Keemia 3.praktikum - keemiline tasakaal ja reaktsioonikiirus (1)

Laboratoorne töö 3
Keemiline tasakaal ja reaktsioonikiirus
Eksperimentaalne töö 1
Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
Töö ülesanne ja eesmärk:
Le Chatelier ' printsiip – reaktsiooni tasakaalu nihkumise uurimine lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutmisel.
Sissejuhatus
Pöörduvad reaktsioonid on reaktsioonid, mis kulgevad nii ühes kui teises suunas ja reaktsiooni lõpuks moodustuvas ainete segus on nii lähteaineid kui saadusi. Fikseeritud tingimustel saabub selliste reaktsioonide puhul mingil hetkel olukord, kus ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu. Sellist olukorda nimetatakse keemiliseks tasakaaluks.
Pöörduva reaktsiooni võrrand üldkujul:
aA + bB ↔ cC + dD
Tasakaaluoleku matemaatiliseks kirjeldamiseks kasutatakse tasakaalukonstanti (KC)
[A]...[D] – ainete A...D kontsentratsioonid tasakaaluolekus
a, b, c, d – koefitsiendid reaktsioonivõrrandist
Le Chatelier’ printsiip
Tingimuste muutmine tasakaalusüsteemis kutsub esile tasakaalu nihkumise suunas, mis paneb süsteemi avaldama vastupanu tekitatud muutusele.

• Lähteainete kontsentratsiooni suurendamine nihutab reaktsiooni tasakaalu paremale
  
• Temperatuuri tõstmine nihutab endotermilise reaktsiooni tasakaalu paremale, eksotermilise reaktsiooni tasakaalu vasakule
  
• Rõhu tõstmine gaasiliste ainete osavõtul kulgevates reaktsioonides nihutab tasakaalu suunas, kus gaasiliste ainete molekulide arv väheneb
  

Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid:
Katseklaaside komplekt.
Kasutatavad ained:
FeCl3 ja NH4SCN küllastatud lahused , tahke NH4Cl.
Kasutatud uurimis - ja analüüsimeetodid ning metoodikad:
Kirjutada välja tasakaalukonstandi avaldis raud(III)kloriidi (FeCl3) ja ammooniumtiotsüaniidi (NH4SCN) lahuste vahelisele reaktsioonile.
FeCl3(aq) + 3NH4SCN(aq) -> Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq) punane
Hinnata, millises suunas nihkub tasakaal kui suurendada:
a) FeCl3 kontsentratsiooni, siis tasakaal nihkub paremale.
b) NH4SCN kontsentratsiooni, siis tasakaal nihkub paremale.
c) NH4Cl kontsentratsiooni, siis tasakaal nihkub vasakule.
Hinnata tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCN või FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu enam.
Enam mõjutab tasakaalu FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine
Kontrollida tasakaalu nihkumist katseliselt. Selleks võtta keeduklaasi 20 ml destilleeritud vett ja lisada 1 tilk küllastatud FeCl3 lahust ning 1 tilk NH4SCN lahust. Segada hoolikalt ning jagada tekkinud punane lahus võrdsete osadena nelja katseklaasi.
Lahuse punane värvus on tingitud reaktsioonil tekkivast raud(III)tiotsüaniidis, kus värvi intensiivsus oleneb tema kontsentratsioonist. Reaktsiooni tasakaalu nihkumist on lihtne jälgida lahuse värvuse muutumise järgi.

• Esimene katseklaas jätta võrdluseks.
  
• Teise katseklaasi lisada kaks tilka FeCl3. Mida võib tähele panna? Kummas suunas nikub tasakaal? – Lahus muutub tumedamaks kui esimeses katseklaasis ning tasakaal nihkub tugevalt saaduste tekkimise suunas.
  
• Kolmandasse katseklaasi lisada 2 tilka NH4SCN lahust. Kummas suunas nihkub tasakaal? Kas muutus on suurem või väiksem võrreldes FeCl3 lisamisega? – Lahus muutub tumedamaks kui esimeses katseklaasis, kuid jääb heledamaks kui esimeses katseklaasis (muutus on väiksem võrreldes FeCl3 lisamisega), tasakaal nihkub jälle saaduste tekkimise suunas.
  
• Neljandasse katseklaasi lisada tahket NH4Cl ja loksutada tugevasti. Kuidas muutub lahuse värvus? Anda selgitus. – Lahus muutub heledamaks, raud(III)tiotsüaniidi värvi intensiivsus on väiksem, seega tema kontsentratsioon on väiksem – reaktsioon on lähteainete suunas nihkunud.
  

Eksperimentaalne töö 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Töö eesmärk:
Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Sissejuhatus
Reaktsioonikiirus homogeenses süsteemis näitab reageerivate ainete kontsentratsioonide muutust ajaühikus

• Lähteainete kontsentratsiooni tõstmine suurendab reaktsioonikiirust
  

Kiirus v1 sõltub lähteainete kontsentratsioonidest järgmiselt:
k1 – reaktsiooni kiiruskonstant
p – reaktsiooni järk aine A suhtes
q – reaktsiooni järk aine B suhtes
p+q – reaktsiooni summaarne järk

• Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on reaktsioonikiirus
  

vt1 - reaktsioonikiirus temperatuuril t1
vt2 – reaktsioonikiirus temperatuuril t2
γ – reaktsiooni temperatuuritegur (γ ≈ 2...4)
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid:
1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus, büretid, katseklaaside komplekt (8 tk), kummikork, pesupudelid, suurem keeduklaas , termomeeter, elektripliit .
Kasutatud uurimis-ja analüüsimeetod ning metoodikad:
Reaktsioonikiiruse sõltuvust reageerivate ainete kontsentratsioonist ning temperatuurist on hea vaadelda väävelhappe ning naatriumtiosulfaadi vahelise reaktsiooni abil.
Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O +SO2 + S↓
Selles reaktsioonid tekkiv hägune väävlisade on hõlpsasti jälgitav ning suhteliselt lahjade (~1%) lahuste korral on ajavahemik lahuste kokkuvalamise hetkeks kuni hägu tekkeni mõni minut. (Töö õnnestumise eelduseks on puhtus – katseklaasid tuleb hoolikalt pesta kraanivee ning harjaga ja destilleeritud veega, büretid loputada töölahusega).
Katse 1
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist:
Kaheksa katseklaasi jagada neljaks paariks. Ühes katseklaasis igast paaris on väävelhappelahus, teises naatriumtiosulfaadi lahus, mille kontsentratsioon paariti erineb. Algul täita neli katseklaasi H2SO4 lahusega – igasse katseklaasi 6 cm3 (6 ml). Erineva kontsentratsiooniga Na2S2O3 lahused valmistada järgmiselt:
Ühte katseklaasi mõõta 6 cm3 Na2S2O3 lahust,
Teise 4 cm3 Na2S2O3 lahust ja 2 cm3 destilleeritud vett,
Kolmandasse 3 cm3 Na2S2O3 lahust ja 3 cm3 vett,
Neljandasse 2 cm3 Na2S2O3 lahust ja 4 cm3 vett.
Katses mõõta aega lahuste kokkuvalamise momendist kuni hetkeni, mil lahus on muutunud häguseks. Selleks võtta esimene paar, valada lahused ühte katseklaasi kokku, sulgeda katseklaas korgiga ning segada katseklaasi kiiresti paar korda ümber pöörates. Samal momendil fikseerida kella või stopperiga katse algus ning, kui tekib hägu, katse lõpp. Samamoodi toimida teise, kolmanda ja neljanda paariga. Et aega kokku hoida, võib ülejäänud paarid omavahel kokku valada enam-vähem korraga, kiiresti kõik läbi segada, käivitada kell ning oodata hägu tekkimist algul teises, siis kolmandas ja lõpuks neljandas paaris, milles on Na2S2O3 kontsentratsioon kõige väiksem. Mõõdetud ajavahemikud fikseerin tabelis.
Katseklaaside paar
Na2S2O3
maht cm3
H2O
maht cm3
Na2S2O3
suhteline kontsentratsioon
Aeg t
sek
Reaktsiooni kiirus
v=1/t min-1
1
6
0
6
70
0,014
2
4
2
4
85
0,011
3
3
3
3
102
0,009
4
2
4
2
140
0,007
Graafik :
Reaktsioonikiiruse v sõltuvus reageerivate ainete kontsentratsioonist v=f(C)
Katse 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist:
Kui katseklaasid on hoolikalt pestud, võib alustada järgmist katset. Jällegi võtta neli paari katseklaase. Et neid hiljem mitte segi ajada, märgistada Na2S2O3 lahust sisaldavad katseklaasid ühtmoodi ja katseklaasid väävelhappelahusega teistmoodi.
Üks katseklaas igast paaris täita 4 cm3 väävelhappelahusega, teine 4 cm3 Na2S2O3 lahusega. Edasi täita poolenisti veega üks suurem keeduklaas ning asetada sinna kõik katseklaasid ning termomeeter. Siis tõsta keeduklaas koos katseklaasidega elektripliidile ning hakata jälgima temperatuuri tõusu.
Katsed sooritada temperatuuridel 30⁰C, 40⁰C, 50⁰C, 60⁰C.
Kui temperatuuri on jõudnud ~32⁰C, tõsta keeduklaas koos katseklaasidega pliidilt maha, võtta kätte esimese paari katseklaasid, valada lahused kokku, segada kiiresti ning asetada siis katseklaas kohe sooja vette tagasi. Mõõta aega lahuste kokkuvalamise hetkest kuni hägu tekkimiseni.
Seejärel võib keeduklaasi uuesti pliidile asetada ning tõsta temperatuuri ~42 °C-ni. Siis võtta keeduklaas taas pliidilt ning korrata katset järgmise lahustepaariga. Oluline on, et hägu teket jälgitaks sooja vee sees. Vastasel juhul jahtub katseklaas kiiresti maha ning saadakse vale sõltuvus. Samamoodi tehakse kõik neli katset. Katsetulemused fikseerin tabelis.
Katseklaaside paar
Katse temperatuur t
Aeg t sek
Reaktsioonikiirus v=1/t sek-1
1
30⁰C
25
0,04
2
40⁰C
15
0,06
3
50⁰C
10
0,1
4
60⁰C
5
0,2
Graafik:
Reaktsioonikiiruse v sõltuvus katse temperatuurist v = f (t)
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs:
Keskmise temperatuuriteguri arvutamine:

30-40 oC
0,006 = 0,04γ1
γ1
1,5

40-50 °C
0,1=0,06 γ2
γ2≈1,67

50-60 °C
0,2=0,1 γ3
γ3≈2
Keskmine temperatuuritegur
γk≈
Kokkuvõte või järeldused:
a.) Reaktsioonikiirus on sõltuv Na2S2O3 kontsentratsioonist, mida rohkem on Na2S2O3-e lahuses, seda kiirem oli reaktsioon . Reaktsioon on Na2S2O3 suhtes esimest järku.
b.) Uuritud reaktsiooni kiirus temperatuuri tõstmisel 10 oC võrra tõuseb umbes 1,73 korda.