Anorganische Chemie

Boudouard Gleichgewicht

Du hast vor kurzem etwas vom Boudouard Gleichgewicht gehört und möchtest jetzt noch mehr über dieses spannende Thema erfahren? Kein Problem, denn hier erklären wir dir wie du mit dem Prinzip von Le Chatelier, CO in CO_2 effektiv umwandeln kannst.

Falls du das Ganze lieber in geballter Form in einem Video anschauen möchtest, dann klicke doch auf unser Video !

Inhaltsübersicht

Boudouard Gleichgewicht einfach erklärt

Das Boudouard Gleichgewicht beschreibt das chemische Gleichgewicht der Reaktion von Kohlenstoffmonoxid CO zu Kohlenstoffdioxid CO_2.

Merke
Diese Reaktion entspricht einer Komproportionierung, also einem Spezialfall der Redoxreaktion.

Wenn man sich die Oxidationszahlen von Kohlenstoff ansieht, erkennt man, dass sie sich von anfangs +II, in zwei verschiedene Oxidationszahlen aufteilt, nämlich 0 und +IV.

+II                  +IV              0

2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s)

Boudouard-Gleichgewicht und Prinzip von Le Chatelier

Das Boudouard-Gleichgewicht ist eine Reaktion, deren Gleichgewichtslage sich hervorragend über das Prinzip von Le Chatelier beschreiben lässt. Das heißt man kann mit diesem Prinzip einfach vorhersagen, ob das chemische Gleichgewicht unter gegebenem Druck und Temperatur auf der Edukt- oder auf der Produktseite liegt.

Boudouard Gleichgewicht Druckabhängigkeit

Zuerst zur Druckabhängigkeit der Reaktion. Schauen wir uns dazu nochmal die Reaktionsgleichung an:

 2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s)

Das Prinzip von Le Chatelier sagt für Reaktionen in der Gasphase aus, dass bei einer Druckerhöhung sich das Gleichgewicht auf die Seite der Reaktion schiebt, auf der weniger Teilchen in der Gasphase sind. Schaut man sich obige Gleichung an, sieht man, dass auf der Eduktseite zwei CO Teilchen in der Gasphase sind und auf der Produktseite nur ein Teilchen in der Gasphase ist. Kohlenstoff liegt in fester Form vor und zählt daher nicht mit. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Seite vom Kohlenstoffdioxid, wenn man den Druck erhöht.

Man sollte dabei beachten, dass sich hierbei nicht die Gleichgewichtskonstante an sich ändert, sondern nur die Partialdrücke der Reaktanden im Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante:

K= \frac {p_{CO_2}}{p_{CO}^2}

K =Gleichgewichtskonstante; p_{CO} =Partialdruck CO; p_{CO_2} =Partialdruck CO_2

Boudouard Gleichgewicht Temperaturabhängigkeit

Desweiteren kann man das Boudouard Gleichgewicht auch über die Temperatur beeinflussen. Schauen wir uns dazu wieder an, was das Prinzip von Le Chatelier dazu sagt. Nach dem Prinzip von Le Chatelier wird bei exothermen Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung das Gleichgewicht auf die Seite der Edukte verschoben.

 2CO (g) \longrightarrow CO_2(g) + C(s) \Delta H=-172,5 kJ/mol

 \Delta H= Reaktionsenthalpie

Man sieht am negativen Vorzeichen der Reaktionsenthalpie, dass die Reaktion von CO zu CO_2 exotherm ist. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung also auf die Seite von CO. Wenn man die Partialdrücke von CO und CO_2 über einen breiteren Temperaturbereich aufträgt, ergibt sich folgende Kurve.

Boudouard Gleichgewicht, Kurve, Temperaturabhängigkeit
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Boudouard Gleichgewicht Temperaturabhängigkeit

Man erkennt, dass bei steigenden Temperaturen der Partialdruck von CO deutlich ansteigt, sich also das Gleichgewicht deutlich auf die Seite von CO verschiebt.

Anwendungen des Boudouard Gleichgewichts

Jedoch kann man am Boudouard Gleichgewicht nicht nur gut chemische Grundprinzipien wie das Prinzip von Le Chatelier gut erkären, das Boudouard Gleichgewicht hat auch in der Industrie einige Bedeutung.

Boudouard Gleichgewicht im Hochofenprozess

Wie schon gesagt, ist die Boudouard Gleichgewicht im Hochofenprozess von zentraler Bedeutung. Dort reduziert das Kohlenstoffmonoxid den Rohstoff Eisenerz in mehreren Reaktionsschritten zu elementarem Eisen. Eine Reaktion, die dabei abläuft, ist folgende:

+II     +II                                 +IV         0

FeO + CO \longrightarrow CO_2+ Fe

Man erkennt an den Oxidationszahlen: Eisenoxid wird reduziert und Kohlenstoffmonoxid wird oxidiert zu CO_2. Da im Hochofen konstant hohe Temperaturen von über 1000°C herrschen, wird ständig das bei der Reduktion von Eisenoxid entstehende CO_2 wieder zurückverwandelt werden über das Boudouard Gleichgewicht:

CO_2 (g) + C(s) \longrightarrow 2CO(g)

Somit kann der Prozess immer weiter stattfinden bis gar keine Kohle mehr da ist. Das beim Hochofenprozess entstandene Roheisen kann man dann später in den wichtigen Baustoff Stahl umwandeln. Falls du jetzt noch einmal Lust bekommen hast mehr über den Hochofenprozess zu erfahren, dann klicke doch hier .

Boudouard Gleichgewicht Generatorgas

Im 19. und 20. Jh. haben die Leute hauptsächlich noch mit Kohle geheizt. Beim Heizen mit Kohle handelt es sich um eine Reaktion von Kohlenstoff mit Sauerstoff:

C + O_2 \longrightarrow CO_2

Dabei handelt es sich um eine stark exotherme Reaktion, die also viel Wärme erzeugt. Allerdings kann man diese nicht nur zum Heizen verwenden, sondern sie wird auch für das Boudouard Gleichgewicht wieder aufgewandt:

CO_2 (g) + C(s) \longrightarrow 2CO(g) \DeltaH =+172,5kJ/mol

Die Reaktion von CO_2 zu CO ist endotherm und somit wird durch die frei werdende Hitze auch wieder Kohlenmonoxid erzeugt.

Früher hat man das bei der Kohleverbrennung entstandene Generatorgas hauptsächlich zum Erhitzen des Stahls in der Härte- und Glühindustrie verwendet.

Allerdings muss man auch beim heimischen Betrieb von Kohleöfen in geschlossenen Räumen aufpassen. Denn beim Verbrennen von Holz laufen genau die obigen Reaktionen ab. Es entsteht also auch Kohlenmonoxid. Auch die niedrigen Temperaturen im Zimmer, bei denen eigentlich kein CO vorliegen sollte, schützen nicht. Denn die Umwandlung vom giftigen CO in das ungefährliche CO_2 benötigt eine gewisse Aktivierungsenergie, die bei Raumtemperatur aber nicht vorhanden ist. Es ist also metastabil. Also liegt auch bei Raumtemperatur eine gewisse Konzentration von CO vor, die auch schädlich ist.

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