070 – Der qualitative Aspekt des chemischen Gleichgewichts

Dieses Labor erforscht den qualitativen Aspekt des chemischen Gleichgewichts anhand der Reaktion zwischen Calciumchlorid und Natriumsulfat unter Bildung von Calciumsulfat, einem schwer löslichen Salz. Durch die Beobachtung der Niederschlagsbildung und -auflösung demonstrieren die Studierenden, dass chemische Reaktionen ein dynamisches Gleichgewicht erreichen können, bei dem Edukte und Produkte nebeneinander existieren.

Bildungsziele

• Das Konzept des chemischen Gleichgewichts verstehen.
  • Schüler lernen, zwischen statischem und dynamischem Gleichgewicht zu unterscheiden, indem sie beobachten, dass chemische Reaktionen vollständig erscheinen können, während auf mikroskopischer Ebene Reaktanten und Produkte mit gleicher Geschwindigkeit weiter ineinander umgewandelt werden.
• Visualisieren Sie die Koexistenz von Reaktanten und Produkten.
  • Durch direkte Beobachtung von Ausfällung und Auflösung sehen die Studierenden, dass sowohl Ionen (Ca²⁺ und SO₄²⁻) als auch die feste Phase (CaSO₄) gleichzeitig existieren können, wenn ein System das Gleichgewicht erreicht hat.
• Wenden Sie das Prinzip von Le Chatelier an.
  • Durch Zugabe geringer Mengen CaCl₂ oder Na₂SO₄ beobachten die Studierenden, wie die Änderung der Ionenkonzentration das Gleichgewicht stört und es zur Bildung oder Auflösung des Niederschlags verschiebt, was die Beziehung zwischen Störung und Gleichgewichtsreaktion verdeutlicht.
• Vollständige Reaktionen laufen so weit ab, dass im Wesentlichen alle Edukte in Produkte umgewandelt werden. Bei unvollständigen Reaktionen stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem sich sowohl Edukte als auch Produkte in bedeutsamen Mengen im Reaktionsgemisch befinden.
  • Schüler erkennen, dass nicht alle Reaktionen vollständig ablaufen; einige sind reversibel, und die Anwesenheit verbleibender Ionen deutet auf einen Gleichgewichtszustand und nicht auf eine Endreaktion hin.
• Entwickeln Sie experimentelle Beobachtungs- und Denkfähigkeiten.
  • Das Labor ermutigt zur sorgfältigen Erfassung qualitativer Daten, zur Interpretation visueller Veränderungen und zur Verbindung makroskopischer Beweise (Niederschlagsbildung) mit mikroskopischen chemischen Prozessen, um analytisches Denken in der Chemie zu fördern.

Protokoll

Herstellung einer NaCl-Lösung

1. Wiegen Sie etwa 4,3 g (2 ml) Natriumchlorid (NaCl)-Kristalle ab.
2. Überführen Sie die Kristalle in den leeren 50-ml-Becher.
3. Messen Sie mit dem 70-mL-Messzylinder 50 mL destilliertes Wasser ab und geben Sie es in den 50-mL-Becher.
4. Rühren Sie den Inhalt mit dem Glasstab um.

Betrachten Sie das anfängliche Erscheinungsbild der drei untersuchten Lösungen: der Natriumchlorid (NaCl)-Lösung, der Calciumchlorid (CaCl2)-Lösung und der Natriumsulfat (Na2SO4)-Lösung.

Studie der Hinreaktion CaCl₂(aq) + Na₂SO₄2 NaCl(aq) + CaSO₄₄(s)

1. Messen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Calciumchlorid (CaCl₂) Lösung.
2. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in Reagenzglas 1.
3. Messen Sie mit dem Messzylinder weitere 10 ml Calciumchlorid (CaCl₂) Lösung.
4. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in das Reagenzglas 2.
5. Messen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Natriumsulfat (Na₂SO₄) Lösung.
6. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in Reagenzglas 1.
7. Messen Sie mit dem Messzylinder weitere 10 ml Natriumsulfat (Na₂SO₄) Lösung.
8. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in das Reagenzglas 2.
9. Die Inhalte beider Reagenzgläser mit dem Glasstab unter Rühren oder durch Aufsetzen eines Stopfens und Schütteln vermischen.
10. Lassen Sie die Mischungen einige Sekunden stehen und warten Sie, bis keine beobachtbare Veränderung mehr feststellbar ist.
11. Nehmen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Calciumchlorid (CaCl₂) Lösung und übertragen Sie sie in Reagenzglas 1.
12. Messen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Natriumsulfat (Na₂SO₄) ab.₂SO₄) Lösung und in Reagenzglas 2 überführen.
13. Die Inhalte beider Reagenzgläser mit dem Glasstab unter Rühren oder durch Aufsetzen eines Stopfens und Schütteln vermischen.
14. Lassen Sie die Mischungen einige Sekunden stehen und warten Sie, bis keine beobachtbare Veränderung mehr feststellbar ist.
15. Leeren Sie die Reagenzgläser in den schwarzen Auffangbehälter und spülen Sie sie gut mit destilliertem Wasser aus.

Studie der Rückreaktion: 2 NaCl(aq) + CaSO₄(s) = CaCl₂(aq) + Na₂SO₄(wässrig)

1. Etwa 3 g (1 ml) Calciumsulfat (CaSO₄).
2. Das Calciumsulfat (CaSO₄) in den 50-ml-Becher der zu Beginn des Versuchs vorbereiteten Natriumchloridlösung.
3. Rühren Sie die Lösung mindestens 5 Sekunden lang mit dem Glasstab.
4. Lassen Sie die Mischung stehen und warten Sie, bis keine Veränderungen mehr zu beobachten sind.
5. Messen Sie mit dem Messzylinder 10 ml der überstehenden Flüssigkeit aus derselben Lösung ab (achten Sie dabei darauf, den Feststoff nicht mit einzufüllen) und gießen Sie die Flüssigkeit anschließend in Reagenzglas 3.
6. Messen Sie mit dem Messzylinder weitere 10 ml Überstandflüssigkeit aus derselben Lösung ab (achten Sie darauf, nicht den Feststoff zu gießen) und gießen Sie die Flüssigkeit dann in Reagenzglas 4.
7. Nehmen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Calciumchlorid (CaCl₂) Lösung und geben Sie sie in Reagenzglas 3.
8. Messen Sie mit dem Messzylinder 10 ml Natriumsulfat (Na₂SO₄) ab.₂SO₄) Lösung und füllen Sie diese in Reagenzglas 4 um.
9. Die Inhalte beider Reagenzgläser mit dem Glasstab unter Rühren oder durch Aufsetzen eines Stopfens und Schütteln vermischen.
10. Lassen Sie die Mischungen einige Sekunden stehen und warten Sie, bis keine beobachtbare Veränderung mehr feststellbar ist.
11. Leeren Sie die Reagenzgläser in den Auffangbehälter und spülen Sie sie gut mit destilliertem Wasser aus.

Erwartete Ergebnisse

Erste Lösungen (Schritte 1–3)

• Alle drei vorbereiteten Lösungen – Natriumchlorid (NaCl), Calciumchlorid (CaCl₂) und Natriumsulfat (Na₂SO₄) – erscheinen klar, farblos und durchsichtig.
• Jeder gelöste Stoff löst sich vollständig in Wasser auf, was darauf hindeutet, dass in dieser Phase keine sichtbare Reaktion stattfindet.

Direkte Reaktion: CaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq) → 2 NaCl(aq) + CaSO₄(s)

• Mischen der Lösungen (Schritte 4–13):
  • Nach dem Mischen der Lösungen von CaCl₂ und Na₂SO₄ in beiden Reagenzgläsern bildete sich ein sofortiger weißer Niederschlag erscheint. Dieser Feststoff wird als Calciumsulfat (CaSO₄), die sich in Wasser nur schlecht lösen. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass das System ein Zustand dynamischen Gleichgewichts zwischen gelösten Ionen und dem festen Niederschlag.
• Zugabe von zusätzlichen Reagenzien (Schritte 14–19):
  • Wenn man einige mL Kalziumchlorid (CaCl₂) in das Reagenzglas #1 gibt, nimmt die Größe des weißen Niederschlags zu. Dies zeigt, dass eine Erhöhung der Konzentration von Ca²⁺ Ionen verschiebt das Gleichgewicht zugunsten der Bildung von mehr CaSO₄(s) gemäß Le-Chatelier-Prinzip.
  • Ebenso vergrößert sich der weiße Niederschlag, wenn man einige ml Natriumsulfat (Na₂SO₄) in das Reagenzglas #2 gibt. Dies zeigt, dass eine Erhöhung der SO₄²⁻ Ion Konzentration treibt das Gleichgewicht ebenfalls in Richtung der festen Phase.
  • Nach einigen Momenten zeigen beide Reagenzgläser klare Überstände über dickeren Schichten von weißem Feststoff.

Rückreaktion: 2 NaCl(aq) + CaSO₄(s) → CaCl₂(aq) + Na₂SO₄(aq)

• Reaktionsgemisch (Schritte 1–4):
  • Wenn festes Calciumsulfat (CaSO₄) zur Natriumchloridlösung gegeben wird, bleibt die Mischung weitgehend unverändert. Der Feststoff scheint sich nicht zu lösen, und der Überstand bleibt klar und farblos.
  • Dies zeigt, dass die Rückreaktion unter normalen Bedingungen minimal ist, begrenzt durch die geringe Löslichkeit von CaSO₄.
• Ionen-Detektion (Schritte 5–11):
  • Die alleinige Verwendung der überstehenden Flüssigkeit der CaSO4(s)- und NaCl-Lösung wird einen neuen Gleichgewichtspunkt erreichen, an dem sich in den Reagenzgläsern mehr CaSO4(s) bildet.
  • Wenn man einige mL Kalziumchlorid (CaCl₂) in das Reagenzglas #3 gibt, vergrößert sich der weiße Niederschlag, was das Vorhandensein von Sulfationen (SO₄²⁻) in der Lösung.
  • Wenn man 1 mL Natriumsulfat (Na₂SO₄) in das Reagenzglas #4 gibt, nimmt auch der weiße Niederschlag an Größe zu, was das Vorhandensein von Calciumionen (Ca²⁺).
  • Diese Ergebnisse zeigen, dass, obwohl der Großteil des Calciumsulfats ungelöst bleibt, ein kleiner Teil in Ionen dissoziiert, die verbleiben.

Abschließende Beobachtungen

• Nachstehend treten keine weiteren sichtbaren Veränderungen auf. Alle Reagenzgläser enthalten eine weißer fester Niederschlag unten und ein klarer, farbloser Überstand Oberhalb. Es wird keine Gasbildung oder Farbänderung während des gesamten Experiments beobachtet.

Interpretation

• Die Reformation eines weißen Niederschlags nach Zugabe von entweder CaCl₂ oder Na₂SO₄ bestätigt, dass sowohl Ca²⁺- als auch SO₄²⁻-Ionen auch nach scheinbar vollständiger Reaktion in der Lösung verbleiben. Das System ist somit im chemischen Gleichgewicht, wo die Niederschlagsrate gleich der Lösungsrate ist.
• Die Gleichgewichtskonstante Keq bleibt bei Raumtemperatur konstant, während sich die Gleichgewichtslage als Reaktion auf Änderungen der Ionenkonzentration verschiebt. Dieses Experiment liefert qualitative Beweise für die dynamische Natur des chemischen Gleichgewichts.

Was wir gelernt haben

• Chemisches Gleichgewicht: Verstehen, dass Reaktionen im Gleichgewicht mit gleicher Geschwindigkeit vorwärts und rückwärts ablaufen, wodurch die Koexistenz von Reaktanten und Produkten ermöglicht wird.
• Dynamische Natur des Gleichgewichts: Das Gleichgewicht bedeutet nicht, dass die Reaktionen gestoppt sind, sondern dass sie in beiden Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen.
• Reversibilität: das Experiment unterstreicht, dass chemische Gleichgewichte reversibel sind und die Anwesenheit von Produkten und Reaktanten für den Gleichgewichtszustand unerlässlich ist.
• Control of reaction conditions: the experiment emphasizes the importance of controlled experimental conditions to study equilibrium, ensuring reactants are in the correct stoichiometric ratios.

Chemistry principles

• Equilibrium concept: the experiment illustrates the basic concept of chemical equilibrium, showing that reactions can reach a state where the rate of the forward reaction equals the rate of the reverse reaction.
• Precipitation reaction: the formation of a solid precipitate from aqueous solutions demonstrates a common type of chemical reaction where ions combine to form an insoluble compound.
• Le Chatelier’s principle: this principle is indirectly observed as the system adjusts to changes (addition of more reactants) by forming more products.
• Reaction reversibility: highlighting that many chemical reactions are reversible, which is a foundational concept for understanding chemical equilibrium. This experiment offers a practical demonstration of chemical equilibrium, showcasing how, under equilibrium conditions, reactants and products coexist and how the system responds to changes, reinforcing key concepts in chemical kinetics and equilibrium.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

Klassen 3-5 (Alter 8-10)

• Fokus: Basic introduction to chemical reactions and observation of precipitates.
• Aktivitäten: Simple observations of salt solutions forming precipitates, understanding basic concepts of solubility, basic safety instructions.

Klassen 6-8 (Alter 11-13)

• Fokus: Intermediate understanding of precipitation reactions, solubility, and reversible reactions.
• Aktivitäten: Conducting experiments to form precipitates, observing effects of salt solubility, exploring reversible reactions, following detailed safety protocols.

Klassen 9-12 (Alter 14-18)

• Fokus: Advanced understanding of chemical equilibrium, precipitation reactions, and experimental precision.

Aktivitäten: Accurately conducting experiments to study precipitation reactions, measuring and analyzing solubility effects, exploring both direct and reversible reactions, detailed recording and interpretation of results, adhering to advanced safety protocols, reinforcing concepts of chemical equilibrium and solubility principles.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Beakers (50ml)
• Tropfen
• Elektronische Waage
• Glasstab
• Messzylinder (10 ml und 70 ml)
• Laborständer & Klemmen
• Spatulas x3
• Reagenzgläser 50ml x4

Produkte

• Sodium chloride (crystals)
• Calcium sulfate (powder)
• Sodium sulfate 0.005M (solution)
• Calcium chloride 0.005M (solution)