Keemia alused protokoll nr 3 (10)

LABORATOORNE TÖÖ 3
Keemiline tasakaal ja reaktsioonikiirus
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 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
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.
[A]...[D] – ainete A...D kontsentratsioonid tasakaaluolekus mol/dm3
a, b, c, ja d – koefitsiendid reaktsioonivõrrandist.
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)
pA...pD – gaasiliste ainete A...D osarõhud atm.
Mida suurem on Kc või Kp, seda enam on tasakaalusegus saadusi, st reaktsiooni tasakaal on nihutatud paremale saaduste tekke suunas.
Le Chatelier' printsiip: Tingimuste muutmine tasakaalusüsteemis kutsub esile tasakaalu nihkumise suunas, mis paneb süsteemi avaldama vastupanu tekitatud muutustele.
Põhitegurid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust, on järgmised:

• Reageerivate ainete eripära
  
• Reageerivate ainete kontsentratsioon
  
• Temperatuur
  
• Katalüsaatorite toime
  
• Reageerivate ainete kokkupuutepinna suurus
  

Eksperimentaalne töö 1
Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
Töö eesmärk Le Chatelier' printsiip – reaktsiooni tasakaalu nihkumise uurimine lähteainete ja saaduste kontsentratsiooni muutmisel.
Kasutatavad ained FeCl3 ja NH4SCN küllastatud lahused , tahke NH4Cl .
Töövahendid Katseklaaside komplekt.
Töö käik
Kirjutada välja tasakaalukonstandi avaldis raud(III)kloriidi ja ammooniumtiotsüanaadi lahuste vahelisele reaktsioonile
FeCl3(aq) + 3NH4SCN(aq) Fe(SCN)3(aq) + 3NH4Cl(aq)
Hinnata tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCN või FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu enam.
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)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? Tasakaal liigub paremale poole, lahuse värvus muutunud tumedamaks.
Kolmandasse katseklaasi lisada 2 tilka NH4SCN lahust. Kummas suunas nihkub tasakaal? Kas muutus on suurem või väiksem võrreldes FeCl3 lisamisega? Tasakaal liigub paremale poole, tekkinud muutus on väiksem.
Neljandasse katseklaasi lisada tahket NH4Cl ja loksutada tugevasti. Kuidas muutub lahuse värvus? Anda selgitus. Lahuse värvus muutub palju heledamaks, tasakaal liigub lähteainete suunas.
Eksperimentaalne töö 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist
Töö eesmärk Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Kasutatavad ained 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus.
Töövahendid Büretid, katseklaaside komplekt (8 tk), kummikork, pesupudelid, suurem keeduklaas , termomeeter, elektripliit .
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 (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.
Katse-klaaside paar
Na2S2O3 maht cm3
H2O maht cm3
Na2S2O3 suhteline kontsentratsioon
Aeg τ min
Reaktsiooni-kiirus v=1/τ min–1
1
6
0
6
0,8
1,25
2
4
2
4
1,03
0,97
3
3
3
3
2,05
0,49
4
2
4
2
3,35
0,29
Katse 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist
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.
Katseklaasidepaar
Katse temperatuur t °C
Aeg τ min
Reaktsioonikiirus v = 1/τ min–1
1
30
0,72
1,39
2
40
0,35
2,86
3
50
0,16
6,25
4
60
0,06
16,67