Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie. Allgemeine Chemie. Rückblick auf vorherige Übung

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1 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 1 Allgemeine Chemie Rückblick auf vorherige Übung

2 2 Löslichkeit Was ist eine Lösung? - Eine Lösung ist ein einphasiges (homogenes) Gemisch von zwei oder mehreren Komponenten - Substanz mit höchster Konzentration = Lösungsmittel - weitere Substanzen = gelöster Stoff Mögliche Lösungen (Lösungsmittel / gelöster Stoff) - Flüssig / Gas H 2 O / CO 2 - Flüssig / Flüssig H 2 O / Ethanol - Flüssig / Fest H 2 O / NaCl

3 3 Löslichkeit Lösungsenthalpie - Änderung der Gesamtenthalpie beim Auflösen eines Stoffes in einem Lösungsmittel - exotherm: Lösung wird wärmer (NaOH in Wasser) - neutral: Temperatur ändert sich kaum (NaCl in Wasser) - endotherm: Lösung wird kälter (Ammoniumnitrat in Wasser) Zusammensetzung der Lösungsenthalpie 1. Gitterenergie (intramolekular) 2. intermolekulare Bindungsenergie 3. Solvatationsenergie Energieänderung bei der Anlagerung von Lösungsmittelteilchen an die des aufgelösten Stoffes

4 4 Löslichkeit Berechnung der Löslichkeit Löslichkeitsprodukt im Gleichgewicht K L = c m (A X+ ) c n (B Y- ) Löslichkeit L in [g/g] / [mol/l] / [L/L] L = c(ax+ ) m = c(by ) n = Herleitung = n+m KL n n * m m

5 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 5 Allgemeine Chemie Löslichkeiten

6 6 Löslichkeit Ausfällen - K L_real < K L_max è Lösung ist untersättigt (kann mehr aufnehmen) - K L_real = K L_max è Lösung ist gesättigt (mehr geht nicht) - K L_real > K L_max è Lösung ist übersättigt, es kommt zum Ausfällen Ausfällen ohne anfängliche Konzentrationsänderung Temperaturänderung ph-wert-änderung Fällungsreaktion

7 7 Löslichkeit Fällungsreaktion - AgNO 3(aq) Ag + + NO NaCl (aq) Na + + Cl - - Vermischen der beiden Lösungen bei maximaler Löslichkeit und Umgebungstemperatur führt zu folgenden Ionen in der Lösung - Ag + + NO Na + + Cl - - Ag + und Cl - haben ein kleines Löslichkeitsprodukt è AgCl fällt als Feststoff aus

8 8 Löslichkeit 2. Versuch Fällung CaCO 3 (Calciumcarbonat) Durchführung vorbereiten von jeweils 3 Reagenzgläser mit 5mL 0,1M-CaCl 2 -Lösung in Wasser 5mL gesättigter Ca(OH) 2 -Lösung in Wasser Zugabe von 10 Tropfen einer 1M-K 2 CO 3 -Lösung in die einzelnen Reagenzgläser Auswertung Reaktionsgleichungen: CaCl 2 (aq) Ca Cl - Ca(OH) 2 (aq) Ca OH - K 2 CO 3 (aq) 2K+ + CO 2-3 Ca 2+ + CO 2-3 CaCO 3 (s)

9 9 Übung Berechnung der Masse des ausgefällten Calciumcarbonats - Vorrechnung an der Tafel

10 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 10 Allgemeine Chemie Massenwirkungsgesetz - MWG

11 11 MWG - Das Massenwirkungsgesetz beschreibt das Verhältnis der Konzentrationen der Produkte und Edukte einer Reaktion im chemischen Gleichgewicht. - Dieser Zusammenhang wird über eine Konstante K hergestellt. - Die Konstante hat bei gleichen äußeren Bedingung (T, p) immer den selben Wert für eine bestimmte Reaktion - Er kann nur auf reversible Reaktionen im Gleichgewicht angewandt werden.

12 12 MWG Mathematische Darstellung Allgemein Darstellungsweise mittels Aktivitäten Aktivitäten = Konzentrationen = Partialdrücke reversible Reaktionsgleichung im Gleichgewicht Beispielhafte Darstellung mittels Konzentration Weitere Darstellungsweisen für K: - K P für Partialdrücke - K X für Stoffmengenanteile

13 13 MWG Beispiel 2A + B C + D Im Ausgangszustand sind 2 mol/l von A und B vorhanden. Die Reaktion folgt der obigen Reaktionsgleichung und befindet sich im Gleichgewicht. Im Gleichgewicht ist noch 1mol/l von A vorhanden. Ausgangszustand: 2A und 2B Reaktion: 1A + 0,5B 0,5C + 0,5D Gleichgewicht: 1A + 1,5B 0,5C + 0,5D Daraus resultiert: K C =0,5*0,5/1 2 *1,5=0,167 l/mol Dimension abhängig von der Reaktion

14 14 MWG Beispiel anhand einer Lösungsreaktion PbI 2 (aq) Pb I - Da Bleiiodid nur schwer löslich ist, befindet sich nur ein geringer Teil in Lösung. Der ausfallende Feststoff ist im Gleichgewichtsfall nicht mehr für die Reaktion verfügbar. Ausgangszustand: 1A Reaktion: 1A 1B + 2C Gleichgewicht: 1B + 2C Daraus resultiert: K C =[B]*[C] 2 (entspricht dem Löslichkeitsprodukt) Ausfallende Feststoffe werden nicht im Massenwirkungsgesetz berücksichtigt.

15 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 15 Allgemeine Chemie Prinzip vom kleinsten Zwang

16 16 PkZ Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird. kurz: Bei Änderung der äußeren Bedingungen reagiert das System bis ein neues Gleichgewicht erreicht wird Zwänge/Bedingungen: Temperatur Druck Stoffkonzentration

17 17 PkZ Temperaturänderung Insbesondere bei Reaktionen in Flüssigkeiten relevant. Bsp.: Löslichkeit von Salzen in Wasser Störung Art der Reaktion Zunahme der Temperaturerhöhung exotherm Edukte endotherm Produkte Temperatursenkung exotherm Produkte endotherm Edukte

18 18 PkZ Druck Hauptsächlich bei Reaktionen mit gasförmigen Komponenten relevant.!!!!! Störung Druckerhöhung Art der Reaktion Volumenverringerung Zunahme der Produkte! Volumenvergrößerung Edukte! Drucksenkung Volumenverringerung Edukte! Volumenvergrößerung Produkte! Beispiel-Reaktion für ideale Gase: A + B 2C + 2D!!! K C = [C]2 *[D] 2 [A]*[B]

19 19 PkZ Konzentrationsänderung Störung bewirkt Zugabe von A bzw. B Zugabe von C bzw. D Entzug von A bzw. B Entzug von C bzw. D Zunahme der Produkte Zunahme der Edukte Abnahme der Produkte Abnahme der Edukte Hinweis: Wenn Druck und Temperatur konstant bleiben, dann ist K C ebenfalls konstant

20 20 Verfahrenstechnisches Beispiel Ammoniak Synthese Haber-Bosch-Verfahren Ammoniak Bedarf ist sehr groß, da Grundstoff für viele Stickstoffverbindungen und durch Verwendung als Düngemittel. - Reaktion: 3H 2 (g) + N 2 (g) 2 NH 3 (g) [exotherm] - Problematik: - Umsatz bei Umgebungsbedingungen gering und Reaktionsgeschwindigkeit nahe 0 - Lösungsansatz - Reaktionsbeschleunigung durch Katalysator benötigt hohe Temperaturen ( C), doch dies senkt den Umsatz - Umsatzerhöhung durch Druckerhöhung bis zu 200bar - Ergebnis - Umsatz liegt bei ca. 18% im Gleichgewicht - Restedukte werden dem Prozess wieder beigemischt

21 21 Haber-Bosch-Verfahren

22 22 Haber-Bosch-Verfahren Bereitstellung der Edukte Stickstoff: - Luftzerlegung bei kleinen Temperaturen um 77 bis 100 K durch das Linde-Verfahren Wasserstoff: - Gewinnung durch Einfrieren der Crackgase, die während des Crackens von Rohöl entstehen