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Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Ecole polytechnique fédérale de Zurich Politecnico federale di Zurigo Swiss Federal Institute of Technology Zurich Institut für Verhaltenswissenschaft
Lernaufgabe zum Thema
Herleitung des Massenwirkungsgesetzes für das chemische
Gleichgewicht zwischen Iod, Wasserstoff und Iodwasserstoff
Autoren Felix Ziegler, Dr. Georg Graf
Fassung vom April 1999 ohne Schulerprobung
Unterrichtsfach Chemie Schultyp Gymnasium, alle Typen Zielgruppe SchülerInnen im zweiten Jahr Chemieunterricht
Dauer der Lernaufgabe 1 Unterrichtslektion à 45 Minuten 15 Minuten Hinführung 20 Minuten Bearbeitung 10 Minuten Auswertung
Bisherige Lerntätigkeiten und Leistungen der SchülerInnen
Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeiten (1 Lektion)
Die Schüler und Schülerinnen werden mit dem Konzept der Reaktionsgeschwindigkeit (RG) bekannt gemacht. Anschliessend wird die Synthese von Iodwasserstoff aus den Elementarstoffen besprochen. Die Schüler und Schülerinnen lernen, dass im Falle dieser Reaktion ein einfacher Zusammenhang besteht zwischen der RG und den Konzentrationen der beteiligten Stoffe:
RG 1 = k 1.^ [ H 2 ].^ [ I 2 ]
Nun wird die Zersetzung von Iodwasserstoff in die Elementarstoffe besprochen. Die Schüler und Schülerinnen lernen, dass die RG diesmal durch folgende Gleichung beschrieben werden kann:
RG 2 = k 2.^ [ HI ].^ [ HI ]
Chemische Gleichgewichte (2 Lektionen)
In einigen kurzen Experimenten wird den Schülerinnen der Unterschied zwischen irreversiblen und reversiblen Reaktionen vorgeführt. Im Gespräch werden die Unter- schiede dieser beiden Reaktionstypen herausgearbeitet. Es wird klar, dass bei um- kehrbaren Reaktionen die Hin- und die Rückreaktion gleichzeitig ablaufen. Bei irre- versiblen Reaktion läuft dagegen nur die Hinreaktion ab.
Anhand eines Modellexperiments lernen die Schülerinnen die Prinzipien einer che- mischen Gleichgewichtsreaktion kennen. Das Experiment besteht aus zwei Glaszy- lindern und zwei offenen Glasrohren mit verschiedenem Durchmesser (nach Höfling 1984, 227, siehe Abbildung).
Hinführung zur Lernaufgabe
Informierender Unterrichtseinstieg
Gleichgewichte spielen in der Chemie, aber auch in der Natur eine wichtige Rolle. Deshalb ist es auch entscheidend, dass ein solches Gleichgewicht mathematisch beschrieben werden kann. In der heutigen Stunde wagen wir uns an diese mathe- matische Formulierung. Und ihr werdet sehen, dass dies mit einer einfachen Gleichung möglich ist. Auf der einen Seite dieser Gleichung steht die sogannte Gleich- gewichtskonstante. Das Ziel dieser Stunde ist es, dass ihr den Ausdruck für diese Gleichgewichtskonstante für eine bestimmte Gleichgewichtsreaktion selbständig auf- stellen könnt. Damit ihr das schafft, gehen wir folgendermassen vor:
- Gleich anschliessend werden wir zusammen die Prinzipien eines chemischen Gleichgewichts nochmals zusammentragen.
- Dann werde ich euch eine Lernaufgabe verteilen. Mit eurem Wissen könnt ihr die Formel für die Gleichgewichtskonstante der Reaktion H 2 + I 2 D 2 HI selber herleiten. Bei dieser Lernaufgabe werdet ihr zu zweit arbeiten.
- Zum Schluss der Stunde werden wir gemeinsam eure Resultate anschauen. Ich werde euch noch auf einige wichtige Punkte zu diesem Gesetz hinweisen.
Ablauf der Unterrichtsstunde
- Gemeinsam mit den Studierenden werden nochmals die wichtigsten Eigenschaften eines chemischen Gleichgewichts zusammengetragen und an der Wandtafel notiert. Das Modellexperiment aus den vorangehenden Stunden dient dabei als Gedankenstütze.
⇒ Die Geschwindigkeit der Hinreaktion ist gleich der Geschwindigkeit der Rück- reaktion. Die Konzentrationen der beteiligten Stoffe bleiben konstant.
⇒ Das Verhältnis der Konzentrationen ist für eine bestimmte Reaktion konstant. Es ist bei einer bestimmten Temperatur unabhängig von den Anfangsbedingungen. ⇒ Das Gleichgewicht kann sich nur in einem geschlossenen System ausbilden.
- Verteilen und selbständiges Lösen der Lernaufgabe
- Gemeinsames Auswerten der Lernaufgabe: An der Wandtafel wird die Lösung der Lernaufgabe mit den Schülerinnen Schritt für Schritt behandelt.
- Abschliessende Bemerkungen: Im Anschluss an die Besprechung werden noch einige wichtige Punkte zum gefundenen Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante an die Wandtafel geschrieben:
⇒ Der gefundene Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante wird Massenwir- kungsgesetz (MWG) genannt. ⇒ Die Konzentrationen der Endprodukte der Reaktion kommen im MWG als Produkt in den Zähler, die Konzentrationen der Edukte als Produkt in den Nenner. Die stöchiometrischen Koeffizienten in der Reaktionsgleichung werden dabei zu Exponenten der entsprechenden Konzentrationen. ⇒ Die Gleichgewichtskonstante hängt vom Druck und von der Temperatur ab.
Lernaufgabe
In den letzten Lektionen habt ihr die umkehrbare Reaktion H 2 + I 2 D 2 HI kennengelernt. Bei dieser Reaktion laufen sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion gleichzeitig ab. Nach einer bestimmten Zeit stellt sich ein Gleichgewicht ein: Dann ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion. Die Konzentrationen der beteiligten Stoffe verändern sich nicht mehr. Ein solches Gleichgewicht lässt sich durch eine einfache Gleichung beschreiben. Auf der einen Seite dieser Gleichung steht nur eine Konstante, auf der andern Seite stehen nur Konzentrationen. Eure Aufgabe ist es nun, diese Gleichung herzuleiten.
Lösung
Bewertung: Maximal 6 Punkte
- Geschwindigkeit der Hinreaktion = k 1 · [ I 2 ] · [ H 2 ] 1 Pkt.
- Geschwindigkeit der Rückreaktion = k 2 · [ HI ] · [ HI ] oder = k 2 · [ HI ]^2 1 Pkt.
- Wenn sich ein Gleichgewicht eingestellt hat, ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich gross wie die Geschwindigkeit der Rückreaktion
k 1 · [ I 2 ] · [ H 2 ] = k 2 · [ HI ] · [ HI ] 2 Pkt.
- Umformen ergibt k 1 [ HI ].^ [ HI ] = k 2 [ I 2 ].^ [ H 2 ]
oder k 1 [ HI ]^2 = 1 Pkt. k 2 [ I 2 ].^ [ H 2 ]
- Die Gleichgewichtskonstante lautet:
k 1 [ HI ]^2 K = = 1 Pkt. k 2 [ I 2 ].^ [ H 2 ]
Anhang 1: Materialliste
Eventuell zur Illustration die Utensilien zum Versuch mit den Wasserzylindern aus den vorgegangenen Lektionen nochmals aufstellen:
- 2 identische Messzylinder 250 ml aus Glas
- 2 Glasrohre, auf beiden Seiten offen, ca. 5 cm länger als die Messzylinder, beide Glasrohre mit verschiedenen Durchmessern, z.B. eines mit 10 mm, das an- dere mit 7 mm Durchmesser
- Farbstoff zum Färben von ca. 500 ml Wasser
Anhang 2: Benutzte Quellen
- Brown T.L, LeMay H.E. Chemie - Ein Lehrbuch für alle Naturwissenschaftler Weinheim 1988 (VCH)
- Christen H.R. Chemie Frankfurt a.M.; 1984, 12. Auflage (Diesterweg/Salle · Sauerländer)
- Christen H.R. Chemieunterricht - Eine praxisorientierte Didaktik Basel 1990 (Birkhäuser)
- Höfling E. et.al. Unterrichtspraxis Chemie, Sekundarstufe I Chemie und Technik: Salze - Redoxreaktionen - Metalle Aarau 1984 (Diesterweg)
