Dynamika v chemických sústavách

 

Príprava:

V „hre“ so zápalkami a pri prenášaní kvapalín medzi valcami v predchádzajúcom pracovnom liste došlo po niekoľkých „preneseniach“ k dynamickej situácii – t. j. i keď naďalej prebiehal dynamický pohyb medzi škatuľkami (valcami), počet zápaliek v škatuľkách (resp. objem vody vo valcoch) sa už nemenili.

Obidva tieto mechanické modely nám prezentovali rovnováhu, ktorá nastáva aj pri chemických reakciách.

Problém: Ako možno spoznať dynamickú rovnováhu v chemických sústavách?

Úloha 1:

Pomôcky:

  • varič
  • kadičky (2 malé – 50 cm3, 3 väčšie – aspoň 250 cm3)
  • chemická lyžička
  • sklená tyčinka na miešanie – 3 ks
  • farbičky
  • hodinové sklíčko

Chemikálie:

·         červená kapusta

·         potravinárska kyselina citrónová

·         sóda bikarbóna

·         voda

Postup:

  1. Priprav si výluh z červenej kapusty (1 list kapusty natrhaj na malé kúsky, zalej vodou a krátko povar. Zlej.)
  2. Do 2 malých a jednej väčšej kadičky nalej približne 50 cm3 výluhu z červenej kapusty.
  3. Do prvej kadičky pridaj za štvrtinu lyžičky sódy bikarbóny, pomiešaj a zaznač si farbu roztoku.
  4. Do druhej kadičky pridaj za štvrtinu lyžičky kyseliny citrónovej, pomiešaj a zaznač si farbu roztoku.
  5. Do tretej kadičky striedavo pridávaj na špičku lyžičky sódy a kyseliny citrónovej. Po každom prídavku prikry kadičku hodinovým sklíčkom, pomiešaj (krúživým pohybom kadičky) a zaznač si farbu roztoku.

Pozorovanie:

Svoje pozorovanie počas pokusu zakresli...

 

Zhrnutie 1:

Odpovedz na otázky:

  1. Akej farby bol výluh z kapusty?
  2. Ako sa zmenila farba výluhu z červenej kapusty po pridaní:

a)      kyseliny citrónovej

b)      sódy bikarbóny

  1. Ako sa menila farba roztoku výluhu pri striedavom pridávaní kyseliny a sódy?
  2. Prečo bolo treba kadičku prikrývať?

Úloha 2:

Pomôcky:

  • skúmavky
  • 2 kvapkadlá
  • 2 malé kadičky
  • farebné ceruzky

Chemikálie:

  • kyselina sírová  (c(H2SO4) =  0,1 mol dm–3)
  • hydroxid sodný (cNaOH = 0,1 mol dm–3)
  • roztok chrómanu draselného (cK2CrO4 = 0,1 mol dm–3)

UPOZORNENIE: Pred pokusom si nasaď ochranné okuliare a obleč plášť! Ak sa poleješ chemikáliou, ihneď sa dôkladne umy vodou a zavolaj vyučujúceho!!!

  •  Kyselina sírová je žieravina!!!
  • Roztok NaOH s c = 0.1 mol.dm-3 je dráždivý!

Postup:

  1. Do skúmavky 1 daj približne 3 cm3 roztoku chrómanu draselného a po kvapkách pridávaj 2 cm3 roztoku NaOH. Po každom prikvapnutí opatrne pretrep. Zaznač si farbu roztoku v skúmavke.
  2. Do skúmavky 2 daj približne 3 cm3 roztoku chrómanu draselného a po kvapkách pridávaj 2 cm3 kyseliny sírovej. Po každom prikvapnutí opatrne pretrep. Zaznač si farbu roztoku v skúmavke.
  3. Ďalej do roztoku v skúmavke 1 po kvapkách pridávaj 2 cm3 roztoku kyseliny sírovej. Po každom pridaní opatrne pretrep, pozoruj, a zaznač farebné zmeny.
  4. Do roztoku v skúmavke 2 po kvapkách pridávaj 2 cm3 roztoku NaOH. Po každom pridaní opatrne pretrep, pozoruj, a zaznač farebné zmeny.
  5. Ďalej striedavo pridávaj hydroxid a kyselinu.

Pozor ovanie:

1.      Farebne schematicky zakreslite priebeh pokusu. Uveďte všetky podľa vás dôležité podmienky reakcie (napr.: prídavok NaOH)

Zhrnutie 2:

Porovnaj so spolužiakmi svoje schémy a spolu diskutujte nasledujúce otázky:

  • Čo sa stalo po pridaní kyseliny k reakčnej zmesi?
  • Čo sa stalo po pridaní hydroxidu k reakčnej zmesi?
  • Ak ste opäť pridávali striedavo kyselinu a hydroxid, čo sa dialo? Ako by ste vysvetlili tento dej?
  • Pokúste sa chemickou rovnicou zaznačiť priebeh deja:

........................................................................................................................................................................................................................................................................................

Doplňte chýbajúci text:

Ak k roztoku chrómanu draselného pridáme kyselinu, farba sa zmení na ............................... v dôsledku vytvárania ...................................; rovnováha sa posunie v smere tvorby reaktantov – v smere tvorby produktov* Keď pridáme hydroxid, roztok sa mení na ........................, rovnováha sa posunie vpravo – vľavo* a znovu sa tvoria ióny .........................

enlightened * Nehodiace sa prečiarkni

 

Úloha 3:

Pomôcky:

  • Skúmavky – 5 ks

Chemikálie

Vodné roztoky:

  • dusičnanu strieborného  (cAgNO3 = 0,1 mol dm–3)
  • chloridu železitého (cFeCl3 = 1 mol dm–3)
  • síranu železnatého (Poznámka: roztok treba pripraviť čerstvý – rozpúšťaním tuhej látky vo vode, pretože sa rýchlo oxiduje)
  • hexakyanoželezitanu draselného (c K3[Fe(CN)6] = 1 mol dm–3) (Poznámka: Roztok treba používať čerstvo pripravený)
  • tiokyanatanu draselného (cKSCN = 1 mol dm–3)

UPOZORNENIE: Pred pokusom si nasaď ochranné okuliare a obleč plášť! Ak sa poleješ chemikáliou, ihneď sa dôkladne umy vodou a zavolaj vyučujúceho.

Ø  Zabráňte kontaktu s kožou pri práci s AgNO3!

Ø  FeSO4 ako tuhá látka je škodlivý!

Ø  Roztok FeCl3 je od koncentrácie 0,75 mol dm–3 škodlivý!

Ø  Roztok K3[Fe(CN)6] je dráždivý!

Postup:

1. Do prvej skúmavky nalej čerstvý roztok síranu železnatého a pridaj pár kvapiek hexakyanoželezitanu draselného. Do tabuľky 1 si poznač farbu roztoku.

2. Do druhej skúmavky daj chlorid železitý a pridaj pár kvapiek roztoku tiokyanatanu draselného. Zaznač svoje pozorovania do tabuľky 1.

Tabuľka 1: Dôkaz iónov v roztoku

Ión

Pridaná chemikália

Farba roztoku

 

Hexakyanoželezitan draselný

 

Fe3+

 

 

Poznámka: Hexakyanoželezitan draselný sa používa na dôkaz železnatých iónov (Fe2+); tiokyanatan draselný sa používa na dôkaz Fe3+ (železitých katiónov).

3. Zmiešaj rovnaké objemy roztoku dusičnanu strieborného a čerstvo pripraveného roztoku síranu železnatého.

4. Roztok nad zrazeninou opatrne sceď a rozdeľ do 2 skúmaviek. Do jednej skúmavky pridaj pár kvapiek K3[Fe(CN)6] a do druhej niekoľko kvapiek roztoku KSCN. Zaznač pozorovanie do tabuľky 2.

5. K zostatkovej tuhej látke v skúmavke pridaj nadbytok roztoku FeCl3. Pozoruj.

Tabuľka 2: Dôkaz iónov Fe2+ a Fe3+ vo filtráte

Chemikália pridaná k filtrátu

Farba roztoku

Záver – prítomný ión

Hexakyanoželezitan draselný

 

 

Tiokyanatan draselný

 

 

 

Zhrnutie 3:

Diskutuj  so spolužiakmi nasledujúce otázky:

  • Čo sa stalo po zmiešaní roztokov síranu železnatého a dusičnanu strieborného?
  • Aký katión bol prítomný vo filtráte?
  • Aká látka sa vylúčila pri zmiešaní roztokov v bode 3?
  • Čo sa stalo s tuhou látkou pri pridaní FeCl3? Ako by ste dej vysvetlili?
  • Doplňte chemickú rovnicu (ktorá ilustruje reakciu v bode 3):

Fe2+ (aq) + Ag+ (aq) ↔ .......... (aq) + .......... (s)

  • Ktorým smerom sa posunula rovnováha:

a)      pri zmiešaní roztokov FeSO4 a KSCN

b)      pri pridaní FeCl3 k zrazenine v skúmavke? Ako možno vznikajúci ión dokázať?

Záver

Pri pozorovaní niektorých reakcií by sme mohli zjednodušene povedať, že reaktant sa úplne premenil na produkt a jeho spätná premena už nie je možná. Napríklad, pri pozorovaní správania sa granulky zinku v koncentrovanej kyseline chlorovodíkovej možno vidieť, že granulka sa postupne zmenšuje až úplne „zanikne“. Takéto reakcie sú nevratné a zápise chemickej reakcie sa ich priebeh znázorňuje jednosmernou šípkou, napr.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

Na druhej strane sú reakcie, ktoré neprebehnú až do úplného konca – teda do „zániku reaktantov“, ale pri ktorých sa produkty reakcie (P) spätne začnú rozkladať na reaktanty (R) (ktoré sa zas premieňajú na produkty, atď).

Premena reaktantov na produkty a produktov na reaktanty v takýchto – tzv. vratných reakciách prebiehajú súčasne, t. j. priamou reakciou v danom momente vznikne toľko produktov reakcie, koľko sa spätnou reakciou rozloží späť na reaktanty. Premena  R → P  je najrýchlejšia na začiatku reakcie, so začatím spätného rozkladu  P → R  sa zmenšuje a rýchlosť premeny  P → R  sa zvyšuje, až dovtedy, kedy sa rýchlosti reakcií  R → P  a  P → R vyrovnajú a ďalej prebiehajú rovnakou rýchlosťou. Zloženie reakčnej zmesi (koncentrácia produktov a reaktantov) sa tak ďalej už nemení – hovoríme, že reakčná sústava je v stave dynamickej rovnováhy.

Priamu a spätnú reakciu sústavy v stave dynamickej rovnováhy zapisujeme jednou rovnicou pomocou dvoch šípok (priama reakcia →; spätná reakcia ←), alebo obojstrannou šípkou (↔), prípadne znamienkom „=“ napríklad:

Niekedy sa nad a pod šípky zvyknú písať tzv. rýchlostné konštanty, ktoré udávajú, aké množstvo z reaktantov a produktov za jednotku času v danom smere zreaguje alebo sa rozloží. Ako príklad uvedieme model so zápalkami z pracovného listu 1:

Zápis nám hovorí, že za minútu sa premení vždy polovica častíc látky A na B a štvrtina častíc látky B na A. V našom prípade to napr. znamenalo, že v každej minúte sme preniesli polovicu zápaliek zo škatuľky A do B a štvrtinu zápaliek zo škatuľky B do A. Po čase sa ustálil rovnovážny stav – počet zápaliek v škatuľkách sa už nemenil, i napriek tomu, že prenášanie zápaliek pokračovalo i naďalej.

Koncentráciám látok v rovnovážnej sústave hovoríme rovnovážne koncentrácie.

 

enlightenedUveďte aspoň po tri príklady nevratných a vratných reakcií – prebiehajúcich okolo vás.enlightened

 

 

 

 

Upozornenie: Na obsah sa vzťahujú autorské práva. Pre viac pozri sekciu "copyright".