De Franse chemicus Henri Louis Le Chatelier creëerde een van de bekendste wetten van de chemie die de reactie van het chemische systeem in evenwicht voorspelt wanneer het wordt blootgesteld aan een verandering.
Met de resultaten van zijn studies formuleerde hij een generalisatie voor chemisch evenwicht die het volgende stelt:
"Wanneer een externe factor inwerkt op een systeem in evenwicht, beweegt het, altijd in de zin van het minimaliseren van de actie van de toegepaste factor."
Wanneer de balans van een chemisch systeem wordt verstoord, werkt het systeem om deze verstoring te minimaliseren en de stabiliteit te herstellen.
Daarom presenteert het systeem:
- een begintoestand van evenwicht.
- een "onevenwichtige" toestand met de verandering van een factor.
- een nieuwe staat van evenwicht die verandering tegenwerkt.
Voorbeelden van externe verstoringen die de chemische balans kunnen beïnvloeden zijn:
| Factor | Verstoring | Het is gemaakt |
|---|---|---|
| Concentratie | Toename | Consumeer de stof |
| Verminderen | de stof wordt geproduceerd | |
| Druk | Toename | Gaat naar het kleinste volume |
| Verminderen | Gaat naar het hoogste volume | |
| Temperatuur | Toename | Absorbeert warmte en verandert de evenwichtsconstante |
| Verminderen | Geeft warmte af en verandert de evenwichtsconstante | |
| Katalysator | Aanwezigheid | De reactie versnelt |
Dit principe is van groot belang voor de chemische industrie, omdat de reacties gemanipuleerd kunnen worden en de processen efficiënter en economischer kunnen worden.
Een voorbeeld hiervan is het door Fritz Haber ontwikkelde proces dat, volgens het principe van Le Chatelier, op een economische manier een route creëerde voor de productie van ammoniak uit atmosferische stikstof.
Vervolgens zullen we kijken naar het chemisch evenwicht volgens de wet van Chatelier en hoe verstoringen dit kunnen veranderen.
meer weten over:
- Chemische balans
- Ionische balans
- Zuur-base indicatoren
Concentratie-effect
Wanneer er een chemisch evenwicht is, is het systeem in evenwicht.
Het systeem in evenwicht kan een verstoring ondervinden wanneer:
- We verhogen de concentratie van een component van de reactie.
- We verlagen de concentratie van een component van de reactie.
Wanneer we een stof toevoegen aan of verwijderen uit de chemische reactie, verzet het systeem zich tegen de verandering, door meer van die verbinding te consumeren of te produceren, zodat het evenwicht wordt hersteld.
De concentraties van reactanten en producten veranderen om zich aan te passen aan een nieuw evenwicht, maar de evenwichtsconstante blijft hetzelfde.
Voorbeeld:
Per saldo:
De reactie heeft een hogere concentratie aan producten, omdat we aan de blauwe kleur van de oplossing zien dat het [CoCl-complex4]-2 overheerst.
Water is ook een product van de directe reactie en wanneer we de concentratie in de oplossing verhogen, verzet het systeem zich tegen de verandering, waardoor het water en het complex reageren.
Het evenwicht wordt naar links verschoven, de reactierichting omgekeerd, en zorgt ervoor dat de concentratie van reactanten toeneemt, waardoor de kleur van de oplossing verandert.
Effect van temperatuur
Het systeem in evenwicht kan een verstoring ondervinden wanneer:
- Er is een verhoging van de systeemtemperatuur.
- Er is een daling van de systeemtemperatuur.
Bij het toevoegen of verwijderen van energie uit een chemisch systeem, verzet het systeem zich tegen de verandering, het absorberen of vrijgeven van energie zodat het evenwicht wordt hersteld.
Wanneer het systeem de temperatuur varieert, verschuift de chemische balans als volgt:
Door de temperatuur te verhogen wordt de endotherme reactie bevorderd en neemt het systeem warmte op.
Wanneer de temperatuur wordt verlaagd, wordt de exotherme reactie begunstigd en geeft het systeem warmte af.
Voorbeeld:
In chemisch evenwicht:
Wanneer we de reageerbuis met dit systeem in een beker met heet water plaatsen, stijgt de temperatuur van het systeem en verschuift het evenwicht om meer producten te vormen.
Dit komt omdat de directe reactie endotherm is en het systeem zal worden hersteld door warmte te absorberen.
Bovendien veranderen temperatuurvariaties ook de evenwichtsconstanten.
druk effect
Het systeem in evenwicht kan een verstoring ondervinden wanneer:
- Er is een toename van de totale systeemdruk.
- Er is een afname van de totale systeemdruk.
Wanneer we de druk van een chemisch systeem verhogen of verlagen, verzet het systeem zich tegen de verandering en verdringt het de balans in de zin van respectievelijk kleiner of groter volume, maar verandert de evenwichtsconstante niet.
Wanneer het systeem het volume varieert, minimaliseert het de werking van de toegepaste druk als volgt:
Hoe groter de druk die op het systeem wordt uitgeoefend, hoe kleiner het volume en het evenwicht verschuift naar het lagere aantal mol.
Als de druk echter afneemt, zet het systeem uit, waardoor het volume toeneemt en de richting van de reactie wordt verschoven naar die met het hoogste aantal mol.
Voorbeeld:
De cellen van ons lichaam krijgen zuurstof via een chemisch evenwicht:
Dit systeem komt tot stand wanneer de zuurstof in de lucht die we inademen in contact komt met de hemoglobine in het bloed, waardoor oxy-hemoglobine ontstaat, dat de zuurstof transporteert.
Wanneer een persoon een berg beklimt, hoe hoger de bereikte hoogte, hoe lager de hoeveelheid en de partiële druk van O2 in de lucht.
Het evenwicht dat zuurstof in het lichaam vervoert, verschuift naar links en vermindert de hoeveelheid oxy-hemoglobine, waardoor de hoeveelheid zuurstof die door de cellen wordt ontvangen, in gevaar komt.
Het resultaat hiervan is het optreden van duizeligheid en vermoeidheid, die zelfs tot de dood kunnen leiden.
Het lichaam probeert te reageren door meer hemoglobine te produceren. Dit is echter een langzaam proces, dat op hoogte moet worden ingesteld.
Daarom zijn de mensen die de Mount Everest kunnen beklimmen degenen die het meest geschikt zijn voor extreme hoogte.
Katalysatoren
Het gebruik van een katalysator verstoort de reactiesnelheid, zowel in de directe als in de omgekeerde reactie.
Om een reactie te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk om een minimale energie te bereiken zodat de moleculen kunnen botsen en effectief kunnen reageren.
Wanneer de katalysator in het chemische systeem wordt ingebracht, werkt deze door deze activeringsenergie te verminderen door een geactiveerd complex te vormen en een kortere weg te creëren om een chemisch evenwicht te bereiken.
Door de reactiesnelheden gelijkmatig te verhogen, wordt de tijd die nodig is om een evenwicht te bereiken, verkort, zoals te zien is in de volgende grafieken:
Het gebruik van katalysatoren verandert echter de reactieopbrengst of de evenwichtsconstante niet omdat het de samenstelling van het mengsel niet verstoort.
ammoniaksynthese
Op stikstof gebaseerde verbindingen worden veel gebruikt in onder meer landbouwmeststoffen, explosieven en medicijnen. Hierdoor worden miljoenen tonnen stikstofverbindingen geproduceerd, zoals NH-ammoniak3, NH-ammoniumnitraat4BIJ DE3 en ureum H2NCONH2.
Vanwege de wereldwijde vraag naar stikstofverbindingen, voornamelijk voor landbouwactiviteiten, is de Chileense NaNO-salpeter3, de belangrijkste bron van stikstofverbindingen, werd tot het begin van de 20e eeuw het meest gebruikt, maar natuurlijke salpeter zou niet aan de huidige vraag kunnen voldoen.
Het is interessant op te merken dat atmosferische lucht een mengsel van gassen is, samengesteld uit meer dan 70% stikstof N2. Vanwege de stabiliteit van de drievoudige binding het wordt een heel moeilijk proces om deze binding te verbreken om nieuwe verbindingen te vormen.
De oplossing voor dit probleem werd voorgesteld door de Duitse chemicus Fritz Haber. De door Haber voorgestelde synthese van ammoniak brengt de volgende chemische balans:
Om industrieel te worden geïmplementeerd, werd dit proces geperfectioneerd door Carl Bosch en wordt het tot nu toe het meest gebruikt om stikstof uit de lucht op te vangen met de nadruk op het verkrijgen van stikstofverbindingen.
Volgens het principe van Le Chatelier kan de chemische balans worden verhoogd wanneer:
H. toevoegen2 en zorgt ervoor dat het systeem zich tegen de verandering verzet en reageert om de concentratie van die reactant te verlagen.
dus H2 en nee2 ze worden gelijktijdig geconsumeerd om meer product te produceren en een nieuwe evenwichtstoestand te creëren.
Evenzo verschuift de balans naar rechts bij het toevoegen van meer stikstof.
Industrieel wordt de balans verschoven door de continue verwijdering van NH3 van het systeem door selectieve vloeibaarmaking, waardoor de reactieopbrengst toeneemt, aangezien het te herstellen evenwicht de neiging heeft meer product te vormen.
Haber-Bosch-synthese is een van de belangrijkste toepassingen van chemische evenwichtsstudies.
Vanwege de relevantie van deze synthese ontving Haber in 1918 de Nobelprijs voor de Scheikunde en Bosch in 1931.
Balansverschuivingsoefeningen
Nu u weet hoe u de veranderingen in de chemische balans moet interpreteren, kunt u deze vestibulaire vragen gebruiken om uw kennis te testen.
1. (UFPE) De meest geschikte antacida zouden die moeten zijn die de zuurgraad in de maag niet te veel verminderen. Als de zuurgraad te groot is, scheidt de maag overtollig zuur af. Dit effect staat bekend als de "zure rematch". Welke van de onderstaande items kan met dit effect in verband worden gebracht?
a) De wet van energiebesparing.
b) Het Pauli-uitsluitingsprincipe.
c) Het principe van Le Chatelier.
d) Het eerste principe van de thermodynamica.
e) Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.
Correct alternatief: c) Le Chatelier's principe.
Antacida zijn zwakke basen die werken door de pH van de maag te verhogen en bijgevolg de zuurgraad te verlagen.
De afname van de zuurgraad vindt plaats door het in de maag aanwezige zoutzuur te neutraliseren. Door de zuurgraad echter te veel te verlagen, kan het een onbalans in het lichaam veroorzaken, omdat de maag in een zure omgeving werkt.
Zoals gesteld door het principe van Le Chatelier, wanneer een evenwichtssysteem wordt blootgesteld aan een verstoring, zal er weerstand zijn tegen deze verandering, zodat het evenwicht wordt hersteld.
Op deze manier zal het lichaam meer zoutzuur produceren, waardoor het "zuurrematch" -effect ontstaat.
De andere principes die in de alternatieven worden gepresenteerd, hebben betrekking op:
a) De wet van energiebehoud: in een reeks transformaties blijft de totale energie van het systeem behouden.
b) Het Pauli-uitsluitingsprincipe: in een atoom kunnen twee elektronen niet dezelfde reeks kwantumgetallen hebben.
d) Het eerste principe van de thermodynamica: de variatie van de interne energie van het systeem is het verschil tussen uitgewisselde warmte en uitgevoerde arbeid.
e) Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg: het is niet mogelijk om de snelheid en positie van een elektron op een bepaald moment te bepalen.
Met betrekking tot het systeem in evenwicht kan correct worden gesteld dat:
a) de aanwezigheid van een katalysator beïnvloedt de samenstelling van het mengsel.
b) de aanwezigheid van een katalysator beïnvloedt de evenwichtsconstante.
c) de toename van de druk vermindert de hoeveelheid CH4(g).
d) de temperatuurstijging beïnvloedt de evenwichtsconstante.
e) de stijging van de temperatuur vermindert de hoeveelheid CO(g) .
Correct alternatief: d) de temperatuurstijging beïnvloedt de evenwichtsconstante.
Bij het verhogen van de temperatuur zal de directe reactie, die endotherm is, worden beïnvloed, omdat om de balans te herstellen, het systeem energie zal absorberen en de balans naar rechts zal verschuiven.
Door de balans in de directe richting te verschuiven, wordt de hoeveelheid gevormde producten vergroot.
De evenwichtsconstante is recht evenredig met de concentratie van producten: hoe groter de hoeveelheid producten, hoe groter de waarde van de constante.
We kunnen dan waarnemen dat de toename van de temperatuur de hoeveelheid CO en H. verhoogt2.
De toename van de druk verschuift het evenwicht naar de omgekeerde reactie, omdat het evenwicht naar het laagste aantal mol verschuift. Daarmee is de hoeveelheid CH4 en H2Het wordt vergroot.
Het gebruik van een katalysator heeft geen invloed op de evenwichtsconstante en samenstelling van het mengsel. Het zal alleen werken om het evenwicht sneller te bereiken.
3. (UFC) In de studie van de werking van COCl-gifgas2, gebruikt als een chemisch wapen, wordt het ontbindingsproces waargenomen volgens de reactie:
Uitgaande van een evenwichtssituatie werd 0,10 mol CO toegevoegd en bereikte het systeem na enige tijd een nieuwe evenwichtssituatie. Kies de optie die aangeeft hoe de nieuwe evenwichtsconcentraties zich verhouden tot de oude.
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| De) | nieuw > oud | nieuw > oud | nieuw |
| B) | nieuw > oud | nieuw > oud | nieuw > oud |
| ç) | nieuw | nieuw > oud | nieuw |
| d) | nieuw > oud | nieuw | nieuw |
| en) | dezelfde | dezelfde | dezelfde |
Correct alternatief:
| [COCl2] | [CO] | [Cl2] | |
| De) |
Wanneer een nieuwe stof wordt toegevoegd, verbruikt het systeem die stof om het evenwicht te herstellen, omdat de concentratie ervan is toegenomen.
Dit verbruik vindt plaats door de stof te laten reageren met de andere verbinding, waardoor er meer product ontstaat.
Daarom, wanneer we de CO-concentratie verhogen, zal er consumptie zijn, maar niet op het punt dat het wordt lager dan de concentratie in de begintoestand, omdat het verbruik samen met een andere zal plaatsvinden onderdeel.
Reeds de concentratie van Cl2 wordt kleiner dan de oorspronkelijke, omdat het moest reageren met de toegevoegde hoeveelheid CO.
Vanaf de kruising van de twee stoffen werd de concentratie COCl verhoogd2, aangezien het het gevormde product is.
Deze veranderingen in de chemische balans zijn te zien in de onderstaande grafiek:
4. (UFV) De experimentele studie van een chemische reactie in evenwicht toonde aan dat de toename van temperatuur was gunstig voor de vorming van producten, terwijl de toename van de druk de vorming van reagentia. Op basis van deze informatie, en wetende dat A, B, C en D gassen zijn, markeert u het alternatief dat de bestudeerde vergelijking vertegenwoordigt:
| De) | ||
| B) | ||
| ç) | ||
| d) | ||
| en) |
Correct alternatief:
| De) |
Naarmate de temperatuur stijgt, absorbeert het systeem warmte om het evenwicht te herstellen en bevordert zo de endotherme reactie, waarvan de ∆H positief is.
De alternatieven die overeenkomen met het bevorderen van de vorming van producten door de temperatuur te verhogen zijn: a, b en d.
Wanneer de druk echter toeneemt, verschuift het evenwicht naar het kleinste volume, dat wil zeggen naar het volume met het kleinste aantal mol.
Om de reactie naar de reactanten te verplaatsen, is het noodzakelijk dat deze richting van de reactie een kleiner aantal mol heeft in verhouding tot de producten.
Dit wordt alleen waargenomen bij het eerste alternatief.
5. (UEMG) De volgende vergelijkingen vertegenwoordigen systemen in evenwicht. Wat is het enige systeem dat niet verschuift door drukverandering?
a) OS2(g) + 1/2 O2(g) SO3(g)
b) CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
c) Nee2(g) + 3 H2(g) ⇔ 2 NH3(g)
d) 2 CO2(g) ⇔ 2 CO(g) + O2(g)
Correct alternatief: b) CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
Wanneer een systeem de totale druk verandert, wordt de balans hersteld met de verandering in volume.
Als de druk toeneemt, neemt het volume af, waardoor het evenwicht verschuift naar het kleinste aantal mol.
Aan de andere kant, wanneer de druk afneemt, neemt het volume toe, waardoor de balans naar een groter aantal mol verschuift.
Maar als er hetzelfde aantal mol reagerende stoffen en producten is gevormd, is er geen manier om het evenwicht te verschuiven, omdat het volume niet verandert.
We kennen het aantal mol door de stoichiometrische coëfficiënten naast elke stof.
We kunnen dit zien in de alternatieve vergelijking
b) CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
waar 1 mol CO2 reageert met 1 mol H2 om 1 mol CO en 1 mol H. te vormen2O.
In beide richtingen van de reactie zijn er 2 mol, dus veranderingen in druk zouden het volume niet veranderen.
Bekijk meer vragen over verplaatsing van chemisch evenwicht, met becommentarieerde resolutie, in deze lijst die we hebben opgesteld: chemische balans oefeningen balance.
Wie was Le Chatelier?
