Η αρχή του Le Chatelier για το τι αποτελείται και τις εφαρμογές



Το Αρχή της Le Chatelier περιγράφει την απόκριση ενός συστήματος σε ισορροπία για να εξουδετερώσει τις επιδράσεις που προκαλούνται από έναν εξωτερικό παράγοντα. Διατυπώθηκε το 1888 από τον γάλλο χημικό Henry Louis Le Chatelier. Εφαρμόζεται για οποιαδήποτε χημική αντίδραση που είναι ικανή να επιτύχει ισορροπία σε κλειστά συστήματα.

Τι είναι ένα κλειστό σύστημα; Είναι εκεί όπου υπάρχει η μεταφορά ενέργειας μεταξύ των συνόρων της (για παράδειγμα, ενός κύβου), αλλά όχι της ύλης. Ωστόσο, για να ασκηθεί μια αλλαγή στο σύστημα, είναι απαραίτητο να το ανοίξετε και στη συνέχεια να το κλείσετε ξανά για να μελετήσετε πώς αντιδρά στη διαταραχή (ή αλλαγή).

Μόλις κλείσει, το σύστημα θα επανέλθει στην ισορροπία και ο τρόπος επίτευξής του μπορεί να προβλεφθεί χάρη σε αυτή την αρχή. Είναι η νέα ισορροπία ίδια με την προηγούμενη; Εξαρτάται από το χρόνο στον οποίο το σύστημα υφίσταται εξωτερικές διαταραχές. αν διαρκεί αρκετά καιρό, η νέα ισορροπία είναι διαφορετική.

Ευρετήριο

  • 1 Από τι συνίσταται;?
  • 2 Παράγοντες που τροποποιούν τη χημική ισορροπία
    • 2.1 Μεταβολές στη συγκέντρωση
    • 2.2 Μεταβολές πίεσης ή όγκου
    • 2.3 Μεταβολές θερμοκρασίας
  • 3 Εφαρμογές
    • 3.1 Στη διαδικασία Haber
    • 3.2 Στην κηπουρική
    • 3.3 Στον σχηματισμό σπηλαίων
  • 4 Αναφορές

Από τι συνίσταται;?

Η ακόλουθη χημική εξίσωση αντιστοιχεί σε μια αντίδραση που έχει φτάσει σε ισορροπία:

aA + bB <=> cC + dD

Σε αυτή την έκφραση α, β, ο και d είναι οι στοιχειομετρικοί συντελεστές. Δεδομένου ότι το σύστημα είναι κλειστό, δεν υπάρχουν αντιδραστήρια (Α και Β) ή προϊόντα (C και D) που διαταράσσουν το υπόλοιπο από το εξωτερικό.

Αλλά τι ακριβώς σημαίνει ισορροπία; Όταν διαπιστωθεί αυτό, οι ταχύτητες της άμεσης αντίδρασης (προς τα δεξιά) και της αντιστροφής (προς τα αριστερά) εξισώνονται. Συνεπώς, οι συγκεντρώσεις όλων των ειδών παραμένουν σταθερές με την πάροδο του χρόνου.

Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό ως εξής: μόνο κάποια αντίδραση Α και Β για την παραγωγή Γ και Δ, αυτά αντιδρούν μεταξύ τους την ίδια στιγμή για την ανάπλαση του Α και Β που καταναλώνονται, και ούτω καθεξής, ενώ το σύστημα παραμένει σε ισορροπία.

Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται σε ένα σύστημα διαταραχή, να είναι με την προσθήκη των Α, θερμότητας, D ή τεύχους- μείωση, η αρχή του Le Chatelier να προβλέψει πώς θα συμπεριφερθεί να αντισταθμίζει τις επιπτώσεις που προκαλούνται, αλλά δεν εξηγεί το μηχανισμό με την οποία σας επιτρέπει να επιστρέψετε στην ισορροπία.

Έτσι, ανάλογα με τις αλλαγές που έγιναν, μπορεί να ευνοηθεί η αίσθηση μιας αντίδρασης. Για παράδειγμα, εάν το Β είναι η επιθυμητή ένωση, μια αλλαγή ασκείται με τέτοιο τρόπο ώστε η ισορροπία να κινηθεί προς το σχηματισμό της.

Παράγοντες που τροποποιούν τη χημική ισορροπία

Για να κατανοήσουμε την αρχή του Le Chatelier μια εξαιρετική προσέγγιση είναι να υποθέσουμε ότι το υπόλοιπο αποτελείται από μια ισορροπία.

Από την προσέγγιση αυτή, τα αντιδραστήρια ζυγίζονται στην αριστερή πλάκα (ή καλάθι) και τα προϊόντα ζυγίζονται στα δεξιά. Από εδώ, η πρόβλεψη της απόκρισης του συστήματος (η ισορροπία) γίνεται εύκολη.

Μεταβολές στη συγκέντρωση

αA + bB <=> γC + dD

Το διπλό βέλος στην εξίσωση αντιπροσωπεύει το στέλεχος της ισορροπίας και υπογραμμίζει τα πιατάκια. Στη συνέχεια, εάν μια ποσότητα (γραμμάρια, χιλιοστόγραμμα, κ.λπ.) του Α προστεθεί στο σύστημα, θα υπάρξει μεγαλύτερο βάρος στο σωστό πιάτο και η κλίμακα θα στραφεί προς την πλευρά αυτή.

Ως αποτέλεσμα, η κοιλότητα C + D αυξάνεται. δηλαδή, κερδίζει σημασία μπροστά από το πιάτο Α + Β. Με άλλα λόγια: πριν από την προσθήκη του Α (από το Β) το υπόλοιπο μετακινεί τα προϊόντα C και D προς τα πάνω.

Από χημική άποψη, το υπόλοιπο καταλήγει να κινείται προς τα δεξιά: προς την παραγωγή περισσότερων C και D.

Το αντίθετο συμβαίνει στην περίπτωση που στο σύστημα προστίθενται ποσότητες C και D: το αριστερό πιατάκι γίνεται βαρύτερο, προκαλώντας τη σωστή αύξηση.

Και πάλι, αυτό οδηγεί σε αύξηση των συγκεντρώσεων των Α και Β. ως εκ τούτου, δημιουργείται μια μετατόπιση ισορροπίας προς τα αριστερά (τα αντιδραστήρια).

Αλλαγές πίεσης ή έντασης

αΑ (g) + bB (g) <=> γC (g) + dD (g)

Οι μεταβολές της πίεσης ή του όγκου που προκαλούνται στο σύστημα έχουν μόνο αξιοσημείωτες επιπτώσεις στα είδη στην αέρια κατάσταση. Ωστόσο, για την ανώτερη χημική εξίσωση, καμία από αυτές τις αλλοιώσεις δεν θα τροποποιήσει την ισορροπία.

Γιατί; Επειδή η ποσότητα αέριων συνολικών γραμμομορίων και στις δύο πλευρές της εξίσωσης είναι η ίδια.

Η ισορροπία θα επιδιώξει να εξισορροπήσει τις μεταβολές της πίεσης, αλλά επειδή και οι δύο αντιδράσεις (άμεσες και αντίστροφα) παράγουν την ίδια ποσότητα αερίου, παραμένει αμετάβλητη. Για παράδειγμα, για την ακόλουθη χημική εξίσωση το υπόλοιπο ανταποκρίνεται σε αυτές τις αλλαγές:

αΑ (g) + bB (g) <=> εE (g)

Εδώ, πριν από τη μείωση της έντασης (ή της αύξησης της πίεσης) στο σύστημα, η κλίμακα θα ανυψώσει την πλάκα που επιτρέπει τη μείωση αυτού του αποτελέσματος. 

Πώς; Μειώνοντας την πίεση, μέσω του σχηματισμού του Ε Αυτό συμβαίνει επειδή, όπως Α και Β ασκήσει μεγαλύτερη πίεση από ό Ε, αντιδρούν για να μειωθεί και να αυξήσει τις συγκεντρώσεις της Ε.

Ομοίως, η αρχή του Le Chatelier προβλέπει την επίδραση της αύξησης του όγκου. Όταν συμβεί αυτό, τότε η ισορροπία πρέπει να αντισταθμίσει το αποτέλεσμα προάγοντας το σχηματισμό περισσότερων αέριων κρεατοστεών που αποκαθιστούν την απώλεια πίεσης. αυτή τη φορά, μετατοπίζοντας την ισορροπία στα αριστερά, ανυψώνοντας το πιατάκι Α + Β.

Αλλαγές θερμοκρασίας

Η θερμότητα μπορεί να θεωρηθεί τόσο αντιδραστική όσο και προϊόν. Συνεπώς, ανάλογα με την ενθαλπία της αντίδρασης (ΔHrx), η αντίδραση είναι εξωθερμική ή ενδοθερμική. Στη συνέχεια, η θερμότητα τοποθετείται στην αριστερή ή δεξιά πλευρά της χημικής εξίσωσης.

aA + bB + θερμότητα <=> cC + dD (ενδοθερμική αντίδραση)

aA + bB <=> cC + dD + θερμότητα (εξωθερμική αντίδραση)

Εδώ, η θέρμανση ή η ψύξη του συστήματος δημιουργεί τις ίδιες αποκρίσεις όπως στην περίπτωση αλλαγών στις συγκεντρώσεις.

Για παράδειγμα, εάν η αντίδραση είναι εξωθερμική, η ψύξη του συστήματος ευνοεί την μετατόπιση της ισορροπίας προς τα αριστερά. ενώ αν θερμαίνεται, η αντίδραση προχωρά με μεγαλύτερη τάση προς τα δεξιά (Α + Β).

Εφαρμογές

Μεταξύ των αναρίθμητων εφαρμογών της, καθώς πολλές αντιδράσεις φτάνουν στην ισορροπία, έχουμε τα εξής:

Στη διαδικασία του Haber

Ν2(g) + 3Η2(ζ) <=> 2ΝΗ3(ζ) (εξωθερμική)

Η ανώτερη χημική εξίσωση αντιστοιχεί στον σχηματισμό αμμωνίας, μιας από τις μεγαλύτερες ενώσεις που παράγονται σε βιομηχανικές κλίμακες.

Εδώ, οι ιδανικές συνθήκες για την απόκτηση NH3 αυτά είναι εκείνα στα οποία η θερμοκρασία δεν είναι πολύ υψηλή και, επίσης, όπου υπάρχουν υψηλά επίπεδα πιέσεων (200 έως 1000 atm).

Στην κηπουρική

Οι μοβ ορτανσίες (κορυφαία εικόνα) δημιουργούν ισορροπία με το αλουμίνιο (Al3+) που υπάρχουν στα εδάφη. Η παρουσία αυτού του μετάλλου, οξέος Lewis, φέρνει ως συνέπεια την οξίνιση αυτών.

Ωστόσο, σε βασικά εδάφη τα λουλούδια των ορτανσιών είναι κόκκινα, επειδή το αλουμίνιο είναι αδιάλυτο στα εν λόγω εδάφη και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το φυτό.

Ένας κηπουρός με γνώση της αρχής του Le Chatelier θα μπορούσε να τροποποιήσει το χρώμα της ορτανσίας του μέσω της ευφυούς οξίνισης των εδαφών.

Στο σχηματισμό σπηλαίων

Η φύση εκμεταλλεύεται επίσης την αρχή του Le Chatelier για να καλύψει τις σπηλαιώδεις στέγες με σταλακτίτες.

Ca2+(ac) + 2HCO3-(ac) <=> CaCO3(ες) + CO2(ac) + Η2O (l)

Το CaCO3 (ασβεστόλιθος) είναι αδιάλυτο στο νερό, καθώς και το CO2. Ως CO2 αποφεύγει, το υπόλοιπο μετατοπίζεται προς τα δεξιά. δηλαδή, προς το σχηματισμό περισσότερου CaCO3. Αυτό προκαλεί την ανάπτυξη αυτών των μυτερά φινιρίσματα, όπως αυτά στην επάνω εικόνα.

Αναφορές

  1. Η χημεία του Doc Brown. (2000). Θεωρητική-Φυσικής Χημείας Προχωρημένο Επίπεδο - Ισορροπίες - Ισορροπία Χημικών Αναθεώρηση ΜΕΡΟΣ 3. Σημειώσεις Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου, 2018 από: docbrown.info
  2. Jessie A. Key. Μεταβολή ισορροπίας: Αρχή Le Chatelier. Ανακτήθηκε στις 06 Μαΐου 2018, από: opentextbc.ca
  3. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (19 Μαΐου 2017). Ο ορισμός της αρχής Le Chatelier. Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου 2018, από: thoughtco.com
  4. Binod Shrestha. Η αρχή του Le-chatelier και η εφαρμογή του. Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου 2018, από: chem-guide.blogspot.com
  5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Learning, σελ. 671-678.
  6. Advameg, Inc. (2018). Χημική ισορροπία - εφαρμογές πραγματικής ζωής. Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου 2018, από: scienceclarified.com
  7. James St. John. (12 Μαΐου 2016). Travertine Dripstone (Luray Caverns, Luray, Βιρτζίνια, ΗΠΑ) 38. Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου 2018 από: flickr.com
  8. Stan Shebs. Ορτανσία macrophylla Blauer Prinz. (Ιούλιος 2005). [Εικόνα] Ανακτήθηκε στις 6 Μαΐου 2018 από: commons.wikimedia.org