Chemie - 7. Folge Chemisches Gleichgewicht
Wie entstehen Kristalle? Oder Tropfsteine? Das hat etwas mit reversiblen chemischen Reaktionen zu tun - und mit dem chemischen Gleichgewicht. Wie es funktioniert, erfahren Sie hier.
Neben umkehrbaren chemischen Reaktionen beschäftigt sich diese Folge von Telekolleg Chemie mit dynamischen Gleichgewichten und deren Interpretation. Sie gliedert sich in vier Sequenzen.
Reversible chemische Reaktionen
Bildung von Kristallen aus einer Salzlösung
Ausgehend von den bei Mineraliensammlern begehrten Kristallen wird im Experiment zunächst die Bildung von Kristallen aus einer stark konzentrierten Salzlösung und anschließend deren Auflösen demonstriert.
Tropfsteine
Diese reversiblen Vorgänge spielen sich in der Natur ebenfalls ab: Einerseits löst sich unter Beteiligung von Kohlenstoffdioxid (CO2) Gesteinskalk beispielsweise im Wasser von Bächen auf. Andererseits kann dieses kalkhaltige Wasser auch wieder verdunsten und dabei Kohlenstoffdioxid freisetzen. Dabei fällt fester Kalk aus, der sich dann unter Umständen in Höhlen in Form von Tropfsteinen absetzt.
Kalkablagerungen an Haushaltsgeräten
Ähnliche Beobachtungen kann man auch im Haushalt machen, etwa bei den Kalkablagerungen in Wasserkesseln oder an einem Tauchsieder.
Ein Experiment klärt anschaulich den Sachverhalt des Lösens und wieder Ausfallens von Kalk (Calciumcarbonat, CaCO3): Gibt man pulverisierten Kalk in Wasser, wird dieses trüb, da sich der Kalk nicht löst. Erst nach Einleiten von Kohlenstoffdioxid verschwindet die Trübung. Kalk hat sich gelöst und liegt nun – wie die dazu gehörige Gleichung zeigt - in Form von Calciumhydrogencarbonat vor. Auch den umgekehrten Vorgang, der sich im Haushalt immer dann abspielt, wenn man kalkhaltiges Wasser erhitzt, verdeutlicht ein Reaktionsschema, in dem der Doppelpfeil außerdem darauf hinweist, dass die Reaktion in beide Richtung verlaufen kann.
Esterbildung und Esterspaltung
Erhitzt man Ethansäure und Ethanol (unter Zusatz von Schwefelsäure), so bildet sich – wie die Reaktionsgleichung zeigt (siehe unten stehende Bildergalerie) – der Ethansäureethylester. Dass dabei tatsächlich ein neues Produkt entstanden ist, zeigt dessen Löslichkeit. Anders als die Ausgangsstoffe (Edukte) ist der Ethansäureethylester in Wasser nur wenig löslich.
Ein Ester lässt sich – als Umkehrung der Esterbildung – auch wieder spalten. Beim Erhitzen von Ethansäureethylester entstehen Ethanol und Ethansäure, wobei man den Alkohol mit einer Farbreaktion nachweisen kann.
Dynamisches Gleichgewicht
Befinden sich die an entgegengesetzten Reaktionen – etwa der Esterbildung und Esterspaltung – beteiligten Stoffe in einem geschlossenen System, laufen beide Reaktionen ab – gewissermaßen in Konkurrenz zueinander.
Strömungsleichgewicht als Modell für ein dynamisches Gleichgewicht
Wenn Hin- und Rückreaktion die gleiche Geschwindigkeit besitzen, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Im Experiment veranschaulicht ein Strömungsgleichgewicht zusätzlich dieses Phänomen.
Das Massenwirkungsgesetz (MWG)
Formel zur Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten
Am Beispiel der Esterbildung und Esterspaltung wird in der vierten Sequenz das Massenwirkungsgesetz (MWG) erklärt. Dieses berücksichtigt mathematisch die unterschiedlichen Konzentrationen der an einem Gleichgewicht beteiligten Stoffe. Dabei ergibt der Quotient aus dem Produkt der Konzentrationen (c) der entstehenden Stoffe (Ester und Wasser) und dem Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe (Alkohol und Säure) immer einen konstanten Wert, die sogenannte Gleichgewichtskonstante (K). Im Falle der Esterbildung aus Ethanol und Ethansäure ist dieser Wert bei 25 °C stets 4. Die allgemeine Formulierung des Massenwirkungsgesetzes und ein Modellexperiment zum Ablauf von chemischen Gleichgewichten runden die Sequenz ab.
