Френският химик Анри Луи Льо Шателие създава един от най-известните химични закони, който предсказва реакцията на химическата система в равновесие, когато е изложена на промяна.
С резултатите от своите проучвания той формулира обобщение за химическо равновесие, което гласи следното:
"Когато външен фактор действа върху система в равновесие, той се движи, винаги в смисъл да сведе до минимум действието на приложения фактор."
Когато балансът на химическата система е нарушен, системата действа, за да сведе до минимум това нарушение и да възстанови стабилността.
Следователно системата представя:
- начално състояние на равновесие.
- „небалансирано“ състояние с промяната на фактор.
- ново състояние на равновесие, което се противопоставя на промяната.
Примери за външни смущения, които могат да повлияят на химическия баланс, са:
| Фактор | Смущения | Направено е |
|---|---|---|
| Концентрация | Нараства | Консумирайте веществото |
| Намаляване | веществото се произвежда | |
| Налягане | Нараства | Придвижва се до най-малкия обем |
| Намаляване | Придвижва се до най-голямата сила на звука | |
| Температура | Нараства | Абсорбира топлината и променя константата на равновесие |
| Намаляване | Отделя топлина и променя константата на равновесие | |
| Катализатор | Присъствие | Реакцията се ускорява |
Този принцип е от голямо значение за химическата промишленост, тъй като реакциите могат да бъдат манипулирани и да направят процесите по-ефективни и икономични.
Пример за това е процесът, разработен от Фриц Хабер, който, използвайки принципа на Ле Шателие, икономически създава път за производство на амоняк от атмосферния азот.
След това ще разгледаме химическото равновесие според закона на Шателие и как пертурбациите могат да го променят.
знам повече за:
- Химичен баланс
- Йонен баланс
- Киселинно-основни показатели
Ефект на концентрация
Когато има химичен баланс, системата е балансирана.
Системата в равновесие може да претърпи смущения, когато:
- Увеличаваме концентрацията на даден компонент от реакцията.
- Понижаваме концентрацията на компонент от реакцията.
Когато добавяме или премахваме вещество от химичната реакция, системата се противопоставя на промяната, консумира или произвежда повече от това съединение, така че балансът да бъде възстановен.
Концентрациите на реагентите и продуктите се променят, за да се адаптират към ново равновесие, но равновесната константа остава същата.
Пример:
В баланс:
Реакцията има по-висока концентрация на продукти, тъй като чрез синьото оцветяване на разтвора виждаме, че [CoCl комплекс4]-2 преобладава.
Водата също е продукт на директната реакция и когато увеличаваме нейната концентрация в разтвора, системата се противопоставя на промяната, карайки водата и комплекса да реагират.
Равновесието се измества наляво, посоката на обратна реакция и води до увеличаване на концентрацията на реагентите, променяйки цвета на разтвора.
Ефект от температурата
Системата в равновесие може да претърпи смущения, когато:
- Има повишаване на температурата в системата.
- Има намаляване на температурата в системата.
Когато добавяте или премахвате енергия от химическа система, системата се противопоставя на промяната, абсорбира или освобождава енергия, така че балансът да бъде възстановен.
Когато системата променя температурата, химичният баланс се променя, както следва:
Чрез повишаване на температурата се благоприятства ендотермичната реакция и системата поглъща топлина.
От друга страна, когато температурата се понижи, екзотермичната реакция се благоприятства и системата отделя топлина.
Пример:
В химически баланс:
Когато поставим епруветката, съдържаща тази система, в чаша с гореща вода, температурата на системата се увеличава и равновесието се измества, за да се образуват повече продукти.
Това е така, защото директната реакция е ендотермична и системата ще бъде възстановена чрез абсорбиране на топлина.
Освен това, температурните вариации също променят равновесните константи.
Ефект на натиск
Системата в равновесие може да претърпи смущения, когато:
- Налице е повишаване на общото налягане в системата.
- Намалява общото налягане в системата.
Когато увеличаваме или намаляваме налягането на химическата система, системата се противопоставя на промяната, измествайки баланс в смисъла на по-малък или по-голям обем, съответно, но не променя равновесната константа.
Когато системата променя обема, тя минимизира действието на приложеното налягане, както следва:
Колкото по-голямо е налягането, приложено към системата, ще има свиване на обема и равновесието се измества към по-малкия брой бенки.
Ако обаче налягането намалее, системата се разширява, увеличавайки обема и посоката на реакцията се измества към тази с най-голям брой бенки.
Пример:
Клетките на нашето тяло получават кислород чрез химически баланс:
Тази система се установява, когато кислородът във въздуха, който дишаме, влезе в контакт с хемоглобина, наличен в кръвта, което води до окси-хемоглобин, който пренася кислорода.
Когато човек се изкачи на планина, колкото по-голяма е достигнатата надморска височина, толкова по-ниско е количеството и парциалното налягане на O2 във въздуха.
Балансът, който пренася кислород в тялото, се измества наляво и намалява количеството окси-хемоглобин, компрометирайки количеството кислород, получено от клетките.
Резултатът от това е появата на световъртеж и умора, които дори могат да доведат до смърт.
Тялото се опитва да реагира, като произвежда повече хемоглобин. Това обаче е бавен процес, който изисква настройка на височина.
Следователно хората, които могат да изкачат връх Еверест, са тези, които са най-подходящи за екстремна височина.
Катализатори
Използването на катализатор пречи на скоростта на реакцията, както при директната, така и при обратната реакция.
За да настъпи реакция, е необходимо да се постигне минимална енергия, за да се сблъскат молекулите и да реагират ефективно.
Когато се вкара в химическата система, катализаторът действа чрез намаляване на тази активираща енергия чрез образуване на активиран комплекс и създаване на по-кратък път за достигане на химическия баланс.
Чрез увеличаване на реакционните скорости еднакво, намалява времето, необходимо за постигане на равновесие, както може да се види на следващите графики:
Използването на катализатори обаче не променя добива на реакцията или константата на равновесие, тъй като не пречи на състава на сместа.
синтез на амоняк
Съединенията на основата на азот се използват широко в селскостопански торове, експлозиви, лекарства, наред с други. Поради този факт се произвеждат милиони тонове азотни съединения, като NH амоняк3, NH амониев нитрат4НА3 и урея Н2NCONH2.
Поради търсенето в световен мащаб на азотни съединения, главно за селскостопански дейности, селитрата на NaNO в Чили3, основният източник на азотни съединения, е бил най-използван до началото на 20-ти век, но естествената селитра не би могла да задоволи настоящото търсене.
Интересно е да се отбележи, че атмосферният въздух е смес от газове, съставена от над 70% азот N2. Въпреки това, поради стабилността на тройната връзка става много труден процес за прекъсване на тази връзка за образуване на нови съединения.
Решението на този проблем е предложено от германския химик Фриц Хабер. Синтезът на амоняк, предложен от Haber, носи следния химичен баланс:
За да бъде индустриално внедрен, този процес е усъвършенстван от Карл Бош и е най-използваният до момента за улавяне на азот от въздуха с фокус върху получаването на азотни съединения.
Използвайки принципа на Le Chatelier, химическият баланс може да бъде увеличен, когато:
Добавете H2 и кара системата да се противопостави на промяната и да реагира, за да намали концентрацията на този реагент.
По този начин, H2 и не2 те се консумират едновременно, за да се получи повече продукт и да се създаде ново състояние на равновесие.
По същия начин, когато добавяте повече азот, балансът се измества надясно.
В промишлено отношение балансът се измества от непрекъснатото отстраняване на NH3 на системата чрез селективно втечняване, увеличавайки добива от реакцията, тъй като балансът, който трябва да бъде възстановен, има тенденция да образува повече продукт.
Синтезът на Хабер-Бош е едно от най-важните приложения на изследванията на химичното равновесие.
Поради значимостта на този синтез, Хабер получава Нобелова награда за химия през 1918 г., а Бош получава наградата през 1931 г.
Упражнения за смяна на баланса
Сега, след като знаете как да тълкувате промените, които могат да настъпят в химическия баланс, използвайте тези вестибуларни въпроси, за да проверите знанията си.
1. (UFPE) Най-подходящите антиациди трябва да бъдат тези, които не намаляват твърде много киселинността в стомаха. Когато намаляването на киселинността е твърде голямо, стомахът отделя излишна киселина. Този ефект е известен като „киселинен мач“. Кой от елементите по-долу може да бъде свързан с този ефект?
а) Законът за запазване на енергията.
б) Принципът на Паули за изключване.
в) Принципът на Le Chatelier.
г) Първият принцип на термодинамиката.
д) Принципът на несигурност на Хайзенберг.
Правилна алтернатива: в) Принципът на Льо Шателие.
Антиацидите са слаби основи, които действат чрез увеличаване на рН на стомаха и, следователно, намаляване на киселинността.
Намаляването на киселинността става чрез неутрализиране на солната киселина, присъстваща в стомаха. Като намали твърде много киселинността, това може да създаде дисбаланс в организма, тъй като стомахът работи в кисела среда.
Както е посочено от принципа на Льо Шателие, когато равновесната система е изложена на смущение, ще има противопоставяне на тази промяна, така че равновесието да бъде възстановено.
По този начин тялото ще произвежда повече солна киселина, произвеждайки ефекта „киселинен реванш”.
Другите принципи, представени в алтернативите, се занимават с:
а) Законът за запазване на енергията: при поредица от трансформации се запазва общата енергия на системата.
б) Принципът на Паули за изключване: в атом два електрона не могат да имат еднакъв набор от квантови числа.
г) Първият принцип на термодинамиката: варирането на вътрешната енергия на системата е разликата между топлообмена и извършената работа.
д) Принципът на несигурността на Хайзенберг: не е възможно да се определи скоростта и положението на електрон във всеки един момент.
По отношение на системата в равновесие може правилно да се твърди, че:
а) присъствието на катализатор влияе върху състава на сместа.
б) присъствието на катализатор влияе на равновесната константа.
в) увеличаването на налягането намалява количеството СН4(ж).
г) повишаването на температурата влияе на равновесната константа.
д) повишаването на температурата намалява количеството CO(ж) .
Правилна алтернатива: г) повишаването на температурата влияе на константата на равновесие.
Чрез повишаване на температурата ще се повлияе директната реакция, която е ендотермична, тъй като за възстановяване на баланса системата ще абсорбира енергия и ще измести баланса надясно.
Премествайки баланса в пряка посока, количеството на образуваните продукти се увеличава.
Константата на равновесие е право пропорционална на концентрацията на продуктите: колкото по-голямо е количеството продукти, толкова по-голяма е стойността на константата.
Тогава можем да забележим, че повишаването на температурата увеличава количеството CO и H2.
Увеличението на налягането измества равновесието към обратната реакция, тъй като равновесието се измества към най-малкия брой молове. С това, количеството CH4 и Н2The е увеличен.
Използването на катализатор не пречи на равновесната константа и състава на сместа. Той ще действа само като направи баланса по-бързо постигнат.
3. (UFC) При изследване на действието на COCl отровен газ2, използван като химическо оръжие, процесът на разлагане се наблюдава според реакцията:
Като се започне от равновесна ситуация, се добавят 0,10 mol CO и системата след известно време достига нова равновесна ситуация. Изберете опцията, която показва как новите равновесни концентрации са свързани със старите.
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| The) | нов> стар | нов> стар | ново |
| Б) | нов> стар | нов> стар | нов> стар |
| ° С) | ново | нов> стар | ново |
| д) | нов> стар | ново | ново |
| и) | същото | същото | същото |
Правилна алтернатива:
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| The) |
Когато се добави ново вещество, системата консумира това вещество, за да възстанови баланса, тъй като концентрацията му се е увеличила.
Тази консумация се случва, като веществото реагира с другото съединение, като по този начин създава повече продукт.
Следователно, когато увеличим концентрацията на CO, ще има потребление, но не до степен да стане по-ниска от концентрацията в първоначалното състояние, тъй като нейното потребление ще се случи заедно с друго съставна част.
Вече концентрацията на Cl2 става по-малък от първоначалния, тъй като е трябвало да реагира с количеството добавен CO.
От връзката на двете вещества концентрацията на COCl беше повишена2, тъй като това е образуваният продукт.
Тези промени в химичния баланс могат да се видят на графиката по-долу:
4. (UFV) Експерименталното изследване на химична реакция в равновесие показа, че увеличаването на температурата благоприятства образуването на продукти, докато повишаването на налягането благоприятства образуването на реагенти. Въз основа на тази информация и знаейки, че A, B, C и D са газове, маркирайте алтернативата, която представлява изследваното уравнение:
| The) | ||
| Б) | ||
| ° С) | ||
| д) | ||
| и) |
Правилна алтернатива:
| The) |
С повишаването на температурата системата абсорбира топлина, за да възстанови баланса и с това благоприятства ендотермичната реакция, чийто ∆H е положителен.
Алтернативите, които съответстват на благоприятстването на образуването на продукти чрез повишаване на температурата, са: a, b и d.
Когато обаче налягането се увеличи, равновесието се измества към най-малкия обем, т.е. този с най-малък брой бенки.
За да се придвижи реакцията към реагентите, е необходимо тази посока на реакцията да има по-малък брой молове спрямо продуктите.
Това се наблюдава само при първата алтернатива.
5. (UEMG) Следните уравнения представляват системи в равновесие. Коя е единствената система, която не се измества при промяна на налягането?
а) ОС2 (g) + 1/2 O2 (g) ТАКА3(ж)
б) CO2 (g) + Н2 (g) ⇔ CO(ж) + Н2О(ж)
в) Не2 (g) + 3 Н2 (g) ⇔ 2 NH3(ж)
г) 2 CO2 (g) CO 2 CO(ж) + O2 (g)
Правилна алтернатива: b) CO2 (g) + Н2 (g) ⇔ CO(ж) + Н2О(ж)
Когато системата промени общото налягане, балансът се възстановява с промяната в обема.
Ако налягането се увеличи, обемът намалява, измествайки равновесието към най-малкия брой бенки.
От друга страна, когато налягането намалява, обемът се увеличава, измествайки баланса към по-голям брой бенки.
Но когато има еднакъв брой молове на реагиращи вещества и продукти, образувани, няма начин да се измести равновесието, тъй като обемът не се променя.
Броят на бенките знаем по стехиометричните коефициенти до всяко вещество.
Можем да видим това в алтернативното уравнение
б) CO2 (g) + Н2 (g) ⇔ CO(ж) + Н2О(ж)
където 1 мол CO2 реагира с 1 мол Н2 за образуване на 1 mol CO и 1 mol H2О.
И в двете посоки на реакцията има 2 мола, така че промените в налягането не биха променили обема.
Вижте още въпроси относно изместването на химическото равновесие, с коментирана резолюция, в този списък, който сме подготвили: упражнения за химически баланс.
Кой беше Льо Шателие?
