Wasserstoffbrückenbindung, H 2 O, NH 3, HF, Wasserstoff im PSE, Isotope, Vorkommen, exotherme Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser, Energieinhalt,

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1 Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Das Element Wasserstoff und seine Verbindungen Wasserstoffbrückenbindung, H 2 O, NH 3, HF, Wasserstoff im PSE, Isotope, Vorkommen, exotherme Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser, Energieinhalt, Thema heute: Das Element Wasserstoff, Gleichgewichtsreaktionen Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 247

2 1) Aus Wasser Die Gewinnung von elementarem Wasserstoff So wie die Reaktion von Wasserstoff mit O 2 viel Energie liefert, so wird für die Gewinnung von H 2 aus H 2 O viel Energie verbraucht! Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 248

3 Die Gewinnung von elementarem Wasserstoff Die Zersetzung von Wasser kann mit verschiedenen Verfahren erfolgen: 1. Durch Elektrolyse Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 249

4 Die Gewinnung von elementarem Wasserstoff 2. Durch chemische Zersetzung von Wasser mit Hilfe von Reduktionsmitteln, z.b. unedlen Metallen 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 3. Durch Reaktion von Metallen mit Säuren: Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 (Kipp scher Apparat) 4. Durch Reaktion von Metallhydriden mit Wasser: CaH 2 + H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 250

5 Technische Verfahren: Die Gewinnung von elementarem Wasserstoff 5. Steam-Reforming-Verf. CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO 6. Kohlevergasung C + H 2 O CO + H 2 7. Konvertierung CO + H 2 O CO 2 + H 2 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 251

6 Verbindungen des Wasserstoffs Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 252

7 salzartige Hydride M + H - Li, Na, K, u. 2. Hauptgruppe M 2+ 2H - Ca, Sr, Ba kovalent monomere Hydride mit Atomen der HG einige exemplarische Beispiele: CH 4 NH 3 H 2 O SiH 4 PH 3 H 2 S HCl AsH 3 H 2 Se HBr SbH 3 H 2 Te HI Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 253

8 kovalent polymere Hydride BeH 2 BH 3 2. u. 3. Hauptgruppe MgH 2 AlH 3 komplexe Hydride LiH + BH 3 Li[BH 4 ] LiH + AlH 3 Li[AlH 4 ] metallische Hydride PdH 0,3 bis PdH 0,83 ZrH 2, LaH 3.. LaNi 5 H 4 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 254

9 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 255

10 Chemische Reaktion - Das chemische Gleichgewicht Energie wird frei 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Energie muß aufge- wendet werden Die Synthese von Wasser aus den Elementen und die Zerlegung von Wasser in die Elemente gehören zu einer Reaktion, die in zwei Richtungen ablaufen kann. Dies gilt prinzipiell für alle chemischen Reaktionen. Durch geeignete Wahl der äußeren Bedingungen kann jede Reaktion in der Richtung ihres Ablaufs beeinflußt werden, man spricht vom chemischen Gleichgewicht, symbolisiert durch den Gleichgewichtspfeil. Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 256

11 Wasser steht bei Temperaturen weit oberhalb der Raumtemperatur mit Knallgas im Gleichgewicht (oder anders ausgedrückt, es zerfällt bei hohen Temperaturen in die Elemente). 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 bei 1000 C sind 0,003% in 2 H 2 +O 2 zerfallen bei 1500 C 0,5% bei 2000 C 2% bei 3000 C 10% bei 5000 C 90% Für eine Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird, läßt sich der Verlauf der Energieabgabe folgendermaßen graphisch darstellen: Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 257

12 Oft muß, um die Reaktion in Gang zu setzen, Aktivierungsenergie aufgebracht werden. Ein Katalysator ist ein Stoff, der in eine chemische Reaktion eingreift, ohne selbst verbraucht oder verändert zu werden. Eine katalysierte Reaktion verläuft auf einem anderen Weg, nach einem anderen Mechanismus als eine unkatalysierte Reaktion. Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 258

13 Das Massenwirkungsgesetz H 2 + I 2 2 HI Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 259

14 Das Massenwirkungsgesetz Konzentrationen in mol/liter Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 260

15 Massenwirkungsgesetz: Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 261

16 Die Lage des Gleichgewichtes (Ausbeute!!) wird durch die Gleichgewichtskonstante charakterisiert. Allgemein gilt für a A + b B c [ C] [ D] a [ A] [ B] d b = K c c C + d D K sehr groß Reaktion läuft nahezu vollständig ab K ~ 1 Ausgangs- und Endprodukte liegen in etwa gleichen Konzentrationen vor K sehr klein Reaktion läuft praktisch nicht ab Beeinflussung der Lage eines chemischen Gleichgewichtes: Prinzip des kleinsten Zwanges LeChatelier : System versucht dem Zwang durch Verschiebung des Gleichgewichtes auszuweichen. Beispiel Ammoniaksynthese! 3 H 2 + N 2 2 NH 3 (Haber-Bosch-Verfahren) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 262

17 Haber-Bosch-Verfahren (erstmals 1913 bei der BASF/Ludwigshafen) N H 2 2 NH 3 H 0 = -46 kj/mol Technisch: 200 bar und C Eisen dient als Katalysator Ausbeute: 15 % NH 3. Rückführung der nicht umgesetzten Stoffe Weltjahresproduktion Millionen to. 80% der NH 3 -Produktion geht in die Düngemittelproduktion Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 263

18 Die Zustandsvariablen, z.b. Druck und Temperatur, müssen genau definiert sein. Die Massenwirkungskonstante K ist abhängig von Druck und Temperatur. Mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes lassen sich viele (eigentlich alle) Arten chemischer quantitativ beschreiben, z.b. das Ausmaß der Löslichkeit von Substanzen (Löslichkeitsprodukt) das Ausmaß der Acidität von Flüssigkeiten (Säure-/Base-Stärken) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 264

19 Löslichkeit von Salzen - Löslichkeitsprodukt Die Löslichkeit ist als Stoffeigenschaft durch das Löslichkeitsprodukt, abgeleitet durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben: Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 265

20 Fällungsreaktionen Bariumnitrat und Natriumsulfat sind gut lösliche Salze Ba(NO 3 ) 2 H 2 O Ba 2+ (aq) + 2 NO - 3 (aq) Na 2 SO 4 H 2 O 2 Na + (aq) + SO 2-4 (aq) Beim Vereinigen der Lösungen fällt BaSO 4 aus, das nur ein äußerst geringes L von 1, mol 2 /1 2 besitzt: Ba 2+ + NO SO Na + BaSO 4 +Na + + NO 3 - Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 266

21 Löslichkeitsprodukte einiger schwerlöslicher Salze: Nachweisreaktion für Halogenide Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling 267