Princippet om Le Chatelier

Den franske kemiker Henri Louis Le Chatelier skabte en af ​​de mest kendte kemilove, der forudsiger reaktionen fra det kemiske system i ligevægt, når det udsættes for en ændring.

Med resultaterne af sine studier formulerede han en generalisering for kemisk ligevægt, der siger følgende:

"Når en ekstern faktor virker på et system i ligevægt, bevæger den sig, altid i den forstand at minimere virkningen af ​​den anvendte faktor."

Når balancen i et kemisk system forstyrres, fungerer systemet for at minimere denne forstyrrelse og gendanne stabiliteten.

Derfor præsenterer systemet:

• en indledende ligevægtstilstand.
• en "ubalanceret" tilstand med ændring af en faktor.
• en ny ligevægtstilstand, der modsætter sig forandring.

Eksempler på eksterne forstyrrelser, der kan påvirke kemisk balance, er:

Faktor	Forstyrrelse	Det er lavet
Koncentration	Øge	Brug stoffet
Formindske	stoffet er produceret
Tryk	Øge	Flytter til den mindste lydstyrke
Formindske	Flytter til den højeste lydstyrke
Temperatur	Øge	Absorberer varme og ændrer ligevægtskonstanten
Formindske	Frigør varme og ændrer ligevægtskonstanten
Katalysator	Tilstedeværelse	Reaktionen fremskynder

Dette princip er af stor betydning for den kemiske industri, da reaktionerne kan manipuleres og gøre processerne mere effektive og økonomiske.

Et eksempel på dette er processen udviklet af Fritz Haber, der ved hjælp af Le Chateliers princip økonomisk skabte en rute til produktion af ammoniak fra atmosfærisk kvælstof.

Dernæst ser vi på kemisk ligevægt i henhold til Chateliers lov og hvordan forstyrrelser kan ændre det.

vide mere om:

• Kemisk balance
• Ionisk balance
• Syre-base indikatorer

Koncentrationseffekt

Når der er en kemisk balance, er systemet afbalanceret.

Systemet i ligevægt kan lide en forstyrrelse, når:

• Vi øger koncentrationen af ​​en komponent i reaktionen.
• Vi sænker koncentrationen af ​​en komponent i reaktionen.

Når vi tilføjer eller fjerner et stof fra den kemiske reaktion, modsætter systemet sig ændringen, forbruger eller producerer mere af den forbindelse, så balancen genoprettes.

Koncentrationerne af reaktanter og produkter ændres for at tilpasse sig en ny ligevægt, men ligevægtskonstanten forbliver den samme.

Eksempel:

På balance:

Reaktionen har en højere koncentration af produkter, fordi ved den blå farve af opløsningen ser vi, at [CoCl-komplekset₄]^-2 dominerer.

Vand er også et direkte reaktionsprodukt, og når vi øger koncentrationen i opløsningen, modsætter systemet sig ændringen, hvilket får vandet og komplekset til at reagere.

Ligevægt forskydes til venstre, omvendt reaktionsretning og får koncentrationen af ​​reaktanter til at stige og ændrer opløsningens farve.

Effekt af temperatur

Systemet i ligevægt kan lide en forstyrrelse, når:

• Der er en stigning i systemtemperaturen.
• Der er et fald i systemtemperaturen.

Når du tilføjer eller fjerner energi fra et kemisk system, modsætter systemet sig ændringen, absorberer eller frigiver energi, så balancen genoprettes.

Når systemet varierer temperaturen, skifter den kemiske balance som følger:

Ved at øge temperaturen foretrækkes den endotermiske reaktion, og systemet absorberer varme.

På den anden side, når temperaturen sænkes, foretrækkes den eksoterme reaktion, og systemet frigiver varme.

Eksempel:

I kemisk balance:

Når vi placerer reagensglas indeholdende dette system i et bægerglas med varmt vand, stiger systemets temperatur, og ligevægten skifter for at danne flere produkter.

Dette skyldes, at den direkte reaktion er endoterm, og systemet vil blive genoprettet ved at absorbere varme.

Desuden ændrer temperaturvariationer ligevægtskonstanterne også.

Trykeffekt

Systemet i ligevægt kan lide en forstyrrelse, når:

• Der er en stigning i det samlede systemtryk.
• Der er et fald i det samlede systemtryk.

Når vi øger eller formindsker trykket i et kemisk system, modsætter systemet sig ændringen og fortrænger balance i betydningen henholdsvis mindre eller større volumen, men ændrer ikke ligevægtskonstanten.

Når systemet varierer lydstyrken, minimerer det virkningen af ​​det påførte tryk som følger:

Jo større tryk, der påføres systemet, vil der være en sammentrækning af volumenet og ligevægten skifter mod det lavere antal mol.

Men hvis trykket falder, udvides systemet og øger lydstyrken, og reaktionsretningen flyttes til den, der har det højeste antal mol.

Eksempel:

Vores krops celler modtager ilt gennem kemisk balance:

Dette system etableres, når iltet i luften, vi indånder, kommer i kontakt med det hæmoglobin, der er til stede i blodet, hvilket giver anledning til oxy-hæmoglobin, som bærer iltet.

Når en person klatrer et bjerg, jo højere højden nås, jo lavere er mængden og partialtrykket af O₂ op i luften.

Balancen, der transporterer ilt i kroppen, skifter til venstre og reducerer mængden af ​​oxy-hæmoglobin, hvilket kompromitterer den mængde ilt, som cellerne modtager.

Resultatet af dette er udseendet af svimmelhed og træthed, som endda kan føre til døden.

Kroppen forsøger at reagere ved at producere mere hæmoglobin. Dette er dog en langsom proces, der kræver indstilling i højden.

Derfor er de mennesker, der kan bestige Mount Everest dem, der er bedst egnede til ekstrem højde.

Katalysatorer

Anvendelsen af ​​en katalysator forstyrrer reaktionshastigheden, både i den direkte og i den omvendte reaktion.

For at en reaktion skal forekomme, er det nødvendigt at nå et minimum af energi for molekylerne at kollidere og reagere effektivt.

Når katalysatoren indsættes i det kemiske system, virker den ved at formindske denne aktiveringsenergi ved at danne et aktiveret kompleks og skabe en kortere vej for at nå kemisk balance.

Ved at øge reaktionshastighederne ens reducerer det den nødvendige tid til at nå ligevægt, som det kan ses i de følgende grafer:

Imidlertid ændrer anvendelsen af ​​katalysatorer ikke reaktionsudbyttet eller ligevægtskonstanten, fordi det ikke interfererer med blandingens sammensætning.

ammoniak syntese

Kvælstofbaserede forbindelser anvendes i vid udstrækning i landbrugsgødning, sprængstoffer, medicin, blandt andre. På grund af dette faktum produceres millioner af tons nitrogenforbindelser, såsom NH-ammoniak₃NH-ammoniumnitrat₄VED₃ og urinstof H₂NCONH₂.

På grund af den verdensomspændende efterspørgsel efter nitrogenforbindelser, hovedsageligt til landbrugsaktiviteter, Chiles NaNO saltpeter₃, den vigtigste kilde til nitrogenholdige forbindelser, var den mest anvendte indtil begyndelsen af ​​det 20. århundrede, men naturlig saltpeter ville ikke være i stand til at dække den nuværende efterspørgsel.

Det er interessant at bemærke, at atmosfærisk luft er en blanding af gasser, der består af mere end 70% kvælstof N₂. Imidlertid på grund af stabiliteten af ​​den tredobbelte binding det bliver en meget vanskelig proces at bryde denne binding til dannelse af nye forbindelser.

Løsningen på dette problem blev foreslået af den tyske kemiker Fritz Haber. Syntesen af ​​ammoniak foreslået af Haber bringer følgende kemiske balance:

For at blive implementeret industrielt blev denne proces perfektioneret af Carl Bosch og er den hidtil mest anvendte til at fange nitrogen fra luften med fokus på at opnå nitrogenholdige forbindelser.

Ved hjælp af Le Chateliers princip kan kemisk balance øges, når:

Tilføj H₂ og får systemet til at modsætte sig ændringen og reagere for at sænke koncentrationen af ​​den reaktant.

H₂ og nej₂ de forbruges samtidigt for at producere mere produkt og skabe en ny ligevægtstilstand.

Ligeledes, når der tilsættes mere kvælstof, skifter balancen til højre.

Industrielt forskydes balancen ved kontinuerlig fjernelse af NH₃ af systemet gennem selektiv fortætning, hvilket øger reaktionsudbyttet, da balancen, der skal genoprettes, har tendens til at danne mere produkt.

Haber-Bosch syntese er en af ​​de vigtigste anvendelser af kemiske ligevægtsundersøgelser.

På grund af relevansen af ​​denne syntese modtog Haber Nobelprisen i kemi i 1918, og Bosch blev tildelt prisen i 1931.

Balance shift øvelser

Nu hvor du ved, hvordan du fortolker de ændringer, der kan forekomme i kemisk balance, skal du bruge disse vestibulære spørgsmål til at teste din viden.

1. (UFPE) De mest egnede antacida bør være dem, der ikke reducerer surheden i maven for meget. Når reduktionen i surhedsgrad er for stor, udskiller maven overskydende syre. Denne effekt er kendt som "syre-omkampen". Hvilke af nedenstående punkter kan være forbundet med denne effekt?

a) Loven om energibesparelse.
b) Pauli-udelukkelsesprincippet.
c) Princippet om Le Chatelier.
d) Det første princip for termodynamik.
e) Heisenbergs usikkerhedsprincip.

Se svar

Korrekt alternativ: c) Le Chateliers princip.

Antacida er svage baser, der virker ved at øge pH i maven og dermed sænke surheden.

Faldet i surhed opstår ved at neutralisere saltsyren, der er til stede i maven. Men ved at reducere surhedsgraden for meget kan det skabe en ubalance i kroppen, da maven fungerer i et surt miljø.

Som anført af Le Chateliers princip, når et ligevægtssystem udsættes for en forstyrrelse, vil der være modstand mod denne ændring, så ligevægten genoprettes.

På denne måde vil kroppen producere mere saltsyre, der producerer "syre-rematch" -effekten.

De andre principper, der præsenteres i alternativerne, handler om:

a) Loven om energibesparelse: i en række transformationer bevares systemets samlede energi.
b) Pauli-udelukkelsesprincippet: i et atom kan to elektroner ikke have det samme sæt kvantetal.
d) Det første princip for termodynamik: variationen i systemets interne energi er forskellen mellem varmeudveksling og udført arbejde.
e) Heisenberg Usikkerhedsprincippet: det er ikke muligt at bestemme hastigheden og placeringen af ​​et elektron på et givet øjeblik.

2. (UFMG) Molekylært brint kan fremstilles industrielt ved behandling af methan med vanddamp. Processen involverer den følgende endotermiske reaktion

Med hensyn til systemet i ligevægt kan det korrekt anføres, at:

a) tilstedeværelsen af ​​en katalysator påvirker blandingens sammensætning.
b) tilstedeværelsen af ​​en katalysator påvirker ligevægtskonstanten.
c) stigningen i tryk mindsker mængden af ​​CH_4(g).
d) temperaturstigningen påvirker ligevægtskonstanten.
e) temperaturstigningen mindsker mængden af ​​CO_(g) .

Se svar

Korrekt alternativ: d) temperaturstigningen påvirker ligevægtskonstanten.

Når temperaturen hæves, vil den direkte reaktion, som er endoterm, blive påvirket, for at genoprette balancen vil systemet absorbere energi og flytte balancen til højre.

Ved at flytte balancen i den direkte retning øges mængden af ​​dannede produkter.

Ligevægtskonstanten er direkte proportional med koncentrationen af ​​produkter: jo større mængde produkter, jo større er værdien af ​​konstanten.

Vi kan så konstatere, at stigningen i temperatur øger mængden af ​​CO og H₂.

Stigningen i tryk skifter ligevægt til den omvendte reaktion, da ligevægten skifter mod det laveste antal mol. Med det er mængden af ​​CH₄ og H₂Den forstærkes.

Anvendelsen af ​​katalysator forstyrrer ikke ligevægtskonstanten og sammensætningen af ​​blandingen. Det vil kun handle for at gøre balancen hurtigere opnået.

3. (UFC) I undersøgelsen af ​​virkningen af ​​COCl-giftgas₂, anvendt som et kemisk våben, observeres nedbrydningsprocessen i henhold til reaktionen:

Fra en ligevægtssituation blev 0,10 mol CO tilsat, og systemet nåede efter nogen tid en ny ligevægtssituation. Vælg den indstilling, der angiver, hvordan de nye ligevægtskoncentrationer er relateret til de gamle.

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
Det)	nyt> gammelt	nyt> gammelt	ny
B)	nyt> gammelt	nyt> gammelt	nyt> gammelt
ç)	ny	nyt> gammelt	ny
d)	nyt> gammelt	ny	ny
og)	samme	samme	samme

Se svar

Korrekt alternativ:

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
Det)

Når der tilføjes et nyt stof, forbruger systemet stoffet for at genoprette balancen, da dets koncentration er steget.

Dette forbrug opstår ved at få stoffet til at reagere med den anden forbindelse og derved skabe mere produkt.

Derfor, når vi øger koncentrationen af ​​CO, vil der være forbrug, men ikke til det punkt, hvor det bliver lavere end koncentrationen i den oprindelige tilstand, da dens forbrug vil forekomme sammen med en anden komponent.

Allerede koncentrationen af ​​Cl₂ bliver mindre end den oprindelige, da den skulle reagere med mængden af ​​tilsat CO.

Fra forbindelsen mellem de to stoffer blev koncentrationen af ​​COCl øget₂, da det er det dannede produkt.

Disse ændringer i kemisk balance kan ses i nedenstående graf:

4. (UFV) Den eksperimentelle undersøgelse af en kemisk reaktion i ligevægt viste, at stigningen i temperatur favoriserede dannelsen af ​​produkter, mens stigningen i tryk favoriserede dannelsen af reagenser. Baseret på denne information og vel vidende, at A, B, C og D er gasser, skal du markere det alternativ, der repræsenterer den undersøgte ligning:

Det)
B)
ç)
d)
og)

Se svar

Korrekt alternativ:

Det)

Efterhånden som temperaturen stiger, absorberer systemet varme for at genoprette balancen og favoriserer dermed den endotermiske reaktion, hvis ∆H er positiv.

De alternativer, der svarer til at favorisere dannelsen af ​​produkter ved at øge temperaturen, er: a, b og d.

Men når trykket stiger, flytter ligevægten sig mod det mindste volumen, det vil sige den med det mindste antal mol.

For at reaktionen kan bevæges mod reaktanterne, er det nødvendigt, at denne reaktionsretning har et mindre antal mol i forhold til produkterne.

Dette observeres kun i det første alternativ.

5. (UEMG) Følgende ligninger repræsenterer systemer i ligevægt. Hvad er det eneste system, der ikke skifter ved trykændring?

a) OS_{2 (g)} + 1/2 O_{2 (g)} ⇔ SÅ_3(g)
b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)
c) Nej_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} NH 2 NH_3(g)
d) 2 CO_{2 (g)} CO 2 CO_(g) + O_{2 (g)}

Se svar

Korrekt alternativ: b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)

Når et system ændrer det samlede tryk, genoprettes balancen med volumenændringen.

Hvis trykket stiger, falder volumenet og skifter ligevægt til det mindste antal mol.

På den anden side, når trykket falder, øges lydstyrken og skifter balancen mod et større antal mol.

Men når der dannes det samme antal mol reagerende stoffer og produkter, er der ingen måde at flytte ligevægten på, da volumenet ikke ændres.

Vi kender antallet af mol ved de støkiometriske koefficienter ved siden af ​​hvert stof.

Vi kan se dette i den alternative ligning

b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)

hvor 1 mol CO₂ reagerer med 1 mol H₂ til dannelse af 1 mol CO og 1 mol H₂O.

I begge reaktionsretninger er der 2 mol, så ændringer i tryk vil ikke ændre lydstyrken.

Tjek flere spørgsmål om kemisk ligevægtsskift med kommenteret opløsning i denne liste, vi har udarbejdet: kemiske balanceøvelser.

Hvem var Le Chatelier?