הכימאי הצרפתי הנרי לואי לה שאטלייר יצר את אחד מחוקי הכימיה הידועים ביותר שמנבאים את תגובת המערכת הכימית בשיווי משקל כאשר הם נחשפים לשינוי.
עם תוצאות מחקריו, הוא גיבש הכללה לשיווי משקל כימי הקובעת את הדברים הבאים:
"כאשר גורם חיצוני פועל על מערכת בשיווי משקל, הוא נע, תמיד במובן של מזעור הפעולה של הגורם המיושם."
כאשר האיזון של מערכת כימית מופרע, המערכת פועלת למזער הפרעה זו ולהשיב את היציבות.
לכן המערכת מציגה:
- מצב שיווי משקל ראשוני.
- מצב "לא מאוזן" עם שינוי גורם.
- מצב שיווי משקל חדש המתנגד לשינוי.
דוגמאות להפרעות חיצוניות העלולות להשפיע על האיזון הכימי הן:
| גורם | הפרעה | זה נעשה |
|---|---|---|
| ריכוז | להגביר | צרכו את החומר |
| לְהַקְטִין | החומר מיוצר | |
| לַחַץ | להגביר | עובר לנפח הקטן ביותר |
| לְהַקְטִין | עובר לנפח הגבוה ביותר | |
| טֶמפֶּרָטוּרָה | להגביר | סופג חום ומשנה את קבוע שיווי המשקל |
| לְהַקְטִין | משחרר חום ומשנה את קבוע שיווי המשקל | |
| זָרָז | נוכחות | התגובה מואצת |
לעיקרון זה חשיבות רבה לתעשייה הכימית, מכיוון שניתן לתפעל את התגובות ולהפוך תהליכים ליעילים וחסכוניים יותר.
דוגמה לכך היא התהליך שפיתח פריץ הבר, שבאופן עקרוני של לה שאטלייה יצר כלכלית מסלול לייצור אמוניה מחנקן אטמוספרי.
לאחר מכן, נסתכל על שיווי המשקל הכימי על פי חוק שאטליאר וכיצד הפרעות יכולות לשנות אותו.
לדעת יותר על:
- איזון כימי
- איזון יוני
- מדדים על בסיס חומצה
אפקט ריכוז
כשיש איזון כימי, המערכת מאוזנת.
המערכת בשיווי משקל עלולה לסבול מהפרעה כאשר:
- אנו מגדילים את הריכוז של מרכיב התגובה.
- אנו מורידים את הריכוז של מרכיב התגובה.
כאשר אנו מוסיפים או מסירים חומר מהתגובה הכימית, המערכת מתנגדת לשינוי, צורכת או מייצרת יותר מאותה תרכובת כך שהאיזון יתבסס מחדש.
ריכוזי המגיבים והמוצרים משתנים כדי להסתגל לשיווי משקל חדש, אך קבוע שיווי המשקל נותר זהה.
דוגמא:
באיזון:
לתגובה יש ריכוז גבוה יותר של מוצרים, מכיוון שעל ידי הצביעה הכחולה של התמיסה אנו רואים שהמתחם [CoCl]4]-2 שולט.
מים הם גם תוצר של התגובה הישירה וכשאנחנו מגדילים את ריכוזם בתמיסה המערכת מתנגדת לשינוי וגורמת למים ולמתחם להגיב.
שיווי המשקל מועבר לשמאל, כיוון התגובה ההפוך וגורם לריכוז המגיבים לעלות, ומשנה את צבע התמיסה.
השפעת הטמפרטורה
המערכת בשיווי משקל עלולה לסבול מהפרעה כאשר:
- יש עלייה בטמפרטורת המערכת.
- ישנה ירידה בטמפרטורת המערכת.
כאשר מוסיפים או מוציאים אנרגיה ממערכת כימית, המערכת מתנגדת לשינוי, סופגת או משחררת אנרגיה כך שהאיזון יתבסס מחדש.
כאשר המערכת משתנה את הטמפרטורה, האיזון הכימי משתנה באופן הבא:
על ידי העלאת הטמפרטורה, התגובה האנדותרמית מועדפת והמערכת סופגת חום.
מצד שני, כאשר הטמפרטורה יורדת, התגובה האקסותרמית מועדפת והמערכת משחררת חום.
דוגמא:
במאזן כימי:
כאשר אנו מניחים את המבחנה המכילה מערכת זו בכוס מים חמים, הטמפרטורה של המערכת עולה והשיווי המשקל עובר ליצירת מוצרים נוספים.
הסיבה לכך היא שהתגובה הישירה היא אנדותרמית והמערכת תוקם מחדש על ידי ספיגת חום.
יתר על כן, שינויי טמפרטורה גם משנים את קבועי שיווי המשקל.
אפקט לחץ
המערכת בשיווי משקל עלולה לסבול מהפרעה כאשר:
- יש עלייה בלחץ המערכת הכולל.
- יש ירידה בלחץ המערכת הכולל.
כאשר אנו מגבירים או מורידים את הלחץ של מערכת כימית, המערכת מתנגדת לשינוי ומעקירה את איזון במובן של נפח נמוך יותר או גדול יותר בהתאמה, אך אינו משנה את קבוע שיווי המשקל.
כאשר המערכת משתנה את עוצמת הקול, היא ממזערת את פעולת הלחץ המופעל, כדלקמן:
ככל שהלחץ המופעל על המערכת גדול יותר, יהיה כיווץ הנפח ושיווי המשקל עובר לכיוון המספר הנמוך יותר של השומות.
עם זאת, אם הלחץ פוחת, המערכת מתרחבת, מגדילה את עוצמת הקול וכיוון התגובה מועבר לזה שמספר השומות הגבוה ביותר.
דוגמא:
תאי גופנו מקבלים חמצן באמצעות איזון כימי:
מערכת זו נקבעת כאשר החמצן באוויר שאנו נושמים בא במגע עם ההמוגלובין הקיים בדם, מה שמוליד אוקסי-המוגלובין הנושא את החמצן.
כאשר אדם מטפס על הר, ככל שגובהו הגיע גבוה יותר, כך הכמות והלחץ החלקי של O נמוכים יותר2 גבוה באוויר.
האיזון הנושא חמצן בגוף עובר שמאלה ומפחית את כמות oxy- המוגלובין, תוך פגיעה בכמות החמצן שקיבלו התאים.
התוצאה של זה היא הופעת סחרחורת ועייפות, שעלולים אף להוביל למוות.
הגוף מנסה להגיב על ידי ייצור המוגלובין נוסף. עם זאת, זהו תהליך איטי, המחייב הגדרה בגובה.
לכן, האנשים שיכולים לטפס על הר האוורסט הם המתאימים ביותר לגובה קיצוני.
זרזים
השימוש בזרז מפריע למהירות התגובה, הן בתגובה הישירה והן בתגובה ההפוכה.
כדי שתתרחש תגובה, יש צורך להגיע לאנרגיה מינימלית כדי שהמולקולות יתנגשו ויגיבו ביעילות.
הזרז, כאשר הוא מוחדר למערכת הכימית, פועל על ידי הקטנת אנרגיית ההפעלה על ידי יצירת מתחם מופעל ויצירת מסלול קצר יותר להגיע לאיזון כימי.
על ידי הגדלת מהירויות התגובה באופן שווה, זה מקטין את הזמן הדרוש להשגת שיווי משקל, כפי שניתן לראות בגרפים הבאים:
עם זאת, השימוש בזרזים אינו משנה את תשואת התגובה או את קבוע שיווי המשקל מכיוון שהוא אינו מפריע להרכב התערובת.
סינתזת אמוניה
תרכובות מבוססות חנקן נמצאות בשימוש נרחב בין היתר בדשנים חקלאיים, חומרי נפץ, תרופות. בשל עובדה זו, מיוצרים מיליוני טונות של תרכובות חנקן, כגון אמוניה NH3, NH אמוניום חנקתי4ב3 ואוריאה ח2NCONH2.
בשל הביקוש העולמי לתרכובות חנקן, בעיקר לפעילות חקלאית, נפטר ה- NaNO של צ'ילה3, המקור העיקרי לתרכובות חנקניות, היה הנפוץ ביותר עד תחילת המאה ה -20, אך נפט מלח טבעי לא יוכל לספק את הביקוש הנוכחי.
מעניין לציין כי אוויר אטמוספרי הוא תערובת של גזים, המורכבת מיותר מ- 70% חנקן N2. עם זאת, בשל יציבות הקשר המשולש זה הופך לתהליך קשה מאוד לשבור קשר זה ליצירת תרכובות חדשות.
הפיתרון לבעיה זו הוצע על ידי הכימאי הגרמני פריץ הבר. הסינתזה של אמוניה שהציע הבר מביאה את האיזון הכימי הבא:
ליישום תעשייתי, תהליך זה שוכלל על ידי קרל בוש והוא הנפוץ ביותר עד היום לתפיסת חנקן מהאוויר תוך התמקדות בקבלת תרכובות חנקניות.
באמצעות העיקרון של Le Chatelier, ניתן להגביר את האיזון הכימי כאשר:
הוסף את H2 וגורם למערכת להתנגד לשינוי ולהגיב להורדת הריכוז של אותו מגיב.
לפיכך, ח2 ולא2 הם נצרכים בו זמנית כדי לייצר עוד מוצר וליצור מצב שיווי משקל חדש.
כמו כן, כאשר מוסיפים עוד חנקן, האיזון עובר ימינה.
מבחינה תעשייתית, האיזון מועבר על ידי הסרה מתמשכת של NH3 של המערכת באמצעות נזילות סלקטיבית, הגדלת תשואת התגובה, מכיוון שהאיזון שיש להקים מחדש נוטה ליצור מוצר נוסף.
סינתזת הבר-בוש היא אחד היישומים החשובים ביותר במחקרי שיווי משקל כימיים.
בשל הרלוונטיות של סינתזה זו, הבר קיבל את פרס נובל לכימיה בשנת 1918 ובוש הוענק לפרס בשנת 1931.
תרגילי משמרת איזון
עכשיו שאתה יודע לפרש את השינויים שיכולים להתרחש במאזן הכימי, השתמש בשאלות הווסטיבולריות האלה כדי לבדוק את הידע שלך.
1. (UFPE) נוגדי החומצה המתאימים ביותר צריכים להיות כאלה שאינם מפחיתים את החומציות בקיבה יותר מדי. כשהירידה בחומציות גדולה מדי, הקיבה מפרישה עודף חומצה. אפקט זה מכונה "הגומלין החומצי". אילו מהפריטים שלמטה יכולים להיות קשורים לאפקט זה?
א) חוק שימור האנרגיה.
ב) עקרון ההדרה של פאולי.
ג) העיקרון של לה שאטלייר.
ד) העיקרון הראשון של התרמודינמיקה.
ה) עקרון אי הוודאות של הייזנברג.
חלופה נכונה: ג) העיקרון של לה שאטלייר.
נוגדי חומצה הם בסיסים חלשים הפועלים על ידי העלאת ה- pH בקיבה וכתוצאה מכך הפחתת החומציות.
הירידה בחומציות מתרחשת על ידי נטרול החומצה הידרוכלורית הקיימת בקיבה. עם זאת, על ידי הפחתת החומציות יתר על המידה, זה יכול ליצור חוסר איזון בגוף, מכיוון שהקיבה עובדת בסביבה חומצית.
כאמור על פי העיקרון של לה שאטלייר, כאשר מערכת שיווי משקל נחשפת להפרעה, תהיה התנגדות לשינוי זה כך שיווי המשקל יוקם מחדש.
באופן זה, הגוף ייצר יותר חומצה הידרוכלורית וייצור את אפקט "החומצה החוזרת".
העקרונות האחרים המוצגים בחלופות עוסקים ב:
א) חוק שימור האנרגיה: בסדרת טרנספורמציות נשמרת האנרגיה הכוללת של המערכת.
ב) עקרון ההדרה של פאולי: באטום, לשני אלקטרונים לא יכולה להיות אותה קבוצה של מספרים קוונטיים.
ד) העיקרון הראשון של התרמודינמיקה: וריאציה של האנרגיה הפנימית של המערכת היא ההבדל בין חילופי החום לעבודה שבוצעה.
ה) עקרון אי הוודאות של הייזנברג: לא ניתן לקבוע את מהירותו ומיקומו של אלקטרון בכל רגע נתון.
לגבי המערכת בשיווי משקל, ניתן לקבוע נכון כי:
א) קיומו של זרז משפיע על הרכב התערובת.
ב) נוכחותו של זרז משפיעה על קבוע שיווי המשקל.
ג) עליית הלחץ מקטינה את כמות ה- CH4(ז).
ד) עליית הטמפרטורה משפיעה על קבוע שיווי המשקל.
ה) העלייה בטמפרטורה מקטינה את כמות ה- CO(ז) .
חלופה נכונה: ד) עליית הטמפרטורה משפיעה על קבוע שיווי המשקל.
בהעלאת הטמפרטורה התגובה הישירה שהיא אנדותרמית תושפע מכיוון שכדי לבסס מחדש את האיזון המערכת תספוג אנרגיה ותעביר את האיזון ימינה.
העברת האיזון לכיוון הישיר מגדילה את כמות המוצרים שנוצרו.
קבוע שיווי המשקל הוא ביחס ישר לריכוז המוצרים: ככל שכמות המוצרים גדולה יותר, כך הערך של הקבוע גדול יותר.
אנו יכולים לראות אז כי העלייה בטמפרטורה מגדילה את כמות CO ו- H2.
העלייה בלחץ מעבירה את שיווי המשקל לתגובה הפוכה, כאשר שיווי המשקל עובר לכיוון המספר הנמוך ביותר של השומות. עם זאת, כמות CH4 ו- H2הוא מוגבר.
השימוש בזרז אינו מפריע לקבוע שיווי המשקל ולהרכב התערובת. זה רק יפעל כדי להשיג את האיזון במהירות רבה יותר.
3. (UFC) במחקר הפעולה של גז רעל COCl2, המשמש כנשק כימי, נצפה תהליך הפירוק על פי התגובה:
החל ממצב שיווי משקל, נוספה 0.10 מול של CO והמערכת לאחר זמן מה הגיעה למצב שיווי משקל חדש. בחר באפשרות המציינת כיצד קשורים ריכוזי שיווי המשקל החדשים לישנים.
| [COCl2] | [שיתוף] | [קל2] | |
| ה) | חדש> ישן | חדש> ישן | חָדָשׁ |
| ב) | חדש> ישן | חדש> ישן | חדש> ישן |
| ç) | חָדָשׁ | חדש> ישן | חָדָשׁ |
| ד) | חדש> ישן | חָדָשׁ | חָדָשׁ |
| ו) | אותו | אותו | אותו |
חלופה נכונה:
| [COCl2] | [שיתוף] | [קל2] | |
| ה) |
כאשר מוסיפים חומר חדש, המערכת צורכת את החומר הזה כדי להחזיר את האיזון, מכיוון שריכוזו גדל.
צריכה זו מתרחשת על ידי כך שהחומר מגיב עם התרכובת האחרת, וכך נוצר מוצר נוסף.
לכן, כאשר אנו מגדילים את ריכוז ה- CO, תהיה צריכה, אך לא עד כדי הפיכתה נמוך מהריכוז במצב ההתחלתי, מכיוון שצריכתו תתרחש יחד עם אחר רְכִיב.
כבר הריכוז של Cl2 הופך לקטן מזה הראשוני, מכיוון שהיה צריך להגיב עם כמות ה- CO שנוספה.
מצומת שני החומרים, ריכוז ה- COCl הוגדל2, מכיוון שהוא המוצר שנוצר.
ניתן לראות את השינויים הללו במאזן הכימי בתרשים שלהלן:
4. (UFV) המחקר הניסויי של תגובה כימית בשיווי משקל הוכיח כי העלייה ב הטמפרטורה העדיפה את היווצרותם של מוצרים, ואילו עליית הלחץ העדיפה את היווצרותם של ריאגנטים. בהתבסס על מידע זה, וידע כי A, B, C ו- D הם גזים, סמן את החלופה המייצגת את המשוואה הנחקרת:
| ה) | ||
| ב) | ||
| ç) | ||
| ד) | ||
| ו) |
חלופה נכונה:
| ה) |
ככל שהטמפרטורה עולה, המערכת סופגת חום כדי להחזיר את האיזון, ובכך היא מעדיפה את התגובה האנדותרמית, ש- ∆H שלה חיובי.
החלופות המתאימות להעדפת היווצרות מוצרים על ידי העלאת הטמפרטורה הן: a, b ו- d.
עם זאת, כאשר הלחץ עולה, שיווי המשקל עובר לכיוון הנפח הקטן ביותר, כלומר זה עם מספר השומות הקטן ביותר.
כדי שהתגובה תועבר לעבר המגיבים, יש צורך כי לכיוון זה של התגובה יהיה מספר שומות קטן יותר ביחס למוצרים.
זה נצפה רק בחלופה הראשונה.
5. (UEMG) המשוואות הבאות מייצגות מערכות בשיווי משקל. מהי המערכת היחידה שאינה משתנה על ידי שינוי לחץ?
א) מערכת הפעלה2 (גרם) + 1/2 O2 (גרם) ⇔ כך3(ז)
ב) CO2 (גרם) + H2 (גרם) ⇔ CO(ז) + H2או(ז)
ג) לא2 (גרם) + 3 ח '2 (גרם) NH 2 NH3(ז)
ד) 2 CO2 (גרם) CO 2 CO(ז) + O2 (גרם)
חלופה נכונה: ב) CO2 (גרם) + H2 (גרם) ⇔ CO(ז) + H2או(ז)
כאשר מערכת משנה את הלחץ הכולל, האיזון מתקבע מחדש עם שינוי הנפח.
אם הלחץ עולה, הנפח פוחת ומעביר את שיווי המשקל למספר השומות הקטן ביותר.
מצד שני, כאשר הלחץ יורד, הנפח גדל, ומעביר את האיזון לעבר מספר רב יותר של שומות.
אך כאשר נוצר אותו מספר שומות של חומרים ומוצרים מגיבים, אין דרך לשנות את שיווי המשקל מכיוון שהנפח אינו משתנה.
אנו יודעים את מספר השומות לפי המקדמים הסטויוכומטריים שליד כל חומר.
אנו יכולים לראות זאת במשוואה החלופית
ב) CO2 (גרם) + H2 (גרם) ⇔ CO(ז) + H2או(ז)
כאשר 1 שומה של CO2 מגיב בשומה אחת של H2 כדי ליצור 1 מול של CO ו- 1 מול של H2או
בשני כיווני התגובה יש 2 שומות, כך ששינויים בלחץ לא ישנו את עוצמת הקול.
בדוק שאלות נוספות אודות עקירה של שיווי משקל כימי, ברזולוציה שהעירו, ברשימה זו שהכנו: תרגילי איזון כימי.
מי היה לה שאטלייר?
