Принцип Ле Шательє описує відгук системи в рівновазі , щоб протидіяти ефекти , викликані зовнішнім агентом. Він був сформульований у 1888 році французьким хіміком Генрі Луї Ле Шательє. Він застосовується до будь-якої хімічної реакції, здатної досягти рівноваги в закритих системах.

Що таке закрита система? Це той, де відбувається передача енергії між її межами (наприклад, куб), але не матерії. Однак, щоб змінити систему, потрібно її відкрити, а потім знову закрити, щоб вивчити, як вона реагує на порушення (або зміну).

Генрі Луї Ле Шательє

Після закриття система повернеться до рівноваги, і її спосіб можна передбачити завдяки цьому принципу. Чи однакова нова рівновага, як і стара? Це залежить від часу, до якого система піддається зовнішнім порушенням; якщо вона триватиме досить довго, нова рівновага буде іншою.

З чого він складається?

Наступне хімічне рівняння відповідає реакції, яка досягла рівноваги:

aA + bB <=> cC + dD

У цьому виразі a, b, c і d є стехіометричні коефіцієнти. Оскільки система закрита, реагенти (A і B) або продукти (C і D) не надходять ззовні, які порушують рівновагу.

Але що саме означає баланс? Коли це встановлено, швидкість прямої (праворуч) та зворотної (лівої) реакції вирівнюється. Отже, концентрація всіх видів з часом залишається постійною.

Сказане можна зрозуміти таким чином: як тільки маленькі A і B реагують на виробництво C і D, вони реагують один з одним одночасно, щоб регенерувати споживані A і B і так далі, поки система залишається в рівновазі.

Однак, коли до системи застосовано збурення - за рахунок додавання A, тепла, D або зменшення гучності - принцип Ле Шательє передбачає, як він поводитиметься для протидії викликаним ефектам, хоча це не пояснює механізм молекулярна, дозволяючи їй повернутися до рівноваги.

Таким чином, залежно від внесених змін, відчуття реакції може надавати перевагу. Наприклад, якщо B є бажаною сполукою, відбувається така зміна, що рівновага зміщується до її утворення.

Фактори, що змінюють хімічний баланс

Для розуміння принципу Ле Шательє відмінним наближенням є припущення, що рівновага складається з шкали.

Якщо бачити такий підхід, реагенти зважують на лівій каструлі (або кошику), а продукти зважують на правій сковороді. Звідси прогнозування реакції системи (балансу) стає легким.

Зміни концентрації

aA + bB <=> cC + dD

Подвійна стрілка в рівнянні являє собою стебло рівноваги та підкреслені сковороди. Отже, якщо в систему буде додана кількість (грамів, міліграм тощо) A, на правій сковороді буде більше ваги, і рівновага буде нахилена в цю сторону.

Як результат, блюдце C + D піднімається; Іншими словами, він набуває значення порівняно з блюдо А + В. Іншими словами: з додаванням A (як і B) баланс зміщує продукти C і D вгору.

У хімічному відношенні рівновага закінчується зміщенням вправо: у напрямку виробництва більше C і D.

Навпаки, відбувається, якщо в систему додаються кількості C і D: ліва каструля стає важчою, внаслідок чого права сковорода піднімається.

Знову ж таки, це призводить до зростання концентрацій A і B; тому створюється зсув рівноваги вліво (реактиви).

Зміни тиску чи об’єму

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

Зміни тиску чи об’єму, спричинені в системі, мають лише помітний вплив на види в газоподібному стані. Однак для вищого хімічного рівняння жодна з цих змін не змінює рівновагу.

Чому? Тому що кількість загальних молей газу по обидва боки рівняння однакове.

Вага буде прагнути збалансувати зміни тиску, але оскільки обидві реакції (пряма і зворотна) виробляють однакову кількість газу, він залишається незмінним. Наприклад, для наступного хімічного рівняння баланс реагує на ці зміни:

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

Тут, в умовах зменшення об'єму (або збільшення тиску) в системі, баланс підніме сковороду для зменшення цього ефекту.

Як? Зниження тиску через утворення E. Це відбувається тому, що як А і В чинять більший тиск, ніж Е, вони реагують на зниження концентрації та збільшення концентрації Е.

Так само принцип Ле Шательє прогнозує ефект збільшення обсягу. Коли це відбувається, то баланс повинен протидіяти ефекту, сприяючи утворенню більш газоподібних родимок, які відновлюють втрату тиску; цього разу, пересуваючи рівновагу вліво, піднімаючи сковороду A + B.

Зміни температури

Тепло можна вважати як реакційноздатним, так і продуктом. Тому залежно від ентальпії реакції (ΔHrx) реакція є екзотермічною або ендотермічною. Потім тепло поміщається на ліву або праву частину хімічного рівняння.

aA + bB + тепло <=> cC + dD (ендотермічна реакція)

aA + bB <=> cC + dD + тепло (екзотермічна реакція)

Тут нагрівання або охолодження системи генерує ті ж реакції, що і у випадку зміни концентрацій.

Наприклад, якщо реакція екзотермічна, охолодження системи сприяє переміщенню рівноваги вліво; тоді як якщо вона нагрівається, реакція триває з більшою тенденцією вправо (A + B).

Програми

Серед його численних застосувань, враховуючи, що багато реакцій досягають рівноваги, є такі:

У процесі Хабер

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

Верхнє хімічне рівняння відповідає утворенню аміаку, однієї з основних сполук, що виробляються в промислових масштабах.

Тут ідеальними умовами отримання NH ₃ є такі, у яких температура не дуже висока і, також, там, де високий рівень тиску (від 200 до 1000 атм).

У садівництві

Фіолетові гортензії (верхнє зображення) встановлюють рівновагу з алюмінієм (Al ³⁺ ), який присутній у ґрунтах. Наявність цього металу, кислоти Льюїса, призводить до їх підкислення.

Однак у основних ґрунтах квіти гортензії червоні, тому що алюміній нерозчинний у цих ґрунтах і не може бути використаний рослиною.

Садівник, знайомий з принципом Ле Шательє, міг змінити колір своїх гортензій, спритно підкисляючи ґрунти.

У формуванні печер