Keemiline tasakaal ja reaktsiooni kiirus (2)

Sissejuhatus
Keemiline tasakaal - ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu.
Pöörduv reaktsioon :
Tasakaalukonstant :
[A]...[D] – ainete A...D konsentratsioonid tasakaaluolekus mol/dm3
a,b,c,ja d – koefitsiendid reaktsioonivõrrandist.
Gaasiliste ainete osavõtul kulgevate reaktsioonide korral avaldatakse tasakaalukonstant tavaliselt osarõhkude kaudu (tähis Kp):
pA...pD – gaasiliste ainete A...D osarõhud atm.
Kehtib seos:
R – universaalne gaasikonstant J ⋅mol–1⋅K–1
T – absoluutne temperatuur K
∆n – gaasiliste ühendite moolide arvu muutus reaktsiooni
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.
Kontsentratsioon
Lähteainete kontsentratsiooni suurendamine nihutab reaktsiooni tasakaalu paremale.
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.
Reaktsioonikiirus homogeenses süsteemis näitab reageerivate ainete
kontsentratsioonide muutust ajaühikus (mol ⋅ dm–3⋅ s–1).
Pärisuunalise reaktsiooni
kiirus v1 sõltub lähteainete kontsentratsioonist järgmiselt:
kus
k1 – reaktsiooni kiiruskonstant
p – reaktsiooni järk aine A suhtes
q – reaktsiooni järk aine B suhtes
p+q – reaktsiooni summarne järk
Temperatuur
Mida kõrgem on temperatuur, seda intensiivsem on molekulide soojusliikumine ja suurem nende kineetiline energia.
Van´t Hoffi reegel- Temperatuuri tõstmine 10 °C võrra suurendab reaktsioonikiirust kaks kuni neli korda.
Seega pole kiiruse sõltuvus temperatuurist lineaarne, vaid sellist temperatuurisõltuvust kirjeldab astmefunktsiooni graafik .
Katalüsaatorite toime
Katalüsaatorid on ained, mis muudavad reaktsioonikiirust.
Heterogeensete reaktsioonide korral, kus reageerivad ained on erinevates agregaatolekutes, mõjutab reaktsioonikiirust ka reageerivate ainete kokkupuutepinna suurus.
Eksperimentaalne töö 1
Töö ülesanded ja eesmärk
Ülesanne: Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule.
Eesmärk: Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine , reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Töö käik:

Kirjutada välja tasakaalukonstandi avaldis raud(III)kloriidi ja ammooniumtiotsüanaadi lahuste vahelisele reaktsioonile.

Hinnata, millises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada

• FeCl3 kontsentratsiooni
  
• NH4SCN kontsentratsiooni
  
• NH4Cl kontsentratsiooni?
  

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

Kontrollida tasakaalu nihkumist katseliselt.

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.

Esimene katseklaas jätta võrdluseks.

Teise katseklaasi lisada kaks tilka FeCl3 lahust. Mida võib tähele panna? Kummas suunas nihkub tasakaal?

Kolmandasse katseklaasi lisada 2 tilka NH4SCN 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 .
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid
Töövahendid: Katseklaaside komplekt
Kasutatud ained: FeCl3 ja NH4SCN küllastatud lahused , tahke NH4Cl.
Katseandmed ning nede töötlus:

Fe(SCN)3 on punase värvusega.

• FeCl3 kontsentratsiooni suurendamisel tasakaal nihkub paremale ehk saaduste tekke suunas. Katseklaasis muutus vedelik palju punasemaks järelikult reaktsioon nihkus saaduste tekke suunas.
  
• NH4SCN kontsentratsiooni suurendamisel tasakaal nihkub saaduste tekke suunas. Katseklaasis muutus vedelik punasemaks, kuid mitte nii palju kui eelmises katseklaasis. Reakstioon nihkus saaduste suunas kuid mitte nii palju kui ennem.
  
• NH4Cl kontsentratsiooni suurendamisel tasakaal nihkub lähteainete suunas. Katseklaasis muutus lahus täiesti heledaks võrreldes teiste katseklaasidega . Reakstsioon liikus lähteainete suunas. Lahus muutus heledamaks, sest Fe(SCN)3 hulg lahuses vähenes (see reageeris ära).
  

Kokkuvõte ja järeldused
Katsest järeldus, et teoreetiline osa vastas tõele. Kontsentratsiooni suurendamisel tasakaal tõesti nihkub ning katsed tõestasid seda. Enne katseid sindasin tasakaalukonstadi järgi, et FeCl3 kontsentratsiooni muutmisel muutub tasakaal rohkem kui NH4SCN kontsentratsiooni muutmisel. Hinnang oli õige. Katse tõestas seda.
Eksperimentaalne töö 2
Töö ülesanded ja eesmärk
Ülesanne: Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Eesmärk: Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Töö käik:
Katse1:

Katseklaasid pesta hoolikalt.

Kaheksa katseklaasi jagada neljaks paariks.

Täita neli katseklaasi H2SO4 lahusega – igasse katseklaasi 6 ml.

Valmistada erineva kontsentratsiooniga NaOH lahused järgmiselt:

• Ühte katseklaasi mõõta 6 ml Na2S2O3 lahust.
  
• Teise 4 ml Na2S2O3 lahust ja 2 ml destilleeritud vett,
  
• Kolmandasse 3 ml Na2S2O3 lahust ja 3 ml vett,
  
• Neljandasse 2 ml Na2S2O3 lahust ning 4 ml vett.
  

Mõõta aega lahuste kokkuvalamise momendist kuni hetkeni, mil lahus on muutunud häguseks.

Tuleb 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.

Seda korrata ka teiste paaridega. Aja kokkuhoiu mõttes võib nad ka samal ajal kokku segada ning koos aega mõõta.

Mõõdetud ajavahemikud fikseerida ning täita tabel.
Katse2:

Katseklaasid pesta hoolikalt

Võtta neli paari katseklaase ning need märgistada.

Üks katseklaas igast paarist täita 4 ml väävelhappelahusega, teine 4 ml Na2S2O3 lahusega.

Täita poolenisti veega üks suurem keeduklaas ning asetada sinna kõik katseklaasid ning termomeeter .

Tõsta keeduklaas koos katseklaasidega elektripliidile ning hakata jälgima temperatuuri tõusu.

Sooritada katsed 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.

Korrata sama kõigi paaridega erinevatel temperatuuridel.

Katsetulemused fikseerida ja täita tabel.
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid
Töövahendid: Büretid, katseklaaside komplekt (8 tk), kummikork, pesupudelid, suurem
keeduklaas, termomeeter, elektripliit .
Kasutatud ained: 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne H2SO4 lahus.
Katseandmed
Katse 1
Katseklaaside paar
Na2S2O3 maht cm3
H2O maht cm3
Na2S2O3suhteline kontsentratsioon
Aeg τ min
Reaktsiooni kiirus min-1
1
6
0
6
0,75
1,33
2
4
2
4
1,0033
0,997
3
3
3
3
1,817
0,550
4
2
4
2
2,283
0,438
Katse 2
Katseklaaside paar
Katse temperatuur
tºC
Aeg τ min
Reaktsiooni kiirus min-1
1
30
0,3
3,33
2
40
0,2
5
3
50
0,13
7,69
4
60
0,1
10
Katseandmete töötlus
Reaktsiooni keskmise temperatuuriteguri γk arvutamine:
Leian van't Hoffi reegli põhjal temperatuuritegurid kolmele temperatuurivahemikule eraldi:
Nüüd arvutan γk:
Kokkuvõte ja järeldused
Mida suurem on Na2S2O3 kontsentratsioon seda suurem on reaktsiooni kiirus.
Reaktsiooni temperatuuri tõstmisel 10ºC võrra reaktsiooni kiirus kasvas 1,46 korda.
9