Anorganische-Chemie. Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E

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Artur Küchler
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1 Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E stefan.wuttke@cup.uni-muenchen.de norganische-chemie Grundpraktikum für Biologen 2017

2 Chemische Gleichungen Chemische Reaktionen können durch chemische Gleichungen präzise beschrieben werden. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Reaktanten reagieren zu Produkte H 2 (g) H 2 O(l) NaCl(s) usgleichen: CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O Stefan Wuttke # 2

3 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Der wichtigste kommerzielle Vorgang, um N 2 aus der Luft in stickstoffhaltige Verbindungen umzuwandeln, basiert auf der Reaktion von N 2 und H 2 zu mmoniak: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Wie viel Mol NH 3 können aus 3 mol N 2 und 6 mol H 2 gebildet werden? Stefan Wuttke # 3

4 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Berechnen Sie die Masse der Kupferportion, die aus 5 g schwarzem Kupferoxid durch Reduktion mit Wasserstoff hergestellt werden kann. Stefan Wuttke # 4

5 Chemisches Gleichgewicht Der Zustand, in welchem sich die Konzentrationen aller Reaktanten und Produkte in einem geschlossenen System nicht mehr zeitlich ändern, heißt chemisches Gleichgewicht. Stefan Wuttke # 5

6 Massenwirkungsgesetz a + b B Hinreaktion Rückreaktion d D + e E Hinreaktion = Rückreaktion Gleichgewichtskonstante K = D d E e a B b für Lösungen K c = cd c e D E c a c b B für Gasreaktionen K p = pd p e D E p a p b B Stefan Wuttke # 6

7 Massenwirkungsgesetz K = Produkte Reaktanten K >> 1 Reaktanten Produkte K << 1 Reaktanten Produkte K = 1 Reaktanten Produkte Stefan Wuttke # 7

8 Massenwirkungsgesetz Übungsaufgabe: Die Reaktion von N 2 mit O 2 zur Bildung von NO könnte als ein Weg zur Fixierung von Stickstoff betrachtet werden: N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO(g) Der Wert für die Gleichgewichtskonstante für diese Reaktion bei 25 C ist K c = mol/l. Beantworten Sie, ob es realistisch ist, Stickstoff durch die Bildung von NO bei 25 C zu fixieren. Stefan Wuttke # 8

9 Massenwirkungsgesetz Übungsaufgabe: Bei der Reaktion von 5 mol Essigsäure und 3 mol Ethanol bei 25 C sind bis zur Einstellung des chemischen Gleichgewichts 2,43 mol Essigsäureethylester und 2,43 mol Wasser entstanden. Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante K c? Stefan Wuttke # 9

10 Chemische Gleichungen Übungsaufgabe: Der wichtigste kommerzielle Vorgang, um N 2 aus der Luft in stickstoffhaltige Verbindungen umzuwandeln, basiert auf der Reaktion von N 2 und H 2 zu mmoniak: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Wie viel Mol NH 3 können aus 3 ml N 2 und 6 mol H 2 gebildet werden? Verschieden von: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Stefan Wuttke # 10

11 Das Prinzip des kleinsten Zwangs Wird auf ein sich im chemischen Gleichgewicht befindendes stoffliches System ein Zwang ausgeübt, dann weicht dieses System dem Zwang so aus, dass die Wirkung des Zwanges verringert wird. [Le Châtelier und Braun] Stefan Wuttke # 11

12 Einfluss von Temperaturänderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 N 2 O 4 R H = -59 kj mol c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Temperaturerhöhung ist ein äußerer Zwang. Für endotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K größer wird. Für exotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K kleiner wird. Temperatur Stefan Wuttke # 12

13 Einfluss von Druckeränderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Druckerhöhung ist ein äußerer Zwang. Druckerhöhung: Die Reaktion, die unter Volumenabnahme verläuft wird begünstigt. Druckerniedrigung: Die Reaktion, die unter Volumenzunahme verläuft wird begünstigt Druck Stefan Wuttke # 13

14 Einfluss von Konzentrationsänderungen auf das chemische Gleichgewicht 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) Wenn ein chemisches System sich im Gleichgewicht befindet und wir eine Substanz (entweder einen Reaktanten oder ein Produkt) zugeben, verschiebt sich die Reaktion derart, dass das Gleichgewicht durch Verbrauch eines Teils der zugegebenen Substanz wieder eingestellt wird. Umgekehrt bewegt sich durch Entzug einer Substanz die Reaktion in der Richtung, die mehr von dieser Substanz bildet. Stefan Wuttke # 14

15 Kinetik - Thermodynamik Kinetik zeitlicher blauf chemischer Reaktionen Thermodynamik - Energieänderungen chemischer Reaktionen Stefan Wuttke # 15

16 Übungsaufgaben Das folgende Diagramm stellt ein Gleichgewichtsgemisch dar, dass für eine Reaktion der rt + B B erzeugt wird. Wenn das Volumen 1 Liter ist, ist K größer oder kleiner als 1? B B Stefan Wuttke # 16

17 Übungsaufgaben 2 (g) + B(g) Die Reaktion der (g) + B(g) hat die Gleichgewichtskonstante von K p = 2. Das Diagramm unten zeigt ein Gemisch, das -tome, 2 - Moleküle und B-Moleküle enthält. Wie viele B-tome sollten zum Diagramm hinzugefügt werden, wenn sich das System im Gleichgewicht befindet? - - Stefan Wuttke # 17

18 Übungsaufgaben Die folgenden Diagramme stellen Gleichgewichtsgemische für die Reaktion 2 (g) + B(g) (g) + B(g) Bei (i) 300 K und (ii) 500 K dar. Ist die Reaktion exotherm oder endotherm? B - B - B - B (i) (ii) Stefan Wuttke # 18

Haber-Bosch-Verfahren Im Jahre 1908 hat Fritz Haber mmoniak aus den

Bei 550 C und einem Druck von p = 20 MPa beträgt der Volumenanteil der

die usgangsstoffe Stickstoff und Wasserstoff im Volumenverhältnis 1:3

19 Haber-Bosch-Verfahren Im Jahre 1908 hat Fritz Haber mmoniak aus den Elementen hergestellt. Bei 550 C und einem Druck von p = 20 MPa beträgt der Volumenanteil der mmoniakportion nach der Einstellung des Gleichgewichts (NH 3 ) = 13%, wenn die usgangsstoffe Stickstoff und Wasserstoff im Volumenverhältnis 1:3 zusammengegeben worden sind. Berechnen Sie K p! (1 bar = Pa) Fritz Haber Carl Bosch Gerhard Ertl Nobelpreis Stefan Wuttke # 19

Höhenakklimatisierung Oberhalb von 4000 m droht die Höhenkrankheit; Kopfschmerzen, Herzklopfen, Übelkeit, temnot -Warum? Ursache: Mangelhafte Versorgung des Körpers mit Sauerstoff.

20 Höhenakklimatisierung Oberhalb von 4000 m droht die Höhenkrankheit; Kopfschmerzen, Herzklopfen, Übelkeit, temnot -Warum? Ursache: Mangelhafte Versorgung des Körpers mit Sauerstoff. O 2 + Hb HbO 2 (Hb Hämoglobin) Wohnort Meereshöhe P(O 2 ) Hämatokrit Lima 160 m 200 hpa 45 % Denver 1610 m 170 hpa 48 % Mexico City 2270 m 150 hpa 51% Moroccocha (Peru) 4400 m 120hPa 60 % Stefan Wuttke # 20

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Das Chemische Gleichgewicht Geschwindigkeit der Hinreaktion: v hin = k hin c(a 2 ) c(x 2 ) Geschwindigkeit der Rückreaktion: v rück = k rück c 2 (AX) Gleichgewicht: v hin = v rück k hin c(a 2 ) c(x 2 )