KİMYASAL DENGE AMAÇ Bu deneyin amacı öğrencilerin reaksiyon denge sabitini,k, deneysel olarak bulmalarıdır. TEORİ Bir kimyasal tepkimenin yönü bazı reaksiyonlar için tek bazıları için ise çift yönlüdür. Tek yönlü reaksiyonlar (tersinmez reaksiyonlar) sonlanabilen yani reaktiflerin tamamen ürünlere dönüştüğü reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlar için geri dönüş yoktur yani aynı şartlarda ürünlerden tekrar reaktifleri elde edilemez, nötürleşme reaksiyonları buna örnek verilebilir. Bu tip reaksiyonlar için ne kadar reaktiften ne kadar ürün elde edilebileceği veya tersi hesaplamaları reaksiyon denklemi kullanılarak basit hesaplamalarla belirlenir. Çift yönlü reaksiyonlar (tersinir reaksiyonlar) ise sonlanamayan yani reaktiflerin ancak bir kısmının ürünlere dönüştüğü reaksiyonlardır. Örneğin birçok tuzun suda çözünme reaksiyonu tersinirdir. Aynı şartlarda ürünlerden tekrar reaktifleri elde etmek mümkündür. Bu tip reaksiyonlar aşağıdaki genel gösterimle anlatılır; aa + b B c C + d D Reaktiflerle (A, B) reaksiyona başlandığında reaksiyon önce ürünler yönünde ilerler, yani ürünler (C, D) oluşmaya, reaktifler harcanmaya başlar. Bir süre sonra, ortam şartlarına (sıcaklık, basınç, hacim) bağlı olarak ürünlerin ve reaktiflerin konsantrasyonu sabitleşir. Bu durumda sistem dengeye ulaşmıştır denilir. Bu denge dinamik bir dengedir yani ürünlerin oluşma hızının, girenlerin bozunma hızına eşit olduğu durumdur. Şartlar değişmedikçe bu denge sonsuza kadar sürer. Her tersinir reaksiyon için denge hali birbirinden farklıdır. Bazılarında oluşan ürün konsantrasyonu çok büyük olmasına karşılık bazı reaksiyonlarda ise bu miktar çok küçük olabilir. Reaksiyonların denge halleri DENGE SABİTİ denen bir ifade ile anlatılır ve hesaplanır. Denge sabiti K ile sembolize edilir. Tüm bilinen tersinir reaksiyonlar için denge sabitleri deneysel olarak bulunmuş ve hesaplanmıştır. Denge sabitlerinin tespiti için geliştirilmiş birçok metot vardır. K değerleri sıcaklığa bağlı olarak listeler halinde kitaplarda verilir. Denge sabiti değerleri reaksiyondaki tüm türlerin derişimlerine (K c )
veya kısmi basınçlarına (K p ) bağlı olarak belirlenir. Yukarıdaki genel reaksiyon için denge sabiti ifadesi aşağıdaki gibi yazılır. Eşitliğe saf sıvı ve katılar yazılmaz. K c = [C] c [D] d [A ] a [B] b [ A], [B], [C], [D ] : Molar derişimler Reaksiyondaki türler gaz halinde iseler ayrıca K p sabiti de hesaplanabilir. K p = P C c. P D d P A a. P B b P C, P D, P A, P B : Kısmi basınçlar Dengedeki bir sisteme bir dış etki uygulandığında ( madde ilavesi, basınç veya sıcaklık değişikliği vs.) denge bozulur. Sistem dengeye gelmek için o etkiyi azaltacak yönde hareket ederek tekrar dengeye ulaşır. Bu Le Chatelier prensibi olarak bilinir. Denge sabitleri, zayıf asit ve bazların sudaki iyonlaşma dengeleri için asitlik ve bazlık sabitleri (K a, K b ), kompleks oluşum reaksiyon dengeleri için kompleks oluşum denge sabiti (K olş ), az çözünen tuzların iyon dengeleri için çözünürlük çarpımı (K çç ), suyun iyonlaşma dengesi için K su şeklinde ifade edilirler. Kolorimetrik Olarak Kompleks Oluşum Denge Sabitinin Tayini Bu deneyde, Fe + ile tiyosiyanat (SCN - ) iyonları arasında gerçekleşen ve FeSCN 2+ (Demir--tiyosiyanat) kompleksinin oluştuğu reaksiyonun denge sabiti değeri tayin edilecektir. Aşağıdaki tepkime için, Fe + + SCN - FeSCN 2+ denge ifadesi şöyledir: 2 FeSCN Fe SCN K
K denge sabiti değerini hesaplamak için sistem denge halinde iken her bir iyonun, Fe +, SCN -, FeSCN 2+, derişimini bilmek gerekir. FeSCN 2+ koyu kırmızı renkli bir kompleks iyondur ve çözeltideki derişimi 6.4 x 10-6 M olduğu zaman bile rengini insan gözü fark edebilmektedir. Bu reaksiyonun denge sabiti oldukça büyüktür, yani Fe + ve SCN - ın büyük bir kısmı FeSCN 2+ kompleksine dönüşür. Renk şiddetine bakılarak bu reaksiyonun denge sabitini hesaplamak mümkündür. Renk şiddetine (yoğunluğuna) bağlı olarak yapılan analizlere KOLORİMETRİK analizler denir. Bir çözeltinin renginin koyuluğu, içindeki renkli maddelerin derişimi ve çözelti derinliği artıkça artar. Aynı tür renkli madde içeren farklı derişimde fakat eşit derinliğe sahip iki ayrı çözeltiye bakıldığında aralarındaki renk farkı açıkça gözlenir, derişik çözelti daha koyu görünür. Aynı şekilde bu defa derişimleri eşit fakat çözelti yükseklikleri (derinlikleri) farklı çözeltiler karşılaştırıldığında derinliği fazla olan örneklerin renk şiddetlerinin daha büyük olduğu gözlenir (çözeltilere yukardan aşağıya doğru bakılır). Elinizde içinde aynı tür renkli maddeler bulunan 1 ve 2 nolu tüpler varsa ve bunlara bakıldığı zaman aynı koyulukta görünüyorsa, 1 nolu tüpteki çözeltinin derişimi ile yüksekliğinin çarpımı, 2 nolu tüpteki çözeltinin derişimi ile yüksekliğinin çarpımına eşittir. Bu kıyaslamalarla derişimi bilinen çözeltiler (standart çözeltiler) kullanılarak derişimi bilinmeyen çözeltilerin analizi yapılabilir. h 1,h 2 : çözelti derinliği (yüksekliği) h 1 x C 1 = h 2 x C 2 C 1, C 2 : çözelti derişimleri FeSCN 2+ iyonlarının derişimini bulabilmek için, derişimi bilinen standart bir FeSCN 2+ çözeltisine gereksinim vardır. Böyle bir çözeltiyi, SCN - derişimi düşük olan bir çözeltiye aşırı miktarda Fe + ekleyerek elde edebilirsiniz. Fe + ilavesiyle reaksiyon başlar ve dengeye gelene kadar ürünler yönünde ilerler. Sistem dengeye ulaşmak için aşırı Fe + derişimini azaltmalıdır, bu da az olan SCN - iyonlarının çok büyük bir kısmının harcanması demektir. Böylece bütün SCN -, FeSCN 2+ ye dönüşmüş kabul edilebilir. Bu durumda oluşan FeSCN 2+ ın derişimi SCN - nin başlangıç derişimine eşit alınır ve bu kabul hesaplamalarda önemli bir hata getirmeyecektir.
DENEYSEL KISIM Gerekli Madde ve Malzemeler 0.002 M SCN - (tiyosiyanat) çözeltisi 0,2 M ve 0,02 M Fe + çözeltileri 5.0 ml veya 10 ml lik derecelendirilmiş pipet 6 deney tüpü Cetvel Farklı Derişimlerde Kompleks Çözeltilerin Hazırlanması 1. Çapları eşit olan 6 deney tüpünü temiz değillerse önce musluk suyu ile sonra da damıtık su ile iyice yıkayın ve numaralandırın. 2. Her bir tüpe 5.0 ml 0.002 M NaSCN çözeltisinden koyun.. Birinci tüpe 5.0 ml 0.2 M Fe + çözeltisi ekleyin. Bu tüp sizin standart FeSCN 2+ çözeltiniz olacaktır. 4. İkinci tüpe 0.2 M lık Fe + çözeltisinden 2,0 ml, Üçüncü tüpe 0.2 M lık Fe + çözeltisinden 1,0 ml, Dördüncü tüpe 0.02 M lık Fe + çözeltisinden,0 ml, Beşinci tüpe 0.02 M lık Fe + çözeltisinden 1,0 ml, Altıncı tüpe 0.02 M lık Fe + çözeltisinden 0.5 ml, ilave ediniz. Not: İlaveleri pipetle yapınız. 5. Çözeltilere toplam hacimleri 10 ml olacak şekilde pipetle saf su ilave ediniz. Çözelti Renk Şiddetlerinin Karşılaştırılması 1. Tüplerdeki FeSCN 2+ ın derişimi 1 nolu tüpdeki standart FeSCN 2+ çözeltisinin rengi ile karşılaştırarak bulunacaktır. Bunun için karşılaştırılacak tüpü alın, standart tüp ile yan yana tutarak beyaz bir zemin üzerinde yukarıdan aşağıya doğru çözeltilere bakın. Eğer renk koyulukları aynı ise, iki çözeltinin yüksekliklerini bir cetvelle ölçün ve kaydedin.
2. Çözeltilerin renk şiddetleri aynı değilse, rengi daha koyu olan çözeltiyi alın (1 nolu tüp) ve içindeki çözeltinin bir kısmını temiz kuru bir tüpe renk şiddetleri aynı görünecek miktarda aktarın. Bu işlemi kontrollü bir şekilde kısım kısım deneyerek yapın (bu ayrılan kısım tekrar kullanılabilir, dökmeyin) ve renk şiddetlerini eşit hale getirin. Eş renkli tüplerdeki çözeltilerin yüksekliklerini ölçün ve kaydedin. Tüm deney tüpleri için bu işlemi yapın. Hesaplamalar 1. Standart çözeltinin FeSCN 2+ konsantrasyonu teorik kısımda anlatıldığı gibi ilave edilen SCN - konsantrasyonuna eşit kabul edilir. Bu derişimi seyrelmeleri de dikkate alarak hesaplayınız. 2. 2-6 çözeltilerindeki Fe + ve SCN - ın başlangıç derişimlerini hesaplayınız.. 2-6 çözeltilerinin dengedeki FeSCN 2+ derişimini h 1 x C 1 = h 2 x C 2 eşitliğini kullanarak hesaplayınız. 4. 2-6 çözeltilerin dengedeki Fe + ve SCN - derişimlerini başlangıç konsantrasyonlarından dengedeki FeSCN 2+ ın konsantrasyonunu çıkararak hesaplayınız. Örnek : [ Fe + ] = [ Fe + ] 0 - [ FeSCN 2+ ] 5. 1 nolu tüp dışında her bir çözelti için K değerini hesaplayınız. NOT : Hesaplamalarınızı rapor kağıdının arkasında gösteriniz. Hazırlayanlar : Yrd.Doç.Dr.Mehmet Sankır
Rapor Kağıdı 1 KİMYASAL DENGE Öğrenci Adı: Tarih: Laboratuar Grubu: Asistan adı ve imzası: VERİLER Test tüp Çözeltinin yüksekliği,cm Standart çözeltinin yüksekliği, cm 2 4 5 6 SONUÇLAR Test Tüp Başlangıç derişimleri Denge derişimleri [Fe + ] 0 [SCN - ] 0 [FeSCN 2+ ] [Fe + ] [SCN - ] K 1 - - - - 2 4 5 6
SORULAR 1. Deneysel olarak belirlediğiniz beş ayrı K değerinden sizce hangileri daha güvenilir veya doğrudur, neden? 2. 1. tüpteki FeSCN 2+ derişimini SCN - ın başlangıç derişimine eşit kabul ettiniz. Bu doğru bir kabulmüdür? % hatayı hesaplayarak yorumlayınız. Deney sonucu elde ettiğiniz en iyi K değerini kullanarak standart çözeltideki SCN - derişimini hesaplayabilirsiniz. CEVAPLAR
Rapor Kağıdı 2 KİMYASAL DENGE Öğrenci Adı: Tarih: Laboratuar Grubu: Asistan adı ve imzası: VERİLER Test tüp Çözeltinin yüksekliği,cm Standart çözeltinin yüksekliği, cm 2 4 5 6 SONUÇLAR Test Tüp Başlangıç derişimleri Denge derişimleri [Fe + ] 0 [SCN - ] 0 [FeSCN 2+ ] [Fe + ] [SCN - ] K 1 - - - - 2 4 5 6
SORULAR. Deneysel olarak belirlediğiniz beş ayrı K değerinden sizce hangileri daha güvenilir veya doğrudur, neden? 4. 1. tüpteki FeSCN 2+ derişimini SCN - ın başlangıç derişimine eşit kabul ettiniz. Bu doğru bir kabulmüdür? % hatayı hesaplayarak yorumlayınız. Deney sonucu elde ettiğiniz en iyi K değerini kullanarak standart çözeltideki SCN - derişimini hesaplayabilirsiniz. CEVAPLAR