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Demonstrationen zum chemischen Gleichgewicht
 
Nur für Lehrkräfte geeignet

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Stoffe  Kaliumiodid, Iod, Stärke löslich, Eiswürfel, Blei(II)-nitrat, Calciumchlorid, evt. Trockeneis
Geräte  20x 1-Cent-Münzen oder 5-Rappen-Münzen, Spielfeld mit Holzlatten, mehrere Reagenzläser 18x180mm, zwei starkwandige Reagenzgläser ca. 20x120mm mit Stopfen, zwei Winkelrohre, Y-Rohr und Schlauchverbindungen, Reagenzglashalter, zwei 100ml-Bechergläser, Rührstäbe, Spatel, Pipette, Waage, zwei 600ml-Bechergläser, Heizplatte, Brenner, Thermometer, Stativ mit Halterungen, Overheadprojektor
Sicherheit   Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen! Demonstration 3 nur in einem Abzug durchführen! Stickstoffdioxid nicht einatmen! Blei(II)-nitrat sachgemäß entsorgen!

Schutzbrille anziehen!  Schutzhandschuhe anziehen!  Abzug verwenden
 
 
 
Didaktische Bemerkungen
 
Zunächst wird nochmals auf die Schülerübung "Reaktion von Salzsäure mit Zink" Bezug genommen. Bei diesem Versuch handelte es sich um ein offenes System (Näheres siehe unter dem Begriff "Chemisches Gleichgewicht"). Der Unterschied zwischen einem offenen und einem geschlossenen System wird daran verdeutlicht. Das Prinzip, wie sich ein Gleichgewicht einstellt, wird im Anschluss daran spielerisch aufgezeigt:
 
 
Demonstration 1  "Rollende Münzen"

Durchführung: Ein etwa 2x1m großes Spielfeld wird mit vier Holzlatten umrahmt und in der Mitte durch eine Linie in zwei Felder aufgeteilt. Zwei Spieler erhalten je zehn 1-Cent-Münzen oder 5-Rappen-Stücke. Sie versuchen, die Münzen in das gegnerische Spielfeld zu rollen. Werfen oder schieben ist nicht erlaubt. Wer nach einer bestimmten Zeitspanne weniger Münzen in seinem Feld hat, gewinnt das Spiel.
 
Beobachtungen: Sind die Spieler gleich geschickt, bleibt die Zahl der Münzen in den beiden Feldern etwa gleich. Ist ein Spieler wesentlich geschickter, dann nimmt die Zahl der Münzen auf seinem Feld relativ schnell ab. Allerdings besitzt er dann auch weniger "Nachschub", was zu einer selbstregulierenden Korrektur führt.
  
 
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Theorie: Das beschriebene Spiel entspricht dem Modellbeispiel "Apfelkrieg": Ein Großvater spielt gegen seinen Enkel im Garten. Jeder Spielteilnehmer erhält zu Beginn 9 Äpfel. Ziel des Spiels ist es, in das gegnerische Feld möglichst viele Äpfel zu werfen. Nach einiger Zeit lässt sich feststellen, dass sich ein konstantes, dynamisches Gleichgewicht einstellt. Im Feld des Großvaters befinden sich mehr Äpfel als im Feld des Enkels.

Variationen: Es eignen sich auch Spiele in der Turnhalle, zum Beispiel mit Tennisbällen oder mit Fußbällen und einem Netz zur Spielfeldtrennung. Es kann dann ausprobiert werden, was mit dem Gleichgewicht passiert, wenn ein Fußballer gegen einen Laienfußballer oder ein Tennisspieler gegen einen Nicht-Tennisspieler antritt.

 
 
Demonstration 2   Polyiodidstärke-Polyiodid-Gleichgewicht
 
Vorbereitende Arbeiten: Durch das Auflösen von 0,5g löslicher Stärke in 100ml Wasser stellt man eine 0,5%ige Stärke-Lösung her. Danach werden 0,2g Kaliumiodid in 10ml Wasser gelöst und mit 0,1g Iod versetzt. Nun füllt man auf 100ml auf und erhält eine 0,3%ige Iod-Kaliumiodid-Lösung. In einem 600ml-Becherglas werden 500ml Wasser auf 60°C erhitzt. Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen!
 
Durchführung:
1.) Zwei Reagenzgläser werden zu einem Drittel mit der verdünnten Stärke-Lösung gefüllt und mit jeweils gleich vielen Tropfen Iod-Kaliumiodid-Lösung versetzt, so dass eine Blaufärbung auftritt. Die Blaufärbung bleibt nach dem Schütteln bestehen.
2.) Ein Reagenzglas wird in das 60° warme Wasserbad gestellt. Danach vergleicht man die Färbung der warmen Lösung mit der Färbung der kalten Lösung.
3.) Beim Abkühlen der warmen Lösung findet ebenfalls ein Farbeffekt statt, der genau beobachtet wird. Das Abkühlen kann durch das Halten des Reagenzglases unter einen Strahl kaltes Wasser beschleunigt werden.
 
 
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Beobachtungen: Beim Erwärmen verschwindet die Blaufärbung, die Lösung wird farblos. Beim Abkühlen kehrt die blaue Färbung allmählich wieder zurück.

Theorie: Beim Mischen von Iod und Kaliumiodid entsteht ein Iodid-Polymer (Polyiodid), das aus einer langen Kette miteinander verbundener Iodid-Ionen besteht. Das Polyiodid ist farblos. Es reagiert mit den Hydroxy-Gruppen in den Ketten-Molekülen der Stärke zu einem Polyiodidstärke-Komplex. Die Elektronen im Iodid-Polymer sind delokalisiert. Sie werden beim Interagieren mit den Stärke-Molekülen durch sichtbares Licht angeregt und absorbieren einen Teil des Lichts. Der Polyiodidstärke-Komplex erscheint dadurch blau oder blauviolett.

Die Reaktion mit der Stärke verläuft exotherm unter Wärmeabgabe. Anhand der Färbungen kann die Lage des Gleichgewichts beurteilt werden. Nach dem Prinzip von Le Chatelier weicht das chemische Gleichgewicht bei einer Erwärmung dem ausgeübten Zwang aus. Eine Erwärmung begünstigt also die endotherme Teilreaktion, und das Gleichgesicht verschiebt sich in Richtung der Ausgangsstoffe Polyiodid und Stärke. Beim Abkühlen nimmt die exotherme Teilreaktion wieder zu und die Bildung des Polyiodidstärke-Komplexes wird wieder begünstigt:

Polyiodidstärke-Komplex (blau)
im Gleichgewicht zu    Polyiodid  +  Stärke
 
 
Demonstration 3  Stickstoffdioxid-Distickstofftetroxid-Gleichgewicht
 
Vorbereitende Arbeiten: Der vorbereitende Versuch darf nur in einem gut ziehenden Abzug durchgeführt werden! Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen! Stickstoffdioxid ist toxisch, er darf auf gar keinen Fall eingeatmet werden! Die Steckbriefe zum Stickstoffdioxid und zum Blei(II)-nitrat müssen gelesen werden. Die Demonstration ist aufgrund der Toxizität der Stoffe nur bedingt für Schulen geeignet. Es wird der Einsatz eines Films empfohlen.
 
Ein Reagenzglas 20x180mm wird quer in ein Stativ gespannt und mit 4g Blei(II)-nitrat gefüllt. Danach erhitzt man das Blei(II)-nitrat mit der nicht leuchtenden Brennerflamme kräftig, bis es sich zersetzt und rotbraunes Stickstoffdioxid entsteht. Man füllt zwei starkwandige Reagenzgläser 20x120mm mit dem Gas, so dass beide Reagenzgläser mit der gleichen Färbung erscheinen. Danach verschließt man die Reagenzgläser so fest wie möglich mit einem Stopfen.
 
Durchführung:
1.) Zur Herstellung einer Kältemischung füllt man ein hohes 150ml-Becherglas mit 150ml zerstoßenem Eis und fügt 50g Calciumchlorid hinzu. Nach dem Umrühren misst man mit einem Thermometer die entstehende Temperatur. Als Alternative kann auch Trockeneis verwendet werden. Schutzhandschuhe verwenden!
2.) Ein zweites Becherglas wird mit 30°C warmem Wasser gefüllt. Achtung: Bei höheren Temperaturen treibt es den Stopfen aus dem Reagenzglas, daher fest verschließen und nicht höher erwärmen!
3.) Die beiden Reagenzgläser mit dem Stickstoffdioxid werden demonstrativ gezeigt und die Färbungen verglichen. Dann stellt man das eine Reagenzglas in die Kältemischung, das andere in das warme Wasser. Nach einer Weile vergleicht man erneut die Färbungen und beobachtet wie sich die Färbungen mit der Zeit wieder angleichen. Die Reagenzgläser können auch auf einen Overheadprojektor gelegt werden.

Die Abbildung zeigt eine Apparatur, in der das Erhitzen des Blei(II)-nitrats und die Farbreaktionen der entstehenden Stickstoffoxide in Eiswasser, in Wasser bei 20°C und in warmem Wasser dargestellt werden:
   
 
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Diese Demonstration ist für Schulen nicht geeignet.
Film erhältlich auf >DVD
 

Beobachtungen: Beim Abkühlen wird die gelbe Farbe heller, beim Erwärmen nimmt die Färbung wieder zu.
 
Theorie: Beim Erhitzen des Blei(II)-nitrats entsteht rotbraunes Stickstoffdioxid:
 
2 Pb(NO3)2   2 PbO  +  4 NO2  +  O2
 
Unter 0°C wandeln sich die meisten Stickstoffdioxid-Moleküle in Distickstofftetroxid-Moleküle um:
 
2 NO2   N2O       ΔHR = -57 kJ/mol
 
Nach dem Prinzip von Le Chatelier begünstigt eine Temperaturerniedrigung die exotherme Teilreaktion. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht beim Abkühlen in Richtung des farblosen Distickstofftetroxids (in der Gleichung nach rechts). Eine Erwärmung begünstigt die endotherme Teilreaktion, es entsteht wieder mehr Stickstoffdioxid. Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links. Bei 27°C sind etwa 20% des Distickstofftetroxid zu Stickstoffdioxid zerfallen. Unter 0°C kommen nur noch Spuren vor. Bei 150° liegt das Gleichgewicht fast ganz auf der Seite des Stickstoffdioxids. Darüber zerfällt Stickstoffdioxid in Stickstoffmonoxid und Sauerstoff:
 
2 NO2   2 NO  +  O2      ΔHR = +114 kJ/mol
 
 
Ausblick
 
Im Anschluss folgen Beispiel aus der Technik, wo chemische Gleichgewichte von Bedeutung sind, z.B. bei der Ammoniaksysnthese oder bei der Schwefelsäureherstellung. Die Schüler erkennen, dass das Gleichgewicht von äußeren Bedingungen abhängt. Der Begriff "Gleichgewicht" spielt in der Natur bei den ökologischen Gleichgewichten eine bedeutende Rolle. Ökosysteme sind komplexer als chemische Systeme.
 
Werden chemische Gleichgewichte mit ökologischen Gleichgewichten verglichen, erkennt man viele Gemeinsamkeiten. Beide Systeme erreichen bei bestimmten äußeren Bedingungen einen stabilen Zustand, beide versuchen bei Änderungen diese Stabilität wieder herzustellen und beide regulieren sich von selbst.
 
 
  Ökologisches Gleichgewicht Chemisches Gleichgewicht
Kennzeichen Ein natürliches System bleibt im Gleichgewicht, indem seine Komponenten gerade soviel produzieren, um sich selbst zu erhalten, Beispiel: Mäusebussard und Mäuse Ausgangs- und Endstoffe bei einer chemischen Reaktion kommen gleichzeitig in einem bestimmten Verhältnis vor, das von äußeren Bedingungen abhängt (Druck, Temperatur).
Einstellen des Gleichgewichts Es tritt Selbstregulation auf: Mehr Bussarde fressen mehr Mäuse, weniger Mäuse verursachen weniger Bussarde.  Das Gleichgewicht stellt sich in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen von selbst ein: Hin- und Rückreaktionen regulieren sich gegenseitig.
 
 
Dieses Thema führt dann zu den ökologischen Aspekten der Chemie hin. Stoffkreisläufe werden diskutiert und Themen wie Nachwachsende Rohstoffe oder Nachhaltigkeit kommen zur Sprache (zur Rolle des Sauerstoffs in nachfolgender Grafik siehe unter dem Begriff Gewässerverschmutzung).
 
 
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Ökologischer Kreislauf in einem Gewässer
 
 
Literatur
  • Helmut Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 5, Verlag Harri Deutsch, 1978
  • Buck/Rehm/Seilnacht: Der Sprung zu den Atomen, Seilnacht 2004
 
Copyright: T. Seilnacht