Keemiline tasakaal ja reaktsioonikiirus (2)

Eksperimentaalne töö 1
Ainete kontsentratsiooni muutuse mõju tasakaalule
Töö ülesanne ja eesmärk
Le Chatelier ´i printsiip- reaktsiooni tasakaalu nihkumise uurimine lähteainete ja saaduste konsentratsiooni muutmisel.
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)
1 Kp = ⎯⎯⎯ pCO2
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid :
Töövahendid: katseklaaside komplekt
Kasutatud ained: FeCl3 ja NH4SCN küllastunud lahused , tahke NH4Cl
Kasutatud uurimis - ja analüüsmeetodid ning metoodikat:
Kirjutasin välja tasakaalukonstandi raud(III) kloriid ja ammooniumtiotsüanaadi lahuste vahelisele reaktsioonile.
FeCl3(aq)+3NH4SCN(aq)→ FE(SCN)3(aq)+3NH4Cl(aq)
Pidin hindama , millises suunas nihkub tasakaal, kui suurendada:

FeCl3 kontsentratsiooni- siis nihkub tasakaal saaduste suunas

NH4SCN kontsentratsiooni- siis nihkub tasakaal saaduste suunas

NH4Cl kontsentratsiooni- siis nihkub tasakaal lähteainete suunas.
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.
Katsekäik:
Esimese katseklaasi jätsin võrdluseks.
Teise katseklaasi lisasin kaks tilka FeCl3 lahust. Märkasin, et lahus läheb tumedamaks ning seega tasakaal nihkub saaduste suunas.
Kolmandasse katseklaasi lisasin 2 tilka NH4SCN lahust. Värv muutub tumedamaks, aga mitte nii palju, kui oli teises katseklaasis. Tasakaal nihkub saaduste suunas.
Neljandasse katseklaasi lisasin tahket NH4Cl ja loksutasin tugevasti. Lahuse värvus muutus heledamaks ja tasakaal nihkub lähteainete poole.
Eksperimentaalne töö 2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist ja temperatuurist.
Töö ülesanne ja eesmärk:
Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite mõju uurimine, reaktsiooni järgu määramine, graafikute koostamine.
Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid:
Töövahendid: Büretid, katseklaaside komplekt (8tk), kummikork, pesupudelid, suurem keeduklaas , termomeeter , elektripliit .
Kasutatud ained: 1%-ne Na2S2O3 lahus, 1%-ne Na2SO4 lahus
Kasutatud uurimis- ja analüüsmeetodid ning metoodikat:
Reaktsioonikiiruse sõltuvust reageerivate ainete konsentratsioonist ning temperatuurist on hea vaadelda väävelhappe ning naatriumtiosulfaadi vahelise reaktsiooni abil.
NaS2O3+H2SO4 → Na2SO4+H2O+S↓
Reaktsioon on 1. järku. Vaatasin selle koenfitsentide järgi.
Selles reaktsioonis tekkiv hägune väävlisade on hõlpsasti jälgitav ning suhteliselt lahjadeSelles reaktsioonis tekkiv hägune väävlisade on hõlpsasti jälgitav ning suhteliselt lahjade lahuste korral on ajavahemik lahuste kokkuvalamisel hetkest kuni hägu tekkimiseni mõni minut lahuste korral on ajavahemik lahuste kokkuvalamisel hetkest kuni hägu tekkimiseni mõni minut.

• Van´t Hoffi reegel-
  

Temperatuuri tõstmine 10°C võrra suurendab reaktsiooni kiirust kaks kuni neli korda.
Seega pole kiiruse sültuvus temperatuurist lineaarne, vais sellist temperatuurisõltuvust kirjeldab astmefunktsiooni graafik .
KATSE 1
Reaktsioonikiiruse sõltuvus lähteainete kontsentratsioonist
Jagasin kaheksa katseklaasi neljaks paariks. Ühte katseklaasi igast paarist panin väävelhappelahuse, teisse naatriumtiosulfaadilahuse, milee konsentratsioon paariti erineb. Algul täitsin neli katseklaasi H2SO4 lahusega- igasse katseklaasi 6 cm3 . Erineva konsentratsiooniga lahused valmistasin järgnevalt:
Ühte katseklaasi mõõtsin 6 cm3 H2SO4 lahust,
Teise 4cm3 H2SO4 lahust ja 2cm3 destilleeritud vett,
Kolmandasse 3cm3 H2SO4 lahust ja 3 cm3 destilleeritud vett
Neljandasse 2cm3 H2SO4 lahust ja 4cm3 destilleeritud vett
Katsetes mõõtsin aega lahuste kokkuvalamise momendist kuni hetkeni, mil lahus on muutunud häguseks. Selleks võtsin esimese paari ja valasin lahused ühte katseklaasi kokku, sulgesin katseklaasi korgiga ning segasin katseklaasi kiiresti paar korda ümber pöörates. Samal momendil fikseerisin stopperiga katse alguse ning hägu tekkides panin stopperi kinni. Nii toimisin ka teiste katseklaasi paaridega.
Katseandmed :
Katseklaaside paar
NaS2O3 maht cm3
H2O maht cm3
NaS2O3 suhteline konsentratsioon
Aeg
Min
Reaktsiooni-kiirus
Min-1
1
6
0
6
0,92
1,1
2
4
2
4
1,17
0,85
3
3
3
3
1,5
0,67
4
2
4
2
2,55
0,39
KATSE2
Reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist.
Kui katseklaasid olid hoolikalt pestud, siis aususin järgmise katse juurde. Jällegi võtsin neli paari katseklaase. Et ma neid hiljem segamini ei ajaks märgistasin ühteaeinet sisaldavad katseklaasid ühtemoodi.
Täitsin ühe katseklaasi igast paarist 4cm3 väävelhappelahusega, teise 4cm3 Na2S2O3 lahusega. Nüüd töitsin poolenisti veega ühe suurema keeduklaasi ning asetasin kõik katselaasid ning termomeetri sinna. Siis tõstsin keeduklaas koos katseklaasidega elektripliidile ning hakkasin jälgime temperatuuri tõusu.
Katsed sooritasin temperatuuridel 30°C, 40°C, 50°C ning 60°C.
Kui temperatuur oli ~30-31°C, siis tõstsin keeduklaasi koos katseklaasidega pliidilt maha, võtsin kätte esimese paari katseklaase, valasin lahused kokku, segasin kiirestining asetasin siis katseklaasid kohe sooja vette tagasi. Mõõtsin aega lahuste kokkuvalamise momendist kuni hägu tekkimiseni.
Seejärel asetasin keeduklaasi uuesti pliidile. Ning ootain, et temperatuur tõuseks ~40-41°C.ni. Siis võtsin keeduklaasi pliidilt maha ning kordasin katset järgmiste lahustepaaridega. Oluline oli, et ma jägiksin hägu teket sooja vee sees. Sama moodi tegin ka ülejäänud katseklaaside paaridega.
Katseandmed:
Katseklaaside paar
Katse temperatuur t C°
Aeg
Min
Rekatsioonikiirus
Min-1
1
30
0,7
1,43
2
40
0,37
2,7
3
50
0,27
3,7
4
60
0,15
6,67
Arvutused

• Leidsin van´t Hoffi reegli põhjal temperatuuritegurid kolmele temperatuurivahemikule eraldi.
  

• Arvutan reaktsiooni keskmise temperatuuriteguri γk
  

Järeldused
Na2S2O3 suhteline kontsentratsioon
Aeg
min:sek
Aeg
min
Kiirus v
min-1
2,0
00:35
0,6
1,67
3,0
00:27
0,45
2,22
4,0
00:14
0,23
4,35
6,0
00:09
0,15
6,67
Kokkuvõte ja järeldus
Mida suurem on Na2S2O3 kontsentratsioon, seda suurem on reaktsioonikiirus. Reaktsioonikiiruse keskimine kasv temperatuuri tõstmisel 10 kraadi võrra on 1,69°C.
8