مفاهیم اصلی
اصل لو شاتلیه یکی از مفاهیم مهم در رابطه با تعادل شیمیایی است. به ما اجازه می دهد تا رفتار یک سیستم در حالت تعادل را تحت شرایط مختلف پیش بینی کنیم. در این آموزش، به تعریف اصل Le Chatelier و همچنین نحوه اعمال آن در تغییر غلظت، دما و فشار خواهیم پرداخت.
موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر
بررسی اجمالی: تعادل پویا
تعادل دینامیک یا تعادل شیمیایی به حالتی اطلاق می‌شود که یک واکنش شیمیایی در آن قرار دارد زمانی که واکنش‌های رو به جلو و معکوس در سرعت‌های مساوی هستند. غلظت محصولات و واکنش دهنده ها هر دو ثابت می ماند. این بدان معنا نیست که غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها لزوماً باید برابر باشد، فقط غلظت هیچ‌کدام تغییر نمی‌کند، زیرا سرعت‌های تشکیل برابر است.
تعادل شیمیایی و تعادل دینامیکی در بیشتر موارد یکسان هستند، اگرچه از نظر فنی می‌توانید حالتی از تعادل دینامیکی داشته باشید که در آن هیچ تغییر شیمیایی وجود نداشته باشد.
اصل Le Chatelier چیست؟
اصل لو شاتلیه می گوید: اگر سیستمی که در حالت تعادل دینامیکی قرار دارد با تغییر شرایط خود مختل شود، موقعیت تعادل برای خنثی کردن این تغییر تغییر می کند. بیایید بررسی کنیم که چگونه این به طور خاص در موارد مختلف اعمال می شود.
اصل لو شاتلیه چگونه در موارد خاصی از تعادل دینامیکی اعمال می شود؟
برای چند توضیح بعدی، از مثال تعادل شیمیایی زیر استفاده می کنیم:
ن2 (g) + 3H2 (g) ⇋ 2NH3 (g)
این واکنش معروف برای سنتز آمونیاک است فرآیند هابر.
1. تغییر در تمرکز
اگر غلظت یکی از واکنش دهنده ها را افزایش دهید، موقعیت تعادل به سمت محصولات تغییر می کند تا واکنش دهنده اضافه شده را خنثی کند. به عنوان مثال، اگر N بیشتر باشد2 به سیستم اضافه می شود، با H واکنش نشان می دهد2. این به نوبه خود آمونیاک بیشتری تولید می کند.
به طور مشابه، اگر غلظت یکی از واکنش دهنده ها را کاهش دهید، موقعیت تعادل به سمت چپ تغییر می کند. در این مورد، اگر N2 حذف شد، بیشتر از NH3 به واکنش دهنده ها تجزیه می شود.
همین مفهوم برای موقعیت‌هایی که محصول از سیستم حذف می‌شود صدق می‌کند – موقعیت تعادل به سمت راست تغییر می‌کند تا با تغییر مقابله کند و محصول بیشتری تولید کند.
2. تغییرات فشار
تغییرات فشار فقط برای واکنش‌هایی اعمال می‌شود که شامل گازها می‌شود – این شامل واکنش‌هایی می‌شود که در آن همه واکنش‌دهنده‌ها گاز نیستند.
اگر فشار افزایش یابد، موقعیت تعادل برای کاهش فشار تغییر می کند. به سمتی که مول کمتری گاز دارد جابجا می شود. این به این دلیل است که طرفی که مول کمتری گاز دارد، مولکول‌های گاز کمتری برای برخورد با دو طرف ظرف و ایجاد فشار خواهد داشت. اساساً این جابجایی مولکول های کمتری گاز تولید می کند تا فشار را کاهش دهد. بنابراین، در این مثال، تعادل به سمت راست تغییر می کند. سمت چپ (واکنش دهنده ها) معادله دارای 4 مول گاز و سمت راست (محصولات) دارای 2 مول است.
به همین ترتیب، اگر فشار کاهش یابد، موقعیت تعادل برای افزایش فشار تغییر خواهد کرد. به سمتی که مول های گاز بیشتری دارد جابه جا می شود. باز هم، این برای تولید مولکول‌های گاز بیشتر است که در هنگام برخورد با دیواره‌های ظرف فشار بیشتری ایجاد می‌کند. بنابراین در این مثال، تعادل به سمت چپ تغییر می کند.
نکته: اگر تعداد مول های گاز در هر دو طرف مساوی باشد، افزایش/کاهش فشار تاثیری در وضعیت تعادل نخواهد داشت. به همین ترتیب، افزودن یک گاز بی اثر بر وضعیت تعادل تأثیری ندارد. اگرچه فشار کل را افزایش می دهد، اما با گازهای دیگر واکنش نشان نمی دهد، بنابراین فشار جزئی آنها را افزایش نمی دهد.
به یاد داشته باشید که افزایش یا کاهش حجم ظرف یک سیستم بر فشار تأثیر می گذارد. انتقال واکنش به حجم کمتر باعث افزایش فشار و حجم بیشتر باعث کاهش فشار می شود.
3. تغییرات دما
واکنش رو به جلو در این حالت گرمازا است، به این معنی که واکنش معکوس گرماگیر است. این مهم است که هنگام در نظر گرفتن تغییرات دما بدانیم.
اگر دما افزایش یابد، موقعیت تعادل برای کاهش دما تغییر می کند، به این معنی که نیاز به جذب گرمای اضافی دارد. بنابراین، در جهت واکنش گرماگیر تغییر خواهد کرد (همانطور که یک واکنش گرماگیر گرما را جذب می کند). در این حالت همانطور که گفتیم واکنش برگشت گرماگیر است بنابراین موقعیت تعادل به سمت چپ تغییر می کند.
اگر دما کاهش یابد، موقعیت تعادل برای افزایش دما تغییر می کند، به این معنی که نیاز به آزاد کردن گرمای اضافی دارد. بنابراین، در جهت واکنش گرمازا تغییر می کند (به عنوان یک واکنش گرمازا گرما را آزاد می کند). در این حالت، همانطور که گفتیم، واکنش رو به جلو گرمازا است، بنابراین موقعیت تعادل به سمت راست تغییر می کند.
نکته در مورد کاتالیزورها و اصل Le Chatelier
افزودن یک کاتالیزور، در واقع، دارد بدون تاثیر در موقعیت تعادل این به این دلیل است که کاتالیزورها سرعت هر دو واکنش رو به جلو و معکوس را افزایش می دهند. این بدان معنی است که این دو نرخ برابر می مانند، زیرا هر دو به یک میزان تغییر می کنند.
مثالی از اصل Le Chatelier: کمپلکس های کلرید کبالت
کلرید کبالت (II). اغلب برای نشان دادن اصل لو شاتلیه استفاده می شود. محلول کلرید کبالت صورتی است، اما اگر اسید کلریدریک غلیظ کافی به آن اضافه شود، یک کمپلکس آبی تشکیل می شود.
[Co(H2O)6]2+(aq) (صورتی) + 4Cl–(ق) → [CoCl4]2-(aq) (آبی) + 6H2O(l) + گرما
اگر واکنش دهنده های بیشتری اضافه کنید، محلول آبی تر می شود. اگر محصولات بیشتری اضافه کنید، تعادل شیمیایی به سمت چپ تغییر می کند و محلول صورتی می شود. رسیدن به مرحله میانی که بنفش است آسان است. بنابراین افزودن HCl بیشتر، اضافه کردن نمک خوراکی یا خنک کردن محلول، آن را آبی تر می کند. افزودن آب یا گرم کردن محلول، رنگ آن را بیشتر صورتی می‌کند.