Задание к работе

1. Определить направление процесса в неравновесной системе с помощью изотермы химической реакции.

2. Рассчитать состав равновесной смеси ионов в растворе, используя значения констант равновесия.

3. Определить отношение констант равновесия при температурах Т₂, Т₁ и рассчитать тепловой эффект процесса образования комплексного соединения, используя уравнение изобары реакции.

Оборудование и реактивы

Железный вертикальный штатив с термометром, химический стакан на 250 мл, пластмассовый штатив с шестью пронумерованными пробирками на 15…20 мл (№ 1–6), две пронумерованных колбы на 50 мл (№ 1,2), два цилиндра на 10 мл, растворы: 1) 0,02 М KSCN + 0,001 M FeCl₃; 2) 0,001 M FeCl₃; 3) 0,02 М KCl; 4) 0,02 M KF; горячая вода, Т = 50С.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Применение уравнения изотермы химической реакции для определения направления процесса

1. Пользуясь справочными данными по константам образования различных комплексов железа(III), напишите процессы образования шести различных комплексных соединений, образованных ионами железа Fe³⁺ и роданид-ионами SCN^–. Напишите выражения для ступенчатых констант образования и их значения. Напишите выражения для общих констант образования, их значения и процессы им соответствующие.

Лиганд
SCN–	3,03	4,33	4,63	4,53	4,23	3,23
Cl–	1,48	1,78	0,78	–0,85	–	–
F–	6,04	10,74	13,74	15,74	16,10	>16,10

2. Сделайте вывод о наиболее устойчивом комплексном соединении в растворе. Основываясь на этом выводе, напишите уравнение реакции, исходя из KSCN и FeCl₃ в молекулярном и ионном виде. Напишите выражение константы равновесия К_с для данного процесса и ее значение.

3. Напишите выражение изотермы химической реакции через текущие концентрации компонентов исследуемой системы. Каково соотношение между величинами П_с и К_с в условиях равновесия для данного раствора?

4. Налейте в пробирку 3 мл раствора из колбы № 1, содержащего 0,001М Fe³⁺ и 0,020 М SCN^–. Добавьте в пробирку 7 мл раствора из колбы № 2, содержащего 0,001 М Fe³⁺. Как изменилось при этом в растворе общее содержание железа С_Fe и роданида С_L? Каким стало соотношение С_L/С_Fe?

5. Как изменилось значение комплекса текущих концентраций П_c в момент добавления раствора № 2: уменьшилось или увеличилось? Каким стало соотношение в этот момент между П_с и К_с, какой знак ( 0 или  0 приобрела величина _rG? В какую сторону произошло смещение равновесия? Сделанные выводы подтвердите расчетом.

6. Используя принцип Ле Шателье–Брауна, объясните наблюдаемые изменения.

Пробирку с полученным раствором сохраните для последующих опытов (пробирка № 1).

Опыт 2. Приготовление растворов различной интенсивности окрашивания и расчет равновесного состава растворов по константам устойчивости

1. В дополнение к раствору в пробирке № 1 с соотношением С_L/С_Fe= 6 приготовьте еще четыре раствора с соотношением С_L/С_Fe= 8, 10, 14 и 20 (пробирки № 2, 3, 4 и 5). Для этого смешайте растворы из колб № 1 и № 2 в соотношении 4 мл/6 мл, 5 мл/5 мл, 7 мл/3мл и 10 мл/0 мл. Вы получите в пробирках серию растворов с цветовой гаммой от светлого буро-желтого до темного кирпично-красного. Интенсивность окрашивания раствора определяется концентрацией комплексных ионов Fe (SCN)_n^3–n.

2. Составьте таблицу для расчета равновесного состава изучаемой системы. Вводя следующие обозначения: [Fe³⁺] – равновесная концентрация ионов железа в растворе; C_Fe – общая концентрация железа в растворе; [L] – равновесная концентрация роданид-ионов; C_L – общая концентрация лиганда в растворе; [FeL_n] – равновесная концентрация комплекса в растворе, выведите в общем виде выражение для расчета [FeL_n]. Так как в изучаемой системе присутствует избыток лиганда, то [L] ≈ C_L. Проведите расчет равновесного состава растворов пробирок № 1–5.

3. Составьте таблицу равновесных составов растворов.

Номер пробирки	СL, моль/л	Fe(SCN)3,моль/л	Fe3+, моль/л
1
2
3
4
5

4. Отметьте корреляцию изменения интенсивности окрашивания растворов с изменением концентрации комплексного соединения. Которая из концентраций: С_L,[Fe(SCN)₃] или [Fe³⁺] изменяется наиболее сильно? Наиболее медленно?

Опыт 3. Определение теплового эффекта образования комплексного соединения Fe (SCN)₃ по уравнению изобары химической реакции

В небольшом интервале температур от Т₁ до Т₂, принимая тепловой эффект реакции постоянным, _rH = const, можно определить величину _rH с помощью уравнения, полученного после интегрирования изобары:

где и –константы устойчивости при Т₁ и Т₂ соответственно.

Налейте в пробирку № 6 5 мл раствора из колбы № 1 (C_L = 0,020 моль/л, C_Fe = 0,001 моль/л). Измерьте температуру раствора Т₁. Сравните раствор № 6 по цвету с раствором № 5. Поместите пробирку № 6 в химический стакан емкостью 250 мл с нагретой до 45–50С водой. Поместите термометр в пробирку и закрепите его в штативе. После того как раствор в пробирке № 6 прогреется до 42–45С, запишите температуру раствора Т₂. Измерения температуры производить с точность до 0,1С.

Уберите термометр из пробирки, пробирку из воды и, сравнивая по цвету посветлевший раствор № 6 с растворами № 1–5, определите концентрацию [Fe(SCN)₃] в подогретом растворе, используя таблицу равновесных составов из опыта 2. Изменение цвета раствора при нагревании происходит в результате изменения концентрации комплексного соединения, от до , поэтому

Рассчитайте величины отношения / , а затем тепловой эффект реакции . Экзо- или эндотермической является реакция?

С помощью уравнения изобары химической реакции (4.22)–(4.25) объясните наблюдаемое смещение равновесия при увеличении температуры.

Опыт 4. Смещение равновесия и конкурирующие лигандообменные процессы

1. В две пробирки № 7и № 8 добавьте по 5 мл раствора из колбы № 1 (C_L = 0,020 моль/л, C_Fe = 0,001 моль/л). В пробирку № 7 добавьте 5 мл 0,02 М раствора KCl, в пробирку № 8 добавьте 5 мл 0,02 M раствора KF. Что наблюдаете?

2. Используя справочные данные (опыт 1), сравните устойчивость роданидных, хлоридных и фторидных комплексов железа. Происходит ли образование хлоридных комплексов в растворе пробирки № 7? Основываясь на принципе Ле Шателье–Брауна, объясните наблюдаемые в пробирке № 7 изменения.

3. Определите наиболее устойчивый фторидный комплекс железа(III), напишите реакцию его образования, исходя из [Fe(SCN)₃] и KF в молекулярном и ионном виде. Запишите через равновесные концентрации выражение для константы равновесия К_с этого процесса, а также выразите ее через известные величины общих констант образования роданидного и фторидного комплексов, приведите численное значение константы равновесия. Рассчитайте равновесный состав раствора пробирки № 8.