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chemie:equilibrium:equilibrium [2025/10/27 08:01] – [Das Stickstoffdioxid/Distickstofftetraoxidgleichgewicht] technikchemie:equilibrium:equilibrium [2026/02/09 10:37] (aktuell) – [Übertragung auf einen einfachen chemischen Prozess] technik
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 ===== Das chemische Gleichgewicht ===== ===== Das chemische Gleichgewicht =====
  
 +==== Statisches vs. chemisches Gleichgewicht ====
 +
 +Du kennst das Wort "Gleichgewicht" aus dem Alltag eher als **statischen Zustand**. Wenn man z.B. sich so auf einer Wippe positioniert, dass diese sich nicht mehr bewegt, befindet sich die Wippe im Gleichgewicht. Wenn du ruhig auf einem Balken stehst, befindest du dich im Gleichgewicht. 
 +
 +Bei chemischen Reaktionen gibt es ebenfalls Gleichgewichtszustände, die sich aber erheblich von dem Alltagserleben eines Gleichgewichtes unterscheiden. Man kann einfache Spiele durchführen, um die Natur eines chemischen Gleichgewichts zu modellieren.
 +
 +==== Modellversuch zum dynamischen Gleichgewicht ====
 +Eine Schulklasse wird in zwei Gruppen eingeteilt, z.B. Mädchen und Jungen. Alle müssen zur betreffenden Unterrichtsstunde einen Tennisball mitbringen. Danach benötigt man ein einfaches Spielfeld, wie es auf jedem Tartanplatz vorhanden ist, es reicht auch ein breiter Flur mit drei Linien:
 +
 +{{ :chemie:equilibrium:dynamisches_gleichgewicht_spiel.png?direct |}}
 +
 +Beide Gruppen dürfen gerne unterschiedlich groß oder „gut“ sein. Die Mädchen begeben sich in den einen Teil des Feldes, die Jungen in den anderen. Ziel ist es nun, die eigenen Tennisbälle in das Feld des Gegners zu **rollen**. Ankommende Bälle dürfen natürlich sofort wieder zurückgerollt werden. Das Werfen von Bällen ist verboten. Alle 15 Sekunden wird das Spiel unterbrochen und die Anzahl der Bälle für jedes Feld einzeln bestimmt. Dabei konnten z.B. folgende Werte ermittelt werden (16 Mädchen, neun Jungen):
 +
 +^  Zeit [s]  ^  n(Bälle im Feld der Mädchen)  ^  n(Bälle im Feld der Jungen  ^
 +|  15  |  10  |  15  |
 +|  30  |  11  |  14  |
 +|  45  |  8  |  17  |
 +|  60  |  10  |  15  |
 +|  75  |  7  |  18  |
 +|  90  |  12  |  13  |
 +|  105  |  11  |  14  |
 +|  120  |  9  |  16  |
 +|  135  |  13  |  12  |
 +|  150  |  8  |  17  |
 +|  165  |  5  |  20  |
 +|  180  |  11  |  14  |
 +|  **Mittelwerte:**  |  **9,58**  |  **15,42**  |
 +
 +Erwartungsgemäß haben die Mädchen aufgrund ihrer Anzahl eine bessere Chance, ihr Feld „sauber“ zu halten. Wenn auch die Momentaufnahme durchaus unterschiedliche Verteilungen zeigen kann, pendelt sich in dem Zeitfenster t=180s eine konstante, gemittelte Verteilung ein - wenn man annimmt, dass sich während des Spiels die Spieltaktik nicht ändert.
 +
 +Das ist umso erstaunlicher, als dass die SuS sich während des Spiel ständig bewegen und einsetzen müssen. Normalerweise denkt man bei einem Gleichgewicht ja eher an Ruhe und Entspannung. Auch die Verteilung der Bälle in beiden Feldern ist nicht gleichmäßig, sondern lediglich das Verteilungsverhältnis bleibt in einem Zeitraum Δt konstant.
 +
 +
 +==== Übertragung auf einen einfachen chemischen Prozess ====
 +Iod $I_{2(g)}$ und Wasserstoff $H_{2(g)}$ reagieren in einem abgeschlossen Gefäß in einer schwach exothermen Reaktion zu Iodwasserstoff $HI_{(g)}$.
 +
 +$$H_{2(g)} + I_{2(g)} \longrightarrow 2HI_{(g)}; \Delta H_R^0 = -10kJ/mol $$
 +
 +Man findet im Gefäß jedoch auch nach langer Zeit noch freies Iod und freien Wasserstoff. 
 +
 +Die naheliegendste Erklärung wäre, dass schlicht nicht alle Iod- und Wasserstoffmoleküle miteinander reagieren, sondern nur ein Teil. Dabei gibt es jedoch Probleme:
 +  - Wie entscheidet sich, welches Molekül reagiert und welches nicht?
 +  - Oder etwas formaler: Statistisch besitzt jedes Molekül irgendwann die notwendige Geschwindigkeit und den notwendigen Winkel für eine Reaktion bei einer bestimmten Temperatur. Wie können den einzelne Moleküle "übrigbleiben"?
 +
 +Eine weitere Erklärung besteht in der Annahme, dass eine Rückreaktion stattfindet:
 +
 +$$ 2HI_{(g)} \longrightarrow H_{2(g)} + I_{2(g)}; \Delta H_R^0 = 10kJ/mol $$
 +
 +Iodwasserstoffteilchen entstehen, können aber auch wieder in die Elemente zerfallen. Beide Reaktionen laufen gleichzeitig ab, wobei die Konzentrationen der einzelnen Stoffe (bzw. in der Gasphase wie hier die Partialdrücke) irgendwann konstant bleiben. Man drückt durch einen Gleichgewichtspfeil $\rightleftharpoons$ aus, dass es bei einer chemischen Reaktionen Hin- und Rückreaktionen gibt:
 +
 +$$H_{2(g)} + I_{2(g)} \rightleftharpoons 2HI_{(g)}; \Delta H_R^0 = -10kJ/mol $$
 +
 +=== Übertragung auf das Modellspiel ===
 +Die Mädchen "werfen" die Edukte (Tennisbälle) ins Feld der Jungen, in dem sie zu den Produkten werden. Aus Sicht der Jungen sind die Produkte die Edukte, die zurück ins Feld der Mädchen geworfen werden, in dem sie wieder zu den Ausgangstoffen reagieren. Die Anzahl der Edukte/Produkte je Feld ändert sich im zeitlichen Mittel nicht, sondern strebt einem konstanten Wert zu. Die Bewegung der Spieler:innen ist eine Analogie zur Temperatur, die letztlich ja auch als ein Maß für Teilchenbewegung betrachtet werden kann. 
 ==== Das Stickstoffdioxid/Distickstofftetraoxidgleichgewicht ==== ==== Das Stickstoffdioxid/Distickstofftetraoxidgleichgewicht ====