Prionsabal Le Chatelier: A Thuar Conas a Fhreagraíonn Cothromaíochtaí d'Athrú

Athraíonn strus Q nó K, agus athbhunaíonn an córas cothromaíocht

Ag cothromaíocht tá an comhrann imoibrithe Q cothrom leis an tairiseach cothromaíochta K. Briseann cur isteach, ar a dtugtar strus go minic, an comhionannas sin ar cheann de dhá bhealach. Má chuirtear speiceas leis nó má bhaintear é, nó má athraítear toirt meascáin gháis, athraítear Q agus fanann K mar an gcéanna. Má athraítear an teocht, athraítear K féin. Cibé acu é, imoibríonn an córas ansin go dtí go mbíonn Q cothrom le K arís.

Má tá Q níos lú ná K anois, téann an t-imoibriú ar aghaidh, i dtreo na dtáirgí. Má tá Q níos mó ná K anois, téann sé droim ar ais. Is iontaofa smaoineamh sna téarmaí seo ná mana de ghlanmheabhair, toisc go n-insíonn sé duit freisin cathain nach mbíonn aon bhogadh ann ar chor ar bith.

Tá an focal "go páirteach" tábhachtach. Ní chealaíonn an córas an t-athrú go hiomlán choíche. Má chuireann tú imoibrí leis, tá a thiúchan ag an gcothromaíocht nua níos airde fós ná mar a bhí sé sular chuir tú leis é.

Speiceas a chur leis nó a bhaint

Má chuirtear imoibrí leis nó má bhaintear táirge, íslítear Q faoi bhun K, mar sin bogann an t-imoibriú i dtreo na dtáirgí. Má chuirtear táirge leis nó má bhaintear imoibrí, ardaítear Q os cionn K, mar sin bogann an t-imoibriú i dtreo na n-imoibrithe. Baineann próisis thionsclaíocha agus saotharlainne úsáid as seo i gcónaí. Má dhriogtar táirge so-ghalaithe, má ligtear do ghás éalú, nó má dhéantar táirge a dheascadh, coinnítear Q faoi bhun K agus brúitear an t-imoibriú níos faide ná mar a cheadódh a K féin.

Ní bhogann an chothromaíocht má chuirtear tuilleadh de sholad íon nó de leacht íon leis. Ní bhíonn na substaintí sin in Q, mar sin ní athraíonn Q. Má chuirtear tuilleadh CaCO₃(s) le soitheach séalaithe atá i gcothromaíocht le CaO(s) agus CO₂(g), ní athraíonn brú CO₂.

Sampla oibrithe: hidrigin bhreise i gcothromaíocht na hiaidíde hidrigine

Tugann roinn 13.3 OpenStax Kc = 50.0 ag 400 °C do H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Abair go bhfuil [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L i meascán cothromaíochta ag an teocht sin. Ansin [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Anois instealltar H₂ ionas go léimeann [H₂] go 0.0450 mol/L sula n-imoibríonn aon rud. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Tá sé sin níos lú ná 50.0, mar sin bogann an t-imoibriú ar aghaidh agus ídíonn sé cuid den H₂ breise.

Chun a fháil amach cé chomh fada is a bhogann sé, lig do x mol/L de H₂ imoibriú. Ansin [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x agus [HI] = 0.106 + 2x. Má shocraítear (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 agus má réitítear an chothromóid chearnach, ag coinneáil luachanna idirmheánacha neamhshlánaithe, faightear x = 0.00728. Is é an fhréamh atá ciallmhar go fisiciúil an ceann atá níos lú ná 0.0150, toisc nach féidir le I₂ titim faoi bhun nialais. Ag an gcothromaíocht nua, [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 agus [HI] = 0.121 mol/L.

Léigh an toradh i gcomparáid leis an bprionsabal. D'ídigh an córas thart ar an gceathrú cuid den hidrigin bhreise, mar sin chríochnaigh [H₂] ag 0.0377 mol/L, i bhfad os cionn an 0.0150 bunaidh fós. Idir an dá linn tiontaíodh thart ar leath den iaidín go HI. Is bealach caighdeánach é imoibrí saor a chur leis chun imoibrí daor a ídiú chun an toradh a ardú.

Meascán gáis a fháscadh nó a leathnú

Má laghdaítear toirt meascáin gháis, ardaítear gach tiúchan faoin bhfachtóir céanna. Braitheann sé ar Δn, móil na dtáirgí gásacha lúide móil na n-imoibrithe gásacha, an athraíonn sé sin Q. Má tá Δn diúltach, íslíonn comhbhrú Q agus bogann an t-imoibriú i dtreo níos lú móilíní gáis. Má tá Δn dearfach, ardaíonn comhbhrú Q agus bogann an t-imoibriú i dtreo na n-imoibrithe, arb é arís an taobh le níos lú móilíní gáis é. Má tá Δn nialasach, mar atá in H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, ní athraíonn comhbhrú Q agus ní bhíonn aon bhogadh ann.

Ní athraíonn sé faic má ardaítear an brú iomlán trí ghás neamhimoibríoch ar nós argóin a chur leis ag toirt thairiseach. Fanann brúnna páirteacha agus tiúchain na ngás imoibríoch mar an gcéanna, mar sin fanann Q cothrom le K. Is rud eile é gás támh a chur leis ag brú tairiseach: caithfidh an soitheach leathnú, agus bíonn an éifeacht chéanna aige sin agus atá ag méadú na toirte.

Sampla oibrithe: toirt meascáin NO₂–N₂O₄ a leathú

Do N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) ag 25 °C, déanann roinn 13.2 OpenStax cur síos ar mheascán cothromaíochta le [N₂O₄] = 0.042 mol/L agus [NO₂] = 0.016 mol/L. Tugann siad seo Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Leathaigh an toirt ag teocht thairiseach. Dúblaíonn an dá thiúchan, go [N₂O₄] = 0.084 agus [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², dhá oiread Kc go díreach, toisc go bhfuil téarma NO₂ cearnaithe. Q > K, mar sin bogann an córas i dtreo N₂O₄, an taobh le mól amháin gáis in ionad dhá mhól.

Lig do y mol/L de N₂O₄ foirmiú. Má réitítear (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³, faightear y = 0.0044, mar sin ag an gcothromaíocht nua tá [NO₂] = 0.023 mol/L agus [N₂O₄] = 0.088 mol/L, go dtí dhá fhigiúr shuntasacha mar atá sna sonraí. Tá an NO₂ donn níos tiubhaithe ná mar a bhí roimh an gcomhbhrú (0.023 i gcomparáid le 0.016 mol/L), mar sin feictear an gás níos dorcha, ach tá sciar níos lú den nítrigin in NO₂ anois: 12 faoin gcéad i gcomparáid le 16 faoin gcéad roimhe sin.

Athraíonn teocht K féin

Is í an teocht an t-aon athrú coitianta a athraíonn luach K. D'imoibriú inteirmeach (ΔH > 0), méadaíonn K de réir mar a ardaíonn an teocht, mar sin bogann téamh an chothromaíocht i dtreo na dtáirgí. D'imoibriú eisteirmeach (ΔH < 0), laghdaíonn K de réir mar a ardaíonn an teocht, mar sin bogann téamh í i dtreo na n-imoibrithe. Bealach úsáideach chun é seo a mheabhrú is ea caitheamh le teas mar imoibrí in imoibriú inteirmeach agus mar tháirge in imoibriú eisteirmeach.

Tugann roinn 13.3 OpenStax ΔH = +57.20 kJ do N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), mar sin éiríonn an meascán níos doinne nuair a théitear é. Is féidir méid an athraithe a mheas le cothromóid van 't Hoff, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Leanann sí ó ΔG° = −RT ln K agus ΔG° = ΔH° − TΔS° má fhanann ΔH° agus ΔS° tairiseach, a bheag nó a mhór.

Sampla oibrithe. Ó 25 °C (298.15 K) go 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, mar sin K₂/K₁ = 6.0. Ag tosú ó Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 ag 25 °C (Δn = 1, brúnna in atm), tá Kp ag 50 °C thart ar 0.9. Méadaíonn ardú 25 céim an tairiseach cothromaíochta thart ar sé huaire.

Ní bhogann catalaíoch cothromaíocht. Íslíonn sé fuinneamh gníomhachtúcháin an imoibrithe ar aghaidh agus an imoibrithe droim ar ais go cothrom, mar sin baintear cothromaíocht amach níos luaithe, ach ní athraíonn K ná comhdhéanamh na cothromaíochta.

Amóinia Haber–Bosch: toradh agus luas a chothromú

Léiríonn sintéis thionsclaíoch na hamóinia, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), conas a threoraíonn an prionsabal fíorroghanna. Tugann roinn 13.3 OpenStax ΔH = −92.2 kJ. Tá an t-imoibriú eisteirmeach, mar sin tugann teochtaí níos ísle K níos mó agus níos mó amóinia ag cothromaíocht. Éiríonn ceithre mhól gáis ina dhá mhól, mar sin fabhraíonn brú ard amóinia freisin.

Is é an luas an deacracht. Ag teocht íseal tá an t-imoibriú i bhfad ró-mhall le bheith úsáideach. Déanann OpenStax cur síos ar an gcomhréiteach: brúnna de thart ar 150 go 250 atm, teochtaí 400 go 500 °C le catalaíoch chun an ráta a choinneáil praiticiúil, agus amóinia a bhaint go leanúnach as an meascán ionas go bhfanann Q faoi bhun K. Roghnaítear an teocht ar mhaithe leis an ráta, ar chostas K níos lú, agus aisghabhann na coinníollacha eile an oiread toraidh agus is féidir.

Tuartha Le Chatelier a théann amú

Nuair a bhíonn amhras ort faoi thuar, scríobh Q, athraigh an méid atá i gceist, agus cuir an Q nua i gcomparáid le K. Réitíonn an tseiceáil sin beagnach gach cás thíos.

• A rá go n-athraíonn K nuair a athraíonn tiúchan nó an toirt. Is í an teocht amháin a athraíonn K.
• Bogadh a thuar tar éis imoibriú le Δn = 0 a chomhbhrú, ar nós H₂ + I₂ ⇌ 2 HI.
• Bogadh a thuar tar éis gás támh a chur leis ag toirt thairiseach.
• Bogadh a thuar tar éis tuilleadh de sholad íon nó de leacht íon a chur leis.
• A mhaíomh go méadaíonn catalaíoch toradh na cothromaíochta. Ní dhéanann sé ach an druidim i dtreo na cothromaíochta a luasú.
• Glacadh leis go gcealaíonn an córas an t-athrú go hiomlán. Críochnaíonn imoibrí breise os cionn a thiúchana bunaidh.
• Gach mól a chomhaireamh, ní móil gháis amháin, agus cinneadh á dhéanamh conas a oibríonn athrú brú.