Probekapitel

Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Experiment
Experiment
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Estergleichgewicht
Die Reaktionen der Esterbildung aus Säure und Alkohol sowie der Esterspaltung in Säure und
Alkohol stehen miteinander im chemischen Gleichgewicht. Beide Reaktionen lassen sich bis
zum Erreichen des Gleichgewichts jeweils durch die zeitliche Änderung des Säureanteils
verfolgen.
Auftrag
Bestimmen Sie die zeitliche Änderung der Säurekonzentration bei Bildung und Spaltung von
Ameisensäuremethylester.
Geräte:
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140
2 Erlenmeyerkolben (V = 100 ml) mit Schliff und Schliffstopfen,
2 Magnetrührer mit Rührfisch, 2 Pipetten (V = 1 ml), Tropfpipette
(Pasteurpipette), Bürette (V = 25 ml) mit Stativ, 2 Erlenmeyerkolben
(V = 250 ml), 2 Messzylinder (V = 50 ml), Uhr
Chemikalien: Ameisensäure (w ≈ 98%; GHS05), Methanol (GHS02|06|08),
Ameisensäuremethylester (GHS02|07), Schwefelsäure (w ≈ 98%; GHS05),
destilliertes Wasser, Natronlauge (c = 0,5 mol · l−1; GHS07),
Phenolphthaleinlösung (ethanolisch; GHS02)
Durchführung:
1. Stellen Sie beide verschließbaren Erlenmeyerkolben
jeweils auf einen Magnetrührer und befüllen Sie diese
unter Rühren in der folgenden Reihenfolge:
Erlenmeyerkolben 1: 38 ml (1 mol) Ameisensäure, 39 ml
(1 mol) Methanol, 2 Tropfen Schwefelsäure
Erlenmeyerkolben 2: 61 ml (1 mol) Ameisensäuremethylester, 18 ml (1 mol) Wasser, 2 Tropfen Schwefelsäure
2. Verschließen Sie die Erlenmeyerkolben und rühren Sie die
Mischungen.
3. Entnehmen Sie gleich zu Beginn jeweils 1 ml der Mischungen und überführen Sie diese Lösungen in jeweils
einen 250-ml-Erlenmeyerkolben mit etwa 100 ml Wasser.
Titrieren Sie beide Lösungen mit Natronlauge unter Zusatz
von Phenolphthaleinlösung bis zur schwachen Rosafärbung.
4. Wiederholen Sie Entnahme und Titration im Abstand von 10 min.
5. Verfolgen Sie beide Reaktionen über einen Zeitraum von insgesamt 90 min.
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Experiment
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Aufträge zur Auswertung:
1 Notieren Sie die Reaktionsgleichungen für Bildung und Spaltung des Ameisensäuremethylesters.
2 Erklären Sie, warum – anders als zu erwarten ist – auch am Beginn der Messreihe der
Esterspaltung (Erlenmeyerkolben 2) ein bestimmtes Volumen Natronlauge titriert werden
muss.
3 Berechnen Sie aus den Ergebnissen der Titrationen die Stoffmenge der Ameisensäure in
den Lösungen in Abhängigkeit von der Reaktionszeit.
4 Erfassen Sie Stoffmengen in einer geeigneten Grafik (z.B. in einem Zeit-StoffmengenDiagramm).
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Entsorgung: Wässrige Reste in den Sammelbehälter für Abwasser, organische Reste in den
Sammelbehälter „Halogenfreie organische Abfälle“ geben.
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Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Experiment
Experiment
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Konzentrationsabhängigkeit von Gleichgewichten
Eisen(III)-Ionen bilden mit Thiocyanat-Ionen eine tiefrote Verbindung, die in Wasser löslich
ist. Das Reaktionsprodukt bildet mit den Ausgangsstoffen ein chemisches Gleichgewicht:
Fe3+ + 3 SCN– →
← Fe(SCN)3
Auftrag
Bestimmen Sie die Konzentrationsabhängigkeit des Eisenthiocyanat-Gleichgewichts.
Geräte:
3 Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, Erlenmeyerkolben (V = 500 ml),
Metallspatel
Chemikalien: Eisen(III)-chlorid (GHS05|07), Ammoniumthiocyanat (Ammoniumrhodanid;
GHS07), destilliertes Wasser
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Durchführung:
1. Jeweils eine Spatelspitze Eisen(III)-chlorid und Ammoniumthiocyanat werden in den
Erlenmeyerkolben gegeben, in etwas destilliertem Wasser gelöst und die sich ergebene
tiefrote Lösung so lange mit Wasser verdünnt, bis sie nur noch eine schwach rosa Färbung
aufweist.
2. Teile dieser Lösung werden in die drei Reagenzgläser gefüllt. In eines der Reagenzgläser
wird 1 Spatelspitze weiteres Eisen(III)-chlorid gegeben, in das zweite 1 Spatelspitze
Ammoniumthiocyanat, das dritte Reagenzglas bleibt unverändert.
Aufträge zur Auswertung:
Interpretieren Sie die Beobachtungen.
Entsorgung: Reste in den Sammelbehälter für Abwasser geben.
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Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Konzentrationsabhängigkeit von Gleichgewichten
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In beiden Fällen tritt eine Farbvertiefung ein. Bei Zugabe von weiteren Eisen(III)-Ionen bzw.
Thiocyanat-Ionen zur verdünnten Lösung wird das chemische Gleichgewicht nach rechts
verschoben und die im Gleichgewicht noch vorhandenen Thiocyanat- bzw. Eisen(III)-Ionen
reagieren zu weiterem Fe(SCN)3.
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143
Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Arbeitsblatt
Arbeitsblatt
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Modell zum Einstellen eines dynamischen Gleichgewichts
Der Apfelkrieg
Zwischen 2 Grundstücken steht ein Apfelbaum.
Er hat bereits fast alle Äpfel verloren, die nun in
einem zufälligen Verhältnis auf beide Grundstücke verteilt liegen und vor sich hin faulen. Auf
dem linken Grundstück wohnt ein Rentner (R),
auf dem rechten Grundstück hat der Junge Hans
(H) den Auftrag bekommen, die dort liegenden
Äpfel zu beseitigen. „Nichts einfacher als das“,
meint er und sammelt Äpfel, um sie Stück für
Stück in den Garten des Rentners zu werfen. Die
Bilderserie zeigt, dass das Ergebnis anders als
erwartet ist.
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Aufträge
Vorgaben:
υH bzw. υR in Äpfel · s−1: Häufigkeiten des Apfelübergangs
cH bzw. cR in Äpfel · m−2: Anteile an Äpfeln
kH bzw. kR: Beweglichkeitskonstanten
1 Belegen Sie anhand kommentierter mathematischer Ansätze, dass sich – unabhängig von
der Ausgangssituation – nach einer bestimmten
Zeit ein dynamisches Gleichgewicht zwischen
beiden Seiten einstellt.
2 Leiten Sie die Einheit der Beweglichkeitskonstante her und belegen Sie, dass ihre
Definition bei diesem Beispiel sinnvoll ist.
3 Diskutieren Sie im Unterricht den Fall, bei dem
es Hans zunächst geschafft hat, alle Äpfel in
den Garten des Rentners zu werfen, bevor
dieser den Vorfall bemerkt. Welches Ergebnis
wäre dann zu erwarten?
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Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Modell zum Einstellen eines dynamischen Gleichgewichts
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1 Die Häufigkeit des Übergangs von Äpfeln – also die Geschwindigkeit – hängt von der
jeweils erreichbaren Anzahl von Äpfeln und von der Beweglichkeit des jeweiligen Werfers
ab. Daraus folgen zwei Ansätze:
υH = kH · cH für Hans
υR = kR · cR für den Rentner
Zu Beginn ist υH > υR, da die Äpfel aufgrund der größeren Anteile an Äpfeln cH auf der
Seite von Hans leichter zu erreichen sind. Nach einer bestimmten Zeit muss Hans jedoch
immer mehr herumrennen, um Äpfel zu finden, während sich der Rentner wegen der
Zunahme von cR dafür schließlich nur noch bücken muss. Die Geschwindigkeit υH nimmt
daher ständig ab und die Geschwindigkeit υR ständig zu, bis beide Geschwindigkeiten
gleich sind und sich dann nicht mehr ändern: Ein dynamisches Gleichgewicht ist erreicht.
2 Aus υ = k · c
folgt k = υ/c
2
m2
Äpfel · m
=1
[k] = 1
s · Äpfel
s
Die Beweglichkeitskonstanten geben an, welche Fläche Hans bzw. der Rentner in jeweils
1 Sekunde „bearbeiten“ können. Da man annehmen kann, dass Hans beweglicher ist als
der Rentner, gilt kH > kR.
3 In diesem Falle wäre beim Zurückwerfen zunächst der Rentner im Vorteil, da bei ihm die
„Konzentration“ der Äpfel größer ist als bei Hans, der trotz größerer Beweglichkeitskonstante zunächst Mühe haben wird, genügend viele Äpfel in den Garten des Rentners zu
werfen. Die Situation wird für ihn aber immer besser, da bei ihm die Apfelkonzentration
steigt und er seine Wurfhäufigkeit erhöhen kann, während diese auf der Rentnerseite
ständig abnimmt. Schließlich landen beide Seiten auf demselben Gleichgewicht wie zuvor.
Die jeweilige Ausgangssituation ist demnach völlig gleichgültig: Es stellt sich stets
dasselbe dynamische Gleichgewicht ein.
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145
Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Arbeitsblatt
Arbeitsblatt
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Das Iodwasserstoff-Gleichgewicht
Eine der am meisten untersuchten Reaktionen ist das Iodwasserstoff-Gleichgewicht, d.h. die
Bildung von Iodwasserstoff aus den Elementen und dessen Zerfall in die Elemente.
Gegeben sei ein Kolben (V = 1 l), in den bei T = 763 K jeweils n0 = 1 mol Wasserstoff und
n0 = 1 mol Ioddampf eingefüllt wurden.
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Aufträge
1 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für
die Bildung von Iodwasserstoff und zeigen
Sie, dass es sich dabei um ein Gleichgewicht handelt.
2 Interpretieren Sie die Einstellung des chemischen Gleichgewichts anhand des Verlaufs von Kurve 1 und Kurve 2 in nebenstehender Abbildung.
3 Notieren Sie für die Bildung von Iodwasserstoff einen Ansatz für die Gleichgewichtskonstante Kc.
4 Berechnen Sie die Stoffmengen von Wasserstoff, Iod und Iodwasserstoff nach Einstellung
des chemischen Gleichgewichts [Kc(T = 763 K) = 45,9].
5 Berechnen Sie die Partialdrücke der miteinander im chemischen Gleichgewicht stehenden
Gase und den im Kolben herrschenden Gesamtdruck.
6 Berechnen Sie die Stoffmengen von Wasserstoff, Iod und Iodwasserstoff nach Einstellung
des chemischen Gleichgewichts, wenn die Anfangskonzentration von Wasserstoff
n0 = 2 mol beträgt. Diskutieren Sie diese Veränderung der Zusammensetzung im
chemischen Gleichgewicht anhand des Ansatzes der Gleichgewichtskonstante Kc.
7 Notieren Sie die Gleichgewichtskonstante K′c für die Zerfallsreaktion von Iodwasserstoff
und begründen Sie Ihre Antwort.
Formelanhang
pi · V = ni · R · T
R = 8,314 J · mol–1 · K–1
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Lösungshinweis
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Lösungshinweis
Das Iodwasserstoff-Gleichgewicht
1 H2 + I2 →
← 2 HI
2 Kurve 1 beschreibt die Bildung von Iodwasserstoff aus den Elementen Wasserstoff und
Iod, Kurve 2 die Zersetzung von Iodwasserstoff zu Wasserstoff und Iod. Zu Beginn der
jeweiligen Reaktion ist die Reaktionsgeschwindigkeit für die Bildung von Iodwasserstoff
größer als die Reaktionsgeschwindigkeit für die Zersetzung. Beide Geschwindigkeiten
nehmen jedoch mit der Zeit ab und sind ab einem bestimmten Zeitpunkt gleich groß. Dies
ist der Zeitpunkt, zu dem beide Reaktionen das – identische – chemische Gleichgewicht
erreicht haben.
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3 Kc =
n 2 (HI)
n(H 2 ) · n(I 2 )
4 RGl
Start
→
←
MWG
→
+
I2
2 HI
H2
←
1 mol
1 mol
0 mol
(1 − x) mol
(1 − x) mol
2 x mol
2
(2 x)
Kc =
= 45,9
(1  x) · (1  x)
0 = x2 −
x=
918
459
x+
419
419
459
−
419
4592 459

4192 419
x = 0,772
 n(HI) = 1,544 mol; n(H2) = 0,228 mol; n(I2) = 0,228 mol
5 pi · V = ni · R · T bzw. pi = ni ·
R·T
V
Partialdruck von Wasserstoff und Iod:
8,314 J · mol1 · K 1 · 763 K
R·T
p(H2) = p(I2) = n(H2) ·
= 0,228 mol ·
= 1450 kPa
V
0,001 m3
Partialdruck von Iodwasserstoff:
8,314 J · mol1 · K 1 · 763 K
R·T
= 1,544 mol ·
p(HI) = n(HI) ·
= 9790 kPa
V
0,001 m3
p = p(H2) + p(I2) + p(HI) = 12690 kPa
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Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
6 Kc =
Lösungshinweis
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
(2 x) 2
= 45,9
(2  x) · (1 x)
x = 0,93
 n(HI) = 1,86 mol; n(H2) = 1,07 mol; n(I2) = 0,07 mol
Da Kc (und somit der Quotient) konstant bleibt, wird bei zu Beginn größerem Anteil n(H2)
mehr Iod zu Iodwasserstoff reagieren.
7 Beim Zerfall von Iodwasserstoff zu Wasserstoff und Iod ergibt sich der Betrag der Gleichgewichtskonstante aus einem Quotienten, der den Kehrwert des Quotienten für die Bildung
von Iodwasserstoff darstellt. Demzufolge ist die Gleichgewichtskonstante für den Zerfall
von Iodwasserstoff gleich dem Kehrwert der Gleichgewichtskonstante für die Bildung von
Iodwasserstoff:
K′c =
1
1
= 0,0218
=
Kc
45,9
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Arbeitsblatt
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Arbeitsblatt
Berechnung eines Estergleichgewichts
Ameisensäure (A; HCOOH) und Methanol (M; CH3OH) reagieren mithilfe eines Katalysators
zu einem Ester (E), der einen angenehmen Geruch verbreitet. Zwischen Ausgangsstoffen und
Reaktionsprodukten stellt sich dabei ein chemisches Gleichgewicht ein. Die experimentell
ermittelte Gleichgewichtskonstante für die Bildung des Esters beträgt Kc = 3,3 bei 25 °C
(298 K).
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1 Formulieren Sie eine Wortgleichung für das genannte chemische Gleichgewicht.
2 Notieren Sie einen mathematischen Ansatz für die Gleichgewichtskonstante Kc.
3 Interpretieren Sie die Lage des chemischen Gleichgewichts anhand dieser
Gleichgewichtskonstante.
4 Berechnen Sie die im chemischen Gleichgewicht vorliegende Stoffmenge des Esters n(E),
die aus einer Mischung von 0,5 l Ameisensäure und 0,2 l Methanol entsteht.
5 Berechnen Sie die Ausbeute η des Esters.
Zusätzliche Angaben
Dichte der Ameisensäure: ρ(A) = 1,22 g · cm−3
Dichte von Methanol: ρ(M) = 0,79 g · cm−3
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Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Lösungshinweis
Lösungshinweis
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Berechnung eines Estergleichgewichts
1 Ameisensäure (A) + Methanol (M) →
← Ester (E) + Wasser (W)
n(E) · n(W)
n(A) · n(M)
2 Kc =
3 Aus dem Wert der Gleichgewichtskonstante (Kc = 3,3) kann man schließen, dass das
Gleichgewicht bei der angegebenen Temperatur auf der rechten Seite liegt, d.h. auf der
Seite des Esters und des Wassers.
4 Mithilfe der Dichten erfolgt die Umrechnung der Volumina von Ameisensäure und
Methanol in die Massen m:
m(A) = ρ(A) · V(A) = 1,22 g · cm–3 · 500 cm3 = 610 g
m(M) = ρ(M) · V(M) = 0,79 g · cm–3 · 200 cm3 = 158 g
Umrechnung der Massen in die Stoffmengen n:
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150
n=
m
M
n0(M) =
RGl
Start
→
←
n0(A) =
610 g
m(A)
=
= 13,3 mol
M (A) 46 g · mol1
und
158 g
m(M)
=
= 4,9 mol
M (M)
32 g · mol1
Ameisensäure (A) + Methanol (M) →
← Ester (E) + Wasser (W)
13,3 mol
4,9 mol
0 mol
0 mol
13,3 mol − n
4,9 mol − n
n
n
MWG Kc =
Kc =
c(Ester) · c(Wasser)
c(Ameisensäure) · c(Methanol)
n2
= 3,3
(13,3 mol  n) · (4,9 mol  n)
0 = n2 −
600,6
2150,61
mol · n +
mol2
23
23
 303,3
303,32 2150,61 
n(E) = 
mol


2
 23

23
23


n(E) = 4,28 mol
5 η=
n( E )
4,28 mol
=
= 0,87 = 87%
n( M )
4,9 mol
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Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
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Das N2O4-NO2-Gleichgewicht
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Die beiden Stoffe Distickstofftetraoxid und Stickstoffdioxid bilden ein chemisches Gleichgewicht:
N2O4 →
ΔrHm0 = +59 kJ · mol−1
← 2 NO2
Die gasförmige Mischung kondensiert bei 21,5 °C zu einer rotbraunen Flüssigkeit und erstarrt
bei −11,2 °C zu einem farblosen Feststoff. Distickstofftetraoxid dient in Raketenantrieben als
starkes Oxidationsmittel.
Aufträge
1 Belegen Sie anhand der obigen Angaben, dass das chemische Gleichgewicht mit steigender
Temperatur nach rechts, mit steigendem Druck jedoch nach links verschoben wird.
2 Verknüpfen Sie Ihre Antworten mithilfe des Prinzips von LE CHATELIER und BRAUN.
3 Erklären Sie, woraus man schließen kann, dass reines Distickstofftetraoxid farblos ist.
4 Wird das Volumen eines mit dem Gasgemisch gefüllten
Kolbenprobers verringert, nimmt die Farbintensität
zunächst zu, nach kurzer Zeit jedoch wieder deutlich ab.
Wird das Volumen hingegen vergrößert, nimmt die
Farbintensität zunächst ab, nach kurzer Zeit jedoch wieder
deutlich zu. Erklären Sie diese beiden Vorgänge.
5 Bei  = 45 °C und p = 1013 hPa beträgt der Partialdruck von N2O4 p(N2O4) = 473 hPa.
Berechnen Sie aus diesen Angaben die Gleichgewichtskonstanten Kp und Kc.
6 Erklären Sie, warum die Lage des Gasgleichgewichts H2 + I2 →
← 2 HI durch eine
Druckänderung nicht beeinflusst wird.
Formelanhang
p1 + p2 + p3 + … = p
Kp = Kc · (R · T)Δν
R = 8,314 J · mol–1 · K–1
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Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Lösungshinweis
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Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Das N2O4-NO2-Gleichgewicht
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1 Da die Reaktion endotherm ist, führt eine Temperaturerhöhung zu einer Verschiebung des
Gleichgewichts nach rechts. Die Hinreaktion ist mit einer Zunahme des Gasvolumens
verbunden. Bei Erhöhung des Außendrucks wird die Rück-Reaktion bevorzugt: Das
Gleichgewicht verlagert sich nach links.
2 Das Prinzip von LE CHATELIER und BRAUN besagt, dass ein Gleichgewicht versucht, einer
Störung von außen entgegenzuwirken. Einer Temperaturerhöhung weicht das Gleichgewicht durch Bevorzugung einer endothermen Reaktion aus. Einer Druckerhöhung weicht
das Gleichgewicht durch eine Volumenverringerung aus.
3 Bei abnehmender Temperatur verlagert sich das Gleichgewicht immer mehr nach links.
Daraus kann man schließen, dass der farblose Feststoff praktisch aus reinem N2O4 besteht.
4 Beim Verringern des Volumens nimmt die Konzentration des Gasgemischs zu, was
zunächst zu einer Farbvertiefung führt. Da sich jedoch das Gleichgewicht aufgrund der
Druckerhöhung zu farblosem N2O4 verschiebt, erfolgt schließlich eine Aufhellung. Beim
Vergrößern des Volumens verringert sich der Druck des Gasgemischs. Die Konzentration
nimmt ab, daher zunächst Aufhellung. Das Gleichgewicht verschiebt sich jedoch zu
braunem NO2, daraus folgt eine Farbvertiefung.
5 Nach dem Gesetz der Partialdrücke folgt:
p(N2O4) + p(NO2) = p
p(NO2) = 1013 hPa − 473 hPa = 540 hPa
(540 hPa) 2
p 2 (NO 2 )
Kp =
=
= 616 hPa
p (N 2O 4 )
473 hPa
Δν = 1, daher Kc =
Kp
R·T
=
616 hPa
= 0,023 mol · l−1
1
1
8,314 J · mol · K · 318 K
6 Bei der angegebenen Reaktion findet keine Änderung des Gesamtvolumens statt. Daher
bleibt eine Druckänderung von außen ohne Wirkung auf das Gleichgewicht.
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Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Produktion von Salpetersäure (Ostwald-Verfahren)
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Beim Ostwald-Verfahren wird Ammoniak über mehrere Reaktionsstufen zu Salpetersäure
verarbeitet. Salpetersäure ist Ausgangsstoff zur Herstellung von Düngemitteln, aber auch von
Sprengstoffen. Das Verfahren wurde bereits 1902 patentiert, erlangte jedoch erst nach der
gelungenen Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff großtechnische
Bedeutung.
Schritt 1: katalytische Verbrennung von Ammoniak
Im ersten Schritt wird Ammoniak in Gegenwart eines Katalysators verbrannt:
ΔrHm0 = −906 kJ/mol
4 NH3(g) + 5 O2(g) →
← 4 NO(g) + 6 H2O(g)
Schritt 2: Bildung von Stickstoffdioxid
Im zweiten Schritt erfolgt eine weitere Oxidation zu Stickstoffdioxid und Dimerisierung zu
Distickstofftetraoxid:
2 NO(g) + O2(g) →
ΔrHm0 = −114 kJ/mol
← 2 NO2(g)
ΔrHm0 = −59 kJ/mol
2 NO2(g) →
← N2O4(g)
Schritt 3: Bildung von Salpetersäure
Im dritten Schritt entsteht eine wässrige Lösung von Salpetersäure:
2 N2O4(g) + O2(g) + 2 H2O(l) →
← 4 HNO3(aq)
Aufträge
1 Diskutieren Sie anhand der Abbildung sowie der obigen Angaben die folgenden Sachverhalte.
a Eigentlich wäre die Verbrennung von Ammoniak bei möglichst niedrigen Temperaturen
sinnvoll. Sie erfolgt jedoch bei etwa 800 °C.
b In Schritt 2 wird die Temperatur des Stickstoffmonooxids rasch auf unter 50 °C gesenkt.
c Im dritten Schritt liegt das Gleichgewicht praktisch vollständig auf der rechten Seite.
d Schritt 2 und 3 erfolgen unter leicht erhöhtem Druck, nicht jedoch Schritt 1.
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Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz
Lösungshinweis
Lösungshinweis
Chemisches Gleichgewicht –
Massenwirkungsgesetz
Produktion von Salpetersäure (Ostwald-Verfahren)
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1
a Die Reaktion ist exotherm. Daher liegt das Gleichgewicht bei niedrigen Temperaturen auf
der rechten Seite und die Ausbeute an gebildetem Stickstoffmonooxid wäre größer. Die
Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch bei diesen Bedingungen zu gering und der Katalysator ist erst bei hoher Temperatur wirksam. Durch die Form des Reaktionskessels hat der
Katalysator eine große Oberfläche. Dadurch wird gleichzeitig viel des eingesetzten Gasvolumens umgesetzt.
b Die Bildung von Stickstoffdioxid aus Stickstoffmonooxid ist exotherm. Daher liegt das
Gleichgewicht der Reaktion bei niedriger Temperatur auf der gewünschten Produktseite.
Die Abkühlung wird durch den Einsatz der beiden Wärmetauscher erreicht. Offensichtlich
verläuft die anschließende Reaktion im Oxidationsturm auch genügend rasch.
c Die bei der Reaktion im Absorptionsturm entstehende Salpetersäure ist in Wasser gelöst
und somit aus der Gasphase vollständig entfernt worden. Daher kann sich praktisch kein
Gleichgewicht mehr einstellen.
d Bei Schritt 2 und 3 nimmt das Gasvolumen nach der rechten Seite des Gleichgewichts ab.
Nach dem Prinzip von LE CHATELIER und BRAUN führt daher eine Druckerhöhung zu einer
Verschiebung des Gleichgewichts nach rechts. Bei Schritt 1 ist der Fall umgekehrt: Eine
Druckerhöhung würde zu einer Verlagerung des Gleichgewichts nach links führen.
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