Demonstrationen zum chemischen Gleichgewicht

Stoffe  Kaliumiodid, Iod, Stärke löslich, Eiswürfel, Blei(II)-nitrat, Calciumchlorid, evt. Trockeneis

Geräte  20 Cent-Münzen, Spielfeld mit Holzlatten, mehrere Reagenzläser 18x180mm, zwei starkwandige Reagenzgläser ca. 12x200mm 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   Die vorbereitenden Arbeiten für Demonstration 3 nur in einem Abzug durchführen! Stickstoffdioxid nicht einatmen! Blei(II)-nitrat sachgemäß entsorgen!

Durchführung: Ein ca. 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. 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.
  
 

Variationen: Es eignen sich auch Spiele in der Turnhalle, z.B. 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  Iod-Iodstärke-Gleichgewicht
 
Vorbereitende Arbeiten: Durch das Auflösen von 0,5g löslicher Stärke in 100ml Wasser stellt man eine 0,5%ige Stärkelösung 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.
 
Durchführung:
1.) Zwei Reagenzgläser werden zu einem Drittel mit der verdünnten Stärkelösung 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.
 
 

Theorie: Iod reagiert mit Stärkelösung unter Bildung einer Blaufärbung. Die Reaktion beruht auf dem Einbau von Iodatomen in die Kettenmoleküle der Stärke, wobei Iodstärke entsteht. Die Reaktion 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 (auf dem Bild rechts). Beim Abkühlen nimmt die exotherme Teilreaktion wieder zu und die Bildung der Iodstärke wird wieder begünstigt (auf dem Bild links).
 
 
Demonstration 3  Stickstoffdioxid-Distickstofftetroxid-Gleichgewicht
 
Vorbereitende Arbeiten: Diese Arbeiten dürfen nur in einem gut ziehenden Abzug durchgeführt werden! Stickstoffdioxid nicht einatmen! Die Datenblätter 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 Filmes empfohlen.
 
 

 
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
 
Unterhalb von 0°C wandeln sich die meisten Stickstoffdioxid-Moleküle in Distickstofftetroxid-Moleküle um:
 
2 NO₂   N₂O₄        DH_R = -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 ca. 20% des Distickstofftetroxid zu Stickstoffdioxid zerfallen. Unterhalb von 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      DH_R = +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.
 
 

• Helmut Boeck: Chemische Schulexperimente, Band 5, Verlag Harri Deutsch, 1978
• Buck/Rehm/Seilnacht: Der Sprung zu den Atomen, Seilnacht 2004