Název: Chemická rovnováha Autor: Mgr. Štěpán Mička Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, fyzika Ročník: 6. Tématický celek: Chemická rovnováha (fyzikální a obecná chemie), komplexní sloučeniny Stručná anotace: Pracovní list je sestaven tak, aby mohl být použit i ve škole, která nemá potřebné vybavení. Veškeré experimenty jsou zdokumentovány a mohou být žákům promítnuty během běžné vyučovací hodiny, nebo je žáci mohou provádět samostatně v laboratoři. Časová dotace: Teoretická příprava je koncipována na 10 minut, vlastní provedení experimentu na 25 minut, následná diskuze 10 minut.
Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech ‒ inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Teorie Dlouhou dobu se předpokládalo, že chemické reakce probíhají zcela, tedy že se veškeré reaktanty přemění na produkty. Skutečnost je však jiná. Např. syntéza amoniaku probíhá dle reakce: N2 + 3 H2 → 2 NH3 Tato reakce je charakterizována rychlostí reakce, pro kterou platí v1 = k1 c(N2) c(H2)3 *, kde v je rychlost reakce, k1 je rychlostní konstanta, c jsou okamžité koncentrace reaktantů. Zároveň však probíhá reakce opačná, tedy: 2 NH3 → N2 + 3 H2 Pro kterou rovněž platí rychlostní rovnice ve tvaru v2 = k2 c(NH3)2. Postupem času se systém dostane do (termodynamické) rovnováhy, obě reakce budou probíhat stejnou rychlostí v1 = v2 a koncentrace reaktantů a produktů budou konstantní. Můžeme tedy psát: N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 v1 = v2 k1 c(N2) c(H2)3 = k2 c(NH3)2 c( NH 3 ) 2 k1 = k 2 c ( N 2 )c ( H 2 ) 3 K=
k1 k2
Kde K je termodynamická rovnovážná konstanta**, která charakterizuje daný systém za dané teploty. *Obecně má rychlostní rovnice pro reakce aA + bB → cC tvar v = k c(A)α c(B)β, kde α, β jsou dílčí řády reakce, které jsou pro jednoduché systémy stejné jako stechiometrické koeficienty. Pro podrobnější informace doporučuji uvedenou literaturu. ** Rovnovážná konstanta je ve fyzikální chemii odvozuje na základě Gibsovy energie a aktivit jednotlivých složek, ale pro jednoduchost je uvedeno snazší odvození. Demonstrační experiment s kobaltnatými ionty Experiment s kobaltnatými ionty je vhodné pouze promítat, nebo je možné jej demonstrovat, ale pouze v digestoři. Neboť se pracuje s koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou. Žáci by jej provádět neměli.
Chemikálie 1% roztok hexahydrátu chloridu kobaltnatého, koncentrovaná kyselina chlorovodíková, voda Postup práce V digestoři umístíme 100 mL 1% roztoku kobaltnatých iontů do 1000 mL kádinky. Roztok umístíme na magnetickou míchačku a za stálého míchání přilíváme koncentrovanou kyselinu chlorovodíkovou. Roztok změní barvu z růžové na modrou (viz rovnice v pracovním listu). Poté přidáme vodu a roztok se opět zbarví růžově, dalším přídavkem kyseliny chlorovodíkové dojde k modrému zbarvení. Výsledky pracovního listu Úkol č. 1: Po přídavku vody (produkt) došlo ke změně barvy z rudé na žlutou. Rovnováha byla posunuta ve směru reaktantů. Roztok je obarven převážně žlutými železitými ionty. Úkol č. 2: Po přídavku thiokyanatanu draselného (reaktant) došlo k opětovnému zrudnutí roztoku. Rovnováha byla posunuta ve směru produktů. Roztok je obarven vzniklým komplexem. Diskuze Úkol č. 3: Rovnováhu lze kromě přídavku reaktantů či produktů ovlivnit například změnou teploty. Rovnovážná konstanta K je funkcí teploty a obecné platí že zvýšením teploty se podpoří endotermní reakce, snížením reakce exotermní. Další způsob je změna tlaku, která má význam především pro reakce v plynné fází. Zvýšením tlaku se rovnováha posune ve směru s nižším objemem reakční směsi. Např. rovnováha pro syntézu amoniaku se zvýšením posune ve směru produktů (4 moly plynu vs 2 moly plynu). Pozor! Katalyzátor neovlivňuje chemickou rovnováhu, neboť vede reakci jinou reakční cestou. Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, … Pracovní list je možné doplnit o teorii komplexních sloučenin. Dále o historii Haber-Boschovy syntézy amoniaku a jejího významu pro lidstvo. Jako samostatnou úlohu je možné nechat studenty odvodit jednotku rychlosti chemické reakce. Video dokumentace Video 1: Reakce kobaltnatých kationtů s chloridovými anionty Video 2: Reakce železitých kationtů s thiokyanatanovými anionty Zdroje: ATKINS, P., DE PAULA, J.: Fyzikální chemie, 1. vydání, Praha: VŠCHT Praha, 2013. MAREČEK, A., HONZA, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl, 3. vydání, Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2002. NOVÁK, J. a kol.: Fyzikální chemie, bakalářský a magisterský kurz, Praha: VŠCHT Praha, 2008.
Pracovní list pro žáka
Chemická rovnováha Laboratorní práce číslo:……….
Jméno…………………………… Třída……… Datum………
Chemikálie Teorie Le Chatelierův princip je chemickou obdobou známého třetího Newtonova zákona (zákon akce a reakce). Pokud do systému, který je v rovnováze, přidáme některou ze složek, systém se zachová tak, aby tuto změnu koncentrace eliminoval a vrátil se zpět do rovnovážného stavu. Tento princip si ukážeme kobaltnatých iontů s chloridovými anionty (viz Video 1), která probíhá dle následující rovnice: [Co(H2O)6]2+ + 4Cl- ↔ [CoCl4]2- + 6 H2O Vodný roztok kobaltnatých iontů je růžový. Po přidání kyseliny chlorovodíkové dojde ke změně koordinační sloučeniny kobaltu a vnikne tetrachlorokobaltnatý anion, který je modrý. Přídavkem vody (produkt) se rovnováha posune ve směru reaktantů a dojde ke zrůžovění roztoku, následným přídavkem kyseliny chlorovodíkové (reaktant) dojde k zmodrání roztoku a posunutí rovnováhy ve směru produktů.
Experimentální část Tento princip si ukážeme na reakci železitých iontů s thiokyanatanem draselným, která ve vodném prostředí probíhá dle následující rovnice: [Fe(H2O)6]3+ + SCN- ↔ [Fe(H2O)5SCN]2+ + H2O Roztok železitých iontů je žlutý, roztok thiokyanatanu je bezbarvý. Reakcí těchto složek vzniká sytě rudý komplex (viz Video 2). Mohlo by se zdát, že reakce proběhla zcela, ale ve skutečnosti se mezi reakčními složkami ustanovuje chemická (termodynamická) rovnováha, která je charakterizována rovnovážnou konstantou. Chemikálie Chlorid železitý, thiokyanatan draselný, voda Pomůcky Kádinka (1000 mL), Erlenmeyerovy baňky, odměrný válec, magnetická míchačka a míchadélko
Postup práce Před vlastní experimentální prací předpovězte chování systému v úkolech 1 a 2. Připravte 100 mL 1% roztoku chloridu železitého a 50 ml 0,5% roztoku thiokyanatanu draselného. Připravený roztok železitých iontů umístěte v 1000 mL kádince na magnetickou míchačku a za stálého míchání přikápněte několik kapek roztoku thiokyanatanu až do změny barvy roztoku. Poté přilívejte vodu a pozorujte změnu zabarvení. Poté opět přikápněte několik kapek roztoku thiokyanatanu draselného a pozorujte. Úkol č. 1: Předpovězte chování (změnu zabarvení) systému po přídavku vody? Předpověď:
Pozorování:
Vysvětlení:
Úkol č. 2: Předpovězte chování (změnu zabarvení) systému po následném přidání roztoku thiokyanatanu? Předpověď:
Pozorování:
Vysvětlení:
Úkol č. 3: Navrhněte, jakým jiným způsobem lze ovlivnit chemickou rovnováhu?
