Aufgabe 4.2 · Abitur Hessen Chemie LK 2022

Chemische Synthesen mit Phosgen

Phosgen (Carbonyldichlorid) wurde 1812 von John Davy entdeckt und ist eine bei Raumtemperatur gasförmige süßlich-faul riechende Verbindung. Der Name Phosgen leitet sich von der photoinduzierten Addition von Chlorgas an Kohlenstoffmonooxid ab. In einigen Kriegen wurde Phosgen aufgrund seiner hohen Toxizität als tödlicher chemischer Kampfstoff eingesetzt und ist seitdem durch die internationale Chemiewaffenkonvention geächtet.

Trotz seiner Toxizität ist Phosgen eine in der chemischen Industrie vielseitig einsetzbare Verbindung: So wird durch die Reaktion von Phosgen mit Bisphenol A der Kunststoff Polycarbonat gebildet, der aufgrund seiner Transparenz häufig als Alternative zum Glas eingesetzt wird.

Reagiert Phosgen hingegen mit Benzol (Benzen), so kann Benzoesäure hergestellt werden, die in Weihrauch oder verschiedenen Früchten enthalten ist. Sowohl Benzoesäure als auch einige ihrer Salze, die sogenannten Benzoate, werden als Zusatzstoffe in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Material 3

Massenwirkungskonstante und Reaktionsquotient Q – Voraussage der Richtung einer chemischen Reaktion

Die Gleichgewichtskonstante $K_c$ beschreibt mithilfe des Massenwirkungsgesetzes rechnerisch die Lage eines sich im Gleichgewicht befindenden Systems.

Bei einer Temperatur von $100\ ^\circ\text{C}$ gilt für die Bildungsreaktion von Phosgen für die Gleichgewichtskonstante $K_c = 4{,}57\cdot 10^9\ \frac{\text{L}}{\text{mol}}$.

Für Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden, lässt sich analog zur Berechnung von $K_c$ mithilfe der aktuellen Konzentrationen der sogenannte Reaktionsquotient $Q$ berechnen.

Der Vergleich der Werte von $K_c$ und $Q$ ermöglicht eine Voraussage über die Richtung, in die eine Reaktion bevorzugt ablaufen wird, die sich noch nicht im Gleichgewicht befindet.

In einem Experiment werden die Stoffe in ein Reaktionsgefäß gegeben, sodass sie zu Beginn in folgenden Konzentrationen vorliegen:

$c(\text{CO}) = 3{,}3\cdot 10^{-6}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

$c(\text{Cl}_2) = 6{,}62\cdot 10^{-6}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

$c(\text{COCl}_2) = 2{,}0\cdot 10^{-10}\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$

Die Temperatur beträgt $100\ ^\circ\text{C}$, alle Stoffe sind gasförmig.

4.2

Formulieren Sie für die Reaktion von Kohlenstoffmonooxid und Chlor zu Phosgen (Material 1) das auf der Reaktionsgleichung basierende Massenwirkungsgesetz.

Berechnen Sie mithilfe von Material 3 den Reaktionsquotienten Q für das im Material dargestellte Experiment.

Begründen Sie auf Grundlage der Berechnung, ob die Reaktion im Gefäß in Richtung der Edukte oder der Produkte abläuft.

Fassen Sie die Definition für den Begriff „chemisches Gleichgewicht“ zusammen und beschreiben Sie allgemein die Aussage des Prinzips vom kleinsten Zwang.