Keemia aluste protokoll 3 (0)

Sissejuhatus
Keemilised protsessid võib jagada pöörduvateks ja pöördumatuteks.
Pöördumatud protsessid kulgevad ühes suunas praktiliselt lõpuni. Selliste protsesside näiteks on mitmed reaktsioonid, mille käigus üks reaktsioonisaadustest ( gaas või sade) eraldub süsteemist.
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.
Fikseeritud tingimustel saabub reaktsioonide puhul mingil hetkel olukord, kus ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu. Sellist olukorda nimetatakse keemiliseks tasakaaluks.
Keemiline tasakaal on nn dünaamiline tasakaal, sest protsessid ei ole lõppenud, vaid nad kulgevad vastassuundades ühesuguse kiirusega. Seega kulgevad pöörduvad reaktsioonid alati mõlemas suunas, tasakaaluolekus saavad vastassuunaliste protsesside kiirused võrdseks.
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.
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.
Kp ja Kc vahel kehtib seos
Kp = Kc · (RT) ∆ⁿ
R – universaalne gaasikonstant J⋅ mol
T – absoluutne temperatuur K
∆n – gaasiliste ühendite moolide arvu muutus reaktsioonis
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.
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 lähteainete molekule tasakaalus olevasse süsteemi juurde. 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 tasakaalureaktsioonides nihutab tasakaalu suunas, kus gaasiliste ainete molekulide arv väheneb.
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)
mis leitakse funktsiooni C = f (τ) puutuja tõusunurga tangensi põhjal.
Põhitegurid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust, oleksid järgmised:
Reageerivate ainete eripära. Ained käituvad sarnastes tingimustes vägagi erinevalt.
Reageerivate ainete kontsentratsioon. Reaktsioonid on seotud osakeste kokkupõrgetega. Mida rohkem on ruumalaühikus osakesi, seda sagedamini nad kokku põrkavad. Seega suurendab lähteainete kontsentratsiooni 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.
Temperatuuri mõju võimaldab ligikaudu hinnata 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 (γ ≈ 2…4)
Katalüsaatorite toime. Katalüsaatorid on ained, mis muudavad reaktsioonikiirust. Osaledes mingis reaktsiooni järgus, taastuvad nad reaktsiooni lõpuks keemiliselt ja endises hulgas.
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
Ülesanne: Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
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)
punane
Hinnata, millises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada
a) FeCl3 kontsentratsiooni – saaduste suunas
b) NH4SCN kontsentratsiooni – saaduste suunas
c) NH4Cl kontsentratsiooni – lähteainete suunas
Kasutatud uurimismeetodid
Tuli 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. Kolmandasse katseklaasi lisada 2 tilka NH4SCN lahust. Neljandasse katseklaasi lisada tahket NH4Cl ja loksutada tugevasti.
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs

Hinnata tasakaalukonstandi avaldise põhjal kumma aine, kas NH4SCN või
FeCl3 kontsentratsiooni suurendamine mõjutab tasakaalu enam.
Tasakaalu mõjutab rohkem FeCl3 lisamine, sest lahus muutus tumedamaks punaseks kui sama koguse NH4SCN lisamisel. NH4Cl lisamisel nihkub tasakaal lähteainete suunas. Lahus muutub heleoranžiks.
Kokkuvõte
Katset teha oli lihtne ning kõik tuli ilusti välja. Ainuke kahtlus tekkis FeCl3 ja NH4SCN lisamisel mõju hindamine, sest lahuste värvi erinevus oli väga vaevu märgatav.
Eksperimentaalne töö 2
Ülesanne: Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist
ja temperatuurist
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
Katse 1
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist
Kasutatud uurimismeetodid
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 Na2S2O3lahused 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.
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Reaktsioonikiiruse sõltuvus Na2S2O3 kontsentratsioonist
Katseklaaside
paar
Na₂S₂O₃
maht cm³
H₂O maht cm³
Na₂S₂O₃
suhteline kontsentratsioon
Aeg τ min
Reaktsioonikiirus
v = 1/τ min ̵ ¹
1
6
0
6
0,933
1,072
2
4
2
4
1,450
0,690
3
3
3
3
1,617
0,618
4
2
4
2
2,517
0,397
v, min-1
Na2S2O3 suhteline kontsentratsioon
Katse 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist
Kasutatud uurimismeetodid
Tuleb 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 cm3Na2S2O3 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. Sama korrata ka teiste lahustepaaridega ning temperatuuridega.
Katseandmete töötlus ja tulemuste analüüs
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist
Katseklaaside
paar
Katse temperatuur
t °C
Aeg τ
min
Reaktsioonikiirus
v = 1/τ min ̵ ¹
1
30
0,50
2,00
2
40
0,30
3,33
3
50
0,10
10,00
4
60
0,07
14,29
v, min-1
Temperatuur (C)
Reaktsiooni keskmine temperatuuritegur (kasutades Hoffi reeglit)
Vahemik ᵒC
Temperatuuritegur 𝛾k
30...40
𝛾 = 3,33/2 = 1,665
40...50
𝛾 = 10/3,33 = 3,003
50...60
𝛾= 14,29/10 = 1,429
Keskmine:
(1,665 +03,003 + 1,429) / 3 = 2,032
Järeldused

Mida suurem on lähteanine Na2S2O3 kontsentratsioon, seda kiiremini kulgeb reaktsioon .

Temperatuuri tõstmine 10 °C võrra suurendab reaktsioonikiirust kaks kuni neli korda.
Kokkuvõte
Katset tehes sujust kõik nagu vaja. Probleeme oli võib-olla ainult kiiresti hägunevate lahuste aja õiges mõõtmises, sest ei osanud oodata, et see juhtub mõne sekundiga. Samuti on mõõdetud ajad kohati umbkaudsed, sest iga katseklaasi hägunemistase stopperi kinnipanemise hetkel võis olla kohati erinev.