Prinsipyo ni Le Chatelier: Pagtagna Kung Giunsa Pagtubag sa mga Equilibrium ang Kausaban

Ang stress mousab sa Q o K, ug ibalik sa sistema ang equilibrium

Sa equilibrium ang reaction quotient Q parehas sa equilibrium constant K. Ang kasamok, nga kasagarang gitawag og stress, mobungkag niana nga pagkaparehas sa usa sa duha ka paagi. Ang pagdugang o pagkuha og usa ka species, o pag-usab sa volume sa sagol sa gas, mousab sa Q samtang ang K magpabilin nga parehas. Ang pag-usab sa temperatura mousab sa K mismo. Bisan hain, ang sistema dayon moreaksyon hangtod ang Q parehas na pag-usab sa K.

Kung ang Q karon mas gamay kaysa K, ang reaksyon modagan sa forward, paingon sa mga produkto. Kung ang Q karon mas dako kaysa K, modagan kini sa reverse. Ang paghunahuna niini nga paagi mas kasaligan kaysa gisag-ulo nga mga slogan, tungod kay mosulti usab kini kanimo kung wala gayuy shift.

Mahinungdanon ang pulong nga bahin. Dili gayud hingpit nga bawion sa sistema ang kausaban. Kung magdugang ka og reactant, ang konsentrasyon niini sa bag-ong equilibrium mas taas gihapon kaysa sa wala pa nimo kini idugang.

Pagdugang o pagkuha og usa ka species

Ang pagdugang og reactant o pagkuha og produkto mopaubos sa Q ubos sa K, busa ang reaksyon mo-shift paingon sa mga produkto. Ang pagdugang og produkto o pagkuha og reactant mopataas sa Q labaw sa K, busa ang reaksyon mo-shift paingon sa mga reactant. Kanunay kini nga gigamit sa mga proseso sa industriya ug laboratoryo. Ang pag-distill sa volatile nga produkto, pagpaikyas sa gas, o pag-precipitate sa produkto nagpabilin sa Q ubos sa K ug nagduso sa reaksyon nga mas layo pa kaysa itugot sa K niini lamang.

Ang pagdugang og dugang putli nga solid o putli nga liquid dili mo-shift sa equilibrium. Kana nga mga substansiya dili makita sa Q, busa dili mausab ang Q. Ang pagdugang og dugang CaCO₃(s) sa sirado nga sudlanan nga anaa sa equilibrium uban sa CaO(s) ug CO₂(g) magbilin sa pressure sa CO₂ nga wala mausab.

Nasulbad nga ehemplo: dugang hydrogen sa equilibrium sa hydrogen iodide

Ang OpenStax section 13.3 naghatag og Kc = 50.0 sa 400 °C alang sa H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Ibutang nga ang sagol sa equilibrium niana nga temperatura adunay [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Dayon [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Karon gi-inject ang H₂ aron ang [H₂] mosaka dayon ngadto sa 0.0450 mol/L sa dili pa adunay moreaksyon. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Mas gamay kana kaysa 50.0, busa ang reaksyon mo-shift sa forward ug mogamit sa pipila sa gidugang nga H₂.

Aron makit-an kung unsa kalayo ang shift, himoa nga x mol/L sa H₂ ang moreaksyon. Dayon [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x ug [HI] = 0.106 + 2x. Ang pagbutang sa (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 ug pagsulbad sa quadratic, nga gitipigan ang wala ma-round nga intermediate nga mga bili, mohatag og x = 0.00728. Ang root nga makatarunganon sa pisikal mao ang mas gamay kaysa 0.0150, tungod kay ang I₂ dili mahimong mous-os ubos sa zero. Ang bag-ong equilibrium adunay [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 ug [HI] = 0.121 mol/L.

Basaha ang resulta batok sa prinsipyo. Ang sistema migamit og mga usa ka quarter sa gidugang nga hydrogen, busa ang [H₂] natapos sa 0.0377 mol/L, mas taas pa gihapon kaayo kaysa orihinal nga 0.0150. Samtang, mga katunga sa iodine ang nahimong HI. Ang pagdugang og barato nga reactant aron gamiton ang mahal nga reactant usa ka standard nga paagi sa pagpataas sa yield.

Pagpiit o pagpalapad sa sagol sa gas

Ang pagpagamay sa volume sa sagol sa gas mopataas sa matag konsentrasyon sa parehas nga factor. Kung mausab ba niini ang Q nagdepende sa Δn, ang mga mole sa gaseous nga mga produkto minus ang mga mole sa gaseous nga mga reactant. Kung negatibo ang Δn, ang compression mopaubos sa Q ug ang reaksyon mo-shift paingon sa mas gamay nga mga gas molecule. Kung positibo ang Δn, ang compression mopataas sa Q ug ang reaksyon mo-shift paingon sa mga reactant, nga mao na usab ang kilid nga adunay mas gamay nga mga gas molecule. Kung zero ang Δn, sama sa H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, ang compression dili mousab sa Q ug walay shift.

Ang pagpataas sa kinatibuk-ang pressure pinaagi sa pagdugang og dili reaktibo nga gas sama sa argon sa makanunayon nga volume walay mausab. Ang mga partial pressure ug konsentrasyon sa nagreaksyon nga mga gas magpabilin nga parehas, busa ang Q magpabilin nga parehas sa K. Lahi ang pagdugang og inert nga gas sa makanunayon nga pressure: kinahanglang molapad ang sudlanan, nga adunay parehas nga epekto sa pagpadako sa volume.

Nasulbad nga ehemplo: pagtunga sa volume sa sagol sa NO₂–N₂O₄

Alang sa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) sa 25 °C, ang OpenStax section 13.2 naghulagway sa sagol sa equilibrium nga adunay [N₂O₄] = 0.042 mol/L ug [NO₂] = 0.016 mol/L. Kini mohatag og Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Tungaa ang volume sa makanunayon nga temperatura. Ang duha ka konsentrasyon modoble, ngadto sa [N₂O₄] = 0.084 ug [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², eksakto nga doble sa Kc, tungod kay ang termino sa NO₂ gi-square. Q > K, busa ang sistema mo-shift paingon sa N₂O₄, ang kilid nga adunay usa ka mole sa gas imbes duha.

Himoa nga y mol/L sa N₂O₄ ang maporma. Ang pagsulbad sa (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ mohatag og y = 0.0044, busa ang bag-ong equilibrium adunay [NO₂] = 0.023 mol/L ug [N₂O₄] = 0.088 mol/L, sa duha ka mahinungdanong digit sama sa datos. Ang brown nga NO₂ mas concentrated kaysa sa wala pa ang compression (0.023 batok sa 0.016 mol/L), busa mas ngitngit tan-awon ang gas, apan mas gamay na nga bahin sa nitrogen ang anaa karon sa NO₂: 12 porsyento kon itandi sa 16 porsyento kaniadto.

Ang temperatura mousab sa K mismo

Ang temperatura lamang ang komon nga kausaban nga mousab sa bili sa K. Alang sa endothermic nga reaksyon (ΔH > 0), motaas ang K samtang mosaka ang temperatura, busa ang pagpainit mo-shift sa equilibrium paingon sa mga produkto. Alang sa exothermic nga reaksyon (ΔH < 0), mous-os ang K samtang mosaka ang temperatura, busa ang pagpainit mo-shift niini paingon sa mga reactant. Usa ka mapuslanon nga paagi sa paghinumdom niini mao ang pagtratar sa kainit isip reactant sa endothermic nga reaksyon ug isip produkto sa exothermic.

Ang OpenStax section 13.3 naghatag og ΔH = +57.20 kJ alang sa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), busa ang pagpainit sa sagol maghimo niini nga mas brown. Ang gidak-on sa kausaban mahimong banabanaon gamit ang van 't Hoff equation, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Mosunod kini gikan sa ΔG° = −RT ln K ug ΔG° = ΔH° − TΔS° kung ang ΔH° ug ΔS° magpabilin nga gibana-bana nga makanunayon.

Nasulbad nga ehemplo. Gikan sa 25 °C (298.15 K) ngadto sa 50 °C (323.15 K), ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, busa K₂/K₁ = 6.0. Sugod sa Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 sa 25 °C (Δn = 1, mga pressure sa atm), ang Kp sa 50 °C gibana-bana nga 0.9. Ang pagtaas nga 25 ka degree mopataas sa equilibrium constant og mga unom ka pilo.

Ang catalyst dili mo-shift sa equilibrium. Gipaubos niini ang activation energy sa forward ug reverse nga mga reaksyon sa parehas, busa mas sayo maabot ang equilibrium, apan ang K ug ang komposisyon sa equilibrium wala mausab.

Haber–Bosch nga ammonia: pagbalanse sa yield batok sa kapaspas

Ang industriyal nga synthesis sa ammonia, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), nagpakita giunsa paggiya sa prinsipyo ang tinuod nga mga pagpili. Ang OpenStax section 13.3 naghatag og ΔH = −92.2 kJ. Exothermic ang reaksyon, busa ang mas ubos nga mga temperatura mohatag og mas dako nga K ug mas daghang ammonia sa equilibrium. Upat ka mole sa gas ang mahimong duha, busa ang taas nga pressure mopabor usab sa ammonia.

Ang kalisod mao ang kapaspas. Sa ubos nga temperatura hinay kaayo ang reaksyon aron mahimong mapuslanon. Gihulagway sa OpenStax ang kompromiso: mga pressure nga mga 150 hangtod 250 atm, mga temperatura nga 400 hangtod 500 °C uban ang catalyst aron mapabilin nga praktikal ang rate, ug padayon nga pagkuha sa ammonia gikan sa sagol aron ang Q magpabilin ubos sa K. Ang temperatura gipili alang sa rate, bisan pa mas gamay ang K, ug ang ubang mga kondisyon mobawi sa yield kutob sa mahimo.

Mga tagna ni Le Chatelier nga masayop

Kung dili ka sigurado sa tagna, isulat ang Q, usba ang kantidad nga gipangutana, ug itandi ang bag-ong Q sa K. Kana nga pagsusi mosulbad sa halos matag kaso sa ubos.

• Pag-ingon nga mausab ang K kung mausab ang konsentrasyon o ang volume. Ang temperatura lamang ang mousab sa K.
• Pagtagna og shift human i-compress ang reaksyon nga adunay Δn = 0, sama sa H₂ + I₂ ⇌ 2 HI.
• Pagtagna og shift human magdugang og inert nga gas sa makanunayon nga volume.
• Pagtagna og shift human magdugang og dugang putli nga solid o liquid.
• Pag-ingon nga ang catalyst mopataas sa yield sa equilibrium. Gipaspas lamang niini ang pagduol sa equilibrium.
• Pagtuo nga hingpit nga kanselahon sa sistema ang kausaban. Ang gidugang nga reactant matapos nga labaw sa orihinal nga konsentrasyon niini.
• Pag-ihap sa tanang mole, dili lamang sa mga mole sa gas, sa pagdesisyon kung giunsa paglihok sa kausaban sa pressure.