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Chemisches Gleichgewicht Learncard 6771876

Question

Das Boudouard-Gleichgewicht


Wenn man Luft in sog. „Generatoröfen“ durch eine 1–3 m mächtige Koksschicht leitet und den Koks von unten her entzündet, verbrennt der Kohlenstoff im unteren Bereich zu Kohlenstoffdioxid, da hier ein Luftüberschuss vorhanden ist. Im oberen Teil erhält man ein Gasgemisch, das außer Kohlenstoffdioxid und den nicht reagierenden Bestandteilen der Luft Kohlenstoffmonooxid enthält. Untersuchungen ergaben folgende Volumenverhältnisse:

  1. Formulieren Sie jeweils die Reaktionsgleichung für die Bildung von Kohlenstoffdioxid und Kohlen- stoffmonooxid.
  2. Zeichnen Sie mit Hilfe der Tabellenwerte ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit des Volumenverhältnisses von Kohlenstoffmono- und - dioxid zeigt (x-Achse als Temperaturkoordinate).
  3. Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die Gleichgewichtsreaktion zur Bildung von Kohlen- stoffmonooxid.
  4. Erläutern Sie die Veränderung der Gleichgewichtskonstanten mit steigender Temperatur.
  5. Lässt sich die Lage des Gleichgewichts durch Druckveränderungen beeinflussen? Begründen Sie.
  6. Welche Aussage kann man über die Reaktionsenthalpie bei der Bildung von Kohlenstoffmonooxid machen? Begründen Sie.
Answer

Das Boudouard-Gleichgewicht






  3. bzw.
  4. Kp und Kc werden größer, da bei erhöhter Temperatur mehr Kohlenstoffmonooxid gebildet wird.
  5. Da sich die Anzahl der Gasteilchen bei der Reaktion ändert (Volumen vergrößernde Reaktion), ist die Lage des Gleichgewichts vom Druck abhängig.
  6. Die Reaktionsenthalpie muss positiv sein, da bei hohen Temperaturen nach Le Chatelier und Braun endotherme (Wärme verbrauchende) Reaktionen begünstigt werden, also ΔrH > 0.


Wissensteil:


Das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid bei Anwesenheit von glühendem Kohlenstoff nennt man Boudouard-Gleichgewicht. Es stellt ein typisches heterogenes Gleichgewicht dar, bei dem bei der Formulierung des Massenwirkungsgesetzes die als konstant anzusehende Konzentration (Aktivität) des Feststoffes nicht berücksichtigt werden muss. Große Bedeutung besitzt das Boudouard-Gleichgewicht beim Hochofenprozess.


Aufbau eines Hochofens und Reaktionszonen

Der Hochofen arbeitet nach dem Gegenstromprinzip: Möller und Koks wandern kontinuierlich einem heißen Gasstrom entgegen. Im Bereich der Windformen (Verbrennungs- und Schmelzzone) reagiert der Sauerstoff des Heißwinds mit dem Kohlenstoff des Kokses zu Kohlenstoffdioxid. Diese stark exotherme Reaktion liefert den Hauptteil der Wärme im Hochofen. Das gebildete Kohlenstoffdioxid wird beim Aufstieg durch den glühenden Koks wieder zu Kohlenstoffmonooxid reduziert, dabei bildet sich das Boudouard-Gleichgewicht aus. Die Lage dieses Gleichgewichts ist temperaturabhängig, bei 900–1000 °C liegt fast ausschließlich Kohlenstoffmonooxid vor.


Dieses reduziert die Eisenoxide und wird dabei selbst zu Kohlenstoffdioxid oxidiert, das wiederum in der nächsten Koksschicht zu Kohlenstoffmonooxid reduziert wird. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis weiter oben im Hochofen bei Temperaturen bis ca. 700 °C nach dem Boudouard-Gleichgewicht der Anteil von Kohlenstoffdioxid überwiegt. Bei der Bildung von Kohlenstoffdioxid entsteht fein verteilter Kohlenstoff, der im unteren Teil des Schachtes, in dem die Temperatur ausreichend hoch ist, auch unmittelbar als Reduktionsmittel wirken kann.

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