Be­ein­flus­sung des che­mi­schen GG am Bei­spiel von Koh­len­stoff­di­oxid/ Koh­len­säu­re (SV)

Bil­dungs­plan­be­zug

In­halts­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

3.3.2 Che­mi­sche Gleich­ge­wich­te

(7) die Be­ein­flus­sung che­mi­scher Gleich­ge­wich­te ex­pe­ri­men­tell un­ter­su­chen und mit­hil­fe des Prin­zips von Le Chate­lier er­klä­ren

Pro­zess­be­zo­ge­ne Kom­pe­ten­zen

2.1 Er­kennt­nis­ge­win­nung

(5) qua­li­ta­ti­ve und quan­ti­ta­ti­ve Ex­pe­ri­men­te unter Be­ach­tung von Si­cher­heits- und Um­welt­as­pek­ten durch­füh­ren, be­schrei­ben, pro­to­kol­lie­ren und aus­wer­ten

2.2 Kom­mu­ni­ka­ti­on

(5) fach­lich kor­rekt und fol­ge­rich­tig ar­gu­men­tie­ren

Hin­wei­se für die Lehr­kraft

• Wenn den Schü­le­rin­nen und Schü­lern das Prin­zip von Le Chate­lier be­kannt ist, kann das Prak­ti­kum als SÜ durch­ge­führt wer­den.
• Ein­stieg: Wie wird Mi­ne­ral­was­ser her­ge­stellt? Wel­che Re­ak­ti­ons­be­din­gun­gen be­ein­flus­sen die Menge an ge­lös­tem Koh­len­stoff­di­oxid?
• Die Ver­su­che zum Ein­fluss von Tem­pe­ra­tur, Druck und Kon­zen­tra­ti­on eig­nen sich als ar­beits­tei­li­ges Prak­ti­kum. Im An­schluss an die Ver­su­che wer­tet jede Ar­beits­grup­pe ihren Ver­such aus und prä­sen­tiert ihn vor dem Kurs.
• Dauer: 2-3 Un­ter­richts­stun­den

Für die Lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid in Was­ser gilt ins­ge­samt fol­gen­des Gleich­ge­wicht:

$${\mathit{CO}}_2(g)+2H_{2}O(l)\mathrm{ \rightleftharpoons }{{\mathit{HCO}}_3}^{-}(\mathit{aq})+H_3{O}^{+}(\mathit{aq}),\mathit{ exotherm}$$

Auf­ga­ben

• Stel­len Sie zu obi­gem Gleich­ge­wicht die Glei­chung für die Gleich­ge­wichts­kon­stan­te Kc auf.
• No­tie­ren Sie zu jedem Ver­such Ihre Be­ob­ach­tun­gen.
• For­mu­lie­ren Sie für V1 – V3 je­weils eine „je desto Be­zie­hung“ für die Lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid in Was­ser.
• Wer­ten Sie den je­wei­li­gen Ver­such hin­sicht­lich der Ver­suchs­über­schrift aus: wel­chen Ein­fluss hat die je­wei­li­ge Re­ak­ti­ons­be­din­gung auf das che­mi­sche Gleich­ge­wicht?

V1: Ein­fluss der Tem­pe­ra­tur auf die Was­ser­lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

Ma­te­ria­li­en

• zwei Luer-Lock Sprit­zen 60 mL
• 3-Wege-Hahn
• Kom­bis­top­fen
• 50 mL Be­cher­glas
• Ther­mo­me­ter

Che­mi­ka­li­en

• Lei­tungs­was­ser drei­er ver­schie­de­ner Tem­pe­ra­tu­ren: ca. 50 °C, ca. 20 °C, ca. 5 °C
• Koh­len­stoff­di­oxid im Gas­beu­tel
• In­di­ka­tor Bromthy­mol­blau (BTB), al­ter­na­tiv: Ta­shiro-In­di­ka­tor

Durch­füh­rung

1. 

   Crea­ted with Che­mix

   Eine Sprit­ze wird mit 25 mL Was­ser der Tem­pe­ra­tur von ca. 20 °C be­füllt, dem ca. 10 Trop­fen BTB zu­ge­ge­ben wur­den. Die an­de­re Sprit­ze wird mit 30 mL Koh­len­stoff­di­oxid aus dem Gas­beu­tel be­füllt. Über den 3 - Wege - Hahn wird das Gas aus der einen Sprit­ze durch das Was­ser in die an­de­re Sprit­ze ge­drückt.

Ent­sor­gung

Über den Ab­guss, Sprit­zen dann mit Was­ser aus­spü­len

Ver­än­dert nach einer Idee vom Team LNCU: Gleich­ge­wich­te und Le Chate­lier [CC BY SA DE4] via lncu.​de

V2: Ein­fluss des Drucks auf die Was­ser­lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

Ma­te­ria­li­en

• zwei Luer-Lock Sprit­zen 60 mL (eine davon mit einem Loch im Stem­pel)
• 3-Wege-Hahn
• Kom­bis­top­fen
• 50 mL Be­cher­glas
• Nagel

Che­mi­ka­li­en

• Mi­ne­ral­was­ser
• In­di­ka­tor Bromthy­mol­blau (BTB), al­ter­na­tiv: Ta­shiro-In­di­ka­tor

Durch­füh­rung

Ent­sor­gung

Über den Ab­guss, Sprit­zen dann mit Was­ser aus­spü­len

Ver­än­dert nach einer Idee vom Team LNCU: Gleich­ge­wich­te und Le Chate­lier [CC BY SA DE4] via lncu.​de

V3: Ein­fluss des pH-Wer­tes des Lö­se­mit­tels (d.h. Kon­zen­tra­ti­ons­än­de­rung) auf die Lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

Ma­te­ria­li­en

• zwei Luer-Lock Sprit­zen 60 mL
• 3-Wege-Hahn
• Kom­bis­top­fen
• 50 mL Be­cher­glas

Che­mi­ka­li­en

• Salz­säu­re (c = 1mol/L) bzw. Na­tron­lau­ge (c = 1 mol/L)
• Koh­len­stoff­di­oxid im Gas­beu­tel
• In­di­ka­tor Bromthy­mol­blau (BTB), al­ter­na­tiv: Ta­shiro-In­di­ka­tor

Durch­füh­rung

Ent­sor­gung

Ver­dünnt über den Ab­guss, Sprit­zen dann mit Was­ser aus­spü­len.

Ver­än­dert nach einer Idee vom Team LNCU: Gleich­ge­wich­te und Le Chate­lier [CC BY SA DE4] via lncu.​de

Er­war­tungs­ho­ri­zont

V1: Ein­fluss der Tem­pe­ra­tur auf die Was­ser­lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

$${\mathrm{K}}_{\mathrm{c}}=\frac{\mathrm{c}({\mathrm{HCO}}_3^{-})\cdot \mathrm{c}({\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+})}{\mathrm{c}({\mathrm{CO}}_2)\cdot {\mathrm{c}}^2({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})}$$

Be­ob­ach­tung

Crea­ted with Che­mix

„je desto Be­zie­hung“:

Je ge­rin­ger die Tem­pe­ra­tur, desto mehr Koh­len­stoff­di­oxid löst sich im Was­ser.

Aus­wer­tung

K_c ist tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig; d.h. durch Ver­än­de­rung der Tem­pe­ra­tur kommt es zu einer Neu­ein­stel­lung des Gleich­ge­wichts­zu­stands mit einem ver­än­der­ten Wert für K_c. Nach Le Chate­lier be­güns­tigt eine Tem­pe­ra­tur­er­nied­ri­gung die wär­me­lie­fern­de (exo­ther­me) Re­ak­ti­on.

Da das Lösen von Koh­len­stoff­di­oxid in Was­ser ein exo­ther­mer Vor­gang ist, löst sich bei nied­ri­ger Tem­pe­ra­tur mehr Koh­len­stoff­di­oxid im Was­ser (Hin­re­ak­ti­on be­vor­zugt).

V2: Ein­fluss des Drucks auf die Was­ser­lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

$${\mathrm{K}}_{\mathrm{c}}=\frac{\mathrm{c}({\mathrm{HCO}}_3^{-})\cdot \mathrm{c}({\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+})}{\mathrm{c}({\mathrm{CO}}_2)\cdot {\mathrm{c}}^2({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})}$$

Be­ob­ach­tung

Crea­ted with Che­mix

„je desto Be­zie­hung“:

Je ge­rin­ger der Druck, desto we­ni­ger Koh­len­stoff­di­oxid löst sich im Was­ser.

Aus­wer­tung

Die Re­ak­ti­on ist druck­ab­hän­gig, da mit Koh­len­stoff­di­oxid ein Gas an der Re­ak­ti­on be­tei­ligt ist. Durch Ver­än­de­rung des Drucks wird der Gleich­ge­wichts­zu­stand ge­stört und muss sich mit un­ver­än­der­tem Wert für K_c wie­der ein­stel­len.

Nach Le Chate­lier be­güns­tigt eine Dru­cker­nied­ri­gung die Re­ak­ti­on, die unter Vo­lu­men­zu­nah­me ver­läuft, somit wird die Bil­dung von gas­för­mi­gem Koh­len­stoff­di­oxid (Rück­re­ak­ti­on) be­vor­zugt. Bei Dru­cker­nied­ri­gung löst sich dem­nach we­ni­ger Koh­len­stoff­di­oxid im Was­ser, was zu einer Ab­nah­me der Oxo­ni­um-Ionen-Kon­zen­tra­ti­on und damit zu einer Zu­nah­me des pH-Werts führt.

V3: Ein­fluss des pH-Wer­tes des Lö­se­mit­tels (d.h. Kon­zen­tra­ti­ons­än­de­rung) auf die Lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid

$${\mathrm{K}}_{\mathrm{c}}=\frac{\mathrm{c}({\mathrm{HCO}}_3^{-})\cdot \mathrm{c}({\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+})}{\mathrm{c}({\mathrm{CO}}_2)\cdot {\mathrm{c}}^2({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})}$$

Be­ob­ach­tung

Crea­ted with Che­mix

„je desto Be­zie­hung“:

Je höher der pH-Wert, desto mehr Koh­len­stoff­di­oxid löst sich.

Aus­wer­tung

Die Re­ak­ti­on ist pH-ab­hän­gig (siehe Re­ak­ti­ons­glei­chung). Somit be­wirkt eine Ver­än­de­rung der Kon­zen­tra­ti­on der Oxo­ni­um-Ionen eine Stö­rung des Gleich­ge­wichts­zu­stands. Das Gleich­ge­wicht muss sich mit un­ver­än­der­tem Wert für K_c wie­der ein­stel­len.

Er­nied­rigt man die Kon­zen­tra­ti­on eines Pro­dukts (im Ver­such wird durch den hö­he­ren pH-Wert der Na­tron­lau­ge die Oxo­ni­um-Ionen-Kon­zen­tra­ti­on im Zäh­ler von K_c er­nied­rigt), so muss sich auch die Kon­zen­tra­ti­on der Eduk­te im Nen­ner von K_c er­nied­ri­gen, da K_c kon­stant ist. Somit be­güns­tigt ein hoher pH-Wert die Lös­lich­keit von Koh­len­stoff­di­oxid.