Umkehrbare Reaktionen - Chemie
Umkehrbare Reaktionen - Chemie
Umkehrbare Reaktionen - Chemie
Einleitung
Viele chemische Reaktionen können in zwei Richtungen ablaufen. Aus Ausgangsstoffen entstehen Produkte, doch die Produkte können unter geeigneten Bedingungen wieder zu Ausgangsstoffen reagieren. Solche Vorgänge heißen umkehrbare oder reversible Reaktionen.[1]
Die Hin- und Rückrichtung wird durch den Gleichgewichtspfeil dargestellt:
Der Doppelpfeil bedeutet nicht, dass auf beiden Seiten gleich viel Stoff vorhanden ist. Er zeigt nur, dass eine Hinreaktion und eine Rückreaktion möglich sind. In einem geschlossenen System kann sich ein chemisches Gleichgewicht einstellen.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- umkehrbare Reaktionen erkennen und mit einem Gleichgewichtspfeil darstellen.
- Hinreaktion und Rückreaktion unterscheiden.
- das dynamische Gleichgewicht erklären.
- den Einfluss von Konzentration, Druck und Temperatur mithilfe des Prinzips von Le Chatelier vorhersagen.
- die Wirkung eines Katalysators auf eine Gleichgewichtsreaktion beschreiben.
Grundlagen
Hinreaktion und Rückreaktion
Bei der Hinreaktion werden die links notierten Stoffe in die rechts notierten Stoffe umgewandelt. Bei der Rückreaktion geschieht das Gegenteil. Welche Richtung stärker abläuft, hängt von den Stoffen und den Bedingungen ab.
Viele Reaktionen wirken im Alltag nur deshalb nicht umkehrbar, weil eine Richtung deutlich bevorzugt ist oder ein Produkt entweicht. Wird zum Beispiel ein Gas aus einem offenen Gefäß entfernt, kann es kaum noch zurückreagieren.
Das dynamische Gleichgewicht
Ein chemisches Gleichgewicht kann sich nur einstellen, wenn die beteiligten Stoffe im System bleiben. Deshalb ist ein geschlossenes System wichtig.
Zu Beginn ist die Hinreaktion meist schnell, weil viele Eduktteilchen vorhanden sind. Mit der Zeit entstehen Produkte und die Rückreaktion wird schneller. Im Gleichgewicht gilt:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle v_{\mathrm{Hin}} = v_{\mathrm{Rück}}}
Die Konzentrationen ändern sich dann von außen betrachtet nicht mehr. Auf Teilchenebene reagieren Stoffe jedoch weiterhin in beide Richtungen. Das Gleichgewicht ist deshalb dynamisch und nicht stillstehend.[2]
Merksatz: Im chemischen Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten gleich, nicht unbedingt die Stoffmengen.
Anschauliche Beispiele
Kupfersulfat und Wasser
Blaues Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat enthält Kristallwasser. Beim Erhitzen wird Wasser abgegeben und weitgehend weißes, wasserfreies Kupfer(II)-sulfat entsteht. Durch Zugabe von Wasser kann wieder die blaue Form entstehen.[3]
Dieser Schulversuch zeigt die Umkehrbarkeit einer Stoffumwandlung. In einem offenen Reagenzglas entweicht beim Erhitzen Wasserdampf; deshalb liegt dort nicht dauerhaft ein geschlossenes Gleichgewicht vor.
Sicherheit: Kupfersulfat ist gesundheitsschädlich und stark wassergefährdend. Versuche dürfen nur nach Anweisung der Lehrkraft, mit Schutzbrille und fachgerechter Entsorgung durchgeführt werden.
Cobaltchlorid-Gleichgewicht
Cobaltverbindungen können je nach Bindungspartner und Bedingungen unterschiedliche Farben zeigen. Änderungen der Temperatur oder der Stoffkonzentration verschieben die Gleichgewichtslage und erzeugen sichtbare Farbänderungen.
Sicherheit: Cobaltverbindungen sind gesundheitlich problematisch. Das Experiment gehört ausschließlich in die Hand einer Fachkraft.
Stickstoffdioxid und Distickstofftetroxid
Braunes Stickstoffdioxid kann sich zu fast farblosem Distickstofftetroxid verbinden:
Bei höherer Temperatur enthält das Gemisch mehr braunes Stickstoffdioxid. Beim Abkühlen wird die Probe heller, weil mehr Distickstofftetroxid entsteht.
Stickstoffdioxid ist giftig. Eine solche Demonstration darf nur mit sicher verschlossenen Ampullen oder in geeigneten professionellen Apparaturen erfolgen.
Das Prinzip von Le Chatelier
Wird ein System im Gleichgewicht gestört, stellt sich ein neues Gleichgewicht ein. Die Verschiebung wirkt der Störung teilweise entgegen. Diese qualitative Regel heißt Prinzip von Le Chatelier.[4]
| Veränderung | Typische Reaktion des Systems |
|---|---|
| Mehr von einem Stoff | Das Gleichgewicht verschiebt sich bevorzugt in die Richtung, in der dieser Stoff verbraucht wird. |
| Weniger von einem Stoff | Das Gleichgewicht verschiebt sich bevorzugt in die Richtung, in der dieser Stoff gebildet wird. |
| Höherer Druck bei Gasen | Bevorzugt wird häufig die Seite mit weniger Gasteilchen. |
| Höhere Temperatur | Die endotherme Reaktionsrichtung wird begünstigt. |
| Katalysator | Das Gleichgewicht wird schneller erreicht, aber nicht verschoben. |
Einfluss der Konzentration
Wird die Konzentration eines Edukts erhöht, gibt es mehr Teilchen für die Hinreaktion. Das System bildet bevorzugt mehr Produkte. Entfernt man dagegen ein Produkt, läuft ebenfalls verstärkt die Hinreaktion ab, um Produkt nachzubilden.
Die Konzentrationsänderung verändert die Gleichgewichtslage, aber nicht dadurch die grundsätzliche Umkehrbarkeit der Reaktion.
Einfluss des Drucks
Der Druck ist besonders bei Gleichgewichten mit Gasen wichtig. Bei einer Druckerhöhung wird häufig die Seite mit der kleineren Anzahl gasförmiger Teilchen begünstigt. Sind auf beiden Seiten gleich viele Gasteilchen vorhanden, ist der Einfluss des Drucks meist gering.
Einfluss der Temperatur
Wärme kann gedanklich wie ein beteiligter Stoff behandelt werden. Bei einer exothermen Hinreaktion steht Wärme auf der Produktseite. Erwärmen begünstigt dann die Rückreaktion. Bei einer endothermen Hinreaktion steht Wärme auf der Eduktseite; Erwärmen begünstigt die Hinreaktion.
Eine Temperaturänderung kann im Unterschied zu reinen Konzentrations- oder Druckänderungen auch die Gleichgewichtskonstante verändern.
Wirkung eines Katalysators
Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und beschleunigt Hin- und Rückreaktion. Dadurch stellt sich das Gleichgewicht schneller ein. Die Gleichgewichtslage selbst bleibt unverändert.
Technische Anwendung: Haber-Bosch-Verfahren
Beim Haber-Bosch-Verfahren reagieren Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak:
Die Hinreaktion ist exotherm. Hoher Druck begünstigt die Ammoniakbildung, weil aus vier Gasteilchen auf der Eduktseite zwei Gasteilchen auf der Produktseite werden. Eine niedrige Temperatur wäre für die Gleichgewichtslage günstig, würde die Reaktion aber stark verlangsamen. In der Technik wird daher ein Kompromiss aus Temperatur, Druck und Reaktionsgeschwindigkeit gewählt. Ein eisenhaltiger Katalysator beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts.[5]
Die laufende Abtrennung von Ammoniak fördert die weitere Produktbildung. Nicht umgesetzter Stickstoff und Wasserstoff können in den Kreislauf zurückgeführt werden. Dieses Beispiel zeigt, wie chemisches Gleichgewicht, Technik, Energiebedarf und Wirtschaftlichkeit zusammenhängen.
Vertiefung: Massenwirkungsgesetz
Für eine allgemeine Reaktion
kann das Massenwirkungsgesetz vereinfacht so geschrieben werden:
Die Gleichgewichtskonstante beschreibt bei einer bestimmten Temperatur, wie die Gleichgewichtskonzentrationen zueinander stehen. Ein großes weist auf eine produktreiche Gleichgewichtslage hin; ein kleines auf eine eduktreiche Lage. Für eine genaue Rechnung müssen Aggregatzustände, Aktivitäten und die korrekte Reaktionsgleichung beachtet werden.[6]
Typische Fehlvorstellungen
- Gleichgewicht bedeutet nicht, dass gleich viel Edukt und Produkt vorhanden ist.
- Dynamisch bedeutet, dass beide Reaktionsrichtungen weiterlaufen.
- Katalysatoren verschieben das Gleichgewicht nicht, sondern beschleunigen seine Einstellung.
- Eine Druckänderung ist vor allem dann wirksam, wenn gasförmige Teilchen beteiligt sind und sich ihre Anzahl unterscheidet.
- Ein sichtbarer Stillstand beweist nicht, dass auf Teilchenebene keine Reaktion mehr stattfindet.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Woran erkennst Du eine umkehrbare Reaktion in einer Reaktionsgleichung? (Am Gleichgewichtspfeil) (!Am Pluszeichen) (!Am Aggregatzustand) (!Am Gleichheitszeichen)
Was gilt im dynamischen Gleichgewicht? (Hinreaktion und Rückreaktion sind gleich schnell) (!Alle Teilchen stehen still) (!Edukte und Produkte liegen immer in gleicher Menge vor) (!Die Rückreaktion ist beendet)
Welche Voraussetzung begünstigt die Einstellung eines chemischen Gleichgewichts? (Ein geschlossenes System) (!Ein ständig geöffnetes Gefäß) (!Das vollständige Entfernen aller Produkte) (!Das Fehlen von Edukten)
Was geschieht beim Erwärmen einer Gleichgewichtsreaktion? (Die endotherme Richtung wird begünstigt) (!Immer die Produktseite wird begünstigt) (!Immer die Eduktseite wird begünstigt) (!Das Gleichgewicht wird grundsätzlich zerstört)
Welche Seite wird bei höherem Druck häufig begünstigt? (Die Seite mit weniger Gasteilchen) (!Die Seite mit mehr Feststoffen) (!Immer die linke Seite) (!Immer die endotherme Seite)
Wie wirkt ein Katalysator auf eine Gleichgewichtsreaktion? (Er beschleunigt Hinreaktion und Rückreaktion) (!Er erzeugt zusätzliche Produkte) (!Er verändert die Gleichgewichtskonstante) (!Er stoppt die Rückreaktion)
Welche Farbe besitzt Kupfer-II-sulfat-Pentahydrat typischerweise? (Blau) (!Schwarz) (!Rot) (!Farblos)
Was entsteht bei der Ammoniaksynthese aus Stickstoff und Wasserstoff? (Ammoniak) (!Chlorwasserstoff) (!Methan) (!Sauerstoff)
Was bedeutet eine konstante Konzentration im Gleichgewicht? (Die Stoffmengen ändern sich makroskopisch nicht mehr) (!Es gibt keine Teilchenbewegung mehr) (!Nur die Hinreaktion läuft) (!Alle Stoffe haben dieselbe Konzentration)
Wie reagiert ein Gleichgewicht häufig auf die Entfernung eines Produkts? (Es bildet bevorzugt neues Produkt) (!Es beendet die Hinreaktion vollständig) (!Es erzeugt einen Katalysator) (!Es macht alle Stoffmengen gleich)
Memory
| Hinreaktion | Edukte werden zu Produkten |
| Rückreaktion | Produkte werden zu Edukten |
| Gleichgewichtspfeil | Zeichen für beide Reaktionsrichtungen |
| Dynamisches Gleichgewicht | Gleiche Reaktionsgeschwindigkeiten |
| Katalysator | Schnellere Gleichgewichtseinstellung |
| Le Chatelier | Ausweichen gegenüber einer Störung |
| Haber-Bosch-Verfahren | Technische Ammoniaksynthese |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Geschlossenes System | Stoffe bleiben für Hin- und Rückreaktion verfügbar |
| Konzentrationserhöhung | Zugegebener Stoff wird bevorzugt verbraucht |
| Druckerhöhung | Seite mit weniger Gasteilchen wird häufig begünstigt |
| Temperaturerhöhung | Endotherme Richtung wird begünstigt |
| Katalysatorzugabe | Gleichgewicht wird schneller erreicht |
Kreuzworträtsel
| Gleichgewicht | Wie heißt der Zustand mit gleich schnellen Hin- und Rückreaktionen? |
| Hinreaktion | Wie heißt die Reaktion von Edukten zu Produkten? |
| Rückreaktion | Wie heißt die Reaktion von Produkten zu Edukten? |
| Katalysator | Welcher Stoff beschleunigt beide Reaktionsrichtungen? |
| Konzentration | Welche Stoffgröße wird beim Massenwirkungsgesetz häufig verwendet? |
| Ammoniak | Welches Produkt entsteht im Haber-Bosch-Verfahren? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Symbolkarte: Gestalte eine Lernkarte zum Gleichgewichtspfeil und beschrifte Hin- und Rückrichtung.
- Bildanalyse: Beschreibe anhand des Bildes die Farbe von Kupfer-II-sulfat-Pentahydrat und formuliere eine Vermutung zur Wirkung von Wärme.
- Alltagsmodell: Erfinde ein ungefährliches Alltagsmodell mit zwei gleich starken gegenläufigen Strömen.
- Begriffswolke: Erstelle eine Begriffswolke mit mindestens acht Fachwörtern aus diesem aiMOOC.
Standard
- Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Erklärvideo zu einer Störung durch Konzentration, Druck oder Temperatur.
- Teilchenbild: Zeichne drei Teilchenbilder für Beginn, Annäherung und Gleichgewicht einer umkehrbaren Reaktion.
- Prozessposter: Erstelle ein Poster, das Reaktionsgleichung, Druckwirkung, Temperaturkompromiss und Katalysator verbindet.
- Versuchsplanung: Plane unter Anleitung der Lehrkraft einen sicheren Demonstrationsversuch zu einer reversiblen Farbänderung.
Schwer
- Rechenbeispiel: Entwickle ein einfaches Zahlenbeispiel für eine Gleichgewichtskonstante und erkläre die Bedeutung des Ergebnisses.
- Entscheidungsanalyse: Vergleiche zwei mögliche Betriebsbedingungen für die Ammoniaksynthese und begründe einen technischen Kompromiss.
- Grenzen eines Modells: Prüfe Dein Alltagsmodell des dynamischen Gleichgewichts und benenne mindestens drei Unterschiede zu Teilchenreaktionen.
- Forschungsauftrag: Untersuche, wie eine klimafreundlichere Wasserstoffbereitstellung die Umweltwirkung der Ammoniakproduktion verändern könnte.
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Lernkontrolle
- Transfer Temperatur: Erkläre für eine exotherme Hinreaktion, wie Erwärmen und Abkühlen die Gleichgewichtslage verändern. Begründe mit dem Prinzip von Le Chatelier.
- Transfer Druck: Eine Gasreaktion besitzt links vier und rechts zwei Gasteilchen. Leite ab, welche Seite durch Druckerhöhung begünstigt wird und nenne eine notwendige Einschränkung dieser Aussage.
- Transfer Produktentzug: Erkläre, warum das laufende Entfernen eines Produkts die technische Ausbeute erhöhen kann.
- Transfer Katalysator: Beurteile die Aussage „Ein besserer Katalysator erzeugt im Gleichgewicht mehr Produkt“ und korrigiere sie fachlich.
- Transfer Teilchenebene: Zeichne oder beschreibe ein Teilchenmodell, das konstante Konzentrationen und gleichzeitig weiterlaufende Reaktionen zeigt.
- Transfer Sicherheit: Entwickle Regeln für eine sichere Demonstration mit giftigen oder umweltgefährlichen Gleichgewichtsstoffen und begründe jede Regel.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du
- den Gleichgewichtspfeil korrekt verwendest.
- Hinreaktion, Rückreaktion und dynamisches Gleichgewicht auf Stoff- und Teilchenebene erklärst.
- Konzentrations-, Druck- und Temperatureinflüsse begründet vorhersagst.
- die Rolle eines Katalysators von einer Gleichgewichtsverschiebung unterscheidest.
- mindestens ein Schulbeispiel und eine technische Anwendung auswertest.
- Sicherheits- und Umweltaspekte chemischer Versuche berücksichtigst.
- bei vertieftem Niveau das Massenwirkungsgesetz auf eine einfache Reaktion anwendest.
Einzelnachweise
OERs zum Thema
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