Η αρχή του Le Chatelier

Η αρχή του Le Chatelier, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο μια αύξηση της θερμοκρασίας, της ποσότητας ή της δύναμης θα επηρεάσει την κατάσταση ισορροπίας σε μια χημική διεργασία. Η έννοια πήρε το όνομά του από τον Γάλλο φυσικό Henry Louis Le Chatelier.

. Αυτό είναι κρίσιμο, ειδικά σε βιομηχανικές καταστάσεις όπου οι αποδόσεις πρέπει να προβλέπονται και να διατηρούνται με ακρίβεια.

Πίεση του Le Chatelier's Principle

Σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, η μόνη μέθοδος για την επίτευξη ισορροπίας είναι η ενίσχυση της παραγωγής. Όταν αυξάνεται η ποσότητα του αντιδρώντος, ενθαρρύνεται η μπροστινή απόκριση. Η ισορροπία της απόκρισης μετατοπίζεται προς τη χρήση του μίγματος αντίδρασης στη σύνθεση, με αποτέλεσμα τη μείωση του μίγματος της αντίδρασης.

Ομοίως, η προσθήκη προϊόντος (διαπερατότητας) θα ενισχύσει την αντίστροφη αντιδραστικότητα, προκαλώντας πτώση των συγκεντρώσεων του προϊόντος. Όταν το ποσοστό του αντιδρώντος πέφτει, η ισορροπία κάθε αντίδρασης μετατοπίζεται προς τη σύνθεση χημικών συστατικών και η ποσότητα των αντιδρώντων αυξάνεται.

Επεξήγηση 

2SO2(g) + O2(g) ⇋ 2SO3(g)

Εάν η συγκέντρωση του αντιδρώντος αυξηθεί, η ισορροπία θα κινηθεί προς την άλλη κατεύθυνση.

• Η μελλοντική απάντηση είναι πιο πιθανή.
• Μερικά από τα SO2 ή O2 σχηματίζουν SO3.
• Η ισορροπία της αντίδρασης μετατοπίζεται από την άλλη πλευρά.

Εάν το ποσοστό του αντιδραστηρίου πέσει, η ισορροπία θα αλλάξει προς όφελος της αύξησης της συγκέντρωσης του υποστρώματος.

• Μερικά από τα SO3 θα άλλαζαν σε SO2 ή O2.
• Η ισορροπία της αντίδρασης μετατοπίζεται προς τα αριστερά.

Εάν η συγκέντρωση του αντιδραστηρίου μειωθεί,

• Η ισορροπία της αντίδρασης μετατοπίζεται για να αυξηθεί η συγκέντρωση του τριοξειδίου του θείου.
• Αύξηση του ρυθμού προώθησης απόκρισης.
• Μερικά από τα SO2 ή O2 σχηματίζουν SO3.
• Η ισορροπία της αντίδρασης μετατοπίζεται προς τα δεξιά.

Εάν η συγκέντρωση του προϊόντος αυξηθεί,

• Η ισορροπία της αντίδρασης αλλάζει για να ελαχιστοποιηθεί η έκθεση στο τριοξείδιο του θείου.
• Μια επιπλέον αύξηση της αντίστροφης αντίδρασης.
• Μερικά από τα SO3 θα άλλαζαν σε SO2 ή O2.
• Η ισορροπία της αντίδρασης μετατοπίζεται προς τα αριστερά.

Οι αλλαγές στον όγκο, την ταχύτητα ή το αδρανές αέριο επηρεάζουν την ισορροπία και το σχηματισμό προϊόντος.

Kp =Kc (RT)n 

Kp =Σταθερά ισορροπίας ως προς την πίεση

Kc =Σταθερά ισορροπίας ως προς τη συγκέντρωση

R =Σταθερά αερίου

T =Θερμοκρασία

n =Αέρια mole προϊόντος – Αέρια mole αντιδραστηρίου

Οι αντιδράσεις υγρών και στερεών δεν επηρεάζονται από αλλαγές στον όγκο, την πίεση ή τα αδρανή αέρια. Μπορεί να έχουν επηρεάσει τις αέριες διεργασίες, αλλά μόνο εάν η αύξηση του αριθμού των μορίων ενζύμου και υποστρώματος (n) είναι μεγαλύτερη από το μηδέν.

Όταν το n ισούται με 0:

Η αύξηση του όγκου, της πίεσης ή του αδρανούς αερίου δεν επηρεάζει την Ισορροπία και το Σχηματισμό Προϊόντος σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier.

Όταν το n ισούται με θετικό:

Η δημιουργία του προϊόντος θα επιβραδυνθεί με αύξηση της πίεσης ή μείωση όγκου. Αντίθετα, η μείωση της πίεσης ή η αύξηση του όγκου θα έχει το αντίθετο αποτέλεσμα της ενίσχυσης της παραγωγής προϊόντων.

Τα ανενεργά αέρια δεν συμμετέχουν στη διαδικασία και χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για την αύξηση του όγκου ή της πίεσης.

• Η έγχυση αδρανούς αερίου σε σταθερή πίεση αυξάνει τον όγκο και τον σχηματισμό προϊόντος.
• Η έγχυση αδρανούς αερίου σε σταθερό όγκο αυξάνει την πίεση και μειώνει την παραγωγή προϊόντος.
• Σε οποιαδήποτε χημική διεργασία σε ισορροπία, η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά, προς τα προϊόντα, όταν προστίθενται ή αφαιρούνται αντιδρώντα ή προϊόντα. Όταν αφαιρείτε ένα αντιδρών ή προσθέτετε ένα προϊόν, η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά προς τα αντιδρώντα.

PCl5  ⇆  PCl3 + Cl2

• n =+1 στη διάσπαση του πενταχλωριούχου φωσφόρου.
• Η διάσπαση του PCl5 επιβραδύνεται από την αύξηση της πίεσης ή τη μείωση του όγκου.
• Η εισαγωγή αδρανούς αερίου προάγει την παραγωγή PCl5 σε τυπικές συνθήκες.
• Η έγχυση αδρανούς αερίου μειώνει την παραγωγή PCl5 σε συγκεκριμένο όγκο.

Όταν το n ισούται με Αρνητικό:

Σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, μια κλίση πίεσης ή μια μείωση του όγκου θα έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία περισσότερων προϊόντων.

• Σε τυπικές συνθήκες, η προσθήκη αδρανούς αερίου αυξάνει τον όγκο και μειώνει την παραγωγή προϊόντος.
• Η έγχυση αδρανούς αερίου σε συγκεκριμένο όγκο αυξάνει την πίεση, γεγονός που αυξάνει τον σχηματισμό του προϊόντος.

N2 + 3H2 ⇋ 2NH3

• n =-2 στην παραγωγή αμμωνίας, η παραγωγή αμμωνίας επιταχύνεται από την εφαρμοζόμενη πίεση ή τη μείωση του όγκου.
• Η χρήση αδρανούς αερίου μειώνει την παραγωγή αμμωνίας σε αμείλικτη πίεση.
• Η προσθήκη αδρανούς αερίου σε σταθερό όγκο ενισχύει την παραγωγή αμμωνίας.

Η βασική αλλαγή θερμοκρασίας του Le Chatelier στις συνθήκες ισορροπίας και διεργασίας

Οι μεμονωμένες αντιδράσεις σε ισορροπία μπορεί να είναι ενδόθερμες ή εξώθερμες. Ομοίως, η βασική θερμοκρασία του Le Chatelier μπορεί να κάνει τις αναστρέψιμες διεργασίες να είναι θερμοδυναμικά ευνοϊκές σε κατάσταση ισορροπίας.

Στην ισορροπία πυρόλυσης, η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την παραγωγή προϊόντος και η πτώση της θερμοκρασίας ενισχύει τη δημιουργία προϊόντος, σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier.

Η αύξηση της συχνότητας προωθεί την παραγωγή προϊόντος σε ενδόθερμες διεργασίες, ενώ η πτώση της θερμοκρασίας εμποδίζει τη δημιουργία προϊόντος.

Το ΔΗ θα είναι αρνητικό σε μια εξώθερμη ισορροπία. Η βασική αύξηση της θερμοκρασίας του Le Chatelier πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα πτώση του K2 ή η πτώση της θερμοκρασίας πρέπει να αυξήσει το K2. Μια ενδόθερμη αντίδραση είναι το αντίστροφο μιας εξώθερμης διαδικασίας.

Παράδειγμα:

Εξετάστε την ακόλουθη αντίδραση:

N2(g)+ 3H2(g) ⇋ 2NH3(g) ΔH=−92kJ

Αύξηση θερμοκρασίας

• Αυτό προτιμά μια ενδοθερμική απόκριση επειδή λαμβάνει ενέργεια.
• Μια χημική αλλαγή είναι μια προτιμώμενη αντίστροφη αντίδραση.
• Η απόδοση του προϊόντος (NH3) μειώνεται.

Μείωση θερμοκρασίας

Επειδή παράγει ενέργεια, προτιμάται η αύξηση της θερμοκρασίας.

• Οι εξώθερμες αντιδράσεις είναι οι μπροστινές αντιδράσεις που προτιμώνται.
• Η απόδοση του προϊόντος (NH3) αυξάνεται.

Συμπέρασμα

Όταν εφαρμόζεται σε μικροσκοπικές αλλαγές σε ένα σύστημα ισορροπίας, η αρχή του Le Chatelier φαίνεται ότι δεν έχει εξαιρέσεις. Ο καταλύτης είναι ένα υλικό που τροποποιεί τον ρυθμό των αντιδράσεων (αυξάνεται ή μειώνεται) χωρίς να συμμετέχει ποσοτικά στη διαδικασία. Η ταχύτητα ανάπτυξης σε μια αναστρέψιμη αντίδραση θα είναι η ίδια για τις αλληλεπιδράσεις προώθησης και προς τα πίσω.

Η ισορροπία της κινητικής της αντίδρασης παραμένει στατική, όπως και η σταθερά ισορροπίας. Έτσι, σύμφωνα με τις αρχές του Le Chatelier, η διαθεσιμότητα του καταλύτη θα επιτάχυνε ή θα καθυστερούσε την προσέγγιση ισορροπίας, αλλά δεν θα επηρεάσει τη συγκέντρωση του διαλύματος.