Chemie in druppels Hans Vanhoe Katrien Strubbe Universiteit Gent SLO Chemie
4 Verschuiving van een chemisch evenwicht 4.1 Chemisch evenwicht Stikstofdioxide (NO 2) (roodbruin gas) kan omgezet worden tot het dimeer distikstoftetraoxide (N 2O 4) (kleurloos gas) volgens de reactie: 2 NO 2 (g) N 2O 4 (g) Wanneer een luchtledige fles gevuld wordt met het roodbruine stikstofdioxide, zal de roodbruine kleur in intensiteit verminderen. Toch wordt, na verloop van tijd, het gas in het reactievat niet volledig kleurloos maar het neemt een lichtbruine kleur aan waarvan de intensiteit in functie van de tijd niet meer verandert. Dit wijst er op dat niet alle in de fles aanwezige stikstofdioxide is omgezet in het dimeer, maar dat er een constante hoeveelheid van de oorspronkelijke stof overblijft. Wanneer men anderzijds een vacuüm gezogen fles vult met het kleurloze distikstoftetraoxide, dan wordt het gasmengsel in deze fles na verloop van tijd lichtbruin. Dit kan alleen als er een gedeelte van het distikstoftetraoxide ontbonden is in stikstofdioxide volgens: N 2O 4 (g) 2 NO 2 (g) Ook in dit geval zal na verloop van tijd de kleurintensiteit in de fles niet meer veranderen. De reactie kan in dit geval dus in beide richtingen doorgaan. Wanneer de concentratie van de stoffen na verloop van tijd constant blijft, komt dit omdat de snelheden van beide tegengestelde reacties even groot zijn: er heeft zich een dynamisch evenwicht ingesteld. Men noemt deze situatie, waar de concentraties van de reagentia en de reactieproducten niet meer veranderen, de situatie van chemisch evenwicht. Flessen gevuld met stikstofdioxide (links) en distikstoftetraoxide (rechts). De lichtbruine kleur in de rechtse fles is afkomstig van een kleine hoeveelheid stikstofdioxide. Er zijn talrijke reacties die leiden tot een situatie van chemisch evenwicht. Een maatschappelijk belangrijke evenwichtsreactie (zie bijlage 10) is de synthese van ammoniak uitgaande van waterstofgas en stikstofgas volgens: N 2 + 3H 2 2 NH 3 die slechts met voldoende snelheid doorgaat bij hoge druk en temperatuur en in aanwezigheid van katalysatoren (meestal op basis van ijzer). Bovendien blijkt de procentuele concentratie ammoniak in het evenwichtsmengsel af te hangen van de temperatuur en de druk. Dit is weergegeven in onderstaande figuur, waar het molprocent ammoniak in het evenwichtsmengsel wordt weergegeven in functie van de druk bij verschillende temperaturen wanneer men waterstofgas en stikstofgas laat reageren in een verhouding 3:1. Je merkt dat wanneer de druk afneemt (dus minder moleculen per volume-eenheid), het evenwicht van deze reactie naar links verschuift.
Molprocent ammoniak in het evenwichtsmengsel voor de ammoniaksynthese, uitgaande van een mengsel met (mol H 2 /mol N 2 )= 3. Factoren die de ligging van een chemisch evenwicht beïnvloeden zijn de concentratie, druk (bij gasreacties), temperatuur.
4.2 Proeven 4.2.1 Ijzertrichloride en kaliumthiocyanaat Explorerend onderzoek, (hypothesetoetsend) Onderzoeksvaardigheden: - uitvoeren: nauwkeurig en zorgvuldig werken, observeren, analyse, besluit, rapporteren - reflectie: vergelijken resultaten en besluit met gestelde hypothese Situering: Als ijzer(iii)chloride (FeCl 3) in en kaliumthiocyanaat (KSCN) in bijeen gevoegd worden ontstaat een bloedrood complex Fe(SCN) 2+. De reactie is: Fe 3+ (aq) + SCN - (aq) Fe(SCN) 2+ (aq) Onderzoeksvraag: Wat is de invloed van de concentratie van reagentia en reactieproducten op de ligging van een chemisch evenwicht? Opdracht: Voer de handelingen uit die beschreven zijn in uitvoering. Maak een verslag van je experiment. Dit verslag bevat minstens een overzicht van je waarnemingen bij elk proefje en een antwoord op de onderzoeksvraag. Geef je mening over het exo- of endotherm karakter van de ammoniaksynthese en verklaar waarom je dit denkt. Beschikbaar materiaal: In druppelflesje: - 0,01 mol/l FeCl 3 (aq) - 0,01 mol/l KSCN (aq) - 0,05 mol/l AgNO 3 (aq) - Verzadigde van FeCl 3 - Verzadigde van KSCN - Gedestilleerd water Plastiek mapje met inlegblad Beker met warm water Plastieken pipetjes Uitvoering: - Stop het inlegblad in het plastiek mapje. - Plaats in vakjes 1 tot en met 4 één druppel van de 0,01 mol/l FeCl 3- samen met een druppel van de 0,01 mol/l KSCN-. - Voeg in vakje 2 een druppel toe van de die rechts van het vak genoteerd is. Observeer en noteer je waarnemingen. Wanneer je niet onmiddellijk een verandering waarneemt, roer dan voorzichtig. - Doe hetzelfde met de druppel in vakje 3. - Probeer je waarneming te verklaren.
- Voorspel op basis van je verklaring in punt 3, wat er zal gebeuren wanneer je aan de druppel in vakje 4 een druppel zilvernitraat toevoegt. Voer het experiment uit en controleer of dit klopt met je hypothese. - Bij de reactie tussen FeCl 3 (aq) en KSCN (aq) komt warmte vrij. Wat denk je dat er zal gebeuren als je de reactie laat doorgaan met warme en? - Controleer experimenteel je hypothese in vakje 6. - Breng een druppel FeCl 3 (aq) en KSCN (aq) samen in vakje 5. Voeg enkele druppels gedestilleerd water toe. Observeer wat gebeurt. Probeer een verklaring te vinden voor je waarneming. - Veeg na het experiment de druppels van het hoesje met papier, en maak het proper met een vochtige doek. Het papier mag in het vat voor vast afval. 4.2.2 Kaliumchromaat en kaliumdichromaat Situering: Tussen gele chromaationen (CrO 4 ) en oranje dichromaationen (Cr 2O 7 ) bestaat er een chemisch evenwicht dat aanleiding geeft tot het volgende evenwichtsmengsel: 2 CrO 4 + H 3O + Cr 2O 7 + OH - + H 2O Omdat hydroxide-ionen betrokken zijn, verwacht je dat de ligging van het evenwicht afhangt van de ph. Onderzoeksvraag: Wat is de invloed van de zuurgraad op de ligging van het chemisch evenwicht tussen chromaationen (CrO 4 ) en dichromaationen (Cr 2O 7 )? Opdracht: Voer de handelingen uit die beschreven zijn in uitvoering. Maak een verslag van je experiment. Beschikbaar materiaal: In druppelflesjes: - 0,2 mol/l K 2CrO 4 (aq) - 0,2 mol/l K 2Cr 2O 7 (aq) - 1 mol/l HCl (aq) - 1 mol/l NaOH (aq) - Gedestilleerd water Plastiek mapje met inlegblad Uitvoering: - Stop het inlegblad in het plastiek mapje. - Plaats in vakje 1 één druppel van de 0,2 mol/l K 2CrO 4 -. - Voeg een druppel HCl (aq) toe. Observeer en noteer je waarneming. - Voeg een druppel NaOH (aq) toe, observeer en noteer je waarneming. - Plaats in vakje 2 één druppel van de 0,2 mol/l K 2Cr 2O 7 -. - Voeg een druppel NaOH (aq) toe. Observeer en noteer je waarneming.
- Voeg een druppel HCl (aq) toe, observeer en noteer je waarneming. - Probeer je waarnemingen te verklaren. Inlegblad verschuiving chemisch evenwicht 1 2 K 2CrO 4 - K 2Cr 2O 7 -
Inlegblad chemisch evenwicht 1 2 3 + verzadigde FeCl3 + verzadigde KSCN 4 + 0,05 mol/l AgNO3 5 + gedestilleerd water (meerdere druppels) 6 + warmte - warmte
Bijlage 1: ammoniaksynthese
Bron: chemische feitelijkheden, juni 2008