Prinzip von Le Chatelier (Übungsvideo)

Hallo und herzlich willkommen! Das folgende Video ist eine Übung zum Thema "Das Prinzip von Le Chatelier" auch genannt "Das Prinzip des kleinsten Zwanges". Es geht bei dieser Übung darum, anhand einer bekannten Reaktionsgleichung abzuschätzen, wie Druck und Temperatur gewählt werden sollten, um eine möglichst hohe Produktausbeute zu erhalten. Um sinnvoll an der Übung teilzunehmen, solltest du allerdings bereits wissen, was exotherme und endotherme Reaktionen sind, was ein chemisches Gleichgewicht, und selbstverständlich worin das Prinzip von Le Chatelier überhaupt besteht. 1. Übung: Gegeben ist die Reaktionsgleichung 2SO2+O2->2SO3. Dazu noch die Information, dass es sich bei allen 3 Teilnehmern an dieser Reaktion um gasförmige Stoffe handelt. Und die Zusatzinformation, dass ∆H=-197 kJ/mol beträgt. ∆H, das wisst ihr vielleicht bereits, ist die Reaktionsenthalpie. Dazu die Frage: Wie sollte ich Druck und Temperatur wählen, um eine möglichst hohe Ausbeute an Schwefeltrioxid, also SO3, zu erzielen? Haltet nun das Video an und versucht diese Frage selbst zu beantworten. Danach könnt ihr das Video weiterlaufen lassen und mit meiner Lösung vergleichen. Seid ihr schon fertig? Na, dann schauen wir mal. Zunächst zur Frage nach dem Druck: Um sie zu beantworten, schaut man sich die Reaktionsgleichung an. Und zwar untersucht man sie dahingehend, auf welcher Seite der Gleichung mehr Gasmoleküle vorliegen. Das tut man deshalb, weil man weiß, dass das Gleichgewicht sich bei zum Beispiel einer Druckerhöhung auf jene Seite verschiebt, auf der weniger Volumen eingenommen wird. Und das ist stets auch die Seite, wo weniger Gasmoleküle in der Reaktionsgleichung stehen. In unserem Beispiel haben wir auf der linken Seite 3 Gasmoleküle und auf der rechten Seite 2 Gasmoleküle. Möchten wir das Gleichgewicht nun auf die Seite des Schwefeltrioxids verschieben, also auf die Seite die rechts in der Reaktionsgleichung steht, dann wäre es sinnvoll, den Druck zu erhöhen. Das ist deshalb so, weil die rechte Seite weniger Volumen einnimmt, als die linke Seite. Die Antwort auf die Frage lautet also: Da die Produkte ein geringeres Volumen einnehmen als die Edukte, kann die SO3-Ausbeute durch eine Erhöhung des Druckes gesteigert werden. Produkte sind hier übrigens jene Stoffe, die rechts in der Reaktionsgleichung und Edukte sind stets jene Stoffe, die links stehen. Nun zur Frage nach der Temperatur: Dazu betrachten wir uns die Angabe ∆H=-197 kJ/mol. Das Minuszeichen in dieser Angabe - und eigentlich interessiert uns nur das - sagt uns, dass die Reaktion exotherm ist. Das heißt, bei ihrem Verlauf von links nach rechts wird Wärme freigesetzt. Von exothermen Reaktionen weiß man aber, dass sie durch eine niedrige Temperatur begünstigt werden, was man so verstehen kann, dass diese Wärme, die freigesetzt wird, auch irgendwie abgeführt werden muss. Folglich kann man schreiben: Da es sich um eine exotherme Reaktion handelt, verschiebt eine Erniedrigung der Temperatur das Gleichgewicht auf die Produktseite. 2. Übung: Wieder ist eine Reaktionsgleichung gegeben, Calciumcarbonat reagiert zu Calciumoxid plus Kohlendioxid, CaCO3->CaO+CO2. Dazu die Angabe, dass es sich beim Calciumcarbonat CaCO3 um einen festen Stoff handelt, bei Calciumoxid ebenfalls um einen festen Stoff und bei Kohlendioxid um einen gasförmigen Stoff. Des Weiteren wird noch die Angabe gemacht ∆H=177 kJ/mol. Und wieder die Frage: Wie müssen Druck und Temperatur gewählt werden, um eine möglichst hohe Ausbeute an CaO zu erhalten? Kleine Anmerkung am Rande: Diese Reaktion von Calciumcarbonat zu Calciumoxid nennt man Kalkbrennen. Und sie ist insofern wichtig, als dass man dadurch aus Kalziumkalkstein, nämlich Calciumcarbonat ungelöschten Kalk, nämlich Calciumoxid herstellen kann. Und dieser wiederum ist einer der wichtigsten Ausgangsstoffe bei der Mörtelherstellung. Wie auch immer, haltet nun das Video an und versucht die Frage selbst zu beantworten. Schon fertig? Gut, dann schauen wir mal. Die Frage nach dem Druck beantworten wir wieder so, dass wir die linke und die rechte Seite der Reaktionsgleichung dahingehend untersuchen, auf welcher Seite wie viele Gasmoleküle vorliegen. In diesem Falle ist es so, dass auf der linken Seite kein einziges Gasmolekül vorhanden ist, denn es handelt sich beim Calciumcarbonat ja um einen Feststoff. Auf der rechten Seite haben wir einen Feststoff und ein Gas, folglich haben wir auf der rechten Seite ein Gasmolekül vorhanden. Folglich ist es auch diese Seite, die ein größeres Volumen einnimmt. Folglich lautet die Antwort auf die Frage: Da die Reaktion von links nach rechts mit einer Zunahme des Volumens einhergeht, sollte ein niedriger Druck gewählt werden. Die Frage nach der optimalen Temperatur beantworten wir wieder, indem wir uns die Reaktionsenthalpie anschauen, und zwar genauer gesagt das Vorzeichen der Reaktionsenthalpie. In diesem Falle ist die Reaktionsenthalpie positiv, also +177 kJ/mol. Folglich handelt es sich hier um eine endotherme Reaktion. Folglich können wir antworten: Da es sich um eine endotherme Reaktion handelt, sollte mit hoher Temperatur gearbeitet werden. Und in der Tat deutet ja schon das Wort Kalkbrennen darauf hin, dass man viel Hitze investieren muss, um diese Reaktion so durchzuführen, dass man viel Calciumoxid erhält. 3. Übung: Gegeben ist die Reaktionsgleichung H2+I2->2HI, also Wasserstoff plus Iod reagiert zu 2 Molekülen Jodwasserstoff. Die Reaktionsenthalpie dieser Reaktion beläuft sich auf +2,9 kJ/mol. Und wieder lautet unsere Frage: Bei welchen Bedingungen maximiert sich die Iodwasserstoff-Ausbeute? Mit Bedingungen sind in diesem Falle natürlich wieder Druck und Temperatur gemeint. So, gleiches Spiel: Video anhalten, Aufgabe lösen, Video weiterlaufen lassen. Hier die Lösung: Um die Frage nach dem Druck zu beantworten, schauen wir uns wieder die Anzahl der Gasmoleküle auf jeder Seite der Reaktionsgleichung an. Auf der linken Seite haben wir 2 Gasmoleküle, da sowohl Wasserstoff als auch Iod gasförmig vorliegen und auf der rechten Seite haben wir ebenfalls 2 Gasmoleküle, da wir ja 2 HI-Moleküle haben und HI ist ebenfalls gasförmig. Was nun? Wir stellen fest: Keine Seite nimmt ein größeres Volumen ein als die andere Seite. Unsere Antwort lautet also diesmal: Da Produkt und Edukt dieselben Volumina einnehmen, lässt sich das Gleichgewicht durch eine Druckveränderung nicht verändern. Oder anders formuliert: Es ist völlig egal, bei welchem Druck wir arbeiten. Nun zur Temperatur. Wir stellen fest: ∆H ist positiv, denn es wird angegeben mit +2,9 kJ/mol. Folglich kann man sagen: Da es sich um eine endotherme Reaktion handelt, lässt sich die Ausbeute an Iodwasserstoff durch eine Temperaturerhöhung steigern. Schaut man sich die Reaktionsenthalpie allerdings etwas genauer an, so stellt man fest, dass sie sich gerade mal auf popelige 2,9 kJ/mol beläuft. Das ist nicht sehr viel. Kurzum, man sollte in der Antwort besser schreiben: Die Ausbeute an HI lässt sich durch eine Temperaturerhöhung leicht steigern. Dies deshalb, weil es sich um eine schwach endotherme Reaktion handelt. So, und damit wären wir schon am Ende dieser Übung angelangt, in der wir geübt haben, wie man anhand der Reaktionsgleichung Druck und Temperatur so auswählt, dass man eine möglichst hohe Ausbeute am Produkt erhält. Vielen Dank fürs Mitmachen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!