Henri Louis Le Chatelier francia kémikus megalkotta az egyik legismertebb kémiai törvényt, amely megjósolja a kémiai rendszer egyensúlyi reakcióját, ha változásnak van kitéve.
Tanulmányainak eredményeivel megfogalmazta a kémiai egyensúly általánosítását, amely a következőket állítja:
"Amikor egy külső tényező egyensúlyban van egy rendszerrel, akkor az mozog, mindig az alkalmazott tényező működésének minimalizálása céljából."
Ha egy kémiai rendszer egyensúlya megszakad, a rendszer minimalizálja ezt a rendellenességet és helyreállítja a stabilitást.
Ezért a rendszer bemutatja:
- kezdeti egyensúlyi állapot.
- "kiegyensúlyozatlan" állapot egy tényező változásával.
- egy új egyensúlyi állapot, amely szembeszáll a változással.
Példák a kémiai egyensúlyt befolyásoló külső zavarokra:
| Tényező | Zavarás | Készült |
|---|---|---|
| Koncentráció | Növekedés | Fogyassza az anyagot |
| Csökken | az anyag előáll | |
| Nyomás | Növekedés | A legkisebb hangerőre mozog |
| Csökken | Ugrás a legnagyobb hangerőre | |
| Hőfok | Növekedés | Abszorbeálja a hőt és megváltoztatja az egyensúlyi állandót |
| Csökken | Hőt bocsát ki és megváltoztatja az egyensúlyi állandót | |
| Katalizátor | Jelenlét | A reakció felgyorsul |
Ez az elv nagyon fontos a vegyipar számára, mivel a reakciók manipulálhatók, hatékonyabbá és gazdaságosabbá teszik a folyamatokat.
Erre példa a Fritz Haber által kifejlesztett folyamat, amely Le Chatelier elvével élve gazdaságilag megteremtette az ammónia atmoszférikus nitrogénből történő előállításának útját.
Ezután megvizsgáljuk a kémiai egyensúlyt Chatelier törvénye szerint, és azt, hogy a zavarok miként változtathatják meg.
többet tudni:
- Kémiai egyensúly
- Ionic Balance
- Sav-bázis indikátorok
Koncentrációs hatás
Ha kémiai egyensúly van, akkor a rendszer kiegyensúlyozott.
Az egyensúlyi rendszer akkor szenvedhet zavart, ha:
- Növeljük a reakció egyik komponensének koncentrációját.
- Csökkentjük a reakció egyik komponensének koncentrációját.
Amikor hozzáadunk vagy eltávolítunk egy anyagot a kémiai reakcióból, a rendszer ellenzi a vegyület megváltoztatását, elfogyasztja vagy előállítja az adott vegyületet, így helyreáll az egyensúly.
A reaktánsok és a termékek koncentrációi megváltoznak, hogy alkalmazkodjanak egy új egyensúlyhoz, de az egyensúlyi állandó változatlan marad.
Példa:
Összevetve:
A reakciónak nagyobb a termékkoncentrációja, mert az oldat kék színe alapján azt látjuk, hogy a [CoCl komplex4]-2 túlsúlyban van.
A víz a közvetlen reakció terméke is, és amikor növeljük koncentrációját az oldatban, a rendszer ellenzi a változást, ami a víz és a komplex reakcióját eredményezi.
Az egyensúly balra tolódik, a reakció iránya fordított, és ez a reagensek koncentrációjának növekedését okozza, megváltoztatva az oldat színét.
A hőmérséklet hatása
Az egyensúlyi rendszer akkor szenvedhet zavart, ha:
- Növekszik a rendszer hőmérséklete.
- Csökken a rendszer hőmérséklete.
Az energia hozzáadásakor vagy eltávolításakor a kémiai rendszerből a rendszer ellenzi az energiaváltást, az energia felvételét vagy felszabadítását, hogy az egyensúly helyreálljon.
Amikor a rendszer megváltoztatja a hőmérsékletet, a kémiai egyensúly a következőképpen változik:
A hőmérséklet növelésével az endoterm reakció kedvezőbb, és a rendszer elnyeli a hőt.
Másrészt, amikor a hőmérsékletet csökkentik, az exoterm reakció kedvezőbb, és a rendszer hőt bocsát ki.
Példa:
Kémiai egyensúlyban:
Amikor ezt a rendszert tartalmazó kémcsövet egy forró vizes főzőpohárba helyezzük, a rendszer hőmérséklete megnő és az egyensúly eltolódik, és több terméket képez.
Ennek oka, hogy a közvetlen reakció endoterm, és a rendszert a hő elnyelésével állítják helyre.
Ezenkívül a hőmérséklet-változások megváltoztatják az egyensúlyi állandókat is.
nyomáshatás
Az egyensúlyi rendszer akkor szenvedhet zavart, ha:
- Növekszik a rendszer teljes nyomása.
- Csökken a teljes rendszernyomás.
Amikor növeljük vagy csökkentjük egy kémiai rendszer nyomását, a rendszer ellenzi a változást, kiszorítva a egyensúly kisebb vagy nagyobb térfogat értelmében, de nem változtatja meg az egyensúlyi állandót.
Amikor a rendszer változtatja a térfogatot, az alábbiak szerint minimalizálja az alkalmazott nyomás hatását:
Minél nagyobb a rendszerre gyakorolt nyomás, csökken a térfogat és az egyensúly elmozdul az alacsonyabb anyajegyek felé.
Ha azonban a nyomás csökken, a rendszer tágul, növeli a térfogatot, és a reakció iránya a legnagyobb mólszámmal rendelkezőre tolódik.
Példa:
Testünk sejtjei kémiai egyensúly révén kapják az oxigént:
Ez a rendszer akkor jön létre, amikor a belélegzett levegőnk oxigénje érintkezésbe kerül a vérben lévő hemoglobinnal, oxigén-hemoglobint eredményezve, amely az oxigént szállítja.
Amikor egy ember felmászik egy hegyre, annál magasabb a magasság, annál kisebb az O mennyisége és parciális nyomása2 a levegőben.
A testben oxigént szállító egyensúly balra tolódik, és csökkenti az oxi-hemoglobin mennyiségét, veszélyeztetve a sejtek által befogadott oxigén mennyiségét.
Ennek eredményeként szédülés és fáradtság jelentkezik, ami akár halálhoz is vezethet.
A szervezet több hemoglobin termelésével próbál reagálni. Ez azonban lassú folyamat, amelyhez magasságban kell beállítani.
Ezért azok az emberek képesek a legmagasabb magasságra megmászni a Mount Everestet.
Katalizátorok
A katalizátor használata befolyásolja a reakció sebességét mind a közvetlen, mind a fordított reakcióban.
A reakció kialakulásához el kell érni egy minimális energiát ahhoz, hogy a molekulák ütközzenek és hatékonyan reagáljanak.
A katalizátor a kémiai rendszerbe kerülve úgy működik, hogy csökkenti ezt az aktiválási energiát azáltal, hogy egy aktivált komplexet képez, és rövidebb utat hoz létre a kémiai egyensúly eléréséhez.
A reakciósebesség egyforma növelésével csökkenti az egyensúly eléréséhez szükséges időt, amint az a következő grafikonokon látható:
A katalizátorok használata azonban nem változtatja meg a reakció hozamát vagy az egyensúlyi állandót, mert nem zavarja a keverék összetételét.
ammónia szintézise
A nitrogénalapú vegyületeket széles körben használják többek között mezőgazdasági műtrágyákban, robbanóanyagokban, gyógyszerekben. Ennek a ténynek köszönhetően millió tonna nitrogénvegyület keletkezik, például NH ammónia3, NH ammónium-nitrát4A3 és karbamid H2NCONH2.
A nitrogénvegyületek iránti, elsősorban mezőgazdasági tevékenységekre irányuló világméretű kereslet miatt a chilei NaNO-só3, amely a nitrogénvegyületek fő forrása volt, a 20. század elejéig a legjobban használták, de a természetes sóspéter nem lenne képes kielégíteni a jelenlegi igényeket.
Érdekes megjegyezni, hogy a légköri levegő gázok keveréke, több mint 70% nitrogén-nitrogénből áll2. A hármas kötés stabilitása miatt azonban nagyon nehéz folyamattá válik ennek a kötésnek a megszakítása új vegyületek képződésével.
A probléma megoldását Fritz Haber német vegyész javasolta. A Haber által javasolt ammóniaszintézis a következő kémiai egyensúlyt hozza létre:
Az ipari megvalósítás érdekében ezt a folyamatot Carl Bosch tökéletesítette, és a mai napig a legjobban használják a nitrogén leválasztására a levegőből, a nitrogénvegyületek előállítására összpontosítva.
A Le Chatelier-elv alapján a kémiai egyensúly növelhető, ha:
Add hozzá H-t2 és arra készteti a rendszert, hogy ellenezze a változást, és reagáljon a reagens koncentrációjának csökkentésére.
Így H2 és nem2 egyidejűleg fogyasztják, hogy több terméket állítsanak elő és új egyensúlyi állapotot teremtsenek.
Hasonlóképpen, több nitrogén hozzáadásakor az egyensúly jobbra tolódik.
Ipari szempontból az egyensúly az NH folyamatos eltávolításával elmozdul3 a rendszer szelektív cseppfolyósításával, növelve a reakció hozamát, mivel a helyreállítandó egyensúly általában több terméket képez.
A Haber-Bosch szintézis a kémiai egyensúlyi vizsgálatok egyik legfontosabb alkalmazása.
Ennek a szintézisnek a relevanciája miatt Haber 1918-ban kémiai Nobel-díjat kapott, Bosch pedig 1931-ben kapta meg a díjat.
Egyensúlyváltási gyakorlatok
Most, hogy tudja, hogyan kell értelmezni a kémiai egyensúlyban bekövetkező változásokat, használja ezeket a vestibularis kérdéseket, hogy tesztelje tudását.
1. (UFPE) A legmegfelelőbb antacidoknak azoknak kell lenniük, amelyek nem csökkentik túlságosan a gyomor savasságát. Ha a savasság csökkenése túl nagy, a gyomor kiválasztja a felesleges savat. Ezt a hatást „savas visszavágásnak” nevezik. Az alábbi elemek közül melyik társítható ehhez a hatáshoz?
a) Az energiatakarékosság törvénye.
b) A Pauli kizárásának elve.
c) A Le Chatelier elve.
d) A termodinamika első alapelve.
e) Heisenberg bizonytalansági elve.
Helyes alternatíva: c) Le Chatelier elve.
Az antacidok gyenge bázisok, amelyek a gyomor pH-jának emelésével és ennek következtében a savasság csökkentésével működnek.
A savasság csökkenése a gyomorban jelenlévő sósav semlegesítésével történik. A savasság túlzott csökkentésével azonban egyensúlyhiány alakulhat ki a szervezetben, mivel a gyomor savas környezetben működik.
Ahogy Le Chatelier elve is kimondta, ha egy egyensúlyi rendszert zavarnak tesznek ki, akkor ennek a változásnak ellenállása lesz, így az egyensúly helyreáll.
Ily módon a szervezet több sósavat állít elő, előidézve a „savas visszaváltás” hatást.
Az alternatívákban bemutatott többi elv a következőkkel foglalkozik:
a) Az energiatakarékosság törvénye: átalakulások sorozatában a rendszer teljes energiája konzerválódik.
b) A Pauli-kizárás elve: egy atomban két elektronnak nem lehet azonos kvantumszám-halmaza.
d) A termodinamika első elve: a rendszer belső energiájának változása a hőcsere és az elvégzett munka közötti különbség.
e) A Heisenberg-bizonytalansági elv: az elektron sebességét és helyzetét egyetlen pillanatban sem lehet meghatározni.
Az egyensúlyi rendszert illetően helyesen kijelenthető, hogy:
a) a katalizátor jelenléte befolyásolja a keverék összetételét.
b) a katalizátor jelenléte befolyásolja az egyensúlyi állandót.
c) a nyomás növekedése csökkenti a CH mennyiségét4g).
d) a hőmérséklet növekedése befolyásolja az egyensúlyi állandót.
e) a hőmérséklet növekedése csökkenti a CO mennyiségétg) .
Helyes alternatíva: d) a hőmérséklet növekedése befolyásolja az egyensúlyi állandót.
A hőmérséklet emelésekor ez a közvetlen reakciót érinti, amely endoterm, mert az egyensúly helyreállításához a rendszer elnyeli az energiát és jobbra tolja az egyensúlyt.
A mérleg közvetlen irányba történő elmozdítása növeli a képződött termékek mennyiségét.
Az egyensúlyi állandó egyenesen arányos a termékek koncentrációjával: minél nagyobb a termékek mennyisége, annál nagyobb az állandó értéke.
Megfigyelhetjük, hogy a hőmérséklet növekedése növeli a CO és H mennyiségét2.
A nyomás növekedése elmozdítja az egyensúlyt a fordított reakció felé, mivel az egyensúly a legkisebb mólszám felé tolódik el. Ezzel a CH mennyisége4 és H2A kibővített.
A katalizátor használata nem befolyásolja a keverék egyensúlyi állandóját és összetételét. Csak az egyensúly gyorsabb elérése érdekében fog cselekedni.
3. (UFC) A COCl mérgező hatásának vizsgálatában2, amelyet vegyi fegyverként használnak, a bomlási folyamat a reakció szerint figyelhető meg:
Egyensúlyi helyzetből kiindulva 0,10 mol CO-t adtak hozzá, és a rendszer egy idő után új egyensúlyi helyzethez jutott. Válassza azt a lehetőséget, amely jelzi, hogy az új egyensúlyi koncentrációk hogyan viszonyulnak a régiekhez.
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| A) | új> régi | új> régi | új |
| B) | új> régi | új> régi | új> régi |
| ç) | új | új> régi | új |
| d) | új> régi | új | új |
| és) | azonos | azonos | azonos |
Helyes alternatíva:
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| A) |
Új anyag hozzáadásakor a rendszer az egyensúly helyreállításához elfogyasztja az anyagot, mivel koncentrációja nőtt.
Ez a fogyasztás azáltal fordul elő, hogy az anyag reakcióba lép a másik vegyülettel, így több termék keletkezik.
Ezért, ha növeljük a CO koncentrációját, fogyasztás lesz, de nem azzá a pontig, amíg az nem válik alacsonyabb, mint a kiindulási állapotban lévő koncentráció, mivel fogyasztása egy másikkal együtt történik összetevő.
Már a Cl koncentrációja2 kisebb lesz, mint a kezdeti, mivel reagálnia kellett a hozzáadott CO mennyiségével.
A két anyag találkozásakor a COCl koncentrációja megnőtt2, mivel ez a képződött termék.
A kémiai egyensúly ezen változásai az alábbi grafikonon láthatók:
4. (UFV) Az egyensúlyi kémiai reakció kísérleti vizsgálata kimutatta, hogy a hőmérséklet a termékek képződését, míg a nyomás növekedése a reagensek. Ezen információk alapján, és tudva, hogy A, B, C és D gázok, jelölje meg a vizsgált egyenletet képviselő alternatívát:
| A) | ||
| B) | ||
| ç) | ||
| d) | ||
| és) |
Helyes alternatíva:
| A) |
A hőmérséklet növekedésével a rendszer elnyeli a hőt az egyensúly helyreállítása érdekében, és ezzel kedvez az endoterm reakciónak, amelynek ∆H pozitív.
Azok az alternatívák, amelyek megfelelnek a termékek képződésének a hőmérséklet növelésével történő elősegítésének, a következők: a, b és d.
Amikor azonban a nyomás növekszik, az egyensúly a legkisebb térfogat felé mozdul el, vagyis a legkisebb anyajeggyel.
Ahhoz, hogy a reakció a reaktánsok felé haladjon, szükséges, hogy a reakció ezen iránya a termékekhez viszonyítva kisebb mólszámmal rendelkezzen.
Ez csak az első alternatívánál figyelhető meg.
5. (UEMG) A következő egyenletek képviselik az egyensúlyi rendszereket. Mi az egyetlen rendszer, amely nem változik a nyomásváltozás hatására?
a) OS2. g) + 1/2 O2. g) ⇔ SO3g)
b) CO2. g) + H2. g) ⇔ COg) + H2Og)
c) Nem2. g) + 3 H2. g) ⇔ 2 NH3g)
d) 2 CO2. g) CO 2 COg) + O2. g)
Helyes alternatíva: b) CO2. g) + H2. g) ⇔ COg) + H2Og)
Amikor egy rendszer megváltoztatja a teljes nyomást, az egyensúly helyreáll a térfogat változásával.
Ha a nyomás növekszik, a térfogat csökken, és az egyensúly a legkisebb anyajegyre változik.
Másrészt, amikor a nyomás csökken, a térfogat növekszik, és az egyensúly nagyobb számú mol felé tolódik el.
De ha ugyanannyi mól reakcióképes anyag és képződött termék van, akkor nincs mód az egyensúly elmozdítására, mivel a térfogat nem változik.
Az anyajegyek számát az egyes anyagok melletti sztöchiometriai együtthatók alapján ismerjük.
Ezt láthatjuk az alternatív egyenletben
b) CO2. g) + H2. g) ⇔ COg) + H2Og)
ahol 1 mol CO2 1 mol H-val reagál2 1 mol CO és 1 mol H képződik2O.
A reakció mindkét irányában 2 mol van, így a nyomásváltozás nem változtatná a térfogatot.
Nézzen meg további kérdéseket a kémiai egyensúly eltolódásáról, kommentált felbontással, ebben a listában, amelyet készítettünk: kémiai egyensúly gyakorlatok.
Ki volt Le Chatelier?
