Keemia alused, laboratoorne töö nr 3 protokoll (0)

Laboratoorne töö 3
Keemiline tasakaal ja reaktsiooni kiirus
Sissejuhatus
Keemilised protsessid jagunevad pöörduvateks ja pöördumatuteks. Pöördumatud protsessid kulgevad ühes suunas praktiliselt lõpuni, vastupidiselt need reaktsioonid ei kulge. Pöörduvad reaktsioonid aga kulgevad nii ühes kui teises suunas, reaktsiooni lõpuks moodustuvas ainete segus ( tasakaalusegus ) on nii lähteaineid kui saadusi, mille vahekord varieerub sõltuvalt erinevatest tingimustest. Keemiliseks tasakaaluks nimetatakse olukorda, kus pöörduvate reaktsioonide puhul ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu, vastassuunalised protsessid kulgevad ühesuguse kiirusega. Tasakaaluoleku matemaatiliseks kirjeldamiseks kasutatakse tasakaalukonstanti (Kc).
[A]…[D] – ainete A…D kontsentratsioonid tasakaaluolekus mol/dm3 (A, B on lähteained, C, D on saadused)
a, b, c, d – koefitsiendid reaktsioonivõrrandist
Gaasiliste ainete osavõtul kulgevate reaktsioonide korral avaldatakse tasakaalukonstant tavaliselt osarõhkude kaudu (tähis Kp).
pA…pB – gaasiliste ainete A…D osarõhud atm
Kp ja Kc vahel kehtib seos
R – universaalne gaasikonstant J*mol-1*K-1
T – absoluutne temperatuur K
Δn - gaasiliste ühendite moolide arvu muutus reaktsioonis
Mida suurem on Kp või Kc, seda rohkem on reaktsiooni tasakaal nihutatud saaduste tekke suunas.
Le Chatelier ’ printsiip võimaldab anda hinnangut , kuidas nihutada reaktsiooni tasakaalu saaduste tekke suunas. 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.
Lähteainete kontsentratsiooni suurendades nihkub reaktsiooni tasakaal paremale, saaduste suunas, saaduste kontsentratsiooni suurendades lähteainete suunas.
Temperatuuri tõstmine nihutab endotermilise reaktsiooni tasakaalu paremale, eksotermilise reaktsiooni tasakaalu aga vasakule.
Rõhu tõstmine gaasiliste ainete osavõtul kulgevates tasakaalureaktsioonides nihutab tasakaalu suunas, kus gaasiliste ainete molekulide arv väheneb.
Reaktsioonikiirus homogeenses süsteemis näitab reageerivate ainete kontsentratsioonide muutust ajaühikus (mol*dm-3*s-1). Eristatakse keskmist kiirust ajavahemikus Δτ
ja kiirust mingil ajahetkel τ.
Reaktsioonid on seotud osakeste kokkupõrgetega. Mida rohkem on ruumalaühikus osakesi, seda sagedamini nad kokku põrkavad. Seega suurendab lähteainete kontsentratsiooni tõstmine reaktsioonikiirust. Pärisuunalise reaktsiooni kiirus v1 sõltub lähteainete kontsentratsioonist järgmiselt (massitoimeseadus):
k1 – reaktsiooni kiiruskonstant
p – rektsiooni järk aine A suhtes
q – reaktsiooni järk aine B suhtes
p+q – reaktsiooni summaarne järk
Mõlema lähteaine suhtes esimest järku reaktsiooni korral:
Mida kõrgem on temperatuur, seda intensiivsem on molekulide soojusliikumine ja suurem nende kineetiline energia. See suurendab molekulide efektiivsete kokkupõrgete t - õenäosust ning koos sellega reaktsioonikiirust. Van’t Hoffi reegel: Temperatuuri tõstmine 10 °C võrra suurendab reaktsioonikiirust kaks kuni neli korda.
vt1 – reaktsioonikiirus temperatuuril t1
vt2 – reaktsioonikiirus temperatuuril t2
γ – reaktsiooni temperatuuritegur
Reaktsioonikiirust muudavad ka katalüsaatorite kasutamine ja heterogeensete reaktsioonide korral reageerivate ainete kokkupuutepinna suurus.
Eksperimentaalne töö 1
Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
Töö ülesanne ja eesmärk
Töö eesmärk ja ülesanne oli uurida reaktsiooni tasakaalu nihkumist lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutumisel.
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid, kemikaalid
Töövahendid: keeduklaas, katseklaaside komplekt. Kemikaalid: FeCl3 ja NH4SCN küllastatud lahused , tahke NH4Cl .
Kasutatud uurimis - ja analüüsimeetodid ning metoodikad
Kõigepealt võtsin keeduklaasi 20 ml destilleeritud vett, lisasin sinna 2 tilka FeCl3 küllastatud lahust ja 2 tilka NH4SCN küllastatud lahust ja segasin. Seejärel jaotasin lahuse võrdselt nelja katseklaasi. Teise katseklaasi lisasin 2 tilka FeCl3 lahust, kolmandasse katseklaasi lisasin 2 tilka NH4SCN lahust, neljandasse katseklaasi lisasin tahket NH4Cl-i.
Katseandmed , katseandmete töötlus, tulemuste analüüs
Teise katseklaasi FeCl3 lahust lisades muutus lahus võrreldes esimese katseklaasiga tumedamaks. Tumepunane värvus näitas, et reaktsiooni saadust raud(III)tiotsüanaati, mis annab lahusele punase värvuse, tekkis juurde, järelikult reaktsiooni tasakaal liikus saaduste tekke suunas. NH4SCN lahust lisades muutus kolmanda katseklaasi lahus samuti tumedamaks ning tasakaal liikus saaduste tekke suunas. Kui lisasin NH4Cl-i 4. katseklaasi, muutus lahus heledamaks, sest NH4Cl on üks reaktsiooni saadusi ning selle lisamisel nihkus tasakaal lähteainete suunas.
FeCl3(aq) + 3NH4SCN(aq) ↔ Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq)
Kokkuvõte ja järeldused
Töö käigus selgus, et reaktsiooni tasakaal muutub lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutmisel samamoodi, nagu eelnevalt eeldasin. Lähteainete lisamisel nihkub tasakaal saaduste tekke suunas, saaduste lisamisel lähteainete tekke suunas.
Eksperimentaalne töö 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist
Töö eesmärk ja ülesanne
Töö eesmärgiks on määrata, kuidas sõltub reaktsioonikiirus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist. Töö ülesandeks on uurida reaktsioonikiirust mõjutavaid tegureid, määrata reaktsiooni järk ning koostada graafikud .
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid
Mõõteseadmed: termomeeter. Töövahendid: büretid, katseklaasid, kummikork, pesupudelid, keeduklaas, elektripliit . Kemikaalid: 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus.
Kasutatud uurimis-ja analüüsimeetodid ning metoodikad
Katses 1 jagasin 8 katseklaasi 4-ks paariks. Igast paarist täitsin ühe katseklaasi 6 cm3 H2SO4 lahusega. Teise katseklaasi täitsin Na2S2O3 lahusega, mille kontsentratsioon igas paaris erines. Siis valasin esimese paari lahused kokku, sulgesin katseklaasi korgiga , segasin ning mõõtsin stopperiga aega lahuse häguseks muutumiseni, sama tegin ka ülejäänud paaridega.
Katses 2 võtsin samuti 4 paari katseklaase. Igast paarist täitsin ühe katseklaasi 4 cm3 HCl lahusega, teise 4 cm3 Na2S2O3 lahusega. Siis täitsin keeduklaasi poolenisti veega, asetasin vette kõik katseklaasid ning termomeetri ja tõstsin keeduklaasi elektripliidile. Kui temperatuur oli tõusnud ~32 ~32 °C-ni -ni, tõstsin keeduklaasi koos katseklaasidega pliidilt maha, võtsin ühe paari katseklaase, valasin lahused kokku ning mõõtsin stopperiga aega hägu tekkimiseni. Seejärel asetasin keeduklaasi ülejäänud katseklaasidega jälle pliidile . Kui temperatuur oli tõusnud ~42 °C-ni, tõstsin katseklaasid jälle pliidilt maha, valasin kokku järgmise paari lahuseid ning võtsin hägu tekkimiseni aega. Sama kordasin ka 52°C ja 62°C juures.
Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + SO2 + S ↓
Katseandmed, katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Katse 1
Katseklaaside paar
Na2S2O3 maht cm3
H2O maht cm3
Na2S2O3 suhteline kontsentratsioon
Aeg τ min
Reaktsioonikiirus
v=1/ τ min-1
1
6
0
6
1,13
0,88
2
4
2
4
1,65
0,61
3
3
3
3
1,98
0,51
4
2
4
2
2,25
0,44
Katse 2
Katseklaaside paar
Katse temperatuur
t °C
Aeg τ min
Reaktsioonikiirus
v=1/ τ min-1
1
30
0,78
1,28
2
40
0,37
2,7
3
50
0,2
5
4
60
0,083
12
Kokkuvõte ja järeldused
Töö ülesandeks oli uurida, kuidas mõjutab temperatuur ja lähteainete kontsentratsioon reaktsioonikiirust. Katses 1 sai tõestatud, et reaktsioon toimub seda kiiremini, mida suurem on lähteaine (Na2S2O3) kontsentratsioon. Reaktsiooni järk Na2S2O3 suhtes on 1.
Katses 2 selgus, et kõrgemal temperatuuril reageerivad ained kiiremini. Uuritud reaktsiooni kiirus tõusis temperatuuri tõstmisel 10 °C kaupa keskmiselt 2,12 korda. Erinevate temperatuurivahemike kiiruskonstantide erinevuse põhjuseks võib olla näiteks see, et erinevate temperatuuride juures võis hägusus, mille juures stopperi kinni panin, olla veidi erinev.