Stickoxidabgase im Gleichgewicht

Im Jahr 2015 wurde Deutschland aufgrund hoher Stickoxid-Werte von der EU verklagt. Die Anzahl der Überschreitungen des EU-Grenzwerts ist seitdem rückläufig, trotzdem überschritten 2019 noch 20 % aller gemessenen Städte den Wert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter.

 

Stickoxide, wie bspw. NO, NO2 oder N2O4 wirken auf den Menschen giftig. Hauptquelle sind Automotoren im Straßenverkehr. Beim Austritt aus dem Auspuff bildet sich aus Stickstoffmonoxid (NO) zusammen mit Sauerstoff aus der Luft Stickstoffdioxid (NO2).

 

Stickstoffdioxid gilt als Indikator für die Luftqualität. Unerwähnt bleibt dabei häufig, dass sich dieses braune Gas in der Atemluft in einem chemischen Gleichgewicht mit dem farblosen Gas Distickstofftetraoxid (N2O4) befindet (vgl. Gleichung unten).

 

Das entstehende Gleichgewicht erschwert die Bestimmung der tatsächlichen Stickstoffdioxidbelastung in der Umgebungsluft zur Beurteilung von Grenzwerten, weil das entstehende NO2 teilweise zu N2Oweiterreagiert.

Phase 1: Zeichnung


Stelle dir zwei identische Behälter bei Raumtemperatur vor. In den linken Behälter füllst du 12 Moleküle NO2 (100 % NO2) und in den rechten Behälter 6 Moleküle N2O(100 % N2O4). Dann wartest du, bis sich in beiden Behältern ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat.


Aufgabe:

Zeichne den Zustand im Gleichgewicht (GGW) ausgehend von den unterschiedlichen Startbedingungen und erläutere deine Vorstellungen in den vorgesehenen Feldern.


 

Gleichgewichtszustand im linken Behälter

Gleichgewichtszustand im rechten Behälter

Beschreibe deine Zeichnungen und erläutere deine Vorstellungen:



Hilfe: Wie stelle ich die beiden Stoffe in meiner Zeichnung dar?

Zur Vereinfachung der Zeichnung steht die braune Kugel als einzelnes Teilchen für Stickstoffdioxid (in der Realität besteht allein dieses Molekül aus drei Atomen). Distickstofftetraoxid besteht dementsprechend aus zwei Teilchen Stickstoffdioxid (in der Realität damit aus sechs Atomen) und wird zur besseren Unterscheidung mit zwei farblosen Kugeln dargestellt.

Phase 2: Simulation Teil 1


Aufgabe 1:

Beobachte wie sich das Chemische Gleichgewicht zwischen Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid ausgehend von unterschiedlichen Startbedingungen bei Raumtemperatur einstellt. HinweisDie Simulation stoppt automatisch.


 

Hilfe: Wie funktioniert die Simulation?

Phase 2: Simulation Teil 1


Aufgabe 1:

Beobachte wie sich das Chemische Gleichgewicht zwischen Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid ausgehend von unterschiedlichen Startbedingungen bei Raumtemperatur einstellt. HinweisDie Simulation stoppt automatisch.


 

Erkläre, warum sich die Konzentrationen im Gleichgewichtszustand nicht mehr ändern:



Hilfe: Wie funktioniert die Simulation?

Hilfe: Worauf muss ich achten?

Die Reaktionsrate beschreibt die Anzahl an erfolgreichen Zusammenstößen zwischen Reaktionspartnern. Bei der Einstellung und im Gleichgewichtszustand entspricht dies der Anzahl an Hin- und Rückreaktionen pro Zeiteinheit.

Achte mit Hilfe der Simulation auf die Anzahl an Hinreaktionen (Bildung von N2O4) und Rückreaktionen (Spaltung von N2O4) pro Zeiteinheit. Kannst du einen Unterschied zwischen dem Beginn der Simulation und dem Gleichgewichtszustand erkennen?

Phase 3: Überprüfung der Zeichnung


Aufgabe:

Sieh dir deine anfänglichen Zeichnungen nochmal an. Überlege, welche neuen Inhalte du durch die Simulation gelernt hast. Ergänze deine Zeichnungen oder fertige neue Zeichnungen an. Erläutere anschließend erneut deine Vorstellungen.


 

1. Gleichgewichtszustand im linken Behälter

2. Gleichgewichtszustand im rechten Behälter

Beschreibe deine Zeichnungen und erläutere deine Vorstellungen erneut:



Hilfe: Wie stelle ich die beiden Stoffe in meiner Zeichnung dar?

Zur Vereinfachung der Zeichnung steht die braune Kugel als einzelnes Teilchen für Stickstoffdioxid (in der Realität besteht allein dieses Molekül aus drei Atomen). Distickstofftetraoxid besteht dementsprechend aus zwei Teilchen Stickstoffdioxid und soll zur Unterscheidung mit zwei farblosen Kugeln dargestellt werden.

 

Phase 4: Anwendung


Ein geschlossener Behälter ist bei Raumtemperatur zu Beginn mit gasförmigem Wasserstoff und gasförmigem Iod (100 %) gefüllt. Die beiden Stoffe reagieren zu Iodwasserstoff (siehe Gleichung unten). Zeitgleich zerfällt ein Teil des Iodwasserstoffs wieder zurück in die beiden Edukte. Die Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion (Zerfall) ist etwas kleiner, d.h. die Rückreaktion ist prinzipiell etwas langsamer als die Hinreaktion (Bildung). Nach einiger Zeit stellt sich ein Zustand ein, in dem sich die Konzentrationen der Edukte und Produkte nicht mehr ändern.


Aufgabe:

Betrachte die abgebildeten Konzentrations-Zeit-Diagramme zum beschriebenen Gleichgewicht. Wähle das Diagramm aus, das die Entstehung und den Zustand im Gleichgewicht deiner Meinung nach abbildet und begründe deine Wahl im vorgesehenen Feld.


 

Option A
Option A
Option B
Option B
Option C
Option C

Begründe deine Wahl:



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GGW linker Behälter (ausgehend von 100 % Stickstoffdioxid)
Erste Zeichnung
Zweite Zeichnung
GGW rechter Behälter (ausgehend von 100 % Distickstofftetraoxid)
Erste Zeichnung
Zweite Zeichnung
Beschreibung erste Zeichnung Keine Angabe
Beschreibung zweite Zeichnung Keine Angabe
Simulationsaufgabe: Erkläre, warum sich die Konzentrationen im Gleichgewicht nicht mehr ändern Keine Angabe
Anwendungsaufgabe: Ausgewähltes Diagramm Keine Angabe
Anwendungsaufgabe: Begründung der Auswahl Keine Angabe
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