Princíp Le Chatelier opisuje odozvu systému v rovnováhe so pôsobilo proti účinkov, spôsobených externým činidlom. Bola sformulovaná v roku 1888 francúzskym chemikom Henrym Louisom Le Chatelierom. Uplatňuje sa na každú chemickú reakciu, ktorá je schopná dosiahnuť rovnováhu v uzavretých systémoch.

Čo je uzavretý systém? Je to miesto, kde dochádza k prenosu energie medzi jeho hranicami (napríklad kocka), ale nie hmoty. Na vykonanie zmeny v systéme je však potrebné ho otvoriť a potom ho znova zatvoriť, aby sa zistilo, ako reaguje na narušenie (alebo zmenu).

Henry Louis Le Chatelier

Po zatvorení sa systém vráti do rovnováhy a vďaka tomuto princípu sa dá predvídať spôsob jeho dosiahnutia. Je nová rovnováha rovnaká ako tá stará? Závisí to od času, ktorému je systém vystavený vonkajšiemu rušeniu; ak to trvá dosť dlho, nová rovnováha je iná.

Z čoho pozostáva?

Nasledujúca chemická rovnica zodpovedá reakcii, ktorá dosiahla rovnováhu:

aA + bB <=> cC + dD

V tomto výraze a, b, cad sú stechiometrické koeficienty. Pretože systém je uzavretý, z vonkajšej strany neprenikajú žiadne reaktanty (A a B) ani produkty (C a D), ktoré narušujú rovnováhu.

Čo presne znamená rovnováha? Ak je nastavená táto hodnota, rýchlosť prednej (vpravo) a reverznej (vľavo) reakcie sa vyrovná. V dôsledku toho zostávajú koncentrácie všetkých druhov v priebehu času konštantné.

Vyššie uvedené je možné chápať týmto spôsobom: akonáhle malé A a B reagujú za vzniku C a D, reagujú spolu navzájom, aby regenerovali spotrebované A a B, a tak ďalej, pokiaľ systém zostáva v rovnováhe.

Ak sa však na systém aplikuje rušenie - či už pridaním A, tepla, D alebo znížením objemu -, Le Chatelierov princíp predpovedá, ako sa bude správať, aby pôsobil proti spôsobeným účinkom, hoci nevysvetľuje mechanizmus molekulárny tým, že sa mu umožní návrat do rovnováhy.

V závislosti od vykonaných zmien je teda možné uprednostniť zmysel pre reakciu. Napríklad, ak B je požadovaná zlúčenina, uskutoční sa zmena tak, že rovnováha sa posunie k jej tvorbe.

Faktory, ktoré upravujú chemickú rovnováhu

Aby sme pochopili Le Chatelierov princíp, vynikajúcou aproximáciou je predpoklad, že rovnováha pozostáva z mierky.

Pri tomto postupe sa činidlá vážia na ľavej panvici (alebo koši) a produkty sa vážia na pravej panvici. Odtiaľ sa predpovedanie odozvy systému (rovnováha) stáva ľahšou.

Zmeny koncentrácie

aA + bB <=> cC + dD

Dvojitá šípka v rovnici predstavuje kmeň rovnováhy a podčiarknuté panvice. Takže ak je do systému pridané množstvo (gramy, miligramy atď.) A, na pravej panve bude väčšia váha a váha sa nakloní na túto stranu.

Výsledkom je, že tanier C + D stúpa; inými slovami, nadobúda význam v porovnaní s miskou A + B. Inými slovami: pridaním A (ako v prípade B) váhy posunú produkty C a D nahor.

Z chemického hľadiska sa rovnováha končí posunutím doprava: smerom k výrobe ďalších C a D.

Opak nastane v prípade, že sa do systému pridajú množstvá C a D: ľavá panvica sa stáva ťažšou, takže pravá panva sa zdvihne.

To opäť vedie k zvýšeniu koncentrácií A a B; preto sa vytvára rovnovážny posun doľava (reaktanty).

Zmeny tlaku alebo objemu

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

Zmeny tlaku alebo objemu spôsobené v systéme majú pozoruhodné účinky na druhy v plynnom stave. Avšak pre vyššiu chemickú rovnicu by žiadna z týchto zmien nemenila rovnováhu.

Prečo? Pretože celkový počet mólov plynu na oboch stranách rovnice je rovnaký.

Rovnováha sa bude snažiť vyvážiť zmeny tlaku, ale pretože obidve reakcie (priame aj nepriame) produkujú rovnaké množstvo plynu, zostávajú nezmenené. Napríklad pre nasledujúcu chemickú rovnicu váhy nereagujú na tieto zmeny:

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

Tu, vzhľadom na pokles objemu (alebo zvýšenie tlaku) v systéme, rovnováha zdvihne panvicu, aby sa tento účinok znížil.

Ako? Zníženie tlaku prostredníctvom tvorby E. Je to preto, že keďže A a B vyvíjajú väčší tlak ako E, reagujú na zníženie svojich koncentrácií a zvýšenie koncentrácie E.

Rovnako princíp Le Chatelier predpovedá účinok zvyšovania objemu. Ak k tomu dôjde, musí rovnováha pôsobiť proti účinku tým, že podporuje tvorbu plynnejších mól, ktoré obnovujú stratu tlaku; tentoraz posunutie váhy doľava, zdvíhacia misa A + B.

Zmeny teploty

Teplo možno považovať za reaktívne aj za produkt. Preto je reakcia v závislosti od entalpie reakcie (AHrx) exotermická alebo endotermická. Potom sa teplo umiestni na ľavú alebo pravú stranu chemickej rovnice.

aA + bB + teplo <=> cC + dD (endotermická reakcia)

aA + bB <=> cC + dD + teplo (exotermická reakcia)

Tu zohrievanie alebo chladenie systému generuje rovnaké reakcie ako v prípade zmien koncentrácií.

Napríklad, ak je reakcia exotermická, chladenie systému uprednostňuje posun rovnováhy doľava; pokiaľ je zahrievaná, reakcia pokračuje s väčšou tendenciou doprava (A + B).

aplikácia

Spomedzi nespočetných aplikácií, keďže mnohé reakcie dosahujú rovnováhu, existujú tieto:

V procese Habera

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

Horná chemická rovnica zodpovedá tvorbe amoniaku, jednej z hlavných zlúčenín vyrábaných v priemyselnom meradle.

Tu sú ideálne podmienky pre získanie NH ₃ , sú tie, v ktorých je teplota nie je príliš vysoká, a tiež tam, kde sú vysoké úrovne tlaku (200 až 1000 MPa).

V záhradníctve

Purpurové hortenzie (horný obrázok) vytvárajú rovnováhu s hliníkom (Al ³⁺ ) prítomným v pôde. Prítomnosť tohto kovu, Lewisovej kyseliny, vedie k ich okysleniu.

Na základných pôdach sú však kvety hortenzie červené, pretože hliník je v týchto pôdach nerozpustný a rastlina ho nemôže použiť.

Záhradník, ktorý pozná princíp Le Chatelier, by mohol dômyselne okyslenie pôdy zmeniť farbu svojich hortenzií.

Pri tvorbe jaskýň