Prancūzų chemikas Henri Louis Le Chatelier sukūrė vieną iš geriausiai žinomų chemijos dėsnių, kuris numato pusiausvyros cheminės sistemos atsaką veikiant pokyčiams.
Remdamasis savo tyrimų rezultatais, jis suformulavo cheminės pusiausvyros apibendrinimą, kuriame teigiama:
"Kai išorinis veiksnys veikia pusiausvyros sistemą, ji juda, visada ta prasme, kad sumažintų taikomo veiksnio poveikį".
Sutrikus cheminės sistemos pusiausvyrai, sistema veikia, kad sumažintų šį sutrikimą ir atkurtų stabilumą.
Todėl sistema pateikia:
- pradinė pusiausvyros būsena.
- „nesubalansuota“ būsena pasikeitus veiksniui.
- nauja pusiausvyros būsena, kuri priešinasi pokyčiams.
Išorinių sutrikimų, galinčių turėti įtakos cheminei pusiausvyrai, pavyzdžiai:
| Veiksnys | Trikdymas | Jis pagamintas |
|---|---|---|
| Susikaupimas | Padidinti | Vartokite medžiagą |
| Mažinti | gaminama medžiaga | |
| Slėgis | Padidinti | Perkeliama į mažiausią tūrį |
| Mažinti | Perkeliama į didžiausią garsumą | |
| Temperatūra | Padidinti | Sugeria šilumą ir keičia pusiausvyros konstantą |
| Mažinti | Išleidžia šilumą ir keičia pusiausvyros konstantą | |
| Katalizatorius | Buvimas | Reakcija paspartėja |
Šis principas yra labai svarbus chemijos pramonei, nes reakcijomis galima manipuliuoti, o procesai tampa efektyvesni ir ekonomiškesni.
To pavyzdys yra Fritzo Habero sukurtas procesas, kuris, naudodamasis Le Chatelier principu, ekonomiškai sukūrė kelią amoniako gamybai iš atmosferos azoto.
Toliau mes pažvelgsime į cheminę pusiausvyrą pagal Chatelier'io dėsnį ir tai, kaip sutrikimai gali tai pakeisti.
žinoti daugiau apie:
- Cheminis balansas
- Joninio balansas
- Rūgštinės bazės rodikliai
Koncentracijos efektas
Kai yra cheminė pusiausvyra, sistema yra subalansuota.
Pusiausvyros sistema gali patirti trikdį, kai:
- Padidiname reakcijos komponento koncentraciją.
- Mes sumažiname reakcijos komponento koncentraciją.
Kai pridedame arba pašaliname medžiagą iš cheminės reakcijos, sistema priešinasi pakeitimui, sunaudoja ar gamina daugiau to junginio, kad būtų atstatytas balansas.
Reagentų ir produktų koncentracijos keičiasi prisitaikydamos prie naujos pusiausvyros, tačiau pusiausvyros konstanta išlieka ta pati.
Pavyzdys:
Balansas:
Reakcija turi didesnę produktų koncentraciją, nes pagal mėlyną tirpalo spalvą matome, kad [CoCl kompleksas4]-2 vyrauja.
Vanduo taip pat yra tiesioginės reakcijos produktas, o kai padidiname jo koncentraciją tirpale, sistema priešinasi pokyčiams, todėl vanduo ir kompleksas reaguoja.
Pusiausvyra pasislenka į kairę, atvirkštinė reakcijos kryptis, todėl reagentų koncentracija didėja, keičiant tirpalo spalvą.
Temperatūros poveikis
Pusiausvyros sistema gali patirti trikdį, kai:
- Padidėja sistemos temperatūra.
- Sumažėja sistemos temperatūra.
Pridedant ar pašalinant energiją iš cheminės sistemos, sistema priešinasi energijos pakeitimui, absorbavimui ar išleidimui, kad būtų atkurta pusiausvyra.
Kai sistema keičia temperatūrą, cheminis balansas pasikeičia taip:
Padidinus temperatūrą, palankesnė endoterminė reakcija ir sistema sugeria šilumą.
Kita vertus, nuleidus temperatūrą, palankesnė egzoterminė reakcija ir sistema išskiria šilumą.
Pavyzdys:
Cheminės pusiausvyros:
Kai mėgintuvėlį su šia sistema dedame į stiklinę su karštu vandeniu, sistemos temperatūra padidėja ir pusiausvyra pasikeičia, kad susidarytų daugiau produktų.
Taip yra todėl, kad tiesioginė reakcija yra endoterminė ir sistema bus atkurta absorbuojant šilumą.
Be to, temperatūros svyravimai taip pat keičia pusiausvyros konstantas.
slėgio efektas
Pusiausvyros sistema gali patirti trikdį, kai:
- Padidėja bendras sistemos slėgis.
- Sumažėja bendras sistemos slėgis.
Kai padidiname ar sumažiname cheminės sistemos slėgį, sistema priešinasi pokyčiams, išstumdama pusiausvyra atitinkamai mažesnio ar didesnio tūrio prasme, tačiau pusiausvyros konstantos nekeičia.
Kai sistema keičia tūrį, ji sumažina veikiamo slėgio poveikį taip:
Kuo didesnis slėgis bus taikomas sistemai, bus susitraukęs tūris ir pusiausvyra pasislenks link mažesnio apgamų skaičiaus.
Tačiau, jei slėgis mažėja, sistema plečiasi, didinant tūrį ir reakcijos kryptis perkeliama į tą, kurioje yra didžiausias apgamų skaičius.
Pavyzdys:
Mūsų kūno ląstelės deguonį gauna per cheminę pusiausvyrą:
Ši sistema yra sukurta, kai mūsų kvėpuojamame ore esantis deguonis liečiasi su kraujyje esančiu hemoglobinu, todėl susidaro oksis-hemoglobinas, kuris perneša deguonį.
Kai žmogus lipa į kalną, kuo didesnis aukštis, tuo mažesnis O kiekis ir dalinis slėgis2 aukstai ore.
Balansas, pernešantis deguonį kūne, pasislenka į kairę ir sumažina oksi-hemoglobino kiekį, pakenkdamas ląstelių gaunamam deguonies kiekiui.
Dėl to atsiranda galvos svaigimas ir nuovargis, kuris gali sukelti net mirtį.
Kūnas bando reaguoti gamindamas daugiau hemoglobino. Tačiau tai yra lėtas procesas, kurį reikia nustatyti aukštyje.
Todėl žmonės, galintys įkopti į Everesto kalną, yra tinkamiausi ekstremaliam aukščiui.
Katalizatoriai
Katalizatoriaus naudojimas sutrikdo reakcijos greitį tiek tiesioginės, tiek atvirkštinės reakcijos metu.
Norint įvykti reakcija, reikia pasiekti minimalią energiją, kad molekulės galėtų susidurti ir efektyviai reaguoti.
Katalizatorius, įterptas į cheminę sistemą, veikia mažindamas šią aktyvacijos energiją, formuodamas suaktyvintą kompleksą ir sukurdamas trumpesnį kelią pasiekti cheminę pusiausvyrą.
Vienodai padidinus reakcijos greitį, jis sutrumpina pusiausvyrai pasiekti reikalingą laiką, kaip matyti iš šių grafikų:
Tačiau naudojant katalizatorius reakcijos išeiga ar pusiausvyros konstanta nepakinta, nes tai netrukdo mišinio sudėčiai.
amoniako sintezė
Azoto pagrindu pagaminti junginiai, be kita ko, plačiai naudojami žemės ūkio trąšose, sprogmenyse, vaistuose. Dėl šio fakto susidaro milijonai tonų azoto junginių, tokių kaip NH amoniakas3, NH amonio nitratas4PRIE3 ir karbamidas H2NCONH2.
Dėl azoto junginių paklausos visame pasaulyje, daugiausia žemės ūkio veiklai, Čilės NaNO salietras3, pagrindinis azoto junginių šaltinis, buvo labiausiai naudojamas iki XX a. pradžios, tačiau natūrali salietra negalėtų patenkinti dabartinės paklausos.
Įdomu pažymėti, kad atmosferos oras yra dujų mišinys, sudarytas iš daugiau kaip 70% azoto N2. Tačiau dėl trigubo ryšio stabilumo nutraukti šį ryšį tampa labai sudėtingas procesas, kad susidarytų nauji junginiai.
Šios problemos sprendimą pasiūlė vokiečių chemikas Fritzas Haberis. Habero pasiūlyta amoniako sintezė suteikia tokią cheminę pusiausvyrą:
Pramoniniu būdu įgyvendinant šį procesą tobulino Carlas Boschas ir iki šiol jis yra labiausiai naudojamas azotui surinkti iš oro, daugiausia dėmesio skiriant azoto junginiams gauti.
Naudojant Le Chatelier principą, cheminę pusiausvyrą galima padidinti, kai:
Pridėti H.2 ir priverčia sistemą priešintis pokyčiams ir reaguoti į mažesnę to reagento koncentraciją.
Taigi, H2 ir ne2 jie vartojami vienu metu, norint pagaminti daugiau produktų ir sukurti naują pusiausvyros būseną.
Panašiai, pridedant daugiau azoto, balansas pasislenka į dešinę.
Pramoniniu požiūriu pusiausvyra pasikeičia nuolat šalinant NH3 sistemos selektyvaus skystinimo būdu, didinant reakcijos išeigą, nes atstatoma pusiausvyra turi tendenciją susidaryti daugiau produkto.
Habero-Boscho sintezė yra viena iš svarbiausių cheminės pusiausvyros tyrimų taikymo.
Dėl šios sintezės aktualumo Haberis 1918 m. Gavo Nobelio chemijos premiją, o Boschas buvo apdovanotas 1931 m.
Pusiausvyros keitimo pratimai
Dabar, kai mokate interpretuoti pokyčius, kurie gali atsirasti cheminėje pusiausvyroje, naudokite šiuos vestibiuliarinius klausimus, kad patikrintumėte savo žinias.
1. (UFPE) Tinkamiausi antacidiniai vaistai turėtų būti tie, kurie per daug nesumažina skrandžio rūgštingumo. Kai rūgštingumas sumažėja per daug, skrandis išskiria rūgšties perteklių. Šis poveikis žinomas kaip „rūgšties pakartotinis mačas“. Kuris iš toliau pateiktų elementų galėtų būti susijęs su šiuo efektu?
a) energijos taupymo dėsnis.
b) Pauli išskyrimo principas.
c) Le Chatelier principas.
d) Pirmasis termodinamikos principas.
e) Heisenbergo neapibrėžtumo principas.
Teisinga alternatyva: c) Le Chatelier principas.
Antacidiniai vaistai yra silpnos bazės, veikiančios didinant skrandžio pH ir atitinkamai mažinant rūgštingumą.
Rūgštingumas sumažėja neutralizuojant skrandyje esančią druskos rūgštį. Tačiau per daug sumažinus rūgštingumą, tai gali sukelti disbalansą organizme, nes skrandis dirba rūgštinėje aplinkoje.
Kaip teigiama Le Chatelier principu, kai pusiausvyros sistema patiria trikdžių, šis pokytis bus priešinamas, kad pusiausvyra būtų atkurta.
Tokiu būdu organizmas gamins daugiau druskos rūgšties, sukeldamas „rūgšties pakartotinio“ efektą.
Kiti alternatyvose pateikti principai yra susiję su:
a) Energijos išsaugojimo dėsnis: transformacijų serijoje išsaugoma visa sistemos energija.
b) Pauli išskyrimo principas: atome du elektronai negali turėti vienodo kvantinių skaičių rinkinio.
d) Pirmasis termodinamikos principas: sistemos vidinės energijos kitimas yra skirtumas tarp keičiamos šilumos ir atlikto darbo.
e) Heisenbergo neapibrėžtumo principas: neįmanoma nustatyti elektrono greičio ir padėties bet kuriuo momentu.
Kalbant apie pusiausvyros sistemą, galima teisingai teigti, kad:
a) katalizatoriaus buvimas turi įtakos mišinio sudėčiai.
b) katalizatoriaus buvimas veikia pusiausvyros konstantą.
c) padidėjus slėgiui sumažėja CH kiekis4g).
d) temperatūros padidėjimas veikia pusiausvyros konstantą.
e) padidėjus temperatūrai CO kiekis sumažėjag) .
Teisinga alternatyva: d) temperatūros padidėjimas veikia pusiausvyros konstantą.
Pakėlus temperatūrą, bus paveikta tiesioginė reakcija, kuri yra endoterminė, nes norint atkurti pusiausvyrą, sistema sugers energiją ir pasislinks į dešinę.
Perkeliant pusiausvyrą tiesiogine kryptimi, padidėja suformuotų produktų kiekis.
Pusiausvyros konstanta yra tiesiogiai proporcinga produktų koncentracijai: kuo didesnis produktų kiekis, tuo didesnė konstantos vertė.
Tada galime pastebėti, kad padidėjus temperatūrai padidėja CO ir H kiekis2.
Padidėjus slėgiui pusiausvyra perkeliama į atvirkštinę reakciją, nes pusiausvyra pasislenka link mažiausio apgamų skaičiaus. Su tuo CH kiekis4 ir H2Tai yra padidinta.
Katalizatoriaus naudojimas netrukdo pusiausvyros konstantai ir mišinio sudėčiai. Tai veiks tik greičiau pasiekusi pusiausvyrą.
3. (UFC) Tiriant COCl nuodingų dujų poveikį2, naudojamas kaip cheminis ginklas, skaidymo procesas stebimas atsižvelgiant į reakciją:
Pradėjus nuo pusiausvyros situacijos, buvo pridėta 0,10 mol CO ir sistema po kurio laiko pasiekė naują pusiausvyros situaciją. Pasirinkite parinktį, nurodančią, kaip naujos pusiausvyros koncentracijos yra susijusios su senosiomis.
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ) | naujas> senas | naujas> senas | naujas |
| B) | naujas> senas | naujas> senas | naujas> senas |
| ç) | naujas | naujas> senas | naujas |
| d) | naujas> senas | naujas | naujas |
| ir) | tas pats | tas pats | tas pats |
Teisinga alternatyva:
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ) |
Pridedant naujos medžiagos, sistema vartoja tą medžiagą pusiausvyrai atkurti, nes jos koncentracija padidėjo.
Šis suvartojimas atsiranda dėl to, kad medžiaga reaguoja su kitu junginiu, taip sukuriant daugiau produkto.
Todėl, kai padidinsime CO koncentraciją, bus vartojama, bet ne iki to, kad taptume mažesnė už koncentraciją pradinėje būsenoje, nes jos suvartojimas vyks kartu su kitu komponentas.
Jau Cl koncentracija2 tampa mažesnis nei pradinis, nes turėjo reaguoti su pridėtu CO kiekiu.
Nuo dviejų medžiagų sandūros padidėjo COCl koncentracija2, nes tai yra suformuotas produktas.
Šiuos cheminės pusiausvyros pokyčius galima pamatyti toliau pateiktame grafike:
4. (UFV) Eksperimentinis cheminės reakcijos pusiausvyroje tyrimas parodė, kad padidėjo temperatūra skatino produktų susidarymą, o slėgio padidėjimas - reagentai. Remdamiesi šia informacija ir žinodami, kad A, B, C ir D yra dujos, pažymėkite alternatyvą, kuri atspindi tiriamą lygtį:
| ) | ||
| B) | ||
| ç) | ||
| d) | ||
| ir) |
Teisinga alternatyva:
| ) |
Didėjant temperatūrai, sistema sugeria šilumą, kad atkurtų pusiausvyrą, ir taip palaiko endoterminę reakciją, kurios ∆H yra teigiamas.
Produktų susidarymo skatinimas didinant temperatūrą yra šios: a, b ir d.
Tačiau padidėjus slėgiui pusiausvyra pasislenka link mažiausio tūrio, tai yra ta, kurioje yra mažiausias apgamų skaičius.
Norint, kad reakcija būtų nukreipta reaguojančių medžiagų link, būtina, kad šioje reakcijos kryptyje būtų mažesnis apgamų skaičius, palyginti su produktais.
Tai pastebima tik pirmoje alternatyvoje.
5. Šios lygtys atspindi pusiausvyros sistemas. Kokia vienintelė sistema, kuri nesikeičia dėl slėgio pokyčių?
a) OS2 g) + 1/2 O2 g) ⇔ TAIP3g)
b) CO2 g) + H2 g) ⇔ COg) + H2Og)
c) Ne2 g) + 3 H2 g) ⇔ 2 NH3g)
d) 2 CO2 g) CO 2 COg) + O2 g)
Teisinga alternatyva: b) CO2 g) + H2 g) ⇔ COg) + H2Og)
Kai sistema keičia bendrą slėgį, balansas atkuriamas keičiant tūrį.
Jei slėgis didėja, tūris mažėja, pusiausvyra perkeliama į mažiausią apgamų skaičių.
Kita vertus, sumažėjus slėgiui, tūris padidėja, perkėlus pusiausvyrą didesnio apgamų skaičiaus prasme.
Bet kai susidaro vienodas reaguojančių medžiagų ir susidariusių produktų molių skaičius, pusiausvyros pakeisti negalima, nes tūris nesikeičia.
Apgamų skaičių žinome pagal stechiometrinius koeficientus šalia kiekvienos medžiagos.
Tai galime pamatyti alternatyvioje lygtyje
b) CO2 g) + H2 g) ⇔ COg) + H2Og)
kur 1 mol CO2 reaguoja su 1 moliu H2 susidaryti 1 mol CO ir 1 mol H2O.
Abiejose reakcijos kryptyse yra 2 moliai, todėl slėgio pokyčiai tūrio nepakeistų.
Šiame sąraše, kurį parengėme, peržiūrėkite daugiau klausimų apie cheminės pusiausvyros poslinkį su komentuojama skiriamąja geba: cheminės pusiausvyros pratimai.
Kas buvo Le Chatelier?
