Spektrophotometrische Bestimmung der Gleichgewichtskonstante

Quelle: Labor von Dr. Michael Evans, Georgia Institute of Technology

Die Gleichgewichts-Konstante K, chemisches System ist das Verhältnis der Produktkonzentrationen Edukt-Konzentrationen im Gleichgewicht, jeweils potenziert mit ihren jeweiligen stöchiometrischen Koeffizienten. Messung der K beinhaltet Entschlossenheit diese Konzentrationen für Systeme im chemischen Gleichgewicht.

Reaktionssysteme, enthält eine einzelne farbige Komponente können spektralphotometrisch untersucht werden. Das Verhältnis zwischen Extinktion und Konzentration für die farbigen Komponente gemessen und zur Ermittlung die Konzentration im Reaktionssystem von Interesse. Konzentrationen der farblosen Komponenten können indirekt über die ausgeglichene Reaktionsgleichung und die gemessene Konzentration der farbigen Komponente berechnet werden.

In diesem Video ist das Bier recht Kurve für Fe(SCN)^{2 +} empirisch ermittelt und auf die Messung der K für die folgende Reaktion:

Vier Reaktionssysteme mit verschiedenen anfängliche Konzentrationen der Edukte werden untersucht, um veranschaulichen, die K unabhängig von der anfänglichen Konzentration konstant bleibt.

Jede chemische Reaktion ist eine Gleichgewichts-Konstante K, widerspiegelt das Verhältnis der Produktkonzentrationen Edukt-Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zugeordnet. Für die allgemeine Reaktion ein A + b B c C + d D die Gleichgewichts-Konstante ist definiert als

wo sind die Konzentrationen auf der rechten Seite der Gleichung Molarities im Gleichgewicht. Diese Gleichung ist als Ausdruck für die Reaktion Gleichgewicht bekannt. In chemischen Systemen, die nicht im Gleichgewicht befinden, die vorwärts und rückwärts Reaktionen auftreten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bis die Konzentrationen der Edukte und Produkte erfüllen die Gleichgewicht-Ausdruck.

Um den Wert von K für ein System im chemischen Gleichgewicht zu messen, ist es notwendig, die Konzentrationen der Edukte und Produkte direkt oder indirekt bestimmen. Photometrische Methoden zur Bestimmung von K beinhalten direkte Messung der Konzentration von einer farbigen Komponente und indirekte Messung der anderen. Sichtbare Spektroskopie der farbigen Komponente bei bekannten Konzentrationen zeigt den Zusammenhang zwischen Extinktion und Konzentration für diese Komponente. Nach dem Gesetz des Bieres hat diese Beziehung die form

wo e Molares Absorptionsvermögen des Bauteils in Mol/L-cm, l ist die Weglänge des Lichtes durch die Probe in cm, c ist das Molarity der Komponente in Mol/L, und A ist die Extinktion.

Das Bier recht Kurve für die farbigen Komponente kann auf eine Reaktionssystem im Gleichgewicht zur Bestimmung der Konzentration dieser Komponente von Extinktion Messungen (Abbildung 1) angewendet werden. Konzentrationen der Edukte und Produkte können dann berechnet werden, indem Sie anfängliche Konzentration anhand der gemessenen Molarity der farbigen Arten anpassen.

Die hier untersuchten System ist die Reaktion von Eisen (III) kation mit Thiocyanat Anion, ein Eisen (III)-Thiocyanat-Komplex bilden.

Der Gleichgewicht-Ausdruck für dieses Reaktionssystem ist

wo der Eq -Index Gleichgewichtskonzentrationen bezeichnet. Das Eisen (III)-Thiocyanat-Produkt ist Orange, aber beide Edukte sind in wässriger Lösung farblos. [Fe(SCN)^{2 +}]_Eq kann daher direkt von Extinktion Messungen ermittelt werden.

Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte können berechnet werden durch Subtraktion der Gleichgewicht-Konzentration des Produkts von der ursprünglichen Konzentrationen der Edukte. Eine Initial-Änderung-Gleichgewicht (ICE) Tabelle veranschaulicht, wie aus- und Gleichgewicht Konzentrationen zusammenhängen (Tabelle 1).

Wiederholte Versuche dieses Experiment mit verschiedenen anfängliche Konzentrationen der Reaktanden sollte den gleichen Wert von K, Ausbeute, da der Wert von K unabhängig von der Konzentration.

Abbildung 1. Bier Gesetz für Eisen (III) Thiocyanat Kurve.

	Fe3 +	SCN–	Fe(SCN)2 +
Anfängliche	[Fe3 +] Ich	[SCN–] Ich	0
Änderung	–[Fe(SCN)2 +]eq	–[Fe(SCN)2 +]eq	+[Fe(SCN)2 +]eq
Gleichgewicht	[Fe3 +] ich – [Fe(SCN)2 +]eq	[SCN–] ich – [Fe(SCN)2 +]eq	[Fe(SCN)2 +] EQ

Tabelle 1. Eine Initial-Änderung-Gleichgewicht (ICE) Tabelle, die zeigt, wie aus- und Gleichgewicht Konzentrationen zusammenhängen.

1. bestimmen das Bier recht Kurve für Fe(SCN)^{2 +}

1. Eine sichtbare Spektralphotometer mit destilliertem Wasser als eine leere zu kalibrieren.
2. 1,0 mL 1,0 × 10^-4 M Fe(NO₃)₃ Lösung in einem Teströhrchen zugeben.
3. Zugeben Sie in der gleichen Teströhrchen 5,0 mL 0,50 M KSCN-Lösung.
4. Hinzugeben Sie in der gleichen Teströhrchen 4,0 mL 0,10 M Druckaufschluss₃ Lösung. Das Rohr mit einem behandschuhten Finger abdecken und schütteln um zu mischen.
5. Verwenden Sie eine Pasteurpipette eine kleine Menge der Lösung in einer Küvette übertragen. Sicherstellen Sie, dass der Flüssigkeitsstand über dem Weg des Lichtstrahls im Spektralphotometer.
6. Legen Sie die Küvette im Spektralphotometer, so dass das Licht durch die transparenten Seiten geht.
7. Erwerben Sie ein Spektrum zu und zeichnen Sie der λ-_max -Wert und die Extinktion bei λ_{max auf}.
8. Um ein Bier recht Kurve konstruieren, müssen zusätzliche Lösungen mit bekannten Konzentrationen von Fe(SCN)^{2 +} vorbereitet und gemessen werden. Wiederholen Sie die Schritte 2 – 7 mit den Bänden der Fe (Nr.₃)₃, KSCN, und Druckaufschluss₃ Lösungen in Tabelle 2.
9. Die gemessene Extinktion gegen die Konzentrationen von Fe(SCN)^{2 +} in jedes Reagenzglas des Grundstückes und die Linie der besten Passform für die Daten zu bestimmen. Die Steigung dieser Linie ist die molare Aufnahmefähigkeit und die Weglänge beträgt 1 cm.

2. Messung K für das Eisen (III)-Thiocyanat-System

1. Bereiten Sie 4 mittlere Reagenzgläser mit den angegebenen Bänden von 0,0025 M Fe (Nr.₃)₃, 0.0025 M KSCN und 0,10 M Druckaufschluss₃ Lösungen in Tabelle 3 vor.
2. Jedes Rohr mit einem Finger zu decken und schütteln um zu mischen. Für mindestens 10 Minuten stehen lassen. Diese Ruhe sorgt für Periode die Lösungen im chemischen Gleichgewicht.
3. Verwenden Sie eine Pasteurpipette, um eine kleine Menge der Lösung 6 auf eine Küvette zu übertragen. Sicherstellen Sie, dass der Flüssigkeitsstand über dem Weg des Lichtstrahls im Spektralphotometer.
4. Erwerben Sie ein Spektrum zu und zeichnen Sie der λ-_max -Wert und die Extinktion bei λ_{max auf}.
5. Mehrere Reaktionen mit verschiedenen anfängliche Konzentrationen der Edukte können untersucht werden, um zu veranschaulichen, die K nicht von der Konzentration abhängt. Um K für unterschiedliche Anfangsbedingungen bestimmen, wiederholen Sie die Schritte 3 und 4 für Lösungen 7 – 9.

Röhre Nummer	Volumen 1.0 x 10– 4 M Fe (Nr.3)3 (mL)	Volumen 0,50 M KSCN (mL)	Volumen 0,10 M Druckaufschluss3 (mL)
1	1.0	5.0	4.0
2	2.0	5.0	3.0
3	3.0	5.0	2.0
4	4.0	5.0	1.0
5	5.0	5.0	0.0

Tabelle 2. Entsprechende Mengen an Fe (Nr.₃)₃, KSCN und Druckaufschluss₃ Lösungen in Röhren 2-5 platziert werden.

Röhre Nummer	Volumen 0,0025 M Fe (Nr.3)3 (mL)	Volumen 0,0025 M KSCN (mL)	Volumen 0,10 M Druckaufschluss3 (mL)
6	1.0	1.0	5.0
7	1.0	2.0	4.0
8	2.0	2.0	3.0
9	2.0	3.0	2.0

Tabelle 3. Entsprechende Mengen von 0,0025 M Fe (Nr.₃)₃, 0.0025 M KSCN und 0,10 M Druckaufschluss₃ Lösungen.

Tabelle 4 enthält die Extinktion und Konzentration Daten für Lösungen 1 – 5. Konzentrationen von Fe(SCN)^{2 +} wurden vom ursprünglichen Konzentrationen von Fe^{3 +} unter der Annahme, dass alle von der Fe^{3 +} konvertiert ist Fe(SCN)^{2 +}bestimmt. Ein großer Überschuss an SCN^– wurde in Röhren 1 – 5 verwendet, um sicherzustellen, dass diese Annahme zutrifft.

Das Molarity [Fe(SCN)^{2 +}] und Absorption sind in Abbildung 2dargestellt. Die gemessenen Extinktionen stimmen gut mit den Beerschen Gesetz.

Tabelle 5 zeigt gemessenen Extinktionen und berechneten K Werte für Rohre 6 – 9. K -Werte wurden mit der ICE-Tabelle-Methode ermittelt. Anfänglichen Reaktionspartner Konzentrationen beruhten auf der bekannten Molarities von Fe^{3 +} und SCN^– in den Reaktanten Lösungen und das Gesamtvolumen der Reaktion (10 mL). Die Gleichgewicht-Konzentration von Fe(SCN)^{2 +} war durch trennende gemessene Extinktion durch Molares Absorptionsvermögen von Fe(SCN)^{2 +}bestimmt. Weil alle das Produkt entstand aus der 1:1 Reaktion von Fe^{3 +} und SCN^–, entspricht die Gleichgewicht-Konzentration von Fe(SCN)^{2 +} der verringern , der Konzentration der Edukte. Tabelle 6 zeigt den Prozess für Reagenzglas 6.

Die Gleichgewichts-konstante errechnet sich aus den Konzentrationen in der Gleichgewichts-Reihe. Für Reagenzglas 6,

Die mittlere K -Wert betrug 147 ± 11, illustrieren, dass K über den Bereich der Konzentrationen untersucht etwa konstant ist.

Abbildung 2: Liniendiagramm der Extinktion und Konzentration für Fe(SCN)^{2 +}.

Rohr	[Fe(SCN)2 +] (Mol/L)	Extinktion
1	1,00 x 10– 5	0.10
2	2,00 x 10– 5	0,20
3	3.00 x 10– 5	0,25
4	4.00 x 10– 5	0,32
5	5,00 x 10– 5	0,42

Tabelle 4. Extinktion gegen Konzentrationsdaten für Fe(SCN)^{2 +}.

Rohr	Extinktion	K
6	0,120	136
7	0.268	161
8	0.461	142
9	0.695	150

Tabelle 5. Extinktion Werte und berechneten K für die Reaktion von Eisen (III) mit Thiocyanat gemessen.

	[Fe3 +] (Mol/L)	[SCN–] (Mol/L)	[Fe(SCN)2 +] (Mol/L)
Anfängliche	3.57 x 10– 4	3.57 x 10– 4	0
Änderung	–1.58 x 10-5	–1.58 x 10-5	+1.58 x 10-5
Gleichgewicht	3,41 x 10– 4	3,41 x 10– 4	1,58 x 10– 5

Tabelle 6. Der ICE-Tabelle, die den Prozess für Reagenzglas 6 veranschaulicht.

Die Gleichgewichts-konstante liefert nützliche Informationen über das Ausmaß, das eine Reaktion auf Formular Produkte im Laufe der Zeit weitergeht. Reaktionen mit einem großen Wert von K, viel größer als 1, bilden Produkte nahezu vollständige genügend Zeit (Abbildung 3). Reaktionen mit einem Wert von K kleiner als 1 werden zu einem bedeutenden Grad nicht nach vorne gehen. Die Gleichgewichts-Konstante dient somit als Maß für die Machbarkeit einer chemischen Reaktion.

Abbildung 3. Die konstante Gleichgewicht dieser Reaktion ist größer als 1. Eine erhebliche Menge an farbigen Produkt bildet in jedem Fall, auch wenn die anfängliche Konzentrationen der Reaktanden unterscheiden.

Die Gleichgewichts-konstante bietet auch thermodynamische Wissenswertes rund um die Änderungen in freie Energie, Enthalpie und Entropie im Verlauf einer chemischen Reaktion. Die Gleichgewichts-konstante bezieht sich auf die freie Energie-Änderung der Reaktion:

Die freie Energie-Änderung der Reaktion bezieht sich wiederum auf die Enthalpie und Entropie Veränderungen der Reaktion:

Messungen der Temperaturabhängigkeit von K können zeigen, die Enthalpie Änderung ΔH und die EntropieS Δ für eine Reaktion ändern. Neben der Bereitstellung von Chemikern mit Einblick in die Muster in molekulare Verhalten, können Tabellen der thermodynamischen Daten zur Reaktionen mit günstigen thermodynamischen Eigenschaften zu identifizieren. Redox-Reaktionen, die große Mengen an Energie (verbunden mit negativen ΔG -Werte) zu veröffentlichen sind beispielsweise attraktive Kandidaten für Batterien.

Werte von K für Säure Dissoziation Reaktionen_(KWerte) eignen sich für die Vorhersage der Ergebnisse der Säure-Base-Reaktionen, die thermodynamisch gesteuert werden. Starke Säuren sind große K_einen Werten und schwache Säuren mit kleinen K_einen Werten zugeordnet. pH-Indikatoren sind schwache Säuren mit unterschiedlich gefärbten saure und basische Formen und die pK_eine (negative Basis 10 Logarithmus der K_ein) der Indikator stellt des pH-Wertes, bei dem eine Farbveränderung tritt als eine Säure oder Base wird hinzugefügt, um eine Lösung des Indikators.

Ebenso sind _KWerte bei der Herstellung von Pufferlösungen verwendet, um ein Ziel-pH-Wert zu erreichen. Die pK_eine schwache Säure ist den pH-Wert, bei dem die Säure und seine Basis konjugiert in die Lösung in gleicher Konzentration vorhanden sind. Wenn gleiche Mengen von einer schwachen Säure und ihre konjugierte Base sind in einer Lösung aufgelöst, der pH-Wert der Lösung entspricht der pK_eine schwache Säure.