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Modellversuche zum chemischen Gleichgewicht: Einstellung eines Wasserstand-Gleichgewichtes

 

Versuchsanleitung

Material:

 

 

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

 

Durchführung:

 

  • ein Standzylinder wird mit 30 ml angefärbten Wasser gefüllt (Eduktzylinder), der andere ist leer (Produktzylinder)
  • es wird nun mit Hilfe des einen Glasrohres (1 cm) eine dem Wasserstand höhenmäßig gleichverlaufende Wassermenge übertragen,                      Flüssigkeitssäule (E ->P)
  •  anschließend in gleicher Weise mit Hilfe des anderen Glasrohres (0,7 cm) eine entsprechende Flüssigkeitssäule an die Höhe angepasst wieder zurückübertragen (P->E)
  •  dies wird so lange wiederholt, bis der jeweilige Wasserstand der beiden Messzylinder praktisch konstant bleibt

Beobachtung:

  • Zunahme der Konzentration der Produkte und Abnahme der Konzentration der Edukte, Ausgleich; V1 der Edukte nimmt ab, V2 der Produkte nimmt zu
  • Geschwindigkeit v1 der Hinreaktion wird kleiner, Geschwindigkeit v2 der Rückreaktion wird größer, konzentrationsabhängig, andere Wassermenge durch anderen Durchmesser der Glasröhren

 

Auswertung:


  • Hinreaktion = Wassertransport vom Eduktmesszylinder zum Produktmesszylinder mit dem Glasrohr 1; Rückreaktion = Wassertransport vom Produktmesszylinder zum Eduktmesszylinder mit dem Glasrohr 2.
  • Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion = unterschiedlicher Durchmesser (Glasrohre, sowie der damit verbundenen Wassermengen = unterschiedliche Konzentrationen)

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, Joghurtgewinnung

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

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Grundstruktur eines Esters

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.

 

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Etherbildung: Vereinfachte Form der Reaktion zweier Alkoholen zu einem Ether - Eine Katalyse ist in der Regel unabdingbar (Siehe dazu William-Ether-Synthese!).

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.

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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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Welches Verfahren ist ein klassisches Beispiel für ein chemisches GG in der Industrie?
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