Načelo Le Chateliera

Francuski kemičar Henri Louis Le Chatelier stvorio je jedan od najpoznatijih zakona kemije koji predviđa odgovor kemijskog sustava u ravnoteži kada je izložen promjenama.

Rezultatima svojih studija formulirao je generalizaciju za kemijsku ravnotežu koja navodi sljedeće:

"Kada vanjski faktor djeluje na sustav u ravnoteži, on se kreće, uvijek u smislu minimiziranja djelovanja primijenjenog faktora."

Kada se naruši ravnoteža kemijskog sustava, sustav djeluje tako da minimalizira te poremećaje i vrati stabilnost.

Stoga sustav predstavlja:

• početno stanje ravnoteže.
• "neuravnoteženo" stanje s promjenom faktora.
• novo stanje ravnoteže koje se suprotstavlja promjenama.

Primjeri vanjskih poremećaja koji mogu utjecati na kemijsku ravnotežu su:

Faktor	Uznemirenost	Napravljeno je
Koncentracija	Povećati	Konzumirajte supstancu
Smanjenje	tvar se proizvodi
Pritisak	Povećati	Pomakne se na najmanji volumen
Smanjenje	Pomiče se na najveću glasnoću
Temperatura	Povećati	Apsorbira toplinu i mijenja konstantu ravnoteže
Smanjenje	Otpušta toplinu i mijenja konstantu ravnoteže
Katalizator	Prisutnost	Reakcija se ubrzava

Ovo je načelo od velike važnosti za kemijsku industriju, jer se reakcijama može manipulirati i učiniti procese učinkovitijim i ekonomičnijim.

Primjer za to je postupak koji je razvio Fritz Haber, koji je, koristeći Le Chatelierov princip, ekonomski stvorio put za proizvodnju amonijaka iz atmosferskog dušika.

Zatim ćemo pogledati kemijsku ravnotežu prema Chatelierovom zakonu i kako je perturbacije mogu promijeniti.

znati više o:

• Kemijska ravnoteža
• Jonska ravnoteža
• Kiselinsko-bazni pokazatelji

Učinak koncentracije

Kada postoji kemijska ravnoteža, sustav je uravnotežen.

Sustav u ravnoteži može pretrpjeti poremećaj kada:

• Povećavamo koncentraciju komponente reakcije.
• Smanjujemo koncentraciju komponente reakcije.

Kad dodamo ili uklonimo tvar iz kemijske reakcije, sustav se suprotstavlja promjeni, trošeći ili proizvodeći više tog spoja kako bi se ravnoteža ponovno uspostavila.

Koncentracije reaktanata i proizvoda mijenjaju se kako bi se prilagodile novoj ravnoteži, ali konstanta ravnoteže ostaje ista.

Primjer:

Na stanju:

Reakcija ima veću koncentraciju proizvoda, jer po plavoj boji otopine vidimo da je kompleks [CoCl₄]^-2 prevladava.

Voda je također proizvod izravne reakcije i kada povećavamo njezinu koncentraciju u otopini, sustav se suprotstavlja promjeni, uzrokujući reakciju vode i kompleksa.

Ravnoteža je pomaknuta ulijevo, obrnuti smjer reakcije, i dovodi do povećanja koncentracije reaktanata, mijenjajući boju otopine.

Učinak temperature

Sustav u ravnoteži može pretrpjeti poremećaj kada:

• Dolazi do povećanja temperature sustava.
• Dolazi do smanjenja temperature sustava.

Kada dodaje ili uklanja energiju iz kemijskog sustava, sustav se suprotstavlja promjeni, apsorbira ili oslobađa energiju tako da se ta ravnoteža ponovno uspostavlja.

Kada sustav mijenja temperaturu, kemijska se ravnoteža mijenja na sljedeći način:

Povećavanjem temperature favorizira se endotermna reakcija i sustav apsorbira toplinu.

S druge strane, kada se temperatura spusti, favorizira se egzotermna reakcija i sustav oslobađa toplinu.

Primjer:

U kemijskoj ravnoteži:

Kada epruvetu koja sadrži ovaj sustav stavimo u čašu s vrućom vodom, temperatura sustava se povećava, a ravnoteža se pomiče, stvarajući više proizvoda.

To je zato što je izravna reakcija endotermna i sustav će se uspostaviti apsorpcijom topline.

Nadalje, temperaturne varijacije također mijenjaju konstante ravnoteže.

učinak pritiska

Sustav u ravnoteži može pretrpjeti poremećaj kada:

• Dolazi do povećanja ukupnog tlaka u sustavu.
• Dolazi do smanjenja ukupnog tlaka u sustavu.

Kad povećamo ili smanjimo tlak kemijskog sustava, sustav se suprotstavlja promjeni, istiskujući ravnoteža u smislu manjeg ili većeg volumena, ali ne mijenja konstantu ravnoteže.

Kada sustav mijenja glasnoću, on smanjuje djelovanje primijenjenog tlaka, kako slijedi:

Što je veći pritisak koji se primjenjuje na sustav, doći će do kontrakcije volumena i ravnoteža će se pomaknuti prema manjem broju madeža.

Međutim, ako se tlak smanji, sustav se širi, povećavajući volumen i smjer reakcije prebacuje se na onaj s najvećim brojem molova.

Primjer:

Stanice našeg tijela primaju kisik kroz kemijsku ravnotežu:

Ovaj se sustav uspostavlja kada kisik u zraku koji udišemo dođe u kontakt s hemoglobinom koji je prisutan u krvi, što dovodi do stvaranja oksi-hemoglobina koji nosi kisik.

Kada se osoba popne na planinu, što je veća dosegnuta nadmorska visina, to je niža količina i parcijalni pritisak O₂ gore u zraku.

Ravnoteža koja prenosi kisik u tijelu pomiče se ulijevo i smanjuje količinu oksi-hemoglobina, ugrožavajući količinu kisika koju stanice primaju.

Rezultat toga je pojava vrtoglavice i umora, što čak može dovesti do smrti.

Tijelo pokušava reagirati stvaranjem više hemoglobina. Međutim, ovo je spor proces, koji zahtijeva postavljanje na nadmorskoj visini.

Stoga su ljudi koji se mogu popeti na Mount Everest oni koji su najprikladniji za ekstremne nadmorske visine.

Katalizatori

Upotreba katalizatora ometa brzinu reakcije, kako u izravnoj tako i u obrnutoj reakciji.

Da bi se reakcija dogodila, potrebno je postići minimalnu energiju da se molekule sudare i učinkovito reagiraju.

Kada se katalizator ubaci u kemijski sustav, djeluje tako što smanjuje tu energiju aktivacije formirajući aktivirani kompleks i stvarajući kraći put za postizanje kemijske ravnoteže.

Povećavanjem brzina reakcije podjednako smanjuje vrijeme potrebno za postizanje ravnoteže, kao što se može vidjeti na sljedećim grafikonima:

Međutim, upotreba katalizatora ne mijenja prinos reakcije ili konstantu ravnoteže jer ne ometa sastav smjese.

sinteza amonijaka

Spojevi na bazi dušika, između ostalog, široko se koriste u poljoprivrednim gnojivima, eksplozivima, lijekovima. Zbog te činjenice proizvode se milijuni tona dušikovih spojeva, poput NH amonijaka₃, NH amonijev nitrat₄NA₃ i urea H₂NCONH₂.

Zbog svjetske potražnje za spojevima dušika, uglavnom za poljoprivredne djelatnosti, čileanska NaNO salitra₃, glavni izvor dušičnih spojeva, bio je najviše korišten do početka 20. stoljeća, ali prirodna šalitra ne bi mogla zadovoljiti trenutnu potražnju.

Zanimljivo je da je atmosferski zrak smjesa plinova, sastavljena od više od 70% dušika₂. Međutim, zbog stabilnosti trostruke veze postaje vrlo težak proces prekida ove veze i stvaranja novih spojeva.

Rješenje ovog problema predložio je njemački kemičar Fritz Haber. Sinteza amonijaka koju je predložio Haber donosi sljedeću kemijsku ravnotežu:

Carl Bosch je ovaj postupak usavršio za industrijsku primjenu i do danas je najčešće korišten za hvatanje dušika iz zraka s naglaskom na dobivanje dušičnih spojeva.

Koristeći Le Chatelierov princip, kemijska ravnoteža može se povećati kada:

Dodajte H₂ i uzrokuje da se sustav suprotstavi promjeni i reagira na smanjenje koncentracije tog reaktanta.

Dakle, H₂ i ne₂ istodobno se troše kako bi se proizvelo više proizvoda i stvorilo novo stanje ravnoteže.

Isto tako, kada se dodaje više dušika, ravnoteža se pomiče udesno.

Industrijski, ravnoteža se pomiče kontinuiranim uklanjanjem NH₃ sustava kroz selektivno ukapljivanje, povećavajući prinos reakcije, jer ravnoteža koja se treba uspostaviti teži stvaranju više proizvoda.

Haber-Boschova sinteza jedna je od najvažnijih primjena studija kemijske ravnoteže.

Zbog važnosti ove sinteze, Haber je dobio Nobelovu nagradu za kemiju 1918. godine, a Bosch je nagradu dobio 1931. godine.

Vježbe za pomicanje ravnoteže

Sad kad znate kako protumačiti promjene koje se mogu dogoditi u kemijskoj ravnoteži, upotrijebite ova vestibularna pitanja kako biste provjerili svoje znanje.

1. (UFPE) Najprikladniji antacidi trebali bi biti oni koji ne smanjuju previše kiselost u želucu. Kad je smanjenje kiselosti preveliko, želudac izlučuje višak kiseline. Taj je učinak poznat pod nazivom "revanš kiseline". Koja bi od stavki u nastavku mogla biti povezana s ovim učinkom?

a) Zakon o očuvanju energije.
b) Paulijev princip isključenja.
c) Načelo Le Chateliera.
d) Prvo načelo termodinamike.
e) Heisenbergov princip nesigurnosti.

Pogledajte Odgovor

Ispravna alternativa: c) Le Chatelierov princip.

Antacidi su slabe baze koje djeluju povećavanjem pH želuca i posljedično smanjenju kiselosti.

Do smanjenja kiselosti dolazi neutraliziranjem solne kiseline prisutne u želucu. Međutim, previše smanjujući kiselost, to može stvoriti neravnotežu u tijelu, jer želudac djeluje u kiselom okruženju.

Kao što navodi Le Chatelierovo načelo, kada je sustav u ravnoteži izložen poremećaju, postojat će protivljenje toj promjeni tako da se ravnoteža ponovno uspostavi.

Na taj će način tijelo proizvesti više klorovodične kiseline proizvodeći učinak „revanša kiseline“.

Ostala načela predstavljena u alternativama bave se:

a) Zakon o očuvanju energije: u nizu transformacija čuva se ukupna energija sustava.
b) Paulijev princip isključenja: u atomu dva elektrona ne mogu imati isti skup kvantnih brojeva.
d) Prvo načelo termodinamike: varijacija unutarnje energije sustava razlika je između izmjenjene topline i obavljenog posla.
e) Heisenbergov princip nesigurnosti: u bilo kojem trenutku nije moguće odrediti brzinu i položaj elektrona.

2. (UFMG) Molekularni vodik može se industrijski dobiti obrađivanjem metana vodenom parom. Proces uključuje slijedeću endotermnu reakciju

Što se tiče sustava u ravnoteži, može se točno reći da:

a) prisutnost katalizatora utječe na sastav smjese.
b) prisutnost katalizatora utječe na konstantu ravnoteže.
c) porast tlaka smanjuje količinu CH_4(g).
d) porast temperature utječe na konstantu ravnoteže.
e) porast temperature smanjuje količinu CO_(g) .

Pogledajte Odgovor

Točna alternativa: d) porast temperature utječe na konstantu ravnoteže.

Povišenjem temperature utjecat će se na izravnu reakciju, koja je endotermna, jer će za ponovno uspostavljanje ravnoteže sustav apsorbirati energiju i pomaknuti ravnotežu udesno.

Pomičući ravnotežu u izravnom smjeru, povećava se količina nastalih proizvoda.

Konstanta ravnoteže izravno je proporcionalna koncentraciji proizvoda: što je veća količina proizvoda, to je veća vrijednost konstante.

Tada možemo primijetiti da porast temperature povećava količinu CO i H₂.

Porast tlaka pomiče ravnotežu u obrnutu reakciju, jer se ravnoteža pomiče prema najmanjem broju molova. Uz to, količina CH₄ i H₂Povećana je.

Upotreba katalizatora ne ometa konstantu ravnoteže i sastav smjese. Djelovat će samo kako bi se brže postigla ravnoteža.

3. (UFC) U proučavanju djelovanja otrovnog plina COCl₂, koji se koristi kao kemijsko oružje, proces razgradnje promatra se prema reakciji:

Polazeći od ravnotežne situacije, dodano je 0,10 mol CO i sustav je nakon nekog vremena dostigao novu ravnotežnu situaciju. Odaberite opciju koja ukazuje na to kako su nove ravnotežne koncentracije povezane sa starim.

[COCl2]	[CO]	[Kl2]
The)	novo> staro	novo> staro	novi
B)	novo> staro	novo> staro	novo> staro
ç)	novi	novo> staro	novi
d)	novo> staro	novi	novi
i)	isti	isti	isti

Pogledajte Odgovor

Ispravna alternativa:

[COCl2]	[CO]	[Kl2]
The)

Kad se doda nova tvar, sustav troši tu tvar da bi uspostavio ravnotežu, jer se njegova koncentracija povećala.

Do ove potrošnje dolazi tako što tvar reagira s drugim spojem, stvarajući tako više proizvoda.

Stoga, kada povećamo koncentraciju CO, bit će potrošnje, ali ne do te mjere da postanemo niža od koncentracije u početnom stanju, jer će se njezina potrošnja dogoditi zajedno s drugom komponenta.

Već koncentracija Cl₂ postaje manji od početnog, jer je morao reagirati s dodanom količinom CO.

Iz spoja dviju supstanci povećana je koncentracija COCl₂, jer je to nastali proizvod.

Ove promjene u kemijskoj ravnoteži mogu se vidjeti na donjem grafikonu:

4. (UFV) Eksperimentalno istraživanje kemijske reakcije u ravnoteži pokazalo je da je porast u temperatura je pogodovala stvaranju proizvoda, dok je porast tlaka pogodovao nastanku proizvoda reagensi. Na temelju ovih podataka i znajući da su A, B, C i D plinovi, označite alternativu koja predstavlja proučavanu jednadžbu:

The)
B)
ç)
d)
i)

Pogledajte Odgovor

Ispravna alternativa:

The)

Kako se temperatura povećava, sustav upija toplinu da bi uspostavio ravnotežu i time pogoduje endotermnoj reakciji, čiji je ∆H pozitivan.

Alternative koje odgovaraju pogodovanju stvaranju proizvoda povećanjem temperature su: a, b i d.

Međutim, kad se tlak poveća, ravnoteža se pomiče prema najmanjem volumenu, odnosno onom s najmanjim brojem molova.

Da bi se reakcija pomaknula prema reaktantima, potrebno je da ovaj smjer reakcije ima manji broj molova u odnosu na produkte.

To se uočava samo u prvoj alternativi.

5. (UEMG) Sljedeće jednadžbe predstavljaju sustave u ravnoteži. Koji je jedini sustav koji se ne pomiče promjenom tlaka?

a) OS_{2 (g)} + 1/2 O_{2 (g)} ⇔ TAKO_3(g)
b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)
c) Ne_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} ⇔ 2 NH_3(g)
d) 2 CO_{2 (g)} CO 2 CO_(g) + O_{2 (g)}

Pogledajte Odgovor

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

Kad sustav promijeni ukupni tlak, ravnoteža se uspostavlja s promjenom volumena.

Ako se tlak povećava, volumen se smanjuje, pomičući ravnotežu na najmanji broj madeža.

S druge strane, kad se tlak smanji, volumen se povećava, pomičući ravnotežu prema većem broju madeža.

Ali kada postoji jednak broj molova reakcijskih tvari i nastalih proizvoda, nema načina za pomicanje ravnoteže, jer se volumen ne mijenja.

Broj molova znamo po stehiometrijskim koeficijentima pored svake tvari.

To možemo vidjeti u alternativnoj jednadžbi

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

gdje je 1 mol CO₂ reagira s 1 molom H₂ da nastane 1 mol CO i 1 mol H₂O.

U oba smjera reakcije nalaze se 2 mola, pa promjene tlaka ne bi promijenile volumen.

Pogledajte još pitanja o pomaku kemijske ravnoteže, s komentariranom rezolucijom, na ovom popisu koji smo pripremili: vježbe kemijske ravnoteže.

Tko je bio Le Chatelier?