Αρχή του Le Chatelier — Πώς μετατοπίζεται η χημική ισορροπία

Η αρχή του Le Chatelier προβλέπει προς ποια κατεύθυνση μετατοπίζεται μια αντιστρεπτή αντίδραση μετά από μεταβολή στη συγκέντρωση, την πίεση, τον όγκο ή τη θερμοκρασία. Αν ένα σύστημα βρίσκεται ήδη σε ισορροπία και το διαταράξεις, η νέα ισορροπία τείνει να μετακινηθεί προς την κατεύθυνση που αντιτίθεται εν μέρει σε αυτή τη μεταβολή.

Είναι εργαλείο για την κατεύθυνση, όχι υπολογιστική μέθοδος. Σου λέει αν η ισορροπία μετατοπίζεται αριστερά ή δεξιά, αλλά όχι τις ακριβείς νέες ποσότητες.

Στην ισορροπία, η ευθεία και η αντίστροφη αντίδραση συνεχίζουν να συμβαίνουν. Απλώς γίνονται με ίσες ταχύτητες, οπότε η συνολική σύσταση παραμένει σταθερή μέχρι να αλλάξουν οι συνθήκες.

Ποιες μεταβολές μπορούν να μετατοπίσουν την ισορροπία

Οι βασικές διαταραχές στην εισαγωγική χημεία είναι οι μεταβολές στη συγκέντρωση, στην πίεση ή στον όγκο αερίου και στη θερμοκρασία. Καθεμία χρειάζεται τον δικό της κανόνα, γι’ αυτό βοηθά να ονομάσεις πρώτα τη μεταβολή πριν προβλέψεις οτιδήποτε.

Αν προσθέσεις περισσότερο από ένα αντιδρών, το σύστημα τείνει να καταναλώσει ένα μέρος του, οπότε η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα προϊόντα. Αν αφαιρέσεις ένα προϊόν, το σύστημα τείνει να αναπληρώσει ένα μέρος από αυτό που αφαιρέθηκε, άρα η μετατόπιση είναι επίσης προς τα προϊόντα.

Στις αέριες ισορροπίες, οι μεταβολές πίεσης και όγκου έχουν σημασία μόνο όταν οι δύο πλευρές έχουν διαφορετικό συνολικό αριθμό mol αερίου. Η μείωση του όγκου αυξάνει την πίεση, οπότε η ισορροπία τείνει να μετατοπιστεί προς την πλευρά με λιγότερα mol αερίου. Αν και οι δύο πλευρές έχουν τον ίδιο συνολικό αριθμό mol αερίου, αυτός ο σύντομος κανόνας προβλέπει ότι δεν υπάρχει μετατόπιση.

Η θερμοκρασία είναι η ειδική περίπτωση. Για μια εξώθερμη ευθεία αντίδραση, η θερμότητα συμπεριφέρεται σαν προϊόν· για μια ενδόθερμη ευθεία αντίδραση, η θερμότητα συμπεριφέρεται σαν αντιδρών. Άρα η μεταβολή της θερμοκρασίας μπορεί να αλλάξει ποια πλευρά ευνοείται στην ισορροπία.

Λυμένο παράδειγμα: Συμπίεση της ισορροπίας Haber

Εξέτασε την ισορροπία της διεργασίας Haber:

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$

Υπόθεσε ότι η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και το δοχείο συμπιέζεται. Αυτό σημαίνει ότι ο όγκος μειώνεται και η πίεση αυξάνεται.

Τώρα μέτρησε τα mol αερίου. Η αριστερή πλευρά έχει $1 + 3 = 4$ mol αερίου, ενώ η δεξιά πλευρά έχει $2$ mol αερίου. Μια μετατόπιση προς τα δεξιά μειώνει την αύξηση της πίεσης, μετακινώντας το σύστημα προς λιγότερα αέρια σωματίδια, οπότε η ισορροπία μετατοπίζεται προς την αμμωνία, $NH_3$.

Αυτό είναι το βασικό μοτίβο για ερωτήσεις πίεσης. Έλεγξε ότι η αντίδραση περιλαμβάνει αέρια, μέτρησε το συνολικό πλήθος mol αερίου σε κάθε πλευρά και μόνο τότε αποφάσισε την κατεύθυνση.

Τι δεν σου λέει η αρχή του Le Chatelier

Η αρχή του Le Chatelier σου λέει την κατεύθυνση της μετατόπισης. Δεν σου λέει τις ακριβείς νέες συγκεντρώσεις, πιέσεις ή την απόδοση στην ισορροπία.

Επίσης, δεν αντικαθιστά τους υπολογισμούς ισορροπίας. Αν ένα πρόβλημα ζητά τελικές ποσότητες, χρειάζεσαι εργαλεία όπως η έκφραση της σταθεράς ισορροπίας ή έναν πίνακα ICE, όχι μόνο την κατεύθυνση της μετατόπισης.

Συνηθισμένα λάθη σε ερωτήσεις μετατόπισης ισορροπίας

Σύγχυση ανάμεσα στη θέση και την ταχύτητα

Ένας καταλύτης συνήθως βοηθά ένα σύστημα να φτάσει πιο γρήγορα στην ισορροπία, αλλά από μόνος του δεν μετακινεί την ισορροπία αριστερά ή δεξιά. Οι μαθητές συχνά μπερδεύουν την ταχύτερη απόκριση με διαφορετική θέση ισορροπίας.

Χρήση του κανόνα της πίεσης όταν δεν εφαρμόζεται

Οι σύντομοι κανόνες για πίεση και όγκο ισχύουν για αέριες ισορροπίες. Απαιτούν επίσης διαφορετικό συνολικό αριθμό mol αερίου στις δύο πλευρές. Αν τα mol αερίου είναι ίσα, η μεταβολή του όγκου από μόνη της δεν προβλέπει μετατόπιση.

Αντιμετώπιση της θερμοκρασίας σαν να είναι απλώς άλλη μία μεταβολή συγκέντρωσης

Σε σταθερή θερμοκρασία, η μεταβολή της συγκέντρωσης ή της πίεσης μετατοπίζει τη θέση της ισορροπίας χωρίς να αλλάζει τη σταθερά ισορροπίας. Η θερμοκρασία είναι διαφορετική, επειδή μπορεί να αλλάξει την ίδια τη σταθερά ισορροπίας.

Η λανθασμένη ιδέα ότι ισορροπία σημαίνει ίσες ποσότητες

Ισορροπία σημαίνει ίσες ταχύτητες ευθείας και αντίστροφης αντίδρασης, όχι ίσες ποσότητες αντιδρώντων και προϊόντων.

Πού χρησιμοποιούν οι χημικοί την αρχή του Le Chatelier

Οι χημικοί χρησιμοποιούν την αρχή του Le Chatelier σε αντιδράσεις αέριας φάσης, σε οξεοβασικές ισορροπίες, σε προβλήματα διαλυτότητας και στον σχεδιασμό βιομηχανικών διεργασιών. Είναι πιο χρήσιμη όταν θέλεις μια γρήγορη ποιοτική πρόβλεψη πριν κάνεις πλήρη υπολογισμό.

Αυτό την κάνει ιδιαίτερα χρήσιμη σε ασκήσεις για μαθητές. Συχνά μπορείς να αποκλείσεις γρήγορα λανθασμένες απαντήσεις ελέγχοντας το είδος της μεταβολής και τις συνθήκες της αντίδρασης.

Δοκίμασε μια παρόμοια μετατόπιση ισορροπίας

Δες την αντίδραση

$$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$$

και σκέψου τι συμβαίνει αν ο όγκος μειωθεί σε σταθερή θερμοκρασία. Μέτρησε τα mol αερίου σε κάθε πλευρά πριν απαντήσεις. Αν θέλεις έναν ακόμη γρήγορο έλεγχο, σύγκρινε το σκεπτικό σου με οποιαδήποτε αντίδραση όπου και οι δύο πλευρές έχουν τα ίδια mol αερίου και δες γιατί ο κανόνας της πίεσης παύει να λειτουργεί.