Elemente und Moleküle, Schulbuch

49 3.4 DaS cheMiSche gleichgeWichT ■ 49.1: Bestimm die Richtung der Gleichgewichtsverschiebung durch Druckerhöhung bei der Spaltung von Methan mit Was- serdampf: CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 ■ 49.2: Bestimm die Richtung der Gleichgewichtsverschiebung durch Temperaturerhöhung bei der Verbrennung von Me- than! (Exotherme Reaktion) ■ 49.3: Methanol CH 3 OH wird durch Reaktion zwischen Kohlen- stoffmonoxid und Wasserstoff hergestellt. Die Reaktion ist schwach exotherm und benöti- gt hohe Aktivierungsenthalpie. Welche Reaktionsbedingungen sind notwendig? ÜBUNGeN A E Zufuhr von Ausgangsstoffen Entfernung von Endprodukten Neueinstellung des Gleichgewichtes Einstellung des Gleichgewichtes Neueinstellung des Gleichgewichtes Reaktion (K = 2) Reaktion (K = 2) Reaktion (K = 2) ganzes Volumen ⇒ 6 Gasteilchen halbes Volumen ⇒ 3 Gasteilchen dh. 6 Teilchen/Volumen Druck anwenden Abb. 49.1: Konzentrationsabhängigkeit des Gleichgewichtes Abb. 49.2: Druckabhängigkeit des Gleichgewichtes Die Beeinflussung des Gleichgewichtes Das Gleichgewicht lässt sich dadurch beeinflussen, dass man es einem äußeren Zwang (dh. Änderung der Reaktionsbedingungen) unterwirft. Das System versucht diesem äußeren Zwang auszuweichen. Der französische Chemiker Henry Louis Le Chatelier (1850–1936) hat diesen Zusammenhang als „Prinzip der Flucht vor dem Zwang“ formuliert. Konzentrationsveränderung Jede Konzentrationsveränderung bei einem der beteiligten Stoffe stört das Gleichge- wicht. Daher fügt man einen Rohstoff oft im Überschuss zu, damit der andere even- tuell seltene oder teurere Rohstoff möglichst vollständig reagiert. Die Entfernung des Produktes aus dem Reaktionsgefäß führt zu erhöhter Ausbeute. (Abb. 49.1) Druckveränderung Das Gleichgewicht ist nur bei Gasreaktionen mit einer sich verändernden Molanzahl druckabhängig. Auch bei diesen Reaktionen gilt das Prinzip des kleinsten Zwanges. Eine geringere Teilchenzahl benötigt ein geringeres Volumen. Wird bei einer Reak- tion die Teilchenzahl verringert, so bewirkt eine Druckerhöhung daher eine Verschie- bung des Gleichgewichtes zu den Endprodukten. Durch Druckveränderung wird die Gleichgewichtskonstante nicht verändert, sondern nur das Konzentrationsverhältnis der Stoffe im Gleichgewicht. (Abb. 49.2) Temperaturveränderung Die Gleichgewichtskonstante ist temperaturabhängig. Deshalb wird bei jeder Anga- be der Gleichgewichtskonstanten auch die Temperatur angeführt. Die Temperaturab- hängigkeit gehorcht ebenfalls dem Prinzip des kleinsten Zwanges. Dies bedeutet für exotherme Reaktionen, bei denen ja Wärme frei wird, dass bei Temperaturerhöhung das Gleichgewicht zu den Ausgangsstoffen verschoben wird. Bei endothermen Re- aktionen bewirkt Temperaturerhöhung eine Verschiebung zu den Endprodukten. Ein Problem bei der Wahl der Temperatur ist die Reaktionsgeschwindigkeit, die mit stei- gender Temperatur zunimmt. So gibt es viele exotherme Reaktionen, bei denen die Gleichgewichtslage bei Raumtemperatur bei den Endprodukten liegt. Bei dieser Temperatur ist aber die Reaktionsgeschwindigkeit so gering, dass sich das Gleichge- wicht nie einstellen kann. In vielen Fällen muss man daher einen Kompromiss zwi- schen Gleichgewichtslage und Reaktionsgeschwindigkeit schließen. Katalysator Ein Katalysator kann die Gleichgewichtslage nicht verändern. Katalysatoren senken zwar die Aktivierungsenthalpie und können eine Reaktion beschleunigen, sie wirken aber auf die Rückreaktion gleichermaßen beschleunigend wie auf die eigentlich ge- wünschte Hinreaktion. Durch Katalysatoren stellt sich ein Gleichgewicht nur rascher ein und es kann, was vor allen Dingen bei exothermen Reaktionen von Bedeutung ist, bei tieferen Temperaturen gearbeitet werden. Mit diesen Überlegungen kann man für viele technische Prozesse günstige Reakti- onsbedingungen abschätzen. Beispiel: Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) N 2(g) + 3 H 2(g) 2 NH 3(g) ∆ H ° = –92,2 kJ 4 mol Gas 2 mol Gas Geeignete Reaktionsbedingungen: hoher Druck; möglichst geringe Temperatur; um auch bei geringerer Temperatur eine vernünftige Reaktionsgeschwindigkeit zu errei- chen, wird mit einem Katalysator gearbeitet. Technische Reaktionsbedingungen: T = 380 °C, p = 150–300 bar, Katalysator: Eisen- und Aluminiumoxid. (Siehe auch Kap. 5.2) Beispiel: Boudouard-Gleichgewicht CO 2(g) + C (s) 2 CO (g) ∆ H ° = +172,5 kJ 1 mol Gas 2 mol Gas Temperaturerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach rechts, Druckerhöhung nach links. Themenbereiche und Selbsttest zu Kapitel 3 siehe Seite 266 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv