chemisches Gleichgewicht Viele Reaktionen sind umkehrbar, d.h. die entstandenen Stoffe reagieren miteinander wieder zu den Ausgangsstoffen. Man bezeichnet die beiden Reaktionen als Hin- und RÅckreaktion. Hinreaktion: Kohlendioxid bildet mit Wasser KohlensÄure Stickstoff und Wasserstoff bilden Ammoniak Kohlenmonoxid verbrennt zu Kohlendioxid RÅckreaktion: KohlensÄure zerfällt in Kohlendioxid und Wasser Ammoniak zerfällt in Stickstoff und Wasserstoff Kohlendioxid zerfällt in Kohlenmonoxid und Sauerstoff In vielen umkehrbaren Reaktionen setzt die RÅckreaktion ein, sobald sich Reaktionsprodukte gebildet haben. Solche Reaktionen werden mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Die RÅckreaktion verläuft in der Folge aufgrund der ständig steigenden Konzentrationen der Reaktionsprodukte immer schneller. Die Hinreaktion hingegegen verläuft aufgrund der abnehmenden Konzentrationen der Ausgangsstoffe immer langsamer. Die Reaktion erreicht einen Zustand, in welchem Hin- und RÅckreaktion gleich schnell sind, d.h. die Konzentrationen der Reaktionspartner bleiben konstant, die Reaktion ist scheinbar zum Stillstand gekommen. Diesen Zustand bezeichnet man als Chemisches Gleichgewicht, entsprechende Reaktionen als Gleichgewichtsreaktionen. Sie verhindern den vollständigen Umsatz der Ausgangsstoffe. Die Gleichgewichtslage wird durch die eingestellten Konzentrationen der beteiligten Stoffe beschrieben. Reaktionen 39 RRi

8 v v H v H = v R = const v R Einstellzeit t Da im chemischen Gleichgewicht weder die Geschwindigkeit der Hinreaktion noch die Geschwindigkeit der RÅckreaktion Null ist, handelt es sich um ein dynamisches Gleichgewicht Vergleich: Durch den steigenden FlÅssigkeitsspiegel steigt der Schweredruck im GefÄss und damit die Ausfliessgeschwindigkeit. Fliesst gleich viel Wasser aus wie ein, bleibt das Niveau konstant, ein dynamisches Gleichgewicht hat sich eingestellt. Massenwirkungsgesetz Quantitativ wird der Zusammenhang zwischen den Konzentrationen der Reaktionspartner im Chemischen Gleichgewicht durch das Massenwirkungsgesetz ausgedråckt: FÅr chemische Reaktionen ist im Zustand des Gleichgewichts der Quotient aus dem Produkt der Stoffmengen der Produkte und dem Produkt der Stoffmengen der Edukte konstant. Die sich daraus ergebende Gleichgewichtskonstante K ist ein Mass får die Lage des chemischen Gleichgewichts. grosse K-Werte: kleine K-Werte: Gleichgewicht liegt auf der Seite der Produkte. Gleichgewicht liegt auf der Seite der Edukte. Die Gleichgewichtskonstante ist temperatur- und druckabhängig und muss experimentell bestimmt werden (nachzulesen in Tabellenwerken). Reaktionen 40 RRi

9 Beeinflussung des Chemischen Gleichgewichts Qualitativ lässt sich die Beeinflussung, welche ein Gleichgewicht beim VerÄndern von Konzentrationen, Druck und Temperatur erfährt, mit Hilfe des Prinzips von Le ChÖtelier beurteilen. Wird ein Äusserer Zwang auf ein chemisches Gleichgewicht ausgeåbt, wird die Teilreaktion begånstigt, die den Äusseren Zwang vermindert. Beeinflussung durch Temperatur WÄrmezufuhr begånstigt die endotherme Teilreaktion. KÅhlen begånstigt die exotherme Teilreaktion. Beeinflussung durch Druck Überdruck begånstigt Teilreaktion mit Volumenabnahme. Unterdruck begånstigt Teilreaktion mit Volumenzunahme. Beispiel: Wie beeinflussen eine Temperatur- respektive eine DruckerhÇhung die Gleichgewichtslage der folgenden Reaktion? exotherm 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 endotherm TemperaturerhÇhung begånstigt endotherme Reaktion, das Gleichgewicht verschiebt sich zugunsten der Edukte. DruckerhÇhung begånstigt Hinreaktion wegen Volumenabnahme, Gleichgew. verschiebt sich zugunsten der Produkte. Beeinflussung durch Katalysatoren Katalysatoren beeinflussen die Gleichgewichtslage nicht, sie bewirken lediglich eine kårzere Einstellzeit, da sie Hin- und RÅckreaktion gleichermassen beschleunigen. Beeinflussung durch KonzentrationsÅnderungen Wird ein Reaktionspartner aus dem Gleichgewicht entfernt, wird die Teilreaktion begånstigt, die ihn ersetzt. Liegt ein Reaktionspartner im Überschuss vor, wird die Teilreaktion begånstigt, die ihn verbraucht. Reaktionen 41 RRi

10 Aufgaben 1. Beim Erhitzen von 7,5 mol H 2 und 2,5 mol I 2 auf 460ÉC tritt Gleichgewicht ein, wenn 4,6 mol HI gebildet sind. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K der Reaktion. H 2 + I 2 2 HI 2. Bestimmen Sie die Richtung, in der sich die folgenden Gleichgewichtssysteme unter dem Einfluss der rechts neben der Gleichung angegebenen Reaktionsbedingungnen verschieben. BegrÅnden Sie Ihre Antwort. (f) = fest (g) = gasfçrmig endotherm a) 2 NOBr (g) 2 NO (g) + Br 2 (g) Druckzunahme exotherm b) CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g) Temperaturerniedrigung endotherm c) N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Zusatz von Katalysator exotherm d) Fe (f) + 4 H 2 O (g) Fe 3 O 4 (f) + 4 H 2 (g) Druckabnahme endotherm e) N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) TemperaturerhÇhung Reaktionen 42 RRi