หลักการของ Le Chatelier: ประกอบด้วยและการใช้งานอะไรบ้าง

หลักการของ Le Chatelier อธิบายการตอบสนองของระบบที่สมดุลเพื่อตอบโต้ผลกระทบที่เกิดจากตัวแทนภายนอก มันถูกกำหนดในปี 1888 โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศส Henry Louis Le Chatelier มันถูกนำไปใช้สำหรับปฏิกิริยาทางเคมีใด ๆ ที่สามารถบรรลุความสมดุลในระบบปิด

ระบบปิดคืออะไร? มันคือที่ที่มีการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเส้นขอบของมัน (ตัวอย่างเช่นลูกบาศก์) แต่ไม่ใช่ของสสาร อย่างไรก็ตามเพื่อออกแรงเปลี่ยนแปลงระบบจำเป็นต้องเปิดแล้วปิดอีกครั้งเพื่อศึกษาวิธีตอบสนองต่อการรบกวน (หรือเปลี่ยนแปลง)

เมื่อปิดแล้วระบบจะกลับสู่สมดุลและวิธีการบรรลุเป้าหมายนั้นสามารถทำนายได้ด้วยหลักการนี้ ดุลยภาพใหม่เหมือนกับก่อนหน้านี้หรือไม่? ขึ้นอยู่กับเวลาที่ระบบถูกรบกวนจากภายนอก หากใช้เวลานานพอยอดคงเหลือใหม่จะแตกต่างกัน

มันประกอบด้วยอะไร?

สมการทางเคมีต่อไปนี้สอดคล้องกับปฏิกิริยาที่มีความสมดุล:

aA + bB cC + dD

ในนิพจน์นี้ a, b, c และ d คือสัมประสิทธิ์ stoichiometric เนื่องจากระบบปิดตัวลงไม่มีตัวทำปฏิกิริยา (A และ B) หรือผลิตภัณฑ์ (C และ D) ที่รบกวนความสมดุลที่เข้ามาจากด้านนอก

แต่ความสมดุลหมายถึงอะไรกันแน่? เมื่อสิ่งนี้ถูกสร้างขึ้นความเร็วของปฏิกิริยาโดยตรง (ไปทางขวา) และย้อนกลับ (ไปทางซ้าย) จะเท่ากัน ดังนั้นความเข้มข้นของสปีชีส์ทั้งหมดจึงคงที่ตลอดเวลา

สิ่งที่กล่าวมาข้างต้นสามารถเข้าใจได้ในวิธีนี้: เพียงแค่ตอบสนองเพียงเล็กน้อยของ A และ B เพื่อสร้าง C และ D พวกเขาทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันในเวลาเดียวกันเพื่อสร้าง A และ B ที่บริโภคขึ้นมาใหม่

อย่างไรก็ตามเมื่อมีการรบกวนกับระบบไม่ว่าจะเป็นการเพิ่ม A, ความร้อน, D หรือปริมาตร - หลักการของ Le Chatelier ทำนายว่ามันจะทำงานอย่างไรเพื่อต่อต้านผลกระทบที่เกิดขึ้นแม้ว่ามันจะไม่ได้อธิบายกลไก โมเลกุลที่ช่วยให้คุณกลับสู่ความสมดุล

ดังนั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นสามารถรับความรู้สึกของปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นถ้า B เป็นสารประกอบที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงจะกระทำในลักษณะที่สมดุลเคลื่อนไปสู่การก่อตัว

ปัจจัยที่ปรับเปลี่ยนสมดุลทางเคมี

เพื่อให้เข้าใจหลักการของ Le Chatelier วิธีการที่ยอดเยี่ยมคือการสมมติว่าความสมดุลนั้นประกอบด้วยความสมดุล

เมื่อมองจากวิธีนี้น้ำยาจะชั่งน้ำหนักบนจานซ้าย (หรือตะกร้า) และชั่งน้ำหนักผลิตภัณฑ์ทางด้านขวา จากที่นี่การคาดการณ์การตอบสนองของระบบ (ความสมดุล) จะกลายเป็นเรื่องง่าย

การเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้น

aA + bB cC + dD

ลูกศรคู่ในสมการแทนค่ายอดคงเหลือและขีดเส้นใต้จานรอง จากนั้นหากเพิ่มจำนวน (กรัมมิลลิกรัม ฯลฯ ) ของ A ลงในระบบจะมีน้ำหนักมากขึ้นในจานด้านขวาและเครื่องชั่งจะเอียงไปทางด้านนั้น

เป็นผลให้แพน C + D เพิ่มขึ้น นั่นคือมันได้รับความสำคัญต่อหน้าจาน A + B กล่าวอีกนัยหนึ่ง: ก่อนที่จะเพิ่ม A (เท่าของ B) ความสมดุลจะย้ายผลิตภัณฑ์ C และ D ขึ้นไป

ในแง่เคมีสมดุลก็จะเลื่อนไปทางขวา: ไปสู่การผลิต C และ D มากขึ้น

ตรงกันข้ามเกิดขึ้นในกรณีที่ระบบมีการเพิ่มปริมาณของ C และ D: จานรองด้านซ้ายจะหนักขึ้นทำให้หนึ่งที่เหมาะสมเพิ่มขึ้น

อีกครั้งผลลัพธ์นี้เพิ่มความเข้มข้นของ A และ B ดังนั้นจะมีการสร้างการเปลี่ยนแปลงยอดคงเหลือไปทางซ้าย (รีเอเจนต์)

การเปลี่ยนแปลงความดันหรือปริมาตร

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

การเปลี่ยนแปลงของความดันหรือปริมาตรที่เกิดขึ้นในระบบจะมีผลกระทบที่เด่นชัดต่อสปีชีส์ในสถานะก๊าซเท่านั้น อย่างไรก็ตามสำหรับสมการทางเคมีที่เหนือกว่าไม่มีการดัดแปลงใด ๆ เหล่านี้ที่จะปรับเปลี่ยนดุลยภาพ

ทำไม? เพราะจำนวนโมลรวมที่เป็นก๊าซทั้งสองด้านของสมการนั้นเท่ากัน

เครื่องชั่งจะพยายามสร้างสมดุลให้กับการเปลี่ยนแปลงแรงดัน แต่เนื่องจากปฏิกิริยาทั้งสอง (ตรงและกลับกัน) ผลิตก๊าซในปริมาณเท่าเดิมจึงไม่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่นสำหรับสมการทางเคมีต่อไปนี้ความสมดุลจะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้:

aA (g) + bB (g) eE (g)

ที่นี่ก่อนที่จะลดระดับเสียง (หรือเพิ่มแรงกดดัน) ในระบบความสมดุลจะยกแผ่นขึ้นเพื่อลดผลกระทบนี้

อย่างไร? การลดความดันผ่านการก่อตัวของอีเนื่องจากนี่คือเนื่องจาก A และ B ออกแรงดันมากกว่า E พวกมันจะตอบสนองเพื่อลดความเข้มข้นและเพิ่ม E

ในทำนองเดียวกันหลักการของ Le Chatelier ทำนายผลของการเพิ่มปริมาณ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นความสมดุลจะต้องตอบโต้ผลกระทบโดยการส่งเสริมการก่อตัวของโมลที่เป็นก๊าซมากขึ้นซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียความดัน คราวนี้ขยับสมดุลไปทางซ้ายยกจาน A + B

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ความร้อนสามารถพิจารณาได้ทั้งปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ ดังนั้นขึ้นอยู่กับเอนทัลปีของการเกิดปฏิกิริยา (ΔHrx) ปฏิกิริยาจึงเป็นคายความร้อนหรือดูดความร้อน จากนั้นความร้อนจะถูกวางไว้ที่ด้านซ้ายหรือด้านขวาของสมการทางเคมี

aA + bB + ความร้อน cC + dD (ปฏิกิริยาดูดความร้อน)

aA + bB cC + dD + ความร้อน (ปฏิกิริยาคายความร้อน)

ที่นี่การทำความร้อนหรือความเย็นของระบบสร้างการตอบสนองเช่นเดียวกับในกรณีของการเปลี่ยนแปลงในระดับความเข้มข้น

ตัวอย่างเช่นหากปฏิกิริยาคายความร้อนการทำให้ระบบเย็นลงจะทำให้การเคลื่อนที่ของสมดุลอยู่ทางซ้าย ในขณะที่ถ้าถูกทำให้ร้อนปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นโดยมีแนวโน้มไปทางขวา (A + B)

การใช้งาน

ในบรรดาแอปพลิเคชั่นที่นับไม่ถ้วนเนื่องจากปฏิกิริยาหลายอย่างเข้าสู่สมดุลเรามีดังต่อไปนี้

ในกระบวนการของฮาเบอร์

N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) (คายความร้อน)

สมการทางเคมีที่เหนือกว่าสอดคล้องกับการก่อตัวของแอมโมเนียซึ่งเป็นหนึ่งในสารประกอบสำคัญที่ผลิตในระดับอุตสาหกรรม

ที่นี่เงื่อนไขที่เหมาะสำหรับการได้รับ NH 3 คือสภาวะที่อุณหภูมิไม่สูงมากและที่ซึ่งมีแรงกดดันในระดับสูง (200 ถึง 1, 000 atm)

ในการทำสวน

ไฮเดรนเยียสีม่วง (ภาพบนสุด) สร้างสมดุลกับอลูมิเนียม (Al3 +) ที่มีอยู่ในดิน การปรากฏตัวของโลหะนี้กรดลิวอิสส่งผลให้กรดของพวกเขา

อย่างไรก็ตามในดินพื้นฐานดอกไม้ของไฮเดรนเยียเป็นสีแดงเพราะอลูมิเนียมไม่ละลายในดินดังกล่าวและไม่สามารถใช้งานได้โดยพืช

นักทำสวนที่รู้หลักการของ Le Chatelier สามารถปรับเปลี่ยนสีของไฮเดรนเยียของเขาผ่านการทำให้เป็นกรดอย่างชาญฉลาดของดิน

ในการก่อตัวของถ้ำ

ธรรมชาติยังใช้ประโยชน์จากหลักการของ Le Chatelier เพื่อครอบคลุมหลังคาถ้ำด้วยหินย้อย

Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (ac) + H 2 O (l)

CaCO 3 (หินปูน) ไม่ละลายในน้ำเช่นเดียวกับ CO 2 เมื่อ CO 2 หนีออกไปความสมดุลจะเปลี่ยนไปทางขวา นั่นคือต่อการก่อตัวของ CaCO 3 มากขึ้น สิ่งนี้ทำให้เกิดการเติบโตของผิวที่แหลมเหล่านั้นเช่นในภาพด้านบน