Indgreb i et ligevægtssystem.
Formålet:
Formålet med øvelsen er at undersøge, hvad der sker, når et ligvægtssystem bringes ud af ligevægt – tilsætning af salte, fjernelse af ioner, koncentrationsændringer og temperatur ændringer.
Teori:
Når man blander en opløsning der indeholder jern(III)ioner med en opløsning der indeholder thiocyanationer (SCN-), dannes der en rød kompleks-ion, FeSCN2+ i en ligevægtsreaktion:
Fe(aq)3++SCN(aq)-⇌FeSCN(aq)2+
Svagt gul Farveløs Intens rød
I forsøget bliver der foretaget flere forskellige indgreb i det ligevægtssytem. Man kan ved at se på farven, se om indgrebet har bevirket en forskydning mod højre eller venstre i ligevægten. Men der er også muligheden, for at indgrebet slet ikke bevirker nogen forskydning.
Den eventuelle forskydning kan forklares med ligevægtsloven, der siger at et kemisk system i ligevægt har en ligevægtskonstant (K). Som er en konstant, så længe der ikke ændres på temperaturen. For at undersøge om et system er i ligevægt skal man kende K.
Når et kemisk system er i ligevægt er reaktionsbrøken (Y) lig med ligevægtskonstanten.
Y=K
Reaktionsbrøken er givet ved dette reaktionsskema
Y=Pp∙SsAa∙Bb
Hvor Pp og Ss er produkterne og Aa og Bb er reaktanterne.
Y=FeSCN(aq)2+Fe(aq)3++SCN(aq)-
Hvis man tilføjer mere af den ene reaktant vil nævneren forøges og dermed bliver Y mindre og vil så ikke være lig med K. Altså er systemet ikke i ligevægt. For at komme i ligevægt igen vil systemet skubbe sig mod højre. Dvs. at reaktanterne vil reagere og skabe flere produkter og dermed sænkes nævneren og tælleren forøges indtil systemet igen er i ligevægt.
Når vi sammenholder K og Y kan vi konkludere følgende:
Y<K - Reaktionen forløber mod højre indtil ligevægt
Y=K - Systemet er i ligevægt
Y>K - Reaktionen forløber mod venstre indtil ligevægt
En forskydning kan også forklares vha. Le Chateliers princip, der siger at:
”Et ydre indgreb i et ligevægtssystem vil medføre en forskydning af ligevægten i den retning, der gør virkningen af indgrebet mindre”.
Le Chateliers princip lyder da, at hvis man laver et indgreb, vil ligevægtssystemet formindske virkningen af dette indgreb.
Kemisk ligevægt er ikke direkte påvirket af ændring i tryk, men er påvirket af ændringer i volumen, der er medført af en ændring af trykket. Hvis trykket sænkes/volumen øges vil ligevægtssystemet blive forskudt mod den side der indeholder fleste molekyler. Hvis trykket øges/volumen sænkes vil ligevægtssystemet blive forskudt mod den side med færrest molekyler. Når der er en ændring af volumen/tryk vil koncentrationerne af reaktanterne og produkterne blive påvirket, og systemet vil modvirke indgrebet. Hvis et system er påvirket af indgrebet, er det afhængigt af koefficienterne. Dvs. at det er afhængig af den mængde mol der er på venstre og højre side.
Effekten ved en ændring af temperaturen i et ligevægtssystem kan tydeliggøres ved at se på temperaturen, som enten en reaktant eller et produkt. I exoterme reaktioner er varmen set som et produkt. I endoterme reaktioner er varmen set som en reaktant. Vi kan bruge de samme principper som til ændringer i koncentration:
F.eks: Exoterm reaktion: A+B⇋C+x kJ Endoterm reaktion: A+B+x kJ=C
Hvis temperaturen sænkes, vil systemet forskydes mod retningen der producerer varme – systemet vil prøve at får x-værdien til at være lige x-værdien, og ikke mindre eller større.
Hvis temperaturen øges, vil systemet forskydes mod retningen der har bruge for varm, systemet vil igen prøve at få x-værdien at være lig x-værdien.
I forsøget foretages der forskellige indgreb i dette ligevægtssystem. Ved at se på opløsningens farve kan man se om indgrebet har bevirket en forskydning mod højre eller venstre i ligevægten.
Apparatur: 250 mL konisk kolbe Spatel 7 reagensglas 1 spatel
10 mL målecylinder 2 store bægerglas (til varmebad og isbad) Evt. Termometer 4 stk. helt identiske 50 eller 100 mL bægerglas
Kemikalier: 0.1 M Jern(III)nitrat (Fe(NO3)3) Jern(III)nitrat (Fe(NO3)3(s)) 0.1 M kaliumthiocyanat (NaHSO3) Natriumhydrogensulfit (NaHSO3(s)) 0.1 M kaliumpermanganat (KMnO4) Kaliumthiocyanat (KSCN(s)) Startblanding + farvetjek sølvnitrat-opløsning (AgNO3)
Fremgangsmåde og observationer: Fyld 200 mL vand i en 250 mL konisk kolbe. Tilsæt 10 mL 0.1 M Fe(NO3)3 og derefter 10 mL 0.1 M KSCN. Iagttagelser: Der fremkommer en rødlig væske, meget hurtigt.
Så hældes der 5 mL af den overstående opløsning op i 7 forskellige reagensglas. Resten forbliver i den koniske kolbe til et senere forsøg. Reagensglasset til højre er det med sammenligningsopløsningen i.
Det første reagensglas bruges til farvesammenlingning. I andet forsøg tilsættes der en spatel fast Fe(NO3)3. Opløsningen bliver mere mørkerød. I tredje forsøg blev der tilsat nogle få korn ascorbinsyre (c-vitamin). Reagensglasset til højre er opløsningen med ascorbinsyren i.
Opløsningen blev mindre rød (helt gennemsigtig)
I fjerde forsøg tilsatte vi en spatelfuld KSCN Reagensglasset til venstre i billedet er opløsningen med KSCN i.
Opløsningen blev meget mørkerød.
Den hvide opløsning er den med AgNO3 i.
I femte forsøg tilsatte vi et par dråber 0.1 M AgNO3. Opløsningen blev hvid med bundfald. I sjette og syvende forsøg bliver reagensglasne henholdvis sat i 50°C og i isbad Opløsningen i det varme vand bliver en lille bitte smule mørkere og opløsningen i isbadet bliver lysere. Glasset til venstre er isbadet og glasset til højre er glasset med det varme vand
Så laver vi et forsøg med 0.002 M KMnO4. Vi starter med at fylde to 100 mL bægerglas halvt op med 0.002 M KMnO4 og placere dem på et hvidt stykke papir. Begge glas har den samme farveintensitet. Bagefter tilsætter vi 50 mL vand til det ene bægerglas og kigger på farveintensiteten. Kigger man oppe fra ser de ens ud. Set oppefra
Kigger man fra siden er den med vand en smule lysere. Set fra siden
Så laver vi et tilsvarende forsøg med den resterende del af opløsningen i den koniske kolbe. Der ser vi så at den med vand bliver en smule lysere.
Databehandling:
I det første reagensglas, det som blev brugt til at sammenligne farve forskellene med de andre skete der følgende reaktion:
Fe(aq)3++SCN(aq)-⇌FeSCN(aq)2+
Denne reaktion er i ligevægt.
I det andet reagensglas hvor der blev tilsat en lille spatel fuld Fe(NO3)3.
Opløsningen blev mørkere, Dvs. der blev dannet mere FeSCN2+ og dermed at ligevægten forskydes mod højre.
Dette kan vi forklares vha. ligevægtsloven. Da vi øger koncentrationen af en reaktant til nævneren i reaktionsbrøken øgen og der bliver mindre end ligevægtskonstanten. Reaktionen vil derfor løbe mod højre indtil der igen er opnået ligevægt i systemet.
Det kan også forklares ved Le Chateliers princip. Vi øger koncentrationen af en reaktant, og derfor vil ligevægten forskydes imod produktet, for at modvirke indgrebet.
I tredje reagensglas bliver der tilsat nogle få korn ascorbinsyre.
Blandingen bliver mere farveløs. Altså må forskydningen gå mod venstre side, eftersom reaktanterne er farveløse.
Da ascorbinsyre reducerer Fe3+ til Fe2+ medfører dette at der i ligevægten bliver færre Fe3+ ioner.
Altså må ligevægten modvirke dette indgreb ved at danne flere Fe3+, hvilket den gør ved at forløbe mod venstre.
I det fjerde reagensglas blev der tilsat en spatelfuld KSCN.
Væsken bliver mørkere rød, hvilket betyder at ligevægten er blevet forskudt mod højre side.
Eftersom tilsætningen af KSCN giver større koncentration af SCN- , må ligevægten modvirke dette indgreb ved at øge koncentrationen af FeSCN2+ . Dette kan også bekræftes vha. reaktionsbrøken, da mere SCN- giver større nævner og derved mindre Y-værdi. For at opnå Y= K skal tælleren (FeSCN2+ ) ligeså blive større.
Dette forklares også ved Le Chateliers princip. Vi øger koncentrationen af en reaktant og derfor vil ligevægten forskydes imod produktet, for at modvirke indgrebet.
I det femte reagensglas blev der tilsat et par dråber 0.1M AgNO3
Opløsningen bliver lysere. Dette skyldes at Ag+ -ionen går sammen med SCN-- -ionen.
Reaktionsskemaet viser dette: FeSCN2++ AgNO3 → Fe(NO3)2+ 2AgSCN
Hvis man ser på reaktionsbrøken bliver nævneren mindre, og ligevægtssystemet må opveje dette, ved at forskyde ligevægten mod venstre (tælleren i reaktionsbrøken), hvilket vores iagttagelse bekræfter. Dette kan med Le Chateliers princip forklares med, at når en reaktant mindskes skydes ligevægten mod venstre for at modvirke indgreb.
Det sjette reagensglas blev lagt i et 50°C varmt vandbad.
Opløsningen blev lidt mørkere. Ligevægten forskydes altså mod højre.
Når der sker en øgning i temperaturen forsøger systemet at sænke temperaturen igen. Dette sker ved at reaktionen forløber i den endoterme retning.
Det syvende reagensglas blev lagt i et isbad.
Opløsningen blev lysere. Ligevægten forskydes mod venstre.
Ligevægtssystemet prøver at udligne temperatur ændringen. I dette tilfælde forløber forskydningen i den exoterme retning.
Ekstraforsøg 1:
Stil to bægerglas ved siden af hinanden på et stykke hvidt papir og fyld dem næsten halvt op med 0,002 M KMnO4. Som bekendt skyldes opløsningens farve den violette permanganation. Hold hovedet over de to glas og se ned gennem opløsningerne. Sammenlign farveintensiteterne. De skal naturligvis være ens!
Derefter fordobles volumenet i det ene bægerglas ved tilsætning af vand. Sammenlign igen farveintensiteterne.
I glasset skete der efter tilsætningen af vand, ganske simpelt, en fortynding af opløsningen. Der er den samme mængde kaliumpermanganat i glasset som før. Men eftersom volumen er blevet fordoblet er opløsningen bare blevet fortyndet og der er ikke sket nogen reaktion. Vi kan dog stadig se at fortynding i sig selv har en virkning på ligevægtssystemet. Dette kunne man dog kun se fra siden ved at farven af væsken er blevet lysere.
Ekstraforsøg 2: Derefter hældte vi 50 mL af vores opløsning i to nye 100 mL bægerglas. Satte dem på hvidt papir og tilsatte 50 mL demineraliseret vand i det ene. Igen sammenlignede vi farveintensitet fra oven og siden. Farven i opløsningen skyldes permanganationen. Vi laver et tilsvarende forsøg, men bare med resten af vores ligevægtsblanding
I glasset med vores egen opløsning var der ændring i farveintensiteten set både oppefra og fra siden. Altså kan vi konkludere at her er der sket en forskydning af ligevægten. Opløsningen blev lysere, og ligevægten skød altså mod venstre. Dette kan forklares med at fortynding fordobler volumen og at man jo også halverer alle koncentrationerne. y=12FeSCN12Fe3+∙12SCN- Dermed fordobles reaktionsbrøken og ligevægten skydes mod venstre.
Konklusion:
i vores forsøg har brugt faste stoffer eller et par dråber af en koncentreret opløsning, for at få en større virkning på ligevægten. Det har vist at der er to muligheder for at forklare en forskydning i et ligevægtssystem. Det gør det også muligt at forudse en evt. forskydning i et ligevægtssystem.
Fejlkilder:
Der er ingen reele fejlkilder da der ikk behøves at blive målt nogle desiderede mål på noget. Man går kun ud fra det farveskift man kan se.
