Principiul lui Chatelier: în ce constă și în aplicații
Principiul lui Le Chatelier descrie răspunsul unui sistem echilibrat pentru a contracara efectele cauzate de un agent extern. A fost formulată în 1888 de chimistul francez Henry Louis Le Chatelier. Se aplică pentru orice reacție chimică care este capabilă să atingă echilibrul în sistemele închise.
Ce este un sistem închis? Aici există transferul de energie între granițele sale (de exemplu, un cub), dar nu și de materie. Cu toate acestea, pentru a exercita o schimbare a sistemului, este necesar să îl deschideți și apoi să-l închideți din nou pentru a studia cum răspunde la perturbare (sau schimbare).
Odată închis, sistemul se va reîntoarce la echilibru, iar modul său de realizare poate fi anticipat datorită acestui principiu. Este noul echilibru același cu cel precedent? Depinde de timpul în care sistemul este supus tulburărilor externe; Dacă durează suficient timp, noul sold este diferit.
Din ce constă?
Următoarea ecuație chimică corespunde unei reacții care a atins echilibrul:
aA + bBcC + dD
În această expresie a, b, c și d sunt coeficienții stoichiometrici. Deoarece sistemul este închis, nici un reactant (A și B) sau produse (C și D) care perturbă echilibrul nu intră din exterior.
Dar, ce înseamnă exact echilibrul? Când se stabilește acest lucru, vitezele reacției directe (din dreapta) și inversă (în stânga) sunt egale. Prin urmare, concentrațiile tuturor speciilor rămân constante în timp.
Cele de mai sus pot fi înțelese în acest fel: reacționează doar un pic de A și B pentru a produce C și D, reacționează unul cu altul în același timp pentru a regenera A și B consumate și așa mai departe în timp ce sistemul rămâne în echilibru.
Cu toate acestea, atunci când se aplică o perturbare sistemului - fie prin adăugarea lui A, căldură, D, fie reducerea volumului - principiul lui Le Chatelier prezice modul în care se va comporta pentru a contracara efectele cauzate, deși nu explică mecanismul prin care vă permite să reveniți la echilibru.
Astfel, în funcție de schimbările făcute, sentimentul unei reacții poate fi favorizat. De exemplu, dacă B este compusul dorit, se exercită o schimbare în așa fel încât echilibrul să se mute la formarea sa.
Factorii care modifică echilibrul chimic
Pentru a înțelege principiul Le Chatelier, o abordare excelentă este să presupunem că echilibrul constă într-un echilibru.
Din această abordare, reactivii sunt cântăriți pe placa stângă (sau coș) și produsele sunt cântărite în partea dreaptă. De aici, predicția răspunsului sistemului (balanța) devine ușor.
Modificări ale concentrației
aA + bBcC + dD
Săgeata dublă din ecuație reprezintă coada echilibrului și subliniază farfurii. Apoi, dacă se adaugă la sistem o cantitate (grame, miligrame etc.) de A, va exista o greutate mai mare în vasul potrivit, iar scala se va înclina în acea parte.
În consecință, panoul C + D crește; adică, câștigă importanță în fața antenei A + B. Cu alte cuvinte: înainte de adăugarea lui A (din B), balanța transferă produsele C și D în sus.
Din punct de vedere chimic, echilibrul se sfârșește prin mișcarea spre dreapta: spre producerea mai multor C și D.
Opusul se întâmplă în cazul în care sistemul este adăugat cantități de C și D: farfuria stângă devine mai greu, determinând cel drept să se ridice.
Din nou, aceasta conduce la o creștere a concentrațiilor de A și B; prin urmare, se generează o schimbare a balanței către stânga (reactivi).
Schimbări de presiune sau volum
(g) + bB (g) cC (g) + dD (g)
Schimbările de presiune sau de volum cauzate de sistem au numai efecte notabile asupra speciilor în stare gazoasă. Cu toate acestea, pentru ecuația chimică superioară, niciuna dintre aceste modificări nu ar modifica echilibrul.
De ce? Deoarece cantitatea totală de gaze pe ambele părți ale ecuației este aceeași.
Echilibrul va încerca să echilibreze schimbările de presiune, dar deoarece ambele reacții (directe și inverse) produc aceeași cantitate de gaz, acestea rămân neschimbate. De exemplu, pentru următoarea ecuație chimică, balanța nu răspunde la aceste modificări:
aA (g) + bB (g) eE (g)
Aici, înainte de scăderea volumului (sau a creșterii presiunii) din sistem, balanța va ridica placa pentru a reduce acest efect.
Cum? Scăderea presiunii prin formarea lui E. Acest lucru se datorează faptului că, deoarece A și B exercită o presiune mai mare decât E, ei reacționează pentru a-și micșora concentrațiile și a crește E.
De asemenea, principiul Le Chatelier prezice efectul creșterii volumului. Atunci când se întâmplă acest lucru, echilibrul trebuie apoi să contracareze efectul prin promovarea formării de molii mai gazoși care restabilește pierderea de presiune; de data aceasta, deplasarea balanței spre stânga, ridicarea plăcii A + B.
Schimbări de temperatură
Căldura poate fi considerată atât reactivă, cât și produs. Prin urmare, în funcție de entalpia reacției (ΔHrx), reacția este exotermă sau endotermică. Apoi, căldura este plasată pe partea stângă sau dreaptă a ecuației chimice.
aA + bB + căldură cC + dD (reacție endotermică)
aA + bB cC + dD + căldură (reacție exotermică)
Aici, încălzirea sau răcirea sistemului generează aceleași răspunsuri ca și în cazul modificărilor concentrațiilor.
De exemplu, dacă reacția este exotermă, răcirea sistemului favorizează deplasarea echilibrului spre stânga; în timp ce, dacă este încălzită, reacția are o tendință mai mare spre dreapta (A + B).
aplicații
Dintre nenumăratele sale aplicații, deoarece multe reacții ajung la echilibru, avem următoarele:
În procesul lui Haber
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) (exotermă)
Ecuația chimică superioară corespunde formării amoniacului, unul dintre principalele compuși produse la scară industrială.
Aici, condițiile ideale pentru obținerea NH 3 sunt cele în care temperatura nu este foarte mare și, de asemenea, în cazul în care există niveluri ridicate de presiune (200 la 1000 atm).
În grădinărit
Hortensiile mov (imaginea de sus) stabilesc un echilibru cu aluminiul (Al3 +) prezent în soluri. Prezența acestui metal, acidul Lewis, are ca rezultat acidificarea acestuia.
Cu toate acestea, în solurile de bază florile hortensiilor sunt roșii, deoarece aluminiul este insolubil în solurile menționate și nu poate fi utilizat de către plante.
Un grădinar care cunoaște principiul Le Chatelier ar putea modifica culoarea hortensiilor sale prin acidificarea inteligentă a solurilor.
În formarea de caverne
Natura folosește de asemenea principiul Le Chatelier pentru acoperirea acoperișurilor cavernoase cu stalactite.
Ca2 + (aq) + 2HCO3 - (aq) CaC03 (s) + C02 (ac) + H20 (l)
CaCO3 (calcar) este insolubil în apă, așa cum este și CO 2 . Odată ce CO 2 scapă, soldul se mută spre dreapta; adică, spre formarea mai multor CaCO3. Acest lucru cauzeaza cresterea finisajelor ascutite, cum ar fi cele din imaginea superioara.
