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Boudouard Gleichgewicht

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Chemie

Eine wichtige Gleichgewichtsreaktion in der Industrie ist das sogenannte Boudouard-Gleichgewicht, benannt nach dem französischen Chemiker Octave Leopold Boudouard.

Das Boudouard-Gleichgewicht beschreibt die Reaktion von zwei Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu einem Kohlenstoffatom und einem Kohlenstoffdioxidmolekül und die entsprechende Rückreaktion.

Anhand dieses Beispiel ist das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier leicht zu verstehen und erleichtert den Transfer zu komplexeren Gleichgewichtsreaktionen.

Das Boudouard-Gleichgewicht

Die Reaktionsgleichung des Boudouard-Gleichgewichts lautet:

Boudouard-Gleichgewicht Gleichung StudySmarter

Bei der Hinreaktion reagieren zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle miteinander. Dabei gibt ein Kohlenstoffmonoxidmolekül ein Sauerstoffatom an das andere Kohlenstoffmonoxidmolekül ab. Dadurch entsteht Kohlenstoffdioxid aus dem Kohlenstoffmonoxidmolekül, das ein Sauerstoffatom aufnimmt – ein Kohlenstoffatom entsteht aus dem Kohlenstoffmonoxidmolekül, welches das Sauerstoffatom abgegeben hat.

Die Hinreaktion ist exotherm, was bedeutet, dass (Wärme)energie frei wird, während die Rückreaktion damit zwangsläufig endotherm ist.

Das heißt, dass bei der Rückreaktion der Umgebung Energie entzogen wird.

Woran erkenne ich, ob eine Reaktion exo- oder endotherm ist?

Ob die betrachtete Reaktion exo- oder endotherm ist, erkennst Du an den Zahlen, welche an den Reaktionspfeilen drangeschrieben sind.

Diese Zahlen (Fachbegriff: Reaktionsenthalpien) entsprechen der Energie, die frei bzw. aus der Umgebung aufgenommen wird pro Mol Edukt, also in Abhängigkeit der Stoffmenge, die Du umsetzt (deshalb die Einheit , also Kilojoule pro Mol).

Wenn die Zahl negativ ist, bedeutet es, dass Energie frei wird.

Wenn sie hingegen positiv ist, dass Energie aus der Umgebung aufgenommen wird.

"Aus der Umgebung" bedeutet hierbei, dass die Raumtemperatur folglich sinkt.

Wie kann ich das Boudouard-Gleichgewicht beeinflussen?

Um zu verstehen, wie Du das Boudouard-Gleichgewicht, und im Grunde jede Gleichgewichtsreaktion, beeinflussen kannst, musst Du Dir das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier ins Gedächtnis rufen.

Das Prinzip des kleinsten Zwangs und Gleichgewichtsreaktionen

Bei Gleichgewichtsreaktionen ist es so, dass es sowohl eine Hin- als auch eine Rückreaktion in die Edukte kontinuierlich stattfindet. Dabei ändern sich die Konzentrationen von Edukten und Produkten bei einem gewissen Verhältnis nicht mehr, weil genauso viele Edukte hin- wie Produkte rückreagieren. Dieses Stoffmengenverhältnis kann man nicht ändern, indem man mehr Produkt oder Edukt hinzufügt, weil sich nach einer gewissen Zeit wieder dasselbe Verhältnis einstellt. Das Verhältnis kann sich aber durch Veränderung von bestimmten Größen, wie der Temperatur, dem Druck und dem Volumen, verändern (Druck und Volumen sind nur bei Gasen relevant).

Bei Erhöhung/Erniedrigung einer bestimmten Größe verändert sich das Verhältnis des Gleichgewichts so, dass dieser Erhöhung/Erniedrigung entgegengewirkt wird (Prinzip des kleinsten Zwangs).

Bei Erhöhung der Temperatur zum Beispiel wird also die endotherme Reaktion begünstigt, sodass die Temperaturerhöhung durch Energieaufnahme aus der Umgebung wieder ausgeglichen wird.

Das Prinzip des kleinsten Zwangs beschreibt also einfach nur das Reaktionsverhalten von Teilchen, die an einer Gleichgewichtsreaktion beteiligt sind.

Der Einfluss der Temperaturveränderung auf das Boudouard-Gleichgewicht

Boudouard-Gleichgewicht Gleichung StudySmarter

Das Prinzip des kleinsten Zwangs besagt also, dass dieser bei Temperaturerhöhung durch eine Verschiebung des Gleichgewichts wieder entgegengewirkt wird. Somit wird also diese eintretende Temperaturerhöhung wieder aufgehoben.

Wenn die Temperatur steigt, wird die endotherme Reaktion begünstigt, denn

bei der endothermen Reaktion wird die Wärmeenergie aus der Umgebung aufgenommen, sodass die Temperatur wieder sinkt. Entsprechend entsteht also mehr Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff bei Temperaturerhöhung (die Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff nimmt ab).

Bei einer Temperaturerniedrigung wird hingegen die exotherme Reaktion begünstigt, denn

bei einer exothermen Reaktion wird Energie frei, wodurch der sinkenden Temperatur entgegengewirkt wird.

Demnach entstehen bei Temperaturerniedrigung mehr Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid, während Kohlenstoffmonoxid zunehmend verbraucht wird (die Stoffmenge an Kohlenstoffmonoxid nimmt ab).

Anhand folgender vereinfachten Reaktionsgleichung kannst Du Dir den Zusammenhang einfacher vorstellen:

Boudouard-Gleichgewicht Gleichung StudySmarter

Stell Dir die Reaktionsgleichung wie eine Waage vor.

Im Moment ist sie bei einer gewissen Temperatur im Gleichgewicht.

Wenn Du aber Energie hinzugibst, wird die rechte Seite der Waage schwerer und die Waage ist nicht mehr im Gleichgewicht.

Um die Waage wieder ins Gleichgewicht zu bringen, muss die rechte Seite "leichter" bzw. die linke Seite "schwerer" werden.

Deshalb reagiert die rechte Seite zunehmend zur linken Seite, bis die Waage wieder im Gleichgewicht ist.

Der Einfluss des Drucks auf das Boudouard-Gleichgewicht

Boudouard-Gleichgewicht Gleichung StudySmarter

Man kann das Gleichgewichtsverhältnis auch durch eine Druckerhöhung/-erniedrigung verändern. Diesmal ist es wichtig, auf die Anzahl der Gasteilchen zu achten, anstatt auf die Energie. Dabei fällt auf, dass es auf der Eduktseite zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle gibt, während es auf der Produktseite ein Kohlenstoffdioxidmolekül gibt.

Wenn Du nun den Druck in der Reaktionsumgebung erhöhst, wird nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs dieser Druckerhöhung entgegengewirkt. Wichtig ist hierbei zu wissen, dass der Druck kleiner wird, je weniger Gasteilchen in einem Volumen vorliegen, weil dann weniger Stöße zwischen diesen Teilchen stattfinden. Andersherum steigt der Druck, wenn mehr Gasteilchen in einem Volumen vorliegen.

Bei Druckerhöhung wird also die Reaktion begünstigt, bei der weniger Gasteilchen entstehen, also die Hinreaktion zum Kohlenstoffdioxid.

Bei Druckerniedrigung wird hingegen die Reaktion begünstigt, bei der mehr Gasteilchen entstehen, also die Rückreaktion zu den zwei Kohlenstoffmonoxidteilchen.

Der Einfluss des Volumens auf das Boudouard-Gleichgewicht

Der Einfluss einer Volumenänderung auf das Boudouard-Gleichgewicht ist mit dem Einfluss des Drucks in Beziehung zu setzen.

Je höher das Volumen der Reaktionsumgebung, desto kleiner der Druck (weil sich die Teilchen besser verteilen können und weniger aneinander stoßen).

Je kleiner das Volumen der Reaktionsumgebung, desto höher der Druck (weil sich die Teilchen dann schlechter verteilen können und häufiger aneinander stoßen).

Wenn Du diesen inversen/umgekehrten Zusammenhang zwischen Volumen und Druck verstanden hast, kannst Du auch wieder anhand des Drucks und der Gasteilchenanzahl argumentieren, wie es auch im oberen Abschnitt der Fall war.

Boudouard Gleichgewicht - Das Wichtigste

  • Beim Boudouard-Gleichgewicht reagieren zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle zu einem Kohlenstoffatom und einem Kohlenstoffdioxidmolekül (und umgekehrt).
  • Die Reaktion mit den zwei Kohlenstoffmonoxidmolekülen als Edukte ist exotherm, die Rückreaktion entsprechend endotherm.
  • Bei Temperaturerhöhung/-erniedrigung entstehen mehr. Kohlenstoffmonoxidmoleküle/Kohlenstoffdioxidmoleküle.
  • Bei Druckerhöhung/-erniedrigung entstehen mehr Kohlenstoffdioxidmoleküle/Kohlenstoffmonoxidmoleküle.
  • Aus einer Volumenerniedrigung folgt eine Druckerhöhung und aus einer Volumenerhöhung eine Druckerniedrigung.

Nachweise

  1. chemie.de: Boudouard-Gleichgewicht. (20.04.2022)
  2. chemie.de: Kohlenstoffoxide, Boudouard-Gleichgewicht, Prinzip des kleinsten Zwanges. (20.04.2022)

Boudouard Gleichgewicht

Beim Boudouard-Gleichgewicht gewinnt man aus Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff Kohlenstoffmonoxid.

Kohlenstoffmonoxid wird dazu gebraucht, aus Eisenoxid  Eisen zu gewinnen, wobei wiederum Kohlenstoffdioxid entsteht.

Dieses Kohlenstoffdioxid reagiert nun erneut mit Kohlenstoff, wodurch ein weiteres Mal Kohlenstoffmonoxid entsteht usw.

Das geht so lange weiter, bis kein Kohlenstoff oder kein Eisenoxid mehr vorliegt.

Bei einer Gleichgewichtsreaktion gibt es grundsätzlich eine Hin- und eine Rückreaktion. Eine der beiden Reaktionsrichtungen ist endo- und die andere exotherm.

Bei einer Temperaturveränderung verschiebt sich das Gleichgewicht nun auf die Reaktionsrichtung, welche der Temperaturveränderung entgegenwirkt. Dadurch wird immer bei einer Temperaturveränderung, die eine Reaktion begünstigt (bei einer Temperaturerhöhung die Endotherme und bei einer -erniedrigung die exotherme Reaktion), sodass vom einen Teilchen nun mehr vorliegt.

Dadurch ändert sich auch das Verhältnis von Edukt zu Produkt und damit auch die Gleichgewichtskonstante K.

Das Massenwirkungsgesetz ist eine Gleichung, mit deren Hilfe man chemische Gleichgewichtsreaktionen charakterisieren kann.

Man berechnet die Gleichgewichtskonstante K.

Grundsätzlich multipliziert man die Konzentrationen der Produkte miteinander und teilt dieses Ergebnis durch die Zahl, die sich ergibt, wenn man die Konzentrationen der Edukte miteinander multipliziert.

Wenn die sich ergebende Gleichgewichtskonstante gleich 1 ist, bedeutet es, dass genauso viel Produkt wie Edukt vorliegt, in Hinsicht auf die Konzentrationen. Ist sie größer als 1, liegt mehr Produkt vor. Ist sie kleiner als 1, liegt mehr Edukt vor.

Das Boudouard-Gleichgewicht ist eine charakteristische Gleichgewichtsreaktion, bei der zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle zu einem Kohlenstoffdioxidmolekül und einem Kohlenstoffatom reagieren.

Finales Boudouard Gleichgewicht Quiz

Frage

Wie lautet die Reaktionsgleichung des Boudouard-Gleichgewichts?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet ,,Eine Reaktion ist exotherm"?

Antwort anzeigen

Antwort

Das bedeutet, dass bei der Reaktion Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird (die Temperatur im Raum steigt an).

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet ,,Eine Reaktion ist endotherm"?

Antwort anzeigen

Antwort

Das bedeutet, dass bei der Reaktion Wärmeenergie von der Umgebung aufgenommen wird (die Temperatur im Raum nimmt ab).

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Frage

Die Änderung welcher drei Größen beeinflusst das Boudouard-Gleichgewicht?

Antwort anzeigen

Antwort

Temperatur, Druck und Volumen haben einen Einfluss auf die Gleichgewichtskonstante der Reaktion.

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Frage

Wie ändert sich das Verhältnis von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid bei Temperaturerhöhung?

Antwort anzeigen

Antwort

Um der Temperaturerhöhung entgegenzuwirken, wird die endotherme Reaktion begünstigt (, weil die Temperatur damit verringert wird).

Es entsteht also vermehrt Kohlenstoffmonoxid, während die Konzentration an Kohlenstoffdioxid abnimmt.

Frage anzeigen

Frage

Wie ändert sich das Verhältnis von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid bei Temperaturerniedrigung?

Antwort anzeigen

Antwort

Um der Temperaturerniedrigung entgegenzuwirken, wird die exotherme Reaktion begünstigt (, weil sich dadurch die Temperatur wieder erhöht). Es entsteht also vermehrt Kohlenstoffdioxid, während die Konzentration an Kohlenstoffmonoxid abnimmt.

Frage anzeigen

Frage

Wie verändert sich das Verhältnis von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid bei Druckerhöhung?

Antwort anzeigen

Antwort

Um der Druckerhöhung entgegenzuwirken, muss der Druck verringert werden.

Dafür braucht es weniger Gasteilchen.

Deshalb wird nun vermehrt Kohlenstoffdioxid aus Kohlenstoffmonoxid gebildet, da damit die Gesamtteilchenanzahl abnimmt (aus 2 Gasteilchen wird 1 Gasteilchen).

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Frage

Wie verändert sich das Verhältnis von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid bei Druckerniedrigung?

Antwort anzeigen

Antwort

Um der Druckerniedrigung entgegenzuwirken, braucht es mehr Gasteilchen. 

Deshalb wird nun vermehrt Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid (und Kohlenstoff) gebildet, weil sich damit die Gasteilchenanzahl erhöht (aus einem Gasteilchen werden zwei Gasteilchen).

Frage anzeigen

Frage

Wie hängen Druck und Volumen der Reaktionsumgebung zusammen?

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Antwort

Druck und Volumen sind invers proportional zueinander.

Je kleiner das Volumen, desto größer der Druck.

Je größer das Volumen, desto kleiner der Druck.

Frage anzeigen

Frage

Was würdest du tun, um mehr Kohlenstoffmonoxid aus dem Boudouard-Gleichgewicht zu erhalten?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest die Umgebungstemperatur erhöhen, den Druck erniedrigen und das Volumen erhöhen.

Frage anzeigen

Frage

Was würdest du tun, um mehr Kohlenstoffdioxid aus dem Boudouard-Gleichgewicht zu erhalten?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest die Umgebungstemperatur verringern, den Druck erhöhen und das Volumen erhöhen.

Frage anzeigen

Frage

Was sagt das Prinzip des kleinsten Zwangs aus?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gleichgewichtskonstante einer Gleichgewichtsreaktion wird immer so verschoben, dass dem ,,äußeren Zwang" (Temperatur-/Druckveränderung) entgegengewirkt wird.

Frage anzeigen

Frage

Können sowohl Hin- als auch Rückreaktion einer Gleichgewichtsreaktion beide exotherm bzw. endotherm sein?

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Antwort

Nein, eine der beiden Reaktionen wird immer exo- und die andere Reaktion endotherm sein.

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