Le Chatelieri põhimõte

Prantsuse keemik Henri Louis Le Chatelier lõi ühe tuntumaid keemiaseadusi, mis ennustavad keemilise süsteemi reageeringut tasakaalu, kui see muutustega kokku puutub.

Uuringute tulemustega sõnastas ta keemilise tasakaalu üldistuse, mis ütleb järgmist:

"Kui väline tegur toimib süsteemile tasakaalus, siis see liigub alati rakendatud teguri mõju minimeerimise mõttes."

Kui keemilise süsteemi tasakaal on häiritud, toimib süsteem selle häire minimeerimiseks ja stabiilsuse taastamiseks.

Seetõttu esitab süsteem:

• esialgne tasakaaluolek.
• "tasakaalustamata" olek koos teguri muutumisega.
• uus tasakaaluolek, mis on muutustele vastu.

Keemilist tasakaalu mõjutada võivad välised häired:

Faktor	Häire	See on tehtud
Keskendumine	Suurendama	Tarbi ainet
Vähenda	aine on toodetud
Rõhk	Suurendama	Liigub väikseima helitugevuseni
Vähenda	Liigub suurima helitugevuseni
Temperatuur	Suurendama	Neelab soojust ja muudab tasakaalu konstanti
Vähenda	Vabastab soojust ja muudab tasakaalu konstanti
Katalüsaator	Kohalolek	Reaktsioon kiireneb

See põhimõte on keemiatööstuse jaoks väga oluline, kuna reaktsioonidega saab manipuleerida ning need muudavad protsessid tõhusamaks ja ökonoomsemaks.

Selle näiteks on Fritz Haberi väljatöötatud protsess, mis Le Chatelieri põhimõtet kasutades lõi majanduslikult tee lämmastikust ammoniaagi tootmiseks.

Järgmisena vaatleme keemilist tasakaalu vastavalt Chatelieri seadustele ja seda, kuidas häirimised seda muuta võivad.

rohkem teada:

• Keemiline tasakaal
• Iooniline tasakaal
• Happe-baasi näitajad

Kontsentratsiooniefekt

Keemilise tasakaalu olemasolul on süsteem tasakaalus.

Tasakaalustatud süsteem võib häirida, kui:

• Suurendame reaktsiooni komponendi kontsentratsiooni.
• Alandame reaktsiooni komponendi kontsentratsiooni.

Kui lisame aine keemilisele reaktsioonile või eemaldame selle, on süsteem selle muutmise vastu, selle ühendi tarbimise või tootmise vastu, et tasakaal taastuks.

Reagentide ja saaduste kontsentratsioonid muutuvad uue tasakaaluga kohanemiseks, kuid tasakaalu konstant jääb samaks.

Näide:

Tasakaalus:

Reaktsioonil on suurem toodete kontsentratsioon, kuna lahuse sinise värvi järgi näeme, et [CoCl kompleks₄]^-2 ülekaalus.

Vesi on ka otsese reaktsiooni produkt ja kui suurendame selle kontsentratsiooni lahuses, on süsteem muutusele vastu, põhjustades vee ja kompleksi reageerimise.

Tasakaal nihutatakse vasakule, vastupidine reaktsioonisuund ja see põhjustab reaktiivide kontsentratsiooni suurenemist, muutes lahuse värvi.

Temperatuuri mõju

Tasakaalustatud süsteem võib häirida, kui:

• Seal on süsteemi temperatuuri tõus.
• Seal on süsteemi temperatuuri langus.

Keemilisest süsteemist energia lisamisel või eemaldamisel seisab süsteem vastu energia muutmisele, neelamisele või vabastamisele, et tasakaal taastuks.

Kui süsteem muudab temperatuuri, nihkub keemiline tasakaal järgmiselt:

Temperatuuri tõstmisega eelistatakse endotermilist reaktsiooni ja süsteem neelab soojust.

Teisest küljest on temperatuuri langetamisel soositud eksotermiline reaktsioon ja süsteem eraldab soojust.

Näide:

Keemilises tasakaalus:

Kui asetame seda süsteemi sisaldava katseklaasi kuuma veega keeduklaasi, tõuseb süsteemi temperatuur ja tasakaal nihkub, et moodustada rohkem tooteid.

Seda seetõttu, et otsene reaktsioon on endotermiline ja süsteem taastatakse soojuse neelamise teel.

Lisaks muudavad temperatuuri kõikumised ka tasakaalukonstandi.

Rõhuefekt

Tasakaalustatud süsteem võib häirida, kui:

• Seal on kogu süsteemi rõhk suurenenud.
• On kogu süsteemi rõhu langus.

Kui suurendame või vähendame keemilise süsteemi rõhku, on süsteem muutuse vastu, nihutades selle tasakaal vastavalt väiksema või suurema mahu mõttes, kuid ei muuda tasakaalu konstanti.

Kui süsteem muudab helitugevust, vähendab see rakendatava rõhu toimimist järgmiselt:

Mida suurem on süsteemile rakendatav rõhk, toimub mahu kokkutõmbumine ja tasakaal nihkub väiksema moolide arvu suunas.

Kui rõhk väheneb, siis süsteem laieneb, suurendades mahtu ja reaktsiooni suund nihutatakse sellele, kus on kõige rohkem mooli.

Näide:

Meie keha rakud saavad hapnikku keemilise tasakaalu kaudu:

See süsteem luuakse siis, kui hingatavas õhus olev hapnik puutub kokku veres sisalduva hemoglobiiniga, tekitades hapnikku kandva oksü-hemoglobiini.

Kui inimene ronib mäe otsa, siis mida suurem on kõrgus, seda väiksem on O kogus ja osaline rõhk₂ õhus.

Kehas hapnikku kandev tasakaal nihkub vasakule ja vähendab oksi-hemoglobiini hulka, kahjustades rakkudele vastuvõetud hapniku hulka.

Selle tagajärjeks on pearingluse ja väsimuse ilmnemine, mis võib põhjustada isegi surma.

Keha üritab reageerida, tootes rohkem hemoglobiini. See on aga aeglane protsess, mis nõuab seadistamist kõrgusel.

Seetõttu sobivad inimesed, kes saavad Everesti mäele ronida, kõige paremini äärmuslikule kõrgusele.

Katalüsaatorid

Katalüsaatori kasutamine häirib reaktsiooni kiirust nii otseses kui ka vastupidises reaktsioonis.

Reaktsiooni tekkimiseks on vaja saavutada minimaalne energia molekulide kokkupõrkamiseks ja tõhusaks reageerimiseks.

Keemilisse süsteemi sisestatuna toimib katalüsaator, vähendades seda aktivatsioonienergiat, moodustades aktiveeritud kompleksi ja luues lühema tee keemilise tasakaalu saavutamiseks.

Reaktsioonikiiruste võrdse suurendamise abil vähendab see tasakaalu saavutamiseks vajalikku aega, nagu on näha järgmistest graafikutest:

Katalüsaatorite kasutamine ei muuda aga reaktsiooni saagist ega tasakaalu konstanti, sest see ei häiri segu koostist.

ammoniaagi süntees

Lämmastikupõhiseid ühendeid kasutatakse laialdaselt muu hulgas põllumajanduslikes väetistes, lõhkeainetes, ravimites. Tänu sellele toodetakse miljoneid tonne lämmastikuühendeid, näiteks NH-ammoniaaki₃, NH ammooniumnitraat₄JUURES₃ ja karbamiid H₂NCONH₂.

Tänu ülemaailmsele nõudlusele lämmastikuühendite järele, peamiselt põllumajandustegevuse jaoks, on Tšiili NaNO salpeeter₃, lämmastikuühendite peamine allikas, kasutati 20. sajandi alguseni kõige enam, kuid looduslik soolapeet ei suudaks praegust nõudlust rahuldada.

Huvitav on märkida, et atmosfääriõhk on gaaside segu, mis sisaldab rohkem kui 70% lämmastikku N₂. Kolmekordse sideme stabiilsuse tõttu selle sideme purustamine uute ühendite moodustamiseks muutub väga raskeks protsessiks.

Lahenduse sellele probleemile pakkus välja saksa keemik Fritz Haber. Haberi pakutud ammoniaagi süntees toob kaasa järgmise keemilise tasakaalu:

Tööstuslikult rakendamiseks täiustas seda protsessi Carl Bosch ja seda kasutatakse tänapäeval kõige enam õhust lämmastiku püüdmiseks, keskendudes lämmastikühendite saamisele.

Le Chatelieri põhimõtet kasutades saab keemilist tasakaalu suurendada, kui:

Lisage H₂ ja paneb süsteemi muutuse vastu seisma ning reageerib selle reaktiivi kontsentratsiooni langetamisele.

Seega H₂ ja ei₂ neid tarbitakse samaaegselt, et toota rohkem tooteid ja luua uus tasakaaleseisund.

Samamoodi nihkub rohkem lämmastikku lisades tasakaal paremale.

Tööstuslikult nihutab tasakaalu NH pidev eemaldamine₃ süsteemi valikulise vedeldamise teel, suurendades reaktsiooni saagist, kuna taastatav tasakaal kipub moodustama rohkem produkti.

Haber-Boschi süntees on keemilise tasakaalu uuringute üks olulisemaid rakendusi.

Selle sünteesi asjakohasuse tõttu sai Haber 1918. aastal Nobeli keemiaauhinna ja Bosch pälvis preemia 1931. aastal.

Tasakaalu nihutamise harjutused

Nüüd, kui teate, kuidas tõlgendada muutusi, mis võivad tekkida keemilises tasakaalus, kasutage oma vestibulaarsete küsimuste abil oma teadmisi.

1. (UFPE) Kõige sobivamad antatsiidid peaksid olema need, mis ei vähenda mao happesust liiga palju. Kui happesuse vähenemine on liiga suur, eritab magu liigset hapet. Seda efekti tuntakse kui “happe kordusmatši”. Milliseid allolevatest üksustest võiks selle efektiga seostada?

a) Energiasäästu seadus.
b) Pauli väljajätmise põhimõte.
c) Le Chatelieri põhimõte.
d) Termodünaamika esimene põhimõte.
e) Heisenbergi määramatuse põhimõte.

Vt vastus

Õige alternatiiv: c) Le Chatelieri põhimõte.

Antatsiidid on nõrgad alused, mis toimivad mao pH tõstmisega ja sellest tulenevalt happesuse vähenemisega.

Happesuse vähenemine toimub maos sisalduva soolhappe neutraliseerimise teel. Happesust liiga palju vähendades võib see tekitada kehas tasakaaluhäire, kuna magu töötab happelises keskkonnas.

Nagu Le Chatelieri põhimõte on öelnud, siis kui tasakaalusüsteem puutub kokku häirega, siis ollakse selle muutuse vastu, nii et tasakaal taastatakse.

Sel viisil toodab keha rohkem soolhapet, tekitades happe kordusmõju.

Muud alternatiivides esitatud põhimõtted käsitlevad järgmist:

a) Energiasäästu seadus: teisenduste jadas on süsteemi koguenergia konserveeritud.
b) Pauli välistamise põhimõte: aatomis ei saa kahel elektronil olla sama kvantarvude kogum.
d) Termodünaamika esimene põhimõte: süsteemi siseenergia variatsiooniks on vahetatava soojuse ja tehtud töö vahe.
e) Heisenbergi ebakindluse põhimõte: elektroni kiirust ja asukohta pole võimalik ühelgi hetkel kindlaks määrata.

2. (UFMG) Molekulaarset vesinikku saab tööstuslikult metaani töötlemisel veeauruga. Protsess hõlmab järgmist endotermilist reaktsiooni

Tasakaalustatud süsteemi kohta võib õigesti öelda, et:

a) katalüsaatori olemasolu mõjutab segu koostist.
b) katalüsaatori olemasolu mõjutab tasakaalu konstanti.
c) rõhu tõus vähendab CH kogust_4g).
d) temperatuuri tõus mõjutab tasakaalu konstanti.
e) temperatuuri tõus vähendab CO kogust_g) .

Vt vastus

Õige alternatiiv: d) temperatuuri tõus mõjutab tasakaalu konstanti.

Temperatuuri tõstmisel mõjutab see otsest reaktsiooni, mis on endotermiline, sest tasakaalu taastamiseks neelab süsteem energiat ja nihutab tasakaalu paremale.

Tasakaalu nihutamisel otseses suunas suureneb moodustunud toodete kogus.

Tasakaalukonstant on otseselt proportsionaalne toodete kontsentratsiooniga: mida suurem on toodete kogus, seda suurem on konstandi väärtus.

Seejärel võime täheldada, et temperatuuri tõus suurendab CO ja H hulka₂.

Rõhu tõus nihutab tasakaalu vastupidisele reaktsioonile, kuna tasakaal nihkub väikseima moolide arvu poole. Sellega on CH kogus₄ ja H₂See on täiendatud.

Katalüsaatori kasutamine ei häiri segu tasakaalukonstantit ja koostist. See toimib ainult tasakaalu kiiremini saavutamiseks.

3. (UFC) COCl-mürgigaasi toime uurimisel₂, mida kasutatakse keemiarelvana, täheldatakse lagunemisprotsessi vastavalt reaktsioonile:

Alustades tasakaaluolukorrast, lisati 0,10 mol CO ja süsteem jõudis mõne aja pärast uue tasakaalu olukorrani. Valige suvand, mis näitab, kuidas uued tasakaalukontsentratsioonid on vanadega seotud.

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
)	uus> vana	uus> vana	uus
B)	uus> vana	uus> vana	uus> vana
ç)	uus	uus> vana	uus
d)	uus> vana	uus	uus
ja)	sama	sama	sama

Vt vastus

Õige alternatiiv:

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
)

Uue aine lisamisel tarbib süsteem seda ainet tasakaalu taastamiseks, kuna selle kontsentratsioon on suurenenud.

See tarbimine toimub aine reageerimisel teise ühendiga, luues seeläbi rohkem toodet.

Seega, kui suurendame CO kontsentratsiooni, toimub tarbimine, kuid mitte kuni muutumiseni madalam kui kontsentratsioon algseisundis, kuna selle tarbimine toimub koos teisega komponent.

Juba Cl kontsentratsioon₂ muutub väiksemaks kui esialgne, kuna see pidi reageerima lisatud CO kogusega.

Alates kahe aine ristmikust suurenes COCl kontsentratsioon₂, kuna see on moodustunud toode.

Neid muutusi keemilises tasakaalus on näha alloleval graafikul:

4. (UFV) Tasakaalulise keemilise reaktsiooni eksperimentaalne uuring näitas, et temperatuur soodustas toodete moodustumist, samas kui rõhu tõus soodustas reaktiivid. Selle teabe põhjal ja teades, et A, B, C ja D on gaasid, märkige alternatiiv, mis esindab uuritud võrrandit:

)
B)
ç)
d)
ja)

Vt vastus

Õige alternatiiv:

)

Temperatuuri tõustes neelab süsteem tasakaalu taastamiseks soojust ja soosib sellega endotermilist reaktsiooni, mille ∆H on positiivne.

Alternatiivid, mis vastavad toodete moodustumise eelistamisele temperatuuri tõstmise kaudu, on: a, b ja d.

Kui rõhk suureneb, nihkub tasakaal aga kõige väiksema, st kõige väiksema moolide arvuga.

Reaktsiooni liikumiseks reaktantide suunas on vajalik, et reaktsiooni selles suunas oleks produktide suhtes väiksem moolide arv.

Seda täheldatakse ainult esimese alternatiivina.

5. Järgmised võrrandid tähistavad süsteeme tasakaalus. Mis on ainus süsteem, mis ei muutu rõhumuutusega?

a) OS_{2 g)} + 1/2 O_{2 g)} ⇔ NII_3g)
b) CO_{2 g)} + H_{2 g)} ⇔ CO_g) + H₂O_g)
c) Ei_{2 g)} + 3 H_{2 g)} ⇔ 2 NH_3g)
d) 2 CO_{2 g)} ⇔ 2 CO_g) + O_{2 g)}

Vt vastus

Õige alternatiiv: b) CO_{2 g)} + H_{2 g)} ⇔ CO_g) + H₂O_g)

Kui süsteem muudab üldrõhku, taastatakse tasakaal mahu muutumisega.

Kui rõhk suureneb, maht väheneb, nihutades tasakaalu väikseima moolide arvuni.

Teisest küljest, kui rõhk väheneb, maht suureneb, nihutades tasakaalu suurema arvu moolide suunas.

Kuid kui reageerivate ainete ja moodustunud toodete mooli on sama palju, ei saa kuidagi tasakaalu nihutada, kuna maht ei muutu.

Moolide arvu teame stöhhiomeetriliste koefitsientide järgi iga aine juures.

Seda näeme alternatiivvõrrandist

b) CO_{2 g)} + H_{2 g)} ⇔ CO_g) + H₂O_g)

kus 1 mool CO₂ reageerib 1 mooli H-ga₂ moodustamaks 1 mol CO ja 1 mol H₂O.

Reaktsiooni mõlemas suunas on 2 mooli, nii et rõhu muutused ei muudaks mahtu.

Selles nimekirjas oleme koostanud veel kommenteeritud lahutusega küsimusi keemilise tasakaalu nihutamise kohta: keemilise tasakaalu harjutused.

Kes oli Le Chatelier?