Kapitel 4: Chemisches Gleichgewicht

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1) Umkehrbare Reaktionen
a) Versuch 1
 Etwas Phosphorpentabromid PBr5(s) wird in einem ersten Reagenzglas (RG1)
erhitzt
 Zusammenbringen von Brom und Phosphortribromid PBr3(l) in einem zweiten
Reagenzglas (RG2)
 Umkehrbare Reaktion, also:
b) Versuch 2

Bei niedriger Temperatur ist das Gas Distickstofftetraoxid N2O4 in einem ersten
Rundkolben (RK1) farblos. Wird dieses Gas erwärmt, zerfällt es und es bildet
sich braunes Stickstoffdioxidgas NO2:

Wird braunes Stickstoffdioxidgas NO2 in einem zweiten Rundkolben (RK2)
abgekühlt, so bildet sich farbloses N2O4.
 Umkehrbare Reaktion, also:
siehe Buch “Umkehrbare Reaktionen” S. 86
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2) Chemisches Gleichgewicht
2.1. Anschauungsbeispiele
a) Werden die Reagenzgläser RG1 und RG2 von 1)a) in einem Wasserbad auf 80°C
erhitzt, findet man in den beiden Reagenzgläsern GLEICHZEITIG sowohl PBr 5(s) wie
PBr3(l) als auch Br2(g) an.
Bemerkung: man spricht hier von einem HETEROGENEN Gleichgewicht (die an dem
Gleichgewicht beteiligten Stoffe treten in unterschiedlichen Aggregatzuständen auf).
b) Werden die beiden Rundkolben von Versuch 1b) bei Raumtemperatur aufbewahrt,
so nimmt bei RK1 die Farbintensität zu, bei RK2 die Farbintensität ab.
Bemerkung: man spricht hier von einem HOMOGENEN Gleichgewicht (alle an dem
Gleichgewicht beteiligten Stoffe liegen unter dem gleichen Aggregatzustand vor)
2.2. Merkmale eines chemischen Gleichgewichtes
Folgendes homogenes Gleichgewicht wurde sehr genau untersucht:
Betrachten wir das sich einstellende Gleichgewicht unter zwei Aspekten.
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a) Chemisches Gleichgewicht und Energetik (Kapitel 1)
Sowohl Hin als auch Rückreaktion laufen bis zum Erreichen des Gleichgewichtes
spontan ab, also:
Darstellung
b) Chemisches Gleichgewicht und Kinetik (Kapitel 3)
Am Anfang der Reaktion:
Während der Reaktion:
Im Gleichgewicht:
Darstellung:
siehe Buch “Einstellung eines chemischen Gleichgewichtes” S.88
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3) Das Massenwirkungsgesetz
3.1. Beispiel
Experimentell wurde für folgendes homogenes Gleichgewicht:
H2(g) + I2(g)
2HI(g)
festgestellt dass:
Im Gleichgewicht:
Also:
Bedeutung:
3.2. Allgemein
Für jedes homogene chemische Gleichgewicht:
aA + bB
eE + dD
lässt sich eine Gleichgewichtskonstante formulieren:
Bemerkungen:
 Ist Kc << 1  c(Edukte) >> c(Produkte
Ist Kc >> 1  c(Edukte) << c(Produkte)
Ist Kc = 1  c(Edukte) = c(Produkte)

Kc hängt nur von der Temperatur ab.
 Im Falle eines heterogenen Gleichgewichtes: alle Stoffe, welche unter festem
oder flüssigem (aq) Aggregatzustand vorliegen, werden nicht in der Formulierung
von Kc berücksichtigt (c dieser Stoffe werden als konstant bleibend angesehen).
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Beispiel:
4A(s) + B(g)
3D(l) + 2E(g)
Es liegt ein heterogenes Gleichgewicht vor:
siehe Buch “Das Massenwirkungsgesetz” S. 88-89 und Aufgabe 1) Blatt
3.3. Ermittlung der Zusammensetzung eines Systems im Gleichgewicht
Beispiel:
In einem Gesamtvolumen von 0,5 Liter werden 2mol HI und 1mol I2
zusammengebracht. Wie lauten die Konzentrationen der Edukte und der Produkte
beim Erreichen des Gleichgewichtes bei 393K?
Bei 393K: Kc = 60
H2(g) + I2(g)
2HI(g)
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Aufgabe A2 S.89 und Aufgaben 2)-4) Blatt
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4) Einflüsse auf die Lage eines chemischen Gleichgewichtes
4.1. Volumenveränderung
a) siehe V4 S.93
Ausgangsbemerkungen:
i)
ii)
folgendermassen wurde der
Kolben zusammengedrückt
je heller der Grünton des
Indikators, umso grösser c(H3O+)
iii)
Bild 1
b) Das verbleibende CO2 in der Spritze
zusammengedrückt (Verringerung des Volumens):
Bild 3
Bild 2
wird
während
längerer
Zeit
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c) Der Kolben wird zurückgezogen (Vergrösserung des Volumens):
Bild 4
d) Allgemein
Eine Volumenverringerung verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, welche das
kleinstmögliche Gasvolumen aufweist.
Eine Volumenvergrösserung verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, welche
das grösstmögliche Gasvolumen aufweist.
siehe Buch “Volumenveränderung” S.92-93
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4.2. Zufuhr/Entzug von Wärme
a) Etwas farbloses Distickstofftetraoxid wird erwärmt:
b) Etwas braunes Stickstoffdioxid wird abgekühlt
c) Allgemein
Eine exotherme Reaktion wird durch Wärmeentzug, eine endotherme Reaktion durch
Wärmezufuhr begünstigt.
siehe Buch “Zufuhr bzw. Entzug von Wärme” S.91 und A3 S.93
4.3. Stoffmengenveränderung
a) Zu einer gelben Kaliumchromat/Kaliumdichromat-Lösung wird etwas Salzsäure
gegeben.
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b) Zu der unter a) erhaltenen orang-farbenen Lösung werden einige ml einer
Baselösung gegeben
c) Allgemein
Eine Erhöhung der Konzentration einer der am Gleichgewicht beteiligten Stoffe
verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, welche einen Teil des zugeführten
Stoffes wieder verbraucht.
Die Entnahme eines der am Gleichgewicht beteiligten Stoffe verschiebt das
Gleichgewicht in die Richtung, welche einen Teil des entnommenen Stoffes wieder
bildet.
siehe Buch “Stoffmengenänderung” S.90-91, A2-A3 S.93 und Aufgaben Blatt 5)-7)
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5) Löslichkeitsprodukt
5.1. Lösungsvorgang: ein umkehrbarer Vorgang
Was passiert während eines Lösungsvorganges?
a) Anlagerung der Wassermoleküle an Ionen des Kristalls  hydratisierte Ionen
b) Führung hydratisierter Ionen in flüssige Phase (Lösung)
Schreibweise:
Bemerkung:
Hydratisierte Ionen können aber auch wierderum in den Kristall eingebaut werden.
Schreibweise:
Also:
siehe Buch S. 96
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5.2. Gleichgewicht bei schwer löslichen Salzen
a) Versuch:
Zu ganz genau 20ml einer 1molaren Calciumchloridlösung werden ganz genau 25ml
einer 1molaren Natriumsulfatlösung gegeben.

b) Auswertung
Die Calciumchloridlösung enthält
Die Natriumsulfatlösung enthält
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Werden die beiden Lösungen miteinander vermischt, reagieren die Calciumionen
(Ca2+) mit den Sulfationen (SO42-) zu unlöslichem Calciumsulfat:
Obschon SO42- Ionen im Überfluss (0,025mol für 0,02mol Ca2+ Ionen) enthält
überstehende Lösung immer noch Ca2+-Ionen (nachweisbar durch einen bestimmten
Ca2+ Indikator).
Also:
Es stellt sich also ein Gleichgewicht zwischen Auflösen (hier: Hinreaktion) und
Ausfällen (hier: Rückreaktion) ein.
Nur ein sehr geringer Teil von CaSO4 ist in Wasser löslich. Die maximale Menge an
CaSO4 welches sich in einem bestimmten Volumen lösen kann wird
Sättigungskonzentration cs genannt.
Eine gesättigte Lösung ist eine Lösung, welche keinen weiteren Stoff (hier: CaSO4)
mehr auflösen kann. Sie enthält die höchstmögliche Menge des gelösten Stoffes.
c) Formulierung des MWG
KL wird LÖSLICHKEITSPRODUKT genannt (gilt nur bei schwerlöslichen Salzen).
KL ist nur abhängig von der Temperatur.
Bemerkung:
wenn ca(Ab+)cb(Ba-) < KL  kein Niederschlag
wenn ca(Ab+)cb(Ba-) > KL  Niederschlag
siehe auch Buch S. 96-97 und Aufgaben Blatt 8)
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d) Berechnung einer Sättigungskonzentration
Beispiel: KL für Fe(OH)3 beträgt (Tabelle): KL = 410-40 mol4L-4. Welche Masse an
gelöstem Eisen(III)-hydroxid weist 1 Liter einer gesättigten Lösung auf?
siehe auch Beispiele B3 und B4 S.97, A2-A3 S.97 und Aufgaben Blatt 9)-12)
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6) Aufgaben
1) Entscheide, ob es sich jeweils um ein homogenes oder um ein heterogenes
Gleichgewicht handelt.
Formuliere für jede Gleichung das Massenwirkungsgesetz. Gib jeweils die Einheit
der Gleichgewichtskonstante Kc an.
a) N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
b) CH4(g)
C(s) + 2H2(g)
c) 2O3(g)
3O2(g)
d) C(s) + 2S(g)
CS2(g)
e) 4HCl(g) + O2(g)
2H2O(g) + 2Cl2(g)
f) PCl3(g) + Cl2(g)
PCl5(g)
g) H2O(l) + HCl(g)
H3O+(aq) + Cl-(aq)
2) Man gibt in 1Liter-Gefäss 2mol Phosphorpentachlorid. Dieses zersetzt sich beim
erwärmen in Phosphortrichlorid und in Chlor.
PCl5(g)
PCl3(g ) + Cl2(g)
a) Formulieren Kc.
b) Berechne die Konzentrationen der einzelnen am Gleichgewicht beteiligten Stoffe
bei 250°C. Bei 250°C: Kc = 1,8 mol/L
3) In einem Gesamtvolumen von 500mL werden 2mol Essigsäure CH3COOH und
1mol Ethanol C2H5OH zusammengebracht. Wie lauten die Konzentrationen der
Edukte und der Produkte beim Erreichen des Gleichgewichtes bei 298K? Bei 298K:
Kc = 4
CH3COOH(l) + C2H5OH(l)
CH3COOC2H5(l) + H2O(l)
4) Phosgen (COCl2) ist ein sehr giftiges Gas, welches beim Erwärmen unvollständig
in Kohlenmonoxidgas und in Chlorgas zerfällt.
a) Stelle die Reaktionsgleichung auf (Gleichgewicht).
b) In ein 250mL-Gefäss gibt man 0,5mol Phosgen. Bei Erreichen des
Gleichgewichtes bei 527°C findet man nur noch 0,046mol Phosgen im Gefäss an.
Berechne die Konzentrationen der Stoffe Kophlenmonoxid und Chlor bei 527°C.
c) Wie lautet also die Gleichgewichtskonstante Kc bei 527°C?
5) Wie reagieren folgende Systeme im Gleichgewicht durch Volumenerhöhung? In
welche Richtung wird das Gleichgewicht jeweils verschoben?
a) 2NOCl(g)
b) CH4(g) + H2O(g)
c) 2SO2(g) + O2(g)
d) H2(g) + Br2(g)
e) Ni(s) + 4CO(g)
2NO(g) + Cl2(g)
CO(g) + 3H2(g)
2SO3(g)
2HBr(g)
Ni(CO)4(g)
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6) Wie können folgende Systeme im Gleichgewicht durch Temperaturveränderungen
jeweils nach rechts verschoben werden?
a) N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
b) 4HCl(g) + O2(g
2H2O(g) + 2Cl2(g)
Hr = -114kJ
c) C(s) + 2S(g)
CS2(g)
Hr = +117kJ
d) 2O3(g)
3O2(g)
Hr = -284kJ
e) CH4(g)
C(s) + 2H2(g)
Hr = +75kJ
f) H2O(l) + HCl(g)
H3O+(aq) + Cl-(aq)
7) Welchen Einfluss haben folgende Veränderungen auf folgendes System im
Gleichgewicht ?
HCOOH(l) + CH3CH2OH(l)
Methansäure + Ethanol
HCOOCH2CH3(l) + H2O(l)
Methansäureethylester + Wasser
a) Zugabe von Wasser.
b) Erhöhung der Temperatur auf 65°C.
c) Zugabe einer Base.
d) Zugabe von Ethanol.
Siedetemperaturen: Methansäure: 100°C; Ethanol: 78°C; Ester: 56°C
8)
Schreibe
jeweils
Ionenverbindungen an:
die
Lösungsgleichung
folgender
schwerlöslicher
Calciumcarbonat, Bariumdichromat, Silber(I)-sulfid, Aluminiumsulfat, Mangan(II)hydroxid, Eisen(II)-hydroxid
9) Man gibt festes Magnesiumhydroxid in destilliertes Wasser. Man stellt fest, dass
c(Mg2+) = 1,4·10-4mol/l beträgt. Berechne das Löslichkeitsprodukt.
10) Die Löslichkeit von Blei(II)-sulfat in destilliertem Wasser beträgt 0,038g/l.
Berechne das Löslichkeitsprodukt von Blei(II)-sulfat.
11) Welche Masse an Silber(I)-chromat kann man in 100ml destilliertem Wasser
auflösen? KL(Ag2CrO4) = 8,8·10-12.
12) Man vermischt 100ml einer 0,25molaren Natriumfluroidlösung mit 100ml einer
0,3molaren Bariumnitratlösung. Bildet sich ein Bariumfluoridniederschlag?