Spektrophotometrische Bestimmung der Gleichgewichtskonstante

Die Bestimmung der Gleichgewichtskonstante einer chemischen Reaktion kann wichtige Informationen darüber liefern, inwieweit sie im Laufe der Zeit Produkte bilden wird.

Jede chemische Reaktion ist mit einer Gleichgewichtskonstante K verbunden, die das Verhältnis der Konzentrationen der Produkte und Reaktanten widerspiegelt, wenn die Reaktion nicht mehr fortschreitet. Um K zu messen, müssen diese Konzentrationen bestimmt werden.

Enthält eine Reaktion eine einzelne farbige Komponente, kann ihre Wechselwirkung mit Licht gemessen werden, um ihre Konzentration zu bestimmen. Die Konzentrationen der ungefärbten Bestandteile können dann indirekt mit der ausgeglichenen chemischen Gleichung berechnet werden. In diesem Video wird der Einsatz eines Spektralphotometers zur empirischen Bestimmung der Gleichgewichtskonstante für eine Eisenthiocyanant-Reaktion veranschaulicht.

Die meisten chemischen Reaktionen laufen sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung ab. Im weiteren Verlauf der Reaktion erreicht sie einen Punkt, an dem die Vorwärts- und Rückwärtsreaktion mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Dies wird als chemisches Gleichgewicht bezeichnet. In diesem stationären Zustand entspricht das Verhältnis der Produktkonzentrationen zu den Reaktantenkonzentrationen, die jeweils hoch über ihre stöchiometrischen Koeffizienten angehoben werden, der Gleichgewichtskonstante K. Um K für ein interessierendes System zu messen, sollten die Koeffizienten bekannt sein, und die Konzentrationen müssen entweder direkt oder indirekt bestimmt werden. Nach dem Beer-Lambert-Gesetz ist die Konzentration einer farbigen Spezies proportional zu ihrer Absorption, d. h. der Energiemenge, die sie bei einer bestimmten Wellenlänge des Lichts absorbiert. Dies kann mathematisch ausgedrückt werden, wobei A die Absorption, Epsilon der molare Dämpfungskoeffizient ist, der verbindungsspezifisch ist, l die Weglänge durch die Probe und c die Konzentration ist. Eine Kalibrierkurve wird erstellt, indem mehrere Lösungen mit bekannter Konzentration getestet und die resultierenden Absorptionswerte aufgetragen werden. Mit dieser Kalibrierkurve können Lösungen unbekannter Konzentration untersucht werden. Absorptionsmessungen werden verwendet, um die Konzentration der farbigen Spezies zu bestimmen. Anschließend können die Konzentrationen der verbleibenden Reaktanten und Produkte berechnet werden. Das folgende Verfahren untersucht die Reaktion von Eisen drei mit Thiocyanat zur Bildung eines Eisenthiocyanatkomplexes.

Sobald die Konzentrationen bestimmt sind, kann der Wert für K mit einer Initial-Change-Equilibrium- oder ICE-Tabelle berechnet werden, die in den Ergebnissen näher erläutert wird.

Nachdem Sie nun verstanden haben, wie spektrophotometrische Methoden zur Bestimmung der Gleichgewichtskonstante eingesetzt werden können, können Sie mit dem Verfahren beginnen.

Vor der Messung der Probe muss eine Kalibrierkurve erstellt werden.

Zu Beginn stellen Sie ein UV-Vis-Spektralphotometer mit destilliertem Wasser als Rohling auf Null, um keine Absorption darzustellen. Wenn Sie eine Küvette in das Spektralphotometer einsetzen, stellen Sie sicher, dass sie so ausgerichtet ist, dass Licht durch die transparenten Seiten fällt, und dass sich der Flüssigkeitsspiegel über dem Weg des Strahls befindet.

Bereiten Sie dann 5 Reagenzgläser vor, die die angegebenen Volumina jeder Reaktantenlösung enthalten, wie im Textprotokoll gezeigt, was unterschiedliche Konzentrationen des Produkts ergibt. Decken Sie jede Tube mit einem behandschuhten Finger ab und schütteln Sie sie vorsichtig, um sie zu mischen. Lassen Sie die Röhrchen 10 Minuten ruhen.

Verwenden Sie eine Pasteurpipette, um eine kleine Menge der Probe mit mittlerer Konzentration, Lösung 3, in eine Küvette zu geben und geben Sie sie in das Spektralphotometer. Erfassen Sie ein Spektrum und zeichnen Sie das ?max (maximale Wellenlänge), das Lambda-Maximum und seine Absorption auf. Dann, beginnend mit der am dünnsten verdünnten Lösung, messen Sie die Extinktion aller verbleibenden Lösungen bei ?max (Lambda max). Verwenden Sie für alle Messungen dieselbe Küvette und achten Sie darauf, dass Sie zwischen jeder Probe 3 Mal spülen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für Lösungen 2 ? 5.

Die gemessene Absorption in Abhängigkeit von Eisenthiocyanat für jede Lösung darstellen. Bestimmen Sie die am besten geeignete Linie für die Daten. Die Steigung dieser Linie ist der molare Dämpfungskoeffizient.

Nachdem die Daten für die Standardlösungen erfasst wurden, bereiten Sie vier mittlere Reagenzgläser vor, die die angegebenen Lösungsvolumina enthalten, wie im Textprotokoll gezeigt.

Decken Sie jedes Röhrchen mit einem Finger ab und schütteln Sie es vorsichtig, um es zu mischen. Lassen Sie sie mindestens 10 Minuten stehen. Diese Ruhephase ermöglicht es den Lösungen, ein chemisches Gleichgewicht zu erreichen.

Eine kleine Menge der Lösung 6 mit einer Pasteurpipette in die Küvette überführen und in das Spektralphotometer geben. Erfassen Sie ein Spektrum und notieren Sie die Absorption, die bei dem vorgegebenen ?max. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die Lösungen 7 bis 9.

Nachdem alle Proben gemessen wurden, werden die Molaritäts- und Absorptionsdaten für Lösungen 1 ? 5 können analysiert werden. Es wurde ein großer Überschuss an Thiocyanat verwendet, um sicherzustellen, dass das gesamte Eisen reagiert, was die Analyse vereinfacht.

Die Daten werden grafisch dargestellt, um eine Kalibrierungskurve zu erstellen. Die Weglänge des Lichts, l, beträgt in der Regel 1 cm und kann aus den Berechnungen herausgerechnet werden. Die Steigung der Leitung, die mit 7600 berechnet wurde, ist daher der Dämpfungskoeffizient. Für die Testlösungen 6 ? 9 werden dieser Wert und die Extinktion verwendet, um die Eisenthiocyanat-Konzentrationen im Gleichgewicht zu berechnen. Mit diesen Daten könnte dann die ICE-Tabelle genutzt werden.

Die anfänglichen Reaktantenkonzentrationen basieren auf den bekannten Molaritäten von Eisen und Thiocyanat, die der Lösung zugesetzt werden, und dem Gesamtvolumen der Reaktion. Da das Produkt aus der 1:1-Reaktion von Eisen und Thiocyanat gebildet wird, nimmt die Gleichgewichtskonzentration beider Produkte um die Menge des gebildeten Produkts ab. Die Gleichgewichtskonzentration jeder Spezies ist nun bekannt. Diese Werte werden verwendet, um die Gleichgewichtskonstante für jede Lösung zu berechnen. Die Werte sind über den Bereich der untersuchten Konzentrationen in etwa konstant.

Das Konzept der Gleichgewichtskonstante ist für eine Vielzahl von wissenschaftlichen Bereichen wichtig. Die Gleichgewichtskonstante kann verwendet werden, um nützliche Informationen darüber zu liefern, inwieweit eine Reaktion im Laufe der Zeit Produkte bildet. In diesem Beispiel wurden zwei Reaktionen beobachtet, die Kristallviolett enthielten.

Die erste Lösung bestand aus Kristallviolett und Natriumhydroxid. Es wurde beobachtet, dass sich die Farbe schnell von violett zu farblos ändert. Diese Reaktion hat einen sehr großen K-Wert, was darauf hindeutet, dass sich die Produkte im Laufe der Zeit fast vollständig bilden.

Kristallviolett wurde dann mit Natriumacetat umgesetzt. Diese Lösung blieb auf unbestimmte Zeit lila. Diese Reaktion hat einen sehr niedrigen K-Wert, so dass sie nicht in nennenswertem Maße voranschreitet.

Schließlich die Dissoziationskonstante ? eine bestimmte Art von Gleichgewichtskonstante ? kann verwendet werden, um das Verhalten von Proteinen zu beschreiben. In diesem Beispiel wurden Veränderungen in der Struktur der RNA in Magnesiumreaktionspuffern überwacht.

Die gereinigte RNA wurde in eine Lösung mit bekannten Magnesiumkonzentrationen gemischt und ins Gleichgewicht gebracht. Dann wurde die resultierende RNA-Struktur aufgetragen.

In diesem Fall führten höhere Magnesiumkonzentrationen dazu, dass die reaktiven Stellen auf der RNA weniger geschützt waren, was zu einem Kd führte, das halb so hoch war.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die spektrophotometrische Bestimmung der Gleichgewichtskonstante gesehen. Sie sollten nun die Beziehung verstehen, die durch das Beer-Lambert-Gesetz definiert wird, wie man die Konzentration aus der Absorption mit einem Spektralphotometer bestimmt und wie man eine Gleichgewichtskonstante mit Hilfe von Gleichgewichtskonzentrationen berechnet.

Danke fürs Zuschauen!