Keemia alused III - protokoll (0)

TTÜ keemiainstituut
Anorgaanilise keemia õppetool
YKI0020 Keemia alused
Laboratoorne töö nr:
3
Töö pealkiri:
Keemiline tasakaal ja reaktsiooni kiirus
Õpperühm:
KATB12
Teostaja :
Liina Reimann
Õppejõud:
Viia Lepane
Töö teostatud:
Protokoll esitatud:
Protokoll arvestatud:

Sissejuhatus

Keemilised protsessid võib jagada pöörduvateks ja pöördumatuteks. Pöördumatud protsessid kulgevad ühes suunas praktiliselt lõpuni. Selliste protsesside näiteks on mitmed reaktsioonid, mille käigus üks reaktsiooni-saadustest ( gaas või sade) eraldub süsteemist.
Näiteks:
2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)
Vastupidises suunas see reaktsioon ei kulge. Paljud reaktsioonid on aga pöörduvad, nad kulgevad nii ühes kui teises suunas ja reaktsiooni lõpuks moodustuvas ainete segus ( tasakaalusegus ) on nii lähteaineid kui saadusi. Sõltuvalt tingimustest (temperatuur, rõhk) nende vahekord tasakaalusegus varieerub. Pöörduvaid reaktsioone märgistatakse sageli kahe vastassuunalise noolega.
Näiteks:
H2(g) + I2(g) 2HI(g)
Fikseeritud tingimustel saabub selliste reaktsioonide puhul mingil hetkel olukord, kus ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu. Sellist olukorda nimetatakse keemiliseks tasakaaluks.
Tasakaaluoleku matemaatiliseks kirjeldamiseks kasutatakse tasakaalukonstanti (Kc), kusjuures molaarseid kontsentratsioone tasakaaluolekus tähistatakse sageli nurksulgudega. Peetagu meeles, et ikka on saaduste kontsentratsioonid (vastavates astmetes) murrujoone peal ja lähteained all.
Tasakaalukonstant sõltub temperatuurist, kuid ei sõltu reageerivate ainete kontsentratsioonist.
Tasakaalukonstanti (Kc), mis on avaldatud molaarsete kontsentratsioonide kaudu, kasutatakse sageli reaktsioonide korral, kus kõik ained on vesilahustes või vedelikud. Gaasiliste ainete osavõtul kulgevate reaktsioonide korral avaldatakse tasakaalukonstant tavaliselt osarõhkude kaudu (tähis Kp).
Mida suurem on Kc või Kp, seda enam on tasakaalusegus saadusi, st reaktsiooni tasakaal on nihutatud paremale saaduste tekke suunas.

Le Chatelier ' printsiip

Kuna tasakaalusegus võib olla nii lähteaineid kui saadusi, siis kuidas saavutada just saaduste võimalikult kõrge sisaldus ehk kuidas nihutada tasakaalu paremale saaduste tekke suunas. Hinnangut võimaldab anda Le Chatelier' ( Henry Le Chatelier, 1850…1936) printsiip.
Tingimuste muutmine tasakaalusüsteemis kutsub esile tasakaalu nihkumise suunas, mis paneb süsteemi avaldama vastupanu tekitatud muutustele.
Tingimused, mida saab muuta, on eelkõige lähteainete kontsentratsioon, temperatuur ja rõhk. Siin peetakse silmas seda, kuidas need tingimused mõjutavad juba tasakaaluolekus olevat süsteemi.
Kontsentratsioon: Lähteainete kontsentratsiooni suurendamine nihutab reaktsiooni tasakaalu paremale. Lähteainete kontsentratsioonide suurendamisele avaldab süsteem vastupanu sellega, et kulutab neid rohkem ära, seega tekib rohkem ainet (lähteainete molekule tasakaalus olevasse süsteemi juurde viies suureneb nende kokkupõrgete tõenäosus, mis viib saaduse tekkeni). Saaduse kontsentratsiooni suurendamine nihutab tasakaalu vasakule (lähteainete tekke suunas).
Temperatuur: Temperatuuri tõstmine nihutab endotermilise (soojuse neeldumisega kulgeva) reaktsiooni tasakaalu paremale, eksotermilise reaktsiooni tasakaalu aga vasakule.
Rõhk: Rõhu tõstmine gaasiliste ainete osavõtul kulgevates tasakaalu-reaktsioonides nihutab tasakaalu suunas, kus gaasiliste ainete molekulide arv väheneb. Selles protsessis on kõik ained gaasilises olekus. Vasakul pool on kokku 4, paremal 2 mooli gaasi. Seega nihkub tasakaal paremale.

Keemilise reaktsiooni kiirus: Olles kindlaks teinud kõik võimalused tasakaalu mõjutamiseks, on vajalik ka, et tasakaaluolekuni jõutaks suhteliselt lühikese ajaga , st et reaktsioonikiirus oleks maksimaalne.

Reaktsioonikiirus homogeenses süsteemis näitab reageerivate ainete kontsentratsioonide muutust ajaühikus (mol⋅dm–3⋅s–1).
Reageerivate ainete eripära. Ained käituvad sarnastes tingimustes vägagi erinevalt. Nii näiteks reageerib väike vasetükk kontsentreeritud lämmastikhappega sekundite jooksul, nikkel aga kestval keetmisel.
Reageerivate ainete kontsentratsioon. Reaktsioonid on seotud osakeste kokkupõrgetega. Mida rohkem on ruumalaühikus osakesi, seda sagedamini nad kokku põrkavad. Seega suurendab lähteainete kontsent- ratsiooni tõstmine reaktsioonikiirust.
Temperatuur. Mida kõrgem on temperatuur, seda intensiivsem on molekulide soojusliikumine ja suurem nende kineetiline energia. See suurendab molekulide efektiivsete kokkupõrgete tõenäosust ning koos sellega reaktsioonikiirust.
Katalüsaatorite toime. Katalüsaatorid on ained, mis muudavad reakt-sioonikiirust. Osaledes mingis reaktsiooni järgus, taastuvad nad reaktsiooni lõpuks keemiliselt ja endises hulgas. Katalüsaatorite mõju on selektiivne: katalüsaator kiirendab ainult kindlat reaktsiooni ja sellise katalüsaatori leidmine eeldab sageli mahukaid eksperimente.
Heterogeensete reaktsioonide korral, kus reageerivad ained on erinevates agregaatolekutes, mõjutab reaktsioonikiirust ka reageerivate ainete kokkupuutepinna suurus. Tahkete ainete reageerimise kiirust saab oluliselt tõsta neid peenestades, vedelikke võib aga pihustada.

Eksperimentaalne töö 1

Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule

Töö ülesanne ja eesmärk:

Le Chatelier' printsiip – reaktsiooni tasakaalu nihkumise uurimine lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutmisel.

Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid:

Töövahendid ja mõõteseadmed: Katseklaaside komplekt.
Kasutatud kemikaalid : FeCl3 ja NH4SCN küllastatud lahused , tahke NH4Cl.

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs:

Kirjutada välja tasakaalukonstandi avaldis raud(III)kloriidi ammooniumtiotsüanaadi lahuste vahelisele reaktsioonile :
FeCl3(aq) + 3NH4SCN(aq) ↔Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq) punane

Hinnata, millises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada

FeCl3 kontsentratsiooni – saaduste suunas (paremale)

NH4SCN kontsentratsiooni – saaduste suunas (paremale)

NH4Cl kontsentratsiooni – lähteainete suunas (vasakule)

Hinnata tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCN või FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu enam.
FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu rohkem.

Kontrollida tasakaalu nihkumist katseliselt. Selleks võtta keeduklaasi 20 ml destilleeritud vett ja lisada 1...2 tilka küllastatud FeCl3 lahust ning 1...2 tilka NH4SCN lahust. Segada hoolikalt ning jagada tekkinud punane lahus võrdsete osadena nelja katseklaasi.
Lahuse punane värvus on tingitud reaktsioonil tekkivast raud(III)tiotsüanaadist2, 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 lahust. Mida võib tähele panna? Kummas suunas nihkub tasakaal? Lahuse värvus muutub intensiivsemaks, lähteaine kontsentratsiooni suurendamisega nihkub kontsentratsiooni saaduste suunas ehk paremale.

Kolmandasse katseklaasi lisada 2 tilka NH4SCN lahust. Kummas suunas nihkub tasakaal? Kas muutus on suurem või väiksem võrreldes FeCl3 lisamisega? Tasakaal nihkub samuti saaduste suunas ehk paremale. Muutus on väiksem ja protsess toimub aeglasemalt, kui FeCl3 puhul. Lahus jääb võrreldes eelnevaga natukene heledamaks.

Neljandasse katseklaasi lisada tahket NH4Cl ja loksutada tugevasti. Kuidas muutub lahuse värvus? Anda selgitus . Lahuse värvus muutub heledamaks võrreldes eelnevatega, tasakaal nihkub vasakule ehk lähteainete suunas, seepärast on ka värvus heledam kui eelnevates reaktsioonides.

Kokkuvõte:

Keemilise reaksiooni taskaalu võib nihutada lähteainete ja saaduste konsentratsiooni, temperatuuri tõstmine/ alandamine ja rõhu tõstmine/alandamine. Keemilise reaktsiooni kiirust võib kiirendada: temperatuuri tõstmine, katalüsaatorite toime, reageerivate ainete kokkupuutepinna suurus ( tahked ained), peenestamine (tahked ained), segamine, pihustamine (vedelikud).

Eksperimentaalne töö 2

Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist

Töö ülesanne ja eesmärk:

Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.

Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid:

Töövahendid ja mõõteseadmed: Büretid, katseklaaside komplekt (8 tk), kummikork, pesupudelid, suurem keeduklaas , termomeeter , elektripliit.
Kasutatud kemikaalid: 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus.

Kasutatud uurimis- ja analüüsimeetod:

Reaktsioonikiiruse sõltuvust reageerivate ainete kontsentratsioonist ning temperatuurist on hea vaadelda väävelhappe ning naatriumtiosulfaadi vahelise reaktsiooni abil
Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2 + S ↓
Selles reaktsioonis tekkiv hägune väävlisade on hõlpsasti jälgitav ning suhteliselt lahjade (~ 1%) lahuste korral on ajavahemik lahuste kokkuvalamise hetkest kuni hägu tekkimiseni mõni minut.
Katse 1: Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete konsentratsioonist
Kaheksa katseklaasi jagada neljaks paariks. Ühes katseklaasis igast paarist on väävelhappelahus, teises naatriumtiosulfaadilahus, mille kontsentratsioon paariti erineb. Algul täita neli katseklaasi H2SO4 lahusega – igasse katseklaasi 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 ning 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 fikseerida tabelis 3.1
Tabel 3.1 Reaktsioonikiiruse sõltuvus Na 2S2O3 kontsentratsioonist
Katse-klaaside paar
Na2S2O3 maht cm3
H2O maht cm3
Na2S2O3 suhteline kontsent- ratsioon
Aeg τ min
Reaktsiooni-kiirus
v = 1/τ min–1
1
6
0
6
1,35
0.74
2
4
2
4
2,36
0,42
3
3
3
3
3,58
0,28
4
2
4
2
6,31
0,16
Joonis 1. Reaktsioonikiiruse sõltuvus ühe lähteaine kontsentratsioonist

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 katseklaasid, mis sisaldavad Na2S2O3 ühtmoodi, ja katseklaasid väävelhappelahusega teistmoodi.
Üks katseklaas igast paarist 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 30 °C, 40 °C, 50 °C ja 60 °C.
Kui temperatuur on jõudnud ~32 °C-ni, 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 aeg lahuste kokkuvalamise momendist 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 fikseerida, nagu on näidatud tabelis 3.2.
Tabel 3.2 Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist
Katseklaasidepaar
Katse temperatuur t ,°C
Aeg τ, min
Reaktsioonikiirus v = 1/τ, min–1
1
30
0,63
1,59
2
40
0,33
3,03
3
50
0,183
5,46
4
60
0,133
7,52

Joonis 2. Reaktsioonikiiruse sõltuvus katse temperatuurist

Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs:

2. Arvutada reaktsiooni keskmine temperatuuritegur γk. Selleks leida van't Hoffi reegli põhjal temperatuuritegurid (γ1, γ2 ja γ3) algul kolmele temperatuurivahemikule eraldi (vahemikud 30…40 °C; 40…50 °C ja 50…60 °C) ning võtta seejärel nendest keskmine.
3. Kirjutada järeldused, mis näitavad
a) kuidas sõltub reaktsioonikiirus ühe lähteaine Na2S2O3 kontsentratsioonist ning milline on selle reaktsiooni järk Na2S2O3 suhtes,
Kui suurendada Na2S2O3 kontsentratsiooni, siis reaktsiooni kiirus kasvab
Reaktsioon on I järku.
b) mitu korda tõuseb uuritud reaktsiooni kiirus temperatuuri tõstmisel 10 °C võrra
Antud reaktsiooni kiirus tõuseb temperatuuri tõstmisel 10 °C võrra keskmiselt 1,69
korda.