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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

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