Zasada Le Chateliera — jak przesuwa się równowaga

Zasada Le Chateliera pozwala przewidzieć, w którą stronę przesunie się reakcja odwracalna po zmianie stężenia, ciśnienia, objętości lub temperatury. Jeśli układ jest już w stanie równowagi i zostanie zaburzony, nowa równowaga ma tendencję do przesunięcia się w kierunku, który częściowo przeciwdziała tej zmianie.

To narzędzie do określania kierunku, a nie do obliczeń. Mówi, czy równowaga przesuwa się w lewo czy w prawo, ale nie podaje dokładnych nowych ilości.

W stanie równowagi reakcje w przód i wstecz nadal zachodzą. Po prostu przebiegają z jednakową szybkością, więc ogólny skład pozostaje stały, dopóki warunki się nie zmienią.

Jakie zmiany mogą przesunąć równowagę

Najważniejsze zaburzenia w chemii na poziomie podstawowym to zmiany stężenia, ciśnienia lub objętości gazu oraz temperatury. Każde z nich wymaga osobnej reguły, dlatego przed przewidywaniem warto najpierw nazwać rodzaj zaburzenia.

Jeśli dodasz więcej substratu, układ ma tendencję do zużycia jego części, więc równowaga przesuwa się w stronę produktów. Jeśli usuniesz produkt, układ ma tendencję do odtworzenia części usuniętej substancji, więc przesunięcie również następuje w stronę produktów.

W przypadku równowag gazowych zmiany ciśnienia i objętości mają znaczenie tylko wtedy, gdy po obu stronach równania występuje różna łączna liczba moli gazu. Zmniejszenie objętości zwiększa ciśnienie, więc równowaga ma tendencję do przesunięcia się w stronę z mniejszą liczbą moli gazu. Jeśli po obu stronach jest taka sama łączna liczba moli gazu, ta szybka reguła przewiduje brak przesunięcia.

Temperatura jest przypadkiem szczególnym. Dla reakcji egzotermicznej w kierunku prostym ciepło zachowuje się jak produkt; dla reakcji endotermicznej w kierunku prostym ciepło zachowuje się jak substrat. Zmiana temperatury może więc zmienić to, która strona jest uprzywilejowana w stanie równowagi.

Przykład: sprężanie równowagi w procesie Habera

Rozważ równowagę w procesie Habera:

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

Załóżmy, że temperatura pozostaje stała, a naczynie zostaje sprężone. Oznacza to, że objętość maleje, a ciśnienie rośnie.

Teraz policz mole gazu. Po lewej stronie jest $1 + 3 = 4$ moli gazu, a po prawej stronie są $2$ mole gazu. Przesunięcie w prawo zmniejsza wzrost ciśnienia, ponieważ układ przechodzi w stronę mniejszej liczby cząsteczek gazu, więc równowaga przesuwa się w stronę amoniaku, $NH_3$.

To podstawowy schemat w zadaniach o ciśnieniu. Sprawdź, czy reakcja dotyczy gazów, policz łączną liczbę moli gazu po obu stronach, a dopiero potem zdecyduj o kierunku.

Czego zasada Le Chateliera nie mówi

Zasada Le Chateliera wskazuje kierunek przesunięcia. Nie mówi nic o dokładnych nowych stężeniach, ciśnieniach ani wydajności w stanie równowagi.

Nie zastępuje też obliczeń równowagowych. Jeśli w zadaniu trzeba wyznaczyć końcowe ilości, potrzebujesz narzędzi takich jak wyrażenie stałej równowagi albo tabela ICE, a nie tylko kierunku przesunięcia.

Typowe błędy w zadaniach o przesunięciu równowagi

Mylenie położenia i szybkości

Katalizator zwykle pomaga układowi szybciej osiągnąć stan równowagi, ale sam z siebie nie przesuwa równowagi w lewo ani w prawo. Uczniowie często mylą szybszą odpowiedź układu z innym położeniem równowagi.

Stosowanie reguły dotyczącej ciśnienia tam, gdzie nie ma zastosowania

Skrócone reguły dotyczące ciśnienia i objętości odnoszą się do równowag gazowych. Wymagają też różnej łącznej liczby moli gazu po obu stronach. Jeśli liczba moli gazu jest taka sama, sama zmiana objętości nie pozwala przewidzieć przesunięcia.

Traktowanie temperatury jak zwykłej zmiany stężenia

Przy stałej temperaturze zmiana stężenia lub ciśnienia przesuwa położenie równowagi bez zmiany stałej równowagi. Temperatura jest inna, ponieważ może zmieniać samą wartość stałej równowagi.

Myślenie, że równowaga oznacza równe ilości

Równowaga oznacza równe szybkości reakcji w przód i wstecz, a nie równe ilości substratów i produktów.

Gdzie chemicy stosują zasadę Le Chateliera

Chemicy stosują zasadę Le Chateliera w reakcjach w fazie gazowej, równowagach kwasowo-zasadowych, zadaniach dotyczących rozpuszczalności i projektowaniu procesów przemysłowych. Jest najbardziej użyteczna wtedy, gdy chcesz szybko przewidzieć jakościowo wynik przed wykonaniem pełnych obliczeń.

To sprawia, że jest szczególnie przydatna w zadaniach uczniowskich. Często można szybko odrzucić błędne odpowiedzi, sprawdzając rodzaj zaburzenia i warunki reakcji.

Spróbuj podobnego zadania o przesunięciu równowagi

Spójrz na

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

i zastanów się, co się stanie, jeśli objętość zostanie zmniejszona przy stałej temperaturze. Zanim odpowiesz, policz mole gazu po obu stronach. Jeśli chcesz zrobić jeszcze jedno szybkie sprawdzenie, porównaj swoje rozumowanie z dowolną reakcją, w której po obu stronach jest taka sama liczba moli gazu, i zobacz, dlaczego reguła dotycząca ciśnienia przestaje działać.