Le Chatelierin periaate

Ranskalainen kemisti Henri Louis Le Chatelier loi yhden tunnetuimmista kemian laeista, joka ennustaa kemiallisen järjestelmän reaktion tasapainossa altistettaessa muutokselle.

Tutkimustensa tuloksilla hän muotoili kemiallisen tasapainon yleistämisen, jossa todetaan seuraava:

"Kun ulkoinen tekijä vaikuttaa järjestelmään tasapainossa, se liikkuu aina sovellettavan tekijän toiminnan minimoimisessa."

Kun kemiallisen järjestelmän tasapaino häiriintyy, järjestelmä toimii minimoidakseen tämän häiriön ja palauttaakseen vakauden.

Siksi järjestelmä esittää:

• alkutason tasapainotila.
• "epätasapainoinen" tila tekijän muuttuessa.
• uusi tasapainotila, joka vastustaa muutosta.

Esimerkkejä ulkoisista häiriöistä, jotka voivat vaikuttaa kemialliseen tasapainoon, ovat:

Tekijä	Häiriö	Se on tehty
Keskittyminen	Lisääntyä	Kuluta ainetta
Vähennä	aine tuotetaan
Paine	Lisääntyä	Siirtyy pienimpään äänenvoimakkuuteen
Vähennä	Siirtyy suurimmalle äänenvoimakkuudelle
Lämpötila	Lisääntyä	Imee lämpöä ja muuttaa tasapainovakioa
Vähennä	Vapauttaa lämpöä ja muuttaa tasapainovakioa
Katalysaattori	Läsnäolo	Reaktio nopeutuu

Tällä periaatteella on suuri merkitys kemianteollisuudelle, koska reaktioita voidaan manipuloida ja tehdä prosesseista tehokkaampia ja taloudellisempia.

Esimerkki tästä on Fritz Haberin kehittämä prosessi, joka Le Chatelierin periaatetta käyttäen loi taloudellisesti reitin ammoniakin tuotantoon ilmakehän typestä.

Seuraavaksi tarkastelemme kemiallista tasapainoa Chatelierin lain mukaan ja kuinka häiriöt voivat muuttaa sitä.

tietää enemmän:

• Kemiallinen tasapaino
• Ioninen tasapaino
• Happopohjaiset indikaattorit

Pitoisuusvaikutus

Kun kemiallinen tasapaino on olemassa, järjestelmä on tasapainossa.

Tasapainossa oleva järjestelmä voi kärsiä häiriöstä, kun:

• Lisäämme reaktion komponentin pitoisuutta.
• Pienennämme reaktion komponentin pitoisuutta.

Kun lisätään tai poistetaan aine kemiallisesta reaktiosta, järjestelmä vastustaa muutosta, kuluttaa tai tuottaa enemmän yhdistettä niin, että tasapaino palautuu.

Reagenssien ja tuotteiden pitoisuudet muuttuvat sopeutuakseen uuteen tasapainoon, mutta tasapainovakio pysyy samana.

Esimerkki:

Tasapainossa:

Reaktiossa on korkeampi tuotteiden pitoisuus, koska liuoksen sinisen värin perusteella näemme, että [CoCl-kompleksi₄]^-2 hallitseva.

Vesi on myös suoran reaktion tuote, ja kun nostamme sen pitoisuutta liuoksessa, järjestelmä vastustaa muutosta, jolloin vesi ja kompleksi reagoivat.

Tasapaino siirtyy vasemmalle, päinvastainen reaktion suunta, ja aiheuttaa reagoivien aineiden pitoisuuden kasvavan muuttamalla liuoksen väriä.

Lämpötilan vaikutus

Tasapainossa oleva järjestelmä voi kärsiä häiriöstä, kun:

• Järjestelmän lämpötila nousee.
• Järjestelmän lämpötila laskee.

Kun lisätään tai poistetaan energiaa kemiallisesta järjestelmästä, järjestelmä vastustaa muutosta, absorboi tai vapauttaa energiaa niin, että tasapaino palautuu.

Kun järjestelmä muuttaa lämpötilaa, kemiallinen tasapaino muuttuu seuraavasti:

Lämpötilaa nostamalla suositaan endotermistä reaktiota ja järjestelmä absorboi lämpöä.

Toisaalta, kun lämpötila lasketaan, eksotermistä reaktiota suositaan ja järjestelmä vapauttaa lämpöä.

Esimerkki:

Kemiallisessa tasapainossa:

Kun sijoitamme tämän järjestelmän sisältävän koeputken dekantterilasiin kuumaa vettä, järjestelmän lämpötila nousee ja tasapaino muuttuu muodostaen enemmän tuotteita.

Tämä johtuu siitä, että suora reaktio on endoterminen ja järjestelmä palautuu absorboimalla lämpöä.

Lisäksi lämpötilan vaihtelut muuttavat myös tasapainovakioita.

paineen vaikutus

Tasapainossa oleva järjestelmä voi kärsiä häiriöstä, kun:

• Järjestelmän kokonaispaine kasvaa.
• Järjestelmän kokonaispaine laskee.

Kun nostamme tai laskemme kemiallisen järjestelmän painetta, järjestelmä vastustaa muutosta syrjäyttämällä tasapaino pienemmän tai suuremman tilavuuden mielessä, mutta ei muuta tasapainovakioa.

Kun järjestelmä muuttaa tilavuutta, se minimoi kohdistetun paineen vaikutuksen seuraavasti:

Mitä suurempi paine järjestelmään kohdistuu, tilavuus supistuu ja tasapaino siirtyy kohti pienempää moolimäärää.

Kuitenkin, jos paine laskee, järjestelmä laajenee, lisäämällä tilavuutta ja reaktion suunta siirtyy siihen, jolla on eniten mooleja.

Esimerkki:

Kehomme solut saavat happea kemiallisen tasapainon kautta:

Tämä järjestelmä muodostuu, kun hengitettävän ilman happi joutuu kosketuksiin veren läsnä olevan hemoglobiinin kanssa, mikä aiheuttaa happi-hemoglobiinia.

Kun henkilö kiipeää vuorelle, mitä korkeampi saavutettu korkeus, sitä pienempi on O: n määrä ja osapaine₂ ilmassa.

Kehossa happea kuljettava tasapaino siirtyy vasemmalle ja vähentää oksi-hemoglobiinin määrää vaarantamalla solujen vastaanottaman hapen määrän.

Tämän seurauksena on huimausta ja väsymystä, joka voi jopa johtaa kuolemaan.

Keho yrittää reagoida tuottamalla enemmän hemoglobiinia. Tämä on kuitenkin hidas prosessi, joka vaatii asettamista korkeudelle.

Siksi ihmiset, jotka voivat kiivetä Mount Everestille, soveltuvat parhaiten äärimmäiseen korkeuteen.

Katalyytit

Katalyytin käyttö häiritsee reaktionopeutta sekä suorassa että käänteisessä reaktiossa.

Reaktion tapahtumiseksi on välttämätöntä saavuttaa vähimmäisenergia, jotta molekyylit törmäävät ja reagoivat tehokkaasti.

Kemialliseen järjestelmään asetettuna katalyytti toimii vähentämällä tätä aktivointienergiaa muodostamalla aktivoidun kompleksin ja luomalla lyhyemmän polun kemiallisen tasapainon saavuttamiseksi.

Lisäämällä reaktionopeuksia tasaisesti, se vähentää tasapainon saavuttamiseen tarvittavaa aikaa, kuten voidaan nähdä seuraavista kaavioista:

Katalyyttien käyttö ei kuitenkaan muuta reaktion saantoa tai tasapainovakioa, koska se ei häiritse seoksen koostumusta.

ammoniakkisynteesi

Typpipohjaisia ​​yhdisteitä käytetään laajalti muun muassa maatalouslannoitteissa, räjähteissä, lääkkeissä. Tämän vuoksi tuotetaan miljoonia tonnia typpiyhdisteitä, kuten NH-ammoniakkia₃, NH-ammoniumnitraatti₄AT₃ ja urea H₂NCONH₂.

Chilen NaNO-suolapitoisuus johtuu typpiyhdisteiden maailmanlaajuisesta kysynnästä, pääasiassa maataloustoiminnalle₃, pääasiallinen typpipitoisten yhdisteiden lähde, oli eniten käytetty 1900-luvun alkuun saakka, mutta luonnollinen suolapituri ei kyennyt vastaamaan nykyiseen kysyntään.

On mielenkiintoista huomata, että ilmakehän ilma on kaasuseos, joka sisältää yli 70% typpeä₂. Kolmoissidoksen vakauden vuoksi tämän sidoksen rikkominen uusien yhdisteiden muodostamiseksi on erittäin vaikea prosessi.

Ratkaisun tähän ongelmaan ehdotti saksalainen kemisti Fritz Haber. Haberin ehdottama ammoniakin synteesi tuo seuraavan kemiallisen tasapainon:

Teollisesti toteutettavaksi Carl Bosch on täydentänyt prosessia, ja sitä käytetään tähän mennessä eniten typen talteenottamiseksi ilmasta keskittyen typpipitoisten yhdisteiden saamiseen.

Le Chatelierin periaatetta käyttämällä kemiallista tasapainoa voidaan lisätä, kun:

Lisää H₂ ja saa järjestelmän vastustamaan muutosta ja reagoimaan alentamaan kyseisen reagenssin pitoisuutta.

Siten H₂ ja ei₂ ne kulutetaan samanaikaisesti tuottaakseen enemmän tuotetta ja luodakseen uuden tasapainotilan.

Samoin lisäämällä typpeä tasapaino siirtyy oikealle.

Teollisesti tasapainoa siirtyy NH: n jatkuvalla poistolla₃ järjestelmän selektiivisellä nesteyttämisellä lisäämällä reaktion saantoa, kun palautettava tasapaino pyrkii muodostamaan enemmän tuotetta.

Haber-Bosch-synteesi on yksi tärkeimmistä kemiallisen tasapainotutkimuksen sovelluksista.

Tämän synteesin merkityksellisyyden vuoksi Haber sai Nobelin kemian palkinnon vuonna 1918 ja Bosch sai palkinnon vuonna 1931.

Tasapainon muutosharjoitukset

Nyt kun tiedät kuinka tulkita muutoksia, joita kemiallisessa tasapainossa voi tapahtua, testaa tietosi näiden vestibulaaristen kysymysten avulla.

1. (UFPE) Sopivimpien antasidien tulisi olla sellaisia, jotka eivät vähennä mahan happamuutta liikaa. Kun happamuuden lasku on liian suuri, vatsa erittää ylimääräistä happoa. Tämä vaikutus tunnetaan nimellä "happo-uudelleenottelu". Mikä seuraavista kohteista voisi liittyä tähän vaikutukseen?

a) Energiansäästölaki.
b) Paulin poissulkemisperiaate.
c) Le Chatelier -periaate.
d) Termodynamiikan ensimmäinen periaate.
e) Heisenbergin epävarmuusperiaate.

Katso Vastaus

Oikea vaihtoehto: c) Le Chatelierin periaate.

Antasidit ovat heikkoja emäksiä, jotka toimivat lisäämällä mahalaukun pH: ta ja siten vähentämällä happamuutta.

Happamuuden lasku tapahtuu neutraloimalla mahassa oleva suolahappo. Vähentämällä happamuutta liikaa se voi kuitenkin aiheuttaa elimistössä epätasapainoa, koska vatsa toimii happamassa ympäristössä.

Kuten Le Chatelierin periaatteessa todetaan, kun tasapainossa oleva järjestelmä altistuu häiriölle, tätä muutosta vastustetaan niin, että tasapaino palautuu.

Tällä tavoin keho tuottaa enemmän kloorivetyhappoa tuottaen ”happojen uudelleenkäynnistys” -vaikutuksen.

Muut vaihtoehdoissa esitetyt periaatteet koskevat:

a) Energiansäästölaki: muutossarjassa järjestelmän kokonaisenergia säilyy.
b) Paulin poissulkemisperiaate: atomissa kahdella elektronilla ei voi olla sama kvanttilukujoukko.
d) Termodynamiikan ensimmäinen periaate: järjestelmän sisäisen energian vaihtelu on vaihdetun lämmön ja tehdyn työn välinen ero.
e) Heisenbergin epävarmuusperiaate: elektronin nopeutta ja sijaintia ei voida määrittää milloin tahansa.

2. (UFMG) Molekyylivetyä voidaan teollisesti saada käsittelemällä metaania vesihöyryllä. Prosessiin liittyy seuraava endoterminen reaktio

Tasapainossa olevan järjestelmän osalta voidaan todeta oikein, että:

a) katalyytin läsnäolo vaikuttaa seoksen koostumukseen.
b) katalyytin läsnäolo vaikuttaa tasapainovakioon.
c) paineen nousu vähentää CH: n määrää_4(g).
d) lämpötilan nousu vaikuttaa tasapainovakioon.
e) lämpötilan nousu vähentää CO: n määrää_(g) .

Katso Vastaus

Oikea vaihtoehto: d) lämpötilan nousu vaikuttaa tasapainovakioon.

Lämpötilaa nostettaessa vaikuttaa suora reaktio, joka on endoterminen, koska tasapainon palauttamiseksi järjestelmä absorboi energiaa ja siirtää tasapainon oikealle.

Tasapainon siirtäminen suoraan suuntaan muodostuneiden tuotteiden määrää kasvaa.

Tasapainovakio on suoraan verrannollinen tuotteiden konsentraatioon: mitä suurempi tuotteiden määrä, sitä suurempi vakion arvo.

Tällöin voidaan havaita, että lämpötilan nousu lisää CO: n ja H: n määrää₂.

Paineen nousu siirtää tasapainon käänteiseen reaktioon, kun tasapaino siirtyy kohti pienintä moolimäärää. Tämän kanssa CH: n määrä₄ ja H₂Se on lisätty.

Katalyytin käyttö ei häiritse seoksen tasapainovakioa ja koostumusta. Se toimii vain saadakseen tasapainon nopeammin saavutettua.

3. (UFC) COCl-myrkyllisen kaasun toiminnan tutkimuksessa₂, jota käytetään kemiallisena aseena, hajoamisprosessi havaitaan reaktion mukaisesti:

Tasapainotilasta alkaen lisättiin 0,10 mol CO: ta ja järjestelmä saavutti jonkin ajan kuluttua uuden tasapainotilanteen. Valitse vaihtoehto, joka osoittaa, kuinka uudet tasapainopitoisuudet liittyvät vanhoihin.

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
)	uusi> vanha	uusi> vanha	Uusi
B)	uusi> vanha	uusi> vanha	uusi> vanha
ç)	Uusi	uusi> vanha	Uusi
d)	uusi> vanha	Uusi	Uusi
ja)	sama	sama	sama

Katso Vastaus

Oikea vaihtoehto:

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
)

Kun uutta ainetta lisätään, järjestelmä kuluttaa ainetta tasapainon palauttamiseksi, kun sen pitoisuus on kasvanut.

Tämä kulutus tapahtuu saattamalla aine reagoimaan toisen yhdisteen kanssa, mikä luo enemmän tuotetta.

Siksi, kun nostamme CO-konsentraatiota, kulutus tulee olemaan, mutta ei siihen pisteeseen saakka pienempi kuin pitoisuus alkutilassa, koska sen kulutus tapahtuu yhdessä toisen kanssa komponentti.

Jo Cl: n konsentraatio₂ tulee pienempi kuin alkuperäinen, koska sen täytyi reagoida lisätyn CO-määrän kanssa.

Kahden aineen liittymästä lähtien COCl-pitoisuutta nostettiin₂, koska se on muodostunut tuote.

Nämä kemiallisen tasapainon muutokset voidaan nähdä alla olevasta kaaviosta:

4. (UFV) Kemiallisen reaktion kokeellinen tutkimus tasapainossa osoitti, että lämpötila suosi tuotteiden muodostumista, kun taas paineen kasvu suosi reagenssit. Näiden tietojen perusteella ja tietäen, että A, B, C ja D ovat kaasuja, merkitse vaihtoehto, joka edustaa tutkittua yhtälöä:

)
B)
ç)
d)
ja)

Katso Vastaus

Oikea vaihtoehto:

)

Lämpötilan noustessa järjestelmä absorboi lämpöä tasapainon palauttamiseksi ja suosii endotermistä reaktiota, jonka ∆H on positiivinen.

Vaihtoehdot, jotka vastaavat tuotteiden muodostumisen suosimista lämpötilaa nostamalla, ovat: a, b ja d.

Kun paine kasvaa, tasapaino siirtyy kohti pienintä tilavuutta, toisin sanoen sitä, jolla on pienin moolimäärä.

Reaktion siirtämiseksi kohti reaktantteja on välttämätöntä, että tässä reaktion suunnassa on pienempi moolimäärä tuotteisiin nähden.

Tämä havaitaan vain ensimmäisessä vaihtoehdossa.

5. (UEMG) Seuraavat yhtälöt edustavat järjestelmiä tasapainossa. Mikä on ainoa järjestelmä, joka ei muutu paineen muutoksella?

a) käyttöjärjestelmä_{2 g)} + 1/2 O_{2 g)} ⇔ NIIN_3(g)
b) CO_{2 g)} + H_{2 g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)
c) Ei_{2 g)} + 3 H_{2 g)} ⇔ 2 NH_3(g)
d) 2 CO_{2 g)} CO 2 CO_(g) + O_{2 g)}

Katso Vastaus

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

Kun järjestelmä muuttaa kokonaispainetta, tasapaino palautuu tilavuuden muutoksella.

Jos paine kasvaa, tilavuus pienenee, jolloin tasapaino siirtyy pienimpään moolien määrään.

Toisaalta, kun paine laskee, tilavuus kasvaa, siirtäen tasapainon kohti suurempaa määrää mooleja.

Mutta kun muodostuu sama määrä moolia reagoivia aineita ja tuotteita, tasapainoa ei voida siirtää, koska tilavuus ei muutu.

Moolien lukumäärä tunnetaan stoikiometristen kertoimien avulla jokaisen aineen vieressä.

Voimme nähdä tämän vaihtoehtoisessa yhtälössä

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

jossa 1 mooli CO₂ reagoi 1 moolin kanssa H₂ muodostaen 1 mol CO: ta ja 1 mol H: ta₂O.

Reaktion molemmissa suunnissa on 2 moolia, joten paineen muutokset eivät muuttaisi tilavuutta.

Katso lisää kysymyksiä kemiallisen tasapainon siirtymästä kommentoidulla resoluutiolla tässä luettelossa, jonka olemme valmistaneet: kemiallisen tasapainon harjoitukset.

Kuka oli Le Chatelier?