Hausarbeit. Das Fällungs- und Löslichkeitsgleichgewicht. über. von Marie Sander

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1 Hausarbeit über Das Fällungs- und Löslichkeitsgleichgewicht von Marie Sander

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einstieg in das Thema 2. Einflüsse auf das Löslichkeitsgleichgewicht - Das Prinzip von Le Chatelier 3. Löslichkeit und das Löslichkeitsprodukt 4. Rechnen mit dem Löslichkeitsprodukt 5. Quellen

3 Einstieg Gleichgewichtsreaktionen spielen, z.b. in Form von Säure-Base-Reaktionen oder Redoxreaktionen, auch in der Natur eine wichtige Rolle. Darüber hinaus sind Löslichkeitsgleichgewichte von großer Bedeutung in der Geochemie, z.b. bei der Entstehung von Gesteinen wie Kalkstein oder von Erzen wie Bauxit. Die Löslichkeit chemischer Verbindungen ist aber auch in der technischen Chemie und in der analytischen Chemie von Interesse, z.b. beim Arbeiten mit wässrigen Salzlösungen. Gibt man zu einer Kochsalzlösung Silbernitratlösung, so fällt ein weißer Niederschlag von festem Silberchlorid aus. Man erhält eine gesättigte* Silberchloridlösung mit Bodensatz. Obwohl nach Abschluss der Fällung keine Veränderungen zu beobachten sind, gehen dennoch ständig Silber- und Chlorid-Ionen in gleichem Maße in die Lösung wie sich erneut festes Silberchlorid bildet. Die Ionen der gelösten Phase stehen mit dem Niederschlag in einem dynamischen Löslichkeitsgleichgewicht. Gesättigte Lösung Niederschlag *Eine gesättigte Lösung kann daran erkannt werden, dass ein Bodenkörper (Bodensatz) vorliegt. Man spricht hier von einem heterogenen Gleichgewicht zwischen dem festen Bodenkörper und der homogenen Phase der Lösung.

4 Einflüsse auf das Löslichkeitsgeleichgewicht Einfluss der Temperatur: Da es sich bei K L um eine Gleichgewichtskonstante handelt, ist diese von der Temperatur abhängig. Die Temperaturabhängigkeit lässt sich durch die (vereinfachte) Gibbs Helmholtz Gleichung beschreiben: G= H T S G = die freie Enthalpie H = die Reaktionsenthalpie S = die Entropie T = die Zeit 1. ΔrG < 0: Die Reaktion läuft freiwillig (spontan) ab. Die Reaktion kann unter der Abgabe von Arbeit (exergonisch) verlaufen. 2. ΔrG > 0: Die Reaktion läuft nicht freiwillig ab. Nur durch die Zufuhr von Arbeit kann die Reaktion erzwungen werden (endergonisch). 3. ΔrG = 0: Gleichgewichtsreaktionen. Um den Stoff in die Lösung zu überführen, muss das Gitter aufgebrochen werden, sodass sich Dipole (z.b. Wasser) um das Ion lagern können. Die Energie, die dazu benötigt wird, heißt Solvatisierungsenergie. Ist die Solvatisierungsenergie größer als die Gitterenergie des zu lösenden Stoffes, wird Energie beim Lösungsvorgang frei. Die Reaktion ist folglich exotherm und der Stoff wird als gut löslich bezeichnet. Ist die Solvatisierungsenergie kleiner als die Gitterenergie, wird Energie benötigt, um die Verbindung in Lösung zu bringen. Diese Energie wird der Umgebung in Form von Wärme entzogen, die Reaktion ist also endotherm. In diesem Fall ist die Löslichkeit schlechter. Lösungsvorgang exotherm, so nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur ab (z.b. Lithiumchlorid) Lösungsvorgang endotherm, so nimmt die Löslichkeit bei Temperaturerhöhung zu (z.b. Kaliumnitrat)

5 Einfluss gleichioniger und fremdioniger Zusätze Bei gleichionigem Zusatz verschiebt sich nach der Regel von Le Chatelier* das Gleichgewicht auf die Seite, wo die Ionen verbraucht werden. Bei (geeignetem) fremdionigem Zusatz steigt die Löslichkeit, da die zu lösende Verbindung nun nicht mehr nur von Wasserdipolen, sondern auch von anderen polaren Molekülen solvatisiert werden kann. Die Erhöhung der Konzentration einer Ionensorte, führt zu einer Verringerung der Löslichkeit. Die Erhöhung der Konzentration einer anderen Ionensorte, führt zu einer Erhöhung der Löslichkeit. *Das Prinzip des Le Chateliers wird auf der folgenden Seite erklärt.

6 Das Prinzip von Le Chatelier Das Prinzip von Le Chatelier, auch das Prinzip des kleinsten Zwanges genannt, wurde von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert. Das Gesetz lautet folgendermaßen: Übt man auf ein System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so verschiebt sich das System so in Richtung auf eine neue Gleichgewichtslage, dass die Wirkung des Zwangs minimal wird, also am kleinsten ist. Beispiel: Übt man auf eine Gas-Gleichgewichtsreaktion einen Zwang (hier: Druck) aus, so wird die Wirkung des Zwangs/Drucks am kleinsten (minimiert), wenn die Gase zu Gunsten der Bildung eines Festkörpers verschwinden, also die Reaktion nach rechts verläuft. Übt man den Zwang/Druck weiterhin aus, so passiert nichts mehr. Seine Wirkung ist nun minimal geworden - eben am kleinsten. Wird auf ein im Gleichgewicht befindliches System also ein Zwang ausgeübt durch - Wärmezufuhr oder -entzug - Volumenänderung oder - Stoffmengenänderung so verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, in der die Folge des Zwangs verringert wird. Temperatur Wärmeentzug begünstigt exotherme Reaktion Wärmezufuhr begünstigt endotherme Reaktion Konzentration Verbesserte Ausbeute durch: - Erhöhung der Konzentration eines Edukts - Entfernung eines Produkts Druck Druckerniedrigung begünstigt Reaktion mit Zunahme des Volumens Druckerhöhung begünstigt Reaktion mit Abnahme des Volumens

7 Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt Um zu verstehen, was die beiden Größen Löslichkeit L und Löslichkeitsprodukt K L bedeuten, werden wir sie am Beispiel von AgCl (s) in Wasser betrachten. Die Gleichung dafür lautet: AgCl (s) Ag+ (aq) + Cl (aq). Das Massenwirkungsgesetz lässt sich formulieren als K = c(ag+ (aq) ) c(cl (aq) ) c(agcl (s) ) Allerdings ist eine Besonderheit zu beachten. Der Bodenkörper besitzt keinen Einfluss auf die Konzentration der gelösten Ionen, wodurch man das MWG umformulieren kann zu: K c(agcl (s) ) = c(ag+ (aq) ) c(cl (aq) ) K L Allgemein gilt somit folgender Zusammenhang: K n A m nk m+ + ma n Löslichkeitsprodukt: K L = c n (K m+ ) c m (A n ) Löslichkeit: L(K n A m ) = c(nk m+ ) = c (ma n ) Daraus ergibt sich: L(K n A m ) = K L

8 Allgemein kann man für ein Salz A x B y die folgende Formel zur Anwendung bringen: A x B y(s) xa y+ (aq) + yb x (aq) L(A x B y ) = x + y K L (A x B y ) X x y y L bezeichnet die Löslichkeit des betreffenden Salzes. Leider sind die Löslichkeitprodukte sehr unhandlich. Daher verwendet man häufig den pkl-wert, den negativen dekadischen Logarithmus des Zahlenwertes des Löslichkeitsprodukts: pk L = -lg{k L }

9 Rechnen mit dem Löslichkeitsprodukt Bespiel: Silberchlorid Silberchlorid gilt als schwerlösliches Salz, es ist allerdings nicht völlig unlöslich. Ein geringer Anteil löst sich immer. Bei 25 C lösen sich beispielsweise 0,0019g AgCl in einem Liter Wasser. a) Bestimme die Stoffmenge und die Konzentration der Lösung. b) Bestimme das Löslichkeitsprodukt. Lösungsweg: Ziel: Einsetzten der Silberionen- und der Chloridionenkonzentration in das Löslichkeitsprodukt und so K L ausrechnen. 1. Schritt: Um die Konzentrationen zu berechnen, die ja zum Einsetzten in das Löslichkeitsprodukt notwendig sind, benötigt man die Stoffmenge der Silberionen und der Chloridionen. An diese gelangt man durch die Stoffmenge an AgCl: M (AgCl) aus dem PSE ablesen: M (Ag) = 107,9 g/mol + M (Cl) = 35,5 g/mol = M (AgCl) = 143,4 g/mol

10 2. Schritt: Aus der Reaktionsgleichung folgt das Verhältnis der Ionen zum Feststoff: Würden sich also z.b. 1 mol AgCl auflösen, so würden jeweils 1 mol Ag+ und 1mol Cl bilden. Da nun in unserem Beispiel 1, mol AgCl aufgelöst werden, liegen auch 1, mol Ag+ und 1, mol Cl vor. 3. Schritt - Berechnen der Konzentrationen: Da die Aufgabe von einem Liter ausgeht, ist die Stoffmenge gleich der Konzentration: 4. Schritt: Einsetzten in die Formel des Löslichkeitsproduktes K L = c(ag+) c(cl ) K L = (1, mol/l) (1, mol/l) = 1, mol 2 /l 2

11 Quellen Bodensatz.svg/220px-AgCl-Bodensatz.svg.png C3%B6slichkeit_von_Salzen_und_das_L%C3%B6slichkeitsprodukt