Chemisches Gleichgewicht

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1 Chemisches Geichgewicht ohensäure und Carbonate Eperiment 1: Gasförmiges CO wird in ein Reagenzgas mit Wasser und BTB (Bromthymobau eingeeitet. Das Reagenzgas wird daraufhin erhitzt. Beobachtung: Man kann einen Farbumschag von bau nach geb beobachten. Teireaktionen: 1. CO H O H CO. H CO H O HCO - H O Diagonaverfahren: HCO HCO HO H HO. HCO - H O CO - H O Diagonaverfahren: HCO HO CO HO H Gesamtreaktion: CO H O CO H O Eperiment : Gasförmiges CO wird in ein Reagenzgas mit Barytwasser (in Wasser geöstes Ba(OH gegossen. Beobachtung: Es bidet sich ein weißer Niederschag.

2 Teireaktionen: Ba OH H O Ba OH H O CO H O H CO HCO HO HCO HO HCO H O CO H O Gesamtgeichung: Ba OH CO H O 4H O BaCO ph-werte und toffmengenkonzentration c(h O as Zehnerpotenpotenz ph-wert c(h O as Zehner- ph-wert [in mo/] , , , , , , , , , , , , , , , Es herrscht fogende mathematische Beziehung zwischen ph-wert und der toffmengenkonzentration von H O -Ionen: ph( gc ( HO Die Forme zur Berechnung der toffmengenkonzentration c( ist: n( c( V(Lösung

3 ohensäure und ihre aze 1. Eperiment: Minerawasser, Bromthymobau, verdünnte Natronauge Reagenzgas, Bürette In ein Reagenzgas werden 5 m Mineraswasser und einige Tropfen BTB gegeben. Dann ässt man angsam Natronauge aus der Bürette fießen. Beobachtung: Wird BTB zur ohensäure gegeben, so färbt sich die Lösung geb, kommt dann die Natronauge hinzu, verfärbt sich die Lösung von geb nach bau. Teireaktionsgeichungen: 1. CO H O H CO -. H CO H O HCO H O Diagonaverfahren: HCO HCO HO H HO. HCO - H O CO - H O Diagonaverfahren: HCO HO CO HO H Gesamtreaktion: CO H O CO H O Reaktion mit Natronauge: HO HCO Na OH NaHCO H O Es ist Natriumhydrogencarbonat (auch Natron genannt entstanden.

4 . Eperiment: Minerawasser, Bromthymobau Bechergas, Bunsenbrenner 0 m Minerawasser werden im Bechergas mit BTB versetzt und bis zum ieden erhitzt. Beobachtung: Es ist nach einiger Zeit ein Farbumschag von geb nach bau und, ein bisschen später, auch ein Rückfarbumschag von bau nach geb zu beobachten. Erkärung: Die Reaktion von ohenstoffdioid und Wasser ist eine umkehrbare Reaktion, d.h. es gibt eine Hin- und Rückreaktion: CO H O HCO H O. Eperiment: Versuchsaufbau und -abauf: Wasser, Phenophthaein, oda (Natriumcarbonat Reagenzgas, pate In ein Reagenzgas mit m Wasser und einigen Tropfen PPT wird eine patespitze oda hinzugegeben. Beobachtung: Nachdem oda hinzugegeben worden ist, verfärbt sich die Lösung von farbos nach pink. Erkärung: Da ein Farbumschag zu beobachten ist, sind Hydroidionen vorhanden. Reaktionen: Na CO H O Na HCO OH Na HCO OH NaOH NaHCO Eindampfen

5 Chemisches Geichgewicht Beispiee für umkehrbare Reaktionen 1. Beispie:. Beispie: HO CO HCO H O HO Versuch a: Beobachtung: An den Eektroden biden sich die Gase auerstoff und Wasserstoff im Verhätnis : 1. Deutung: Wasser eitet trom unter Eigenzersetzung: HO H O Versuch b: Eine nagasprobe wird durchgeführt. Beobachtung: Das Wasserstoff-auerstoff-Gemisch epodiert bei Entzündung. Deutung: Wasserstoff und auerstoff sind zu endotherm zu Wasser reagiert: H O HO Aus den beiden Versuchen fogt, dass die Reaktion umkehrbar ist: H O HO

6 Es gibt prinzipie für ae chemischen Reaktionen die dazugehörige Rückreaktion: A B C D Vorraussetzung: Die Reaktionen finden in einem geschossenen ystem statt. Eperimente zur imuation der Hin- und Rückreaktion Es gibt drei verschiedene Mögichkeiten der Hin- und Rückreaktion: 1. Hin- und Rückreaktion sind immer mögich.. Die Hinreaktion ist immer mögich, aber die Rückreaktion nicht immer.. Die Hinreaktion ist nicht immer mögich, die Rückreaktion aber. Zur imuation werden 50 Murmen je toff benutzt, d.h. 50 Murmen für A, 50 für B,... Anfangs sind jeweis 50 Murmen der toffe A und B im Gas. Nun werden mit geschossenen Augen zwei Murmen gezogen. ind sie ein Paar (entweder A B, später auch C D, so werden sie rausgenommen und durch das andere Paar (C D oder A B ausgetauscht. omit hat eine Hin- bzw. Rückreaktion stattgefunden. Ae anderen ombinationen müssen wieder ins Gas zurückgeschmissen werden. Es wird insgesamt 50 ma gezogen und das jeweiig Ergebnis notiert. Liegt eine Einschränkung vor, (entweder in der Hin- oder der Rückreaktionsfähigkeit so muss vor jeder Hin- bzw. Rückreaktion eine Münze geworfen werden. Ergebnisse: Versuch 1: A B: 5 C D: 5

7 Versuch : A B: 0 C D: 0 Versuch : A B: 8 C D: Das chemische Geichgewicht, das sich bei den drei Eperimenten einstet ist ein dynamisches Geichgewicht, d.h. es kann penden oder beeinfusst werden.

8 Beeinfussung des chemischen Geichgewichts Das chemische Geichgewicht am Beispie von CO /ohensäure: 1. CO ( gasförmig CO ( geöst CO geöst HO HCO.. HCO HO HCO HO Mögichkeit der Beeinfussung: - Erhöhung/Erniedrigung des Drucks - Veränderung der Temperatur - onzentrationsveränderung 1. Beeinfussung durch Veränderung des Drucks: Versuch: Minerawasser mit Indikator versetzt wird zuerst höherem Druck und dann Unterdruck ausgesetzt. Beobachtung: Der Indikator verfärbt sich in beiden Fäen. Bei Druckerhöhung zeigt er eine saurere, bei Druckerniedrigung eine wenig saurere Lösung an. Erkärung: Druckerhöhung CO ( gasförmig CO ( geöst Druckerniedrigung CO geöst H O HCO H O Druckerhöhung Druckerniedrigung. Beeinfussung durch Temperaturveränderung: Versuch: Minerawasser wird dem Bunsenbrenner erhitzt. Vor und nach dem Erhitzen wird mit Indikatorpapier der ph-wert gemessen. Beobachtung: Der Indikator verändert geringfügig seine Farbe. (ph 4,5 ph 5,0

9 Erkärung: Temperaturerniedrigung CO ( gasförmig CO ( geöst Temperaturerhöhung Temperaturerniedrigung CO ( geöst HO HCO H O Temperaturerhöhung. Beeinfussung durch onzentrationsveränderung: onzentrationserhöhung CO ( gasförmig CO ( geöst onzentrationsverringerung CO geöst H O HCO H O onzentrationserhöhung onzentrationsverringerung Im Fae des ohensäuregeichgewichts, muss man die Ooniumionenkonzentration verändern. (z.b. durch Zugabe von Natronauge oder Zitronensäure Das Prinzip von Le Chateier (1884 Übt man auf ein chemisches ystem, das sich im Geichgewicht befindet, einen Zwang durch Zufuhr oder Entzug von Wärme, durch Erhöhung oder Erniedrigung des Drucks oder Veränderung der onzentration aus, so verschiebt sich das Geichgewicht in die Richtung, in der Fogen des Zwanges verringert werden. auch: Prinzip des keinsten Zwangs Le Chateier - Anwendungen Beispie: H g O g H O g Beeinfussung des Geichgewichts durch: Druck (Movoumen:,4 /mo bei tandartbedingungen Durch Druckerhöhung verschiebt sich das Geichgewicht bei Gasreaktionen in die Richtung, in der die Teichen den geringeren Patz einnehmen/das keinere Voumen haben.

10 Beispie : Ammoniakgeichgewicht H N NH Druckerhöhung: Geichgewicht verschiebt sich nach rechts, wei dort die Fogen des Zwanges geringer sind as inks. (Das Voumen ist auf der rechten eite keiner as auf der inken. Reaktionsbedingungen: 00 bar und 450 C Massenwirkungsgesetz Aus der agemeinen Reaktionsgeichung: aa bb cc dd kann man fogendes Verhätnis biden: c(c c(d Pr odukte c D c(a A c(b B Edukte ( wird Geichgewichtskonstante genant 1. Beispie: mo mo 0 0,0 0 0,0 mo mo 0 0,0 0 0,0 0,6 0,6 0,6,5 0,4 0,4 0,16 (1 uge 0,0 mo -1

11 . Beispie: mo mo 0,0 0,0 mo mo 8 0,0 8 0,0 0, 0, 0,6 0,8 0,8 (1 uge 0,0 mo -1. Beispie: mo mo 5 0,0 5 0,0 mo mo 5 0,0 5 0,0 0,5 0,5 1 0,5 0,5 (1 uge 0,0 mo -1 Ist der Wert für geich eins, so iegt ein absoutes Geichgewicht zwischen den Edukten und Produkten vor, d.h. sie iegen in geichen Mengen nebeneinander vor. Ist keiner as 1, so iegen mehr Edukte as Produkte nebeneinander vor; ist größer as 1, so überwiegen die Produkte. Die Einheit von kann verschieden sein, es kommt immer darauf an, weche toffe miteinander reagieren und wie vie der toffe miteinander reagiert.

12 äuren und Massenwirkungsgesetz Auch bei der Reaktion von äuren iegt ein chemisches Geichgewicht vor. Jedoch kann man die Geichgewichtskonstante bei äurereaktionen geringfügig verändern (am Beispie der Essigsäure: ( c ( CHCOO c H O c CHCOOH c HO Da die onzentration von Wasser in einer wässrigen Lösung konstant ist ( 55,6 mo -1, kann man den Term c(h O auf die eite der Geichgewichtskonstante bringen und mit in sie einbeziehen. Es entsteht die äurekonstante : cho ( cchcoo ( c CH COOH c H O ( cho cchcoo c( HO c CH COOH ( cho cchcoo c CH COOH Die äurekonstante bzw. der p -Wert einer äure geben an, wie stark die äure ist. Ist der -Wert größer as 1, so ist der p -Wert der äure keiner as 0, so ist die äure stark. agemeine Forme zur Berechnung der onstante für die äure mit der Forme AH: cho ( ca c AH c H O ( ( cho ca c( HO c AH Berechnung des p -Wertes: ( ca cho c AH p og Der tabeierte p s -Wert für Essigsäure ist: 4,78

13 onjugierte äure-base-paare Reagiert z.b. Ammoniak mit Wasser, so ist nach der Bronsted schen Definition für äuren und Basen das Ammoniakteichen die Base, da es Protonen aufnimmt. Das Wassermoekü ist die äure. NH H O NH OH 4 Nach der Reaktion ist das Ammoniumion (NH 4 die äure und das Hydroidion die Base der Rückreaktion. omit sind NH und NH 4 ein konjugiertes äure-base-paar. Geiches git für H O und das Ooniumion: NH HO NH 4 OH Base 1 äure 1 äure Base Reagiert nun z.b. apetersäure mit Wasser, so ist die apetersäure, wie schon der Name sagt, die äure und das Wasser die Base. HNO H O NO H O Nach der Reaktion ist das Nitration (NO - die Base und das Ooniumion die äure der Rückreaktion. apetersäure und das Nitration sind ebenso wie Wasser und das Ooniumion ein konjugiertes äure-base-paar: HNO H O H O O N äure 1 Base 1 Base äure Bronsted sche Definition für äuren und Basen: 1. Ein Teichen, das Protonen abgibt heißt äure oder Protonendonator.. Ein Teichen, das Protonen aufnimmt heißt Base oder Protonenakzeptor. Amphoyt: Ein Amphoyt ist ein toff, der je nach Bedingung die Funktion einer äure oder die Einer Base wahrnehmen kann. Wasser oder das Hydroidion sind z.b. ein Amphoyt, wei sowoh ein Proton abgeben, as auch eines aufnehmen können: HO HO OH O H H H

14 Mehrprotonige äuren Es gibt neben den äuren, die nur ein Proton abgeben auch äuren, die zwei oder mehr Protonen abgeben, bevor sie ihr Endstadium erreich haben. Ein- und zweiprotonige äuren im Vergeich: apetersäure: HNO H O NO - H O Diagonaverfahren: HNO HO NO HO H Essigsäure: CH COOH H O CH COO - H O Diagonaverfahren: CHCOOH CHCOO H HO HO chwefesäure: H O 4 H O H O O 4 - Diagonaverfahren: HO HO HO O HO HO HO HO H H Oasäure: H C O 4 H O H O C O 4 - Diagonaverfahren: HCO HCO HCO CO HO HO HO HO H H Zweiprotonige äuren reagieren zweima hintereinander, wobei das erste Produkt ein Amphoyt ist. n-protonige äuren reagieren n-ma bis sie ihr Endstadium erreicht haben.

15 Protoysegrad Der Protoysegrad α ist der Quotient aus der onzentration des äurerestions und der Ausgangskonzentration der äure. Um die onzentration des äurerestions zu errechnen, geht man wie fogt vor: ( ca cho c AH Bezeichnet man die onzentration an Ooniumionen as, so ist die onzentration an äurerestionen ebenfas, wei die von den Ooniumionen beinhateten. Protonen von der äure kommen. Die neue onzentration der äure ist die Differenz der Ausgangskonzentration und. c AH c( AH c AH sc AH 0 4 1, ± c( AH Da immer keiner as 0 ist, wird dieser Wert nicht berücksichtigt. 1 ist der Zahenwert der onzentration der H O - sowie äurerestionen. Wi man nun den Protoysegrad der äure berechnen, so muss man den oben errechneten Term in den Quotienten einsetzen: α c 0 c A ( AH α 4 c 0 ( AH c AH Der Protoysegrad gibt an zu wievie Prozent die entsprechende äure ihr Proton abgibt.

16 Protoysegrad einer starken und einer schwachen äure 1. apetersäure: Ausgangskonzentration c 0 (äure 0,1 mo - 1 tabearischer -Wert: 10 1, 19, , 1, 0, ,, , ± , ,1 0,1 Der reae Wert 1 wird ihn die Protoysegradforme eingesetzt: 0, 0,0995 α 0,995 α 99,5% 0,1 Die apetersäure gibt zu 99,5% ihr Proton an das Wassermoekü ab und ist somit eine starke äure.. Essigsäure: Ausgangskonzentration c 0 (äure 0,1 mo - 1 tabearischer -Wert: 10-4,76 0, ,76 4,76 5, ,76 4, , ± , ,1 0,1 5,76 Der reae Wert 1 wird ihn die Protoysegradforme eingesetzt: 0,0016 α 0,016 α 1,6% 0,1

17 Die Essigsäure gibt zu 1,6% ihr Proton an das Wassermoekü ab und ist somit eine schwache äure. Ist der -Wert größer as 1 ( > 1, iegt aso eine starke äure vor, so ist das Geichgewicht nach rechts verschoben. Es iegt auf der eite der Edukte. Ist der -Wert keiner as 1 ( > 1, iegt aso eine schwache äure vor, so ist das Geichgewicht nach inks verschoben. Es iegt auf der eite der Produkte.

18 Basen und Massenwirkungsgesetz Auch bei der Reaktion von Basen iegt ein chemisches Geichgewicht vor. Jedoch kann man die Geichgewichtskonstante bei Basereaktionen geringfügig verändern (am Beispie des Ammoniaks: c( NH4 c OH c( H O c NH Da die onzentration von Wasser in einer wässrigen Lösung konstant ist ( 55,6 mo -1, kann man den Term c(h O auf die eite der Geichgewichtskonstante bringen und mit in sie einbeziehen. Es entsteht die Basenkonstante B : c( OH c( NH4 cnh cho c H O B ( c OH 4 cnh ( c OH c NH c NH 4 cnh Die Basenkonstante B bzw. der p B -Wert einer Base geben an, wie stark die Base ist. Je größer der B -Wert ist, desto keiner ist der p B - Wert, desto stärker ist die Base. agemeine Forme zur Berechnung der onstante B für die Base mit der Forme B: c( OH c( HB cb cho ( c OH c HB c( HO cb Berechnung des p B -Wertes: B c( HB c OH cb p B og B

19 Titrationskurven von starken und schwachen äuren I. tarke äuren (p -Wert < -1,74, inkusive apetersäure a Anfangs-pH-Wert mo mo 1. Bsp: c(hc 0,1 c(ho 0,1 (Da azsäure voständig protoysiert, ist die onzentration an H O - Ionen geich der onzentration der äure. ( ph g c H O ph g10 ph 1 mo mo. Bsp: c(hc 0,001 c(ho 0,001 (Da azsäure voständig protoysiert, ist die onzentration an H O - Ionen geich der onzentration der äure. 1 ( ph g c H O ph g10 ph b Bestimmung des Äquivaenzpunktes Wegen der Neutraisation: H O OH - H O git am Äquivaenzpunkt, der Punkt, an dem die äure neutraisiert ist: ( coh cho Bsp: 100 m azsäure [c(hc 0,1 mo -1 ] wird mit Natronauge [c(hc 0,1 mo -1 ] titriert. Am Äquivaenzpunkt git: n(hc n(naoh V(HC c(hc V(NaOH c(naoh mo mo 100 m 0,1 V(NaOH 1 V(NaOH 10m

20 c urvenverauf Zugabe NaOH V in m 0 1. : 9 9,1. : 9,9 9,99 n(oh - (in mo 0 0,001 0,00 0,00. : 0,009 0,0091. : 0,0099 0,00999 n(hc (in mo 0,01 0,009 0,008 0,007. : 0,001 0,0009. : 0,0001 0,00001 c(h O (in mo -1 0,1 0,09 0,08 0,07. : 0,01 0,009. : 0,001 0,0001 ph-wert 1 1,05 1,1 1,15. :,05. : 4 Bei starken äuren git, dass der ph-wert geich 7 am ÄP ist.

21 I. chache äuren (p -Wert > -1,74 a Anfangs-pH-Wert Bsp: ( cchcoo ( cho c( CHCOOH c ( CH COOH Wegen der Geichgewichtseinsteung git: 0,1 Die Lösung der quadratischen Geichung ist: 10 4,76 mo 0,1 mo 0,0016 c ( HO ph g 0,0016,87 b Bestimmung des Äquivaenzpunktes Die Bestimmung des Äquivaenzpunktes veräuft anaog zur Bestimmung des ÄP bei starken äuren. c urvenverauf ( cchcoo ( cho c CH COOH Nach dem Logarithmieren beider eiten sieht die Geichung so aus: ( c CH COO g g c HO g c CH COOH ( c CH COO g c HO g g c CH COOH ( c CH COO ph p g c CH COOH Diese Beziehung zwischen ph- und p s -Wert wird auch Henderson- Hassebach-Geichung genannt: c( A ph p g c AH

22 Wenn der ph-wert geich dem p -Wert ist, so spricht man vom Habäquivaenzpunkt (HÄP. Um ihn zu berechnen geht man wie fogt vor: ( c CH COO ph p g c CH COOH Da ph- und p -Wert geich sind, muss der ogarithmierte Bruchterm geich Nu sein: c( CHCOO g 0 10 c CH COOH ( c CH COO c CH COOH Das heißt, dass beide onzentrationen (die der äure sowie des äurerestions geich groß sind. 1 omit kann man den p -Wert aus dem Graphen abesen, wenn man den HÄP kennt. Bei schwachen äuren ist der ph-wert am ÄP größer as 7, wei das äurerestion auch mit dem H O reagiert: CH COO H O CH COOH OH