Nguyên tắc của Le Chatelier: Trong những gì nó bao gồm và ứng dụng

Nguyên tắc của Le Chatelier mô tả phản ứng của một hệ thống cân bằng để chống lại các tác động gây ra bởi một tác nhân bên ngoài. Nó được xây dựng vào năm 1888 bởi nhà hóa học người Pháp Henry Louis Le Chatelier. Nó được áp dụng cho bất kỳ phản ứng hóa học nào có khả năng đạt được trạng thái cân bằng trong các hệ kín.

Một hệ thống khép kín là gì? Đó là nơi có sự chuyển giao năng lượng giữa các đường viền của nó (ví dụ, một khối lập phương), nhưng không phải là vấn đề. Tuy nhiên, để tạo ra một sự thay đổi trong hệ thống, cần phải mở nó, và sau đó đóng lại để nghiên cứu cách nó phản ứng với sự xáo trộn (hoặc thay đổi).

Sau khi đóng cửa, hệ thống sẽ trở về trạng thái cân bằng và cách thức đạt được nó có thể được dự đoán nhờ nguyên tắc này. Là trạng thái cân bằng mới giống như trước đây? Nó phụ thuộc vào thời gian hệ thống chịu sự xáo trộn bên ngoài; Nếu nó kéo dài đủ lâu, sự cân bằng mới là khác nhau.

Nó bao gồm những gì?

Phương trình hóa học sau đây tương ứng với một phản ứng đã đạt đến trạng thái cân bằng:

aA + bB cC + dD

Trong biểu thức này a, b, c và d là các hệ số cân bằng hóa học. Vì hệ thống được đóng lại, không có chất phản ứng (A và B) hoặc sản phẩm (C và D) làm xáo trộn trạng thái cân bằng đi vào từ bên ngoài.

Nhưng, chính xác thì sự cân bằng có nghĩa là gì? Khi điều này được thiết lập, tốc độ của phản ứng trực tiếp (bên phải) và ngược lại (bên trái) được cân bằng. Do đó, nồng độ của tất cả các loài không đổi theo thời gian.

Những điều trên có thể được hiểu theo cách này: chỉ cần phản ứng một chút A và B để tạo ra C và D, chúng phản ứng với nhau cùng lúc để tái tạo A và B tiêu thụ, và trong khi hệ thống vẫn ở trạng thái cân bằng.

Tuy nhiên, khi áp dụng nhiễu cho hệ thống - cho dù bằng cách thêm A, nhiệt, D hoặc giảm âm lượng - nguyên tắc của Le Chatelier dự đoán nó sẽ hoạt động như thế nào để chống lại các hiệu ứng gây ra, mặc dù nó không giải thích được cơ chế phân tử mà nó cho phép bạn trở lại cân bằng.

Do đó, tùy thuộc vào những thay đổi được thực hiện, ý nghĩa của một phản ứng có thể được ưa chuộng. Ví dụ, nếu B là hợp chất mong muốn, một sự thay đổi được tác động theo cách mà trạng thái cân bằng di chuyển đến sự hình thành của nó.

Các yếu tố làm thay đổi cân bằng hóa học

Để hiểu nguyên tắc của Le Chatelier, một cách tiếp cận tuyệt vời là giả định rằng số dư bao gồm số dư.

Nhìn từ phương pháp này, các thuốc thử được cân ở tấm bên trái (hoặc giỏ) và các sản phẩm được cân bên phải. Từ đây, dự đoán về phản ứng của hệ thống (số dư) trở nên dễ dàng.

Thay đổi nồng độ

aA + bB cC + dD

Mũi tên kép trong phương trình đại diện cho thân của sự cân bằng và gạch dưới các đĩa. Sau đó, nếu một lượng (gam, miligam, v.v.) của A được thêm vào hệ thống, sẽ có thêm trọng lượng trong món ăn phù hợp và cân sẽ nghiêng sang bên đó.

Kết quả là, chảo C + D tăng lên; nghĩa là, nó đạt được tầm quan trọng trước món ăn A + B. Nói cách khác: trước khi thêm A (kể từ B), số dư sẽ di chuyển sản phẩm C và D lên trên.

Về mặt hóa học, trạng thái cân bằng cuối cùng chuyển sang bên phải: hướng tới việc sản xuất nhiều C và D.

Điều ngược lại xảy ra trong trường hợp hệ thống được thêm số lượng C và D: đĩa bên trái trở nên nặng hơn, khiến cho bên phải tăng lên.

Một lần nữa, điều này dẫn đến sự gia tăng nồng độ của A và B; do đó, một sự thay đổi cân bằng sang trái (thuốc thử) được tạo ra.

Thay đổi về áp suất hoặc âm lượng

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

Những thay đổi về áp suất hoặc thể tích gây ra trong hệ thống chỉ có tác dụng đáng chú ý đối với các loài ở trạng thái khí. Tuy nhiên, đối với phương trình hóa học ưu việt, không có sự thay đổi nào trong số những thay đổi này sẽ làm thay đổi trạng thái cân bằng.

Tại sao? Bởi vì tổng số mol khí ở cả hai phía của phương trình là như nhau.

Sự cân bằng sẽ tìm cách cân bằng sự thay đổi áp suất, nhưng vì cả hai phản ứng (trực tiếp và nghịch đảo) tạo ra cùng một lượng khí, nên nó vẫn không thay đổi. Ví dụ, đối với phương trình hóa học sau đây, số dư sẽ đáp ứng với những thay đổi này:

aA (g) + bB (g) eE (g)

Ở đây, trước khi giảm âm lượng (hoặc tăng áp suất) trong hệ thống, cân bằng sẽ nâng tấm để giảm hiệu ứng này.

Thế nào? Giảm áp suất, thông qua sự hình thành E. Điều này là do, vì A và B gây áp lực nhiều hơn E, chúng phản ứng để giảm nồng độ và tăng E.

Tương tự như vậy, nguyên tắc của Le Chatelier dự đoán hiệu ứng tăng âm lượng. Khi điều này xảy ra, sự cân bằng sau đó cần phải chống lại hiệu ứng bằng cách thúc đẩy sự hình thành các nốt ruồi nhiều khí hơn để khôi phục sự mất áp lực; lần này, dịch chuyển số dư sang trái, nâng tấm A + B.

Thay đổi nhiệt độ

Nhiệt có thể được coi là cả phản ứng và sản phẩm. Do đó, tùy thuộc vào entanpy của phản ứng (Hrx), phản ứng tỏa nhiệt hoặc phản ứng nhiệt. Sau đó nhiệt được đặt ở bên trái hoặc bên phải của phương trình hóa học.

aA + bB + nhiệt cC + dD (phản ứng nhiệt)

aA + bB cC + dD + nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt)

Ở đây, hệ thống sưởi hoặc làm mát của hệ thống tạo ra các phản ứng tương tự như trong trường hợp thay đổi nồng độ.

Ví dụ, nếu phản ứng tỏa nhiệt, làm mát hệ thống ủng hộ sự dịch chuyển của trạng thái cân bằng sang trái; trong khi đó nếu nó được nung nóng, phản ứng tiến hành với xu hướng lớn hơn về phía bên phải (A + B).

Ứng dụng

Trong số vô số ứng dụng của nó, do nhiều phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, chúng tôi có những điều sau đây:

Trong quá trình Haber

N ₂ (g) + 3 H ₂ (g) 2 NH ₃ (g) (tỏa nhiệt)

Phương trình hóa học ưu việt tương ứng với sự hình thành amoniac, một trong những hợp chất chính được sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Ở đây, điều kiện lý tưởng để thu được NH ₃ là những điều kiện nhiệt độ không quá cao và, nơi có áp suất cao (200 đến 1000 atm).

Trong làm vườn

Hoa cẩm tú cầu màu tím (hình trên cùng) thiết lập sự cân bằng với nhôm (Al3 +) có trong đất. Sự hiện diện của kim loại này, axit Lewis, dẫn đến axit hóa của chúng.

Tuy nhiên, trong các loại đất cơ bản, hoa của hoa cẩm tú cầu có màu đỏ, vì nhôm không hòa tan trong đất nói trên và không thể được sử dụng bởi nhà máy.

Một người làm vườn biết nguyên lý của Le Chatelier có thể sửa đổi màu sắc của hoa cẩm tú cầu của mình thông qua quá trình axit hóa thông minh của đất.

Trong sự hình thành hang động

Thiên nhiên cũng tận dụng nguyên tắc của Le Chatelier để che những mái nhà bằng thạch nhũ.

Ca 2+ (aq) + 2HCO ₃ - (aq) CaCO ₃ (s) + CO ₂ (ac) + H ₂ O (l)

CaCO ₃ (đá vôi) không tan trong nước, cũng như CO ₂ . Khi CO ₂ thoát ra, số dư sẽ dịch chuyển sang phải; nghĩa là, hướng tới sự hình thành nhiều CaCO3 hơn. Điều này gây ra sự tăng trưởng của những kết thúc nhọn, chẳng hạn như những người trong hình trên.