Zasada Le Chatelier opisuje reakcję układu w równowadze, aby przeciwdziałać skutkom powodowanych przez czynnik zewnętrzny. Został sformułowany w 1888 roku przez francuskiego chemika Henry'ego Louisa Le Chateliera. Jest stosowany do każdej reakcji chemicznej, która jest w stanie osiągnąć równowagę w układach zamkniętych.

Co to jest system zamknięty? To taki, w którym zachodzi transfer energii między jego granicami (na przykład sześcian), ale nie materii. Aby jednak dokonać zmiany w systemie, konieczne jest jego otwarcie, a następnie ponowne zamknięcie, aby zbadać, jak reaguje na zakłócenie (lub zmianę).

Henry Louis Le Chatelier

Zamknięty system powróci do stanu równowagi i dzięki tej zasadzie można przewidzieć sposób jego osiągnięcia. Czy nowa równowaga jest taka sama jak stara? Zależy to od czasu, w którym system jest narażony na zakłócenia zewnętrzne; jeśli trwa wystarczająco długo, nowa równowaga jest inna.

Z czego to się składa?

Następujące równanie chemiczne odpowiada reakcji, która osiągnęła równowagę:

aA + bB <=> cC + dD

W tym wyrażeniu a, b, c i d są współczynnikami stechiometrycznymi. Ponieważ układ jest zamknięty, żadne reagenty (A i B) ani produkty (C i D) nie wchodzą z zewnątrz, które zakłócają równowagę.

Ale co dokładnie oznacza równowaga? Po ustawieniu szybkości reakcji do przodu (w prawo) i do tyłu (w lewo) wyrównują się. W konsekwencji stężenia wszystkich gatunków pozostają stałe w czasie.

Powyższe można rozumieć w ten sposób: gdy tylko małe A i B zareagują, aby wytworzyć C i D, reagują ze sobą w tym samym czasie, aby zregenerować zużyte A i B i tak dalej, dopóki system pozostaje w równowadze.

Jednak gdy w układzie zostanie zastosowane zaburzenie - czy to przez dodanie A, ciepła, D, czy przez zmniejszenie objętości - zasada Le Chateliera przewiduje, jak zachowa się on, aby przeciwdziałać wywołanym efektom, chociaż nie wyjaśnia mechanizmu molekularne, pozwalając mu na powrót do równowagi.

Zatem w zależności od dokonanych zmian można faworyzować sens reakcji. Na przykład, jeśli pożądanym związkiem jest B, dokonuje się takiej zmiany, że równowaga przesuwa się do jego tworzenia.

Czynniki modyfikujące równowagę chemiczną

Aby zrozumieć zasadę Le Chateliera, doskonałym przybliżeniem jest założenie, że równowaga składa się ze skali.

Patrząc z tej metody, odczynniki waży się na lewej szalce (lub koszu), a produkty na prawej szalce. Stąd przewidywanie odpowiedzi systemu (równowagi) staje się łatwe.

Zmiany koncentracji

aA + bB <=> cC + dD

Podwójna strzałka w równaniu reprezentuje rdzeń wagi, a podkreślone naczynia. Jeśli więc do systemu zostanie dodana pewna ilość (gramy, miligramy itp.) A, na prawej szalce będzie więcej ciężaru i waga przechyli się na tę stronę.

W rezultacie spodek C + D unosi się; innymi słowy, zyskuje na znaczeniu w porównaniu do dania A + B. Innymi słowy: po dodaniu A (tak jak w przypadku B) saldo przesuwa produkty C i D w górę.

W kategoriach chemicznych równowaga kończy się przesunięciem w prawo: w kierunku produkcji większej ilości C i D.

W przypadku dodania do systemu ilości C i D jest odwrotnie: lewa szalka staje się cięższa, powodując podniesienie prawej szalki.

Ponownie powoduje to wzrost stężeń A i B; dlatego też następuje przesunięcie równowagi w lewo (reagenty).

Zmiany ciśnienia lub objętości

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

Zmiany ciśnienia lub objętości wywołane w systemie mają znaczący wpływ tylko na gatunki w stanie gazowym. Jednak w przypadku wyższego równania chemicznego żadna z tych zmian nie zmieniłaby równowagi.

Czemu? Ponieważ całkowita liczba moli gazu po obu stronach równania jest taka sama.

Bilans będzie starał się zrównoważyć zmiany ciśnienia, ale ponieważ obie reakcje (bezpośrednia i odwrotna) wytwarzają taką samą ilość gazu, pozostaje on niezmieniony. Na przykład dla następującego równania chemicznego równowaga reaguje na te zmiany:

aA (g) + bB (g) <=> eE (g)

Tutaj, w obliczu spadku objętości (lub wzrostu ciśnienia) w systemie, waga podniesie szalkę, aby zmniejszyć ten efekt.

W jaki sposób? Zmniejszenie ciśnienia poprzez tworzenie E. Dzieje się tak dlatego, że ponieważ A i B wywierają większy nacisk niż E, reagują zmniejszając swoje stężenie i zwiększając stężenie E.

Podobnie zasada Le Chateliera przewiduje efekt wzrostu głośności. Kiedy to nastąpi, równowaga musi przeciwdziałać temu efektowi, sprzyjając tworzeniu się bardziej gazowych moli, które przywracają utratę ciśnienia; tym razem przesuwając wagę w lewo podnosząc szalkę A + B.

Zmiany temperatury

Ciepło można uznać zarówno za reaktywne, jak i produktowe. Dlatego w zależności od entalpii reakcji (ΔHrx), reakcja jest egzotermiczna lub endotermiczna. Następnie ciepło jest umieszczane po lewej lub prawej stronie równania chemicznego.

aA + bB + ciepło <=> cC + dD (reakcja endotermiczna)

aA + bB <=> cC + dD + ciepło (reakcja egzotermiczna)

Tutaj ogrzewanie lub chłodzenie systemu generuje takie same reakcje, jak w przypadku zmian stężeń.

Na przykład, jeśli reakcja jest egzotermiczna, chłodzenie układu sprzyja przesunięciu równowagi w lewo; podczas gdy jest podgrzewany, reakcja przebiega z większą tendencją w prawo (A + B).

Aplikacje

Wśród jego niezliczonych zastosowań, biorąc pod uwagę fakt, że wiele reakcji osiąga równowagę, są następujące:

W trakcie Habera

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (egzotermiczny)

Górne równanie chemiczne odpowiada tworzeniu się amoniaku, jednego z głównych związków wytwarzanych na skalę przemysłową.

Tutaj idealnymi warunkami do uzyskania NH ₃ są te, w których temperatura nie jest zbyt wysoka, a także tam, gdzie występują wysokie poziomy ciśnienia (200 do 1000 atm).

W ogrodnictwie

Fioletowe hortensje (górne zdjęcie) tworzą równowagę z glinem (Al ³⁺ ) obecnym w glebie. Obecność tego metalu, kwasu Lewisa, powoduje ich zakwaszenie.

Jednak na glebach podstawowych kwiaty hortensji są czerwone, ponieważ glin jest w nich nierozpuszczalny i nie może być przez roślinę wykorzystany.

Ogrodnik zaznajomiony z zasadą Le Chatelier mógłby zmienić kolor swoich hortensji, sprytnie zakwaszając glebę.

W tworzeniu jaskiń