Franču ķīmiķis Anrī Luijs Le Šateliers izveidoja vienu no pazīstamākajiem ķīmijas likumiem, kas paredz ķīmiskās sistēmas reakciju līdzsvarā, pakļaujoties izmaiņām.
Ar savu pētījumu rezultātiem viņš formulēja ķīmiskā līdzsvara vispārinājumu, kurā norādīts:
"Kad ārējs faktors iedarbojas uz sistēmu līdzsvarā, tas pārvietojas, vienmēr piemērotā faktora darbības samazināšanas nozīmē."
Ja tiek izjaukts ķīmiskās sistēmas līdzsvars, sistēma rīkojas, lai mazinātu šo traucējumu un atjaunotu stabilitāti.
Tāpēc sistēma piedāvā:
- sākotnējais līdzsvara stāvoklis.
- "nelīdzsvarots" stāvoklis ar faktora maiņu.
- jauns līdzsvara stāvoklis, kas pretojas pārmaiņām.
Ārējo traucējumu piemēri, kas var ietekmēt ķīmisko līdzsvaru, ir:
| Faktors | Traucējumi | Tas ir izgatavots |
|---|---|---|
| Koncentrēšanās | Palielināt | Patērē vielu |
| Samazināt | viela tiek ražota | |
| Spiediens | Palielināt | Pārvietojas uz mazāko skaļumu |
| Samazināt | Pārvietojas uz lielāko skaļumu | |
| Temperatūra | Palielināt | Absorbē siltumu un maina līdzsvara konstanti |
| Samazināt | Atbrīvo siltumu un maina līdzsvara konstanti | |
| Katalizators | Klātbūtne | Reakcija paātrinās |
Šim principam ir liela nozīme ķīmijas rūpniecībā, jo ar reakcijām var manipulēt, un tie var padarīt procesus efektīvākus un ekonomiskākus.
Piemērs tam ir Frica Habera izstrādātais process, kas, izmantojot Lē Šeljē principu, ekonomiski izveidoja ceļu amonjaka ražošanai no atmosfēras slāpekļa.
Tālāk mēs aplūkosim ķīmisko līdzsvaru saskaņā ar Šatjē likumu un to, kā traucējumi to var mainīt.
uzzināt vairāk par:
- Ķīmiskais līdzsvars
- Jonu līdzsvars
- Skābju bāzes rādītāji
Koncentrācijas efekts
Kad ir ķīmiskais līdzsvars, sistēma ir līdzsvarota.
Līdzsvara sistēmā var rasties traucējumi, ja:
- Mēs palielinām reakcijas komponenta koncentrāciju.
- Mēs pazeminām reakcijas komponenta koncentrāciju.
Kad mēs pievienojam vai noņemam vielu no ķīmiskās reakcijas, sistēma iebilst pret izmaiņām, patērējot vai ražojot vairāk šī savienojuma, lai atjaunotos līdzsvars.
Reaģentu un produktu koncentrācijas mainās, lai pielāgotos jaunam līdzsvaram, bet līdzsvara konstante paliek nemainīga.
Piemērs:
Līdzsvarā:
Reakcijai ir lielāka produktu koncentrācija, jo ar šķīduma zilo krāsu mēs redzam, ka [CoCl komplekss4]-2 dominē.
Ūdens ir arī tiešās reakcijas rezultāts, un, palielinot tā koncentrāciju šķīdumā, sistēma pretojas izmaiņām, izraisot ūdens un kompleksa reakciju.
Līdzsvars tiek novirzīts pa kreisi, pretējs reakcijas virziens, un tas palielina reaģentu koncentrāciju, mainot šķīduma krāsu.
Temperatūras ietekme
Līdzsvara sistēmā var rasties traucējumi, ja:
- Ir sistēmas temperatūras paaugstināšanās.
- Ir sistēmas temperatūras pazemināšanās.
Pievienojot vai noņemot enerģiju no ķīmiskās sistēmas, sistēma iebilst pret izmaiņām, absorbējot vai atbrīvojot enerģiju, lai atjaunotos līdzsvars.
Kad sistēma maina temperatūru, ķīmiskais līdzsvars mainās šādi:
Palielinot temperatūru, tiek veicināta endotermiskā reakcija, un sistēma absorbē siltumu.
No otras puses, pazeminot temperatūru, tiek atbalstīta eksotermiskā reakcija un sistēma atbrīvo siltumu.
Piemērs:
Ķīmiskajā līdzsvarā:
Ievietojot mēģeni ar šo sistēmu karstā ūdens vārglāzē, sistēmas temperatūra paaugstinās un līdzsvars mainās, veidojot vairāk produktu.
Tas ir tāpēc, ka tiešā reakcija ir endotermiska, un sistēma tiks atjaunota, absorbējot siltumu.
Turklāt temperatūras svārstības maina arī līdzsvara konstantes.
Spiediena efekts
Līdzsvara sistēmā var rasties traucējumi, ja:
- Ir palielināts kopējais sistēmas spiediens.
- Ir samazinājies kopējais sistēmas spiediens.
Kad mēs palielinām vai pazeminām ķīmiskās sistēmas spiedienu, sistēma pretojas izmaiņām, izspiežot līdzsvars attiecīgi mazāka vai lielāka tilpuma nozīmē, bet nemaina līdzsvara konstanti.
Kad sistēma maina tilpumu, tā samazina piemērotā spiediena darbību šādi:
Jo lielāks spiediens tiek piemērots sistēmai, būs tilpuma kontrakcija un līdzsvars pāriet uz mazāku molu skaitu.
Tomēr, ja spiediens samazinās, sistēma paplašinās, palielinot tilpumu, un reakcijas virziens tiek novirzīts uz to, kurā ir vislielākais molu skaits.
Piemērs:
Mūsu ķermeņa šūnas saņem skābekli, izmantojot ķīmisko līdzsvaru:
Šī sistēma izveidojas, kad skābeklis gaisā, kuru elpojam, nonāk saskarē ar asinīs esošo hemoglobīnu, radot oksihemoglobīnu, kas pārnēsā skābekli.
Kad cilvēks uzkāpj kalnā, jo augstāks ir sasniegtais augstums, jo mazāks ir O daudzums un daļējais spiediens2 Gaisā.
Līdzsvars, kas organismā pārnēsā skābekli, pāriet pa kreisi un samazina oksi-hemoglobīna daudzumu, apdraudot šūnās saņemto skābekļa daudzumu.
Tā rezultātā parādās reibonis un nogurums, kas pat var izraisīt nāvi.
Ķermenis mēģina reaģēt, ražojot vairāk hemoglobīna. Tomēr tas ir lēns process, kas prasa iestatīšanu augstumā.
Tāpēc cilvēki, kuri var uzkāpt Everesta kalnā, ir vispiemērotākie ārkārtējā augstumā.
Katalizatori
Katalizatora izmantošana traucē reakcijas ātrumu gan tiešajā, gan reversajā reakcijā.
Lai notiktu reakcija, ir jāsasniedz minimālā enerģija, lai molekulas sadurtos un efektīvi reaģētu.
Katalizators, ievietots ķīmiskajā sistēmā, darbojas, samazinot šo aktivācijas enerģiju, veidojot aktivētu kompleksu un izveidojot īsāku ceļu, lai sasniegtu ķīmisko līdzsvaru.
Vienādi palielinot reakcijas ātrumu, tas samazina līdzsvara sasniegšanai nepieciešamo laiku, kā redzams šādos grafikos:
Tomēr katalizatoru izmantošana nemaina reakcijas iznākumu vai līdzsvara konstanti, jo tas netraucē maisījuma sastāvu.
amonjaka sintēze
Slāpekļa savienojumus, cita starpā, plaši izmanto lauksaimniecības mēslošanas līdzekļos, sprāgstvielās, medikamentos. Sakarā ar šo faktu tiek ražoti miljoniem tonnu slāpekļa savienojumu, piemēram, NH amonjaks3, NH amonija nitrāts4PIE3 un urīnviela H2NCONH2.
Sakarā ar pieprasījumu pēc slāpekļa savienojumiem visā pasaulē, galvenokārt lauksaimniecības darbībām, Čīles NaNO salpete3, kas ir galvenais slāpekļa savienojumu avots, līdz 20. gadsimta sākumam bija visvairāk izmantots, taču dabiskā salpete nespētu apmierināt pašreizējo pieprasījumu.
Interesanti atzīmēt, ka atmosfēras gaiss ir gāzu maisījums, kas satur vairāk nekā 70% slāpekļa N2. Tomēr trīskāršās saites stabilitātes dēļ tas kļūst par ļoti grūtu procesu, lai izjauktu šo saiti, veidojot jaunus savienojumus.
Šīs problēmas risinājumu piedāvāja vācu ķīmiķis Fricis Habers. Hābera ierosinātā amonjaka sintēze rada šādu ķīmisko līdzsvaru:
Rūpnieciski īstenojot, šo procesu pilnveidoja Karls Bošs, un līdz šim to visvairāk izmanto slāpekļa uztveršanai no gaisa, koncentrējoties uz slāpekļa savienojumu iegūšanu.
Izmantojot Le Chatelier principu, ķīmisko līdzsvaru var palielināt, ja:
Pievienojiet H2 un liek sistēmai pretoties izmaiņām un reaģēt uz šī reaģenta koncentrācijas pazemināšanos.
Tādējādi H2 un nē2 tie tiek patērēti vienlaikus, lai ražotu vairāk produkta un izveidotu jaunu līdzsvara stāvokli.
Tāpat, pievienojot vairāk slāpekļa, līdzsvars pāriet pa labi.
Rūpnieciski līdzsvaru maina nepārtraukta NH atdalīšana3 ar selektīvu sašķidrināšanu, palielinot reakcijas iznākumu, jo atjaunojamais līdzsvars mēdz veidot vairāk produkta.
Hābera-Boša sintēze ir viens no svarīgākajiem ķīmiskās līdzsvara pētījumu pielietojumiem.
Sakarā ar šīs sintēzes atbilstību Habers 1918. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā, bet Bošam 1931. gadā tika piešķirta balva.
Līdzsvara maiņas vingrinājumi
Tagad, kad jūs zināt, kā interpretēt izmaiņas, kas var notikt ķīmiskajā līdzsvarā, izmantojiet šos vestibulāros jautājumus, lai pārbaudītu savas zināšanas.
1. (UFPE) Vispiemērotākajiem antacīdiem jābūt tiem, kas pārāk daudz nesamazina skābumu kuņģī. Kad skābuma samazināšanās ir pārāk liela, kuņģī izdalās skābes pārpalikums. Šis efekts ir pazīstams kā “skābes atkārtots mačs”. Kurus no tālāk minētajiem elementiem varētu saistīt ar šo efektu?
a) Enerģijas saglabāšanas likums.
b) Pauli izslēgšanas princips.
c) Le Chatelier princips.
d) Pirmais termodinamikas princips.
e) Heizenberga nenoteiktības princips.
Pareiza alternatīva: c) Le Chatelier princips.
Antacīdi ir vājas bāzes, kas darbojas, palielinot kuņģa pH līmeni un attiecīgi samazinot skābumu.
Skābuma samazināšanās notiek, neitralizējot kuņģī esošo sālsskābi. Tomēr, pārāk daudz samazinot skābumu, tas var radīt nelīdzsvarotību organismā, jo kuņģis darbojas skābā vidē.
Kā teikts Le Chatelier principā, kad līdzsvara sistēma ir pakļauta traucējumiem, pret šīm izmaiņām tiks iebildumi, lai līdzsvars tiktu atjaunots.
Tādā veidā ķermenis saražos vairāk sālsskābes, radot “skābes rematch” efektu.
Citi alternatīvos izklāstītie principi attiecas uz:
a) Enerģijas saglabāšanas likums: virknē pārveidojumu tiek saglabāta sistēmas kopējā enerģija.
b) Pauli izslēgšanas princips: atomā diviem elektroniem nevar būt vienāds kvantu skaitļu kopums.
d) Pirmais termodinamikas princips: sistēmas iekšējās enerģijas variācija ir atšķirība starp apmainīto siltumu un veikto darbu.
e) Heizenberga nenoteiktības princips: nevienā brīdī nav iespējams noteikt elektrona ātrumu un pozīciju.
Attiecībā uz līdzsvara sistēmu var pareizi apgalvot, ka:
a) katalizatora klātbūtne ietekmē maisījuma sastāvu.
b) katalizatora klātbūtne ietekmē līdzsvara konstanti.
c) spiediena palielināšanās samazina CH daudzumu4g).
d) temperatūras paaugstināšanās ietekmē līdzsvara konstanti.
e) temperatūras paaugstināšanās samazina CO daudzumug) .
Pareiza alternatīva: d) temperatūras paaugstināšanās ietekmē līdzsvara konstanti.
Paaugstinot temperatūru, tiks ietekmēta tiešā reakcija, kas ir endotermiska, jo, lai atjaunotu līdzsvaru, sistēma absorbēs enerģiju un novirzīs līdzsvaru pa labi.
Pārnesot bilanci tiešajā virzienā, tiek palielināts izveidoto produktu daudzums.
Līdzsvara konstante ir tieši proporcionāla produktu koncentrācijai: jo lielāks ir produktu daudzums, jo lielāka ir konstante.
Tad mēs varam novērot, ka temperatūras paaugstināšanās palielina CO un H daudzumu2.
Spiediena pieaugums novirza līdzsvaru pret reverso reakciju, jo līdzsvars pāriet uz mazāko molu skaitu. Līdz ar to CH daudzums4 un H2Tas ir papildināts.
Katalizatora izmantošana netraucē līdzsvara konstanti un maisījuma sastāvu. Tas darbosies tikai ātrāk panākot līdzsvaru.
3. (UFC) COCl indīgās gāzes darbības pētījumā2, ko izmanto kā ķīmisko ieroci, sadalīšanās procesu novēro atbilstoši reakcijai:
Sākot no līdzsvara situācijas, tika pievienots 0,10 mol CO, un sistēma pēc kāda laika sasniedza jaunu līdzsvara situāciju. Izvēlieties opciju, kas norāda, kā jaunā līdzsvara koncentrācija ir saistīta ar veco.
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ) | jauns> vecs | jauns> vecs | jauns |
| B) | jauns> vecs | jauns> vecs | jauns> vecs |
| ç) | jauns | jauns> vecs | jauns |
| d) | jauns> vecs | jauns | jauns |
| un) | tāpat | tāpat | tāpat |
Pareiza alternatīva:
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| ) |
Kad tiek pievienota jauna viela, sistēma šo vielu patērē, lai atjaunotu līdzsvaru, jo tās koncentrācija ir palielinājusies.
Šis patēriņš rodas, liekot vielai reaģēt ar citu savienojumu, tādējādi radot vairāk produkta.
Tāpēc, palielinot CO koncentrāciju, būs patēriņš, bet ne līdz brīdim, kad tas kļūs zemāka par koncentrāciju sākotnējā stāvoklī, jo tā patēriņš notiks kopā ar citu komponents.
Jau Cl koncentrācija2 kļūst mazāks nekā sākotnējais, jo tam bija jāreaģē ar pievienotā CO daudzumu.
No abu vielu savienojuma vietas palielinājās COCl koncentrācija2, jo tas ir izveidojies produkts.
Šīs ķīmiskā līdzsvara izmaiņas var redzēt šajā diagrammā:
4. (UFV) Ķīmiskās reakcijas līdzsvara eksperimentālais pētījums parādīja, ka temperatūra veicināja produktu veidošanos, savukārt spiediena palielināšanās - reaģenti. Pamatojoties uz šo informāciju un zinot, ka A, B, C un D ir gāzes, atzīmējiet alternatīvu, kas apzīmē pētīto vienādojumu:
| ) | ||
| B) | ||
| ç) | ||
| d) | ||
| un) |
Pareiza alternatīva:
| ) |
Palielinoties temperatūrai, sistēma absorbē siltumu, lai atjaunotu līdzsvaru, un ar to veicina endotermisko reakciju, kuras ∆H ir pozitīva.
Alternatīvas, kas atbilst produktu veidošanās veicināšanai, paaugstinot temperatūru, ir: a, b un d.
Tomēr, palielinoties spiedienam, līdzsvars virzās uz mazāko tilpumu, tas ir, uz kuru ir mazākais molu skaits.
Lai reakcija virzītos uz reaģentiem, ir nepieciešams, lai šajā reakcijas virzienā būtu mazāks molu skaits attiecībā pret produktiem.
Tas tiek novērots tikai pirmajā alternatīvā.
5. Šie vienādojumi atspoguļo līdzsvara sistēmas. Kāda ir vienīgā sistēma, kas nemainās, mainoties spiedienam?
a) OS2. punkta g) apakšpunkts + 1/2 O2. punkta g) apakšpunkts ⇔ TĀ3g)
b) CO2. punkta g) apakšpunkts + H2. punkta g) apakšpunkts ⇔ COg) + H2Og)
c) Nē2. punkta g) apakšpunkts + 3 H2. punkta g) apakšpunkts ⇔ 2 NH3g)
d) 2 CO2. punkta g) apakšpunkts CO 2 COg) + O2. punkta g) apakšpunkts
Pareiza alternatīva: b) CO2. punkta g) apakšpunkts + H2. punkta g) apakšpunkts ⇔ COg) + H2Og)
Kad sistēma maina kopējo spiedienu, līdzsvars tiek atjaunots līdz ar tilpuma izmaiņām.
Ja spiediens palielinās, tilpums samazinās, līdzsvaru novirzot uz mazāko molu skaitu.
No otras puses, kad spiediens samazinās, tilpums palielinās, novirzot līdzsvaru pret lielāku molu skaitu.
Bet, kad ir vienāds skaits reaģējošo vielu un izveidojušos produktu molu, līdzsvara maiņa nav iespējama, jo tilpums nemainās.
Molu skaitu mēs zinām pēc stehiometriskajiem koeficientiem blakus katrai vielai.
Mēs to varam redzēt alternatīvajā vienādojumā
b) CO2. punkta g) apakšpunkts + H2. punkta g) apakšpunkts ⇔ COg) + H2Og)
kur 1 mols CO2 reaģē ar 1 molu H2 lai izveidotu 1 mol CO un 1 mol H2O.
Abos reakcijas virzienos ir 2 moli, tāpēc spiediena izmaiņas tilpumu nemainītu.
Šajā sarakstā mēs esam sagatavojuši vairāk jautājumu par ķīmiskās līdzsvara izmaiņām ar komentētu izšķirtspēju: ķīmiskās līdzsvara vingrinājumi.
Kas bija Le Chatelier?
