Loesungen Kapitel 8
Loesungen Kapitel 8
Loesungen Kapitel 8
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Physikalische Chemie I<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
8.1 Auswirkung des Drucks auf ein Gleichgewicht.<br />
a) Wie wirkt sich eine 10-fache Zunahme des Drucks auf das Ammoniak Gleichgewicht<br />
aus? NehmenSie an, dass die Fugazitätskoeffizienten gleich 1 gesetzt werden können.<br />
b) Drücken Sie die Gleichgewichtskonstante als Funktion der Umsatzvariablen ξ aus.<br />
N ( g) + 3 H ( g) ←⎯⎯ ⎯⎯→ 2 NH ( g)<br />
2 2 3<br />
2<br />
fNH3<br />
3<br />
N2 H2<br />
K =<br />
f f<br />
2<br />
pNH3<br />
3<br />
N2 H2<br />
=<br />
⎛p⎞ NH3<br />
⎜ 0/<br />
⎟<br />
⎜ p ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎛p ⎜<br />
⎝<br />
p<br />
⎞⎛p ⎟⎜<br />
⎟⎜<br />
⎠⎝<br />
p<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0/<br />
( )<br />
2<br />
2<br />
( γ NH ) 3<br />
( )<br />
3 3<br />
γ γ<br />
N2 H2 N2 H2<br />
0/ 0/<br />
2<br />
2<br />
( γ NH ) 3<br />
N ( )<br />
2 H2<br />
Für = 1 folgt:<br />
3<br />
γ γ<br />
K = p<br />
Molenbrüche für Angaben in Gasphase<br />
p p<br />
werden in der Regel mit yJ bezeichnet<br />
2<br />
yNH3 0/<br />
p<br />
N2 3<br />
H2<br />
p<br />
⎛ ⎞<br />
K = ⎜ ⎟<br />
y y ⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ 0/<br />
p ⎞<br />
y<br />
K = K ⎜<br />
⎟<br />
p ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
a) Das heisst, dass das Gleichgewicht mit zunehmendem<br />
Druck zugunsten des NH 3 verschoben wird.<br />
Ky(10 bar)<br />
= 100<br />
K (1 bar)<br />
y<br />
pJ = yJp b) Drücken Sie die Gleichgewichtskonstante als Funktion der Umsatzvariablen ξ aus.<br />
N ( g) + 3 H ( g) ←⎯⎯ ⎯⎯→ 2 NH ( g)<br />
2 2 3<br />
0<br />
⎛<br />
⎛ nNn ⎞<br />
Δn ⎞ −<br />
N<br />
2 N<br />
2<br />
2 −1<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎛ ⎞<br />
0 ⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎜ ⎟<br />
Δ nH ⎟ = n 3<br />
2 H − n = ξ<br />
2 H2<br />
⎜− ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ n ⎟ ⎜ 0 ⎟ ⎜ 2 ⎟<br />
⎝<br />
Δ NH3<br />
⎠ ⎜nNH − n ⎟ ⎝ ⎠<br />
⎝ 3 NH3<br />
⎠<br />
2<br />
nNH3<br />
2<br />
y =<br />
3 tot<br />
nN n<br />
2 H2<br />
K n<br />
Ky<br />
=<br />
2<br />
2<br />
4ξ ( 4−2ξ) ( 1−ξ)( 3−3ξ) 3<br />
Y<br />
J<br />
n<br />
=<br />
n<br />
J<br />
tot<br />
n = n + n + n<br />
tot H2 N2 NH3<br />
tot<br />
tot<br />
2<br />
0 ( n + 2ξ<br />
NH )<br />
3<br />
0 0<br />
( n −ξ)( n −3ξ<br />
N H )<br />
2<br />
y =<br />
3 tot<br />
K n<br />
2 2<br />
0 0 0<br />
( 3ξ) ( ξ) ( 2ξ<br />
H )<br />
2 N2 NH3<br />
0 0 0 0<br />
( ) 2ξ2ξ H N NH<br />
n = n − + n − + n +<br />
n = n + n + n − = n −<br />
2 2 3<br />
0 0 0<br />
Interessanter Spezialfall: n =0 und stöchiometrische Mengen: n = 3, n = 1<br />
NH3 H2 N2<br />
( 2 − )<br />
4<br />
( ξ )<br />
2 2 2<br />
0/<br />
⎞<br />
16 ξ ξ ⎛ p<br />
K = ⎜<br />
27 ⎜<br />
⎟<br />
1 p ⎟<br />
− ⎝ ⎠<br />
( 2 − )<br />
2<br />
( ξ )<br />
16 ξ ξ ⎛ p<br />
K = ⎜<br />
27 ⎜<br />
⎟<br />
1 p ⎟<br />
− ⎝ ⎠<br />
0/<br />
⎞<br />
Gion Calzaferri<br />
1
Physikalische Chemie I<br />
Schätzung für der Startwert:<br />
ξT1 := FKT1 , pJ , ξT1<br />
J<br />
J−1 <strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
Ammoniak-Gleichgewicht: N2 (g) + 3 H2 (g) l 2NH3 (g) 2 2 2<br />
0<br />
16 ξ ( 2 − ξ)<br />
⎛ /<br />
p ⎞<br />
K =<br />
27 4 ⎜<br />
⎟<br />
Wenn wir mit reinen Edukten starten und je 1 Mol und 3 Mol 2 Nund<br />
H2 einsetzen, so gilt:<br />
( 1 ξ ) p ⎟<br />
− ⎝ ⎠<br />
0.5<br />
16<br />
FKp ( , , ξ)<br />
⎛ ⎞ ξ ⋅(<br />
2 − ξ)<br />
root ⎜ ⎟<br />
⎝ 27 ⎠ ( 1 − ξ)<br />
2<br />
KT3 610<br />
Numerische Lösung:<br />
⎡<br />
1 ⎤<br />
⎢<br />
⎛ 1 ⎞ 2 ⎥<br />
:= ⎢ ⋅ ⋅⎜ ⎟⎠ − K , ξ<br />
⎝ p ⎥<br />
⎣<br />
⎦<br />
1<br />
KT2 610 := ⋅<br />
3<br />
KT1 610 := ⋅<br />
5<br />
Wir wollen jetzt den Anteil an NH3 bei verschiedenen Drucken und für drei verschiedene Gleichgewichtskonstanten<br />
ausrechnung. Dazu ist es günstig, auf beiden Seiten der obigen Gleichung die Wurzel zu ziehen. Das ergibt:<br />
K =<br />
0<br />
16 ξ( 2 − ξ / ) ⎛ p ⎞<br />
2 ⎜ ⎟<br />
27 ⎜<br />
( 1 ξ ) p ⎟<br />
− ⎝ ⎠<br />
J := 1 .. 200 pJ := J⋅0.1 := ⋅<br />
Reaktionsvariable<br />
ξ T1J<br />
ξT2 J<br />
ξT3 J<br />
( )<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
ξT1 := .9<br />
0<br />
( )<br />
ξT2 := FKT2 , pJ , ξT2<br />
J<br />
J−1 Gleichgewicht als Funktion des Drucks<br />
0.2<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
pJ Druck in bar<br />
ξT2 := .9 ξT3 := .9<br />
0<br />
0<br />
ξT3 := FKT3 , pJ , ξT3<br />
J ( J−1) Im Folgenden untersuchen wir die Abhängikeit des Drucks als Funktion der Reaktionsvariablen x für dieselben drei Werte<br />
der Gleichgewichtskonstanten.<br />
N:= 1.. 99 xN :=<br />
N<br />
100<br />
6 1 u<br />
u:= 0.. 5 Ku 10 ⋅ −<br />
1<br />
:=<br />
2<br />
⎛ 16 ⎞ x⋅( 2−x) PxK ( , ) ⎜ ⎟⎠<br />
⎝ 27⋅K ( 1−x) 2<br />
:= ⋅<br />
Druck in bar<br />
PxK ( , 0)<br />
N<br />
PxK ( , 3)<br />
N<br />
PxK ( , 4)<br />
N<br />
PxK5 ( , )N<br />
100<br />
50<br />
Druck im Gleichgewicht als Fct. von x<br />
0<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8<br />
xN Reaktionsvariable<br />
Siehe auch: Lösung_08-01.mcd<br />
Gion Calzaferri<br />
2
Physikalische Chemie I<br />
8.2 a) Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante der folgenden Reaktion bei 298 K aus<br />
den Freien Standard-Bildungsenthalpien der Reaktionspartner: N2 (g) + 3H2 (g) î 2NH3 (g)<br />
b) Wie gross ist die Gleichgewichtskonstante bei 400K?<br />
2<br />
fNH3<br />
K =<br />
3<br />
fN f<br />
2 H2<br />
0<br />
R exp<br />
0/<br />
Δ RG = 2( −16.5 kJ/ mol) −0−2⋅ 0 = −33<br />
kJ/ mol<br />
RT = 2.48kJ/mol, 298 K<br />
⎛ −33 kJ / mol ⎞<br />
5<br />
K = exp⎜− = 6 × 10<br />
2.48kJ/mol<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
Δ<br />
0/ H = 2 Δ<br />
0/<br />
H ( NH ) −0−2⋅ 0 = −92.2<br />
kJ/ mol<br />
G<br />
a)<br />
⎛ /<br />
Δ ⎞<br />
K = ⎜ −<br />
⎜<br />
⎟<br />
RT ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
0/ 0/ 0/ 0/<br />
Δ RG = 2 ΔBG ( NH3) −ΔBG ( N2) −2 ΔBG<br />
( H2)<br />
b) van’t Hoff<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
R B<br />
Temperaturabhängikeit der Gleichgewichtskonstanten: T := 300 , 310 .. 500<br />
Integrated van't Hoff: LNK( T)<br />
ln 6. 10 5 −92.2<br />
( ⋅ )<br />
8.3145 10 3 −<br />
1 1<br />
:= −<br />
⋅<br />
⎛<br />
⎜ −<br />
⎞<br />
⎟⎠<br />
⋅ ⎝ T 300<br />
LNK( T)<br />
K( T)<br />
:= e<br />
KT ( )<br />
5 . 10 5<br />
0<br />
300 350 400 450 500<br />
LNK( T)<br />
K( 300)<br />
6 10<br />
T<br />
5<br />
= ×<br />
K( 350)<br />
3.054 10 3<br />
= ×<br />
K( 400)<br />
= 58.195<br />
1<br />
0<br />
1<br />
3<br />
460 480 500<br />
T<br />
Zwischen K(300 K) und K(400 K)<br />
liegen 4 Zehnerpotenzen!<br />
8.3 Die untenstehenden Daten zeigen, wie die Gleichgewichtskonstante Kp der Reaktion<br />
Ag2CO3 (f) î Ag2O(f) + CO2 (g) von der Temperatur abhängt. Berechnen Sie die<br />
Standard-Reaktionsenthapie für die Zersetzung des Silberkarbonats.<br />
T/K 350.0 400.0 450.0 500.0<br />
Kp 3.98×10-4 1.41×10-2 1.86×10-1 1.48<br />
van't Hoff<br />
dlnK<br />
d 1<br />
dlnK<br />
dT<br />
1 ΔH<br />
R<br />
T<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ T ⎠<br />
−ΔH<br />
R<br />
2<br />
⋅ d 1 ⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ T ⎠<br />
−1<br />
T 2<br />
d ⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞dT ⎟⎠<br />
1 ⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ T ⎠<br />
dT<br />
−1<br />
T 2<br />
R 8.13451J K 1 −<br />
⋅ mol 1 −<br />
:=<br />
⋅<br />
Das heisst, dass die Steigung der Kurve die sich bei Auftragung von -lnK gegen T-1 ergibt gleich ΔH/R ist.<br />
⎛ 350⎞<br />
⎜ ⎟<br />
400<br />
T := ⎜ ⎟K<br />
⎜ 450⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 500⎠<br />
3.98 10<br />
Kp 4 −<br />
⋅<br />
1.41 10 2 −<br />
⋅<br />
1.86 10 1 −<br />
b := slope ( invT, −ln(<br />
Kp) )<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
:= ⎜ ⎟<br />
⎜ ⋅ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 1.48 ⎠<br />
a := intercept( invT, −ln(<br />
Kp) )<br />
i:= 0.. 3<br />
y := a + b⋅invT i<br />
i<br />
1<br />
invT :=<br />
i T<br />
i<br />
b 9.579 10 3<br />
= × K<br />
a = −19.595<br />
ΔH:= b⋅R ΔH 7.792 10 4<br />
10<br />
J<br />
= ×<br />
mol<br />
− ln K<br />
5<br />
⎛ pi⎞<br />
⎝ ⎠<br />
y i<br />
0<br />
5<br />
0.0018 0.002 0.0022 0.0024 0.0026 0.0028<br />
1<br />
Ti Gion Calzaferri<br />
3
Physikalische Chemie I<br />
8.4 Bei einer Reaktion werden die Wärmekapazitäten der beteiligten Substanzen durch<br />
Formeln vom Typ Cp,m = a + bT angegeben. Leiten Sie daraus eine Formel für die<br />
Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten der Reaktion her.<br />
T<br />
R<br />
0/ ( ) B<br />
0/<br />
( 1 ) p, m<br />
Δ H T = Δ H T + ∫ C dτ vg. dazu Abschnitt 2.8<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
T<br />
∫<br />
T1<br />
T2 T2<br />
2<br />
∫ 2<br />
T ∫<br />
T1 T1<br />
⎛ b ⎞ dT ⎛ a b⎞<br />
⎜aT + T dT<br />
2<br />
⎟ = ⎜ +<br />
T 2<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
T2 T2<br />
2<br />
0 /<br />
dlnK ΔRH<br />
( T)<br />
1 0/<br />
1<br />
1 −dT<br />
=−<br />
dln K =− ΔBH<br />
( T) d<br />
d =<br />
∫ 1<br />
d<br />
R<br />
R∫ 2<br />
T ∫ dlnK = lnK2 −lnK1<br />
T T<br />
T1 T1<br />
T1<br />
T<br />
T2 ⎡ T ⎤ 0/<br />
T2 T2 ⎡T⎤ K2 1<br />
0/<br />
−dT<br />
K2 ΔBH ( T1) dT dT<br />
ln =− ⎢Δ BH<br />
( T1) + ( a+ bτ) dτ⎥<br />
ln = + ⎢ ( a+ bτ) dτ⎥<br />
2 2<br />
K 2<br />
1 R∫ ⎢ ∫ ⎥ T<br />
K1R ∫ T ∫ ⎢∫ ⎥T<br />
T<br />
T1⎣ T<br />
1 T1 T1<br />
1 ⎦<br />
⎣ ⎦<br />
b 2 ⎛ b 2⎞<br />
( a+ bτ) dτ = aT + T − aT1 T1<br />
2<br />
⎜ +<br />
2<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
T1<br />
0<br />
T2 T2<br />
K ⎛ /<br />
2 ΔBH ( T1) b ⎞ 2 dT ⎛ b 2⎞dT<br />
= −aT1− T1 + aT + T<br />
2 2<br />
K ⎜ 1 R 2 ⎟ ∫ T ∫⎜<br />
2<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ T<br />
T1 T1<br />
ln<br />
T<br />
T2<br />
T1<br />
dT −1 −1<br />
= −<br />
2<br />
T T T<br />
2 1<br />
K ⎛<br />
b ⎞⎛<br />
1 1 ⎞ T b<br />
Rln H ( T ) aT T alnT T<br />
K ⎝ ⎠⎝ T T ⎠ T<br />
∫<br />
( )<br />
2 0/ 2<br />
2<br />
= ⎜ΔB1 − 1− 1 2 1<br />
1 2<br />
⎟⎜−<br />
⎟ + + −<br />
1 2 1 2<br />
T2<br />
∫<br />
T1<br />
dT T<br />
= ln<br />
T T<br />
8.5 Für die Isomerisierung von cis-2-Penten zu trans-2-Penten bei 400 K ist die<br />
Freie Standard-Reaktionsenthalpie -3.67 kJ/mol. Wie gross ist die Gleichgewichtskonstante<br />
bei dieser Temperatur?<br />
R<br />
R<br />
cis trans<br />
0<br />
Δ (400 K) = −3.67<br />
kJ/mol<br />
/<br />
RG ⎡trans⎤ K =<br />
⎣ ⎦<br />
⎡⎣cis⎤⎦ K = e<br />
K =<br />
e<br />
0<br />
RG /<br />
Δ<br />
−<br />
RT<br />
−3.67<br />
kJ/mol<br />
−<br />
J<br />
8.314<br />
mol K⋅400K K (400 K) = 3.015<br />
2<br />
1<br />
Gion Calzaferri<br />
4
Physikalische Chemie I<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
8.6 Wie gross ist die Standard-Reaktionsenthalpie einer Reaktion, wenn sich die<br />
Gleichgewichtskonstante bei einer Temperaturerhöhung von 300K auf 310K<br />
a) verdoppelt und b) halbiert ?<br />
Integrierte Gleichung von van’t Hoff:<br />
0/<br />
K2−ΔBH ⎛ 1 1 ⎞<br />
ln = ⎜ − ⎟<br />
K1 R ⎝T2 T1⎠<br />
0/<br />
K2 ΔBH ⎛T2 −T1⎞<br />
ln = ⎜ ⎟<br />
K1 R ⎝ T2T1 ⎠<br />
0/ ⎛ TT 2 1 ⎞ K2<br />
Δ BH<br />
= R⎜ ⎟ln<br />
⎝T2 −T1⎠<br />
K1<br />
2<br />
/ J ⎛310 ⋅ 300 K ⎞ K<br />
Δ BH<br />
= 8.314 ⎜ ln<br />
mol K ⎜<br />
⎟<br />
10 K ⎟<br />
⎝ ⎠ K<br />
Δ H =<br />
B<br />
a)<br />
b)<br />
0 2<br />
1<br />
kJ<br />
K<br />
0/ 2<br />
77 ln<br />
mol K1<br />
0/<br />
kJ kJ<br />
Δ BH<br />
= 77 ln2 = 53.37<br />
mol mol<br />
0/<br />
kJ 1 kJ<br />
Δ BH<br />
= 77 ln = −53.37<br />
mol 2 mol<br />
8.7 Erstellen Sie die zu den folgenden Reaktionen<br />
A+B î C<br />
C î D+E<br />
D î F+E<br />
A+G î H<br />
gehörende Stöchiometrimatrix. Wie gross ist ihre Dimension?<br />
1 A+B î C<br />
2 C î D+E<br />
3 D î F+E<br />
4 A+G î H<br />
A B C D E F G H<br />
1 ⎛ −1<br />
−1<br />
1 0 0 0 0<br />
⎜<br />
2 0 0 −1<br />
1<br />
rank⎜<br />
1 0 0<br />
3 ⎜ 0 0 0 −1<br />
1 1 0<br />
⎜<br />
4<br />
⎝ −1<br />
0 0 0 0 0 −1<br />
0 ⎞<br />
⎟<br />
0 ⎟<br />
0 ⎟<br />
⎟<br />
1 ⎠<br />
= 4<br />
Gion Calzaferri<br />
5
Physikalische Chemie I<br />
2 2 3 2<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
8.8 Diskutieren Sie das folgende Komplexgleichgewicht, in welchem L ein<br />
einzähniger und Z ein zweizähniger Ligand ist.<br />
Zahlenbeispiel: K1 = 104.3 , K2 = 103.7 , K3 = 109.5 .<br />
ML6 + Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ ML4Z+ 2 L K1<br />
ML4Z+ Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ ML2Z2 + 2 L K2<br />
ML Z + Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ MZ + 2 L K<br />
Beispiel:<br />
2 6<br />
2+ + ←⎯⎯ ⎯⎯→<br />
2 4<br />
2+<br />
+ 2 1<br />
( 2) 4<br />
2+ + ←⎯⎯ ⎯⎯→<br />
2 ( 2) 2<br />
2+<br />
+ 2 2 K2<br />
2 ( 2) 2<br />
2+ + ←⎯⎯ ⎯⎯→<br />
3<br />
2+<br />
+ 2 2 K<br />
⎣⎡Fe( OH ) ⎦⎤ bpy ⎣⎡bpyFe( OH ) ⎦⎤<br />
2 H O K<br />
⎣⎡bpyFe OH ⎦⎤ bpy ⎣⎡bpy Fe OH ⎤⎦<br />
H O<br />
⎡⎣bpy Fe OH ⎤⎦ bpy ⎡⎣bpy Fe⎤⎦ H O<br />
2<br />
Komplex-Gleichgewicht<br />
ML6 + Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ ML4Z+ 2 L K1<br />
ML4Z+ Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ ML2Z2 + 2 L K2<br />
ML2Z2 + Z ←⎯⎯ ⎯⎯→ MZ3 + 2 L K2<br />
⎛ −1<br />
1 0 0<br />
N := ⎜ 0<br />
⎜<br />
⎝ 0<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
−1<br />
−1<br />
−1<br />
⎛ M1 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
M2 ⎜ ⎟<br />
⎜ M3 ⎟ ⎛ −1<br />
1 0 0<br />
⎜ ⎟ := ⎜ 0 −1<br />
1 0<br />
⎜ M4<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ 0 0 −1<br />
1<br />
⎜ Z ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ L ⎠<br />
2 ⎞<br />
2 ⎟<br />
⎟<br />
2 ⎠<br />
−1<br />
−1<br />
−1<br />
M1=M(L 6 ), M2=M(L 4 )Z, M3=M(L 2 )(Z 2 ), M4=M(Z 3 )<br />
⎛ M01 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ M02 ⎟<br />
T<br />
2 ⎞ ⎛ ξ1 ⎞<br />
2 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
M03<br />
⋅ ξ2<br />
⎟<br />
⎜ ⎟ + ⎜ ⎟Evaluate<br />
Symbolically:<br />
2 ⎠<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ M04 ⎟<br />
⎝ ξ3 ⎠ ⎜ ⎟<br />
⎜ Z0 ⎟<br />
⎜<br />
⎝ L0<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛ M1 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
M2 ⎜ ⎟<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
−ξ1 + M01<br />
ξ1 − ξ2 + M02<br />
⎟<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎜ M3 ⎟ ⎜ ξ2 − ξ3 + M03 ⎟<br />
⎜ ⎟ := ⎜<br />
⎟<br />
⎜ M4 ⎟ ⎜ ξ3+ M04 ⎟<br />
⎜ Z ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
−ξ1− ξ2−ξ3+<br />
Z0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
⎝ L ⎠ ⎜<br />
⎝ 2⋅ξ1 + 2⋅ξ2 + 2⋅ξ3 + L0 ⎟<br />
⎠<br />
Gesucht ist die Zusammensetzung im Gleichgewicht bei vorgegebener Ligandmenge und vorgegebenem Z.<br />
Wir setzen voraus, dass Konzentrationen Mtot =M1+M2+M3+M4, Z tot und Ltot mit Mtot normiert sind.<br />
Unter dieser Voraussetzung können die Reaktionsvariablen nur Werte zwischen 0 und 1 annehmen.<br />
Häufig werden für die Lösung solcher Probleme Näherungen eingeführt.<br />
Hier ist auf einfache Art gezeigt, dass auch Lösungen ohne Näherungen möglich sind.<br />
Wir bezeichnen jetzt die Reaktionsvariablen mit 1 x, x2 , x3 und fragen nach ihren Werten bei vorgegebenen<br />
Gleichgewichtskonstanten.<br />
Es ist wichtig, dass Sie mit einer guten Schätzung für die Startwerte anfangen.<br />
Beginnen Sie z.B. mit TOL=0.3.<br />
Kleine Z 0 Werte können bei grossen Gleichgewichtskonstanten zu Konvergenzproblemen führen, wenn es<br />
nicht gelingt, gute Startwerte zu finden.<br />
Gion Calzaferri<br />
6
Physikalische Chemie I<br />
Resultat:<br />
Test auf K 3<br />
Inputdaten:<br />
Test auf K 1 :<br />
Test auf K 2 :<br />
1. Schätzwerte:<br />
Hilfsfunktion:<br />
2. Schätzwerte (= Ergebnis aus dem 1. Versuch):<br />
RECHNUNG:<br />
x1 :=<br />
<strong>Kapitel</strong> 8. Chemische Reaktionen<br />
Experimentelle Gleichgewichtskonstanten für M=Fe2+ , L=H2O, Z=2,2'-bipyridyl (Adv. Inorg. Chem. 12 (1969) 135):<br />
K1=104.3, K2=103.7, K3=109.5 Es ist leichter numerische Stabilität zu erreichen, wenn die Gleichungen logarithmiert werden.<br />
Vorgegebene Ligandmengen: L 0 =0 bedeutet, dass kein freier Ligand L zugegeben wurde.<br />
Z 0 muss zwischen 0.1 und 3.0 liegen.<br />
Z0<br />
3 .998 ⋅ Z0 if ≤ 3<br />
.999 otherwise<br />
⎡⎣ L0 + 2⋅x1+ x2 + x3 ⎤⎦<br />
qx1 ( , x2 , x3)<br />
2<br />
:=<br />
⎡⎣ Z0 − ( x1 + x2 + x3)<br />
⎤⎦<br />
Zusatzbedingungen:<br />
x1 = 0.999343774035471<br />
x1 + x2 + x3 = 2.998<br />
⎛ M1 ⎞ ⎛ −x1 + M01 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎟⎟<br />
M2 ⎜ ⎟<br />
⎜ x1 − x2 + M02<br />
⎜ M3 ⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
x2 − x3 + M03<br />
⎜ ⎟ := ⎜<br />
⎟<br />
⎜ M4 ⎟<br />
⎜ x3 + M04 ⎟<br />
⎜ Z ⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
−x1 − x2 − x3 + Z0<br />
⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ L ⎠<br />
⎜<br />
⎝ 2x1 ⋅ + 2x2 ⋅ + 2x3 ⋅ + L0<br />
⎟<br />
⎠<br />
M01 := 1<br />
LK1 := 4.3<br />
log M2 ⎛⎛<br />
⎞⎞ ⎜⎜<br />
⋅qx1<br />
( , x2 , x3)<br />
⎟⎠ ⎟⎠ = 4.3<br />
⎝⎝<br />
M1<br />
( ) qx1 ( x2 )<br />
M02 := 0<br />
x2 :=<br />
( )<br />
Given<br />
Z0<br />
3<br />
x3 :=<br />
.997 ⋅ Z0 if ≤ 3<br />
.997 otherwise<br />
x1 := 0.67<br />
M03 := 0<br />
LK1 log⎡⎣ x1 − x2 ⋅ , , x3 ⎤⎦ − log 1 − x1<br />
LK2 log⎡⎣ x2 − x3 ⋅ , , x3 ⎤⎦ − log x1 − x2<br />
LK3 log( x3⋅qx1 ( , x2 , x3)<br />
) − log ( x2 − x3)<br />
x1 + x2 + x3 < Z0<br />
M1 + M2 + M3 + M4 = 1<br />
LK2 := 3.7<br />
( ) qx1 ( x2 )<br />
( ) qx1 ( x2 )<br />
⎛ x1 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ x2 ⎟ := Minerr( x1 , x2 , x3)<br />
⎜<br />
⎝ x3<br />
⎟<br />
⎠<br />
x2 = 0.999122682303574<br />
ERR 1.728 10 13 −<br />
= ×<br />
⎛ M1 ⎞ 6.562 10<br />
⎜ ⎟<br />
M2 ⎜ ⎟<br />
⎜ M3 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ M4 ⎟<br />
⎜ Z ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ L ⎠<br />
4 −<br />
×<br />
2.211 10 4 −<br />
×<br />
1.871 10 5 −<br />
×<br />
0.999<br />
2.43 10 3 −<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎟⎟<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎟<br />
= ⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜ × ⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ 11.995 ⎠<br />
( )<br />
log⎡⎣ x2 − x3 ⋅ , , x3 ⎤⎦ − log x1 − x2 = 3.7<br />
log( x3⋅qx1 ( , x2 , x3)<br />
) − log( ( x2 − x3)<br />
) = 9.5<br />
M04 := 0<br />
Z0 := 3<br />
Z0<br />
3 .995 ⋅ Z0 if ≤ 3<br />
.995 otherwise<br />
( )<br />
( )<br />
⎛ M01 ⎞<br />
⎜ ⎟⎟ ⎛ 1 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ M02<br />
⎜ 0 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
M03 ⎜<br />
⎜ ⎟ 0 ⎟<br />
= ⎜ ⎟<br />
⎜ M04 ⎟<br />
⎜ 0 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ Z0 ⎜ 3 ⎟<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎝ L0<br />
⎟ ⎝ 6 ⎠<br />
⎠<br />
LK3 := 9.5<br />
Fuer Z 0 >3 resultieren beliebig falsche Gleichgewichtskonstanten. Ueberlegen Sie warum..<br />
( )<br />
x3 = 0.999103971536451<br />
Bemerkung: Falls kleine negative Konzentrationen auftreten, so sollten Sie die Rechnung mit besseren Schätzwerte<br />
neu starten. Empfehlung: Setzen Sie für x 1 das Ergebnis aus der ersten Rechnung<br />
(ev. dasselbe für x 2 und ev. auch für x 3 .)<br />
L0 := 6<br />
⎛ LK1 ⎞<br />
⎜ ⎟ ⎛ 4.3 ⎞<br />
⎜ LK2 ⎟ = ⎜ 3.7 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎝ LK3<br />
⎟<br />
⎠ ⎝ 9.5 ⎠<br />
Gion Calzaferri<br />
7