Aufgabe 1.2–1.4 - Chemisches Gleichgewicht · Abitur Hessen Chemie GK 2021

1.2 Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die von Sabatier entdeckte Reaktion und erläutern Sie die Lage des Gleichgewichts für den Fall, dass der Zahlenwert für Kc deutlich kleiner als 1 ist.

Lösung: Massenwirkungsgesetz: $$K_c = \frac{c(\text{CH}_4) \cdot c^2(\text{H}_2\text{O})}{c(\text{CO}_2) \cdot c^4(\text{H}_2)}$$ Erläuterung der Lage des Gleichgewichts: Der $K_c$-Wert hat einen Wert kleiner als 1. Daher ist das Produkt der Konzentrationen der Produkte kleiner als das Produkt der Konzentrationen der Edukte. Das chemische Gleichgewicht liegt also auf Eduktseite.

1.3 Beschreiben Sie die Kurvenverläufe im Material.

Lösung: Dargestellt ist jeweils die Ausbeute von Methan ($\text{CH}_4$) in Prozent bei verschiedenen Drücken in Abhängigkeit von der Temperatur (im Bereich von 400 °C bis 1000 °C). Dabei ergeben sich prinzipiell ähnliche Kurvenverläufe. Alle Kurven fallen mit zunehmender Temperatur mehr oder weniger stark ab, d. h. die Ausbeute von Methan sinkt jeweils mit zunehmender Temperatur. Je höher der Druck (bei gleichbleibender Temperatur), desto größer ist die Ausbeute von Methan.

1.3 a) Erklären Sie den Einfluss einer Temperaturerhöhung bei konstantem Druck auf das Sabatier-Gleichgewicht:

Lösung: Bei einer Temperaturerhöhung bei konstantem Druck sinkt gemäß Material die Ausbeute an Methan. Das Gleichgewicht verschiebt sich auf die Eduktseite, d. h. die Reaktion von Methan und Wasser ist endotherm. Nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs fördert eine Temperaturerhöhung die wärmeverbrauchende Rückreaktion.

1.3 b) Erklären Sie den Einfluss einer Druckerhöhung bei gleichbleibender Temperatur auf das Sabatier-Gleichgewicht:

Lösung: Bei einer Druckerhöhung bei gleichbleibender Temperatur erhöht sich gemäß Material die Ausbeute an Methan. Das Gleichgewicht verschiebt sich auf die Produktseite, da im Sabatier-Gleichgewicht aus 5 mol gasförmiger Edukte 3 mol gasförmiger Produkte entstehen. Nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs fördert eine Druckerhöhung die Reaktion, bei der weniger gasförmige Teilchen entstehen.

1.3 c) Erklären Sie den Einfluss einer kontinuierlichen Entfernung von Methan aus dem Reaktionsgemisch auf das Sabatier-Gleichgewicht:

Lösung: Bei einer kontinuierlichen Entfernung von Methan aus dem Reaktionsgemisch erhöht sich die Ausbeute an Methan. Die kontinuierliche Entfernung von Methan entspricht einer Konzentrationserniedrigung und stört bzw. verhindert die Einstellung eines chemischen Gleichgewichts. Nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs fördert die kontinuierliche Entfernung von Methan die Reaktion zur Bildung von (weiterem) Methan.

1.4 Beurteilen Sie die Anwendung der Sabatier-Reaktion im Rahmen der Energiewende und der Diskussion zum Klimawandel im Hinblick auf mindestens drei Aspekte.

Lösung: Bei der Bearbeitung dieser Aufgabe können unterschiedliche Schwerpunkte gesetzt werden. Folgende Aspekte können unter anderem genannt werden: - negativer Beitrag von Kohlenstoffdioxid aus fossilen Brennstoffen zur Klimaerwärmung - stoffliche Verwertung des unerwünschten Treibhausgases Kohlenstoffdioxid in der Sabatier-Reaktion - Speicherung und Transport der Energie in Form von Methan unabhängig vom Stromnetz - Beitrag zur Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen und damit zur Förderung der Energiewende - Strombedarf für die Elektrolyse; Herkunft des Stroms aus erneuerbaren Energien ist nicht gewährleistet Hinweis: Die drei in der Beurteilung aufzuführenden Aspekte müssen klare Bezüge zum Klimawandel und zur Energiewende erkennen lassen.