C043 - Badanie równowagi w układzie NO2 - N204

Potrzebne materiały i przyrządy

Zestaw chemiczny nr 43
Dwie zlewki poj. 100 lub 250 ml
Termometr laboratoryjny (np. Chemiczny zestaw nr 17)
Statyw laboratoryjny z uchwytem łapą do probówek (np. Chemiczny zestaw nr 20)
Sól kuchenna (chlorek sodu)
Lód w drobnych kostkach
Woda

Opisy doświadczeń

Zestaw składa się z dwóch baniek szklanych połączonych szklaną rurką i wypełnionych ditlenkiem azotu. Służy on do demonstracji przesuwania stanu równowagi w układzie 2NO₂ - N₂O₄ za pomocą ogrzewania lub chłodzenia jednej lub obu baniek.

Ditlenek azotu (NO₄) jest czerwonobrązowym gazem, który znajduje się w stanie równowagi z bezbarwnym tetratlenkiem diazotu (N₂O₄) zgodnie z równaniem:

2NO₂ ↔N₂O₄  (ΔH = -57,23 kJ/mol)

Przesuwanie równowagi w prawo wiąże się z wydzielaniem ciepła, co oznacza, że forma bezbarwna (N₂O4) jest preferowana w niższych temperaturach. Jest to także dobre zobrazowanie tzw. reguły przekory: zmiana parametru (ciśnienia, temperatury) układu powoduje takie przesunięcie stanu równowagi, aby tej zmianie przeciwdziałać. W tym przypadku ogrzewanie przesuwa równowagę w lewo („zużywanie" ciepła), a chłodzenie przesuwa równowagę w prawo (wydzielanie ciepła – „przeciwdziałanie" chłodzeniu).

Fotografia 1. przedstawia opisywany zestaw. Obie bańki z gazem mają temperaturę pokojową; można zaobserwować identyczną barwę obu z nich.

W celu zaobserwowania wpływu zmian temperatury na położenie stanu równowagi należy przygotować:
1) mieszaninę wody z lodem (w stanie równowagi mieszanina utrzymuje temperaturę 0°C)
2) mieszaninę 3 części wagowych lodu i 1 części wagowej soli kuchennej (mieszanina szybko osiąga temperaturę -20°C)
3) wodę o temperaturze pokojowej
4) wodę o temperaturze ok. 50-60°C

Przez zanurzenie jednej bańki do mieszaniny oziębiającej znajdującej się w zlewce można przesunąć stan równowagi mieszaniny znajdującej się w tej bańce. Niewielka średnica rurki ogranicza wymianę ciepła i dyfuzję gazu pomiędzy bańkami. Aby jeszcze bardziej ograniczyć zmianę temperatury drugiej bańki, można ją zanurzyć do drugiej zlewki z wodą o temperaturze pokojowej.

Oziębianie powoduje znaczne osłabienie intensywności barwy chłodzonego gazu, przez co staje się on niemal bezbarwny (fot. 2 i 3).

Z kolei przez ogrzewanie jednej bańki można przesunąć stan równowagi w lewo, co powoduje powstanie dodatkowych ilości NO₂i pogłębienie brązowej barwy. Wreszcie jednoczesne ogrzewanie jednej bańki i chłodzenie drugiej maksymalizuje efekt. (fot. 4)

Uwagi dotyczące bezpieczeństwa: Tlenek azotu(IV) jest gazem szkodliwym dla zdrowia, jednak w zestawie znajduje się bardzo niewielka ilość tego gazu, która (po ew. uwolnieniu) nie stanowi istotnego zagrożenia. W przypadku stłuczenia zestawu należy krótko przewietrzyć pomieszczenie oraz pozbierać ostrożnie kawałki szkła.

Wykorzystanie zgodnie z podstawą programową:
IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony, punkt 4., podpunkty 3),4), 7)