フランスの化学者アンリルシャトリエは、変化にさらされたときに平衡状態にある化学システムの応答を予測する、最もよく知られている化学の法則の1つを作成しました。
彼の研究の結果をもとに、彼は次のように述べた化学平衡の一般化を定式化しました。
「外部要因が平衡状態にあるシステムに作用すると、常に適用された要因の作用を最小限に抑えるという意味で、外部要因が移動します。」
化学システムのバランスが乱れると、システムはこの乱れを最小限に抑え、安定性を回復するように機能します。
したがって、システムは次のことを示します。
- 平衡の初期状態。
- 因子の変化を伴う「不均衡」状態。
- 変化に対抗する新しい平衡状態。
化学物質のバランスに影響を与える可能性のある外乱の例は次のとおりです。
| 因子 | 外乱 | それは作られている |
|---|---|---|
| 濃度 | 増加する | 物質を消費する |
| 減少 | 物質が生成されます | |
| 圧力 | 増加する | 最小ボリュームに移動します |
| 減少 | 最大音量に移動します | |
| 温度 | 増加する | 熱を吸収し、平衡定数を変化させます |
| 減少 | 熱を放出し、平衡定数を変更します | |
| 触媒 | プレゼンス | 反応がスピードアップします |
この原理は、反応を操作してプロセスをより効率的かつ経済的にすることができるため、化学産業にとって非常に重要です。
この一例は、ルシャトリエの原理を使用して、大気中の窒素からアンモニアを生成するためのルートを経済的に作成したフリッツハーバーによって開発されたプロセスです。
次に、シャトリエの法則に従った化学平衡と、摂動がそれをどのように変化させるかを見ていきます。
についてもっと知る:
- 化学バランス
- イオンバランス
- 酸塩基指示薬
濃縮効果
化学的バランスがある場合、システムはバランスが取れています。
平衡状態にあるシステムは、次の場合に障害を受ける可能性があります。
- 反応成分の濃度を上げます。
- 反応成分の濃度を下げます。
化学反応から物質を追加または削除すると、システムは変更に反対し、その化合物をより多く消費または生成して、バランスを再確立します。
反応物と生成物の濃度は新しい平衡に適応するように変化しますが、平衡定数は同じままです。
例:
バランスに：
溶液の青色から[CoCl錯体4]-2 優勢です。
水も直接反応生成物であり、溶液中の濃度を上げると、システムが変化に対抗し、水と複合体を反応させます。
平衡が左にシフトし、反応方向が逆になり、反応物の濃度が上昇し、溶液の色が変化します。
温度の影響
平衡状態にあるシステムは、次の場合に障害を受ける可能性があります。
- システム温度が上昇しています。
- システム温度が低下します。
化学システムにエネルギーを追加または除去する場合、システムは変化に対抗し、エネルギーを吸収または放出して、バランスを再確立します。
システムが温度を変化させると、化学物質のバランスは次のように変化します。
温度を上げることにより、吸熱反応が促進され、システムが熱を吸収します。
温度が下がると、発熱反応が促進され、システムが熱を放出します。
例:
化学的バランス：
このシステムを含む試験管をお湯のビーカーに入れると、システムの温度が上昇し、平衡がシフトしてより多くの生成物が形成されます。
これは、直接反応が吸熱性であり、熱を吸収することによってシステムが再確立されるためです。
さらに、温度変化も平衡定数を変化させます。
圧力効果
平衡状態にあるシステムは、次の場合に障害を受ける可能性があります。
- システム全体の圧力が上昇しています。
- システム全体の圧力が低下します。
化学システムの圧力を増減すると、システムは変化に対抗し、 それぞれ小さいまたは大きい体積の意味でバランスを取りますが、平衡定数は変化しません。
システムが体積を変化させると、次のように、加えられた圧力の作用が最小限に抑えられます。
システムに加えられる圧力が大きいほど、体積が収縮し、平衡はより少ないモル数に向かってシフトします。
ただし、圧力が低下すると、システムが拡張して体積が増加し、反応の方向がモル数が最も多い方向にシフトします。
例:
私たちの体の細胞は、化学的バランスを通じて酸素を受け取ります。
このシステムは、私たちが呼吸する空気中の酸素が血液中に存在するヘモグロビンと接触し、酸素を運ぶオキシヘモグロビンを生成するときに確立されます。
人が山に登るとき、到達する高度が高いほど、Oの量と分圧は低くなります2 漠然として。
体内の酸素を運ぶバランスは左にシフトし、オキシヘモグロビンの量を減らし、細胞が受け取る酸素の量を危険にさらします。
この結果、めまいや倦怠感が現れ、死に至ることさえあります。
体はより多くのヘモグロビンを生成することによって反応しようとします。 ただし、これは遅いプロセスであり、高度で設定する必要があります。
したがって、エベレストに登ることができる人は、極端な高度に最も適している人です。
触媒
触媒の使用は、直接反応と逆反応の両方で反応速度を妨げます。
反応が起こるためには、分子が衝突して効果的に反応するための最小エネルギーに到達する必要があります。
触媒は、化学システムに挿入されると、活性化複合体を形成し、化学バランスに到達するためのより短い経路を作成することにより、この活性化エネルギーを減少させることによって作用します。
次のグラフに示すように、反応速度を均等に上げることにより、平衡に達するのに必要な時間が短縮されます。
ただし、触媒を使用しても、混合物の組成に干渉しないため、反応収率や平衡定数は変化しません。
アンモニア合成
窒素ベースの化合物は、とりわけ農業用肥料、爆発物、医薬品に広く使用されています。 この事実により、NHアンモニアなど、数百万トンの窒素化合物が生成されます。3、NH硝酸アンモニウム4で3 と尿素H2NCONH2.
主に農業活動のための窒素化合物の世界的な需要のため、チリのNaNO硝酸カリウム3窒素化合物の主な供給源である、は20世紀の初めまで最も使用されていましたが、天然の硝酸カリウムは現在の需要を供給することができませんでした。
大気は70％以上の窒素Nで構成されるガスの混合物であることに注意するのは興味深いことです2. ただし、三重結合の安定性のため この結合を切断して新しい化合物を形成することは非常に困難なプロセスになります。
この問題の解決策は、ドイツの化学者フリッツハーバーによって提案されました。 Haberによって提案されたアンモニアの合成は、次の化学的バランスをもたらします。
工業的に実施するために、このプロセスはカール・ボッシュによって完成され、窒素化合物の取得に焦点を当てて空気から窒素を捕捉するためにこれまでで最も使用されています。
ルシャトリエの原理を使用すると、次の場合に化学物質のバランスを高めることができます。
Hを追加2 そして、システムが変化に対抗し、反応してその反応物の濃度を下げるようにします。
したがって、H2 といいえ2 それらは同時に消費され、より多くの製品を生産し、新しい平衡状態を作り出します。
同様に、窒素を追加すると、バランスが右にシフトします。
産業的には、NHの継続的な除去によってバランスがシフトします3 再確立されるバランスがより多くの生成物を形成する傾向があるので、選択的液化によるシステムの反応収率を増加させます。
ハーバーボッシュ合成は、化学平衡研究の最も重要なアプリケーションの1つです。
この統合の関連性により、ハーバーは1918年にノーベル化学賞を受賞し、ボッシュは1931年にノーベル化学賞を受賞しました。
バランスシフトの練習
化学物質のバランスで発生する可能性のある変化を解釈する方法がわかったので、これらの前庭の質問を使用して知識をテストします。
1. （UFPE）最も適切な制酸剤は、胃の酸性度をあまり低下させないものでなければなりません。 酸性度の低下が大きすぎると、胃が過剰な酸を分泌します。 この効果は「酸の再マッチ」として知られています。 以下の項目のうち、この効果に関連する可能性があるのはどれですか？
a）エネルギー保存の法則。
b）パウリの排他原理。
c）ルシャトリエの原理。
d）熱力学の第一原理。
e）ハイゼンベルグの不確定性原理。
正しい代替案：c）ルシャトリエの原理。
制酸剤は、胃のpHを上げ、その結果、酸性度を下げることによって機能する弱塩基です。
酸性度の低下は、胃に存在する塩酸を中和することによって起こります。 しかし、酸性度を下げすぎると、胃が酸性環境で機能するため、体のバランスが崩れる可能性があります。
ルシャトリエの原理で述べられているように、平衡システムが擾乱にさらされると、この変化に反対し、平衡が再確立されます。
このようにして、体はより多くの塩酸を生成し、「酸の再マッチ」効果を生み出します。
代替案で提示されている他の原則は、以下を扱います。
a）エネルギー保存の法則：一連の変換では、システムの総エネルギーが保存されます。
b）パウリの排他原理：原子では、2つの電子が同じ量子数のセットを持つことはできません。
d）熱力学の最初の原理：システムの内部エネルギーの変動は、交換される熱と実行される仕事の差です。
e）ハイゼンベルグの不確定性原理：特定の瞬間における電子の速度と位置を決定することは不可能です。
平衡状態にあるシステムに関しては、次のように正しく述べることができます。
a）触媒の存在は混合物の組成に影響を及ぼします。
b）触媒の存在は平衡定数に影響を与えます。
c）圧力の増加はCHの量を減少させます4（g）.
d）温度の上昇は平衡定数に影響を与えます。
e）温度の上昇はCOの量を減少させます（g） .
正しい代替案：d）温度の上昇は平衡定数に影響を与えます。
温度を上げると、吸熱反応である直接反応が影響を受けます。これは、バランスを再確立するために、システムがエネルギーを吸収し、バランスを右にシフトするためです。
バランスを直接にシフトすると、成形品の量が増えます。
平衡定数は、生成物の濃度に正比例します。生成物の量が多いほど、定数の値は大きくなります。
すると、温度が上がるとCOとHの量が増えることがわかります。2.
圧力の増加は、平衡が最小モル数に向かってシフトするため、平衡を逆反応にシフトします。 それで、CHの量4 およびH2が拡張されます。
触媒の使用は、混合物の平衡定数と組成を妨げません。 それは、バランスをより迅速に達成することによってのみ機能します。
3. （UFC）COCl毒ガスの作用の研究において2、化学兵器として使用され、分解プロセスは反応に従って観察されます：
平衡状態から始めて、0.10 molのCOを添加し、しばらくすると、システムは新しい平衡状態に達しました。 新しい平衡濃度が古い平衡濃度とどのように関連しているかを示すオプションを選択します。
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ） | 新しい>古い | 新しい>古い | 新着 |
| B） | 新しい>古い | 新しい>古い | 新しい>古い |
| ç） | 新着 | 新しい>古い | 新着 |
| d） | 新しい>古い | 新着 | 新着 |
| そして） | 同じ | 同じ | 同じ |
正しい代替案：
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ） |
新しい物質が追加されると、システムはその濃度が増加するにつれて、バランスを回復するためにその物質を消費します。
この消費は、物質を他の化合物と反応させ、より多くの生成物を生成することによって発生します。
したがって、COの濃度を上げると、消費はありますが、 その消費は別のものと一緒に発生するため、初期状態の濃度よりも低い 成分。
すでにClの濃度2 添加されたCOの量と反応しなければならなかったので、最初のものより小さくなります。
2つの物質の接合部から、COClの濃度が増加しました2、形成された製品であるため。
化学的バランスのこれらの変化は、以下のグラフで見ることができます。
4. （UFV）平衡状態での化学反応の実験的研究は、 温度は生成物の形成に有利に働き、圧力の上昇は生成物の形成に有利に働きました 試薬。 この情報に基づいて、A、B、C、およびDがガスであることを知って、調査した方程式を表す代替案をマークします。
| ） | ||
| B） | ||
| ç） | ||
| d） | ||
| そして） |
正しい代替案：
| ） |
温度が上昇すると、システムは熱を吸収してバランスを取り戻し、これにより、ΔHが正の吸熱反応を促進します。
温度を上げることによって生成物の形成を促進することに対応する代替案は、a、b、およびdです。
ただし、圧力が上昇すると、平衡は最小の体積、つまりモル数が最小の体積に向かってシフトします。
反応が反応物に向かって移動するためには、反応のこの方向が生成物に対してより少ないモル数を有することが必要である。
これは、最初の選択肢でのみ観察されます。
5. （UEMG）次の方程式は、平衡状態にあるシステムを表しています。 圧力変化によってシフトしない唯一のシステムは何ですか？
a）OS2（g） + 1/2 O2（g） ⇔SO3（g）
b）CO2（g） + H2（g） ⇔CO（g） + H2O（g）
c）いいえ2（g） + 3 H2（g） ⇔2NH3（g）
d）2 CO2（g） ⇔2CO（g） + O2（g）
正しい代替案：b）CO2（g） + H2（g） ⇔CO（g） + H2O（g）
システムが全圧を変更すると、体積の変化に応じてバランスが再確立されます。
圧力が上昇すると、体積が減少し、平衡が最小のモル数にシフトします。
圧力が下がると体積が増え、モル数が増えるという意味でバランスがシフトします。
しかし、同じモル数の反応物質と生成物が形成される場合、体積は変化しないため、平衡をシフトする方法はありません。
各物質の隣の化学量論係数によってモル数がわかります。
これは別の方程式で見ることができます
b）CO2（g） + H2（g） ⇔CO（g） + H2O（g）
ここで、1モルのCO2 1モルのHと反応します2 1molのCOと1molのHを形成します2O。
反応の両方向に2モルがあるので、圧力を変えても体積は変わりません。
私たちが用意したこのリストで、コメントされた解決策とともに、化学平衡シフトに関するその他の質問を確認してください。 化学バランスの練習.
ルシャトリエは誰でしたか？
