fdchemie.pbworks.comfdchemie.pbworks.com/w/file/fetch/124445879/Gleichgewicht.docx · Web view(W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, 2009) ... Am

Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S.

Das chemische GleichgewichtFehlvorstellungenhttp://www.educ.ethz.ch/newsticker/chem/equi

Das chemische Gleichgewicht ist ein schwieriges Konzept. Forschungen zeigen, dass viele Schülerinnen und Schüler damit von Beginn weg grosse Mühe bekunden. Eine Studie aus der Türkei bestätigt diesen Befund erneut - und zwar bei angehenden Chemielehrern.Einige Beispiele aus der Studie Hier sind einige Fehlvorstellungen der befragten, angehenden türkischen Chemielehrpersonen aufgelistet. Die genannten Fehlvorstellungen wurden nicht so formuliert, sondern waren aus den Antworten auf konkrete, fallbezogene Beispiele ersichtlich. Sie decken sich mit Erkenntnissen aus anderen Studien.

45 Prozent glaubten, dass im chemischen Gleichgewicht keine Reaktionen mehr stattfinden.

32 Prozent der Befragten glaubten, die Hinreaktion müsse zuerst abgeschlossen sein, bevor die Rückreaktion starten kann.

23 Prozent glaubten, das chemische Gleichgewicht sei dann erreicht, wenn Edukt und Produkt dieselbe Konzentration erreicht haben.

17 Prozent glaubten, ein Katalysator beschleunige nur die Hinreaktion.

13 Prozent glaubten, das Prinzip von Le Chatelier sei schon anwendbar, bevor das chemische Gleichgewicht erreicht ist.

Amadeus Bärtsch 10. März 2018

1


Das chemische GleichgewichtVorwortHier werden einige Bausteine und nicht der ganze Unterricht vorgestellt. Wenn Sie das Thema unterrichten müssen sie die Bausteine anpassen und mit wichtigen Informationen ergänzen. Dafür empfehle ich das Buch „Elemente“, in dem das chemische Gleichgewicht aufbauend erklärt und in alle wesentlichen Aspekten beschreiben wird.

Am Anfang den Schülerinnen erklären, dass wir zuerst ein Konzept kennen lernen und erst nachher sehen werden, wie wichtig es ist und wo es Anwendung findet.

Viele Reaktionen sind umkehrbarKohlendioxid und KohlensäureKohlendioxid reagiert mit Wasser zu Kohlensäure: CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)

Dabei handelt es sich um eine umkehrbare Reaktion: Wenn man Kohlendioxid in eine Flasche mit Wasser presst, entsteht Kohlensäure. Wenn ein Glas Wasser mit Kohlensäure herumsteht, enthält es bald keine Kohlensäure mehr, weil bei der Rückreaktion Kohlensäure zu Kohlendioxid und Wasser wird und Kohlendioxid entweicht.

In einer geschlossenen Flasche gibt es immer beides, Kohlendioxid und Kohlensäure. Dabei hat sich gezeigt, dass es ständig CO2-Moleküle gibt, die zu H2CO3 werden und H2CO3-Moleküle, die sich in CO2 und Wasser verwandeln.

Anfangszustand: Kohlendioxid wird in eine Wasserflasche gegeben

Nach einiger Zeit ändert sich das Verhältnis von CO2 und H2CO3 nicht mehr.

Die Flasche wird kurz geöffnet. Das Zischen verrät das CO2. Ein Teil des CO2 ent-weicht. Folge: Kohlen-säure wird zu CO2.

Die Flasche wird verschlos-sen. Wenn man wartet nimmt der Druck nicht mehr zu und auch die Konzentration von Kohlensäure ändert sich nicht mehr.

Je mehr CO2-Moleküle in der Gasphase umherfliegen, desto mehr kommen mit Wasser in Kontakt und werden zu Kohlensäure. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration ab: vhin = khin · [CO2] · [H2O]

Auch die Geschwindigkeit der Rückreaktion hängt von der Konzentration ab. Je mehr Kohlensäure vorhanden sind, desto mehr Moleküle werden zerfallen und CO2 bilden: vrück = krück · [H2CO3]

Das Verhältnis von CO2 und Kohlensäure ändert sich nicht mehr, wenn die beiden Geschwindigkeiten gleich gross sind. Man sagt, dass ein chemisches Gleichgewicht erreicht ist.


2


vhin = vrück

khin · [CO2] · [H2O] = krück · [H2CO3]

khin [H2CO3]K = ——– = —————— krück [CO2] · [H2O]

Die Geschwindigkeitskonstanten khin und krück müssen gemessen werden. Da khin und krück für die Reaktion von CO2 und Wasser bestimmte Werte sind, ergibt sich im Gleichgewicht immer dasselbe Verhältnis der Konzentrationen.Die Vorgänge auf Teilchenebene

Bild 1: Start Bild 2 Bild 3 Bild 4

Aufgabe: Vergleichen Sie Bild 2 mit Bild 4.

In dynamischen Gleichgewichten läuft ständig etwas und trotzdem ändert sich nichts.Bsp. aus dem Alltag1. Ein Bankkonto ist im dynamischen Gleichgewicht, wenn ...2. Die Bevölkerung eines Landes hat ein Gleichgewicht erreicht, wenn ...3. Mein Körpergewicht befindet sich im Gleichgewicht, wenn ...

Weshalb diskutieren wir das Gleichgewicht?Viele Schülerinnen und Schüler können das Gesagte zwar nachvollziehen, sehen aber nicht ein, wohin diese Überlegungen führen. Was nützt es, wenn sich in chemischen Reaktionen ein Konzentrations-Verhältnis ergibt, dessen Grösse man nicht kennt?

Wie in der Grundlagenforschung brauchen wir etwas Geduld. Zuerst müssen wir das Phänomen verstehen, bis sich wichtige Anwendungen ergeben.

ModellvorstellungDer HolzapfelkriegBild 1:


3


Bild 2:

Bild 3:

Bild 4:

Bild 5:

Fragen

1. Wie geht die Geschichte weiter? Überlegen Sie wie Bild 5 aussehen wird.

2. Warum kann der Junge seinen Garten nie ganz leeren?

3. Warum ist die Zahl der Äpfel in den Gärten verschieden?

4. Was hat die Geschichte mit dem chemischen Gleichgewicht zu tun?


4


Auswertung

Am Ende stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Der Junge und der Mann werfen in derselben Zeit die gleiche Zahl Äpfel. Wie ist das möglich?

WasserstandWasser wird mit unterschiedlich dicken Glasrohren zwischen den beiden Messzylindern ausgetauscht

(W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, 2009)

Erfahrung beim Einsatz im Unterricht:

Problem: das System ist weit weg von chem. Reaktionen

Die Schülerinnen und Schüler, die den Holzapfelkrieg nicht durchschauen, verstehen auch nicht, warum sich hier ein Gleichgewichtszustand einstellt

TauschhandelEin Mann und ein Junge tauschen Kugeln. Bei jedem Zug zählen sie den festgelegten Bruchteil ihres Besitzes ab. Manchmal muss auf- oder abgerundet werden. Dann übergeben sie die Kugeln gleichzeitig dem Gegenüber, zählen ihren aktuellen Besitz und protokollieren ihn in der Tabelle. Das Spiel ist beendet, wenn sich der Besitz trotz der Tauschaktion nicht mehr ändert.


5


Spiel1 Spiel 2 Spiel 3 Spiel 4

Mann Junge Mann Junge Mann Junge Mann Junge1/5

1/31/5

1/31/5

1/31/5

1/3 Tauschrate

20 20 20 20 20 20 20 20 Anfangszustand

Erkenntnisse:

Gleichgewicht bedeutet nicht gleich grosse Konzentration von Edukt und Produkt

Der Anfangszustand beeinflusst die Gleichgewichtslage nicht


6


Das MassenwirkungsgesetzDie Reaktion von Wasserstoff H2 und Iod I2 wurde besonders gut untersucht. Werden die beiden Substanzen gemischt und erhitzt, so reagieren sie nicht vollständig zu Iodwasserstoff HI. Ein Teil der Edukte bleibt übrig, weil sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt, wie es in der Abbildung von Dickerson und Geis zu sehen ist (R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim, S. 328, 1981):

In einem Gefäss von 10 Litern werden Iod und Wasserstoff bei Raumtemperatur gemischt:

Damit die Substanzen miteinander reagieren, wird die Mischung auf 450 °C erhitzt. Nach einigen Stunden stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die Zusammensetzung ändert sich jetzt nicht mehr. Eine Messung ergibt, dass 0,22 mol H2, 0,22 mol I2 und 1,56 mol HI vorliegen.

In der Reaktionsgleichung ist die Analogie mit dem Holzapfelkrieg besser zu erkennen als in der Abbildung mit den Gasmolekülen.

H2 + I2 2 HI

Links stehen die Edukte, die den Äpfeln auf der Seite des Alten entsprechen. Rechts findet man die Produkte, die Äpfel im Garten des Jungen.

Die Reaktionsgeschwindigkeiten hängen von den Konzentrationen ab:

Für die Hinreaktion ist vhin = khin · [H2] · [I2]

Für die Rückreaktion ist vrück = krück · [HI]2

Ein Gleichgewicht stellt sich ein, wenn die Hin- und Rückreaktion gleich schnell sind:

vhin = vrück

khin · [H2] · [I2] = krück · [HI]2

khin [HI]2

K = ——– = ————–


7


krück [H2] · [I2]

Die Gesetzmässigkeit des konstanten Konzentrationsverhältnisses von Produkten und Edukten in einem Gleichgewicht wurde 1867 von den Norwegern Guldberg und Waage entdeckt und als Massenwirkungsgesetz bezeichnet, weil Konzentrationen damals noch als wirksame Massen bezeichnet wurden.

Es bietet sich an, die Gleichgewichtskonstante auszurechnen. Das Gleichgewicht liegt rechts. Erklären Sie was mit dieser Sprechweise gemeint ist.

Animation der Reaktion: https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics

An dieser Stelle sollten die Schüler einige Aufgaben lösen, damit sie andere Reaktionen kennen lernen und sich aktiv mit dem Konzept des dynamischen Gleichgewichts auseinandersetzen.

Auf Partialdruck und Kp gehe ich im Unterricht nicht ein.

ExperimenteEisen(III)- und Rhodanid-Ionen reagieren miteinander

Fe3+(aq) + 3 SCN-(aq) Fe(SCN)3(aq)

Die Edukte sind farblos, das Fe(SCN)3 rostrot.(Reaktionsgleichung gemäss M. Stieger, Elemente, Klett und Balmer, Zug, S. 197 (2007). Die Anleitung finden Sie in der Versuchssammlung der Kantonsschule Freudenberg auf http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47971610/Experimentierkurs)

Empfehlung: Reaktionsgleichung vereinfachen

Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq)

Welche zentralen Erkenntnisse können mit diesem Experiment demonstriert werden?

Im chemischen Gleichgewicht sind immer noch alle Substanzen vorhanden

Wird die Konzentration einer Substanz verändert, werden alle Konzentrationen verändert so, dass die Gleichgewichtskonstante eingehalten wird.


8


Veresterung mit Wasserabscheider (siehe Arbeitsblatt von Renato Galli, Praktikumslehrer an der Kantonsschule Zürcher Oberland in Wetzikon, http://fdchemie.pbworks.com/w/page/52263492/Chemisches Gleichgewicht)

CH3COOH + CH3(CH2)4OH CH3COO(CH2)4CH3 + H2O

Einige Tropfen konzentrierte Schwefelsäure dienen als Katalysator

Carbonsäure + Alkohol werden zu Ester und Wasser

Abkürzung:

Mit einem Wasserabscheider wird eine gute Ausbeute erzielt:

Alternativen

Essigsäure und Pentanol; kein Lösungsmittel.Edukte und Produkte verdampfen. Im Wasserabscheider wird das Wasser aus dem Gleichgewicht entfernt. Der Ester hat einen angenehmen Geruch.

Ameisensäure und Methanol. Ester abdestillieren. Kein Wasserabscheider

Erkenntnis: In diesem Experiment sehen wir, dass sich die Auseinandersetzung mit dem Gleichgewicht gelohnt hat: Edukte können vollständig umgesetzt werden


9

http://fdchemie.pbworks.com/w/page/52263492/Chemisches%20Gleichgewicht


Das Prinzip von Le Chatelier"Das Prinzip des kleinsten Zwangs" fasst alle Beobachtungen zusammen:

Werden Temperatur, Druck oder Konzentration verändert, verschiebt sich ein chemisches Gleichgewicht so, dass die Änderung abgeschwächt wird.

(formuliert nach Klemens Koch, Fachdidaktik Chemie, Universität Bern)

oder:

Übt man auf ein im Gleichgewicht befindliches System einen Zwang aus, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass die Folgen des Zwanges vermindert werden.

(Markus Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, S. 201, 2007)

Henry Louis Le Chatelier (1888) Bemerkung: Das Wort "verschieben" ist gefährlich und muss gut erklärt werden

VorgehenDas Prinzip von Le Chatelier ist eine wichtige und sinnvolle Merkhilfe. Es ist aber kein Gesetz, weil die Verschiebung des Gleichgewichts nicht mit physikalisch-chemischen Argumenten begründet wird. Weil die Schülerinnen den Einfluss einer Konzentrationsänderung auf das Gleichgewicht bereits kennen, kann jetzt gezeigt werden, dass das Prinzip von Le Chatelier plausibel ist, weil es zu demselben Resultat führt. Anschliessend kann der Einfluss von Temperatur- und Druckänderungen auf Gleichgewichte auf der Basis von Le Chatelier diskutiert werden.

Wenn die Konzentration ändertDie Häufigkeit der Zusammenstösse erklärt, wie Konzentrationsänderungen chemische Gleichgewichte beeinflussen. Das Prinzip des kleinsten Zwangs kommt zum selben Ergebnis. Es beschreibt den Einfluss folgendermassen:

(Markus Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, S. 198, 2007)


10


Die Beobachtungen können mit dem Holzapfelkrieg gedeutet werden.

1. Ein Gärtner leert eine Schubkarre voll Äpfel in den Garten des Jungen. Welche Folgen haben diese Äpfel auf den Ausgang des Holzapfelkriegs?

2. Im Garten des Jungen taucht ein Schwein auf, das die Äpfel frisst. Welche Folgen hat ein fressendes Schwein im Garten des Jungen auf den Verlauf des Holzapfelkriegs?

Wenn die Temperatur ändert

Experiment: N2O4 2 NO2

N2O4 ist farblos, Stickstoffdioxid ist braun. Die Anleitung finden Sie in der Versuchssammlung der Kantonsschule Freudenberg unter http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47971610/ExperimentierkursEine Tabelle mit den Bindungsenergien steht am Ende des DossiersZiel: Das Prinzip von Le Chatelier an einem Experiment aufzeigen

Animation dieser Reaktion: https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics

AuswertungVariante a) von Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie

http://www.chemieunterricht.de/dc2/mwg/no2-n2o4.htm

Kritik: 1) Die obenstehende Lewisformel von NO2 ist falsch, weil sie die Edelgasregel nicht beachtet. 2) Bei -20 °C ist kein Gleichgewicht mehr dargestellt. Ich würde die Ampulle nicht so stark abkühlen und immer Gemische zeichnen in denen Edukt und Produkte vorkommen.


11


Variante b) von Andrea Lindblom

Ausgezeichnete Darstellung: Oben die Beobachtung, unten die Deutung im Modell. Weil wenig Mole-küle abgebildet sind, ist die Skizze sehr übersichtlich.

Variante c)

Variante d)

Diese Skizze enthält viel zu viele Moleküle. Da man zudem die beiden Moleküle nur schwer auseinanderhalten kann, ist die Darstellung unübersichtlich. Ich ziehe einfachere Skizzen vor, die schnell gezeichnet werden können


12


Ammoniak aus den Elementen herstellenAmmoniak ist wichtigAus Ammoniak werden beispielsweise Dünger, Sprengstoffe und Kunststoffe gewonnen:

Wie kann möglichst schnell viel Ammoniak hergestellt werden?Es lohnt sich, diese Frage als Aufgabe und Zusammenfassung des ganzen Kapitels zu stellen.

Auftrag: Erklären Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, welche Temperatur und welcher Druck optimal für die Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff sind? Die Reaktionswärme kann mit Hilfe der Bindungsenergien bestimmt werden. Eine Tabelle mit den Bindungsenergien finden Sie auf der nächsten Seite.

Mit der Animation von https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics kann der Ein-fluss von Temperatur und Druck auf das Gleichgewicht demonstriert oder untersucht werden.

GeschichteFritz Haber (1868 - 1934). Hervorragender Film: Im Frieden für die Menschheit, im Krieg fürs Vaterland (FWU, Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht, Grünwald, 1998). Der Film zeigt, dass eine Reaktionsgleichung den Krieg und die Landwirtschaft beeinflusst hat.


13


Bindungsenergien (Durchschnittliche Werte in kJ/mol bei 25 °C)

Br Br 193 Cl Cl 242 N C 305

Br C 285 Cl H 431 N C 891

Br H 366 N H 391

F C 489 N N 163

C Br 285 F F 159 N N 418

C C 348 F H 567 N N 945

C C 614 N O 201

C C 839 H Br 366 N O 607

C Cl 339 H C 413

C F 489 H Cl 431 O C 358

C H 413 H F 567 O C in CO2 803

C N 305 H H 436 O C 707

C N 891 H I 298 O H 463

C O 358 H N 391 O N 201

C O in CO2 803 H O 463 O N 607

C O 707 O O 146

I H 298 O O 498

Cl C 339 I I 151

Übung 3: Säuren & Basen

Entwerfen Sie eine Lektion zum Kapitel 13.5 des Lehrbuchs „Elemente“. Säure-Base-Reihe. Eine S/B-Reihe finden Sie auf S. 450 im Buch "Elemente".

Vorkenntnisse: Die SuS haben die Konzepte in der Reihenfolge der Fachdidaktik kennen gelernt. Nach Atombau, Bindungslehre, Struktur und Eigenschaften, Stöchiometrie, Reaktionsgeschwindigkeit und chemischem Gleichgewicht ist eine Einführung zu Säuren und Basen bereits erfolgt. Die Kapitel 13.1 bis 13.4 im Buch „Elemente“ sind bekannt.

Bitte einreichen:

a) Die Unterlagen der SuS. Entweder die handschriflichen Notizen oder das vollständige Skript.

b) Die Synopsis. Das Raster finden Sie auf http://fdchemie.pbworks.com/w/page/50992182/kleines%20Praktikum

Erwartung: Dokument, das kleiner als 2 MB ist. Am liebsten im Word- Format, im Notfall als PDF.

Abgabe bis spätestens Montag, 19. März 2018, 22 Uhr per Mail an [email protected].


14

Documents

fdchemie.pbworks.comfdchemie.pbworks.com/w/file/fetch/124445879/Gleichgewicht.docx · Web view(W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, 2009) ... Am