Indgreb i et ligevægtssystem
Formål
At undersøge hvad der sker, når man laver et indgreb i en ligevægt. Dette gør vi ved at ændre på forskellige ting, som temperaturen, koncentrationen og tilsætte andre ioner til blandingen.

Teori
En kemisk ligevægt er, når alle nettokoncentrationerne er konstante. Ligevægt er også, når omsætningen mod højre har lige så stor hastighed, som omsætningen mod venstre.

Massevirkningsloven er det samme som ligevægtsloven. Ifølge ligevægtsloven kan man opskrive en brøk, som ved ligevægt antagen en ganske bestemt værdi. For at vise ligevægtsloven skriver jeg først et generelt reaktionsskema for en homogen ligevægt: aA+bB+.. .⇌cC+dD+.. .
Når vi så skal opskrive reaktionsbrøken for ligevægt, skal koncentrationen af produkterne i højre side være i tælleren, og koncentrationen af reaktanterne skal være i nævneren. Brøkens værdi er lig med Kc, som også kaldes ligevægtskonstanten. Kc kommer an på temperaturen i opløsningen og opløsningens koncentration:

Kc=Cc·Dd…Aa·Bb…

Den franske kemiker Henry Le Chatelier formulerede princippet om forskydning af kemiske ligevægte i 1884. Denne regel kaldes for Le Chatelers princip og lyder: Et ydre indgreb i et ligevægtssystem fremkalder en forskydning, som formindsker virkningen af indgrebet.
Hvis man fx laver et indgreb i en ligevægt, så vil ligevægten forskyde sig mod enten højre eller venstre for at formindske virkningen af indgrebet og der vil igen danne sig ligevægt. Så hvis man fx tilsætter noget mere af et stof, som står i nævneren, så vil reaktionsbrøken være mindre end ligevægtskonstanten, Kc. Reaktionen vil derefter forskyde sig mod højre, for derved vokser brøkens tæller, mens nævneren aftager. Dette fortsætter indtil væsken er i ligevægt igen. Det modsatte sker, hvis brøkens tæller er for stor, så vil der ske en forskydning mod venstre, hvor koncentrationen af brøkens nævner vil blive større, og tælleren vil blive mindre. Symbolet for reaktionsformlen er Yc, da man ikke kan kalde den Kc, når der ikke er ligevægt.

Yc=Cc·Dd…Aa·Bb…<Kc forskydning mod højre

Yc=Cc·Dd…Aa·Bb…>Kc forskydning mod venstre

Hvis temperaturen hæves i blandingen sker der en forskydning i den endoterme reaktions retning, altså den vil prøve at køle blandingen ned ved at optage varmen.
Hvis temperaturen derimod sænkes i blandingen vil der ske en forskydning i den exoterme reaktions retning, altså den prøver at hæve temperaturen ved at frigive varmen.
Hvis reaktionen mod højre er endoterm, vokser Kc, når temperaturen stiger.
Hvis reaktionen mod højre er exoterm, aftager Kc, når temperaturen stiger .

I dette forsøg sker der det, at hvis man tilsætter et stof og farven bliver mere rød, er det fordi reaktionen forskyder mod højre. Hvis den røde farve forsvinder eller farven går hen og bliver hvid eller helt klar, er det fordi reaktionen forskyder mod venstre.

Apparatur | Reagensglas i stativ | Konisk kolbe, 250 ml | Måleglas, 10 ml | Spatel | 1 bægerglas, 250 ml | 2 bægerglas, 100 ml | Termometer | Bunsenbrænder |
Forsøgsbeskrivelse/resultatbehandling
Først hældte vi ca. 200 ml vand i en 250 ml konisk kolbe. Dernæst tilsatte vi 10 ml. 0,1M FeNO33 og derefter 10 ml 0,1M KSCN og rørte rundt med en spatel.
Reaktionshastigheden var rimelig hurtig, da man kunne se, at vi startede med at have en farveløs blanding, som bare var vand til en gul blanding, som var H2O+FeNO33 og endte med at blive en mørk rød, fordi vi havde blandet H2O+FeNO33+KSCN sammen.

Fe3+gul+SCN-klar⇌FeSCN2+rød

Kemikalier | FeNO33 | Na2HPO4 | KSCN | 0,1M FeNO33 | 0,1M KSCN | 0,002MKMnO4 | 0,1MAgNO3 | Isterninger |
Vi hældte opløsningen op i 7 forskellige reagensglas, som blev fyldt 1/3 op. 6 af reagensglassene blev anvendt til forsøg, mens det syvende blev anvendt til farvesammenligning. Resten af opløsningen brugte vi til forsøg senere.

Massevirkningsloven vil se således ud:
Kc=FeSCN2+Fe3+·SCN-

Forsøg 1
Forsøgsbeskrivelse:
Vi tilsatte en spatelfuld fast FeNO33 til det første reagensglas og rørte rundt.

Resultat:
Væsken blev mere rød, hvilket betød at reaktionen forskød sig mod højre, da FeSCN2+ var rød.

Resultatbehandling:
Da vi tilføjede noget mere FeNO33 øgede vi koncentrationen Fe3+. Hvis vi kigger i reaktionsbrøken, kan vi se at den vil blive mindre, fordi nævneren er blevet større. For at gøre reaktionsbrøken lige med Kc igen, vil væsken gøre tælleren større ved at omdanne mere Fe3+ og SCN-til FeSCN2+. Som en reaktion på dette, bliver blandingen mere rød og forskyder reaktionen mod højre .
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]<Kc forskydning mod højre

Dette fortsætter indtil væsken er i ligevægt igen

Forsøg 2
Forsøgsbeskrivelse:
Man ved, at HPO42- reagerer med Fe3+. Vi tilsatte derfor nogle få kort fast Na2HPO4 til reagensglas nummer 2. Vi rørte rundt og iagttog ændringerne.
Resultat:
Reaktionen gik fra den rødlige farve til en hvid-gul farve. Reaktionstiden var rimelig hurtig.
Resultatbehandling:
Det der sker er, at når HPO42- reagerer med Fe3+ bliver koncentrationen af Fe3+ i ligevægtsloven formindsket.
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]>Kc forskydning mod venstre
Da reaktionsbrøken er større end ligevægtskonstanten, vil FeSCN2+ gå hen og lave flere Fe3+ og SCN-, så der kan komme ligevægt igen. Som en reaktion på dette, bliver blandingen hvid-gul, og forskyder reaktionen mod venstre.

Forsøg 3
Forsøgsbeskrivelse:
I reagensglas 3 tilsatte vi en spatelfuld fast KSCN.
Resultat
Væsken blev en meget mørkere rød.
Resultatbehandling
Ved at tilføje KSCN øges koncentrationen af SCN- i reaktionsbrøken for ligevægt.
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]<Kc forskydning mod højre
For at formindske virkningen af indgrebet dannede Fe3+ og SCN- mere FeSCN2+, så væsken igen opnår ligevægt. Reaktionen vil derfor forskyde sig mod højre, for derved vokser brøkens tæller, mens nævneren aftager.

Forsøg 4a
Forsøgsbeskrivelse:
Inden forsøget med reagensglas 4 udførte vi et lille forsøg. Vi fyldte noget 0,1M KSCN op i et rent reagensglas. Dertil tilsatte vi et par dråber 0,1M AgNO3
Resultat
Blandingen blev mælkehvid med klumper.
Resultatbehandling
KSCNaq+AgNO3l→KNO3aq+AgSCNs
Klumperne vi kan se i blandingen er AgSCN, fordi vi kan se, at det danner et fast stof, da KSCN og AgNO3 blev blandet sammen.

Ionreaktionsskema:
Ag++SCN-→AgSCNs

Forsøg 4
Forsøgsbeskrivelse:
Vi tilsatte et par dråber 0,1M AgNO3 til reagensglas 4 og iagttog.

Resultat:
Blandingen blev hvid.

Resultatbehandling:
Vi ved fra forsøg 4a, at Ag+ og SCN- vil gå sammen og danne AgSCN. Da Ag+ og SCN- går sammen, falder koncentrationen af SCN- i reaktionsbrøken for ligevægt.

Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]>Kc forskydning mod venstre

For at formindske indgrebet dannede FeSCN2+ mere Fe3+ og SCN- for at opnå ligevægt igen. Koncentrationen af FeSCN2+ vil derfor falde, og der vil ske en forskydning mod venstre i reaktionsskemaet.

Forsøg 5
Forsøgsbeskrivelse:
I et bægerglas på 250 ml laves vi et bad med isvand. Reagensglas nummer 5 blev varmet op til 50°C ved at holde det hen over bunsenbrænderen. Reagensglas nummer 6 blev afkølet til nær 0°C i isbadet. Dernæst iagttog vi.

Vi to derefter reagensglas 5 og afkølede det i isbadet, mens reagensglas 6 blev opvarmet til til 50°C.

Resultat
I reagensglas nummer 5 blev blandingen lysere, mens blandingen i reagensglas nummer 6 blev mørkere.
Da det to reagensglas byttede plads, byttede de også farve, og blandingen i reagensglas 5 blev mørkere, mens blandingen i reagensglas 6 blev lysere.

Resultatbehandling:
Da de to reagensglas var over bunsenbrænderen blev væsken i dem lysere. Vi ved allerede fra teorien, at hvis temperaturen hæves i blandingen sker der en forskydning i den endoterme reaktions retning - altså den vil prøve at køle blandingen ned ved at optage varmen.
Da vi ved fra de forrige forsøg, at når væsken bliver lysere, er det en forskydning mod venstre. Derved kan vi konkludere, at den endoterme retning er mod venstre.
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]>Kc forskydning mod venstre

Reagensglassene, som blev placeret i isbadet, blev en lille smule mørkere, hvilket næsten ikke kunne ses, fordi reaktionshastigheden var så langsom, når ionerne blev kølet ned. Fra teorien ved vi også, at hvis temperaturen sænkes i blandingen vil der ske en forskydning i den exoterme reaktions retning, altså den prøver at hæve temperaturen ved at frigive varmen. Da vi fra de forrige forsøg fandt ud af, at når væsken bliver mørkere, er det en forskydning mod højre. Vi kan derfor konkludere, at den exoterme retning er mod højre.
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]<Kc forskydning mod højre

Forsøg 6a
Forsøgsbeskrivelse:
Vi stillede to 100 ml bægerglas op ved siden af hinanden på et hvidt stykke papir og fyldte dem halvt op med 0,002M KMnO4. Væsken stod nøjagtig lige højt i de to reagensglas. Opløsningens farve skyldtes permanganationen (MnO4-). Farveidentiteterne var fuldstændig ens i de to bægerglas.
Derefter fordoblede vi rumfanget i det ene af bægerglassene ved tilsætning af rent vand.

Resultat:
Der var ingen farveforandring at, når man kiggede ned gennem glasset efter rumfanget var blevet fordoblet.

Resultatbehandling:
Efter fortyndingen af blandingen har antallet af KMnO4 ikke ændret sig. Der vil derfor være det samme antal molekyler på det samme areal set ovenfra. Derfor kan vi ikke se en ændring af farveidentiteterne.
Hvis vi ser på glasset fra siden, ses det, at den fortyndede opløsningen er blevet lysere, fordi arealet er blevet større, når vi ser fra siden af.

Forsøg 6
Forsøgsbeskrivelse:
Vi stillede to 100 ml bægerglas op ved siden af hinanden på et hvidt stykke papir og fyldte dem halvt op med den røde ligevægtsblanding fra den koniske kolbe. Væsken stod nøjagtig lige højt i de to reagensglas. Farveidentiteterne var fuldstændig ens i de to bægerglas.
Derefter fordoblede vi rumfanget i det ene af bægerglassene ved tilsætning af rent vand.

Resultat:
Den med mest rumfang var lysest.

Resultatbehandling:
Da vi så gennem glasset her, var det tydeligt at se, at der var fortaget en fortynding og der var sket en forskydning mod venstre, da væsken var blevet lysere.

Vi kan kigge på vores reaktionsbrøk for ligevægt ved en fortynding til det dobbelte volumen:

Før: Kc=FeSCN2+Fe3+·SCN-

Efter: Kc≠FeSCN2+2Fe3+·SCN-4

Vi kan her se, at koncentrationen af FeSCN2+ kun bliver to gange mindre, mens koncentrationen af Fe3+ og SCN- blev 4 gange mindre. For at modvirke indgrebet vil FeSCN2+ lave mere Fe3+ og SCN- for at opnå ligevægt, og systemet vil derfor blive forskudt mod venstre. Derfor ses den lyse farve ovenfra.
Yc=[FeSCN2+]Fe3+·[SCN-]>Kc forskydning mod venstre

Fejlkilder
Der er ikke nogle fejlkilder i forsøget, da forsøget er en kvalitativ øvelse.

Konklusion
Vi kan hermed konkludere, når opløsningen varmes op, falder Kc.
Det kan ses på væsken, om reaktionen bliver forskudt mod højre eller venstre. Vi kan også konkludere, at Le Chateliers princip passer, da vi har fundet ud af, at et indgreb i et ligevægtssystem fremkalder en forskydning mod enten højre eller venstre, som formindsker virkningen af indgrebet.