Принцип Ле Шателье описывает отклик системы в равновесии , чтобы противодействовать эффекты , вызванные внешним агентом. Он был сформулирован в 1888 году французским химиком Анри Луи Ле Шателье. Он применяется к любой химической реакции, которая способна достичь равновесия в закрытых системах.

Что такое закрытая система? В нем происходит передача энергии между его границами (например, кубом), но не материи. Однако для внесения изменений в систему необходимо открыть ее, а затем снова закрыть, чтобы изучить, как она реагирует на возмущение (или изменение).

Анри Луи Ле Шателье

После закрытия система вернется в состояние равновесия, и благодаря этому принципу можно предсказать способ достижения этого состояния. Новое равновесие совпадает со старым? Это зависит от времени, в течение которого система подвергается внешнему воздействию; если оно длится достаточно долго, новое равновесие будет другим.

Из чего он состоит?

Следующее химическое уравнение соответствует реакции, достигшей равновесия:

aA + bB <=> cC + dD

В этом выражении a, b, c и d - стехиометрические коэффициенты. Поскольку система замкнута, никакие реагенты (A и B) или продукты (C и D) не поступают извне, нарушая равновесие.

Но что именно означает баланс? Когда это установлено, скорости прямой (вправо) и обратной (влево) реакции выравниваются. Следовательно, концентрации всех видов остаются постоянными с течением времени.

Вышесказанное можно понять так: как только небольшие количества A и B вступают в реакцию с образованием C и D, они одновременно реагируют друг с другом, регенерируя потребленные A и B, и так далее, пока система остается в равновесии.

Однако, когда к системе применяется возмущение - будь то добавление A, тепла, D или уменьшение объема - принцип Ле Шателье предсказывает, как оно будет себя вести, чтобы противодействовать вызванным эффектам, хотя он не объясняет механизм молекулярный, позволяя ему вернуться к равновесию.

Таким образом, в зависимости от внесенных изменений, чувство реакции может быть одобрено. Например, если B является желаемым соединением, происходит такое изменение, что равновесие смещается к его образованию.

Факторы, изменяющие химический баланс

Чтобы понять принцип Ле-Шателье, отличным приближением будет предположение, что равновесие состоит из шкалы.

При таком подходе реагенты взвешиваются на левой чашке (или корзине), а продукты взвешиваются на правой чашке. Отсюда становится проще прогнозировать реакцию системы (баланс).

Изменения в концентрации

aA + bB <=> cC + dD

Двойная стрелка в уравнении обозначает стержень весов и подчеркнутые чаши. Таким образом, если в систему добавлено количество (граммы, миллиграммы и т. Д.) A, на правой чашке весов будет больше веса, и весы будут наклоняться в эту сторону.

В результате блюдце C + D поднимается; Другими словами, оно приобретает большее значение по сравнению с блюдом А + Б. Другими словами: при добавлении A (как и в случае с B) баланс сдвигает продукты C и D вверх.

С химической точки зрения, равновесие сдвигается вправо: в сторону производства большего количества C и D.

Обратное происходит, если в систему добавляются количества C и D: левая чаша становится тяжелее, в результате чего правая чаша поднимается.

Опять же, это приводит к повышению концентраций A и B; следовательно, происходит смещение равновесия влево (реагенты).

Изменения давления или объема

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

Изменения давления или объема, возникающие в системе, оказывают заметное влияние только на частицы в газообразном состоянии. Однако для более высокого химического уравнения ни одно из этих изменений не изменило бы равновесие.

Зачем? Потому что общее количество молей газа в обеих частях уравнения одинаково.

Баланс будет стремиться уравновесить изменения давления, но поскольку обе реакции (прямая и обратная) производят одинаковое количество газа, оно остается неизменным. Например, для следующего химического уравнения весы действительно реагируют на эти изменения:

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

Здесь, при уменьшении объема (или повышении давления) в системе, весы поднимут чашу, чтобы уменьшить этот эффект.

Как? Уменьшение давления за счет образования E. Это связано с тем, что, поскольку A и B оказывают большее давление, чем E, они реагируют, уменьшая свою концентрацию и увеличивая концентрацию E.

Точно так же принцип Ле Шателье предсказывает эффект увеличения объема. Когда это происходит, баланс должен противодействовать эффекту, способствуя образованию большего количества газообразных молей, которые восстанавливают потерю давления; на этот раз смещая весы влево, поднимая чашу A + B.

Изменения температуры

Тепло можно рассматривать как реактивное, так и продуктовое. Следовательно, в зависимости от энтальпии реакции (ΔHrx) реакция является экзотермической или эндотермической. Затем тепло помещается в левую или правую часть химического уравнения.

aA + bB + тепло <=> cC + dD (эндотермическая реакция)

aA + bB <=> cC + dD + тепло (экзотермическая реакция)

Здесь при нагревании или охлаждении система генерирует те же отклики, что и в случае изменения концентраций.

Например, если реакция экзотермическая, охлаждение системы способствует смещению равновесия влево; в то время как при нагревании реакция продолжается с большей тенденцией вправо (A + B).

Приложения

Среди его бесчисленных применений, учитывая, что многие реакции достигают равновесия, можно выделить следующие:

В процессе Хабера

N ₂ (г) + 3H ₂ (г) <=> 2NH ₃ (г) (экзотермический)

Верхнее химическое уравнение соответствует образованию аммиака, одного из основных соединений, производимых в промышленных масштабах.

Здесь идеальными условиями для получения NH ₃ являются те, в которых температура не очень высока, а также при высоких уровнях давления (от 200 до 1000 атм).

В садоводстве

Фиолетовые гортензии (верхнее изображение) устанавливают баланс с алюминием (Al ³⁺ ), присутствующим в почве. Присутствие этого металла, кислоты Льюиса, приводит к их подкислению.

Однако на основных почвах цветы гортензии красные, потому что алюминий в этих почвах нерастворим и не может использоваться растениями.

Садовник, знакомый с принципом Ле Шателье, мог изменить цвет своих гортензий, искусно подкисив почву.

В образовании пещер