Le Şatelye prinsipi: tarazlıqların dəyişikliyə necə cavab verdiyinin proqnozlaşdırılması

Təsir Q-nu və ya K-nı dəyişir, sistem isə tarazlığı bərpa edir

Tarazlıqda reaksiya nisbəti Q tarazlıq sabiti K-ya bərabərdir. Çox vaxt gərginlik adlanan xarici təsir bu bərabərliyi iki yoldan biri ilə pozur. Növün əlavə edilməsi və ya çıxarılması, yaxud qaz qarışığının həcminin dəyişdirilməsi K-nı sabit saxlayaraq Q-nu dəyişir. Temperaturun dəyişdirilməsi isə K-nın özünü dəyişir. Hər iki halda sistem sonra Q yenidən K-ya bərabər olana qədər reaksiyaya girir.

Q indi K-dan kiçikdirsə, reaksiya düz istiqamətdə, məhsullara doğru gedir. Q indi K-dan böyükdürsə, əks istiqamətdə gedir. Bu cür düşünmək əzbərlənmiş şüarlardan daha etibarlıdır, çünki o, sürüşmənin ümumiyyətlə olmadığı halları da göstərir.

“Qismən” sözü vacibdir. Sistem dəyişikliyi heç vaxt tam aradan qaldırmır. Reagent əlavə etsəniz, onun yeni tarazlıqdakı qatılığı yenə də əlavə etməzdən əvvəlkindən yüksək olur.

Növün əlavə edilməsi və ya çıxarılması

Reagent əlavə etmək və ya məhsulu çıxarmaq Q-nu K-dan aşağı salır, buna görə reaksiya məhsullara doğru sürüşür. Məhsul əlavə etmək və ya reagenti çıxarmaq Q-nu K-dan yuxarı qaldırır, buna görə reaksiya reagentlərə doğru sürüşür. Sənaye və laboratoriya prosesləri bundan daim istifadə edir. Uçucu məhsulu distillə edib ayırmaq, qazın çıxmasına imkan vermək və ya məhsulu çökdürmək Q-nu K-dan aşağı saxlayır və reaksiyanı təkcə onun K-sının imkan verəcəyindən daha irəli aparır.

Təmiz bərk maddə və ya təmiz mayedən əlavə etmək tarazlığı sürüşdürmür. Bu maddələr Q-da iştirak etmir, buna görə Q dəyişmir. CaO(s) və CO₂(g) ilə tarazlıqda olan qapalı qaba əlavə CaCO₃(s) qoymaq CO₂ təzyiqini dəyişmir.

Həll olunmuş nümunə: hidrogen yodid tarazlığında əlavə hidrogen

OpenStax bölmə 13.3 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) üçün 400 °C-də Kc = 50.0 verir. Tutaq ki, həmin temperaturda tarazlıq qarışığında [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L-dir. Onda [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

İndi H₂ elə vurulur ki, hələ heç nə reaksiyaya girməzdən əvvəl [H₂] 0.0450 mol/L-ə sıçrayır. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Bu, 50.0-dan kiçikdir, buna görə reaksiya düz istiqamətdə sürüşür və əlavə edilmiş H₂-nin bir hissəsini sərf edir.

Sürüşmənin nə qədər olduğunu tapmaq üçün tutaq ki, x mol/L H₂ reaksiyaya girir. Onda [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x və [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 bərabərliyini qurub kvadrat tənliyi aralıq qiymətləri yuvarlaqlaşdırmadan həll etmək x = 0.00728 verir. Fiziki cəhətdən mənalı kök 0.0150-dən kiçik olandır, çünki I₂ sıfırdan aşağı düşə bilməz. Yeni tarazlıqda [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 və [HI] = 0.121 mol/L-dir.

Nəticəni prinsiplə müqayisə edin. Sistem əlavə edilmiş hidrogenin təxminən dörddə birini sərf etdi, buna görə [H₂] 0.0377 mol/L-də qaldı, bu da ilkin 0.0150-dən xeyli yüksəkdir. Bu vaxt yodun təxminən yarısı HI-a çevrildi. Bahalı reagenti sərf etmək üçün ucuz reagent əlavə etmək çıxımı artırmağın standart üsuludur.

Qaz qarışığının sıxılması və ya genişləndirilməsi

Qaz qarışığının həcmini azaltmaq bütün qatılıqları eyni dəfə artırır. Bunun Q-nu dəyişib-dəyişməməsi Δn-dən, yəni qaz halında məhsulların mol sayı ilə qaz halında reagentlərin mol sayının fərqindən asılıdır. Δn mənfidirsə, sıxılma Q-nu azaldır və reaksiya daha az qaz molekulu olan tərəfə sürüşür. Δn müsbətdirsə, sıxılma Q-nu artırır və reaksiya reagentlərə, yəni yenə daha az qaz molekulu olan tərəfə sürüşür. H₂ + I₂ ⇌ 2 HI-da olduğu kimi Δn sıfırdırsa, sıxılma Q-nu dəyişmir və sürüşmə baş vermir.

Sabit həcmdə arqon kimi reaksiyaya girməyən qaz əlavə etməklə ümumi təzyiqi artırmaq heç nəyi dəyişmir. Reaksiyaya girən qazların parsial təzyiqləri və qatılıqları eyni qalır, buna görə Q K-ya bərabər qalır. Sabit təzyiqdə inert qaz əlavə etmək isə fərqlidir: qab genişlənməlidir və bunun təsiri həcmin artırılması ilə eynidir.

Həll olunmuş nümunə: NO₂–N₂O₄ qarışığının həcminin iki dəfə azaldılması

25 °C-də N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) üçün OpenStax bölmə 13.2 [N₂O₄] = 0.042 mol/L və [NO₂] = 0.016 mol/L olan tarazlıq qarışığını təsvir edir. Bunlar Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ verir.

Həcmi sabit temperaturda iki dəfə azaldın. Hər iki qatılıq iki dəfə artaraq [N₂O₄] = 0.084 və [NO₂] = 0.032 mol/L olur. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², yəni dəqiq Kc-nin iki misli, çünki NO₂ həddi kvadrata yüksəldilir. Q > K, buna görə sistem N₂O₄-ə, iki mol əvəzinə bir mol qaz olan tərəfə sürüşür.

Tutaq ki, y mol/L N₂O₄ əmələ gəlir. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ tənliyini həll etmək y = 0.0044 verir, buna görə yeni tarazlıqda, verilənlər kimi iki əhəmiyyətli rəqəmlə, [NO₂] = 0.023 mol/L və [N₂O₄] = 0.088 mol/L olur. Qəhvəyi NO₂ sıxılmadan əvvəlkindən daha qatıdır (0.016 mol/L-ə qarşı 0.023), buna görə qaz daha tünd görünür, lakin azotun daha kiçik payı indi NO₂-dədir: əvvəlki 16 faizlə müqayisədə 12 faiz.

Temperatur K-nın özünü dəyişir

Temperatur K-nın qiymətini dəyişən yeganə adi dəyişiklikdir. Endotermik reaksiya üçün (ΔH > 0) temperatur yüksəldikcə K artır, buna görə qızdırmaq tarazlığı məhsullara doğru sürüşdürür. Ekzotermik reaksiya üçün (ΔH < 0) temperatur yüksəldikcə K azalır, buna görə qızdırmaq onu reagentlərə doğru sürüşdürür. Bunu yadda saxlamağın faydalı yolu istiliyi endotermik reaksiyada reagent, ekzotermik reaksiyada isə məhsul kimi qəbul etməkdir.

OpenStax bölmə 13.3 N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) üçün ΔH = +57.20 kJ verir, buna görə qarışığı qızdırmaq onu daha qəhvəyi edir. Dəyişmənin ölçüsünü van 't Hoff tənliyi ilə qiymətləndirmək olar: ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). O, ΔH° və ΔS° təxminən sabit qaldıqda ΔG° = −RT ln K və ΔG° = ΔH° − TΔS° tənliklərindən alınır.

Həll olunmuş nümunə. 25 °C-dən (298.15 K) 50 °C-ə (323.15 K) qədər ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, buna görə K₂/K₁ = 6.0. 25 °C-də Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 qiymətindən başlasaq (Δn = 1, təzyiqlər atm ilə), 50 °C-də Kp təxminən 0.9-dur. 25 dərəcəlik yüksəliş tarazlıq sabitini təxminən altı dəfə artırır.

Katalizator tarazlığı sürüşdürmür. O, düz və əks reaksiyaların aktivləşmə enerjisini eyni qədər azaldır, buna görə tarazlığa daha tez çatılır, lakin K və tarazlıq tərkibi dəyişmir.

Haber–Bosch ammonyakı: çıxımla sürət arasında tarazlıq

Ammonyakın sənaye sintezi, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), prinsipin real seçimlərə necə istiqamət verdiyini göstərir. OpenStax bölmə 13.3 ΔH = −92.2 kJ verir. Reaksiya ekzotermikdir, buna görə daha aşağı temperaturlar daha böyük K və tarazlıqda daha çox ammonyak verir. Dörd mol qaz iki mola çevrilir, buna görə yüksək təzyiq də ammonyakın əmələ gəlməsinə əlverişlidir.

Çətinlik sürətdədir. Aşağı temperaturda reaksiya faydalı olmaq üçün həddindən artıq yavaşdır. OpenStax kompromisi təsvir edir: təqribən 150–250 atm təzyiq, sürəti praktik saxlamaq üçün katalizatorla 400–500 °C temperatur və Q-nun K-dan aşağı qalması üçün ammonyakın qarışıqdan fasiləsiz çıxarılması. Temperatur daha kiçik K bahasına sürətə görə seçilir, digər şərtlər isə mümkün qədər çox çıxımı geri qaytarır.

Yanlış çıxan Le Şatelye proqnozları

Proqnoz şübhəli görünəndə Q-nu yazın, müvafiq kəmiyyəti dəyişin və yeni Q-nu K ilə müqayisə edin. Bu yoxlama aşağıdakı halların demək olar ki, hamısını həll edir.

• Qatılıq və ya həcm dəyişdikdə K-nın dəyişdiyini söyləmək. K-nı yalnız temperatur dəyişir.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI kimi Δn = 0 olan reaksiyanı sıxdıqdan sonra sürüşmə proqnozlaşdırmaq.
• Sabit həcmdə inert qaz əlavə etdikdən sonra sürüşmə proqnozlaşdırmaq.
• Təmiz bərk maddə və ya mayedən əlavə etdikdən sonra sürüşmə proqnozlaşdırmaq.
• Katalizatorun tarazlıq çıxımını artırdığını iddia etmək. O, yalnız tarazlığa yaxınlaşmanı sürətləndirir.
• Sistemin dəyişikliyi tam aradan qaldırdığını güman etmək. Əlavə edilmiş reagentin qatılığı sonda ilkin qatılığından yüksək olur.
• Təzyiq dəyişməsinin necə təsir etdiyini müəyyən edərkən yalnız qaz mollarını deyil, bütün molları saymaq.