Aufgabe 1 – Industriell bedeutsame Gleichgewichtsreaktionen

Verfahren in der chemischen Industrie von technischer, historischer oder gesellschaftlicher Bedeutung sind meist unter Namen ihrer Erfinder oder Entwickler bekannt. Durch die Namensnennung wird die Leistung der Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen gewürdigt. Oft spielen dabei das Wissen über Gleichgewichtsreaktionen und deren Beeinflussung eine bedeutsame Rolle.

Nenne zwei Merkmale einer Reaktion im Gleichgewichtszustand.

Erläutere an einer in M 1 aufgeführten Gleichgewichtsreaktion die Prozesse auf Teilchenebene bei der Störung des Gleichgewichtszustands durch Konzentrationsverringerung der Produkte unter Einbeziehung einer Reaktionsgleichung.

Beschreibe ein Modellexperiment zur Veranschaulichung der Einstellung des Gleichgewichtszustands und skizziere ein Diagramm zum Verlauf des Modellexperiments.

10 BE

Formuliere die Reaktionsgleichung zum BMA-Verfahren sowie den Ansatz zur Berechnung der Gleichgewichtskonstanten K_p (M 2, M 3).

Erkläre mithilfe der Abbildung 2, dass es sich um eine endotherme Reaktion handelt (M 4).

Ordne die beiden in M 3 genannten pK_p-Werte den beiden markierten Punkten in Abbildung 2 zu und begründe die Zuordnung (M 3, M 4).

9 BE

Beurteile die Korrektheit der Abbildung 2 zur Cyanwasserstoffausbeute im chemischen Gleichgewicht nach dem BMA-Verfahren (M 2, M 4).

3 BE

Berechne die Änderung der Enthalpie für die Herstellung von Cyanwasserstoff nach dem Andrussow-Verfahren (M 2, M 5).

Vergleiche das Andrussow-Verfahren mit dem BMA-Prozess anhand von zwei Kriterien (M 2, M 5).

8 BE

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

M 1: Bedeutende Gleichgewichtsreaktionen

Abbildung 1: bedeutende Gleichgewichtsreaktionen

M 2: Verfahren zur Blausäure-Synthese

Cyanwasserstoff $Formula: (\ce{HCN}),$ $Formula: (\ce{HCN}),$ in wässriger Lösung auch Blausäure genannt, wird zur Schädlingsbekämpfung und als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie eingesetzt. Für die Synthese von Cyanwasserstoff gibt es zwei Verfahren:

Andrussow-Verfahren:

Dr. Leonid Andrussow entwickelte 1930 ein Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff, indem gleichvolumige Ströme von Ammoniak und Methan zur Reaktion gebracht werden. An einem Platinkatalysator läuft unter Sauerstoffzufuhr eine stark exotherme Reaktion nach der folgenden Gleichung ab:

$Formula: \ce{2CH4 +2NH3 +3O2 ->2HCN +6H2O}.$ $Formula: \ce{2CH4 +2NH3 +3O2 ->2HCN +6H2O}.$
BMA-Verfahren (Blausäure aus Methan und Ammoniak):

Die Ausgangsstoffe Methan und Ammoniak werden ohne Sauerstoffzufuhr am Katalysator unter Energieaufnahme direkt zu Cyanwasserstoff und Wasserstoff umgesetzt (Ammonoxidation von Methan). Da es sich bei dem Zerfall von Ammoniak aus dem Reaktionsgemisch in die Elemente Stickstoff und Wasserstoff ebenfalls um eine endotherme Gleichgewichtsreaktion handelt, ist hier der Stoffumsatz limitiert.

M 3: Gleichgewichtskonstante für Gasreaktionen

Für Reaktionen unter Beteiligung von Gasen (z. B. Methan, Ammoniak, Cyanwasserstoff, Wasserstoff) wird das Massenwirkungsgesetz statt mit den Konzentrationen der Stoffe (c(A), c(B), ...) mit den jeweiligen Partialdrücken (p(A), p(B), ...) formuliert. Der Partialdruck eines Gases hängt im Wesentlichen vom Anteil des Gases im Gasgemisch ab. Er kann in der Einheit bar angegeben werden und ist proportional zur Konzentration des jeweiligen Stoffes. Als Bezeichnung für die Gleichgewichtskonstante wird dann K_p statt K_c gewählt.

In Tabellenwerken sind häufig anstelle dieser Gleichgewichtskonstanten Werte mit der Bezeichnung pK_p zu finden, was wiederum in Analogie zum mathematischen Zusammenhang zwischen Säurekonstante (K_S) und Säureexponent (pK_S) zu verstehen ist.

Für das BMA-Verfahren werden für verschiedene Temperaturen z. B. die Werte Formula: pK_p = -4,2 und Formula: pK_p = -0,63 angegeben.

M 4: Cyanwasserstoffausbeute beim BMA-Verfahren

Graf: HCN-Ausbeute (%) steigt mit Temperatur von ~0% bis 100% bei 1600 K; Markierungen bei ~1100 K und ~1500 K.

Abbildung 2: Cyanwasserstoffausbeute im chemischen Gleichgewicht

M 5: Thermodynamische Daten

Stoff (gasförmig)	Ammoniak	Cyanwasserstoff	Methan	Wasser
$Formula: \Delta_{\text{f}}H^{\circ}$ $Formula: \Delta_{\text{f}}H^{\circ}$	$Formula: -45,94 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: -45,94 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$	$Formula: 150,6 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: 150,6 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$	$Formula: -74,6 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: -74,6 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$	$Formula: -241,826 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ $Formula: -241,826 \text{ }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

Nennen von zwei Merkmalen einer Reaktion im Gleichgewichtszustand, z. B.:

konstantes Stoffmengen- bzw. Konzentrationsverhältnis
dynamisches Gleichgewicht, Hin- und Rückreaktion laufen parallel ab
$Formula: v_{\text{Hin}} = -v_{\text{Rück}}$ $Formula: v_{\text{Hin}} = -v_{\text{Rück}}$
unvollständiger Stoffumsatz

Erläutern der Prozesse auf Teilchenebene

Angeben einer Reaktionsgleichung, z. B. $Formula: \ce{N2 + 3 H2 <=> 2 NH3}$ $Formula: \ce{N2 + 3 H2 <=> 2 NH3}$
bei Störung des Gleichgewichtszustands durch Entzug der Ammoniak-Moleküle (Verringerung der Konzentration) werden diese nachgebildet
Wasserstoff- und Stickstoff-Moleküle reagieren vermehrt miteinander, bis das ursprüngliche Konzentrationsverhältnis wieder hergestellt ist

Beschreiben eines Modellexperiments und Skizzieren eines Diagramms (je nach unterrichtlicher Grundlage

Aussage zu den Anfangsbedingungen
Aussage zur kontinuierlichen Durchführung des Experiments
Aussage zum Erkennen des Endzustands
Diagrammskizze passend zum Modellexperiment mit Achsenbeschriftung
Beschriftung der Graphen

Formulieren der Reaktionsgleichung:

$Formula: \ce{CH4 + NH3 -> HCN + 3 H2}$ $Formula: \ce{CH4 + NH3 -> HCN + 3 H2}$

Formulieren des Ansatzes für $Formula: K_{\text{p}}$ $Formula: K_{\text{p}}$ :

$Formula: K_{\text{p}} = \frac{p(\ce{HCN}) \cdot p(\ce{H2})^3}{p(\ce{CH4}) \cdot p(\ce{NH3})}$ $Formula: K_{\text{p}} = \frac{p(\ce{HCN}) \cdot p(\ce{H2})^3}{p(\ce{CH4}) \cdot p(\ce{NH3})}$

Erklären des Energieumsatzes für die endotherme Reaktion:

die $Formula: \ce{HCN}$ $Formula: \ce{HCN}$ -Ausbeute steigt mit zunehmender Temperatur
nach dem Prinzip von Le Chatelier laufen endotherme Reaktionen bei Temperaturerhöhung verstärkt ab

Zuordnung der Werte für $Formula: K_{\text{p}}$ $Formula: K_{\text{p}}$ :

$Formula: T = 1100\text{ K}$ $Formula: T = 1100\text{ K}$ und $Formula: \text{p}K_{\text{p}} = -0{,}63$ $Formula: \text{p}K_{\text{p}} = -0{,}63$ ,

$Formula: T = 1500\text{ K}$ $Formula: T = 1500\text{ K}$ und $Formula: \text{p}K_{\text{p}} = -4{,}2$ $Formula: \text{p}K_{\text{p}} = -4{,}2$

Begründen der Zuordnung

Je kleiner der $Formula: \text{p}K_{\text{p}}$ $Formula: \text{p}K_{\text{p}}$ -Wert, desto größer ist $Formula: K_{\text{p}}$ $Formula: K_{\text{p}}$ .
Der Wert von $Formula: K_{\text{p}}$ $Formula: K_{\text{p}}$ für eine endotherme Reaktion nimmt mit steigender Temperatur zu, da
sich der Anteil der Edukte im Reaktionsgemisch und damit der Wert des Nenners im Massenwirkungsgesetz verringert.

Beurteilen der Korrektheit der Abbildung 2, z. B.

kein vollständiger Stoffumsatz möglich, da Gleichgewichtsreaktion
$Formula: \ce{HCN}$ $Formula: \ce{HCN}$ $Formula: \ce{HCN}$ -Ausbeute von 100% wird nicht erreicht
Sachurteil: Das Diagramm ist nicht korrekt abgebildet.

Berechnen der Änderung der Enthalpie:

$Formula: \Delta H = 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{HCN}) + 6\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{H2O})$ $Formula: \Delta H = 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{HCN}) + 6\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{H2O})$

$Formula: - \left[ 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{CH4}) + 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{NH3}) + 3\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{O2}) \right]$ $Formula: - \left[ 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{CH4}) + 2\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{NH3}) + 3\text{ mol} \cdot \Delta_{\text{f}}H(\ce{O2}) \right]$
$Formula: \Delta H = -908{,}676\text{ kJ}$ $Formula: \Delta H = -908{,}676\text{ kJ}$

Vergleich der Verfahren, z.B.

Kriterium	Andrussow-Verfahren	BMA-Verfahren
Reaktionsbedingung	Katalysatoreinsatz	Katalysatoreinsatz
energetischer Verlauf	exotherm	endotherm

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?