Gleichgewichtsverschiebung und das Prinzip von Le Chatelier und Braun

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichte der Erdatmosphäre
1.1 Fließgleichgewicht
1.2 Vergleich mit chem. Gleichgewicht
1.3 Die Erdatmosphäre
1.4 Auswirkungen von Veränderungen

2. Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit
2.1 Temperaturabhängigkeit
2.1.1 bei Gasen
2.1.2 bei Salzen
2.2 Kesselstein
2.3 Beantwortung einer Frage

3. Druck- und Konzentrationsabhängigkeit

4. Quellen

1. Geschichte der Erdatmosphäre

1.1. Was ist unter einem Fließgleichgewicht zu verstehen?

Das Fließgleichgewicht befindet sich in einen offenem System und dadurch wird es von verschiedenen Stoffkreisläufen umgeben und auch von ihnen beeinflusst. Ein Gleichgewicht ergibt sich aus der gleichen Größe der Zufluss- und Abflussgeschwindigkeit, der einzelnen Systeme bzw. Stoffe. Das Fließgleichgewicht ist ein stationärer Zustand, der scheinbar unveränderlich ist, aber schon geringe Änderungen an den äußeren Bedingungen, mit denen dieses Gleichgewicht in direkter Verbindung steht, verändern das Fleißgleichgewicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ÜFließgleichgewicht in einer Zelle

Wir finden es in vielen unserer Lebensbereiche z. B. in der Zelle stellt sich durch Stoffaufnahme und durch Produktabgabe der Zelle stellt sich ein Gleichgewicht ein. Stoffzufluss und Produktabfluss werden durch die Geschwindigkeit der Teilchenreaktion geregelt. Der Begriff Fließgleichgewicht auch dadurch charakterisiert, dass in den Lebewesen (in den einzelnen Systemen) die Substanz ständig ausgetauscht und erneuert wird und dass sich dadurch an der Organisation und an den Systemeigenschaften grundsätzlich nichts ändert.

1.2. Vergleich von einem chemischen Gleichgewicht und einem Fließgleichgewicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.3. Begriff, Aufbau und Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Der Begriff der Atmosphäre hat nur wenig Definitionsspielraum, deswegen kann man leicht allgemein sagen: Unter einer Atmosphäre versteht man die Gashülle eines Planeten, im klimageographischen Sinne ist damit in der Regel die Gashülle der Erde gemeint. Sie ist eine größtenteils recht homogene Mischung verschiedener Elemente und Verbindungen, deren Kondensationspunkt bei erdatmosphärischen Bedingungen nicht erreicht wird, die eine unvorstellbar große Masse von 5 100 000 000 000 000t-(das sind 5100 Trilliarden Tonnen)hat. Damit bildet die Lufthülle eine nahezu unerschöpfliche, leicht zugängliche Vorratskammer für die atmophilen Elemente in Form der verschiedenen Gase; so enthält sie (in 10[12] t) 3800 Stickstoff (N2), 1180 Sauerstoff (O2), 65,5 Argon (Ar), 2,33 Kohlendioxid (CO2) und weitere Edelgase. Eine genaue Abgrenzung, wie bei der Begriffsbestimmung, ist beim Aufbau der Erdatmosphäre kaum zu erkennen. Ihr Übergang zum interstellaren Raum, der ebenfalls, wenngleich in sehr geringer Dichte, Gase enthält, ist fließend. Die Dichte der Erdatmosphäre nimmt nach außen hin nicht linear, sondern logarithmisch ab. Die halbe Masse der Atmosphäre liegt im Bereich von fünf Kilometern über der Erdoberfläche, 9/10 der Masse im Bereich von 33 km. Verglichen mit dem Erdradius von 6378 km in der Äquatorebene ist dies eine sehr geringe Höhe. Umgerechnet auf einen Globus von 1,3 m Durchmesser entspricht das 0,5 bzw. 3 mm. In 250 km Höhe beträgt die Luftdichte noch rund eine Million Moleküle pro cm³, in 800 km Höhe noch etwa eines. Zum Vergleich: in Erdbodennähe enthält jeder cm³ Luft rund 10[19] Moleküle. Nähme die Dichte der Atmosphäre nicht nach oben hin ab, sondern würde sie einen Mantel um die Erde bilden mit konstant dem Druck, der in Bodennähe herrscht, so wäre die Atmosphäre nur etwa acht Kilometer hoch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Übergänge zwischen den Schichten sind generell fließend. Die Übergangszone kann unterschiedliche Dicken haben. Die schärfste Abgrenzung zwischen Schichten finden wir, wenn stabile Schichtungen mit Inversionen vorliegen.

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Hier können wir den Schichtaufbau der Atmosphäre erkennen.[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Die Atmosphäre setzt sich aus drei verschiedene Bestandteilen zusammen. Diese betrachtet man sich meist separat: den Wasserdampf, das Aerosol und die Restluft, die meist als saubere, trockene Luft bezeichnet wird. Diese Untergliederung ist deshalb sinnvoll, weil in der Homosphäre die Anteile von Wasserdampf und Aerosol erheblichen regionalen und temporären Schwankungen unterliegen, die trockene, reine Luft aber durch ständige Zirkulation in ihrer Zusammensetzung weitgehend homogen ist und Schwankungen nur in relativ langen Zeiträumen, kaum jedoch regional differenziert auftreten. Die Schicht der Atmosphäre, die Luft zum Atmen enthält (die Troposphäre) ist nur etwa 10 km dick. Sie besteht aus einem Gasgemisch, wobei Stickstoff mit 78% und Sauerstoff mit etwa 21% den Hauptanteil ausmachen. Neben dem Edelgas Argon und dem Kohlendioxid kommt das natürliche Ozon in der Troposphäre nur in einer Konzentration zwischen 40 bis 80 µg (Mikrogramm) pro Kubikmeter Luft vor, das sind 40 bis 80 Millionstel Gramm pro Kubikmeter Luft.

1.4. Die Auswirkungen von zusätzlichen Eingriffen (Veränderungen) in Fließgleichgewichten am Beispiel der Geschichte der Erdatmosphäre

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Uratmosphäre bestand aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff, Methan, Ammoniak und diverse Schwefelverbindungen. Auch Metallionen waren mit Sicherheit in den Urozeanen enthalten. Der freiliegende Sauerstoff fehlte ganz und wurde, wenn er durch Zufälle kurzzeitig entstand, gleich wieder neu chemisch gebunden. Veränderungen dieser Uratmosphäre, also das Durcheinanderbringen des derzeitigen Fließgleichgewichtes entstand durch Abgasungsprozesse von diffundierendem Wasserstoff und Vulkanen außerdem kam es zu nachhaltigen Lösungs- und Fällungsvorgängen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Luft veränderte sich stark und ein „neues“ Fließgleichgewicht stellte sich ein. In der Urzeit waren v. a. relativ hohe Temperaturen, große Mengen Sauerstoff und Wasserstoff, die aus Vulkanen entwichen und sich in der Atmosphäre zu Wasser verbanden, welches sich schließlich z. T. in tiefer liegenden Abschnitten der erstarrten Erdoberfläche ansammelte, sowie die Existenz von Gasen in dieser Atmosphäre, die unter dem Einfluss von Wärmeenergie und Elektrizität reagierten und zu komplexen organischen Verbindungen wurden, welche sich aufgrund ihres spezifischen Gewichts zwar nicht in der Atmosphäre halten konnten, im Wasser aber auch nicht versanken, sondern sich an der Oberfläche ansammelten. Sie bildeten eine organische Schicht, die, wie zahlreiche rekonstruierende Experimente zeigen, sowohl fettähnliche Substanzen als auch die Vorstufen zu Proteinen, Nukleinsäuren und vielen anderen, vor allem faserigen Stoffen enthielten, die noch heute Organismen ausmachen. Es entstanden Vorformen, die also sowohl die hydraulisch-mechanische Konstruktion als auch einen einfachen genetischen Apparat und einen primitiven enzymatischen Stoffwechsel besaßen, konnten sich durch permanente Teilungen, Verschmelzungen, Aufnahme weiterer Elemente allmählich optimieren, so dass schließlich, in uns sicher unendlich lange erscheinenden Zeiträumen, einerseits durch Vergurtung und Umhüllung formgesicherte Bakterien, andererseits extrem bewegliche Motiloide entstanden, welche in den Urozeanen verschiedene Ernährungsweisen entwickelten. Die Bakterien nutzten organische oder anorganische Substanzen, um auf chemischem Wege Energie zu gewinnen, die zum Aufbau organischer Substanz nötig war. Manche erschlossen sogar die Knallgasreaktion für sich, wieder andere gewannen, als die Atmosphäre lichtdurchlässig geworden war, mit Hilfe von Metallionen Lichtenergie, die durch immer komplexere organische Strukturen nutzbar gemacht wurde. Teilweise bildeten sie als hochgiftiges Abfallprodukt Sauerstoff. Sie wurden zu den Vorläufern der fotosynthetischen Bakterien, die als Verursacher eines ersten großen dramatischen Umweltereignisses auftraten. Die Biologische Evolution (siehe Tabelle) veränderte die Atmosphäre weiter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der abgegebene Sauerstoff wurde zwar ersteinmal chem. gebunden, denn man vermutet, dass aus Eisen-II-verbindungen Eisen-III-verbindungen entstanden. Der Sauerstoff wurde mit UV- Strahlen bestrahlt und es entstand Ozon (O3 ).Hierüber gibt es zwei Möglichkeiten wie Ozon genau entsteht: 1. das Einwirken durch UV - Strahlung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und zweitens nahe der Erdoberfläche kann bei genügend starker Sonneneinstrahlung ein Sauerstoffatom (O) vom Stickstoffdioxid (NO2) abgespalten werden. Dieses einzelne Atom reagiert unter Einfluss eines Katalysators (M) mit einem Sauerstoffmolekül (O2) zu Ozon. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ozonbildung und Ozonabbau in der Ozonschicht stehen in einem Gleichgewicht. Die Ozonschicht ist für uns heute noch sehr wichtig und ermöglicht uns ein Leben auf diesem Planeten. Sie absorbiert 55% der solaren UV. Strahlung und nimmt seit 1985 nachweislich ab. Die Ursachen dieser Abnahme sind allein durch den Menschen entstanden und können uns noch in verheerenden Katastrophen führen. Die immer steigenden Zunahmen der Bevölkerung sorgt dafür dass immer mehr Rohstoffe verbraucht werden. Das Verbrennen von Brennstoffen um Energie herzustellen lässt die Anteile an Schwefeldioxid, Stickstoffoxide und anderen giftigen Gasen ansteigen. Ein solches giftiges Gas ist Kohlenstoffdioxid. Es hält den Hauptanteil der Klimaveränderungen inne und steigt jährlich um etwa 5%. Die Worte Klimakatastrophe und Treibhauseffekt sind jedem bekannt. Durch den Abbau der Ozonschicht werden sie immer gefährlicher für den Menschen. Chlorfluorkohlenwasserstoffe (FCKW) tragen die Hauptschuld an den schnelleren Abbau der Ozonschicht. Der Mensch greift durch Freisetzung von gewissen Gasen (FCKW) in die Atmosphäre in dieses Gleichgewicht ein. Die FCKW-Gase entwickeln enorme Zerstörungskraft. Als Beispiel sei die Wirkung von Dichlor-Difluor-Methan demonstriert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Mensch kann nur hoffen, dass sich das Fliegleichgewicht auf eine lebensfähige Atmosphäre einstellt, aber wenn er nicht bald umweltfreundliche Technologien einsetzt werden die oben genannten Faktoren das Fließgleichgewicht soweit verändert haben, dass ein Leben auf unserem Planeten nicht mehr möglich ist.

2. Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit

Lösen wir einen Stoff in Wasser oder andere Lösungsmittel erreichen die Fällungs- und Lösungsprozesse ein Gleichgewicht zwischen dem zu lösenden Stoff und dem Lösungsmittel entsteht ein chem. Reaktionsprodukt, wie bei jeder chemischen Reaktion.

1.2. Temperaturabhängigkeit 2.1.1. bei Gasen Der Lösungsvorgang von Gasen in Flüssigkeiten verläuft meist exotherm, so wird als dieser bei Temperaturerniedrigung begünstigt. Ein Beispiel hierzu ist das Erstehen von Bläschen, wenn wir einen Topf mit Wasser auf dem Herd erwärmen wollen. Besonders am Boden des Topfes bilden sich Gasbläschen, weil sich die Gase der Luft sich im Wasser bei Zimmertemperatur gelöst haben und nun wenn die Temperatur ansteigt sie aus dem Wasser entweichen, da die Löslichkeit abnimmt. Ein Liter Wasser kann bei 0°C 29,5cm³ Gase aufnehmen und bei 50°C sind es nur noch 14cm³ Gase. 2.1.2. bei Salzen Walther Nernst erfasste experimentell Erscheinungen, die über die Löslichkeitsbeeinflussung aufklären. Zum einen sollten wir wissen, dass die Lösungsenthalpie DLH sich aus der Differenz der Hydrationsenthalpie DHH (Erforderliche Energie um die Hydrathülle der Ionen aufzubrechen) und der Gitterenthalpie DGH (Erforderliche Energie um das Ionengitter aufzubrechen) ergibt. Wenn diese Differenz einen positiven Wert annimmt liegt eine exotherme Reaktion vor, ist sie aber negativ erkennen wir eine endoterme Reaktion.

Die Reaktion läuft immer freiwillig ab, denn das Auflösen eines Stoffes ist mit einer Entrophieerhöhung verbunden. Dieser Lösungsvorgang kann exotherm aber auch endotherm verlaufen, also begünstigt er entweder eine Temperaturerhöhung oder Erniedrigung die unterschiedlich verlaufenden Reaktionen. Einige Beispiele: Lithiumcarbonat – Lösung löst sich bei fallender Temperatur schneller, Natriumchlorid ist bei steigender Temperatur schnell löslich. Dies macht man sich in der Industrie zum Nutzen. Bestimmte Stoffe können durch Umkristaliesieren gereinigt werden. Ein ganz einfaches Beispiel ist der Lösungsvorgang von Kaliumchlorid und Natriumnitrat in Wasser. Die Lösung wird erhitzt und nach dem Abkühlen trennt man zuerst das kristallisierte Natriumchlorid ab und danach fällt reines Kaliumnitrat aus, welches als Konvensationssalpeter gebraucht wird. Die Umkristallisation ist also die Bezeichnung für eine Methode zur Reinigung von kristallinen Substanzen, bei der durch wiederholtes Auflösen (meist unter Erwärmen) in einem oder mehreren geeigneten Lösunksmitteln und Auskristallisieren (durch Abkühlen) erreicht wird, dass infolge der Löslichkeitsunterschiede zwischen Substanz und Verunreinigung die unerwünschten Begleitstoffe abgetrennt werden, entweder weil sie von vornherein ungelöst bleiben oder weil sie, wenn sie ebenfalls in Lösung gehen, aufgrund ihrer geringeren Konzentration in der Lösung (Mutterlauge) verbleiben, wenn sich die Hauptmasse der Kristalle schon ausgeschieden hat. Die Umkristallisation ist neben der Destillation eines der wichtigsten Reinigungsverfahren in der Chemie. Der Lösungsvorgang von Natriumchlorid und Kaliumchlorid ist in der Kaliindustrie von großer Bedeutung. Er erhöht den Kaliumchloridanteil des Rohsalzes. Bei komplexeren Stoffen ist es schwierig eine allgemeine Löslichkeit zu erfassen. Zinksulfat zum Beispiel erreicht seine maximale Löslichkeit bei 55°C. Oberhalb dieses Wertes bildet der Stoff Monohydraten und unterhalb Hexahydraten aus. Dies ist zurückzuführen an den unterschiedlichen Gehalt an Kristallwasser in dem Salz.

2.2. Kesselstein

Eine weitere temperaturabhängige Gleichgewichtsreaktion ist die Bildung vom sogenannten Kesselstein. Diese lästigen Kalkablagerungen bilden sich in Warmwasserleitungen, Boilern, Durchlauferhitzern, technisch genutzten Wärmeaustauschfeldern und überall wo Wasser erwärmt wird. Aber warum? Dieser Frage möchte ich nun auf den Grund gehen und somit ein weiteres Beispiel für die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit nennen. Alle in der Natur vorkommenden Gewässer enthalten mehr oder weniger viele Calcium- und Magnesiumsalze, weil die zunehmende CO2-Belastung der Luft fördert die Bildung freier Kohlensäure. Durch die freie Kohlensäure muss Wasser während der Bodenpassage Kalziumkarbonat aufnehmen. Die Wasserhärte wird durch Calcium und Magnesium bestimmt. Diese Wasserhärte wird in °d = Härtegraden ausgedrückt. Ein Härtegrad entspricht einem Gehalt von 10 mg Calciumoxid oder 7,19 mg Magnesiumoxid per Liter. Wird Wasser bewegt oder/und erwärmt, erhöht sich die Kalkbildung, da Kohlendioxyd entweicht (siehe Temperaturabhängigkeit von Gase) und der zuvor gelöste Kalk auskristallisiert. Wasser in einem System verdampft, und es entsteht Kesselstein: Bei der Verdampfung entweicht nur reiner Wasserdampf, während sämtliche Salze, die im Wasser gelöst sind, bei der Verdampfung als Rückstand zurückbleiben. Die dabei entstehenden Beläge nennt man Kesselstein. Im Gegensatz zu Wasserstein kann Kesselstein nicht nur Calcium- und Magnesiumsalze enthalten, sondern auch Calciumsulfat (=Gips) bzw. Silikate (Kieselsäure). Man spricht vom Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht, das unter anderem durch die Erwärmung des Wassers gestört wird. Zusätzlich zu diesen Ablagerungen können in wasserführenden Systemen Korrosionsprodukte (=Rost) bzw. organische Beläge entstehen. Die Bildung von Ablagerungen in wasserführenden Systemen führt zu einer Verringerung des Wärmeüberganges (Rohre werden verengt), da Steinbeläge eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen.. Es kommt damit in weiterer Folge zu einem starken Energiemehrverbrauch bzw. auch zu Leistungsverlusten. Zusätzlich zu den erhöhten Energiekosten kommt es bei stärkeren Steinbelägen zu thermischen Spannungen, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Steinbelags wesentlich geringer ist als der des darrunterliegenden metallischen Werkstoffes. Dadurch können Risse entstehen (besonders häufig in Gliederkesseln bzw. Dampfkesseln), die teure Reparaturen erforderlich machen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kesselstein ist übrigens auch der Schutzmantel, der sich schnell in Wasserleitungen bildet, so dass das Wasser gar nicht mehr mit dem Kupfer oder Asbest der verlegten Leitung in Berührung kommt. In manchen Städten bestehen die Wasserversorgungsleitungen nur noch aus diesem Kesselsteinmantel. Das ursprüngliche Rohr ist längst verrostet. Und wenn ein Schwerlaster drüber brummt, kann es zum Rohrbruch kommen. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Kalkablagerungen

Wir können diese Gleichgewichtsreaktion auch in einer simplen Formel angeben: 2 HCO3- (aq) Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten CO3[2]- (aq) + H2O (l) + CO2 (aq) Eine andere Möglichkeit die chemischen Prozesse auszudrücken ist die Ionenschreibweise der Reaktion. Die Kationen, die im Wasser gelöst sind sind meist Ca[2]+ , sie sind die Ursache für Wasserhärte. Es sind viel verschiedene Anionen im Wasser gelöst. Zum Beispiel: SO4[2]- ; Cl- ; HCO3- ; CO3[2]- Kesselstein bildet sich wenn Ca[2]+ und HCO3- miteinander reagieren. Das passiert, weil dieses Gleichgewicht gestört wird. [2 HCO3- (aq) Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten CO3[2]- (aq) +H2O(l) + CO2 (aq)] Diese Störung wird durch den Temperaturanstieg verursacht, der dazu führt das Kohlenstoffdioxid entweicht und CO3[2]- stärker gebildet werden, die schwerer als HCO3- Ionen löslich sind also kommt es zu ihrer Anlagerung.

2.3. Für welche der in der Abbildung erfassten Salze verläuft der Lösungsvorgang exotherm?

Für Na2SO4 und ZnSO4 * H2O verlaufen die Reaktionen exotherm, also ihre Löslichkeit nimmt beisteigender Temperatur ab.

3. Druck- und Konzentrationsabhängigkeit

3.1.Höhenakklimatisierung

Der Druck der Luft beträgt in Meeresspiegelnähe 1013hPa oder, in 10 km Höhe 280, in 30 km Höhe 12,7, in 80 km Höhe 0,015 und in 220 km Höhe nur noch 0,00000019 hPa.

Wenn wir in hochgelegenen Orten übernachten, bemerken wir dass die Luft „dünner“ wird. Uns Menschen fällt es dann bei der ungewohnt hohen Umgebung (ab ca. 4000m) schwer und gesund zu fühlen. Die Höhenkrankheit verursacht Kopfschmerzen, Herzklopfen, Übelkeit und Atemnot, da der Sauerstoff durch das Blut nicht ausreichend gebunden werden kann, also leidet man unter Sauerstoffmangel. Diese Reaktionshemmung hat seine Ursache im Partitialdruck der Luft. Unsere Körper kann nur bis zu einem bestimmten Druck bestimmte Mengen an Sauerstoff binden, dabei kann man folgendes Gleichgewicht erkennen: O2+Hb Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenHbO2 Das Hämoglobin (Hb) bindet den Sauerstoff im Blut. Fällt jetzt aber der Partitialdruck des Sauerstoffs kann HbO2 nicht mehr so gut und in so hohen Mengen gebildet werden. Das Gleichgewicht wird also gestört und unser Körper reagiert durch die Krankheit darauf. Nach 3 bis 4 Wochen steigt aber der Hämoglobingehalt des Blutes so hoch an, dass wir sogar bei Training im Stande sind Hochleistungssport zu betreiben. Die Sauerstoffbindung geht normal von statten. Dies nutzen viele Sportler aus, die in den Bergen trainieren um dann in der Ebene mehr Sauerstoff binden zu können. Unser Körper stößt aber auch an seine Grenzen ab 5500m kann er den Hämoglobingehalt im Blut nicht mehr steigern, man muss ab diesen Höhen zu Sauerstoffflaschen greifen.

4. Quellen

http://www.aqua-correct.dk/AQUA-de/1_ueber_verkalkung/base_1_1.html

http://www.kesselentsteinung.at/seite10.htm

http://home.t-online.de/home/nam-gmbh/molek4.htm

http://home.t-online.de/home/Bertram.Koehler/Entropieproduktion.htm

http://www.jkrieger.de/bzr/2_1_grundmodell.html

http://www.sfdrs.ch/sendungen/meteo/lexikon/atmosph.html

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/Ozon.htm

http://www.makumee.de/Geosysteme/ Luft/body_luft.html

„Chemie; Physikalische Chemie; Chemie und Umwelt; Lehrbuch für Sekundarstufe II Gymnasium/ Gesamtschule“ Volk und Wissen Verlag GmbH Seite 65-66; 75; 127- 129 Ausgabe 1997

„Schroedel, Sek II, Chemie heute Seite 85- 89, Ausgabe 1998“

„Biologie heute SII“ Schroedel Schulbuchverlag Seite 414, Ausgabe 1991

„ Mensch und Raum Seydlitz Physische Geographie“ Cornelsen Schroedel Geographische Verlagsgesellschaft, Ausgabe 1994, Seite11; 71