Protokoll Experiment Chemisches Gleichgewicht Praktikum PDF

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Protokoll für das Experiment zum chemischen Gleichgewicht innerhalb von Reaktionen....

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Name: Thalia Lehmann Studiengang: B. Sc. Ernährungswissenschaften

Datum: 20.03.2021 Matrikelnummer: 807608

Protokoll Experiment 5: Chemisches Gleichgewicht Einleitung: Chemische Reaktionen, welche in beide Richtungen verlaufen, also von der Seite der Edukte zur Seite der Produkte und andersherum, werden als Gleichgewichtsreaktionen bezeichnet. Sobald sich ein geschlossenes System im chemischen Gleichgewicht befindet, sind die Geschwindigkeiten von der Hin- und Rückreaktion gleich. Dabei bestimmt die Gleichgewichtskonstante die Position des chemischen Gleichgewichts, also ob eine Reaktion eher in Richtung der Produkte oder Edukte verläuft, oder ob beide gleichermaßen vorliegen. Es kann jedoch vorkommen, dass äußere Zwänge, wie zum Beispiel Konzentrations-, Temperatur, oder Druckänderungen, auf das System einwirken. Nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht das System diesen Zwängen aus, indem sich ein neues Gleichgewicht einstellt.

Versuch 1: Chromat-Dichromat-Gleichgewicht Aufgabe: Welcher Zwang beeinflusst das Gleichgewicht dieser Reaktion? Durchführung/Beobachtung: Durch die Hilfe einer Pipette wird 1mL einer gelben Kaliumchromatlösung (K2CrO4) in ein Reagenzglas gefüllt. Anschließend wird tropfenweise so lange verdünnte Schwefelsäure (H2SO4) hinzugegeben, bis sich die Lösung von gelb auf orange verfärbt. Als letztes versetzt man die Lösung noch mit verdünnter Natronlauge (NaOH), was eine erneute Umkehrung der Farben von orange nach gelb bewirkt. Auswertung: 2 CrO42- + 2 H3O+ ↔ CrO72- + 3 H2O Es herrscht in dieser Reaktion ein Gleichgewicht zwischen Chromat (CrO42-) und Dichromat (CrO72-). Dieses Gleichgewicht wurde in dem Versuch einerseits durch die Zugabe von Schwefelsäure (einer starken Säure), und anderseits Natronlauge (einer starken Base) von außen beeinflusst. Nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht das System den äußeren Zwängen aus, indem sich ein neues chemisches Gleichgewicht einstellt, sichtbar wird dies durch die Farbumschwünge von Gelb nach Orange, beziehungsweise von Orange nach Gelb.

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Datum: 20.03.2021 Matrikelnummer: 807608

Versuch 2: Ligandenaustausch bei Eisen(III)-Komplexen Aufgabe: a) Aufstellen einer Reaktionsgleichung der Reaktion von Eisen(III)-Chlorid mit Ammoniumthiocyanat. b,c) Dokumentation und Erklärung der Veränderungen in den jeweiligen Teilreaktionen, und Nennung des äußeren Zwangs und seiner Auswirkung auf das Gleichgewicht des Systems. d) Benennung des Effektes der Teilreaktion, sowie Beschreibung der Veränderungen. Durchführung/Beobachtung: a) In einem Reagenzglas werden ein paar Tropfen 0,1 molare Ammonuimthiocyanatlösung zu einer wässrigen 0,1 molaren Eisen(III)-Chlorid-Lösung hinzugegeben. Dadurch färbte sich die Eisen(III)-Chlorid-Lösung von einer ursprünglich gelben Färbung zu einem dunklen rotbraun/rostbraun. b) Jetzt vermischt man die Lösung so lange mit Wasser, bis die rötliche Farbe nahezu verschwunden ist. Die Flüssigkeit im Reagenzglas sieht am Ende also hellgelb bis leicht orange und klar aus. (Dadurch, dass das Reagenzglas im Experiment zu klein war, musste noch etwas von der bereits verdünnten Lösung in ein neues Reagenzglas gegeben werden, um es anschließend bis zum gewünschten Punkt weiter zu verdünnen.) c) Die ausreichend verdünnte Lösung wurde dann auf zwei weitere Reagenzgläser verteilt. In ein Reagenzglas gibt man nun wieder ein paar Tropfen Eisen(III)-Chlorid-Lösung, und in das andere etwas von der Ammonuimthiocyanatlösung. Die hellgelbe Färbung der Lösung änderte sich daraufhin beim Reagenzglas mit dem Eisen(III)-Chlorid in ein starkes gelb, während sie bei dem anderen Reagenzglas mit dem Ammoniumthiocyanat wieder rot/rostbraun wurde. d) Nun gibt man eine Spatelspitze Natriumfluorid in die Lösung aus a) (die mit der starken roten Farbe). Bei diesem versuch wurde die Lösung komplett farblos. Auswertung: a) Eisen(III)-Chlorid bildet in wässriger Lösung Fe3+ und Cl- Ionen. Die Eisen Kationen bilden bei der Zugabe von Ammoniumthiocyanat einen Komplex mit SCN- Anionen, wodurch es zu einer Farbveränderung von schwach gelb auf rot/rostbraun kommt. Reaktionsgleichung: Fe3-(aq) + 3 SCN-(aq) ↔ Fe(SCN)3 (aq) b) Wasser verdünnt die Lösung sehr stark, wodurch es zu einer Konzentrationsänderung kommt. Hierbei verschiebt sich das chemische Gleichgewicht wieder auf die Seite der Edukte, Seite 2|5

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wodurch auch erklärt werden kann, warum die Lösung wieder gelblich wird. Die Reaktion läuft also von der Richtung der Produkte zur Richtung der Edukte ab. c) Eisen(III)-Ionen befinden sich in stark wässriger Lösung in einem Hexaaquaeisen(III)Komplex. Die Hinzugabe von Eisen(III)-Chlorid in dem einem Reagenzglas erhöht die Konzentration von Eisen-Kationen in der Lösung. Dadurch verschiebt sich die Reaktion nach Le

Chatelier

auf

die

Seite

der

Edukte,

die

Gleichgewichtskonstante

Kc des

Massenwirkungsgesetzes wird also kleiner. Bei der Zugabe von Ammoniumthiocyanat in dem anderen Reagenzglas verschiebt sich die Reaktion hingegen auf die Seite der Produkte, da die Wasser-Liganden des Komplexes durch die SCN- -Ionen (Thiocyanat-Liganden) substituiert werden. Es kommt also zu einer Bildung von Triaquatrithiocyanateisen(III)-Komplexen, welche für die blutrote/rostbraune Verfärbung der Lösung sorgen. Reaktionsgleichung: [Fe(H2O)6]3+ + 3 SCN- ↔ [Fe(SCN)3(H2O)3] + 3 H2O d) Die Entfärbung der Lösung entsteht durch die Ligandensubstitution/ den Ligandenaustausch während der Reaktion von der Lösung mit dem Natriumfluorid. Dabei werden bei der Hinzugabe von festem Natriumfluorid zur Lösung die Thiocyanat- und Wasserliganden mit dem Fluorid ausgetauscht. Es entsteht dabei ein farbloser Hexafluoridoferrat(III)-Komplex. Reaktionsgleichung: [Fe(SCN)3(H2O)3] + 6 F- ↔ [FeF6]3- + 3 SCN- + 3 H2O

Versuch 3: Temperaturabhängige Bildung von Cobalt(II)-Komplexen: Aufgabe: Welche Veränderungen sind bei diesem Experiment zu beobachten, und durch welchen äußeren Zwang wird die Gleichgewichtslage des Systems beeinflusst? Wie weicht das System den Zwang aus? Erklären sie welche Seite der Reaktion endotherm und welche exotherm ist. Durchführung/Beobachtung: Zunächst wird ein Reagenzglas mit einer wässrigen 0,1 molaren Cobalt(II)-Nitrat-Lösung in einem Wasserbad erwärmt. Dabei wird so lange konzentrierte Salzsäure hinzugegeben, bis eine starke Farbveränderung sichtbar ist. Nun entfernt man das Reaktionsglas aus dem Wasserbad und hält es in ein Eisbad, um es abzukühlen, bevor es anschließend erneut im Wasserbad erwärmt wird. Während die reine Cobalt(II)-Nitratlösung im Wasserbad eine pinke/rosa Färbung aufwies wurde diese durch die Hinzugabe von konzentrierter Salzsäure blau. Beim Eintauchen des Reagenzglases in das Eisbad färbte sich die Lösung pink, und beim erneuten Erwärmen wurde sie dann wieder blau. Seite 3|5

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Auswertung: Der äußere Zwang auf das System stellen in diesem Versuch die Temperaturveränderungen von heiß auf kalt dar. Dabei wird das Gleichgewicht der Reaktion verschoben, denn zunächst befindet sich das Gleichgewicht auf der Seite der Edukte. Unter Temperaturerhöhung und Zugabe von konzentrierter Salzsäure verschiebt sich das Gleichgewicht dann auf die Seite der Produkte (gekennzeichnet durch die blaue Farbe). Bei der Erniedrigung der Temperatur wechselt das Gleichgewicht dann wieder auf die Seite der Edukte (gekennzeichnet durch die pinke Farbe). Durch das Einstellen neuer Gleichgewichte weicht das System,

laut

dem

Prinzip

von

Le

Chatelier,

also

dem

äußeren

Zwang

der

Temperaturveränderung aus. Da bei der Hinzugabe von Wärme das Gleichgewicht des Systems auf der Seite der Produkte liegt ist die Richtung von Edukten zu den Produkten eine endotherme Reaktion, und die Richtung von Produkt zum Edukt eine exotherme Reaktion. Reaktionsgleichung: [Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- ↔ [CoCl4]2- + 6 H2O

Versuch 4: Druckabhängigkeit von Stickoxiden (THEORETISCH!) Aufgabe: Welche Form des Stickoxides liegt bei hohem bzw. niedrigem Druck vor? Beschreiben sie die jeweiligen Farbveränderungen bei der Verschiebung des Gleichgewichtes durch die Druckveränderung. Theorie: Das Gas Stickstoffdioxid (NO2) ist ein Radikal, welches zur Bildung von Distickstofftetraoxid (N2O4) neigt. Dabei reagieren zwei dieser Radikale zu einem Distickstofftetraoxid-Molekül. Man erkennt die beiden unterschiedlichen Gase anhand der Farbe, denn während Stickstoffdioxid rotbraun ist, ist Distickstofftetraoxid ein farbloses Gas. Durch Druckveränderungen innerhalb eines geschossenen Systems ändert sich die Gleichgewichtslage, und damit auch die Farbe des Systems. Auswertung: Druckerhöhungen auf ein geschlossenes System verschiebt, laut Le Chatelier, das Gleichgewicht der Reaktion auf die Seite mit der geringeren Anzahl an Gasteilchen. In diesem Fall wäre das die Seite der Produkte, also auf die Seite mit N2O4, da diese Seite nur aus einem Volumenanteil besteht. Das System wäre also farblos, da Distickstofftetraoxid keine Farbe besitzt. Auf der anderen Seite verschiebt sich das Gleichgewicht des Systems bei Druckerniedrigung auf die Seite der Edukte, also Stickstoffdioxid, und das System würde sich rotbraun färben.

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Quellen (Für alle Teilversuche): -

Versuchsanleitung „Chemisches Gleichgewicht“, Grundpraktikum Allgemeine und Anorganische Chemie, Prof. Andreas Taubert; Dr. Martin Oschatz, 2021, Universität Potsdam

-

Vorlesungsskripte „Vorlesung Allgemeine und Anorganische Chemie“, Prof. Andreas Taubert, WiSe 2020/2021, Universität Potsdam

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