Le Chatelier se beginsel: voorspel hoe ewewigte op verandering reageer

'n Steuring verander Q of K, en die sisteem herstel ewewig

By ewewig is die reaksiekwosiënt Q gelyk aan die ewewigskonstante K. 'n Versteuring, dikwels 'n steuring genoem, breek daardie gelykheid op een van twee maniere. Om 'n spesie by te voeg of te verwyder, of die volume van 'n gasmengsel te verander, verander Q terwyl K dieselfde bly. Om die temperatuur te verander, verander K self. In albei gevalle reageer die sisteem dan totdat Q weer gelyk is aan K.

As Q nou kleiner as K is, verloop die reaksie voorwaarts, na produkte. As Q nou groter as K is, verloop dit terugwaarts. Om in hierdie terme te dink, is meer betroubaar as gememoriseerde slagspreuke, omdat dit jou ook sê wanneer daar glad geen verskuiwing is nie.

Die woord gedeeltelik is belangrik. Die sisteem maak die verandering nooit heeltemal ongedaan nie. As jy 'n reaktant byvoeg, is sy konsentrasie by die nuwe ewewig steeds hoër as voordat jy dit bygevoeg het.

'n Spesie byvoeg of verwyder

Om 'n reaktant by te voeg of 'n produk te verwyder, verlaag Q onder K, dus skuif die reaksie na produkte. Om 'n produk by te voeg of 'n reaktant te verwyder, verhoog Q bo K, dus skuif die reaksie na reaktante. Industriële en laboratoriumprosesse gebruik dit voortdurend. Om 'n vlugtige produk af te distilleer, 'n gas te laat ontsnap of 'n produk te laat neerslaan, hou Q onder K en dryf die reaksie verder as wat sy K alleen sou toelaat.

Om meer van 'n suiwer vaste stof of suiwer vloeistof by te voeg, skuif nie die ewewig nie. Daardie stowwe verskyn nie in Q nie, dus verander Q nie. Om meer CaCO₃(s) by te voeg tot 'n verseëlde houer in ewewig met CaO(s) en CO₂(g), laat die CO₂-druk onveranderd.

Uitgewerkte voorbeeld: ekstra waterstof in die waterstofjodied-ewewig

OpenStax afdeling 13.3 gee Kc = 50.0 by 400 °C vir H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Veronderstel 'n ewewigsmengsel by daardie temperatuur het [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Dan is [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Nou word H₂ ingespuit sodat [H₂] na 0.0450 mol/L spring voordat enigiets reageer. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Dit is minder as 50.0, dus skuif die reaksie voorwaarts en gebruik van die bygevoegde H₂ op.

Om te vind hoe ver dit skuif, laat x mol/L H₂ reageer. Dan is [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x en [HI] = 0.106 + 2x. Stel (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 en los die kwadratiese vergelyking op, met onafgeronde tussenwaardes, wat x = 0.00728 gee. Die fisies sinvolle wortel is die een kleiner as 0.0150, omdat I₂ nie onder nul kan daal nie. Die nuwe ewewig het [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 en [HI] = 0.121 mol/L.

Lees die resultaat teen die beginsel. Die sisteem het ongeveer 'n kwart van die bygevoegde waterstof verbruik, dus het [H₂] by 0.0377 mol/L geëindig, steeds ver bo die oorspronklike 0.0150. Intussen is ongeveer die helfte van die jodium na HI omgeskakel. Om 'n goedkoop reaktant by te voeg om 'n duur een op te gebruik, is 'n standaardmanier om die opbrengs te verhoog.

'n Gasmengsel saampers of laat uitsit

Om die volume van 'n gasmengsel te verklein, verhoog elke konsentrasie met dieselfde faktor. Of dit Q verander, hang af van Δn, die mol gasvormige produkte minus die mol gasvormige reaktante. As Δn negatief is, verlaag samepersing Q en skuif die reaksie na minder gasmolekule. As Δn positief is, verhoog samepersing Q en skuif die reaksie na die reaktante, wat weer die kant met minder gasmolekule is. As Δn nul is, soos in H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, verander samepersing nie Q nie en is daar geen verskuiwing nie.

Om die totale druk te verhoog deur 'n onreaktiewe gas soos argon by konstante volume by te voeg, verander niks nie. Die parsiële drukke en konsentrasies van die reagerende gasse bly dieselfde, dus bly Q gelyk aan K. Om 'n inerte gas by konstante druk by te voeg, is anders: die houer moet uitsit, wat dieselfde effek het as om die volume te vergroot.

Uitgewerkte voorbeeld: die volume van 'n NO₂–N₂O₄-mengsel halveer

Vir N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) by 25 °C beskryf OpenStax afdeling 13.2 'n ewewigsmengsel met [N₂O₄] = 0.042 mol/L en [NO₂] = 0.016 mol/L. Dit gee Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Halveer die volume by konstante temperatuur. Albei konsentrasies verdubbel, tot [N₂O₄] = 0.084 en [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², presies twee keer Kc, omdat die NO₂-term gekwadreer word. Q > K, dus skuif die sisteem na N₂O₄, die kant met een mol gas in plaas van twee.

Laat y mol/L N₂O₄ vorm. Om (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ op te los, gee y = 0.0044, dus het die nuwe ewewig [NO₂] = 0.023 mol/L en [N₂O₄] = 0.088 mol/L, tot twee beduidende syfers soos die data. Die bruin NO₂ is meer gekonsentreerd as voor samepersing (0.023 teenoor 0.016 mol/L), dus lyk die gas donkerder, maar 'n kleiner deel van die stikstof is nou in NO₂: 12 persent vergeleke met 16 persent voorheen.

Temperatuur verskuif K self

Temperatuur is die enigste algemene verandering wat die waarde van K verander. Vir 'n endotermiese reaksie (ΔH > 0) neem K toe soos die temperatuur styg, dus skuif verhitting die ewewig na produkte. Vir 'n eksotermiese reaksie (ΔH < 0) neem K af soos die temperatuur styg, dus skuif verhitting dit na reaktante. 'n Nuttige manier om dit te onthou, is om warmte as 'n reaktant in 'n endotermiese reaksie en as 'n produk in 'n eksotermiese een te behandel.

OpenStax afdeling 13.3 gee ΔH = +57.20 kJ vir N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), dus maak verwarming die mengsel bruiner. Die grootte van die verandering kan met die van 't Hoff-vergelyking geskat word, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Dit volg uit ΔG° = −RT ln K en ΔG° = ΔH° − TΔS° as ΔH° en ΔS° rofweg konstant bly.

Uitgewerkte voorbeeld. Van 25 °C (298.15 K) tot 50 °C (323.15 K) is ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, dus K₂/K₁ = 6.0. Begin by Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 by 25 °C (Δn = 1, drukke in atm); Kp by 50 °C is dan rofweg 0.9. 'n Styging van 25 grade verhoog die ewewigskonstante ongeveer sesvoudig.

'n Katalisator verskuif nie 'n ewewig nie. Dit verlaag die aktiveringsenergie van die voorwaartse en terugwaartse reaksies ewe veel, dus word ewewig gouer bereik, maar K en die ewewigsamestelling bly onveranderd.

Haber–Bosch-ammoniak: opbrengs teen spoed opweeg

Die industriële sintese van ammoniak, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), wys hoe die beginsel werklike keuses rig. OpenStax afdeling 13.3 gee ΔH = −92.2 kJ. Die reaksie is eksotermies, dus gee laer temperature 'n groter K en meer ammoniak by ewewig. Vier mol gas word twee, dus bevoordeel hoë druk ook ammoniak.

Die probleem is spoed. By lae temperatuur is die reaksie veels te stadig om nuttig te wees. OpenStax beskryf die kompromie: drukke van ongeveer 150 tot 250 atm, temperature van 400 tot 500 °C met 'n katalisator om die tempo prakties te hou, en voortdurende verwydering van ammoniak uit die mengsel sodat Q onder K bly. Die temperatuur word ter wille van tempo gekies, ten koste van 'n kleiner K, en die ander toestande herwin soveel opbrengs as moontlik.

Le Chatelier-voorspellings wat verkeerd loop

Wanneer 'n voorspelling onseker voel, skryf Q, verander die betrokke hoeveelheid, en vergelyk die nuwe Q met K. Daardie kontrole besleg byna elke geval hieronder.

• Sê dat K verander wanneer 'n konsentrasie of die volume verander. Slegs temperatuur verander K.
• 'n Verskuiwing voorspel nadat 'n reaksie met Δn = 0, soos H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, saamgepers is.
• 'n Verskuiwing voorspel nadat 'n inerte gas by konstante volume bygevoeg is.
• 'n Verskuiwing voorspel nadat meer van 'n suiwer vaste stof of vloeistof bygevoeg is.
• Beweer dat 'n katalisator die ewewigsopbrengs verhoog. Dit versnel slegs die benadering tot ewewig.
• Aanneem dat die sisteem die verandering heeltemal kanselleer. 'n Bygevoegde reaktant eindig bo sy oorspronklike konsentrasie.
• Alle mol tel, nie net gasmol nie, wanneer jy besluit hoe 'n drukverandering inwerk.