Le Chatelierren printzipioa: orekek aldaketei nola erantzuten dieten iragartzea

Asaldura batek Q edo K aldatzen du, eta sistemak oreka berrezartzen du

Orekan Q erreakzio-zatidura K oreka-konstantearen berdina da. Asaldura batek, askotan estres deitzen zaionak, berdintasun hori bi modutara hausten du. Espezie bat gehitzeak edo kentzeak, edo gas-nahaste baten bolumena aldatzeak, Q aldatzen du K berdin mantentzen den bitartean. Tenperatura aldatzeak K bera aldatzen du. Edonola ere, sistemak orduan erreakzionatzen du Q berriro K-ren berdina izan arte.

Q orain K baino txikiagoa bada, erreakzioak aurrerantz egiten du, produktuetarantz. Q orain K baino handiagoa bada, alderantzizko noranzkoan egiten du. Termino hauetan pentsatzea buruz ikasitako leloak baino fidagarriagoa da, desplazamendurik batere ez dagoenean ere esaten dizulako.

Partzialki hitzak garrantzia du. Sistemak ez du inoiz aldaketa guztiz desegiten. Erreaktibo bat gehitzen baduzu, oreka berrian bere kontzentrazioa gehitu aurretik zena baino handiagoa da oraindik.

Espezie bat gehitzea edo kentzea

Erreaktibo bat gehitzeak edo produktu bat kentzeak Q K-ren azpitik jaisten du, beraz erreakzioa produktuetarantz desplazatzen da. Produktu bat gehitzeak edo erreaktibo bat kentzeak Q K-ren gainetik igotzen du, beraz erreakzioa erreaktiboetarantz desplazatzen da. Industria- eta laborategi-prozesuek etengabe erabiltzen dute hau. Produktu lurrunkor bat destilatuz kentzeak, gas bati ihes egiten uzteak edo produktu bat prezipitatzeak Q K-ren azpitik mantentzen du eta erreakzioa bere K-k bakarrik ahalbidetuko lukeena baino urrunago eramaten du.

Solido huts edo likido huts gehiago gehitzeak ez du oreka desplazatzen. Substantzia horiek ez dira Q-n agertzen, beraz Q ez da aldatzen. CaO(s) eta CO₂(g)-rekin orekan dagoen ontzi itxi bati CaCO₃(s) gehiago gehitzeak CO₂-aren presioa aldatu gabe uzten du.

Adibide landua: hidrogeno gehigarria hidrogeno ioduroaren orekan

OpenStaxen 13.3 atalak Kc = 50.0 ematen du 400 °C-tan H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) erreakziorako. Demagun tenperatura horretako oreka-nahaste batek [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L dituela. Orduan [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Orain H₂ injektatzen da, eta [H₂] 0.0450 mol/L-ra igotzen da ezerk erreakzionatu aurretik. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Hori 50.0 baino txikiagoa da, beraz erreakzioa aurrerantz desplazatzen da eta gehitutako H₂-aren zati bat kontsumitzen du.

Zenbat desplazatzen den aurkitzeko, demagun H₂-aren x mol/L-k erreakzionatzen dutela. Orduan [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x eta [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 ezarriz eta bigarren mailako ekuazioa ebatziz, tarteko balioak biribildu gabe mantenduz, x = 0.00728 lortzen da. Fisikoki zentzuduna den erroa 0.0150 baino txikiagoa dena da, I₂ ezin delako zerotik behera jaitsi. Oreka berrian [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 eta [HI] = 0.121 mol/L dira.

Irakurri emaitza printzipioaren argitan. Sistemak gehitutako hidrogenoaren laurden bat inguru kontsumitu zuen, beraz [H₂] 0.0377 mol/L-tan amaitu zen, jatorrizko 0.0150aren oso gainetik oraindik. Bitartean, iodoaren erdia inguru HI bihurtu zen. Erreaktibo merke bat gehitzea garesti bat kontsumitzeko etekina handitzeko ohiko modu bat da.

Gas-nahaste bat konprimitzea edo zabaltzea

Gas-nahaste baten bolumena txikitzeak kontzentrazio guztiak faktore berean handitzen ditu. Horrek Q aldatzen duen ala ez Δn-ren araberakoa da, produktu gaseosoen molak ken erreaktibo gaseosoen molak. Δn negatiboa bada, konpresioak Q jaisten du eta erreakzioa gas-molekula gutxiagoko alderantz desplazatzen da. Δn positiboa bada, konpresioak Q igotzen du eta erreakzioa erreaktiboetarantz desplazatzen da, hau ere gas-molekula gutxiago dituen aldea. Δn zero bada, H₂ + I₂ ⇌ 2 HI erreakzioan bezala, konpresioak ez du Q aldatzen eta ez dago desplazamendurik.

Presio totala igotzeak bolumen konstantean argona bezalako gas ez-erreaktibo bat gehituz ez du ezer aldatzen. Erreakzionatzen duten gasen presio partzialak eta kontzentrazioak berdin mantentzen dira, beraz Q K-ren berdina izaten jarraitzen du. Gas inerte bat presio konstantean gehitzea desberdina da: ontziak zabaldu egin behar du, eta horrek bolumena handitzearen eragin bera du.

Adibide landua: NO₂–N₂O₄ nahaste baten bolumena erdira murriztea

N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) erreakziorako 25 °C-tan, OpenStaxen 13.2 atalak [N₂O₄] = 0.042 mol/L eta [NO₂] = 0.016 mol/L dituen oreka-nahaste bat deskribatzen du. Hauek Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ ematen dute.

Murriztu bolumena erdira tenperatura konstantean. Bi kontzentrazioak bikoizten dira, [N₂O₄] = 0.084 eta [NO₂] = 0.032 mol/L-ra. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², zehazki Kc-ren bikoitza, NO₂-aren gaia karratura jasota dagoelako. Q > K, beraz sistema N₂O₄-rantz desplazatzen da, gas-mol bat bi beharrean duen aldea.

Demagun N₂O₄-aren y mol/L eratzen direla. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ebatziz y = 0.0044 lortzen da, beraz oreka berrian [NO₂] = 0.023 mol/L eta [N₂O₄] = 0.088 mol/L dira, bi zifra esanguratsurekin datuak bezala. NO₂ marroia konpresioaren aurretik baino kontzentratuago dago (0.023 0.016 mol/L-ren aurrean), beraz gasak ilunago dirudi, baina nitrogenoaren zati txikiagoa dago orain NO₂-an: ehuneko 12, lehen ehuneko 16 zen bitartean.

Tenperaturak K bera desplazatzen du

Tenperatura da K-ren balioa aldatzen duen aldaketa ohiko bakarra. Erreakzio endotermiko batean (ΔH > 0), K handitu egiten da tenperatura igotzean, beraz berotzeak oreka produktuetarantz desplazatzen du. Erreakzio exotermiko batean (ΔH < 0), K txikitu egiten da tenperatura igotzean, beraz berotzeak erreaktiboetarantz desplazatzen du. Hau gogoratzeko modu erabilgarri bat beroa erreakzio endotermiko bateko erreaktibo gisa eta exotermiko bateko produktu gisa tratatzea da.

OpenStaxen 13.3 atalak ΔH = +57.20 kJ ematen du N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) erreakziorako, beraz nahastea berotzeak marroiago bihurtzen du. Aldaketaren tamaina van 't Hoffen ekuazioarekin estima daiteke, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). ΔG° = −RT ln K eta ΔG° = ΔH° − TΔS° adierazpenetatik ondorioztatzen da, ΔH° eta ΔS° gutxi gorabehera konstante mantentzen badira.

Adibide landua. 25 °C-tik (298.15 K) 50 °C-ra (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, beraz K₂/K₁ = 6.0. 25 °C-tan Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 balioetik abiatuta (Δn = 1, presioak atm-tan), 50 °C-ko Kp 0.9 ingurukoa da. 25 graduko igoera batek oreka-konstantea sei aldiz inguru handitzen du.

Katalizatzaile batek ez du oreka desplazatzen. Erreakzio zuzenaren eta alderantzizkoaren aktibazio-energia berdin jaisten du, beraz oreka lehenago lortzen da, baina K eta orekako konposizioa aldatu gabe geratzen dira.

Haber–Bosch amoniakoa: etekina eta abiadura orekatzea

Amoniakoaren sintesi industrialak, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), erakusten du nola gidatzen dituen printzipioak benetako aukerak. OpenStaxen 13.3 atalak ΔH = −92.2 kJ ematen du. Erreakzioa exotermikoa da, beraz tenperatura baxuagoek K handiagoa eta amoniako gehiago ematen dute orekan. Lau gas-mol bi bihurtzen dira, beraz presio altuak ere amoniakoaren alde egiten du.

Zailtasuna abiadura da. Tenperatura baxuan erreakzioa motelegia da erabilgarria izateko. OpenStaxek konpromisoa deskribatzen du: 150 eta 250 atm inguruko presioak, 400 eta 500 °C arteko tenperaturak katalizatzaile batekin abiadura praktikoa mantentzeko, eta amoniakoa nahastetik etengabe kentzea Q K-ren azpitik egon dadin. Tenperatura abiaduragatik aukeratzen da, K txikiagoaren kostuan, eta gainerako baldintzek ahalik eta etekin gehien berreskuratzen dute.

Huts egiten duten Le Chatelier iragarpenak

Iragarpen bat ziurra ez dirudienean, idatzi Q, aldatu aztergai den magnitudea, eta alderatu Q berria K-rekin. Egiaztapen horrek ia beheko kasu guztiak argitzen ditu.

• K aldatzen dela esatea kontzentrazio bat edo bolumena aldatzen denean. Tenperaturak bakarrik aldatzen du K.
• Desplazamendu bat iragartzea Δn = 0 duen erreakzio bat konprimitu ondoren, H₂ + I₂ ⇌ 2 HI bezalakoa.
• Desplazamendu bat iragartzea bolumen konstantean gas inerte bat gehitu ondoren.
• Desplazamendu bat iragartzea solido edo likido huts gehiago gehitu ondoren.
• Katalizatzaile batek orekako etekina handitzen duela esatea. Orekarako hurbilketa bizkortzen du bakarrik.
• Sistemak aldaketa guztiz ezeztatzen duela suposatzea. Gehitutako erreaktibo bat bere jatorrizko kontzentrazioaren gainetik amaitzen da.
• Mol guztiak zenbatzea, gas-molak bakarrik beharrean, presio-aldaketa batek nola eragiten duen erabakitzean.