POLITECHNIKA OPOLSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I LOGISTYKI
INŻYNIERIA BEZPIECZEŃSTWA - 2 ROK - 3 SEMESTR - 2013/2014

SPRAWOZDANIE - CHEMIA DLA INŻYNIERÓW - LABORATORIUM

Prowadzący: dr hab. inż. Janusz PAJĄK, prof. PO

Wykonał: Damian Bonar

Temat: Równowaga chemiczna. Prawo działania mas

1. Wpływ stężenia na szybkość reakcji chemicznych.

W reakcji między kwasem siarkowym a tiosiarczanem sodu wydziela się wolna siarka wg równania:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ -> SO₂ + S + H₂O + Na₂SO₄
S₂O₃^2- + 2H⁺ -> SO₂ + S + H₂O

wydzielona siarka powoduje zmętnienie roztworu. Czas reakcji od początku do pojawienia się zmętnienia zależy od stężeń reagujących substancji i od temperatury.

Do pięciu ponumerowanych probówek odmierzyć pipetą po 6 cm³ 0,25M kwasu siarkowego (H₂SO₄).
Do kolejnych pięciu ponumerowanych probówek („do pary”) odmierzyć pipetą odpowiednie ilości 0,25M roztworu tiosiarczanu sodu (Na₂S₂O₃) i wody wg poniższej tabeli.
Wlać do probówki nr 1 zawierającej tiosiarczan sodu odmierzoną ilość kwasu siarkowego, szybko zmieszać i zmierzyć stoperem czas od momentu zmieszania roztworów do pojawienia się zmętnienia. Szybkość reakcji obliczyć jako wielkość odwrotnie proporcjonalną do znalezionego czasu. To samo powtórzyć z czterema pozostałymi probówkami.

Czas zmętnienia i szybkość reakcji po zmieszaniu tylko Na₂S₂O₃ z 6 cm³ H₂SO₄, bez udziału wody

Nr probówki	Objętość Na2S2O3 [cm^3]	Czas [s]	Szybkość reakcji V = $\frac{1}{t}$ * 10^-3
1.	6	11	9,09 * 10^-5
2.	4	15	6,66 * 10^-5
3.	3	25	4 * 10^-5
4.	2	32	3,125 * 10^-5
5.	1	60	1,666 * 10^-5

Czas i szybkość reakcji po zmieszaniu 6 cm³ H₂SO₄ z odpowiednimi ilościami Na₂S₂O₃ oraz H₂O, jak w tabeli poniżej

Nr probówki	Objętość Na2S2O3 [cm^3]	Objętość H20 [cm^3]	Stężenie względne	Stężenie molowe [mol/dm^3 x 10^-2]	Czas t [s]	Szybkość reakcji V = $\frac{1}{t}$ * 10^-3
1.	6	0	1	25 x 10^-2	35	2,857 * 10^-5
2.	4	2	2/3	17 x 10^-2	52	1,923 * 10^-5
3.	3	3	1/2	12,5 x 10^-2	71	1,408 * 10^-5
4.	2	4	1/3	8,3 x 10^-2	91	1,098 * 10^-5
5.	1	5	1/6	4,2 x 10^-2	155	0,513 * 10^-5

Zmierzony czas reakcji jest obarczony błędem pomiarowym, gdyż wynik zależy głównie od osoby przeprowadzającej doświadczenie, bo to ona wzrokowo decyduje czy według niej powstało lekkie zmętnienie, czy jeszcze do niego nie doszło.

wniosek:
Im mniejsze stężenie molowe i względne roztworu w danej probówce tym czas pojawienia się zmętnienia wydłużał się.

Wpływ stężenia reagentów na szybkość reakcji chemicznych:
- Szybkość reakcji chemicznej zależy m.in. od stężenia, tę zależność dla reakcji

Aa + bB Cc + dD przedstawiają równania: V₁=k₁[A]^a [B]^b i V₂=k₂[C]^c [D]^d
[A],[B],[C],[D] - stężenie molowe substratów w danej chwili
k₁,k₂ -współczynnik proporcjonalności, stała szybkości reakcji

Im stężenie reagujących substancji jest większe tym większa jest szybkość reakcji, gdyż prawdopodobieństwo zderzenia się cząstek jest większe. Ze wzrostem stężenia rośnie całkowita liczba zderzeń, a więc i zderzeń efektywnych.

Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów

2. Wpływ temperatury na szybkość reakcji

Do trzech probówek odmierzyć po 3 cm³ 0,25M roztworu Na₂S₂O₃ i 3 cm³ wody, do następnych trzech odmierzyć po 6 cm³ roztworu H₂SO₄.
W probówkach nr 1 zmierzyć temperaturę, zlać oba roztwory i zmierzyć czas przebiegu reakcji.
Probówki nr 2 umieścić w zlewce z gorącą wodą ( w łaźni wodnej), i ogrzać do temp. O 10 ^oC wyższej (w jednej z probówek musi znajdować się termometr). Następnie zlać oba roztwory i zmierzyć czas przebiegu reakcji.
Podobnie postąpić z probówkami nr 3, przy czym pomiaru czasu reakcji należy dokonać dla temp. O 20 ^oC wyższej.
- Narysować wykres zależności szybkości reakcji od temperatury: V= f(T). - oś rzędnych - szybkość reakcji, oś odciętych - temperatura

Odpowiedź:

W probówkach nr 1 temperatura wynosi: 22 ⁰C

Czas reakcji zmieszania probówki 6 cm³ roztworu H₂SO₄ z probówką gdzie znajduje się 3cm³ 0,25 M roztworu Na₂S₂O₃ i 3 cm³ wody wynosi około 66 s

Po ogrzaniu probówek do temperatury o 10 ^oC wyższej niż temperatura początkowo czas reakcji wyniósł 37 s

Po ogrzaniu probówek do około 42 ⁰C czas reakcji wyniósł 24s

Również w tym doświadczeniu podobnie jak w doświadczeniu nr 1, czas reakcji jest obarczony pewnym błędem pomiarowym, gdyż dodatkowo tutaj należy zwiększyć temperaturę probówek i również jest to zadanie wzrokowe.

wniosek z doświadczenia:
Wyższa temperatura roztworu w danej probówce zmniejsza czas pojawienia się zmętnienia, więc temperatura danej substancji chemicznej ma wpływ na szybkość reakcji.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji:

Wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości reakcji, gdyż rośnie średnia prędkość cząstek, a w związku z tym zwiększa się ich energia kinetyczna i liczba zderzeń, a dzięki temu rośnie liczba zderzeń efektywnych.

W reakcjach homogenicznych wzrost temperatury o 10 ⁰ powoduje wzrost szybkości reakcji 2-4 krotny. Podwyższenie temperatury powoduje wzrost stałej szybkości (k) w równaniu kinetycznym. Liczba określająca ile razy wzrośnie stała k; jest nazywana współczynnikiem temperaturowym (θ). W Myśl reguły von”t Hoffa:

θ = $\frac{k_{t + 10}}{k_{T}}$

3. Wpływ katalizatora na szybkość reakcji

Przygotować 2 kawałki cynku - granulki podobnej wielkości. Do dwóch probówek odmierzyć po 5 cm³ 1M roztworu HCl. Do jednej z nich dodać 3 krople roztworu CuSO₄. Następnie wrzucić do obu probówek po granulce cynku i ustalić wizualnie (ilość wydzielanego wodoru), gdzie szybciej zachodzi reakcji. (Efekt jest bardziej widoczny jeśli obie probówki umieści się w gorącej łaźni wodnej).
- Na podstawie obserwacji napisać wnioski, oparte na równaniu zachodzącej reakcji chemicznej.

Odpowiedź

Szybciej zachodzi reakcja w probówce z 3 kroplami CuSO₄, reakcja ta jest zdecydowanie bardziej wyraźniejsza od tej gdzie nie ma 3 kropel CuSO₄.
By efekt był bardziej widoczny obie probówki znajdowały się w łaźni wodnej.

Reakcje chemiczne w probówkach:

Tzw. roztwarzanie cynku, czyli zjawisko chemiczne polegające na przechodzeniu substancji stałej do roztworu, połączone z reakcją tej substancji z rozpuszczalnikiem lub innym składnikiem roztworu.

Zn + 2HCl -> ZnCl₂ + H₂↑

Reakcja zachodzi wolno z samym kwasem solnym, natomiast szybko z dodatkiem soli miedzi (II) (CuSO₄).

Wydzielanie wodoru na powierzchni czystego cynku zachodzi bardzo opornie. Po dodaniu do jednej z probówek kilku kropli roztworu CuSO4, szybkość wydzielania wodoru wzrasta.
Zjawisko spowodowane jest osadzaniem na powierzchni cynku metalicznej miedzi (cynk jako metal aktywniejszy wypiera miedź z roztworu jej soli), kawałek cynku pod wpływem działania roztworu ciemnieje.
Tworzą się lokalne ogniwa galwaniczne, co ułatwia przechodzenie cynku do roztworu, zaś wodór wydziela się na osadzonej miedzi.

wniosek:
Roztwór CuSO₄ w danym eksperymencie był katalizatorem, który przyspieszył reakcję chemiczną, czyli wydzielanie się wodoru ( był on z tego względu tzw. katalizatorem dodatnim)

Katalizatorem nazywa się substancję, której obecność w mieszaninie reagentów wpływa na szybkość reakcji. Katalizatory nie zużywają się w reakcji, chociaż często zmieniają swą postać:
-katalizatory dodatnie przyspieszają reakcję
-katalizatory ujemne (inhibitory) opóźniają reakcję

Zjawisko przyspieszania lub opóźniania reakcji pod wpływem katalizatora nosi nazwę katalizy.
Udział katalizatora sprowadza się, do obniżenia energii aktywacji katalizowanej reakcji, a co za tym idzie przyspieszenia reakcji i osiągnięcia stanu równowagi w krótszym czasie.

4. Równowaga kwasowo zasadowa

Do zlewki nalać 20 cm³ wody, dodać 2 krople błękitu bromotymolowego i zanotować barwę. Dodać 1 kroplę 1M HCl, zanotować barwę. Dodać 2 krople 1M NaOH i zanotować barwę. Dodać 3 krople 1M HCl i ponownie zanotować barwę.

Błękit bromotymolowy jest słabym kwasem organicznym i ulega częściowej dysocjacji.
Oznaczając anion, na który dysocjuje błękit bromotymolowy przez AC^- dysocjację tę można przedstawić:

HAC ↔ H⁺ + AC^-

-Stosując prawo działania mas wyjaśnić na czym polega zmiana barwy błękitu bromotymolowego
-Jakie jony powodują zwiększenie, a jakie zmniejszenie dysocjacji błękitu bromotymolowego
-Jaką rolę spełnia błękit bromotymolowy

odpowiedź

Zlewka z wodą i dodawanie kolejnych kropel substancji chemicznych do niej	Barwa roztworu z kolejno dodawanymi substancjami chemicznymi
Dodanie 2 kropli błękitu bromotymolowego	zielony
Dodanie 1 kropli 1M HCl	żółty
Dodanie 2 kropli 1M NaOH	ciemno niebieski
Dodanie 3 kropli 1M HCl	żółty

Po dodaniu 2 kropel błękitu bromotymolowego do zlewki z 20 cm³ wody destylowanej barwa roztworu po zmieszaniu zmieniła kolor na zielony, gdyż w środowisku obojętnym barwa roztworu pod wpływem błękitu bromotymolowego zabarwia się na kolor zielony.
Po dodaniu kropli 1 molowego HCl do zlewki z wodą destylowaną barwa zmieniła swój kolor na żółty, gdyż HCl jest kwasem o pH równym 0.

Po dodaniu 2 kropli 1 molowego NaOH barwa roztworu zabarwiła się na kolor ciemno niebieski, NaOH jest zasadą o pH równym 14.
Po dodaniu ponownie 3 kropli 1 molowego HCl barwa roztworu ponownie zmieniła kolor, tym razem znów na żółty.

-Stosując prawo działania mas wyjaśnić na czym polega zmiana barwy błękitu bromotymolowego ?

Na ogół wszystkie reakcje chemiczne sa odwracalne, tzn. z danych substratów tworzą się produkty, a jednocześnie produkty reakcji ulegają rozkładowi na substraty. Dodając nowe substancje chemiczne do danej reakcji taki roztwór „dąży” do równowagi chemicznej, czyli wtedy, gdy stosunek iloczynu produktów do iloczynu stężeń substratów osiągnie wartość stałą, zwaną stałą równowagi chemicznej K.
Pod wpływem tych zachodzących reakcji roztwór może zmieniać swój odczyn roztworu i gdy zmieni się, wtedy kolor błękitu bromotymolowego zmieni barwę na kolor odpowiedni dla danego środowiska (inny dla kwasów, zasad oraz substancji obojętnych)

-Jakie jony powodują zwiększenie, a jakie zmniejszenie dysocjacji błękitu bromotymolowego ?

Jeżeli stężenie jonów wodorowych w roztworze rośnie np. w skutek dodania do roztworu mocnego kwasu, to następuje cofnięcie dysocjacji indykatora i barwa roztworu odpowiada barwie cząstek niezdysocjonowanych. Jeżeli stężenie jonów wodorowych maleje, to następuje przesunięcie równowagi dysocjacji w kierunku AC^- i barwa pochodzi od anionów indykatora.

-Jaką rolę spełnia błękit bromotymolowy ?

Błękit bromotymolowy w danym roztworze pełni funkcję wskaźnika (indykatora), który pod wpływem danej substancji chemicznej w roztworze zmienia barwę w zależności od pH roztworu, inny kolor roztwór przybiera w kwaśnym środowisku, inny w obojętnym oraz inny w zasadowym.
Dzięki barwie jaki błękit bromotymolowy przybierze w danym roztworze wiadome jest jakie pH ma dany roztwór (odpowiednia barwa pokazuje jaki odczyn ma dany roztwór)