Das Massenwirkungsgesetz

Anwendung im Labor:

Fe³⁺ + 3 SCN^-Fe[SCN]₃

gelb - farblos - tiefrot

k_C = (c(C) ⋅ c(D))/(c(A) ⋅ c(B))
k_C = c(Fe(SCN)₃)/(c(Fe³⁺) + c³(SCN^-)) (l/mol)³

Da k_C eine Konstante ist muss eine Erhöhung der Konzentration der Fe³⁺-Ionen bzw. der Fe(SCN)₃-Ionen den Nenner des Quotienten vergrößern, was eine Vergrößerung des Zählers zu Ungunsten des Nenners nach sich zieht.

2 CrO₄^2- + 2 H₃O⁺ 4 Cr₂O₇^2- + 3 H₂O
k_C = (c(Cr₂O₇^2-) ⋅ c³(H₂O))/c²(Cr₂O₇^2-) ⋅ c²(H₃O⁺)

In verdünnten wässrigen Lösungen ist die Konzentration vom Wasser praktisch Konstant und wird in die Konstante k_C aufgenommen:

k_C = c(Cr₂O₇^2-)/(c²(Cr₂O₇^2-) ⋅ c²(H₃O⁺)) (l/mol)³

3. Anwendung des MWG in der Technik

C + CO₂ 2 CO : Boudouard-Gleichung

k_C = c² (CO) / (c(C) ⋅ c(CO₂))

Die Konzentration eines Feststoffes lässt sich nicht angeben und wird deshalb als Konstant angesehen. Der Wert beträgt 1.

k_C = c² (CO)/ (1 ⋅ c(CO₂)) mol/l

4. Berechnung der Gleichgewichtskonstante

Lage des Gleichgewichts auf der Seite der Produkte: k_C > 1
Lage des Gleichgewichts auf der Seite der Edukte: k_C< 1

5. Die Großtechnische Anwendung des Massenwirkungsgesetzes

a) Haber-Bosch-Verfahren (Synthese von Ammoniak)

3 H₂ + N₂ (Düngemittelherstellung)

Aufgabe:

In einem Behälter mit dem Volumen V = 5l und konstanter Temperatur hat sich zwischen den Gasen Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak ein Gleichgewicht eingestellt. Es liegen folgende Stoffmengen vor:

n(N₂) = 5, 05 mol
n(H₂) = 8 mol
n(NH₃) = 0, 5 mol
k_C = c²(NH₃)/(c(N₂) ⋅ c³(NH₃)) = 2, 4 ⋅ 10^-3(l/mol)²
p₁ ⋅ V₁ / T₁ = p₂ ⋅ V₂ / T₂; p₁ ⋅ V₁ = p₂ ⋅ V₂

b) Optimieren der Reaktionsbedingungen

30 bar / 200 °C → 70 %

• Temperaturerniedrigung bis zur Grenze der Aktivierungsenergie um genug Aktivierungsenergie sie darf aber nicht zu hoch sein, sonst wird der Zerfall von Ammoniak begünstigt
• Druckerhöhung: Begünstigt die Hinreaktion. Druck darf aber nicht zu hoch sein, sonst ist die technische Umsetzung unmöglich.
• Katalysator: Er sorgt für die schnelle Einstellung des Gleichgewichts

Das Ionenprodukt des Wassers (k_W) ist die Konstante aus dem Produkt der Konzentrationen der H₃O⁺- und OH^--Ionen. Sie gilt nur in wässrigen, verdünnten Lösungen.

c) Technische Umsetzung des Reaktionsreaktors

Wasserstoff und Kohlenstoff reagieren bei hohem Druck

2 H₂ + C CH₄

Lösung des Problems durch den Bosch-Doppelmantel. Außen Stahlmantel mit Löchern, innen Weicheisen.

Ammoniaksynthese im Kreislaufverfahren

CO: "Katalysatorgift"

Labordarstellung ⇒ industrielle Masstäbe

Verwedung von Ammoniak:

• Herstellung von Salpetersäure
  • Düngemittel
  • Nitrierung ⇒ Sprengstoffe

• Kunststoffe
• Pflanzenschutzmittel

Stickstoffkreislauf

Bild

CO₂ ist ein offenes System

6. Offene Systeme

H₂O + H₂CO₂ CO₂ + 2H₂O

Kann ein Reaktionspartner ständig aus dem Gleichgewicht entweichen, so wird das Gleichgewicht vollständig in eine Richtung verschoben.

d) pH-Wert Berechnung für starke / schwache Basen

pOH = -lg ⋅ c(OH^-) → pOH = -lg ⋅ c₀(A^-) → für pks < 3, 5

pOH = 0, 5 (pks - lg ⋅ c(A^-)) → für pkb > 3, 5

Übung: Berechne den pH-Wert folgender Lösungen:

• Essigsäure c₀ = 0, 25 mol / l
  pks(CH₃COOH) = 4, 75
  pH = 2, 68
• Ammoniak c₀ = 7, 6 ⋅ 10 ^-4 mol/l
  pOH = 10, 06
  k_C = c(H₃O⁺)/c(X)
  k_S = Konzentration der Säure
  k_S ⋅ k_B = k_W = 14
  pks ⋅ pkb = pkw = 14

Natriumacetat NaCH₃COO CH₃COO - Essigsäure pH ↑

Natriumchlorid NaCl pH

Amoniumchlorid NH₄Cl pH ↓