Anwendungsbeispiele: Modell, Haber-Bosch, Ostwald, Kontaktverfahren
Modellversuche zum chemischen Gleichgewicht: Einstellung eines Wasserstand-Gleichgewichtes
| Versuchsanleitung |
Material:
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2 Standzylinder, 1 Glasrohr mit Durchmesser 1 cm (= Glasrohr 1), 1 Glasrohr mit Durchmesser 0,7 cm (= Glasrohr 2), Leitungswasser, ein paar Tropfen Natronlauge, ein paar Tropfen Phenolphthalein zum Anfärben des Wassers
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Durchführung:
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Beobachtung: |
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Auswertung: |
Zunächst liegt das Gleichgewicht dieses Vorganges auf beim Standzylinder der Produkte. Der Grund liegt darin, dass eine größere Wassermenge vorhanden ist als im Standzylinder der Edukte. Dies rührt daher, dass mit Glasrohr 1 ein größeres Volumen transferiert wird als mit Glasrohr 2. Im Gleichgewichtszustand ist die transportierte Wassermenge sowie die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich groß. Dies ist erkennbar an der konstanten Wassermenge in den Standzylindern trotz des weiteren Ablaufs der Hin- und Rückreaktion im Modellversuch. Zunächst bildet sich eine Gleichgewichtsverlagerung auf die Produktseite (K >1), dann stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. |
Gleichgewichtsformen und deren alltäglicher Gebrauch
| Beschreibung | Hin-Rück-Umkehrung |
Lösungsgleichgewicht | Prozess zwischen gesättigter Lösung und Bodenkörper (Ausfällung), Salz AmBn wird gelöst:
Löslichkeitsprodukt: KL = cm(A-) * c n(B+) z.B.: CaCO3 = Ca2+ + CO32- (Wasserhärte) | Lösen - Fällen
Käseherstellung, Joguhrtgewinnung |
Säure-Base-Gleichgewicht | Prozess zwischen Protonenabgabe und –aufnahme:
Säure: HA + H2O = H3O+ + A- Base: B + H2O = OH- + B+
HA + BOH = H2O + AB (konjugierte Säure-Base-Paare)
z.B.: CH3COOH = H+ + CH3COO- (Salatdressing)
| Deprotonierung – Protolyse
Salatdressing |
Redox-Gleichgewicht | Prozess zwischen Elektronenabgabe- und aufnahme, Reaktion zwischen 2 Redox-Paaren: Ox.: Red = Ox + e- Elektronenabgabe Red.: Ox + e-= Red Elektronenaufnahme Red + Ox = Ox +Red z.B.: galvanisches Elemente (Autobatterie) | Oxidation – Reduktion
Akku, Batterien |
Berechnung einer Massenwirkungskonstante: Ester – Verseifung
Esterbildung
Die Esterbildung erfolgt durch die Reaktion einer Säure mit einem Alkanol, Alkohol unter Wasserabspaltung, Kondensationsreaktion. Diese ist eine der beispielhaftesten Reaktionen mit einem chemischen Gleichgewichtszustand. Das Wasser wird durch seine große Menge in der Rechnung vernachlässigt.
c(Säure) + c(Alkohol) = c(Ester) + c(Wasser)
k = (c(Ester)*c(Wasser) )/(c(Säure)*c(Alkohol)) = 9,0
Die Konstante beträgt 9, was aussagt, dass das Gleichgewicht weit auf der Seite der Produkte liegt und somit vor allem der Ester vorliegt.
Verseifungsreaktion
Die Verseifung des Esters ist eine Reaktion des Esters mit einer Base unter Bildung von Alkohol und Carboxylate.
c(Ester) + c(Base, z.B NaOH) = c(Carboxylat) + c(Alkohol)
Beispiele in der Industrie
Haber-Bosch-Verfahren: Ammoniaksynthese
Ammoniak, das Gas NH3, ist seit dem 20. Jahrhundert zu den wichtigsten Substanzen unserer Industrie geworden. Es wird heute bei fast 90% aller Düngemittel eingesetzt. Bevor ein Verfahren zur chemischen Herstellung entdeckt wurde, gewann man es aus Vogelkot. Das Haber-Bosch-Verfahren ist von dem deutschen Chemiker Fritz Haber und dem Ingenieur Carl Bosch Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelt worden.
Ammoniak wird bei diesem chemischen Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff nach folgender Reaktionsgleichung hergestellt:
N2 + 3 H2 = 2 NH3 ΔHR = -92 kJ/mol
Wie man hier deutlich sieht, ist es eine Gleichgewichtsreaktion und damit durch die typischen Faktoren p, T und Konzentration verschiebbar. Zu Gewinn von Ammoniak muss das Gleichgewicht manuell auf die Produktseite verschoben werden.
Man schafft dabei folgende Bedingungen:
- Temperatur von 550°C, entgegen der exothermen Reaktion, aber notwendig für Katalysator
- sehr hoher Druck von 150 bis 250 bar
- Überschuss von Stickstoff
- Katalysator
Erst wenn alle vier Reaktionsbedingungen gleichzeitig herrschen, kann die Ausbeute an Ammoniak optimiert werden.
Ablauf der industriellen Gewinnung
Apparatur | Vorgang |
Kompressor | Gasgemisch wird durch hohen Druck komprimiert, konzentriert |
Gasreiniger | Verunreinigungen werden aus dem Gemisch entfernt (S-Verbindungen oder CO) |
Kontaktofen | Reaktion, Erhitzung auf 500 °C in einem druckfesten, zylinderförmigen Rohr, Gasgemisch strömt dabei an einem integrierten Katalysator (Eisenoxid + Aluminiumoxid), Bildung von Ammoniakgas, 15% Umsetzung |
Kühler | Abkühlung des heißen Ammoniakgases |
Abscheider | Produkt wird von Edukten getrennt, Rückführung der unverbrauchten Gase |
Ostwald-Verfahren: Salpetersäure-Synthese
Durch die Oxidation von Ammoniak produziert man heutzutage nach dem Ostwald-Verfahren die Salpetersäure. Ammoniak wird mit Luft vermischt und in einem Reaktor bei etwa 800°C und einem Platin-Rhodium-Katalysator zu Stickstoffmonoxid und Wasser oxidiert. In einem weiteren Reaktor bildet das Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff in einer weiteren Oxidation bei Temperaturen unterhalb 50°C Stickstoffdioxid. Anschließend wird Stickstoffdioxid in Wasser gelöst und zu hochprozentiger Salpetersäure aufkonzentriert. Das dabei anfallende Stickstoffmonoxid wird wieder eingeleitet und weiterverarbeitet.
Schritt 1 | Ammoniak + Sauerstoff = Stickstoffmonoxid + Wasser, exotherm |
Schritt 2 | Stickstoffmonoxid + Sauerstoff = Stickstoffdioxid, exotherm |
Schritt 3 | Stickstoffdioxid + Wasser = Salpetersäure + Stickstoffmonoxid |
Kontakt-Verfahren: Schwefelsäurengewinnung
Das Kontaktverfahren ist ein technisches Herstellungsverfahren für Schwefelsäure an einem Katalysator (z.B. V2O5 auf SiO2); heute verwendet man eher das Doppelkontaktverfahren (Umweltfreundlichkeit).
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