Keemia alused, põhjalik protokoll 3. (0)

Sissejuhatus
Le Chatelier ´i 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´i printsiip.
Tingimuste muutmine tasakaalusüsteemis kutsub esile tasakaalu nihkumise suunas, mis paneb süsteemi avaldama vastupanu tekitatud muutustele.
Tingimused mida saab muuta on, eelkõige lähteainete konsentratsioon , temperatuur ja rõhk. Siin peetakse silmas seda, kuidas need tingimused mõjutavad juba tasakaaluolekus olevat süsteemi. Vaatame ammoniaagi sünteesireaktsiooni näitel nende tingimuste muutumisest tulenevat tasakaalu nihkumist .
N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)
Konsentratsioon- Lähteainete kontsentratsiooni suurendamine nihutab reaktsiooni tasakaalu paremale. Lähteainete konsentratsioonide suurendamisele avaldab süsteem vastupanu sellega, et kulutab neid rohkem ära, seega tekib rohkem ammoniaaki (lähteainete molekule tasakaalus olevasse süsteemi juurde viies suureneb nende kokkupõrgete tõenäosus, mis viib saaduse tekkeni). Saaduse konsentratsiooni suurendamine nihutab tasakaalu vasakule (lähteainete tekke suunas).
Temeratuur- Temperatuuri tõstmine nihutab endotermilise reaktsiooni tasakaalu paremale, eksotermilise reaktsiooni tasakaalu aga vasakule. NH3 süntees on eksotermiline protsess, sest reaktsiooni käigus eraldub soojust. Temperatuuri tõstmisele avaldab see süsteem vastupanu sellega, et kulutab rohkem soojust. Seega hakkab kulgema vastassuunaline reaktsioon : ammoniaagi lagunemine lähteaineteks, milles soojus neeldub.
Rõhk- Rõhu tõstmine gaasiliste ainete osavõtul kulgevates tasakaalureaktsioonides 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.
Kui reaktsioonis osaleb lisaks gaasidele ka tahkeid või vedelas olekus aineid, siis ei panda neid tasakaalukonstandi avaldisse, sest tahke aine ja puhta vedeliku kontsentratsioon on püsiv suurus, mille võib viia tasakaalukonstandi sisse. Nii sisaldab järgmise reaktsiooni tasakaalukonstandi avaldis vaid CO2 osarõhku
CaO(s) + CO2(g) CaCO3(s)
Kp = 1/ pCO2
FeCl3(aq)+3NH4SCN(aq)→ FE(SCN)3(aq)+3NH4Cl(aq)
Hindasin tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCN või FeCl3 kontsentratsiooni suurenendamine mõjutab tasakaalu enam.
FeCl3 kontsentratsiooni muutmine muudab tasakaalu rohkem.
Kontrollisin tasakaalu nihkumist katseliselt. Selleks võtsin keeduklaasi 20ml destilleeritud vett ja lisasin 2 tilka küllastatud FeCl3 lahust ning 2 tilka NH4SCN lahust. Segasin hoolikalt ning jagasin tekkinud punase lahuse võrdsete osadena nelja katseklaasi. Reaktsiooni tasakaalu nihkumist oli kerge jälgida lahuse värvuse muutumisest.
Eksperimentaalne töö nr. 1
Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
Töö eesmärk: Le Chatelier’ printsiip – reaktsiooni tasakaalu nihkumise uurimine lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutumisel.
Töövahendid: Katseklaaside komplekt.
Kasutatud ained: FeCl3 ja NH4SCN küllastunud lahused , tahke NH4Cl
Töö käik: Kirjutada välja tasakaalukonstandi avaldis raud(III)kloriidi ja amooniumtiotsünaadi lahuste vahelisele reaktsioonile
FeCl3(aq) + 3NH4SCH(aq) = Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq)
Hinnata, millises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada

FeCl3 kontsentratsiooni - paremale, saaduste tekke suunas

NH4SCH kontsentratsiooni – paremale, saaduste tekke suunas

NH4Cl kontsentratsiooni – vasakule, lähteainete suunas
Hinnata tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCH või FeCl3 kontsentretsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu enam.
FeCl3 kontsentratsiooni muutmine muudab tasakaalu rohkem.
Kontrollida tasakaalu nihkumist katseliselt. Selleks võtta keeduklaasi 20 ml destilleeritud vett ja lisada 1...2 tilka küllastunud 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)tiotsüanaadist, 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?
  
• Kolmandasse katseklaasi lisada kaks tilka NH4SCH lahust. Kummas suunas nihkub tasakaal? Kas muutus on suurem või väiksem võrreldes FeCl3 lisamisega?
  
• Neljandasse katseklaasi lisada tahket NH4Cl ja loksutada tugevasti. Kuidas muutub lahuse värvus? Anda selgitus .
  

Katsetulemused :
Kc =
– tasakaalukonstandi avaldis reaktsioonile
Katseklaasi number
Lisatav aine
Värvuse muutus
Tasakaalu nihkumine
1.katseklaas
Võrdluseks
Punakas-oranž
Jääb paigale
2.katseklaas
FeCl3
Tumedamaks
Saaduste tekke suunas ehk paremale, kuna tekib juurde Fe(SCN)3, mis muudab lahuse tumedamaks(mõjutas kõige enam).
3.katseklaas
NH4SCN
Tumedamaks
Saaduste tekke suunas ehk paremale, kuna tekib juurde Fe(SCN)3, mis muudab lahuse tumedamaks.
4.katseklaas
NH4Cl
Heledamaks
Lähteainete tekke suunas ehk vasakule.
Kokkuvõte: Reaktsiooni tasakaal liigub lähteainete kontsentratsiooni suurendamisel saaduste tekke suunas ja saaduste kontsentratsiooni suurendamisel lähteainete tekke suunas.
Eksperimentaalne töö nr. 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist
Töö eesmärk: Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Töövahendid: Büretid, katseklaaside komplekt (8tk), kummikork, pesupudelid, suurem keeduklaas , termomeeter , elektripliit.
Kasutatavad ained: 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus.
Töö käik: 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 kontsentratsioonist
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 cm3. 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 tomida 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 kontsentratsoon kõige väiksem.
Katsetulemused:
Mõõdetud ajavahemikud on fikseeritud tabelis:
Katseklaaside paar
Na2S2O3 maht cm3
H20 maht cm3
Na2S2O3 suhteline kontsentratsioon
Aeg t min
Reaktsioonikiirus v = 1/t
min-1
1
6
0
6
0,91
1,09
2
4
2
4
1,07
0,93
3
3
3
3
1,32
0,75
4
2
4
2
2,25
0,44
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 ühtemoodi, 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 300C, 400C, 500C ja 600C.
Kui temperatuur on jõudnud ~320C-ni, tõsta keeduklaas koos katseklaasidega pliidilt maha, võtta kätte esimese paari katseklaasid valada lahused kokku, segada kiiresti ning asetada katseklaas kohe sooja vette tagasi. Mõõta aeg lahuste kokkuvalamise momendist kuni hägu tekkimiseni.
Seejärel võib keeduklaasi uuesti pliidile asetada ning tõsta temperatuuri ~420C-ni. Siis võtta keeduklaas taas pliidilt ning korrata katset järgmise lahustepaaridega. 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:
Katsetulemused on fikseeritud järgnevas tabelis:
Katseklaaside paar
Katse temperatuur t 0C
Aeg t min
Reaktsioonikiirus
v = l/t min-1
1
30
0,68
1,47
2
40
0,38
2,63
3
50
0,21
4,76
4
60
0,10
10,0
Katsearvutused:
Arvutan reaktsiooni keskmise temperatuuriteguri. Selleks leian algul kolmele tempetaruurivahemikule temperatuuritegurid eraldi, kasutades van’t Hoffi reeglit

2,63 = 1,47 * 2) 4,76 = 2,63 *
= 2,63 / 1,47 = 1,79 = 4,76 / 2,63 = 1,81

10,0 = 4,76 *
= 10,0 / 4,76 = 2,10
Keskmine:

= = 1,9
Järeldused:

Reaktsioonikiirus lähteainete Na2S2O2 kontsentratsiooni suurendamisel kasvab, sest mida suurem on kontsentratsioon, seda rohkem osakesi on ruumalaühikus ning seda sagedasemad on nedevahelised kokkupõrked. Tegemist on esimest järku reaktsiooniga.

Uuritud reaktsioonikiirus temperatuuri tõstmisel 10 kraadi võrra tõusis 1,9 korda, st mida kõrgem on tempertatuur, seda suurem on reaktsioonikiirus.