Periaate Le Chatelier kuvaa vastetta järjestelmä tasapainossa vaikutusten torjumiseksi aiheuttama ulkoinen aine. Sen muotoili vuonna 1888 ranskalainen kemisti Henry Louis Le Chatelier. Sitä käytetään mihin tahansa kemialliseen reaktioon, joka pystyy saavuttamaan tasapainon suljetuissa järjestelmissä.

Mikä on suljettu järjestelmä? Siinä tapahtuu energiansiirto rajojensa välillä (esimerkiksi kuutio), mutta ei aine. Jotta järjestelmässä tapahtuisi muutos, on kuitenkin välttämätöntä avata se ja sulkea se sitten uudelleen tutkia kuinka se reagoi häiriöön (tai muutokseen).

Henry Louis Le Chatelier

Suljettuaan järjestelmä palaa tasapainoon, ja sen tapa saavuttaa voidaan ennustaa tämän periaatteen avulla. Onko uusi tasapaino sama kuin vanha? Se riippuu ajasta, johon järjestelmä altistuu ulkoisille häiriöille; jos se kestää tarpeeksi kauan, uusi tasapaino on erilainen.

Mistä se koostuu?

Seuraava kemiallinen yhtälö vastaa reaktiota, joka on saavuttanut tasapainon:

aA + bB <=> cC + dD

Tässä lausekkeessa a, b, c ja d ovat stökiömetriset kertoimet. Koska järjestelmä on suljettu, ulkopuolelta ei tule reagensseja (A ja B) tai tuotteita (C ja D), jotka häiritsevät tasapainoa.

Mutta mitä tasapaino tarkalleen tarkoittaa? Kun tämä on asetettu, eteenpäin (oikealle) ja taaksepäin (vasemmalle) reaktion nopeudet tasaantuvat. Näin ollen kaikkien lajien pitoisuudet pysyvät vakiona ajan myötä.

Yllä oleva voidaan ymmärtää tällä tavalla: heti kun pienet A ja B reagoivat tuottamaan C ja D, ne reagoivat toistensa kanssa samaan aikaan kuluttaa A ja B regeneroitumaan ja niin edelleen niin kauan kuin järjestelmä pysyy tasapainossa.

Kuitenkin kun järjestelmään kohdistuu häiriöitä - joko lisäämällä A: ta, lämpöä, D: tä tai vähentämällä tilavuutta -, Le Chatelierin periaate ennustaa, kuinka se toimii vastaamaan aiheuttamiin vaikutuksiin, vaikka se ei selitä mekanismia molekyylin antamalla sen palata tasapainoon.

Siten reaktion tunnetta voidaan suosia tehdyistä muutoksista riippuen. Esimerkiksi, jos B on haluttu yhdiste, tapahtuu muutos siten, että tasapaino muuttuu muodostukseensa.

Kemiallista tasapainoa muuttavat tekijät

Le Chatelierin periaatteen ymmärtämiseksi erinomainen lähentäminen on olettaa, että tasapaino koostuu asteikosta.

Tästä lähestymistavasta katsottuna reagenssit punnitaan vasemmalla pannulla (tai korissa) ja tuotteet punnitaan oikealla pannulla. Tästä eteenpäin järjestelmän vasteen (tasapainon) ennustaminen tulee helpoksi.

Pitoisuuden muutokset

aA + bB <=> cC + dD

Kaksoisnuoli yhtälössä edustaa tasapainon vartta ja alleviivattuja pannuja. Joten jos järjestelmään lisätään määrä (grammaa, milligrammaa jne.) A: ta, oikealla puolella on enemmän painoa ja vaaka kallistuu tällä tavalla.

Seurauksena C + D-lautanen nousee; toisin sanoen, se saavuttaa merkityksen verrattuna astiaan A + B. Toisin sanoen: lisättäessä A (kuten B: llä) tasapaino siirtää tuotteita C ja D ylöspäin.

Kemiallisesti tasapaino loppuu oikealle: kohti enemmän C: tä ja D: tä.

Päinvastoin tapahtuu siinä tapauksessa, että järjestelmään lisätään C: n ja D: n määriä: vasen astia tulee raskaammaksi, mikä oikean astian nostaa.

Tämä johtaa jälleen A- ja B-pitoisuuksien nousuun; siksi tasapainonsiirto syntyy vasemmalle (reagenssit).

Paineen tai tilavuuden muutokset

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

Järjestelmän aiheuttamat paineen tai tilavuuden muutokset vaikuttavat huomattavasti vain kaasumaisessa tilassa oleviin lajeihin. Korkeamman kemiallisen yhtälön osalta mikään näistä muutoksista ei kuitenkaan muuttaisi tasapainoa.

Miksi? Koska kaasun kokonaismoolien lukumäärä yhtälön molemmilla puolilla on sama.

Tasapaino pyrkii tasapainottamaan paineen muutokset, mutta koska molemmat reaktiot (suorat ja käänteiset) tuottavat saman määrän kaasua, se pysyy muuttumattomana. Esimerkiksi seuraavan kemiallisen yhtälön osalta tasapaino reagoi näihin muutoksiin:

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

Tässä suhteessa, kun tilavuus vähenee (tai paine kasvaa) järjestelmässä, vaaka nostaa astiaa tämän vaikutuksen vähentämiseksi.

Miten? Paineen aleneminen muodostumalla E. Tämä johtuu siitä, että kun A ja B kohdistavat enemmän paineita kuin E, ne reagoivat vähentämään pitoisuuksiaan ja lisäämään E: n pitoisuuksia.

Samoin Le Chatelier-periaate ennustaa lisääntyvän volyymin vaikutuksen. Kun näin tapahtuu, tasapainon on sitten vastapaino vaikutukselle edistämällä kaasumaisten moolien muodostumista, jotka palauttavat painehäviön; tällä kertaa siirtämällä tasapainoa vasemmalle, nostamalla astiaa A + B.

Lämpötilan muutokset

Lämpöä voidaan pitää sekä reaktiivisena että tuotteena. Siksi, reaktion entalpiasta (AHrx) riippuen, reaktio on eksoterminen tai endoterminen. Sitten lämpö asetetaan kemiallisen yhtälön vasemmalle tai oikealle puolelle.

aA + bB + lämpö <=> cC + dD (endoterminen reaktio)

aA + bB <=> cC + dD + lämpö (eksoterminen reaktio)

Tällöin järjestelmän lämmitys tai jäähdytys tuottaa samat vasteet kuin pitoisuuksien muutosten tapauksessa.

Esimerkiksi, jos reaktio on eksoterminen, järjestelmän jäähdytys edistää tasapainon siirtymistä vasemmalle; samalla kun sitä kuumennetaan, reaktio jatkuu suuremmalla taipumuksella oikealle (A + B).

Sovellukset

Koska monet reaktiot saavuttavat tasapainon, sen lukemattomien sovellusten joukossa on seuraavat:

Haberin prosessissa

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

Ylempi kemiallinen yhtälö vastaa ammoniakin muodostumista, joka on yksi tärkeimmistä teollisessa mittakaavassa tuotettavista yhdisteistä.

Tässä ihanteelliset olosuhteet saamiseksi NH ₃ ovat ne, joissa lämpötila ei ole kovin korkea, ja samoin, jossa on korkea paine (200-1000 atm).

Puutarhanhoidossa

Violetit hydrangeat (yläkuva) muodostavat tasapainon maaperässä olevan alumiinin (Al ³⁺) kanssa. Tämän metallin, Lewis-hapon, läsnäolo johtaa niiden happamoitumiseen.

Perusmallissa hydrangeasien kukat ovat kuitenkin punaisia, koska alumiini on liukenematon näihin maaperään eikä kasvi voi käyttää sitä.

Le Chatelier -periaatteeseen perehtynyt puutarhuri voisi muuttaa hydrangeasiensa väriä happamalla hapottamalla maaperät.

Luovien muodostumisessa