Skript - Gleichgewichte

Einführung

Mit Hilfe dieses Skriptes sollen Sie sich das Thema Gleichgewichte in der Chemie selbstständig erarbeiten. Selbstständig bedeutet wirklich SELBST und STÄNDIG.

Der Unterricht im klassischen Sinne hat aufgehört. Sie können Ihr eigenes Tempo bestimmen und sich Ihre eigenen Partner suchen. Sollte die Lehrkraft nicht da sein, haben Sie nun immer das Material um selbstständig zu arbeiten.

Die Lehrkraft soll Ihnen dabei als Berater zur Seite stehen. Wenn Sie Fragen haben oder auf Probleme stoßen, die Sie weder allein noch im Team lösen konnten, dann fragen Sie nach!

Für jedes Kapitel dieser Reihe ist angegeben, wie Sie vorgehen sollten. Die Vorüberlegungen sollen Ihnen helfen Wissen zu reaktivieren oder Wissenslücken zu schließen. Wenn Sie sich an die vorgegebenen Vorgehensweisen hallten, sollte es keine Probleme geben.

Vielleicht fragen Sie sich jetzt, warum die Lehrer so faul sein dürfen und Sie jetzt alles allein machen müssen. Der Grund ist recht einfach: die Lehrer haben alles bereits so vorbereitet, dass Sie sich intensiv mit einem Thema beschäftigen können. Dadurch bleibt es besser in Ihrem Gedächtnis. Sie lernen effektiver die Inhalte, verbessern Ihr eigenes Zeitmanagement und analysieren Ihre eigenen Fähig- und Fertigkeiten.

Symbole im Skript

In diesen Texten finden Sie Erklärungen und Hintergründe!
Die Quellen finden Sie in den Fußnoten. Diese Quellen können Ihnen auch als Quizvorbereitung helfen.
Übrigens, nicht alle Quellen sind Wikipedia. Aber es ist eine nützliche und in Chemie akzeptierte Quelle.
Bild: Information by dDara from the Noun Project

An diesen Stellen sollen Sie Ihr Wissen auffrischen!
Sie sollten die entsprechenden Themen schon vorher im (Chemie-)Unterricht behandelt haben.
Falls nicht, arbeiten Sie Ihre Wissenslücken bitte selbstständig auf.
Bild: Arrow by Aleksandr Vector from the Noun Project

Es soll keine Langeweile aufkommen.
Wenn Sie mit den Aufträgen bereits fertig sind, während Ihre Gruppe noch arbeitet, können Sie sich hier noch weiter in das Thema vertiefen.
Bild: thunder by Pascal Heß from the Noun Project

Dieses Symbol weißt immer auf eine Durchführung für ein Experiment hin.
Bild: Chemistry by Eucalyp from the Noun Project

Das Zeitsymbol soll Ihnen zeigen, wie lange Sie für das jeweilige Kapitel brauchen sollten.
Diese Zeitangabe dient aber nur als Orientierung. Am Ende müssen Sie nur die Planung der Lehrkraft und Ihre eigene Zeitplanung beachten.
Bild: clock by Mr. Minuvi from the Noun Project

Bewertung

Die Bewertung im Semester erfolgt anhand von:

Tests
Protokollen
Mitarbeit im Unterricht bei der Sicherung und Diskussion von Inhalten
digitalem Portfolio
ggf. Klausur

Auf Grund unvorhergesehener Umstände (z.B. Pandemie) kann sich diese Liste auch ändern. Bitte halten Sie mit Ihrer Lehrkraft Rücksprache.

Das digitale Portfolio

Das Portfolio ist ein Teil der Arbeit und Bewertung. Zum einen dient es der Sicherung und Sammlung aller Arbeitsergebnisse. Sie können und sollten in diesem Portfolio alles sammeln, was Sie an Materialien und Produkten selbst erarbeitetet haben. Die zweite Funktion des Portfolios ist die Darstellung Ihrer eigenen Entwicklung. Mit Hilfe des Portfolios belegen Sie Ihren Lernfortschritt und reflektieren Ihre Arbeitsergebnisse und Arbeitsweisen. Diese Reflexion sollte sich auf alle Arbeitsprozesse, wie z.B. Recherchen oder Gruppenarbeiten, beziehen. Die Selbstreflexion sollte unabhängig von den Arbeitsaufträgen der Lehrkraft erfolgen.

Darüber hinaus können Sie dieses Portfolio auch als Teil Ihrer zukünftigen Bewerbungsmappen nutzen. Ihr zukünftiger Arbeitgeber erlangt dadurch ein umfassenderes Bild von Ihnen. Sehen Sie das Portfolio also nicht nur als weiteren Schulhefter sondern auch als Selbstdarstellungsmöglichkeit.

Die Bewertung des Portfolios erfolgt zum Ende des jeweiligen Semesters und erfolgt mit Hilfe des gegebenen Bewertungsrasters.

Hilfreiche Fragen für die Reflexion

Falls Sie anfangs bei der Reflexion Probleme haben, können Sie sich erst einmal an diesen Fragen orientieren. Die Reflexion sollten Sie regelmäßig durchführen und als Fließtext ausformulieren.

Habe ich die Zeit effektiv genutzt?
Habe ich alle Aufträge gelöst?
Habe ich alles verstanden?
Habe ich gut allein gearbeitet?
Habe ich gut in der Gruppe gearbeitet?
Was kann ich in der nächsten Stunde besser machen?

Netzdiagramm zur Schnellreflexion

In Ihrem digitalen Portfolio sollen Sie Ihren Arbeits- und Lernprozess sinnvoll reflektieren um Verbesserungsmöglichkeiten zu finden und dann umzusetzen. Dazu sollten Sie regelmäßig, also beispielsweise nach jedem Kapitel, eine Reflexion durchführen.

Dieses Netzdiagramm soll Ihnen dabei helfen. Sie können den Code für das Diagramm an die jeweilige Stelle in ihrem digitalen Portfolio kopieren und dort anpassen. Dadurch visualisieren Sie für sich ihren Fortschritt. Am Ende sollte das Netzdiagramm komplett gefüllt sein.

Zusätzlich sollten Sie die Reflexion in einem Fließtext ausformulieren. Das könnten Seite auch unterhalb des Diagramms in Ihrem Portfolio machen.

Bewertung des digitalen Portfolios

Umsetzung digitales Portfolio (Gewicht: 1)
1BE	2BE
HTML	schönes HTML
3BE	4BE
HTML,CSS	schönes HTML, schönes CSS (JavaScript)

Dokumentation (Gewicht: 2)
1BE	2BE
Weniger als zur Hälfte erfüllt	Mehr als zur Hälfte erfüllt
3BE	4BE
Weitgehend erfüllt	Vollständig erfüllt

Reflexion (Gewicht: 3)
1BE	2BE
Kaum Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Kurzreflexionen wurden selten genutzt oder das Semester wurde abschließend reflektiert oder die Reflexion wurde während des Semsters manchmal vorgenommen.	Reflexionsfähigkeit zum Teil erkennbar. Die Kurzreflexionen wurden selten genutzt. Das Semester wurde abschließend reflektiert oder die Reflexion wurde während des Semsters manchmal vorgenommen.
3BE	4BE
Gute Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Reflexion wurde mehrfach während des Semsters vorgenommen. Die Kurzreflexionen wurden genutzt. Das Semester wurde abschließend ergänzend reflektiert.	Sehr gute Reflexionsfähigkeit erkennbar. Die Reflexion wurde mehrfach während des Semsters vorgenommen. Die Kurzreflexionen wurden sinnvoll genutzt. Das Semester wurde abschließend ausführlich ergänzend und glaubhaft reflektiert.

Die Dokumentation der Arbeit enthält z.B. die Lösungen zu den Arbeitsaufträgen, weitere (digitalisierte) Mitschriften, Quellen, Recherchen, gezeichnete oder ausgedruckte Bilder, Mind-Maps sowie verlinkte Videos und Webseiten. Dabei ist darauf zu achten, dass eine Sammlung von abfotografierten Heftseiten keine digitale Dokumentation im Sinne des digitalen Portfolios darstellt. Die durchgängige Reflexion beinhaltet die Arbeit in der Klasse, in der Gruppe, Einzelarbeit, die Reflexion des Erkenntnisstands etc. Die Lehrkraft kann in den Kategorien Dokumentation und Reflexion jeweils 1 bzw. 2BE von der Bewertung individuell abziehen.

Die Gleichgewichtsreaktion

Viele Reaktionen in der Chemie erreichen einen Punkt, ab dem sie sich im Gleichgewicht befinden. Hier sollen Sie sich die wesentlichen Aspekte einer allgemeinen Gleichgewichtsreaktion erarbeiten.

Der Stechheberversuch

Auftrag: Untersuchen Sie das Konzept der Gleichgewichtsreaktion mit Hilfe des Stechheberversuchs.

Informieren Sie sich kurz über das Konzept der Gleichgewichtsreaktion.
Führen Sie das Modellexperiment durch.
Schreiben Sie ein einfaches Protokoll. Tabellarisieren Sie dabei ihre Meßergebnisse und stellen Sie sie in der Auswertung grafisch (Übung zu Spreadsheet!!) dar.
Vergleichen Sie die Meßergebnisse der drei Versuche.
Erläutern Sie das Prinzip des chemischen Gleichgewichts mit Hilfe des Versuchs.

Füllen Sie einen Meßzylinder (A) mit Wasser. Nehmen Sie einen zweiten, gleichgroßen Meßzylinder (B) und lassen Sie ihn leer. Notieren Sie den Volumenstand von A und B.

Nehmen Sie zwei Glasrohre mit gleichem Durchmesser. Stellen Sie in jeweils einen Zylinder ein Glasrohr. Verschließen Sie das obere Ende mit Ihrem Daumen und geben Sie die Flüssigkeit, die in dem Glasrohr ist, in den jeweils anderen Meßzylinder. Notieren Sie den Volumenstand in A und B. Wiederholen Sie diesen Vorgang 30mal.
Nehmen Sie zwei Glasrohre, die einen größeren oder kleineren Durchmesser als in Versuch 1 haben. Wiederholen Sie das Experiment.
Nehmen Sie zwei Glasrohre mit unterschiedlichem Durchmesser. Wiederholen Sie das Experiment.

Gleichgewichtsreaktionen im Alltag

Auftrag: Erläutern Sie verschiedene Gleichgewichtsreaktionen im Alltag

Arbeiten Sie in kleinen Gruppen.
Bereiten Sie sich auf eine Kurzpräsentation von 5min ohne Notizen vor.
Bereiten Sie sich auf eine der folgenden Reaktionen vor:

Tropfsteinhöhlen und natürlicher Kalkkreislauf
Schwefelsäureherstellung
Blutpuffer
Esterherstellung
Chlorgas und Domestos-Problem

Ihre Präsentation sollte folgende Punkte enthalten:

Anwendung und Vorkommen
Reaktionsgleichungen nutzen
Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht
MWG allgemein formulieren
Quellenangaben

LeChatelier

Bisher haben Sie sich nur mit dem Gleichgewichtszustand beschäftigt. Viele Prozesse in Natur und Technik befinden sich in Gleichgewichtszuständen. Das Gleichgewicht lässt sich aber auch beeinflussen. Das kann Vorteile haben, aber auch Nachteile. Ein Beispiel ist die Versauerung der Meere, als Folge des industriellen CO₂ Auststoßes.

Die Versauerung der Meere

Auftrag: Erklären Sie anhand der Fragen und des gegebenen Textes die Versauerung der Meere.

Stellen Sie eine Reaktionsgleichung auf, die die Abgabe des Kohlenstoffdioxids aus dem Meer beschreibt.
Beschreiben Sie den Verlauf des gelösten Kohlenstoffdioxids in Abhängigkeit der Temperatur.
Beschreiben Sie den Verlauf des gelösten Kohlenstoffdioxids in Abhängigkeit der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Luft.
Nennen Sie mögliche Folgen der erhöhten Aufnahme von Kohlenstoffdioxid durch das Meer und beschreiben Sie diese kurz.

Im Ökosystem Erde gibt es mehrere natürliche Kohlenstoffsenken, die Kohlenstoffdioxid speichern. Zu diesen Senken zählen zum Beispiel Moore, Wälder, Böden aber auch Meere. Dabei enthalten die Weltmeere knapp 16-mal mehr Kohlenstoffdioxid als die gesamte Landbiospähre und die Meere nehmen weiter Kohlenstoffdioxid auf. Seit der Industrialisierung konnte beobachtet werden, dass die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid durch das Meer proportional zum Anstieg des durch den Menschen produzierten Kohlenstoffdioxid ansteigt. Also gilt je höher die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre, desto mehr Kohlenstoffdioxid wird vom Meer absorbiert.[1]
Doch durch die Erwärmung der Erde wird in vielen Teilen der Erde immer mehr Kohlenstoffdioxid durch das Meer an die Atmosphäre abgegeben. Besonders sind hiervon die wärmeren Meere betroffen. Kältere Meere hingegen sind in der Lage besser den Kohlenstoffdioxid zu speichern. So konnte festgestellt werden, dass der pH-Wert des Meeres sich seit der Industrialisierung von 8,2 auf 8,1 verringert hat.[2]

Die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts

Stellen Sie sich vor sie sind ein Forscherteam, welches die Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre verringern möchte, indem das Meer als Kohlenstoffdioxidspeicher genutzt wird. Es liegt an Ihnen zu erklären, wie man sich das Meer als CO2-Speicher nutzbar machen kann.
Als gute Wissenschaftler wissen Sie natürlich, dass sich bereits der Chemiker Henri LeChatelier ausführlich mit dem chemischen Gleichgewicht beschäftigt hat und das Prinzip des kleinsten Zwangs aufgestellt hat. Diese Prinzipien kann man sich für die Beeinflussung chemischer Reaktionen zu Nutze machen. Vielleicht hilft das auch bei Ihrem Problem?!

Auftrag: Erklären Sie inwieweit es sinnvoll ist das Meer als Kohlenstoffdioxid-Speicher zu verwenden. Nutzen Sie dafür die Erkenntnisse von LeChatelier.

Lesen Sie die Durchführungen, führen Sie die Experimente durch und schreiben Sie ein ausführliches Protokoll!
Für die Hypothese: Stellen Sie Vermutungen für die folgenden allgemeinen Reaktionen auf. Dabei sollen Sie noch keine Recherchen betreiben.

Die Reaktion 2A(g) + B(g) ⇄ C(g) soll durch Druck beeinflusst werden. Erklären Sie, welches Volumen alle gasförmigen Stoffe (bezogen auf ein Mol) haben(Tipp: molares Volumen)? Vermuten Sie, wie sich ein hoher Druck bzw. ein niedriger Druck auswirken könnten?
Die Hinreaktion der Gleichgewichtsreaktion A + B ⇄ C + D verläuft exotherm. Vermuten Sie, wie man das Gleichgewicht mit Hilfe der Temperatur verschieben könnte?

Weitere Fragen für die Auswertung:

Erklären Sie das Prinzip von Le-Chatelier und wenden Sie es auf die durchgeführten Versuche an. Beziehen Sie sich dabei auf Ihre Beobachtung.
Beschreiben Sie ausgehend von Ihren Ergebnissen, wie die Löslichkeit von Gasen in Wasser beeinflusst werden kann.
Sind die Meere als geeignete CO₂-Speicher? Beziehen Sie sich hierfür auf die Skalierung Ihrer Experimente und die Folgen derer für die Umwelt.
Beschreiben Sie ausgehend von Ihren Ergebnissen zur Löslichkeit von Gasen in Wasser, warum Fische unter Wasser atmen können.
Erklären Sie zudem weshalb Fische im Sommer zumeist weiter oben schwimmen.

Verschiebung mit Hilfe der Temperatur: 100 ml einer Kohlensäurelösung (Sprudelwasser) werden gleichverteilt in zwei Bechergläser gegeben und anschließend mit einigen Tropfen Universalindikator versetzt.
Becherglas A wird anschließend mithilfe einer Heizplatte vorsichtig erwärmt.
Becherglas B wird für 20 min stehengelassen und beobachtet.

Verschiebung mit Hilfe des Drucks: Ziehen Sie in eine Spritze 10mL CO₂ auf. Ziehen Sie dann etwas Wasser mit Unitest mit der Spritze auf, bis die Farbe nach gelb umschlägt (ca. 5mL). Überschüssiges Kohlenstoffdioxid wird verworfen, indem Sie vorsichtig das überschüßige Gas aus der Spritze drücken. Verschließen Sie die Spritze.
Ziehen Sie den Stempel raus und beobachten Sie. Drücken Sie dann den Stempel wieder rein und beobachten Sie.

Verschiebung durch Konzentrationsänderung: Ziehen Sie in eine Spritze 5mL H₂O mit Indikator auf. Ziehen Sie nun 5ml CO₂ in die Spritze. Drücken Sie überschüßiges Gas aus der Spritze und beobachten Sie.
Ziehen Sie nun weitere 5ml CO₂ in die Spritze. Drücken Sie wieder überschüßiges Gas aus der Spritze und beobachten Sie.
Wiederholen Sie den Vorgang ggf. mit weiteren 5ml CO₂.

Reaktionskinetik

Nachdem Sie sich mit der Steuerung des chemischen Gleichgewichts beschäftigt haben, ist es nun an der Zeit sich ein wenig mit einigen Rechnungen und Beobachtungen zur Reaktionskinetik zu beschäftigen.

Das Massenwirkungsgesetz

Auftrag: Erläutern Sie den Begriff Massenwirkungsgesetz am Beispiel der Iodwasserstoff-Synthese!

Recherchieren Sie den Begriff Massenwirkungsgesetz!
Lesen Sie den Text und stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Produktion von Iodwasserstoff.
Formulieren Sie das MWG für die Reaktion. Nennen Sie die Einheit der Gleichgewichtskonstante.
Erläutern Sie, wie sich die Konzentration von Edukten und Produkten im Verlauf der Reaktion ändern. Nehmen Sie einen allgemeinen Verlauf der Reaktion an.
Erläutern Sie wie sich die Reaktion ändern würde, wenn der Katalysator (hypothetisch) weggelassen wird. Nennen Sie die drei definierenden Eigenschaften eines Katalysators.
Vermuten Sie, welche Bedeutung das MWG für die chemische Industrie haben kann. Überlegen Sie dabei, welche Wertebereiche K annehmen kann und was sie bedeuten.
Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die allgemeine Reaktionsgleichung aA + bB ⇄ cC + dD auf!

Iodwasserstoff (Summenformel HI)ist ein farbloses, stechend riechendes, giftiges Gas, das sich sehr gut in Wasser unter Bildung der sehr starken Iodwasserstoffsäure löst. Industriell erfolgt die Herstellung durch katalytische Reaktion der gasförmigen Elemente über einen auf 500°C erwärmten Platin-Schwamm als Katalysator. (Quelle (zusammengefasst): Wikipedia)

Auftrag: Vertiefen Sie mit Hilfe von KI ihre Kenntnisse zur Nutzung des MWG!

Arbeiten Sie in Kleingruppen.
Nutzen Sie KI, um sich die Lösungen für die unten aufgeführten Aufgaben zu erarbeiten. Formulieren Sie ihre Prompts so, dass sie wirklich detailliert erklärt bekommen, wie man diese Aufgaben löst.
Fragen Sie dabei auch nach einem allgemeinen Lösungsweg.
Bereiten Sie sich darauf vor, einzeln eine Aufgabe mit Hilfe ihrer Aufzeichnungen zu erklären und vorzurechnen

In einem geschlossenen 25l-Behälter werden 3,05mol Iod und 7,75mol Wasserstoff erhitzt. Das Experiment ergab, dass nach Einstellung des Gleichgewichts 5,86mol Iodwasserstoff vorlagen.
Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K. Bei Berechnungen, bei denen K einheitenlos ist, kann man nur mit der Stoffmenge rechnen, anstatt mit der Konzentration.

In einem geschlossenen Kolben (1Liter) werden 0,4mol Methansäuremethylester mit 0,4mol Wasser hydrolisiert und die Konzentration der entstehenden Methansäure bestimmt. Nach 15min bleibt die Konzentration der Methansäure konstant bei 0,15mol/l. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante K.

Bei einer bestimmten Temperatur gilt für die Bildung von Iodwasserstoff aus den Elementen eine Gleichgewichtskonstante K=40. In einem Behälter mit dem Volumen von einem Liter reagieren 1mol Ioddampf mit 1mol Wasserdampf.
Berechnen Sie die Konzentration aller Stoffe im Gleichgewicht. Ermitteln Sie anschließend die Ausbeute an Iodwasserstoff.

Auftrag: Erarbeiten Sie sich mit Hilfe der Quelle das Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit.