Principen för Le Chatelier

Den franska kemisten Henri Louis Le Chatelier skapade en av de mest kända kemilagarna som förutsäger svaret från det kemiska systemet i jämvikt när det utsätts för en förändring.

Med resultaten av sina studier formulerade han en generalisering för kemisk jämvikt som säger följande:

"När en extern faktor verkar på ett system i jämvikt rör sig den, alltid i betydelsen att minimera effekten av den tillämpade faktorn."

När balansen i ett kemiskt system störs fungerar systemet för att minimera denna störning och återställa stabiliteten.

Därför presenterar systemet:

• ett initialt tillstånd av jämvikt.
• ett "obalanserat" tillstånd med förändring av en faktor.
• ett nytt tillstånd av jämvikt som motsätter sig förändring.

Exempel på yttre störningar som kan påverka kemisk balans är:

Faktor	Störning	Det är gjort
Koncentration	Öka	Konsumera ämnet
Minska	ämnet produceras
Tryck	Öka	Flyttar till minsta volym
Minska	Flyttar till högsta volym
Temperatur	Öka	Absorberar värme och ändrar jämviktskonstanten
Minska	Släpper ut värme och ändrar jämviktskonstanten
Katalysator	Närvaro	Reaktionen snabbar upp

Denna princip är av stor betydelse för den kemiska industrin, eftersom reaktionerna kan manipuleras och göra processer mer effektiva och ekonomiska.

Ett exempel på detta är den process som utvecklats av Fritz Haber, som med hjälp av Le Chateliers princip ekonomiskt skapade en väg för produktion av ammoniak från atmosfäriskt kväve.

Därefter ska vi titta på kemisk jämvikt enligt Chateliers lag och hur störningar kan förändra den.

veta mer om:

• Kemisk balans
• Jonisk balans
• Syrabasindikatorer

Koncentrationseffekt

När det finns en kemisk balans är systemet balanserat.

Systemet i jämvikt kan drabbas av:

• Vi ökar koncentrationen av en komponent i reaktionen.
• Vi sänker koncentrationen av en komponent i reaktionen.

När vi lägger till eller tar bort ett ämne från den kemiska reaktionen motsätter sig systemet förändringen, konsumerar eller producerar mer av den föreningen så att balansen återställs.

Koncentrationerna av reaktanter och produkter förändras för att anpassa sig till en ny jämvikt, men jämviktskonstanten förblir densamma.

Exempel:

I balans:

Reaktionen har en högre koncentration av produkter, för genom den blå färgningen av lösningen ser vi att [CoCl-komplexet₄]^-2 dominerar.

Vatten är också en produkt av den direkta reaktionen och när vi ökar koncentrationen i lösningen motsätter sig systemet förändringen, vilket får vattnet och komplexet att reagera.

Jämvikten förskjuts åt vänster, omvänd reaktionsriktning och får koncentrationen av reaktanter att öka, vilket ändrar färg på lösningen.

Effekt av temperatur

Systemet i jämvikt kan drabbas av:

• Systemtemperaturen ökar.
• Systemtemperaturen minskar.

När du lägger till eller tar bort energi från ett kemiskt system motsätter sig systemet förändringen, absorberar eller släpper ut energi så att balansen återställs.

När systemet varierar temperaturen, förskjuts den kemiska balansen enligt följande:

Genom att öka temperaturen gynnas den endotermiska reaktionen och systemet absorberar värme.

Å andra sidan, när temperaturen sänks, gynnas den exoterma reaktionen och systemet släpper ut värme.

Exempel:

I kemisk balans:

När vi placerar provröret som innehåller detta system i en bägare med varmt vatten ökar systemets temperatur och jämvikten förskjuts och bildar fler produkter.

Detta beror på att den direkta reaktionen är endoterm och systemet kommer att återupprättas genom att absorbera värme.

Dessutom ändrar temperaturvariationer också jämviktskonstanterna.

Tryckeffekt

Systemet i jämvikt kan drabbas av:

• Det totala systemtrycket ökar.
• Det totala systemtrycket minskar.

När vi ökar eller minskar trycket i ett kemiskt system, motsätter sig systemet förändringen och förskjuter balans i betydelsen mindre eller större volym, men ändrar inte jämviktskonstanten.

När systemet varierar volymen minimerar det effekten av det applicerade trycket, enligt följande:

Ju större tryck som appliceras på systemet, kommer volymen att krympa och jämvikten förskjuts mot det lägre antalet mol.

Men om trycket minskar expanderar systemet, ökar volymen och reaktionsriktningen flyttas till den med högst antal mol.

Exempel:

Vår kropps celler får syre genom kemisk balans:

Detta system upprättas när syret i luften vi andas in kommer i kontakt med det hemoglobin som finns i blodet, vilket ger upphov till oxihemoglobin, som transporterar syret.

När en person klättrar på ett berg, desto högre höjd som nås, desto lägre är O och partialtrycket₂ uppe i luften.

Balansen som transporterar syre i kroppen förskjuts åt vänster och minskar mängden oxi-hemoglobin, vilket äventyrar mängden syre som cellerna tar emot.

Resultatet av detta är uppkomsten av yrsel och trötthet, som till och med kan leda till döden.

Kroppen försöker reagera genom att producera mer hemoglobin. Detta är dock en långsam process som kräver inställning på höjd.

Därför är de som kan klättra upp på Mount Everest de som är bäst lämpade för extrem höjd.

Katalysatorer

Användningen av en katalysator stör reaktionshastigheten, både i direkt och omvänd reaktion.

För att en reaktion ska inträffa är det nödvändigt att nå ett minimum av energi för att molekylerna ska kollidera och reagera effektivt.

När katalysatorn sätts in i det kemiska systemet verkar den genom att minska denna aktiveringsenergi genom att bilda ett aktiverat komplex och skapa en kortare väg för att nå kemisk balans.

Genom att öka reaktionshastigheterna lika minskar det den tid som krävs för att nå jämvikt, vilket kan ses i följande diagram:

Användningen av katalysatorer ändrar dock inte reaktionsutbytet eller jämviktskonstanten eftersom det inte stör blandningens sammansättning.

ammoniaksyntes

Kvävebaserade föreningar används i stor utsträckning bland jordbruksgödselmedel, sprängämnen, läkemedel. På grund av detta faktum produceras miljontals ton kväveföreningar, såsom NH-ammoniak₃NH-ammoniumnitrat₄VID₃ och urea H₂NCONH₂.

På grund av den globala efterfrågan på kväveföreningar, främst för jordbruksverksamhet, Chiles NaNO saltpeter₃, den viktigaste källan till kväveföreningar, användes mest fram till början av 1900-talet, men naturlig saltpeter skulle inte kunna tillgodose den nuvarande efterfrågan.

Det är intressant att notera att atmosfärisk luft är en blandning av gaser, som består av mer än 70% kväve N₂. Men på grund av stabiliteten hos trippelbindningen det blir en mycket svår process att bryta denna bindning för att bilda nya föreningar.

Lösningen på detta problem föreslogs av den tyska kemisten Fritz Haber. Syntesen av ammoniak som föreslås av Haber ger följande kemiska balans:

För att kunna implementeras industriellt blev denna process perfekt av Carl Bosch och är den hittills mest använda för att fånga kväve från luften med fokus på att erhålla kväveföreningar.

Med Le Chateliers princip kan kemisk balans ökas när:

Lägg till H₂ och får systemet att motsätta sig förändringen och reagera för att sänka koncentrationen av den reaktanten.

Således har H₂ och nej₂ de konsumeras samtidigt för att producera mer produkt och skapa ett nytt jämviktstillstånd.

På samma sätt flyttas balansen åt höger när man tillsätter mer kväve.

Industriellt förskjuts balansen genom kontinuerligt avlägsnande av NH₃ genom selektiv flytning, vilket ökar reaktionsutbytet, eftersom balansen som ska återställas tenderar att bilda mer produkt.

Haber-Bosch-syntes är en av de viktigaste tillämpningarna av kemiska jämviktsstudier.

På grund av relevansen av denna syntes fick Haber Nobelpriset i kemi 1918 och Bosch tilldelades priset 1931.

Balansskiftövningar

Nu när du vet hur du ska tolka de förändringar som kan uppstå i kemisk balans, använd dessa vestibulära frågor för att testa din kunskap.

1. (UFPE) De mest lämpliga antacida bör vara de som inte minskar surheten i magen för mycket. När minskningen av surhetsgrad är för stor utsöndrar magen överflödig syra. Denna effekt är känd som "syra-omkamp". Vilka av objekten nedan kan associeras med denna effekt?

a) Lagen om energibesparing.
b) Pauli-uteslutningsprincipen.
c) Principen för Le Chatelier.
d) Den första principen för termodynamik.
e) Heisenbergs osäkerhetsprincip.

Se Svar

Rätt alternativ: c) Le Chateliers princip.

Antacida är svaga baser som fungerar genom att öka mags pH och därmed minska surheten.

Minskningen i surhetsgrad sker genom neutralisering av saltsyran som finns i magen. Men genom att minska surheten för mycket kan det skapa en obalans i kroppen, eftersom magen fungerar i en sur miljö.

Som framgår av Le Chateliers princip, när ett jämviktssystem utsätts för en störning, kommer det att finnas motstånd mot denna förändring så att jämvikten återställs.

På detta sätt kommer kroppen att producera mer klorvätesyra som producerar "acid rematch" -effekten.

De andra principerna som presenteras i alternativen handlar om:

a) Lagen om energibesparing: i en serie transformationer sparas systemets totala energi.
b) Pauli-uteslutningsprincipen: i en atom kan två elektroner inte ha samma uppsättning kvantnummer.
d) Den första principen för termodynamik: variationen i systemets interna energi är skillnaden mellan värmeväxling och utfört arbete.
e) Heisenbergs osäkerhetsprincip: det är inte möjligt att bestämma hastigheten och positionen för en elektron vid något givet ögonblick.

2. (UFMG) Molekylärt väte kan erhållas industriellt genom att behandla metan med vattenånga. Processen innefattar följande endotermiska reaktion

Beträffande systemet i jämvikt kan det korrekt anges att:

a) närvaron av en katalysator påverkar blandningens sammansättning.
b) närvaron av en katalysator påverkar jämviktskonstanten.
c) ökningen av trycket minskar mängden CH_4(g).
d) temperaturökningen påverkar jämviktskonstanten.
e) temperaturökningen minskar mängden CO_(g) .

Se Svar

Rätt alternativ: d) temperaturökningen påverkar jämviktskonstanten.

När temperaturen höjs kommer den direkta reaktionen, som är endoterm, att påverkas, för att återställa balansen kommer systemet att absorbera energi och flytta balansen åt höger.

Om du flyttar balansen i direkt riktning ökar mängden formade produkter.

Jämviktskonstanten är direkt proportionell mot koncentrationen av produkter: ju större kvantitet produkter, desto större är konstantens värde.

Vi kan då konstatera att temperaturökningen ökar mängden CO och H₂.

Ökningen av trycket förskjuter jämvikten till den omvända reaktionen, eftersom jämvikten förskjuts mot det lägsta antalet mol. Med det, mängden CH₄ och H₂Den är förstärkt.

Användningen av katalysator stör inte jämviktskonstanten och sammansättningen av blandningen. Det kommer bara att agera för att göra balansen snabbare.

3. (UFC) I studien av verkan av COCl-giftgas₂, som används som kemiskt vapen, observeras nedbrytningsprocessen enligt reaktionen:

Med utgångspunkt från en jämviktssituation tillsattes 0,10 mol CO och systemet nådde efter en tid en ny jämviktssituation. Välj det alternativ som anger hur de nya jämviktskoncentrationerna är relaterade till de gamla.

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
De)	ny> gammal	ny> gammal	ny
B)	ny> gammal	ny> gammal	ny> gammal
ç)	ny	ny> gammal	ny
d)	ny> gammal	ny	ny
och)	samma	samma	samma

Se Svar

Rätt alternativ:

[COCl2]	[CO]	[Cl2]
De)

När ett nytt ämne tillsätts konsumerar systemet ämnet för att återställa balansen, eftersom dess koncentration har ökat.

Denna konsumtion sker genom att ämnet reagerar med den andra föreningen, vilket skapar mer produkt.

Därför, när vi ökar koncentrationen av CO, kommer det att finnas konsumtion, men inte så långt det blir lägre än koncentrationen i initialt tillstånd, eftersom dess konsumtion kommer att ske tillsammans med en annan komponent.

Redan koncentrationen av Cl₂ blir mindre än den ursprungliga eftersom den var tvungen att reagera med mängden tillsatt CO.

Från korsningen av de två substanserna ökade koncentrationen av COCl₂, eftersom det är den bildade produkten.

Dessa förändringar i kemisk balans kan ses i diagrammet nedan:

4. (UFV) Den experimentella studien av en kemisk reaktion i jämvikt visade att ökningen av temperatur gynnade bildandet av produkter, medan tryckökningen gynnade bildandet av reagens. Baserat på denna information, och att veta att A, B, C och D är gaser, markera alternativet som representerar den studerade ekvationen:

De)
B)
ç)
d)
och)

Se Svar

Rätt alternativ:

De)

När temperaturen ökar absorberar systemet värme för att återställa balansen och gynnar därmed den endotermiska reaktionen, vars ∆H är positiv.

De alternativ som motsvarar att gynna bildandet av produkter genom att höja temperaturen är: a, b och d.

Men när trycket ökar, rör sig jämvikten mot den minsta volymen, det vill säga den med det minsta antalet mol.

För att reaktionen ska kunna förflyttas mot reaktanterna är det nödvändigt att denna riktning i reaktionen har ett mindre antal mol i förhållande till produkterna.

Detta observeras bara i det första alternativet.

5. (UEMG) Följande ekvationer representerar system i jämvikt. Vilket är det enda systemet som inte förändras av tryckförändringar?

a) OS_{2 (g)} + 1/2 O_{2 (g)} ⇔ SÅ_3(g)
b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)
c) Nej_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} NH 2 NH_3(g)
d) 2 CO_{2 (g)} CO 2 CO_(g) + O_{2 (g)}

Se Svar

Rätt alternativ: b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)

När ett system ändrar det totala trycket återställs balansen med volymförändringen.

Om trycket ökar minskar volymen och flyttar jämvikten till det minsta antalet mol.

Å andra sidan, när trycket minskar, ökar volymen och flyttar balansen mot ett större antal mol.

Men när det bildas samma antal mol reagerande ämnen och produkter finns det inget sätt att flytta jämvikten, eftersom volymen inte förändras.

Vi känner till antalet mol med de stökiometriska koefficienterna bredvid varje ämne.

Vi kan se detta i den alternativa ekvationen

b) CO_{2 (g)} + H_{2 (g)} ⇔ CO_(g) + H₂O_(g)

där 1 mol CO₂ reagerar med 1 mol H₂ för att bilda 1 mol CO och 1 mol H₂O.

I båda reaktionsriktningarna finns 2 mol, så tryckförändringar skulle inte ändra volymen.

Kolla in fler frågor om kemisk jämviktsförskjutning, med kommenterad upplösning, i den här listan har vi förberett: kemiska balansövningar.

Vem var Le Chatelier?