Chemische Reaktionen - physikalisch beschrieben

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1 Chemische Reaktionen - physikalisch beschrieben M. Seitz, M. Steinbrenner und P. Zachmann

2 Chemische Reaktionen physikalisch beschrieben 1. Einleitung 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen 3. Umsatz und Umsatzrate 4. Wovon die Umsatzrate abhängt 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung 6. Die Messung des chemischen Potenzials µ 2

3 1. Einleitung MNU-Empfehlungen zur Entwicklung von Bildungsstandards: Allgemein gefordert wird eine Vernetzung der drei (naturwissenschaftlichen) Fächer durch die Einbeziehung fachübergreifender Elemente in den Fachunterricht. chemische Phasenübergänge Kernreaktionen Halbleiterdiode Reaktionen Reaktionen µ 3

4 1. Einleitung Bildungsplan 2004 Leitgedanken zum Kompetenzerwerb für Naturwissenschaften Didaktische Grundsätze Wichtig ist, in allen naturwissenschaftlichen Fächern eine übereinstimmende Begrifflichkeit zu verwenden. Bildungsstandards für Chemie Kursstufe (4h): 1. Chemische Energetik (2h): 4. Elektrische Energie und Chemie Klasse 10: 3. Chemische Reaktionen chemische Reaktionen unter stofflichen und energetischen Aspekten erläutern µ 4

5 1. Einleitung Bildungsplan 2004 Bildungsstandards für Physik Kl. 8, 10, 12: Bildungsstandards für Naturwissenschaft u. Technik Klasse 10: 9. Strukturen und Analogien Die Schülerinnen und Schüler erkennen weitere Strukturen und Analogien und können mit den bisher schon bekannten komplexere Fragestellungen behandeln. Inhalte: - Energiespeicher, Energietransporte - Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand 10. Naturersch. und technische Anwendungen z.b. Solarzelle, Brennstoffzelle 1. Prinzipien - Stoff-, Energie- und Informationsstrom - Energieträger Energiespeicher Energiestrom - Entropieerzeugung µ 5

6 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen Chemische Reaktionen A B Edukte Produkte Edukte Produkt µ 6

7 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen A B Elektrizitätslehre: Ist das elektrische Potenzial an der Stelle A größer als an der Stelle B, so kann Elektrizität von A nach B fließen. Chemie: A B Ist das chemische Potenzial der Stoffkombination A größer als das der Stoffkombination B, so kann sich A in B umwandeln. ( A verschwindet, B entsteht ) µ 7

8 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen Chemisches Potenzial Symbol : µ Einheit: 1 G (Gibbs) µ 8

9 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen Josiah Willard Gibbs ( ) µ 9

10 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen Beispiel: Die Verbrennung von Methan CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) CH 4 + O 2 + O 2 CO 2 + H 2 O + H 2 O Stoffkombi nation A Stoffkombi nation B µ(a) µ(b) = µ(ch 4 ) + 2 µ(o 2 ) = -50,81 kg kg = -50,81 kg = µ(co 2 ) + 2 µ(h 2 O) = -394,36 kg + 2 (-228,59 kg) = -851,54 kg oder µ = µ(a) - µ(b) = 800,73 kg µ

11 2. Der Antrieb chemischer Reaktionen Allgemein gilt: µ(a) > µ(b) oder µ > 0: A verschwindet, B entsteht A B µ 11

12 3. Umsatz und Umsatzrate Quantitative Beschreibung CH O 2 CO H 2 O 1 CH O 2 reagieren zu 1 CO H 2 O -Molekül -Moleküle -Molekül -Moleküle + + Elementarreaktion µ 12

13 3. Umsatz und Umsatzrate Quantitative Beschreibung 6, Elementarreaktionen: n(r) = 1 mol der Umsatz der Reaktion beträgt 1 mol 12, Elementarreaktionen: n(r) = 2 mol Formelumsatz, Reaktionslaufzahl, Umsatzvariable ξ µ 13

14 3. Umsatz und Umsatzrate O 2 O 2 HCO 2 O CO 2 2 (CH 2 ) n µ 14

15 3. Umsatz und Umsatzrate Quantitative Beschreibung Umsatz pro Zeiteinheit = Umsatzrate I n(r) = n(r) t Stromstärke = strömende mengenarti Zeiteinhei t ge Größe µ 15

16 4. Wovon die Umsatzrate abhängt Von welchen Größen hängt die elektrische Stromstärke ab? Die Stromstärke ist umso größer, je größer die elektrische Spannung der Batterie ist. µ 16

17 4. Wovon die Umsatzrate abhängt Übersetzung in die Chemie : Elektrische Stromstärke - Umsatzrate Elektrische Spannung - chemische Spannung Vermutung: Die Umsatzrate ist umso größer, je größer die chemische Spannung ist. µ 17

18 4. Wovon die Umsatzrate abhängt Experiment: Mg + 2 HCl aq MgCl 2 (aq) + H 2 Zn + 2 HCl aq ZnCl 2 (aq) + H 2 Cu + 2 HCl aq CuCl 2 (aq) + H 2 Umsatzrate groß mittel 0 456,01 kg 147,03 kg - 65,52 kg Die Umsatzrate ist umso größer, je größer die chemische Spannung ist. µ 18

19 4. Wovon die Umsatzrate abhängt R1: Mg + 2 HCl(aq) MgCl 2 (aq) + H 2 µ = 456,01 kg R2: CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) µ = 800,73 kg Problem: Reaktion R1 läuft nach dem Zusammenbringen der Stoffe mit höherer Umsatzrate ab als R2, obwohl (R1)< (R2) ist. Umsatzrate - elektrische Stromstärke chemische Spannung - elektrische Spannung Die elektrische Stromstärke hängt nicht nur von der Spannung ab, sondern auch von dem Widerstand. µ 19

20 4. Wovon die Umsatzrate abhängt I n(r) hängt ab von Reaktionswiderstand µ 20

21 4. Wovon die Umsatzrate abhängt Den Widerstand einer Reaktion kann man verringern durch - zusammenbringen - zermahlen und vermischen - Temperatur erhöhen Beispiel: CH O 2 CO 2 + 2H 2 O - einen Katalysator Beispiel: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 µ 21

22 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung V1: Zu einer Iodlösung wird Zink gegeben B: Die Braunfärbung verschwindet D: Zn + I 2 Zn I μ(zn) + μ(i 2 ) > μ(zni 2 (aq)) 0 kg > 250,21 kg? Umkehrung: Zn I Zn + I 2 µ 22

23 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Pumpe Wasserpumpe p hoch Elektrizität Wasser p niedrig Reaktions- pumpe? μ hoch Elektrizität Umsatz n(r) μ niedrig µ 23

24 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung V2: Elektrolyse einer Zinkiodidlösung B: Minus-Pol: grauer Belag Plus-Pol: braune Schlieren D: Minus-Pol: Zn e Zn Plus-Pol: 2 I I e Gesamtreaktion: Zn I Zn + I 2 µ 24

25 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Pumpe Wasserpumpe p hoch Elektrizität Wasser p niedrig Elektrolyse- Reaktions- pumpe zelle? Zn, I 2 μ hoch Elektrizität Umsatz Zn 2+, I n(r) μ niedrig µ 25

26 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Energiebilanz Elektrolyse- φ A hoch zelle Produkte A μ A hoch φ B niedrig Elektrizität Edukte B μ B niedrig P = (φ A -φ B ) I = U I E = U Q P = (μ A -μ B ) I n(r) = Δμ I n(r) E = Δμ n(r) µ 26

27 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Umkehrung Wasserpumpe Elektrizität Wasser Wasser Wasserkraftwerk Elektrizität µ 27

28 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Umkehrung Elektromotor Elektrizität Drehimpuls Generator Drehimpuls Elektrizität µ 28

29 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung V3: Austausch Netzgerät Elektromotor B: Motor läuft el. Strom fließt in umgekehrter Richtung D: Minus-Pol: Zn Zn e Plus-Pol: I e 2 I Gesamtreaktion: Zn + I 2 Zn I µ 29

30 5. Reaktionspumpen und ihre Umkehrung Umkehrung der Pumpe φμ A hoch Edukte A Elektrolyse- galvanische Zelle zelle Produkte A μφ A hoch φμ B niedrig Elektrizität Produkte B Elektrizität Edukte B μφ B niedrig µ 30

31 6. Die Messung des chemischen Potenzials Zn + I 2 Zn I galvanische μ A hoch Edukte A Zelle φ A hoch μ B niedrig Produkte B Elektrizität φ B niedrig E hinein = E heraus µ n(r) = U Q U Q n(r) µ 31

32 6. Die Messung des chemischen Potenzials Zn + I 2 Zn I für n(r) = 1 mol gilt: Q = 2 6, , C= 193 kc also: 1,3 V 193 kc 1mol 251 kj mol 251kG 251kG (Zn) (I2 ) - (ZnI 2 0 kg ( ZnI2( aq)) - 251kG (aq)) µ 32