Хімічна рівновага. Рівноважні процеси

Лабораторна робота № 3. Визначення константи рівноваги реакції взаємодії залізо(III) хлориду з калій йодидом

Мета роботи – визначення константи рівноваги та теплового ефекту реакції взаємодії залізо(III) хлориду з калій йодидом.

При перебігу хімічної реакції через деякий час встановлюються рівноважний стан (хімічна рівновага), який визначають дві ознаки:

1) склад системи є сталим у часі при незмінних зовнішніх умовах;

2) при зміні зовнішніх умов рівновага зміщується та повертається в вихідний стан в результаті набування зовнішними параметрами попередніх значень.

В цьому стані швидкості прямої та зворотньої реакції дорівнюють одна одній.

Критерієм рівноваги в замкненій системі буде: при сталих Т, Р або при сталих Т, V (термодинамічна рівновага).

Зв’язок між рівноважними концентраціями або парціальними тисками вихідних речовин та продуктів реакції aA + bB = dD + cC передається законом діючих мас

; ; ; , (2.1),

де K_p, K_c, K_n, K_x – константи рівноваги хімічної реакції; – рівноважний парціальний тиск, концентрація, мольна доля та число молей відповідно.

Виходячи з цього розмірність констант визначається таким чином: ; ; або (моль/л)^Δn, – різниця між сумою стехіометричних коефіцієнтів для газоподібних продуктів та сумою стехіометричних коефіцієнтів для газоподібних вихідних речовин.

Залежність константи рівноваги від температури передається рівняннями ізобари та ізохори Вант Гоффа:

(2.2).

Якщо тепловий ефект є сталим в інтервалі температур, що досліджується, то рівняння ізобари трансформується до вигляду:

(2.3).

В лабораторній роботі розглядається реакція взаємодії залізо(III) хлориду з каліййодидом:

FeCl₃ + KI FeCl₂ + ½ I₂ + KCl (2.4).

В іонному вигляді цю реакцію можна представити таким чином:

Fe³⁺ + I^- Fe²⁺ + ½ I₂ (2.5).

Константа рівноваги через рівноважні концентрації для цієї реакції розраховується за рівнянням:

(2.6),

де [ ] – рівноважні концентрації учасників реакції.

Оскільки реакція перебігає в розчині, тобто в конденсованій фазі, , тож теплові ефекти при Р = const і V = const практично однакові, тоді визначивши К_с для двох різних температур, можна скористатися (2.3) для розрахунку теплового ефекту при сталому тиску для реакції, що вивчається, за рівнянням:

 

(2.7).

Хід роботи

1. В три мірні колби на 250 мл вносять по 100 мл 0,02 М розчину KI.

2. В колби № 1 вливають 80 мл 0,02 М розчину FeCl₃ і доводять до мітки 0,1 М НCl, закривають пробкою, інтенсивно перемішують і обов’язково фіксують час початку експерименту.

3. В колби № 2 вливають 90 мл 0,02 М розчину FeCl₃ і доводять до мітки 0,1 М НCl, закривають пробкою, інтенсивно перемішують і обов’язково фіксують час початку експерименту.

4. В колби №3 вливають 100 мл 0,02 М розчину FeCl₃ і доводять до мітки 0,1 М НCl, закривають пробкою, інтенсивно перемішують і обов’язково фіксують час початку експерименту.

5. Відбирають проби розчинів №1 – 3 об’ємом 25 мл через 10 хвилин від початку експерименту. Потім через 30, 60, 80, 120 хвилин. За час відбору проби вважають момент зливання розчину з піпетки в колбу для титрування. Відразу після відбору проби йод, що виділився в результаті реакції титрують 0,01 М розчином Na₂S₂O₃ за реакцією:

I₂ +2 Na₂S₂O₃ =Na₂S₄O₆ + 2 NaI (2.8)

Титрування проводять до жовтуватого забарвлення розчину. Потім додають 10 крапель крохмалю й титрують до зникнення синього кольору. Вважається, що в розчинах встановилася рівновага, якщо об’єм натрій тіосульфату, що витрачається на титрування проб починає відрізнятися від попереднього всього на 0,2 – 0,4 мл.

6. Експериментальні дані вносять в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Номер проби	Час від початку досліду	Об’єм Na2S2O3, витрачений на титрування проби
Колба №1	Колба №2	Колба №3

 

Обробка результатів

1. Обчислення початкових концентрацій вихідних речовин С(Fe³⁺ ) та С(I^-) після розведення у реакційній суміші проводять за формулою: С₁V₁=C₂V₂, де V₁ – загальний об’єм реакційної суміші, 250 мл; C₂ – концентрація вихідного розчину Fe³⁺ або I^-, моль/л; V₂ – об’єм вихідного розчину FeCl₃ або KI, який взято для приготування реакційної суміші. Дані заносять в таблицю 2.2.

Таблиця 2.2.

Реакційна суміш	Концентрація, моль/л
С(Fe^3+)	С(I^-)	[I2]	[Fe^2+]	[Fe^3+]	[I^-]

 

 

2. Рівноважну концентрацію йоду [I₂] в моль/л, що виділився до даного моменту часу, обчислюють відповідно до реакції за рівнянням: , де V(Na₂S₂O₃) – об’єм натрій тіосульфату, який витрачено на титрування йоду в даній пробі, мл; С(Na₂S₂O₃) – концентрація титранту Na₂S₂O₃, моль/л; V_проби – об’єм проби, взятої для титрування, мл.

3. На основі одержаних результатів будують графік залежності С(I₂) від часу.

4. Визначають рівноважні концентрації [Fe²⁺]. В результаті реакції іонів Fe²⁺ утворюється в два рази більше, ніж йоду, тож [Fe²⁺]=2 [I₂].

5. Рівноважну концентрацію іонів заліза (III) Fe³⁺, [Fe³⁺], обчислюють як різницю між початковою концентрацією і рівноважною концентрацією іонів Fe²⁺, які утворилися при відновленні Fe³⁺, тож: [Fe³⁺]=С(Fe³⁺)-[Fe²⁺]. Аналогічно визначають концентрацію йодид-іонів [I^-] = С(I^-)-[Fe²⁺]. Дані заносять в таблицю.

6. Константу рівноваги, К_с, для кожного розчину розраховують за рівнянням (2.6). Обчислюють середнє значення К_с для двох-трьох досліджуваних розчинів.

1. Досліди при підвищеній температурі проводять в тій же послідовності, як вказано вище, термостатуючи досліджувані розчини в термостаті.
2. Обчислюють К_с при температурі 35 – 40⁰С й тепловий ефект реакції за рівнянням ізобари Вант-Гоффа для двох температур за рівнянням (2.7).

Контрольні питання та задачі до лабораторної роботи № 3

1. Як залежить константа рівноваги для сталої температури від початкових концентрацій KI і/або FeCl₃?

2. Яким чином можна зрушити рівновагу досліджуваної реакції?

3. Як впливає температура на рівновагу даної реакції?

4. Чи впливає тиск на рівноважну концентрацію йодид-іонів? Обґрунтуйте свою відповідь.

5. Екзо- чи ендотермічна реакція взаємодії FeCl₃ та KI? Поясніть свою відповідь.

6. Напишіть вираз К_р, К_n для реакції взаємодії FeCl₃ та KI.

7. Як пов’язані величини К_с, К_р і К_n з термодинамічною константою реакції К⁰?

8. Які фактори впливають на константу рівноваги?

9. Які з констант (К_с, К_р, К_n,К_х, К⁰) залежать від загального тиску?

10. Напишіть рівняння ізобари Вант-Гоффа в диференційному вигляді.

11. Напишіть рівняння ізобари Вант-Гоффа в інтегральному вигляді.