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Lehramt 1a SS 2010 1
Das chemische Gleichgewicht
Energieumsatz bei chemischen ReaktionenEnergieumsatz bei chemischen Reaktionen
Mit dem Ablauf chemischer Reaktionen ist immer auch einMit dem Ablauf chemischer Reaktionen ist immer auch einUmsatz von Energie verbunden.Umsatz von Energie verbunden.
Man untersucht Man untersucht abgeschlossene Systemeabgeschlossene Systeme, d.h. mit der, d.h. mit derUmgebung findet ein Energieaustausch, jedoch Umgebung findet ein Energieaustausch, jedoch keinkeinMaterieaustausch statt.Materieaustausch statt.
Der Energieumsatz einer chemischen Reaktion wird mit derDer Energieumsatz einer chemischen Reaktion wird mit derGrGre der e der freien freien ReaktionsenthalpieReaktionsenthalpie GG beschrieben. beschrieben. Dabei istDabei ist
G = G = H H -- T T S S
HH : : ReakionsenthalpieReakionsenthalpie(W(Wrmetrmetnung)nung)
SS : : ReakionsentropieReakionsentropieTT : Temperatur in Kelvin : Temperatur in Kelvin
Vorzeichenkonvention: negativ (Vorzeichenkonvention: negativ () Energie wird abgegeben) Energie wird abgegebenpositiv (+) Energie wird aufgenommenpositiv (+) Energie wird aufgenommen
Lehramt 1a SS 2010 2
Das chemische GleichgewichtDas chemische Gleichgewicht
Energieumsatz bei chemischen ReaktionenEnergieumsatz bei chemischen Reaktionen
Thermodynamische GrThermodynamische Gren:en:
H < 0H < 0 exothermexotherm Reaktion setzt WReaktion setzt Wrme freirme freiH > 0H > 0 endothermendotherm Reaktion verbraucht WReaktion verbraucht Wrmerme
G < 0G < 0 exergonischexergonisch Reaktion lReaktion luft freiwillig abuft freiwillig abG > 0G > 0 endergonischendergonisch Reaktion lReaktion luft uft nichtnicht freiwillig abfreiwillig abG = 0G = 0 es herrscht Gleichgewichtes herrscht Gleichgewicht
S: Entropie:S: Entropie: MaMa ffr die Unordnung eines Systemsr die Unordnung eines Systems
S = S = --k k lnWlnW k: k: BoltzmannkonstanteBoltzmannkonstante (1,38(1,381010--2323 JJKK--11))W: Zustandssumme W: Zustandssumme
(Summe aller m(Summe aller mglichen Energieglichen Energie--ZustZustndendeeines Systems, gewichtet nach der Wahreines Systems, gewichtet nach der Wahr--scheinlichkeitscheinlichkeit ihres Auftretens)ihres Auftretens)
S: ReaktionsentropieS: Reaktionsentropie
Lehramt 1a SS 2010 3
Das chemische Gleichgewicht
GleichgewichtsreaktionGleichgewichtsreaktionFFr die allgemeine Reaktion r die allgemeine Reaktion aAaA + + eEeE bBbB + + dDdD gilt imgilt imGleichgewicht fGleichgewicht fr die r die Gleichgewichtskonstante KGleichgewichtskonstante KCC::
)E(c)A(c
)D(c)B(cK
ea
db
====c
c: Gleichgewichtskonzentrationenc: GleichgewichtskonzentrationenG = 0G = 0Geschwindigkeit der Geschwindigkeit der HinHin--ReaktionReaktion ististgleich Geschwindigkeit der Rgleich Geschwindigkeit der Rckck--ReaktionReaktion
Liegt bei der obigen Reaktion Liegt bei der obigen Reaktion kein kein GleichgewichtGleichgewicht vor, so kann man vor, so kann man statt der Gleichgewichtskonstanten Kstatt der Gleichgewichtskonstanten KCC den den Reaktionsquotienten QReaktionsquotienten Qebenso definieren:ebenso definieren:
)E(ca)A(ca
)D(ca)B(caQ
ea
db
====
caca: : aktuelleaktuelle KonzentrationenKonzentrationenG G 00
Ist Ist Q Q > KKCC so lso luft die Reaktion freiwillig von uft die Reaktion freiwillig von rechts nach linksrechts nach links ab,ab,G > 0G > 0
Lehramt 1a SS 2010 4
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basen
1)1) DefinitionenDefinitionen Parallel zur Entwicklung der ChemieParallel zur Entwicklung der Chemie Klassifizierung der SubstanzeigenschaftenKlassifizierung der Substanzeigenschaften
a)a) Das Das ArrheniusArrhenius--KonzeptKonzept (1887)(1887)
SSureure: bildet in Wasser H: bildet in Wasser H++--Ionen, z.B. HClIonen, z.B. HCl
BaseBase: : bildet in Wasser OHbildet in Wasser OH----Ionen, z.B. NaOHIonen, z.B. NaOH
NeutralisationNeutralisation: : SSure + Base ure + Base Salz + H2OOder:Oder: HH++ + OH+ OH-- H2OGenauer: HH++(aq(aq)) + + OHOH--(aq(aq)) H2O
Vorteil: Exakte Definition (erstmalig!)
Einschrnkung: Vollstndige Dissoziation
Nachteil: Beschrnkung auf wssrige Systeme
Lehramt 1a SS 2010 5
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basen
b)b) Das Das BrBrnstedtnstedt--LowryLowry--KonzeptKonzept (1923)(1923)
SSureure: Substanz, die : Substanz, die Protonen abgebenProtonen abgeben kannkann((ProtonenProtonen--DonatorDonator))
BaseBase: : Substanz, die Substanz, die Protonen aufnehmen Protonen aufnehmen kannkann((ProtonenProtonen--AkzeptorAkzeptor))
Beispiel: EssigsBeispiel: Essigsure in Hure in H22OO
CHCH33COOCOOHH + H+ H22O HO H33OO+ + + CH+ CH33COOCOO
--
SSure1 Base2 Sure1 Base2 Sure2 Base1ure2 Base1
Lehramt 1a SS 2010 6
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basen
Erweiterungen im Vergleich zum Erweiterungen im Vergleich zum ArrheniusArrhenius--KonzeptKonzept::
Die Reaktion ist Die Reaktion ist reversibelreversibel..
Zwei SZwei Sureure--BaseBase--PaarePaare stehen im stehen im GleichgewichtGleichgewicht..
Amphotere Amphotere Stoffe: Substanzen (MolekStoffe: Substanzen (Molekle oderle oderIonen), die sowohl als SIonen), die sowohl als Sure wie auch als Baseure wie auch als Basefungieren kfungieren knnen sind jetzt definiert. nnen sind jetzt definiert. BsplBspl.: H.: H22OO
KommentarKommentar: : Eine bedeutungsvolle Erweiterung derEine bedeutungsvolle Erweiterung der((ArrheniusArrhenius--) Definition, insbesondere f) Definition, insbesondere fr r den Begriff der Base.den Begriff der Base.
CHCH33COOH + COOH + HH22OO HH33OO+ + + CH+ CH33COOCOO
--
SSure1 Base2 Sure1 Base2 Sure2 Base1ure2 Base1
NHNH33 + + HH22OO NHNH44+ + + OH+ OH--
Base2 SBase2 Sure1 Sure1 Sure2 Base1ure2 Base1
Lehramt 1a SS 2010 7
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basenc)c) Das Das LewisLewis--Konzept (1938)Konzept (1938)
Basis: SBasis: Sure muss ure muss nichtnicht mehr mehr ProtonenProtonen--DonatorDonator sein.sein.
SSureure: : ElektronenpaarElektronenpaar--AkzeptorAkzeptor
z.B.: AlClz.B.: AlCl33, [Cr(CO), [Cr(CO)55], ...], ...
BaseBase: : ElektronenpaarElektronenpaar--DonatorDonator
z.B.: NHz.B.: NH33, Halogenide, ROR, PR, Halogenide, ROR, PR33, ..., ...
Beispiel:Beispiel: BFBF33 + NH+ NH33 FF33B B NHNH33
SSure Base ure Base AdduktAddukt
Vorteil des LewisVorteil des Lewis--Konzeptes: sehr umfassendKonzeptes: sehr umfassend
Nachteil des LewisNachteil des Lewis--Konzeptes: Schwierigkeiten bei Konzeptes: Schwierigkeiten bei quantitativerquantitativer Behandlung. Behandlung.
Lehramt 1a SS 2010 8
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basend)d) AnmerkungenAnmerkungen
SSuren und Basen werden sowohl im uren und Basen werden sowohl im BrBrnstedtnstedt--LowryLowry--KonzeptKonzept als auch im Lewisals auch im Lewis--Konzept Konzept nicht nicht als fixierteals fixierteStoffklassenStoffklassen sondern entsprechend ihrer sondern entsprechend ihrer FunktionFunktion definiert!definiert!
Konsequenzen:Konsequenzen: Die PhosphorsDie Phosphorsure beispielsweise ist ure beispielsweise ist gegengegenber Schwefelsber Schwefelsure eine Base ure eine Base bei der Reaktionbei der Reaktion
HH33POPO44 + H+ H22SOSO4 4 HH44POPO44++ + HSO+ HSO44
--
Lehramt 1a SS 2010 9
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basen
2)2) Eigendissoziation Wasser und Eigendissoziation Wasser und hnliche Systemehnliche Systeme
EigendissoziationEigendissoziation: :
HA HHA H++ + A+ A--
HH22O + HO + H22O HO H33OO+ + + OH+ OH--
Symbol Symbol [A][A] : Konzentration des Stoffes A: Konzentration des Stoffes A
Massenwirkungsgesetz:Massenwirkungsgesetz: 22
3
]OH[
]OH[]OH[Kc
++++
====
Wobei HWobei H++ und Aund A-- solvatisiertsolvatisiert (von L(von Lsungsmittelmoleksungsmittelmoleklen len umgebenumgeben) sind.) sind.
Eigendissoziation des Wassers:Eigendissoziation des Wassers:
Lehramt 1a SS 2010 10
Das chemische Gleichgewicht
Gleichgewichte von SGleichgewichte von Suren und Basenuren und Basen
Da Da verdverdnnte Lnnte Lsungensungen betrachtet werden, liegt der betrachtet werden, liegt der Stoff Wasser immer in groStoff Wasser immer in groem em berschuss vor; die berschuss vor; die Konzentration [HKonzentration [H22O]O] kann als kann als konstantkonstant betrachtet werden betrachtet werden (55,55 mol(55,55 molLL--11), da das obige Gleichgewicht f), da das obige Gleichgewicht fr die r die Eigendissoziation weit auf der Eigendissoziation weit auf der linkenlinken Seite der Gleichu