Einführung chemisches Gleichgewicht¶
Material und Chemikalien¶
Materialliste
A Hin- und Rückreaktion: Gleichgewichte mit Kohlenstoffdioxid¶
- Grosses RG mit RG-Ständer
- Kohlendioxid-Druckgasflasche mit eingepasster Pipette
- Bunsenbrenner (Kartusche) und Feuerzeug
- RG Klammer
- Bromthymolblau-Lösung
B Menthos in Cola¶
- Donald und die Biene Metadata Access Link
- Coca-Cola light (Mineralwasser geht nicht!)
- Durchborter Deckel, (Durchmesser einige mm)
- Draht mit drei Menthos, die Schlaufe schaut durch den Deckel, so dass der Deckel mit den Menthos innerhalb aufgeschraubt werden kann
- NaCl (s) mit Polylöffel
- Magnetrührer mit Rührmagnet
- BG 50 mL
- Spritze 10 mL
C Verteilungsgleichgwicht von Iod / I₃⁻ in Heptan und Wasser¶
- 2 Scheidetrichter auf je einem Stativ
- Heptan
- Lugolsche Lösung (Iod/Iodid-Lösung) mit Tropfpipette
D Gleichgewicht zwischen Eisen(III)- und Thiocyanat-Ionen¶
Wichtig: Mit Leitungswasser funktioniert der Versuch nicht!
Hinweis: Die Temperaturabhängigkeit dieser Reaktion kann nicht gezeigt werden, da sich offensichtlich das Thiocyanat bei höheren Temperaturen zersetzt.
Hinweis: Das Thiocyanat-Ion heisst auch Rhodanid-Ion
- 500 mL Eisen(III)-chlorid-Lösung: 0.27g FeCl₃ · 6H₂O (270.29 g·mol-1) auf 500ml = 0.002 mol/l (evtl zur Stabilisierung ansäuern).
- Alternative: 0.5 g Ammoniumeisen(III)-sulfat dodecahydrat (NH₄Fe(SO₄)₂ · 12 H₂O, M = 482.19 g·mol-1) in 500 mL Wasser lösen = 0.002 mol/l
- 500 mL Kaliumthiocyanat-Lösung: (0.5 g KSCN (97.18 g·mol-1) auf 500ml = 0.01 mol/l
- Alternative 0.4 g Ammoniumthiocyanat NH₄SCN in 500 mL Wasser lösen.
- Becherglas 1000 mL
- Erlenmeyerkolben 500 mL
- Festes Eisen(III)-chlorid mit Spatel
- Festes KSCN mit Spatel
Für eine dunkelrote Lösung, die man anschliessend verdünnen kann: Mit derselben 0.002 mol/L Eisen(III)-Lösung zusammengiessen:
- 2.9 g Kaliumthiocyanat KSCN oder
- 2.3 g Ammoniumthiocyanat auf 500 mL = 0.06 mol/L verwenden.
Zum Zugeben
- RG, Rgständer
- NaOH 0.1 M (Fe(OH)₃ ist schwerlöslich)
- AgNO₃ 0.1 M (AgSCN ist schwerlöslich)
- Na₃PO₄ 0.1 M (schwerlösliches, gelblichweisses FePO₄, löst sich in säuren)
D Kristallwachstum¶
Ein paar Kupfersulfatkristalle in einer Kupfersulfatlösung
E Gleichgewicht mit Bromthymolblau¶
- 500 mL Becherglas
- Magnetrüherer, Rührfisch
- Bromthymolblau
- Puffer pH 7
- HCl 1 M
- NaOH 1M
Sicherheit¶
Sicherheitshinweise
Durchführung¶
Beschreibung
A Hin- und Rückreaktion: Gleichgewichte mit Kohlenstoffdioxid¶
Es dauert ziemlich lange, bis das CO₂ ausgegast ist
- Grosses RG wird mit ganz wenig Leitungswasser gefüllt (bzw. nur gespült) und deionisiertem gefüllt. Nun wird Bromthymolblau zugegeben.
- Nun wird abwechslungsweise CO₂ eingeblubbert bis zum Farbwechsel und dann wieder die Lösung erhitzt bis zum Farbwechsel.
- Analogie Sprudelflasche: Kurzzeitige Öffnung eines Systems bewirkt ein kurzzeitiges Ungleichgewicht (Begünstigung oder Hemmung der Rückreaktion). Nach Schliessen der Flasche stellt sich erneut ein Gleichgewicht ein, es ist jedoch vom ursprünglichen Zustand verschieden. Bei dauernder Öffnung des Systems kann sich kein Glgw-Zustand einstellen.
B Menthos in Cola¶
- Durch Ziehen an der Drahtschlaufe lässt sich der Springbrunnen auslösen
- Durch dasselbe Loch im Deckel werden mit einer Spritze 10 mL einer übersättigten, aufgeschlämmten NaCl-Lösung gespritzt
- Donald und die Biene: Wird der Druck in der Flasche tatsächlich grösser, wenn die Flasche schon eine Weile herumgestanden und im Glgw ist und man umrührt? Wieso spritzt eine Flasche denn viel mehr, wenn sie geschüttelt als wenn sie nicht geschüttelt wird? Weshalb spritzt die untere Bierflasche, wenn man mit einer Bierflasche auf eine andere schlägt?
C Verteilungsgleichgwicht von Iod / I₃⁻ in Heptan und Wasser¶
- Gemäss ZMW müsste Iod bevorzugt in die Hexanphase gehen, der Wechsel ins Hexan sollte energetisch günstig sein. (Energiediagramm zeichnen)
- Versuch: Scheidetrichter zu einem grossen Teil mit deion Wasser füllen, mit 1 cm Hexan überschichten und eine halbe Pipette Iod-Lösung zugeben.
- Der Versuch zeigt: das meiste wechselt tatsächlich. Aber nicht alles. Auch nach langem Schütteln. Ist die Hexanphase schon übersättigt, gibt es dort keinen Platz mehr?
- Im zweiten Scheidetrichter das Exp wiederholen, aber diesmal mit einer ganzen Pipette Lugolscher Lösung. Beide Lösungen werden intensiver gefärbt.
- Erklärung mit Hin- und Rückreaktion
E Gleichgewicht zwischen Eisen(III)- und Thiocyanat-Ionen¶
- Eine Lösung wird "Lösung von Stoff A" genannt, die andere "Lösung von B"
- Die beiden Lösungen werden gemischt, so dass die Mischung durchscheinend rot gefärbt ist. Es entsteht als ein neuer, roter Stoff C. Die Reaktionsgleichung muss lauten (bis auf allenfalls Koeffizienten):
| A | + B | → C |
| Gelb | farblos | rot |
Es könnte folgendes passiert sein:
| A | + B | → C | |
|---|---|---|---|
| Molare Stoffmengen Vor dem Zusammengiessen der Lösungen | 0.1 mol | 0.1 mol | 0 mol |
| Nach dem Zusammengiessen | 0 mol | 0 mol | 0.1 mol |
- Die Lösung wird auf die drei Erlenmeyer aufgeteilt
- Zum einen Erlenmeyer werden 2-3 Polylöffel Eisen(III)-chlorid (Stoff A) hinzugefügt und gemischt. Ergibt tiefrot. Fazit: Es muss also in der Lösung noch Stoff B vorhanden gewesen sein, der mit dem zugegebenen Stoff A reagiert hat. Unser Beispiel trifft also sicher nicht zu . Beispielsweise könnten die Verhältnisse hingegenso gewesen sein:
| A | + B | → C | |
|---|---|---|---|
| Molare Stoffmengen Vor dem Zusammengiessen der Lösungen | 0.1 mol | 0.2 mol | 0 mol |
| Nach dem Zusammengiessen | 0 | 0.1 mol | 0.1 mol |
| Zugabe von mehr A | + 0.1 mol | ||
| Zustand nach der Zugabe (stärker rot) | 0 | 0 | 0.2 mol |
- Zum anderen analog 2-3 Polylöffel Kaiumthiocyanat. Ergibt tiefrot.
Das ist nun seltsam, denn es bedeutet, dass in der ursprünglichen Lösung auch noch B vorhanden sein muss. Es hat in der Lösung also sowohl A, B als auch C. Die Situation ist also eher irgendwie so:
| A | + B | → C | |
|---|---|---|---|
| Molare Stoffmengen Vor dem Zusammengiessen der Lösungen | 0.2 mol | 0.2 mol | 0 mol |
| Nach dem Zusammengiessen | 0.1 mol | 0.1 mol | 0.1 mol |
| zugabe z.B. von A | + 0.1 mol | ||
| neuer Zustand | 0.173 mol | 0.073 mol | 0.127 mol |
Wie kann das sein? Wieso stoppt die Reaktion irgendwann? SuS wirklich nach Antworten suchen lassen!
Haben vielleicht all die Teilchen, die genug kinetische Energie haben für die Reaktion, irgendwann reagiert und dann hält die Reaktion an (nein: die kinetische Energie wird ja bei Stössen immer umverteilt, so dass jedes Teilchen irgendwann genug Energie hat!). Rückreaktion, Gleichgewicht!!
Genauere Charkterisierung der Gleichgewichtsreaktionen¶
Charkterisierung der Gleichgewichtsreaktionen
Ablaufende Glgw-Reaktionen¶
[Fe(H₂O)₆]³⁺ + SCN⁻ ⇄ [Fe(SCN)(H₂O)₅]²⁺ + H₂O
[Fe(SCN)(H₂O)₅]²⁺ + SCN⁻ ⇄ [Fe(SCN)₂(H₂O)₄]⁺ + H₂O
[Fe(SCN)₂(H₂O)₄]⁺ + SCN⁻ ⇄ [Fe(SCN)₃(H₂O)₃] + H₂O
Die Gelb-orange Färbung der Eisen(III)-chlorid-Lösung kommt eigentlich durch den Komplex [FeOH(H₂O)₅]²⁺ zustande. Der gebildete Komplex ist vermutlich hauptsächlich [Fe(SCN)(H₂O)₅]²⁺ = [Fe(SCN)]²⁺
D Kristallwachstum¶
Kristallwachstum ist immer Glgw-naher Vorgang. Wenn ein saltz nämlich schnell ausfällt, gibt es nur eine Trübung. Nur bei Glgw bleiben nur die Ionen am Kristall hängen, die ein optimals Plätzchen haben und so bildet sich eine Struktur aus, die bis in die makroskopische ebene geordnet ist.
E Gleichgewicht mit Bromthymolblau¶
BG 500 mL etwas Puffer zugeben und dann mit deionisiertem Wasser auffüllen, mit Bromthymolblau einfärben und so lange HCL zutropfen, bis die Farbe nach Gelb umschlägt.
Mitteilen: Lösung enthält H₃O⁺ BTBgelb + OH⁻ → BTBblau Was passiert aber, wenn die Lösung H3O+ enthält und man OH- zugibt? H₃O⁺ + OH⁻ → 2 H₂O
Bei der Reaktion verändert sich das π-System leicht, so dass es zu einem Farbwechsel kommt.