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

Die Natur -

Ein System der Gleichgewichte

Experimentalvortrag (OC)Tobias RockslohSoSe 2011

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„Wahre Ruhe ist nicht Mangel an Bewegung.

Sie ist Gleichgewicht der Bewegung.“

Ernst Freiherr von Feuchtersleben, 1840

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http://www.gutzitiert.de/zitat_autor_ernst_freiherr_von_feuchtersleben_379.html

Vortragsziele

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

Darstellung der Schul- und Lehrplanrelevanz des Themas

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Ablauf

1. Einführung

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2. Phasengleichgewichte 3. Lösungsgleichgewichte

4. Das chemische Gleichgewicht

6. Die Lehrplanrelevanz des Themas

5. Steuerung der Gleichgewichte

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1. Einführung

Statisches Gleichgewicht:

Ein System im Ruhezustand

Dynamisches Gleichgewicht:

Zwei gegenläufige Prozesse gleichen sich aus

http://www.google.de/imgres?imgurl=http://andrea2007.files.wordpress.com/2010/01/gleichgewicht.gif&imgrefurl=http://andrea2007.wordpress.com/2010/01/24/im-gleichgewicht-zwischen-geben-und-nehmen/&usg=__K-HeTagC91cPXRtoswg2s3bhd2Y=&h=210&w=242&sz=8&hl=de&start=1&zoom=1&um=1&itbs=1&tbnid=ymXL1lQtPEBo3M:&tbnh=95&tbnw=110&prev=/search%3Fq%3DGleichgewicht%26um%3D1%26hl%3Dde%26sa%3DN%26ndsp%3D20%26biw%3D1263%26bih%3D833%26tbm%3Disch&ei=Sli5TdeWC8HUtAaB8-zqAw



Ablauf

1. Einführung

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2. Phasengleichgewichte

Der Aggregatzustand

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Der Phasenbegriff

Phase: Räumlicher Bereich, den eine Substanz ohne erkennbare Grenzflächen

in seinem Inneren einnimmt.

http://www.google.de/imgres?imgurl=http://www.ferienwohnung-hubner.de/assets/images/wasserglas.gif&imgrefurl=http://www.ferienwohnung-hubner.de/html/service.html&usg=__aTr83Yy2h15tuR56mhRW_djrjtc=&h=297&w=230&sz=23&hl=de&start=6&zoom=1&um=1&itbs=1&tbnid=ofNGglqXU-7vCM:&tbnh=116&tbnw=90&prev=/search%3Fq%3DWasserglas%26um%3D1%26hl%3Dde%26biw%3D1263%26bih%3D833%26tbm%3Disch&ei=CfLLTaWaMJS0hAeQo7yqAg


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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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Maxwell-Boltzmann-Verteilung

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

Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

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Maxwell-Boltzmann-Verteilung

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

Geschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen schwanken um einen Mittelwert.

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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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Dampfdruck

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Zustandsdiagramm des Wassers

20°C

0.023 bar

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Demonstration 1: Dampfdruck

Demonstration 1

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Demonstration 1: Dampfdruck

Ablauf

1. Einführung

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3. Lösungsgleichgewichte

Definition: Lösung

Lösung: Eine Mischung von Verbindungen, die eine einheitliche

Zusammensetzung (eine Phase) hat.

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Der Lösungsprozess

Solvatation: Umhüllung von gelösten Teilchen durch Lösungsmittelmoleküle

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

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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.

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Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit

Polarität: Getrennte Ladungsschwerpunkte aufgrund einer ungleichen

Verteilung der Elektronendichte im Molekül.

Polar Unpolar

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Einfluss der Molekülstruktur auf die Löslichkeit

Prinzip: Similia similibus solvuntur

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

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Definition: Lösungsgleichgewicht

Phase β

Phase α

Lösungsgleichgewicht: Gleichgewicht, das sich bei der Verteilung eines

Stoffes zwischen zwei Phasen einstellt.

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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

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Zeit nach Zugabe von Rhodamin: 0 h

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28




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Verteilungskoeffizient



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



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

Konzentrationsgradient

Löslichkeitsgradient

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Zugabe Farbstoff



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Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.



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36

Konzentrationsgradient überwiegt Löslichkeitsgradient.

Im Gleichgewicht: Löslichkeitsgradient überwiegt Konzentrationsgradient.



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38



Kombinationen:




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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

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Kombinationen:




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Demonstration 2: Chromatographie

Demonstration 2

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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



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

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Schwach polar

Polar

Unpolar

Polare, stationäre Phase

Unpolares Lösungsmittel

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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

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Chemische Reaktionen

Chemische Reaktion: Vorgang, bei dem eine oder mehrere Verbindungen

in andere umgewandelt werden.

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Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion

Versuch 2

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Versuch 2: Iod-Stärke Reaktion

Prinzip: Umkehrbare Einlagerung der Polyiodidketten

in das Stärkepolymer.

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Reversible Reaktionen

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

Rückreaktion) laufen gleichschnell ab.

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Das chemische Gleichgewicht: Zwei entgegengesetzte Reaktionen laufen

gleichschnell ab.

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gleichschnell ab.

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Das Massenwirkungsgesetz


gleichschnell ab.

αA + εE xX + zZ

Ablauf

1. Einführung

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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“

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Parameter zur Steuerung des Gleichgewichts

Gleichgewicht Paramter Beispiel

Phasengleichgewicht Druck, Temperatur

Lösungsgleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration

Chemisches Gleichgewicht Druck,Temperatur,Konzentration

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Versuch 3: Steuerung von Lösungsgleichgewichten

Versuch 3

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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)

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Versuch 4: Steuerung des chemischen Gleichgewichts

Versuch 4

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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

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Versuch 5: Katalyse

Versuch 5

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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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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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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

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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


Darstellung von Anthracenpikrat Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht



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Versuch Lehrplanrelevanz

Katalyse: Zersetzung von Harnstoff durch

Urease

Q3 GK: Das chemische Gleichgewicht



Demonstration Lehrplanrelevanz

Dampfmaschine 7 G1: Stoffe unterscheiden und isolieren: Der Aggregatzustand

Fächerübergreifender Unterricht mit der Physik

Säulenchromatographie:

Auftrennung der Blattfarbstoffe



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.

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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


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)

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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)

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