Das chemische Gleichgewicht - Fachdidaktik Chemie ETH
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Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 1 Das chemische Gleichgewicht Vorwort Hier werden einige Bausteine und nicht der ganze Unterricht vorgestellt. Wenn Sie das Thema unterrichten, müssen sie die Bausteine anpassen und mit wichtigen Informationen ergänzen. Dafür empfehle ich das Buch „Elemente“, in dem das chemische Gleichgewicht aufbauend erklärt und in allen wesentlichen Aspekten beschrieben wird. Fehlvorstellungen "Das chemische Gleichgewicht ist ein schwieriges Konzept. Forschungen zeigen, dass viele Schülerinnen und Schüler damit von Beginn weg grosse Mühe bekunden. Eine Studie aus der Türkei bestätigt diesen Befund erneut – und zwar bei angehenden Chemielehrern. Einige Beispiele aus der Studie Hier sind einige Fehlvorstellungen der befragten, angehenden türkischen Chemielehrpersonen aufgelistet. Die genannten Fehlvorstellungen wurden nicht so formuliert, sondern ersichtlich aus den Antworten auf konkrete, fallbezogene Beispiele. Sie decken sich mit Erkenntnissen aus anderen Studien. • 45 Prozent glaubten, dass im chemischen Gleichgewicht keine Reaktionen mehr stattfinden. • 32 Prozent der Befragten glaubten, die Hinreaktion müsse zuerst abgeschlossen sein, bevor die Rückreaktion starten kann. • 23 Prozent glaubten, das chemische Gleichgewicht sei dann erreicht, wenn Edukt und Produkt dieselbe Konzentration erreicht haben. • 17 Prozent glaubten, ein Katalysator beschleunige nur die Hinreaktion. • 13 Prozent glaubten, das Prinzip von Le Chatelier sei schon anwendbar, bevor das chemische Gleichgewicht erreicht ist. Der Autor muntert Lehrpersonen auf, sich in der Literatur über bekannte Fehlkonzepte zu informieren (in der Forschung alternative concepts, misconceptions, alternative framworks, conceptual frameworks oder auch spontaneaus knowledge genannt), bevor ein Thema im Unterricht eingeführt wird. Texte, welche solche Fehlkonzepte ganz direkt ansprechen, könnten beispielsweise dann für Schülerinnen und Schüler eine Hilfe sein, schreibt Özmen." (https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/dual/educeth-dam/documents/forschung-und- literatur/didaktik-newsticker-archiv/falsch-verstandenes-gleichgewicht.pdf Haluk Özmen: Determination of student's conception about chemical equlibrium: a review of research and the case of Turkey Chemistry Education Research and Practice. 2008, 9, 225 - 233) Aus http://www.educ.ethz.ch/forschung-und-literatur/didaktik-newsticker.html) Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 2 Viele Reaktionen sind umkehrbar Ich würde den Schülerinnen am Anfang erklären, dass wir zuerst ein Konzept kennen lernen und erst nachher sehen werden, wie wichtig es ist und wo es Anwendung findet. Kohlendioxid und Kohlensäure Kohlendioxid reagiert mit Wasser zu Kohlensäure: CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq) Dabei handelt es sich um eine umkehrbare Reaktion: Wenn man Kohlendioxid in eine Flasche mit Wasser presst, entsteht Kohlensäure. Wenn ein Glas Wasser mit Kohlensäure herumsteht, enthält es bald keine Kohlensäure mehr, weil bei der Rückreaktion Kohlensäure zu Kohlendioxid und Wasser wird und Kohlendioxid entweicht. In einer geschlossenen Flasche gibt es immer beides, Kohlendioxid und Kohlensäure. Dabei hat sich gezeigt, dass es ständig CO2-Moleküle gibt, die zu H2CO3 werden und H2CO3-Moleküle, die sich in CO2 und Wasser verwandeln. Anfangszustand: Nach einiger Zeit Die Flasche wird kurz Die Flasche wird verschlos- Kohlendioxid wird ändert sich das geöffnet. Das Zischen sen. Wenn man wartet nimmt in eine Verhältnis von CO2 verrät das CO2. Ein der Druck nicht mehr zu und Wasserflasche und H2CO3 nicht Teil des CO2 ent- auch die Konzentration von gegeben mehr. weicht. Folge: Kohlen- Kohlensäure ändert sich säure wird zu CO2. nicht mehr. Je mehr CO2-Moleküle in der Gasphase umherfliegen, desto mehr kommen mit Wasser in Kontakt und werden zu Kohlensäure. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration ab: vhin = khin · [CO2] · [H2O] Auch die Geschwindigkeit der Rückreaktion hängt von der Konzentration ab. Je mehr Kohlensäure vorhanden sind, desto mehr Moleküle werden zerfallen und CO2 bilden: vrück = krück · [H2CO3] Das Verhältnis von CO2 und Kohlensäure ändert sich nicht mehr, wenn die beiden Geschwindigkeiten gleich gross sind. Man sagt, dass ein chemisches Gleichgewicht erreicht ist. vhin = vrück khin · [CO2] · [H2O] = krück · [H2CO3] khin [H2CO3] K = ——– = —————— krück [CO2] · [H2O] Die Geschwindigkeitskonstanten khin und krück müssen gemessen werden. Da khin und krück für die Reaktion von CO2 und Wasser bestimmte Werte sind, ergibt sich im Gleichgewicht immer dasselbe Verhältnis der Konzentrationen. Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 3 Die Vorgänge auf Teilchenebene Bild 1: Start Bild 2 Bild 3 Bild 4 Aufgabe: Vergleichen Sie Bild 2 mit Bild 4. In dynamischen Gleichgewichten läuft ständig etwas und trotzdem ändert sich nichts. Bsp. aus dem Alltag 1. Ein Bankkonto ist im dynamischen Gleichgewicht, wenn ... 2. Die Bevölkerung eines Landes hat ein Gleichgewicht erreicht, wenn ... 3. Mein Körpergewicht befindet sich im Gleichgewicht, wenn ... Weshalb diskutieren wir das Gleichgewicht? Viele Schülerinnen und Schüler können das Gesagte zwar nachvollziehen, sehen aber nicht ein, wohin diese Überlegungen führen. Was nützt es, wenn sich in chemischen Reaktionen ein Konzentrations-Verhältnis ergibt, dessen Grösse man nicht kennt? Wie in der Grundlagenforschung brauchen wir etwas Geduld. Zuerst müssen wir das Phänomen verstehen, bis sich wichtige Anwendungen ergeben. Modellvorstellung Der Holzapfelkrieg. Holzäpfel sind kleine, ungeniessbare Äpfel Bild 1: Bild 2: Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 4 Bild 3: Bild 4: Bild 5: Fragen 1. Wie geht die Geschichte weiter? Überlegen Sie wie Bild 5 aussehen wird. 2. Warum kann der Junge seinen Garten nie ganz leeren? 3. Warum ist die Zahl der Äpfel in den Gärten verschieden? 4. Was hat die Geschichte mit dem chemischen Gleichgewicht zu tun? Auswertung Am Ende stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein: Der Junge und der Mann werfen in derselben Zeit die gleiche Zahl Äpfel. Wie ist das möglich? Die Kondition von Junge kJ und Mann kM wie auch die Konzentrationen [Ä]J und [Ä]M können in die Bilder eingetragen und die rechts stehende Skizze entworfen werden. Die Grösse der Symbole deutet an, wie gross die Werte sind. Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 5 Wasserstand Wasser wird mit unterschiedlich dicken Glasrohren zwischen den beiden Messzylindern ausgetauscht. Das Modell zeigt, wie sich ein Gleichgewicht einstellt. https://www.youtube.com/watch?v=rSn_20yJkSQ Würden Sie dieses Modellexperiment vorzeigen oder in Gruppen von den SuS durchführen lassen? Werden Sie dieses Modellexperiment im Unterricht einsetzen? (W. Asselborn et al. (Hrsg.), Chemie heute SII, Schroedel, Braunschweig, S.99, 2009) Tauschhandel Anleitung: Die SuS arbeiten zu zweit. Ein Mann und ein Junge tauschen Bohnen. Bei jedem Zug zählen sie den festgelegten Bruchteil ihres Besitzes ab. Manchmal muss auf- oder abgerundet werden. Dann übergeben sie die Bohnen gleichzeitig dem Gegenüber, zählen ihren aktuellen Besitz und protokollieren ihn in der Tabelle. Das Spiel ist beendet, wenn sich der Besitz trotz der Tauschaktion nicht mehr ändert. Bemerkung: An Stelle von Bohnensamen können andere billige Objekte verwendet werden: Kichererbsen, Muttern, Zündhölzer. Sie fallen weniger zu Boden, wenn sie nicht rund sind. Spiel 1 Spiel 2 Spiel 3 Spiel 4 Junge Mann Junge Mann Junge Mann Junge Mann 1 1 1 1 1 1 1 1 /3 /5 /3 /5 /3 /7 /3 /7 Tauschrate 20 20 40 0 20 20 40 0 Anfangszustand 17 23 27 13 16 24 27 13 16 24 21 19 14 26 20 20 16 24 18 22 13 27 16 24 16 24 13 27 14 26 13 27 Welche neuen Erkenntnisse können gewonnen werden? Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 6 Das Massenwirkungsgesetz Die Reaktion von Wasserstoff H2 und Iod I2 wurde besonders gut untersucht. Werden die beiden Substanzen gemischt und erhitzt, so reagieren sie nicht vollständig zu Iodwasserstoff HI. Ein Teil der Edukte bleibt übrig, weil sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt, wie es in der Abbildung von Dickerson und Geis zu sehen ist (R. E. Dickerson & I. Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Weinheim, S. 328, 1981): In einem Gefäss von 10 Litern werden Iod und Wasserstoff bei Raumtemperatur gemischt: Damit die Substanzen miteinander reagieren, wird die Mischung auf 450 °C erhitzt. Nach einigen Stunden stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die Zusammensetzung ändert sich jetzt nicht mehr. Eine Messung ergibt, dass 0,22 mol H2, 0,22 mol I2 und 1,56 mol HI vorliegen. In der Reaktionsgleichung ist die Analogie mit dem Holzapfelkrieg besser zu erkennen als in der Abbildung mit den Gasmolekülen. H2 + I2 2 HI Links stehen die Edukte, die den Äpfeln auf der Seite des Alten entsprechen. Rechts findet man die Produkte, die Äpfel im Garten des Jungen. Die Reaktionsgeschwindigkeiten hängen von den Konzentrationen ab: Für die Hinreaktion ist vhin = khin · [H2] · [I2] Für die Rückreaktion ist vrück = krück · [HI]2 Ein Gleichgewicht stellt sich ein, wenn die Hin- und Rückreaktion gleich schnell sind: vhin = vrück khin · [H2] · [I2] = krück · [HI]2 khin [HI]2 K = ——– = ————– krück [H2] · [I2] Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 7 Die Gesetzmässigkeit des konstanten Konzentrationsverhältnisses von Produkten und Edukten in einem Gleichgewicht wurde 1867 von den Norwegern Guldberg und Waage entdeckt und als Massenwirkungsgesetz bezeichnet, weil Konzentrationen damals noch als wirksame Massen bezeichnet wurden. Es bietet sich an, die Gleichgewichtskonstante auszurechnen. Das Gleichgewicht liegt rechts. Erklären Sie was mit dieser Sprechweise gemeint ist. Animation der Reaktion: https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics An dieser Stelle sollten die Schüler einige Aufgaben lösen, damit sie andere Reaktionen kennen lernen und sich aktiv mit dem Konzept des dynamischen Gleichgewichts auseinandersetzen. Auf Partialdruck und Kp gehe ich im Unterricht nicht ein. Übung zum Massenwirkungsgesetz Input: Schwefeldioxid reagiert mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid. K = 37 bei 827 °C. Aufgaben 1. Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen und die Massenwirkungsgesetze folgender Reaktionen: a) Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser stehen miteinander im Gleichgewicht. K = 1081 b) Methanol CH3OH reagiert beim Erhitzen zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Bei einer Temperatur von 225 °C ist K = 0,1 c) Kohlenmonoxid und Wasserstoff reagieren beim Erwärmen zu Methanol Wie gross ist die Gleichgewichtskonstante? 2. In welchen Reaktionen der Aufgabe 1 entsteht viel Produkt? 3. Wo liegen die Gleichgewichte in den obenstehenden Beispielen? Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 8 Experimente Eisen(III)- und Rhodanid-Ionen reagieren miteinander Fe3+(aq) + 3 SCN-(aq) Fe(SCN)3(aq) Die Edukte sind farblos, das Fe(SCN)3 rostrot. (Reaktionsgleichung gemäss M. Stieger, Elemente, Klett und Balmer, Zug, S. 212 (2018). Die Anleitung finden Sie in der Versuchssammlung der Kantonsschule Freudenberg auf http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47971610/Experimentierkurs) Empfehlung: Reaktionsgleichung vereinfachen Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq) Welche zentralen Erkenntnisse können mit diesem Experiment demonstriert werden? Veresterung mit Wasserabscheider (siehe Arbeitsblatt von Renato Galli, Praktikumslehrer an der Kantonsschule Zürcher Oberland in Wetzikon, am Ende dieses Dossiers oder auf der Plattform http://fdchemie.pbworks.com/w/page/52263492/Chemisches Gleichgewicht) CH3COOH + CH3(CH2)4OH CH3COO(CH2)4CH3 + H2O Erkenntnis: In diesem Experiment sehen wir, dass sich die Auseinandersetzung mit dem Gleichgewicht gelohnt hat: Edukte können vollständig umgesetzt werden Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 9 Das Prinzip von Le Chatelier Henry Louis Le Chatelier (1888) "Das Prinzip des kleinsten Zwangs" fasst alle Beobachtungen zusammen: Werden Temperatur, Druck oder Konzentration verändert, verschiebt sich ein chemisches Gleichgewicht so, dass die Änderung abgeschwächt wird. (formuliert nach Klemens Koch, Fachdidaktik Chemie, Universität Bern) oder: Übt man auf ein im Gleichgewicht befindliches System einen Zwang aus, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass die Folgen des Zwanges vermindert werden. (Markus Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, S. 215, 2018) Bemerkung: Das Wort "verschieben" ist gefährlich und muss gut erklärt werden Vorgehen Das Prinzip von Le Chatelier ist eine wichtige und sinnvolle Merkhilfe. Es ist aber kein Gesetz, weil die Verschiebung des Gleichgewichts nicht mit physikalisch-chemischen Argumenten begründet wird. Weil die Schülerinnen den Einfluss einer Konzentrationsänderung auf das Gleichgewicht bereits kennen, kann jetzt gezeigt werden, dass das Prinzip von Le Chatelier plausibel ist, weil es zu demselben Resultat führt. Anschliessend kann der Einfluss von Temperatur- und Druckänderungen auf Gleichgewichte auf der Basis von Le Chatelier diskutiert werden. Wenn die Konzentration ändert Die Häufigkeit der Zusammenstösse erklärt, wie Konzentrationsänderungen chemische Gleichgewichte beeinflussen. Das Prinzip des kleinsten Zwangs kommt zum selben Ergebnis. Es beschreibt den Einfluss folgendermassen: (M. Stieger, Elemente, Grundlagen der Chemie für Schweizer Maturitätsschulen, Klett und Balmer, Zug, S. 212, 2018 bzw. T. Bitter et al (Redaktion), elemente chemie 2, Ernst Klett Verlag, Stuttgart, S. 148 (2010) ISBN: 978-3-12-756830-1) Die Beobachtungen können mit dem Holzapfelkrieg gedeutet werden. 1. Ein Gärtner leert eine Schubkarre voll Äpfel in den Garten des Jungen. Welche Folgen haben diese Äpfel auf den Ausgang des Holzapfelkriegs? 2. Im Garten des Jungen taucht ein Schwein auf, das die Äpfel frisst. Welche Folgen hat ein fressendes Schwein im Garten des Jungen auf den Verlauf des Holzapfelkriegs? Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 10 Wenn der Druck ändert Weshalb entsteht Druck? Klassengespräch: Mit den mittleren beiden Situationen beginnen, den Druck vergleichen und diskutieren, wie der Druck entsteht. Erkenntnisse • Moleküle bewegen sich und prallen auf das Gefäss: Kraft pro Fläche = Druck. • Der Druck steigt mit Temperatur und Teilchenzahl 1. Bsp. C4H10(g) C4H10(l) Es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Was geschieht, wenn der Druck erhöht wird? Experiment: Butan Eine Gasverflüssigungspumpe ist bei phywe.de als Artikel 08173-00 zum Preis von ungefähr Fr. 400 erhältlich. Bezug bei http://www.pro-lehrsysteme.ch. Campinggas enthält Propan und Butan und eignet sich für diesen Versuch nicht. Demonstration: https://www.youtube.com/watch?v=HN9eh2xKsf0 Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 11 2. Bsp. Wie wirkt sich eine Druckerhöhung auf folgendes Gleichgewicht aus? C(s) + CO2(g) 2 CO(g) Ausgangspunkt ist ein eingestelltes Gleichgewicht. Dann wird der Druck erhöht. Die Gase bleiben gasförmig und es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein. Wie ändern sich die Stoffmengen? 3. Bsp. Kohlenmonoxid und Wasserstoff reagieren zu Methanol CH3OH. Bei 300 °C stellt sich ein Gleichgewicht ein. Alle Substanzen sind und bleiben gasförmig. Wie wirkt sich eine Druckerhöhung auf das Gleichgewicht aus? 4. Bsp. Wie wirkt sich eine Druckerhöhung auf das Gleichgewicht aus? AgCl (s) Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl ist schwer löslich. Erkenntnisse: • Wenn der Druck erhöht wird, verschiebt sich ein Gleichgewicht so, dass die Erhöhung abgeschwächt wird: Im neuen Gleichgewicht gibt es weniger Moleküle im gasförmigen Zustand. • Der Druck beeinflusst ein Gleichgewicht nur, wenn Gase vorkommen. Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 12 Experiment: Druckänderung bei N2O4 2 NO2 Der Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht ist schwierig zu beobachten: https://www.youtube.com/watch?v=hpS-cXoXPeM & https://www.youtube.com/watch?v=9yQMXZL13og Wenn der Druck erhöht wird, nimmt die NO2-Konzentration zu: Die braune Farbe wird viel intensiver. Dass es anschliessend wieder heller wird, ist fast nicht zu sehen. Aber darauf käme es an, denn erst jetzt spielt das Prinzip von Le Chatelier und das Gleichgewicht müsste nach links zum farblosen N2O4 verschoben werden. Wenn man es genau nimmt, werden zwei Parameter gleichzeitig verändert, weil die Temperatur steigt, wenn die Mischung komprimiert wird. Die Erwärmung erzeugt mehr NO2, der höhere Druck mehr N2O4. Die gegenläufigen Einflüsse führen zu einem schwachen Effekt. Wenn die Temperatur ändert Experiment: N2O4 2 NO2 N2O4 ist farblos, Stickstoffdioxid ist braun. Die Anleitung finden Sie in der Versuchssammlung der Kantonsschule Freudenberg unter http://fdchemie.pbworks.com/w/page/47971610/Experimentierkurs Demonstration: https://www.youtube.com/watch?v=Uv-2MnCRotI zeigt einen deutlichen Effekt. Die Druckerhöhung beim Erwärmen würde ich vernachlässigen. Eine Tabelle mit den Bindungsenergien steht am Ende des Dossiers Animation dieser Reaktion: https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics Auswertung Weil eine Bindung gebrochen wird ist klar, dass die Bildung von NO2 endotherm ist. Wenn Sie das grundsätzliche Vorgehen in einem Input zeigen wollen, lohnt es sich – wie links gezeigt – alle Bindungen aufzuführen und die vollständige Rechnung vorzunehmen. Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 13 Ammoniak aus den Elementen herstellen Ammoniak ist wichtig Aus Ammoniak werden beispielsweise Dünger, Sprengstoffe und Kunststoffe gewonnen: Wie kann möglichst schnell viel Ammoniak hergestellt werden? Es lohnt sich, diese Frage als Aufgabe und Zusammenfassung des ganzen Kapitels zu stellen. Auftrag: Erklären Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, welche Temperatur und welcher Druck optimal für die Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff sind? Die Reaktionswärme kann mit Hilfe der Bindungsenergien bestimmt werden. Eine Tabelle mit den Bindungsenergien finden Sie auf der nächsten Seite. Mit der Animation von https://sites.google.com/site/ctinteractives/thermodynamics kann der Ein- fluss von Temperatur und Druck auf das Gleichgewicht demonstriert oder untersucht werden. Katalyse der Ammoniaksynthese & Dünger: Erklärfilm https://www.youtube.com/watch?v=1LFXYQej8_c Geschichte Fritz Haber (1868 - 1934). Hervorragender Film: Im Frieden für die Menschheit, im Krieg fürs Vaterland (FWU, Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht, Grünwald, 1998). Der Film zeigt, dass eine Reaktionsgleichung den Krieg und die Landwirtschaft beeinflusst hat. Amadeus Bärtsch 11. März 2022
Fachdidaktik Chemie ETH Chemisches Gleichgewicht S. 14 Bindungsenergien (Durchschnittliche Werte in kJ/mol bei 25 °C) Br Br 193 Cl Cl 242 N C 305 Br C 285 Cl H 431 N C 891 Br H 366 N H 391 F C 489 N N 163 C Br 285 F F 159 N N 418 C C 348 F H 567 N N 945 C C 614 N O 201 C C 839 H Br 366 N O 607 C Cl 339 H C 413 C F 489 H Cl 431 O C 358 C H 413 H F 567 O C in CO2 803 C N 305 H H 436 O C 707 C N 891 H I 298 O H 463 C O 358 H N 391 O N 201 C O in CO2 803 H O 463 O N 607 C O 707 O O 146 I H 298 O O 498 Cl C 339 I I 151 Amadeus Bärtsch 11. März 2022
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