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Der Stechheberversuch ist ein mechanisches Modell für chemische Gleichgewichte. Du erkennst, warum Hin- und Rückreaktion gleichzeitig ablaufen, warum beide Startbedingungen zum selben Gleichgewichtszustand führen – und wie sich das in Diagrammen zeigt.
Grundlagen aus diesem Kapitel
Den Begriff der umkehrbaren Reaktion hast du auf der vorherigen Seite kennengelernt: → Umkehrbare Reaktionen
2.3 Modellexperiment – Stechheberversuch
Vergleiche dazu auch das ausgeteilte Arbeitsblatt zum Experiment.
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Versuch 1: Flüssigkeit gelangt von A nach B. Die reversible Reaktion setzt mit der „Hinreaktion" ein. Anschließend gelangt auch Flüssigkeit von B zurück nach A – es findet also auch eine „Rückreaktion" statt. Nach einiger Zeit sind die in den Rohren im gleichen Takt beförderten Flüssigkeitsportionen gleich groß geworden.
Wie könnten die Endzustände bei den Experimenten 1 und 2 aussehen?
Lösung: Endzustand Versuch 1 und 2
Versuch 1 und Versuch 2 führen zum gleichen Ergebnis – dem Gleichgewichtszustand. Unabhängig von der Startbedingung (ob die Flüssigkeit zunächst in A oder in B ist) stellt sich dieselbe Gleichgewichtsverteilung ein:
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Was für ein Diagramm bekommt man, wenn man das Volumen in den Standzylindern gegen die Anzahl der Übertragungen aufträgt? Und wie sieht das Diagramm aus, wenn man das transportierte Volumen innerhalb der Glasrohre gegen die Zeit aufträgt?
Lösung: Diagramme zum Stechheberversuch
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Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen
Gleiches Ergebnis
Versuch 1 und Versuch 2 führen zum selben Gleichgewichtszustand – unabhängig davon, von welcher Seite der Prozess startet.
Dynamisch
Im Gleichgewicht fließt noch immer Flüssigkeit in beide Richtungen – nur die transportierten Portionen sind gleich groß. Äußerlich: Stillstand. Innerlich: Aktivität.
Diagrammform
Die Kurven nähern sich asymptotisch einem konstanten Wert. Das gilt für das Volumen in den Zylindern ebenso wie für das transportierte Volumen in den Rohren.
Modellcharakter
Der Versuch ist eine mechanische Analogie. Die „Rohrdurchmesser" entsprechen den unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion.
Häufige Fragen – Stechheberversuch
Was zeigt der Stechheberversuch über chemische Gleichgewichte?
Der Stechheberversuch ist ein Modellexperiment: Zwei Standzylinder (A und B) sind über Glasrohre verbunden. Flüssigkeit wird abwechselnd von A nach B und von B nach A transportiert – analog zu Hin- und Rückreaktion. Nach einigen Schritten sind die transportierten Portionen gleich groß: Das Modell hat das dynamische Gleichgewicht erreicht. Die eigentlichen Merkmale eines chemischen Gleichgewichts findest du auf der Seite Merkmale eines chemischen Gleichgewichts.
Warum führen Versuch 1 und Versuch 2 zum gleichen Endzustand?
In Versuch 1 ist zu Beginn alles in A, in Versuch 2 alles in B. Trotzdem endet beides in derselben Gleichgewichtsverteilung. Das zeigt ein zentrales Merkmal chemischer Gleichgewichte: Der Gleichgewichtszustand ist unabhängig vom Startpunkt – er hängt nur von den Reaktionsbedingungen (Temperatur, Konzentration) ab, nicht davon, von welcher Seite man startet.
Was bedeutet „dynamisch" beim Gleichgewicht – ist da wirklich noch etwas in Bewegung?
Ja! Im Gleichgewicht hört der Transport nicht auf. Pro Schritt fließt weiterhin Flüssigkeit von A nach B und von B nach A – nur die Mengen sind gleich groß. Makroskopisch sieht es aus wie Stillstand (die Füllhöhen ändern sich nicht mehr), mikroskopisch ist das System aktiv. Deshalb: dynamisches Gleichgewicht, nicht statisches. Dasselbe Prinzip gilt für chemische Reaktionen: Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig mit gleicher Geschwindigkeit ab.
Was zeigen die zwei Diagramme des Stechheberversuchs?
Diagramm 1 (oben): Anzahl der gefüllten cm-Skalenabschnitte in den Glasrohren. Das dünne Rohr (langsamere Reaktionsrichtung) startet niedrig und steigt; das dicke Rohr (schnellere Richtung) startet hoch und fällt. Beide Kurven nähern sich asymptotisch einem gemeinsamen Plateau – dem Gleichgewichtszustand.
Diagramm 2 (unten): Das transportierte Volumen pro Schritt. Das dicke Rohr transportiert anfangs viel, das dünne wenig. Im Gleichgewicht transportieren beide pro Schritt gleich viel – die Kurven treffen sich.
Welche Grenzen hat der Stechheberversuch als Modell für chemische Gleichgewichte?
Jedes Modell hat Grenzen. Beim Stechheberversuch sind das vor allem: Die Rohrdurchmesser sind fest – in echten Reaktionen können die Reaktionsgeschwindigkeiten durch Konzentration, Temperatur oder Katalysatoren verändert werden (siehe Prinzip von Le Chatelier). Außerdem ist der Stechheberversuch diskret (schrittweise), während chemische Reaktionen kontinuierlich ablaufen. Das Modell eignet sich gut zur Veranschaulichung des dynamischen Gleichgewichts, nicht aber zur quantitativen Beschreibung.
Lernkarten – Stechheberversuch
Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.
Wofür stehen im Stechheberversuch: die Standzylinder, die Glasrohre und der Flüssigkeitstransport?
Standzylinder A/B → Edukt- und Produktseite · Glasrohre → Reaktionswege (Hin- / Rückreaktion) · Flüssigkeitstransport → Stoffumsatz pro Zeiteinheit
Warum führen Versuch 1 (Start: alles in A) und Versuch 2 (Start: alles in B) zum gleichen Gleichgewicht?
Der Gleichgewichtszustand hängt nur von den Bedingungen (Rohrdurchmesser = Geschwindigkeit) ab, nicht vom Startpunkt. Das gilt ebenso für chemische Gleichgewichte.
Erkläre: Im Gleichgewicht des Stechheberversuchs bewegen sich die Füllhöhen nicht mehr – und trotzdem ist das Gleichgewicht „dynamisch". Wie passt das zusammen?
Makroskopisch: Füllhöhen konstant. Mikroskopisch: Flüssigkeit fließt weiterhin in beide Richtungen, aber in gleich großen Portionen. → dynamisch = gleichzeitig aktiv in beide Richtungen.
Beschreibe die Form der Kurven im Diagramm „transportiertes Volumen gegen Reaktionsschritte".
Dickes Rohr: startet hoch, fällt exponentiell. Dünnes Rohr: startet niedrig, steigt. Beide nähern sich asymptotisch einem gemeinsamen Wert → Gleichgewichtszustand.
Im GG-Zustand transportiert das dünne Rohr pro Schritt 2 ml. Das dicke Rohr hat doppelten Durchmesser. Wie viel ml transportiert es pro Schritt und wie viel insgesamt in 10 Schritten?
Im GG gilt: Transport Hin = Transport Rück. Dickes Rohr transportiert ebenfalls 2 ml pro Schritt. In 10 Schritten: 10 · 2 ml = 20 ml in jede Richtung.
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