1.11: Принцип Le Châtelier

1. Приготовление равновесных растворов тиоцианата железа(III)

1. Поместите в пробирку 1 каплю раствора 1 M Fe(NO₃)₃} и разбавьте 2 мл воды. Поместите 1 каплю 1 М KSCN в другую пробирку и разведите 2 мл воды. Эти две пробирки служат контрольными для сравнения с другими пробирками.
2. Поместите в пробирку 1 каплю раствора 1 M Fe(NO₃)₃.
3. Добавьте в пробирку 1 каплю 1 М KSCN.
4. Добавьте в пробирку 16 мл воды и тщательно перемешайте содержимое.
5. Записывайте любые наблюдения.
6. Разделите смесь на порции по 2 мл в 8 пробирках. Одна из пробирок остается нетронутой и служит контролем FeSCN²⁺. Пронумеруйте остальные пробирки 1–7.

2. Присоединение ионов железа(III) и тиоцианата к равновесному раствору

1. В пробирку 1 добавьте 1 каплю раствора 1 M Fe(NO₃)₃.
2. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
3. В пробирку 2 добавляют 1 каплю 1 раствора КСКН.
4. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.

3. Добавление нитрата серебра в равновесный раствор

1. В пробирку 3 добавить 3 капли 0,1 М раствора AgNO₃.
2. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
3. Добавьте в пробирку 3 капли 1 M Fe(NO₃)₃.
4. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
5. В пробирку 4 добавьте 3 капли 0,1 М раствора AgNO₃.
6. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
7. Добавьте в пробирку 3 капли 1 М KSCN.
8. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.

4. Добавление фосфата калия в равновесный раствор

1. В пробирку 5 добавить 3 капли 0,5 М К₃PO₄.
2. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
3. Добавьте в пробирку 3 капли 1 M Fe(NO₃)₃.
4. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
5. В пробирку 6 добавьте 3 капли 0,5 М К₃PO₄ раствор.
6. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.
7. Добавьте в пробирку 3 капли 1 М KSCN.
8. Встряхните, чтобы перемешать и записать любые наблюдения.

5. Изменение температуры равновесного раствора

1. Поместите пробирку 7 в водяную баню при температуре 70–80 °C на 1–2 мин.
2. Сравните теплый раствор с раствором в неподогретой пробирке (контрольная система FeSCN²⁺) и запишите все наблюдения.
3. Соберите содержимое пробирок 3 и 4 в лабораторную банку для отходов с надписью «Серебро». Вылейте содержимое всех остальных пробирок в канализацию.

Согласно принципу Ле Штелье, если равновесие системы нарушается напряжением, система смещается для компенсации.

Когда химическая система находится в равновесии, не происходит чистого изменения концентрации ее реагентов или продуктов. Если какой-либо параметр, такой как концентрация или температура, изменяется, равновесие будет нарушено.

Система перестраивается, изменяя направление реакции до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесие.

В этом видео будет продемонстрирован принцип Ле Штелье, показывающий влияние концентрации и температуры на химические реакции в равновесии.

Обратимые химические реакции состоят из двух конкурирующих процессов: прямой и обратной. Когда эти два процесса происходят с одинаковой скоростью, система находится в равновесии. Принцип Ле Штелье гласит, что когда система, находящаяся в равновесии, подвергается напряжению, она будет смещаться, чтобы противодействовать возмущению.

Например, если концентрация реагирующего вещества в равновесном растворе увеличивается, равновесие смещается в сторону продуктов, увеличивая скорость прямой реакции. В конце концов, система достигнет нового равновесия.

Температуру также можно рассматривать как компонент реакции. В экзотермических реакциях выделяется тепло, что делает его продуктом. В эндотермических реакциях тепло поглощается из окружающей среды, что делает его реагентом. Таким образом, добавление или удаление тепла нарушит равновесие, и система приспособится.

В этом эксперименте будет рассмотрена ионная реакция железа (III) с тиоцианатом с образованием комплекса тиоцианата железа (III). Продукт имеет красный цвет, в то время как реагенты желтые или бесцветные, что позволяет визуально наблюдать сдвиги в равновесии.

Концентрации этих компонентов будут изменяться либо путем непосредственного добавления ионов в раствор, либо путем их выборочного удаления путем образования нерастворимых солей. Также будет наблюдаться влияние изменения температуры на этот раствор.

Теперь, когда вы поняли принцип Ле Штелье, вы готовы начать процедуру.

Чтобы начать процедуру, поместите в пробирку одну каплю 1 М раствора нитрата железа. Поместите одну каплю 1 М раствора тиоцианата калия во вторую пробирку. Разбавьте каждый 2 мл воды. Эти две трубки будут служить контрольными до конца эксперимента.

Далее в новую пробирку добавьте по капле каждого раствора. Добавьте 16 мл воды, и тщательно перемешайте. Записывайте любые наблюдения.

Разделите эту смесь на порции по 2 мл в семи пробирках с маркировкой. Отложите исходную трубку в сторону в качестве контролера тиоцианата железа.

Далее добавьте реагенты в пробирки 1 ? 6 в соответствии с таблицей 2 ниже. Встряхивайте для перемешивания каждый раз, когда добавляется определенный вид, и записывайте все наблюдения.

Поместите пробирку 7 в водяную баню на 1 ? 2 мин. Сравните теплый раствор с контролем тиоцианата железа и запишите все наблюдения.

В растворах 1 и 2 красный цвет усиливался по мере увеличения концентрации реагентов. Это указывает на то, что равновесие сместилось вправо, что привело к образованию большего количества тиоцианата железа (III).

Растворы, получившие нитрат серебра, становились бесцветными и образовывали осадок. Добавление тиоцианата-иона привело к тому, что красный цвет снова появился. Красный цвет не появлялся при добавлении иона железа. Из этих наблюдений можно сделать вывод, что тиоцианат-ион был селективно удален из раствора в осадке. По мере уменьшения его концентрации равновесие смещалось влево. Добавление тиоцианат-иона обратно в раствор привело к тому, что равновесие сместилось обратно вправо.

Было замечено, что растворы, получавшие фосфат калия, выцветали и становились желтыми. Когда концентрация ионов железа увеличивалась, красный цвет снова появлялся, а раствор становился мутным. Увеличение концентрации тиоцианат-ионов не дало никакого эффекта. Таким образом, можно сделать вывод, что железо избирательно удалялось из раствора с образованием соли фосфата железа, в результате чего равновесие смещалось влево. Соль фосфата железа в конечном итоге выпадала в осадок из раствора, когда добавлялось больше железа, и равновесие смещалось обратно вправо.

Красный цвет раствора 7 превратился в оранжевый по мере повышения температуры. Этот сдвиг равновесия влево предполагает, что реакция является экзотермической, и что тепло выделяется при образовании продукта тиоцианата железа.

Концепция смещения равновесия имеет несколько применений в широком спектре научных областей.

Принцип Ле Штелье объясняет, почему буферные растворы устойчивы к изменению pH. В этом примере буферный раствор ацетата натрия использовался для поддержания почти постоянного pH.

В водном растворе кислотная диссоциация представляет собой обратимую реакцию, при которой анионы диссоциируют с ионами водорода. Буферные растворы часто представляют собой равновесную смесь диссоциированных ионов водорода, слабой кислоты и ее аниона ?? также известен как его сопряженное основание.

Если добавить сильную кислоту, она полностью диссоциирует, увеличивая концентрацию ионов водорода в растворе. Равновесие слабой кислотной реакции в ответ смещается влево, снижая концентрацию ионов водорода до тех пор, пока она не достигнет нового равновесия. Из-за этого буферные растворы используются в качестве средства поддержания pH на почти постоянном уровне в самых разных химических приложениях.

Полимеризация, процесс совместной реакции молекул с образованием полимерных цепей, имеет важное значение для деления бактериальных клеток. В этом примере принцип Ле Шатлье был соблюден путем проведения анализов седиментации FtsZ в различных условиях. Было создано девять буферов, каждый из которых имеет уникальный состав и значения pH. Полимеризация была индуцирована, затем контролировалась 90? угловое рассеяние света. Было обнаружено, что как рН, так и состав буфера влияют на полимеризацию, поскольку каждый из них обеспечивает стрессор, который смещает равновесие реакции.

Наконец, принцип Ле Шетлье может быть использован при производстве и восстановлении материалов в органических реакциях. В этом примере аммоний был извлечен из богатых азотом потоков.

Поток пропускался через электрохимическую систему, окисляя воду и позволяя отделять ионы аммония. Затем эти ионы подвергались воздействию высокого pH, что смещало их равновесие и приводило к превращению аммония в летучий аммиак.

Затем этот захваченный аммиак пропускали через отпарную и абсорбционную колонну, чтобы улавливать аммиак в кислой среде, смещая равновесие в другом направлении.

Вы только что посмотрели введение Жове о влиянии температуры и концентрации на реакции в соответствии с принципом Ле Штелье. Теперь вы должны понять концепцию равновесия, то, как изменения концентрации вызывают сдвиги, и что тепло можно считать компонентом реакции.

Спасибо за просмотр!