Keemiline tasakaal ja reaktsioonikiirus (0)

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 . Vastupidises suunas see reaktsioon ei kulge. Paljud reaktsioonid on aga pöörduvad , kulgedes mõlemas suunas ja reaktsiooni lõpuks moodustuvas tasakaalusegus on nii lähteaineid kui saadusi. Sõltuvalt tingimustest nagu temperatuur ja rõhk nende vahekord tasakaalusegus varieerub. Pöörduvaid reaktsioone märgistatakse sageli kahe vastassuunalise noolega. Fikseeritud tingimustel saabub olukord, kus ühegi aine kontsentratsioon enam ajas ei muutu- keemiline tasakaal. Siis ei ole protsessid lõppenud, vaid kulgevad vastassuunas ühesuguse kiirusega.
Tasakaaluoleku matemaatiliseks kirjeldamiseks kasutatakse tasakaalukonstanti- Kc.
[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, 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.
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.
vahel kehtib seos:
R- universaalne gaasikonstant
T- absouluutne temperatuur K
- gasasiliste 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. Tegurid, mis mõjutavad reaktsiooni tasakaalu, on järgmised: konsentratsioon , temperatuur, rõhk.
Keemilise reaktsiooni kiirus- näitab homogeenses süsteemis reageerivate ainete kontsentrasioonide muutust ajaühiks (). Keemilise reaktsiooni kiirust mõjutavad: reageerivate ainete kontsentratsioon, temperatuur, katalüüsaatorite 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. Hinnata, illises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada

FeCl3 konsentratsiooni- saaduste suunas

NH4SCN kontsentratsiooni- saaduste suunas

NH4Cl kontsentratsiooni- lähteainete suunas
Kontrollisime tasakaalu nihkumist katseliselt. Selleks võeti keeduklaasi 20 ml destilleeritud vett ja lisati 1...2 tilka küllastatud FeCl3 lahust ning 1...2 tilka NH4SCN lahust. Segati hoolikalt ning jagati 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 jäi võrdluseks.
Teise katseklaasi lisati kaks tilka FeCl3 lahust- lahuse värvus muutus tumedamaks, järelikult tasakaal liigub saaduste suunas.
Kolmandasse katseklaasi lisati 2 tilka NH4SCN lahust- tekkinud muutus on väiksem võrreldes FeCl3, tasakaal liigub saaduste suunas.
Neljandasse katseklaasi lisati tahket NH4Cl ja loksutati tugevasti- lahuse värvus muutub väga heledaks, järelikult 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 jagati neljaks paariks. Ühes katseklaasis igast paarist oli väävelhappelahus , teises naatriumtiosulfaadilahus, mille kontsentratsioon paariti erines. Algul täideti neli katseklaasi H2SO4 lahusega – igasse katseklaasi 6 cm3. Erineva kontsentratsiooniga Na2S2O3 lahused valmistati järgmiselt: ühte katseklaasi mõõteti 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 mõõteti aega lahuste kokkuvalamise momendist kuni hetkeni, mil lahus on muutunud häguseks. Selleks võeti esimene paar, valati lahused ühte katseklaasi kokku, sulgeti katseklaas korgiga ning segati katseklaasi kiiresti paar korda ümber pöörates. Samal momendil fikseeriti kella või stopperiga katse algus ning, kui tekib hägu, katse lõpp. Samamoodi toimiti 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
0,83
1,2
2
4
2
4
1,05
0,9
3
3
3
3
1,72
0,6
4
2
4
2
2,3
0,4
Katse 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist
Võeti neli paari katseklaase. Üks katseklaas igast paarist täideti 4 cm3 väävelhappelahusega, teine 4 cm3 Na2S2O3 lahusega. Edasi täideti poolenisti veega üks suurem keeduklaas ning asetati sinna kõik katseklaasid ning termomeeter. Siis tõsteti keeduklaas koos katseklaasidega elektripliidile ning hakata jälgima temperatuuri tõusu. Katsed sooritati temperatuuridel 30 °C, 40 °C, 50 °C ja 60 °C.
Kui temperatuur on jõudis ~32 °C-ni, tõsteti keeduklaas koos katseklaasidega pliidilt maha, , valati kokku esimeste katseklaaside lahused ningsegati kiiresti. Mõõdeti aeg lahuste kokkuvalamise momendist kuni hägu tekkimiseni.Seejärel asetati keeduklaas uuesti pliidile tõsteti temperatuuri ~42 °C-ni. Siis võtta keeduklaas taas pliidilt ning korrati katset järgmise lahustepaariga. Nii tehti kõik neli katset.
Katseklaasidepaar
Katse temperatuur t °C
Aeg τ min
Reaktsioonikiirus v = 1/τ min–1
1
30
0,5
2
2
40
0,2
5
3
50
0,1
10
4
60
0,05
20
Järeldused
Keskmise temperatuuriteguri arvutamine:

30-40 oC
γ1
2,5

40-50 °C
γ2≈2

50-60 °C
γ3≈2
Keskmine temperatuuritegur
γk≈
Kokkuvõte või järeldused:
a) Reaktsioonikiirus on sõltuv Na2S2O3 kontsentratsioonist, mida rohkem on Na2S2O3-e lahuses, seda kiirem oli reaktsioon . Reaktsioon on Na2S2O3 suhtes esimest järku.
b) Uuritud reaktsiooni kiirus temperatuuri tõstmisel 10 oC võrra tõuseb umbes 1,73 korda.