Prinsipyo ni Le Chatelier: Paghula Kung Paano Tumutugon ang mga Equilibrium sa Pagbabago

Binabago ng stress ang Q o K, at ibinabalik ng sistema ang equilibrium

Sa equilibrium, katumbas ng reaction quotient na Q ang equilibrium constant na K. Sinisira ng isang paggambala, na madalas tawaging stress, ang pagkakapantay na iyon sa isa sa dalawang paraan. Ang pagdaragdag o pag-aalis ng isang species, o ang pagbabago ng volume ng isang halo ng gas, ay nagbabago sa Q habang nananatiling pareho ang K. Ang pagbabago ng temperatura ay nagbabago sa K mismo. Sa alinmang paraan, nagre-react ang sistema hanggang muling magkapantay ang Q at K.

Kung mas maliit na ngayon ang Q kaysa sa K, pasulong ang reaksyon, patungo sa mga produkto. Kung mas malaki na ngayon ang Q kaysa sa K, pabaligtad ito. Mas maaasahan ang pag-iisip sa ganitong paraan kaysa sa mga kabisadong slogan, dahil sinasabi rin nito sa iyo kung kailan walang paglipat.

Mahalaga ang salitang bahagya. Hindi kailanman ganap na binabawi ng sistema ang pagbabago. Kung magdaragdag ka ng reactant, mas mataas pa rin ang konsentrasyon nito sa bagong equilibrium kaysa bago mo ito idinagdag.

Pagdaragdag o pag-aalis ng isang species

Ang pagdaragdag ng reactant o pag-aalis ng produkto ay nagpapababa sa Q sa ilalim ng K, kaya lumilipat ang reaksyon patungo sa mga produkto. Ang pagdaragdag ng produkto o pag-aalis ng reactant ay nagpapataas sa Q sa itaas ng K, kaya lumilipat ang reaksyon patungo sa mga reactant. Palagi itong ginagamit ng mga prosesong pang-industriya at panlaboratoryo. Ang pag-distill sa isang volatile na produkto, ang pagpapatakas sa isang gas, o ang pag-precipitate sa isang produkto ay nagpapanatili sa Q sa ilalim ng K at nagtutulak sa reaksyon nang mas malayo kaysa sa papayagan ng K nito lang.

Hindi inililipat ang equilibrium ng pagdaragdag ng mas maraming purong solid o purong likido. Hindi lumilitaw ang mga substansiyang iyon sa Q, kaya hindi nagbabago ang Q. Ang pagdaragdag ng mas maraming CaCO₃(s) sa isang selyadong lalagyan na nasa equilibrium kasama ng CaO(s) at CO₂(g) ay hindi nagbabago sa pressure ng CO₂.

Halimbawang may solusyon: dagdag na hydrogen sa equilibrium ng hydrogen iodide

Ibinibigay ng OpenStax section 13.3 ang Kc = 50.0 sa 400 °C para sa H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Ipagpalagay na ang isang halo sa equilibrium sa temperaturang iyon ay may [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Kung gayon, [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Ngayon, ini-inject ang H₂ kaya biglang tumaas ang [H₂] sa 0.0450 mol/L bago mag-react ang anuman. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Mas maliit iyan sa 50.0, kaya lumilipat pasulong ang reaksyon at inuubos ang ilan sa idinagdag na H₂.

Para malaman kung gaano kalayo ito lumilipat, hayaang mag-react ang x mol/L ng H₂. Kung gayon, [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x at [HI] = 0.106 + 2x. Ang pagtatakda ng (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 at paglutas sa quadratic, habang pinananatiling hindi ni-round ang mga intermediate na halaga, ay nagbibigay ng x = 0.00728. Ang pisikal na makatwirang root ay ang mas maliit sa 0.0150, dahil hindi maaaring bumaba sa zero ang I₂. Ang bagong equilibrium ay may [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 at [HI] = 0.121 mol/L.

Basahin ang resulta ayon sa prinsipyo. Inubos ng sistema ang mga isang-kapat ng idinagdag na hydrogen, kaya nagtapos ang [H₂] sa 0.0377 mol/L, malayo pa rin sa itaas ng orihinal na 0.0150. Samantala, mga kalahati ng iodine ang naging HI. Ang pagdaragdag ng murang reactant para maubos ang mahal na reactant ay karaniwang paraan para pataasin ang yield.

Pagpiga o pagpapalawak sa isang halo ng gas

Ang pagbabawas sa volume ng isang halo ng gas ay nagpapataas sa bawat konsentrasyon nang parehong factor. Kung binabago nito ang Q ay nakadepende sa Δn, ang mga mole ng gaseous na produkto bawas ang mga mole ng gaseous na reactant. Kung negatibo ang Δn, ibinababa ng compression ang Q at lumilipat ang reaksyon patungo sa mas kaunting molecule ng gas. Kung positibo ang Δn, itinataas ng compression ang Q at lumilipat ang reaksyon patungo sa mga reactant, na muli ay ang panig na may mas kaunting molecule ng gas. Kung zero ang Δn, gaya ng sa H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, hindi binabago ng compression ang Q at walang paglipat.

Walang binabago ang pagpapataas sa kabuuang pressure sa pamamagitan ng pagdaragdag ng gas na hindi nagre-react, tulad ng argon, sa pare-parehong volume. Nananatiling pareho ang mga partial pressure at konsentrasyon ng mga nagre-react na gas, kaya nananatiling katumbas ng K ang Q. Iba ang pagdaragdag ng inert gas sa pare-parehong pressure: kailangang lumaki ang lalagyan, na may parehong epekto ng pagpapalaki sa volume.

Halimbawang may solusyon: paghahati sa volume ng isang halo ng NO₂–N₂O₄

Para sa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) sa 25 °C, inilalarawan ng OpenStax section 13.2 ang isang halo sa equilibrium na may [N₂O₄] = 0.042 mol/L at [NO₂] = 0.016 mol/L. Nagbibigay ang mga ito ng Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Hatiin ang volume sa pare-parehong temperatura. Dumodoble ang dalawang konsentrasyon, sa [N₂O₄] = 0.084 at [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², eksaktong doble ng Kc, dahil naka-square ang termino ng NO₂. Q > K, kaya lumilipat ang sistema patungo sa N₂O₄, ang panig na may isang mole ng gas sa halip na dalawa.

Hayaang mabuo ang y mol/L ng N₂O₄. Ang paglutas sa (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ay nagbibigay ng y = 0.0044, kaya ang bagong equilibrium ay may [NO₂] = 0.023 mol/L at [N₂O₄] = 0.088 mol/L, sa dalawang mahalagang digit tulad ng datos. Mas konsentrado ang kayumangging NO₂ kaysa bago ang compression (0.023 laban sa 0.016 mol/L), kaya mas madilim ang hitsura ng gas, ngunit mas maliit na bahagi ng nitrogen ang nasa NO₂ na ngayon: 12 porsyento kumpara sa 16 porsyento dati.

Binabago ng temperatura ang K mismo

Ang temperatura ang tanging karaniwang pagbabago na bumabago sa halaga ng K. Para sa endothermic na reaksyon (ΔH > 0), tumataas ang K habang tumataas ang temperatura, kaya inililipat ng pagpapainit ang equilibrium patungo sa mga produkto. Para sa exothermic na reaksyon (ΔH < 0), bumababa ang K habang tumataas ang temperatura, kaya inililipat ito ng pagpapainit patungo sa mga reactant. Isang kapaki-pakinabang na paraan para matandaan ito ay ituring ang init bilang reactant sa endothermic na reaksyon at bilang produkto sa exothermic.

Ibinibigay ng OpenStax section 13.3 ang ΔH = +57.20 kJ para sa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), kaya ang pagpapainit sa halo ay nagpapakayumanggi rito. Matatantiya ang laki ng pagbabago gamit ang van 't Hoff equation, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Sumusunod ito mula sa ΔG° = −RT ln K at ΔG° = ΔH° − TΔS° kung nananatiling halos pare-pareho ang ΔH° at ΔS°.

Halimbawang may solusyon. Mula 25 °C (298.15 K) hanggang 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, kaya K₂/K₁ = 6.0. Simula 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 ay humigit-kumulang 0.9. Ang pagtaas na 25 degree ay nagpapalaki sa equilibrium constant nang mga anim na beses.

Hindi inililipat ng catalyst ang isang equilibrium. Pantay nitong ibinababa ang activation energy ng forward at reverse reaction, kaya mas maagang naaabot ang equilibrium, ngunit hindi nagbabago ang K at ang komposisyon sa equilibrium.

Ammonia ng Haber–Bosch: pagbabalanse ng yield at bilis

Ipinapakita ng industriyal na synthesis ng ammonia, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), kung paano ginagabayan ng prinsipyo ang totoong mga pagpili. Ibinibigay ng OpenStax section 13.3 ang ΔH = −92.2 kJ. Exothermic ang reaksyon, kaya ang mas mababang temperatura ay nagbibigay ng mas malaking K at mas maraming ammonia sa equilibrium. Nagiging dalawa ang apat na mole ng gas, kaya pinapaboran din ng mataas na pressure ang ammonia.

Ang problema ay ang bilis. Sa mababang temperatura, masyadong mabagal ang reaksyon para maging kapaki-pakinabang. Inilalarawan ng OpenStax ang kompromiso: mga pressure na mga 150 hanggang 250 atm, mga temperaturang 400 hanggang 500 °C na may catalyst para manatiling praktikal ang bilis, at tuloy-tuloy na pag-aalis ng ammonia mula sa halo para manatili ang Q sa ilalim ng K. Pinipili ang temperatura para sa bilis, kapalit ng mas maliit na K, at binabawi ng ibang mga kondisyon ang pinakamaraming yield hangga't maaari.

Mga hula ni Le Chatelier na nagkakamali

Kapag mukhang hindi tiyak ang isang hula, isulat ang Q, baguhin ang daming pinag-uusapan, at ihambing ang bagong Q sa K. Nalulutas ng pagsusuring iyon ang halos bawat kaso sa ibaba.

• Pagsasabing nagbabago ang K kapag nagbago ang isang konsentrasyon o ang volume. Temperatura lang ang nagbabago sa K.
• Paghula ng paglipat matapos i-compress ang reaksyong may Δn = 0, tulad ng H₂ + I₂ ⇌ 2 HI.
• Paghula ng paglipat matapos magdagdag ng inert gas sa pare-parehong volume.
• Paghula ng paglipat matapos magdagdag ng mas maraming purong solid o likido.
• Pagsasabing pinapataas ng catalyst ang yield sa equilibrium. Pinabibilis lang nito ang paglapit sa equilibrium.
• Pag-aakalang ganap na kinakansela ng sistema ang pagbabago. Nagtatapos ang idinagdag na reactant sa itaas ng orihinal nitong konsentrasyon.
• Pagbilang sa lahat ng mole, hindi lang sa mga mole ng gas, kapag pinagpapasyahan kung paano kumikilos ang pagbabago ng pressure.