Принципът на Ле Шателиер в химията

В някои случаи веществата, получени в резултат на реакцията, или взаимодействат помежду си, или се разлагат, и след това в системата се случват едновременно две реакции: директни (образуват се реакционни продукти) и обратни (новосъздадени вещества). В случай на съвпадение на скоростите на директните и обратните процеси в разглежданата система се случва равновесие, което се нарича химическо. Това е динамично равновесие, тъй като самата реакция не спира, но едно и също количество вещество се образува и се разлага едновременно. При постоянна температура и налягане тази ситуация може да се задържи доста време. В графична форма тя е представена по-долу. Под равностойна скорост се разбира определена константа, която е едновременно равна на скоростта на директната и обратната реакция.

Принципът на отклонение на химическото равновесие

Принципът на изместване на равновесието е открит през 1884 г. от Le Chatelier. По-късно той е обобщен от Карл Фердинанд Браун (1887). Ето защо понастоящем то има име-близнак - принципът на Le Chatelier-Brown. Този закон се използва както в химията, така и в термодинамиката, електродинамиката, екологията и биохимията. Съществуват много формулировки, но същността на всяко от тях се свежда до следното: “Когато върху системата се упражнява влияние в равновесие, химичното равновесие се измества, за да се компенсира тази промяна (т.е. системата ще се опита да възстанови баланса). ". Описаният принцип може да бъде ясно демонстриран чрез следната система. Към неподвижната опора е закрепена пружина. В покой тази система е в равновесие. Ако пружината се разтегне, тогава равновесието ще се измести към външно влияние. Системата също така увеличава опозицията. И в един момент силите на опозицията и външното влияние стават еднакви, в резултат на което се поставя ново равновесно състояние.

Принципът на Le Chatelier може да се използва само за системи в равновесие, в противен случай резултатите от анализа ще бъдат неправилни. Има три основни параметъра, чиято промяна предизвиква промяна в химическото равновесие: налягане, температура и концентрация на химикали.

температура

Температурната промяна е най-честата причина за химическото равновесие, което е разбираемо, тъй като този фактор е много по-лесен за въздействие, отколкото, например, натиск. Тук трябва да се спомене, че реакциите се разделят на два вида чрез термичен ефект. Сред тях са следните: екзотермичен (с топлина) и ендотермичен (с неговата абсорбция). Как ще се измести химическото равновесие в този случай? Принципът на Le Chatelier в този случай се свежда до следното: с повишаването на температурата, равновесието се измества към реакцията, която протича с усвояването на топлината и когато тя намалява, съответно, в обратна посока. Така че, ако реакцията, показана по-долу, повиши температурата, балансът ще се премести на дясната страна.

Повечето директни реакции са екзотермични, а обратните реакции са ендотермични (това не е правило, а по-скоро наблюдение, от което могат да бъдат намерени много изключения).

налягането

Тъй като налягането се променя, следващият параметър на системата се трансформира - неговият обем (увеличава се или намалява), поради което ефектът от използването на този параметър има особено силен ефект върху системите, в които се намират газовете. В този случай, принципът химическо равновесие е както следва. Ако налягането в системата се увеличи, то равновесието се измества към намаляване на броя на газовите молекули, а с намаляването на налягането равновесието се движи в обратна посока. Ако броят на газовите молекули не се променя по време на реакцията, тогава равновесието не се измества, тъй като налягането се променя, например при следващата реакция.

На практика този принцип е валиден само за идеални газове, тъй като всички реални имат различна компресируемост. Така, дори ако броят на газовите молекули остане непроменен, равновесието може да зависи от налягането. На практика това ще бъде забележимо, когато високо налягане. В случай на течни и твърди вещества промяната в налягането в действителност не влияе на равновесието поради малките обеми, заети от такива вещества. При разглеждане на смесени системи се вземат предвид само газови молекули.

Равновесното изместване на системата в резултат на промени в концентрацията на всяко вещество, участващо в реакцията

В хода на промяната на концентрацията на веществото, принципът на Le Chatelier работи както следва. При увеличаване на концентрацията на реакционните продукти, равновесието се измества към обратната реакция и при намаляване на количеството на образуваните вещества равновесието се движи в обратна посока.

Какво става, ако добавите инертен газ

Можете да променяте обема на системата не само чрез компресиране или отслабване на налягането, но и чрез добавяне на инертен газ, който няма да реагира. Какво ще се случи със системата, когато към него се добави хелий? Всъщност, най-вероятно нищо няма да се случи, тъй като съотношението на веществата, участващи в реакцията, няма да се промени, а процесът няма значение за общото налягане на системата, а за частичния за всеки компонент.

Ефект на катализаторите

Количеството на катализатора и неговото присъствие като цяло не оказват влияние върху изместването на химичното равновесие. Това се случва с оглед на факта, че този елемент също така ускорява както пряката, така и обратната реакция, запазвайки баланса в системата непроменен.

Начинът на изучаване на химическото равновесие

Подробното разглеждане на химическите равновесие е много важно за пълното разбиране на процеса. Един от най-често използваните техники е т.нар. Равновесен замразяващ метод. Така че, има бързане охлаждаща система в балансирано състояние. Равновесието просто няма време да се измества и при ниски температури скоростта на повечето процеси се забавя до почти нула. Поради това е възможно напълно да се анализира състава на сместа при всяка температура (концентрацията на веществата, участващи в реакцията, при нула градуса, ще съответства на броя на компонентите при температурата, при която започва намаляването). Този опит се извършва няколко пъти, като реакциите протичат в двете посоки.

Има ли пълна необратимост?

Невъзможно е напълно да се измести химическото равновесие в една посока. Дори при видимото абсолютно изместване винаги ще има малък брой молекули, които ще реагират.

На практика, почти всички реакции са обратими, и колко ще бъде видим този ефект, често зависи от температурата (често равновесието е просто силно изместено в една посока, така че става забележимо само когато условията се променят). Това се дължи на преобладаването на обратимото химични реакции изучаването на равновесието е особено важно.

Примери на синтези, при които химичното равновесие се измества по време на производството

При производството химическото равновесие обикновено се измества в посока на директна реакция, за да се получат съответно продукти от реакцията. Има много примери за такива синтези: получаване на амоняк серен оксид (VI), азотен оксид (II) и др.