Načelo Le Chatelierjev opisuje odziv sistema v ravnovesju za odpravljanje posledic, ki jih izvaja zunanja povzroča. Oblikoval ga je leta 1888 francoski kemik Henry Louis Le Chatelier. Uporablja se za vsako kemično reakcijo, ki je sposobna doseči ravnovesje v zaprtih sistemih.

Kaj je zaprt sistem? Je tista, kjer je prenos energije med njenimi mejami (na primer kocka), ne pa tudi materije. Vendar pa je za spremembo sistema potrebno odpreti in nato znova zapreti, da se preuči, kako se odziva na motnjo (ali spremembo).

Henry Louis Le Chatelier

Ko se sistem zapre, se bo vrnil v ravnovesje, njegov način doseganja pa je mogoče predvideti po tem načelu. Je novo ravnovesje enako staremu? Odvisno je od časa, v katerem je sistem podvržen zunanjim motnjam; če traja dovolj dolgo, je novo ravnovesje drugače.

Iz česa je sestavljeno?

Naslednja kemijska enačba ustreza reakciji, ki je dosegla ravnotežje:

aA + bB <=> cC + dD

V tem izrazu so a, b, c in d stehiometrični koeficienti. Ker je sistem zaprt, reaktanti (A in B) ali proizvodi (C in D) ne vstopajo od zunaj, ki motijo ​​ravnovesje.

Toda kaj točno pomeni ravnotežje? Ko je to nastavljeno, se hitrosti premika naprej (na desno) in nazaj (na levo) izenačijo. Posledično koncentracije vseh vrst sčasoma ostanejo konstantne.

Zgoraj navedeno lahko razumemo na ta način: takoj, ko malo A in B reagirata, da proizvedeta C in D, reagirata med seboj hkrati, da regenerirata porabljena A in B in tako naprej, medtem ko sistem ostane v ravnovesju.

Ko pa se v sistemu pojavijo motnje - odvisno od dodajanja A, toplote, D ali z zmanjšanjem glasnosti -, načelo Le Chatelier napove, kako se bo obnašal proti učinkom, ki jih povzroči, čeprav mehanizma ne razloži molekularno, tako da se mu omogoči vrnitev v ravnovesje.

Tako se lahko glede na izvedene spremembe ugodi občutku reakcije. Na primer, če je B želena spojina, se spremeni takšna sprememba, da se ravnotežje premakne v nastanek.

Dejavniki, ki spreminjajo kemijsko ravnovesje

Za razumevanje načela Le Chatelierja je odličen približek domneva, da je ravnotežje sestavljeno iz lestvice.

Gledano s tega pristopa, se reagenti stehtajo na levi ponvi (ali košarici), proizvodi pa se stehtajo na desni. Od tu postane napoved odziva sistema (ravnotežja) enostavna.

Spremembe koncentracije

aA + bB <=> cC + dD

Dvojna puščica v enačbi predstavlja steblo tehtnice in podčrtane ponve. Če torej v sistem dodamo količino (gramov, miligramov itd.) A, bo na desni ponvi večja teža in tehtnica se bo nagnila na to stran.

Posledično se plošča C + D dvigne; z drugimi besedami, dobiva pomen v primerjavi s jedjo A + B. Z drugimi besedami: z dodatkom A (kot pri B) tehtnica prestavi izdelke C in D navzgor.

V kemijskem smislu se ravnotežje konča premakne v desno: proti proizvodnji več C in D.

Nasprotno se zgodi, če v sistem dodamo količine C in D: leva posoda postane težja, zaradi česar se desna dvigne.

Tudi to povzroči zvišanje koncentracij A in B; zato se ustvari ravnotežni premik v levo (reaktanti).

Spremembe tlaka ali prostornine

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

Spremembe tlaka ali prostornine, povzročene v sistemu, imajo le pomembne učinke na vrste v plinastem stanju. Vendar za višjo kemijsko enačbo nobena od teh sprememb ne bi spremenila ravnovesja.

Zakaj? Ker je število skupnih molov plina na obeh straneh enačbe enako.

Tehtnica bo poskušala uravnovesiti spremembe tlaka, a ker obe reakciji (neposredni in obratni) proizvajata enako količino plina, ostane nespremenjena. Na primer, za naslednjo kemijsko enačbo tehtnica reagira na te spremembe:

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

Tukaj, ob zmanjšanju prostornine (ali povečanju tlaka) v sistemu, bo tehtnica dvignila ponev za zmanjšanje tega učinka.

Kako? Zmanjšanje tlaka s pomočjo tvorbe E. To je zato, ker kot A in B izvajata večji pritisk kot E, reagirata na znižanje koncentracije in povečanje koncentracije E.

Prav tako načelo Le Chatelier napoveduje učinek večjega obsega. Ko se to zgodi, mora ravnovesje odpraviti učinek s spodbujanjem nastanka bolj plinastih molov, ki obnovijo izgubo tlaka; tokrat premik tehtnice v levo, dviganje ponev A + B.

Spremembe temperature

Toplota lahko velja za reaktivno in produktno. Zato je reakcija, odvisno od entalpije reakcije (ΔHrx), eksotermična ali endotermična. Nato se toplota postavi na levo ali desno stran kemijske enačbe.

aA + bB + toplota <=> cC + dD (endotermična reakcija)

aA + bB <=> cC + dD + toplota (eksotermična reakcija)

Tukaj ogrevanje ali hlajenje sistema ustvari enake odzive kot v primeru sprememb koncentracij.

Na primer, če je reakcija eksotermična, hlajenje sistema daje prednost premiku ravnotežja v levo; čeprav se segreje, se reakcija nadaljuje z večjo težnjo v desno (A + B).

Prijave

Glede na to, da številne reakcije dosežejo ravnovesje, je med neštetimi možnostmi naslednje:

V procesu Haber

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

Zgornja kemijska enačba ustreza tvorbi amoniaka, ki je ena glavnih spojin, proizvedenih v industrijskem obsegu.

Tu so idealni pogoji za pridobitev NH ₃ so tiste, v katerih temperatura ni zelo visoka in, prav tako, če obstaja visoka stopnja tlaku (200-1000 atm).

Pri vrtnarjenju

Vijolične hortenzije (zgornja slika) vzpostavijo ravnovesje z aluminijem (Al ³⁺ ), ki je prisoten v tleh. Prisotnost te kovine, Lewisove kisline, povzroči njihovo zakisanje.

V osnovnih tleh pa so cvetovi hortenzije rdeči, ker je aluminij na teh tleh netopljiv in ga rastlina ne more uporabiti.

Vrtnar, ki je seznanjen z načelom Le Chatelier, bi lahko spremenil barvo svojih hortenzij s spretnim zakisanjem tal.

Pri nastajanju jam