Methanol im Reaktor
AFB I–IIMethanol wird technisch aus Synthesegas hergestellt: \(\ce{CO(g) + 2 H2(g) <=> CH3OH(g)}\). In einem Laborreaktor mit konstantem Volumen werden bei 250 °C Kohlenstoffmonoxid (\(c_0 = 1{,}00\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) und Wasserstoff (\(c_0 = 2{,}00\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) über einen Katalysator geleitet und im Kreis geführt. M1 zeigt die gemessenen Konzentrationen.
- Beschreiben Sie die Kurven in M1.
- Entnehmen Sie M1 die Gleichgewichtskonzentrationen und den Zeitpunkt, ab dem das Gleichgewicht praktisch erreicht ist.
- Erläutern Sie am Beispiel dieser Reaktion den Begriff „dynamisches Gleichgewicht“.
- Skizzieren Sie in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf von \(v_{\text{hin}}\) und \(v_{\text{rück}}\) für diesen Versuch.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Konzentrationen von CO und H₂ nehmen von 1,00 bzw. 2,00 mol/L ab, die von Methanol steigt von null an. Alle Änderungen sind anfangs schnell und werden dann immer langsamer; ab etwa 25 min verlaufen alle Kurven waagrecht. Wasserstoff nimmt doppelt so stark ab wie Kohlenstoffmonoxid (Koeffizient 2), Methanol nimmt genauso stark zu wie CO abnimmt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(c(\ce{CO}) \approx 0{,}37\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(c(\ce{H2}) \approx 0{,}75\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), \(c(\ce{CH3OH}) \approx 0{,}63\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\); Gleichgewicht praktisch ab etwa 25 min (Werte zwischen 20 und 30 min akzeptieren).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Nach etwa 25 min ändern sich die Konzentrationen nicht mehr, dennoch laufen beide Reaktionen weiter: CO- und H₂-Moleküle reagieren am Katalysator zu Methanol, gleichzeitig zerfallen Methanol-Moleküle wieder in CO und H₂. Im Gleichgewicht geschieht beides gleich schnell (\(v_{\text{hin}} = v_{\text{rück}}\)); pro Zeit entstehen so viele Methanol-Moleküle, wie zerfallen. Die Konzentrationen sind konstant, aber nicht gleich — dynamisch heißt: Stillstand nur nach außen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
x-Achse Zeit, y-Achse Reaktionsgeschwindigkeit. \(v_{\text{hin}}\) beginnt mit einem Maximalwert und fällt zunächst steil, dann flacher; \(v_{\text{rück}}\) beginnt bei null und steigt, erst schnell, dann langsamer. Beide Kurven nähern sich demselben Wert und verlaufen ab etwa 25 min gemeinsam waagrecht (\(v_{\text{hin}} = v_{\text{rück}} > 0\)).
Iod zwischen Wasser und Heptan
AFB II–IIIIod löst sich wenig in Wasser (gelbbraun), gut dagegen in Heptan (violett). Wasser und Heptan mischen sich nicht; Heptan schwimmt oben. In drei Scheidetrichtern wird bei 20 °C jeweils kräftig geschüttelt, bis sich die Farben nicht mehr ändern. Danach werden die Iodkonzentrationen in beiden Phasen gemessen (M2). Iod liegt in beiden Lösungsmitteln als \(\ce{I2}\)-Moleküle vor.
| Ansatz | Ausgangslage | \(c(\ce{I2})\) in Wasser | \(c(\ce{I2})\) in Heptan |
|---|---|---|---|
| 1 | 100 mL Iodwasser (\(1{,}00\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\)) + 100 mL Heptan | \(0{,}024\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) | \(0{,}98\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) |
| 2 | 100 mL Iod-Heptan-Lösung (\(1{,}00\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\)) + 100 mL Wasser | \(0{,}024\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) | \(0{,}98\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) |
| 3 | 100 mL Iodwasser (\(1{,}00\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\)) + 50 mL Heptan | \(0{,}048\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) | \(1{,}90\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\) |
- Erklären Sie die Vorgänge beim Schütteln in Ansatz 1 auf der Ebene der Teilchen.
- Berechnen Sie für alle Ansätze den Quotienten \(c(\ce{I2}, \text{Heptan}) : c(\ce{I2}, \text{Wasser})\) und prüfen Sie für Ansatz 3, ob die gesamte Iodmenge wiedergefunden wird.
- Vergleichen Sie die Ansätze 1 und 2 und deuten Sie das Ergebnis.
- Ein Mitschüler behauptet: „Wenn sich die Farben nicht mehr ändern, wechselt kein Iodmolekül mehr die Phase.“ Nehmen Sie Stellung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beim Schütteln entsteht eine große Grenzfläche. Iodmoleküle treten vom Wasser ins Heptan über (Hinvorgang), anfangs viele, weil das Heptan noch kein Iod enthält. Mit wachsender Iodkonzentration im Heptan treten auch zunehmend Iodmoleküle ins Wasser zurück (Rückvorgang). Sobald pro Zeit gleich viele Moleküle in beide Richtungen wechseln, ändern sich die Konzentrationen und damit die Farben nicht mehr: Das Heptan ist violett, das Wasser fast farblos.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz 1 und 2: \(0{,}98 : 0{,}024 \approx 41\); Ansatz 3: \(1{,}90 : 0{,}048 \approx 40\) — der Quotient ist in allen Ansätzen gleich (≈ 40).
Bilanz Ansatz 3: \(0{,}048\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\cdot0{,}100\,\mathrm{L} + 1{,}90\,\mathrm{mmol\,L^{-1}}\cdot0{,}050\,\mathrm{L} = 0{,}0048 + 0{,}095 = 0{,}0998\,\mathrm{mmol} \approx 0{,}100\,\mathrm{mmol}\) — die gesamte Iodmenge wird wiedergefunden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ansatz 1 startet mit dem Iod im Wasser, Ansatz 2 mit dem Iod im Heptan; Volumina und Iodmenge sind gleich. Beide enden mit denselben Konzentrationen. Der Endzustand ist also von beiden Seiten aus erreichbar — ein Kennzeichen eines Gleichgewichts. Ansatz 3 zeigt zusätzlich: Bei anderen Volumina ändern sich die Konzentrationen, der Quotient bleibt aber gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Behauptung ist falsch. Konstante Farben bedeuten nur, dass sich die Konzentrationen nicht mehr ändern. Die Iodmoleküle bewegen sich weiterhin und überqueren die Grenzfläche in beide Richtungen — im Gleichgewicht nur gleich häufig. Dafür spricht, dass derselbe Zustand von beiden Seiten erreicht wird: Das ginge nicht, wenn die Moleküle nur in eine Richtung wandern könnten. Direkt nachweisen ließe sich der ständige Austausch, indem man markierte (z. B. radioaktive) Iodmoleküle nur in eine Phase gibt: Sie tauchen nach kurzer Zeit auch in der anderen Phase auf, obwohl sich die Konzentrationen nicht ändern.