Η αρχή του Le Chatelier

Η αρχή του Le Chatelier προβλέπει την επίδραση μιας αλλαγής στο σύστημα σε δυναμική ισορροπία. Η αλλαγή των συνθηκών ενός συστήματος σε θερμοδυναμική ισορροπία (συγκέντρωση, θερμοκρασία, πίεση, όγκος κ.λπ.) προκαλεί το σύστημα να αντιδρά με τρόπο που αντισταθμίζει την αλλαγή και δημιουργεί μια νέα ισορροπία. Ενώ αρχικά περιγράφηκε για χημικές αντιδράσεις, η αρχή του Le Chatelier ισχύει επίσης για την ομοιόσταση στη βιολογία, την οικονομία, τη φαρμακολογία και άλλους κλάδους. Άλλα ονόματα για την αρχή του Le Chatelier είναι η αρχή του Chatelier ή ο νόμος της ισορροπίας.

Τα βασικά της Αρχής του Le Chatelier

• Η αρχή πιστώνεται στον Γάλλο χημικό Henry Louis Le Chatelier και μερικές φορές επίσης στον Γερμανό επιστήμονα Karl Ferdinand Braun, ο οποίος την ανακάλυψε ανεξάρτητα.
• Η αρχή του Le Chatelier σάς βοηθά να προβλέψετε την κατεύθυνση της απόκρισης σε μια αλλαγή στην ισορροπία.
• Η αρχή δεν εξηγεί τον λόγο για τον οποίο μετατοπίζεται η ισορροπία, αλλά μόνο η κατεύθυνση της μετατόπισης.
• Συγκέντρωση :Η αύξηση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων μετατοπίζει την ισορροπία για την παραγωγή περισσότερων προϊόντων. Η αύξηση της συγκέντρωσης των προϊόντων μετατοπίζει την ισορροπία για να δημιουργηθούν περισσότερα αντιδρώντα.
• Θερμοκρασία :Η κατεύθυνση της μετατόπισης της ισορροπίας που προκύπτει από μια αλλαγή θερμοκρασίας εξαρτάται από το ποια αντίδραση είναι εξώθερμη και ποια είναι ενδόθερμη. Η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την ενδόθερμη αντίδραση, ενώ η μείωση της θερμοκρασίας ευνοεί την εξώθερμη αντίδραση.
• Πίεση/Όγκος :Η αύξηση της πίεσης ή του όγκου ενός αερίου μετατοπίζει την αντίδραση προς την πλευρά με λιγότερα μόρια. Η μείωση της πίεσης ή του όγκου ενός αερίου μετατοπίζει την αντίδραση προς την πλευρά με περισσότερα μόρια.

Συγκέντρωση

Θυμηθείτε, η αρχή του Le Chatelier δηλώνει ότι η ισορροπία μετατοπίζεται προς την πλευρά μιας αναστρέψιμης αντίδρασης που αντιτίθεται στην αλλαγή. Η σταθερά ισορροπίας για την αντίδραση δεν αλλάζει.

Ως παράδειγμα, εξετάστε την αντίδραση ισορροπίας όπου το διοξείδιο του άνθρακα και το αέριο υδρογόνο αντιδρούν και σχηματίζουν μεθανόλη:

CO + 2 H₂ ⇌ CH₃ OH

Εάν αυξήσετε τη συγκέντρωση του CO (ένα αντιδρών), η ισορροπία μετατοπίζεται για να παραχθεί περισσότερη μεθανόλη (ένα προϊόν), μειώνοντας έτσι την ποσότητα του μονοξειδίου του άνθρακα. Η θεωρία σύγκρουσης εξηγεί τη διαδικασία. Όταν υπάρχει περισσότερο CO, η συχνότητα επιτυχών συγκρούσεων μεταξύ των μορίων των αντιδρώντων αυξάνεται, δημιουργώντας περισσότερο προϊόν. Η αύξηση της συγκέντρωσης του υδρογόνου έχει το ίδιο αποτέλεσμα.

Η μείωση της συγκέντρωσης μονοξειδίου του άνθρακα ή υδρογόνου έχει το αντίθετο αποτέλεσμα. Η ισορροπία μετατοπίζεται για να αντισταθμίσει τα ανηγμένα αντιδρώντα, ευνοώντας την αποσύνθεση της μεθανόλης στα αντιδρώντα της.

Η αύξηση της ποσότητας της μεθανόλης ευνοεί τον σχηματισμό αντιδρώντων. Η μείωση της συγκέντρωσης της μεθανόλης αυξάνει τον σχηματισμό της. Έτσι, η αφαίρεση ενός προϊόντος από ένα σύστημα βοηθά στην παραγωγή του.

Πίεση

Η αρχή του Le Chatelier προβλέπει τη μετατόπιση της ισορροπίας όταν αυξάνετε ή μειώνετε την πίεση μιας αντίδρασης που περιλαμβάνει αέρια. Σημειώστε ότι η σταθερά ισορροπίας για την αντίδραση δεν αλλάζει. Η αύξηση της πίεσης μετατοπίζει την αντίδραση με τρόπο που μειώνει την πίεση. Η μείωση της πίεσης μετατοπίζει την αντίδραση με τρόπο που αυξάνει την πίεση. Η πλευρά της αντίδρασης με περισσότερα μόρια ασκεί μεγαλύτερη πίεση από την πλευρά της αντίδρασης με λιγότερα μόρια. Ο λόγος είναι ότι όσο περισσότερα μόρια χτυπούν στα τοιχώματα ενός δοχείου, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση.

Για παράδειγμα, εξετάστε τη γενική αντίδραση:

A (g) + 2 B (g) ⇌ C (g) + D (g)

Υπάρχουν τρία mol αερίου (1 Α και 2 Β) στην αριστερή πλευρά του βέλους αντίδρασης (αντιδρώντα) και δύο γραμμομόρια αερίου (1 C και 1 D) στην πλευρά προϊόντος του βέλους αντίδρασης. Έτσι, αν αυξήσετε την πίεση της αντίδρασης, η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (λιγότερα moles, χαμηλότερη πίεση). Εάν αυξήσετε την πίεση της αντίδρασης, η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά (περισσότερα moles, υψηλότερη πίεση).

Προσθήκη αδρανούς αερίου, όπως ήλιο ή αργό, σε σταθερό όγκο δεν προκαλεί μετατόπιση της ισορροπίας. Ακόμα κι αν η πίεση αυξάνεται, το μη αντιδραστικό αέριο δεν συμμετέχει στην αντίδραση. Έτσι, η αρχή του Le Chatelier ισχύει όταν η μερική πίεση ενός αντιδραστηρίου ή ενός αερίου προϊόντος αλλάζει. Εάν προσθέσετε ένα αδρανές αέριο και αφήσετε τον όγκο του αερίου να αλλάξει, τότε η προσθήκη αυτού του αερίου μειώνει τη μερική πίεση όλων των αερίων. Σε αυτήν την περίπτωση, η ισορροπία μετατοπίζεται προς την πλευρά της αντίδρασης με τον μεγαλύτερο αριθμό γραμμομορίων.

Θερμοκρασία

Σε αντίθεση με την αλλαγή της συγκέντρωσης ή της πίεσης, η αλλαγή της θερμοκρασίας μιας αντίδρασης μετατοπίζει το μέγεθος της σταθεράς ισορροπίας. Η κατεύθυνση της μετατόπισης της ισορροπίας εξαρτάται από τη μεταβολή της ενθαλπίας της αντίδρασης. Σε μια αναστρέψιμη αντίδραση, η μία κατεύθυνση είναι μια εξώθερμη αντίδραση (εξάγει θερμότητα και έχει αρνητικό ΔΗ) και η άλλη κατεύθυνση είναι μια ενδόθερμη αντίδραση (απορροφά θερμότητα και έχει θετικό ΔΗ). Η προσθήκη θερμότητας σε μια αντίδραση (αύξηση της θερμοκρασίας) ευνοεί την ενδόθερμη αντίδραση. Η αφαίρεση της θερμότητας (μείωση της θερμοκρασίας) ευνοεί την εξώθερμη αντίδραση.

Για παράδειγμα, εξετάστε τη γενική αντίδραση:

A + 2 B ⇌ C + D; ΔH =-250 kJ/mol

Η μπροστινή αντίδραση (που σχηματίζει C και D) είναι εξώθερμη, με αρνητική τιμή ΔΗ. Έτσι, ξέρετε ότι η αντίστροφη αντίδραση (που σχηματίζει Α και Β) είναι ενδόθερμη. Εάν αυξήσετε τη θερμοκρασία της αντίδρασης, η ισορροπία μετατοπίζεται για να ευνοήσει την ενδόθερμη αντίδραση (C + D μορφή A + B). Εάν μειώσετε τη θερμοκρασία της αντίδρασης, η ισορροπία μετατοπίζεται για να ευνοήσει την εξώθερμη αντίδραση (το A + 2 B σχηματίζει το C + D).

Η Αρχή και οι Καταλύτες του Le Chatelier

Η αρχή του Le Chatelier δεν ισχύει για τους καταλύτες. Η προσθήκη ενός καταλύτη δεν μεταβάλλει την ισορροπία μιας χημικής αντίδρασης επειδή αυξάνει εξίσου τους ρυθμούς των μπροστινών και των αντίστροφων αντιδράσεων.

Παράδειγμα του βασικού προβλήματος του Le Chatelier

Για παράδειγμα, προβλέψτε το αποτέλεσμα όταν συμβαίνουν αλλαγές στην αντίδραση όπου αέριο SO₃ αποσυντίθεται σε SO₂ και O₂ :

2 SO₃ (ζ) ⇌ 2 SO₂ (ζ) + O₂ (σολ); ΔΗ =197,78 kJ/mol

(α) Τι συμβαίνει εάν αυξήσετε τη θερμοκρασία της αντίδρασης;

Η μετατόπιση της ισορροπίας ευνοεί την προς τα εμπρός αντίδραση επειδή η αντίδραση αποσύνθεσης είναι ενδόθερμη.

(β) Τι συμβαίνει εάν αυξήσετε την πίεση στην αντίδραση;

Η αύξηση της πίεσης ευνοεί την πλευρά της αντίδρασης με λιγότερα moles αερίου επειδή μειώνει την πίεση, έτσι η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά (το αντιδρών, SO₃ ).

(γ) Τι θα συμβεί εάν προσθέσετε περισσότερα O₂ στην αντίδραση σε ισορροπία;

Η προσθήκη περισσότερου οξυγόνου μετατοπίζει την ισορροπία προς το σχηματισμό του αντιδρώντος (SO₃ ).

(δ) Τι θα συμβεί αν καταργήσετε το SO₂ από την αντίδραση σε ισορροπία;

Κατάργηση SO₂ μετατοπίζει την ισορροπία προς το σχηματισμό των γινομένων (SO₂ και O₂ ).

Αναφορές

• Atkins, P.W. (1993). Τα Στοιχεία της Φυσικής Χημείας (3η έκδ.). Oxford University Press.
• Callen, H.B. (1985). Θερμοδυναμική και Εισαγωγή στη Θερμοστατική (2η έκδ.) Νέα Υόρκη:Wiley. ISBN 0-471-86256-8.
• Le Chatelier, H.; Boudouard, O. (1898), «Limits of Flammability of Gaseous Mixtures». Bulletin de la Société Chimique de France (Παρίσι). 19:483–488.
• Münster, Α. (1970). Κλασική Θερμοδυναμική (μετάφραση E.S. Halberstadt). Wiley–Interscience. Λονδίνο. ISBN 0-471-62430-6.
• Samuelson, Paul A (1983). Βάσεις οικονομικής ανάλυσης . Harvard University Press. ISBN 0-674-31301-1.