Die Natur - Ein System der Gleichgewichte Experimentalvortrag (OC) Tobias Rocksloh SoSe 2011 1

Die Natur -

Ein System der Gleichgewichte

Experimentalvortrag (OC)Tobias RockslohSoSe 2011

1

„Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung.

Sie ist Gleichgewicht der Bewegung.“

Ernst Freiherr von Feuchtersleben, 1840

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Vortragsziele

Das Aufzeigen von Gleichgewichten als eine zentrale Eigenschaft der belebten und unbelebten Natur

Darstellung der Schul- und Lehrplanrelevanz des Themas

3

Ablauf

1. Einführung

4

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

5

1. Einführung

Statisches Gleichgewicht:

Ein System im Ruhezustand

Dynamisches Gleichgewicht:

Zwei gegenläufige Prozesse gleichen sich aus

Ablauf

1. Einführung

6

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

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2. Phasengleichgewichte

Der Aggregatzustand

8

2. Phasengleichgewichte

Der Phasenbegriff

Phase: Räumlicher Bereich, den eine Substanz ohne erkennbare Grenzflächen

in seinem Inneren einnimmt.

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2. Phasengleichgewichte

Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf

Beobachtung: Der freie Raum über der Flüssigkeit reichert sich bis zu einer

bestimmten Konzentration mit dem Dampf der Flüssigkeit an.

20° C

0.023 bar

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2. Phasengleichgewichte

Maxwell-Boltzmann-Verteilung

Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die

Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

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2. Phasengleichgewichte

Maxwell-Boltzmann-Verteilung

Maxwell-Boltzmann-Verteilung: Die kinetische Energie und damit die

Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

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2. Phasengleichgewichte

Ein-Komponenten-System: Wasser/Wasserdampf

Dynamisches Gleichgewicht: Anzahl der Teilchen, die in Gasphase

übergehen Anzahl der Teilchen, die flüssige Phase verlassen.≙

20° C 100° C 300° C

0.023 bar 1.013 bar 85.88 bar

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2. Phasengleichgewichte

Dampfdruck

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2. Phasengleichgewichte

Zustandsdiagramm des Wassers

20°C

0.023 bar

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2. Phasengleichgewichte

Demonstration 1: Dampfdruck

Demonstration 1

16

2. Phasengleichgewichte

Demonstration 1: Dampfdruck

Ablauf

1. Einführung

17

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

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3. Lösungsgleichgewichte

Definition: Lösung

Lösung: Eine Mischung von Verbindungen, die eine einheitliche

Zusammensetzung (eine Phase) hat.

19

3. Lösungsgleichgewichte

Der Lösungsprozess

Solvatation: Umhüllung von gelösten Teilchen durch Lösungsmittelmoleküle

aufgrund von anziehenden Kräften (Hydratation: Solvatation in Wasser).

20

3. Lösungsgleichgewichte

Definition: Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffes ist u.a. abhängig von:

1. Art und Stärke der Anziehungskräfte zwischen:

a) den Lösungsmittelteilchen

b) den Lösungsmittelteilchen und den gelösten Teilchen

c) den gelösten Teilchen

2. Verhältnis von Lösungsmittel und gelösten Teilchen (≙ Konzentration)

3. Temperatur

Löslichkeit: Die Eigenschaft eines Stoffes, sich unter homogener Verteilung

der Teilchen dieses Stoffes im Lösungsmittel zu vermischen.

21

3. Lösungsgleichgewichte

Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit

Polarität: Getrennte Ladungsschwerpunkte aufgrund einer ungleichen

Verteilung der Elektronendichte im Molekül.

Polar Unpolar

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3. Lösungsgleichgewichte

Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit

Prinzip: Similia similibus solvuntur

(Lat.: Ähnliches wird von Ähnlichem gelöst.).

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3. Lösungsgleichgewichte

Definition: Lösungsgleichgewicht

Phase β

Phase α

Lösungsgleichgewicht: Gleichgewicht, das sich bei der Verteilung eines

Stoffes zwischen zwei Phasen einstellt.

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3. Lösungsgleichgewichte

Kombinationen von Lösungsgleichgewichten

Kombinationen:

a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten

b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung

c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

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3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Versuch 1

26

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 0 h

27

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 24 h

28

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 48 h

29

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 96 h

30

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

31

Verteilungskoeffizient

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

ṽButanol → Wasser = k1 • cButanol (Rhodamin b) [1]

ṽWasser → Butanol = k2 • cWasser (Rhodamin b) [2]

Im Gleichgewicht:

ṽButanol → Wasser = ṽWasser → Butanol [3]

k1 • cButanol (Rhodamin b) = k2 • cWasser (Rhodamin b) [4]

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Prozess: Kronzentrationsgradient vs. Löslichkeitsgradient

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

Rhodamin b in Butanol Rhodamin b in Wasser Rhodamin b in Butanol

Konzentrationsgradient

Löslichkeitsgradient

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Zugabe Farbstoff

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

34

Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

35

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

36

Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.

Im Gleichgewicht: Löslichkeitsgradient überwiegt Konzentrationsgradient.

3. Verteilungsgleichgewichte

Versuch 1: Nernstsches Verteilungsgesetz

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38

3. Lösungsgleichgewichte

Kombinationen von Lösungsgleichgewichten

Kombinationen:

a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten

b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung

c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

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3. Lösungsgleichgewichte

Henry-Dalton-Gesetz

Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem

Dampfdruck des Gases über der Lösung.

Gas A in Lösung Gas A im Gasgemisch über der Lösung

40

3. Lösungsgleichgewichte

Kombinationen von Lösungsgleichgewichten

Kombinationen:

a) Verteilung des Stoffes zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten

b) Verteilung des Stoffes zwischen einer Gasphase und der Lösung

c) Verteilung des Stoffes zwischen einer festen Phase und der Lösung

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3. Verteilungsgleichgewichte

Demonstration 2: Chromatographie

Demonstration 2

42

3. Verteilungsgleichgewichte

Demonstration 2: Chromatographie

Prinzip: Freisetzung der Blattfarbstoff durch mechanische Zerstörung

der Zellwand und Zellmembranen.

CH3

CH3

N

N

N

N

Mg2+

CH3

CH3

CH3

CH2

OO

CH3CH3

CO2

CH3

CH3

43

3. Verteilungsgleichgewichte

Demonstration 2: Chromatographie

CH3CH3

HCH3CH3

CH3 CH3

CH3

CH3CH3 CH3

CH3

CH3

N

N

N

N

Mg2+

HOC

CH3

CH3

CH2

OO

CH3CH3

CO2

CH3

CH3

→ α-Carotin

Carotin

Chlorophyll a

Chlorophyll b

44

3. Verteilungsgleichgewichte

Demonstration 2: Chromatographie

Schwach polar

Polar

Unpolar

Polare, stationäre Phase

Unpolares Lösungsmittel

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3. Verteilungsgleichgewichte

Demonstration 2: Chromatographie

Chlorophyll a/b

an stationärer Phase (Kreide)

Chlorophyll a/b

an mobiler Phase (Ethanol)

Carotin

an stationärer Phase (Kreide)

Carotin

an mobiler Phase (Ethanol)

Prinzip: Trennung der Stoffe aufgrund unterschiedlicher Lösungsgleichgewichte

zwischen stationärer Phase und mobiler Phase.

Ablauf

1. Einführung

46

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

47

4. Das chemische Gleichgewicht

Chemische Reaktionen

Chemische Reaktion: Vorgang, bei dem eine oder mehrere Verbindungen

in andere umgewandelt werden.

48

4. Das chemische Gleichgewicht

Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion

Versuch 2

49

4. Das chemische Gleichgewicht

Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion

Prinzip: Umkehrbare Einlagerung der Polyiodidketten

in das Stärkepolymer.

50

4. Das chemische Gleichgewicht

Reversible Reaktionen

Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen (Hin- bzw.

Rückreaktion) laufen gleichschnell ab.

51

4. Das chemische Gleichgewicht

Reversible Reaktionen

Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen

gleichschnell ab.

52

4. Das chemische Gleichgewicht

Reversible Reaktionen

Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen

gleichschnell ab.

53

4. Das chemische Gleichgewicht

Das Massenwirkungsgesetz

Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen

gleichschnell ab.

αA + εE xX + zZ

Ablauf

1. Einführung

54

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

55

5. Steuerung der Gleichgewichte

Das Prinzip von Le Chatelier

Henry Louis Le Chatelier

(1850 – 1936)

Prinzip des kleinsten Zwanges: „Übt man auf ein

System, das im Gleichgewicht ist, durch Druck,-

Temperatur-, oder Konzentrationsänderungen einen

Zwang aus, so verschiebt sich das Gleichgewicht. Es

stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, bei dem der

Zwang vermindert ist“

56

5. Steuerung der Gleichgewichte

Parameter zur Steuerung des Gleichgewichts

Gleichgewicht Paramter Beispiel

Phasengleichgewicht Druck, Temperatur

Lösungsgleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration

Chemisches Gleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration

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5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten

Versuch 3

58

5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten

Prinzip: Die Konzentration eines Gases in einer Lösung ist proportional zu dem

Dampfdruck des Gases über der Lösung.

CO 2 (g) CO2 (aq)

59

5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts

Versuch 4

60

5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts

Prinzip: Ein Überschuss an Anthracen bewirkt ein Ausweichen des Systems in

Richtung des kleineren Zwanges, die Seite des Produkts.

OH

O2N NO2

NO2

+

OH

O2N NO2

NO2

Anthracen Pikrinsäure Anthracenpikrat

e-Donore-Akzeptor

61

5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 5: Katalyse

Versuch 5

62

5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 5: Katalyse

NH2

O

NH2OH

O

NH2

HH

O+

NH2

O-

NH2

HHO

NH3+

spontan

CO2 + NH3

alkalisch

Mechanismus: Nucleophiler Angriff des Wassers am elektrophilen

Carbonylkohlenstoff und anschließender Zerfall der tetraedrischen Zwischenstufe.

NH3(aq) + OH2 NH4+

(aq) + OH-(aq)

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5. Steuerung der Gleichgewichte

Versuch 5: Katalyse

Prinzip: Der Harnstoff-Urease-Komplex besitzt eine geringere potentielle Energie als

Harnstoff. Die Aktivierungsenergie sinkt, die Reaktion verläuft schneller.

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5. Steuerung der Gleichgewichte

Wirkung von Katalysatoren

→ Erhöhen die Geschwindigkeit der Reaktion, ohne selbst

verbraucht zu werden.

→ Katalysieren Hin- und Rückreaktion, d.h. es wird die Einstellung des

Gleichgewichts beschleunigt, jedoch nicht dessen Lage.

NH2

O

NH2

HHO

OH

O

NH2NH3+

Urease

Ablauf

1. Einführung

65

2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

66

4. Die Lehrplanrelevanz des Themas

Versuch: Lehrplanrelevanz

Verteilung von Rhodamin zwischen Butanol

und Wasser

9 G1: Wassermolekül als Dipol

Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe

Iod-Stärke-Reaktion Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht

Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen

Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie

Kohlensäure im Mineralwasser:

Das Prinzip von Le Chatelier

Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht

Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen

Darstellung von Anthracenpikrat Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht

Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen

Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe

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4. Die Lehrplanrelevanz des Themas

Versuch Lehrplanrelevanz

Katalyse: Zersetzung von Harnstoff durch

Urease

Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht

Q3 LK: Antrieb und Steuerung chemischer Reaktionen

Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie

Demonstration Lehrplanrelevanz

Dampfmaschine 7 G1: Stoffe unterscheiden und isolieren: Der Aggregatzustand

Fächerübergreifender Unterricht mit der Physik

Säulenchromatographie:

Auftrennung der Blattfarbstoffe

Q4 LK/GK: Angewandte Chemie: Farbstoffe

Fächerübergreifender Unterricht mit der Biologie

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

68

Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie für die Jahrgangsstufen G7 bis G12

http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a-

8cc6-1811-f3ef-ef91921321b2 (Zugriff 10.11.2011)

Hollemann, A. F., Wiberg, E., Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie.

102. Auflage. Berlin, New York: de Gruyter.

Jander, Blasius (2006). Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen

Chemie. 16. Auflage. Stuttgart: S. Hirzel Verlag.

69

Literatur- und Quellenverzeichnis

Mortimer, C. E. (2001). Chemie – Das Basiswissen der Chemie. 7. Auflage. Stuttgart,

New York: Georg Thieme Verlag.

Unfallkasse Hessen, Hessisches Kultusministerium. Hessisches

Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version 11. 2006/2007.

http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011) 

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetimestamp=20100828092422 (8.10.2011) 

70

Literatur- und Quellenverzeichnis

http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011)

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Waldhaus_Gasterntal_Plan5.JPG&filetimestamp=20100828092422 (8.10.2011)

http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0909.html (11.11.2011)

http://www.chemie-master.de/FrameHandler.php?loc=http://www.chemie-master.de/lex/begriffe/h04.html (29.9.2011)

http://www.dampfspeck.de/attachments/Image/Skizze.jpg (9.9.2011)

http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/4/cm/kinetik/bilder/profil2.gif(1.9.20111)

http://www.itusozluk.com/gorseller/le+chatelier/271065 (7.9.2011)

71

Literatur- und Quellenverzeichnis

72

Literatur- und Quellenverzeichnis

http://www.mineralienatlas.de/VIEW.php?param=1113766097.max (8.10.2011) http://www.cornelsen.de/fm/649/ideal_gas.gif (25.11.2011)

http://www.hamm-chemie.de/images/k10/dipol.jpg (8.11.2011)