લ શાતેલિયેનો સિદ્ધાંત: ફેરફારને સંતુલનો કેવો પ્રતિભાવ આપે છે તેની આગાહી

તાણ Q કે K ને બદલે છે, અને તંત્ર સંતુલન પુનઃસ્થાપિત કરે છે

સંતુલને પ્રક્રિયા ભાગફળ Q સંતુલન અચળાંક K બરાબર હોય છે. વિક્ષોભ, જેને ઘણી વાર તાણ કહેવાય છે, એ સમાનતાને બેમાંથી એક રીતે તોડે છે. સ્પીશીઝ ઉમેરવાથી કે દૂર કરવાથી, અથવા વાયુ મિશ્રણનું કદ બદલવાથી, Q બદલાય છે જ્યારે K એ જ રહે છે. તાપમાન બદલવાથી K પોતે બદલાય છે. બંને રીતે, પછી Q ફરી K બરાબર થાય ત્યાં સુધી તંત્ર પ્રક્રિયા કરે છે.

જો હવે Q એ K કરતાં નાનો હોય, તો પ્રક્રિયા નીપજો તરફ, આગળની દિશામાં ચાલે છે. જો હવે Q એ K કરતાં મોટો હોય, તો તે ઊલટી દિશામાં ચાલે છે. આ રીતે વિચારવું ગોખેલાં સૂત્રો કરતાં વધુ વિશ્વસનીય છે, કારણ કે તે એ પણ કહે છે કે ક્યારે બિલકુલ ખસવાનું થતું નથી.

‘અંશતઃ’ શબ્દ મહત્ત્વનો છે. તંત્ર ક્યારેય ફેરફારને સંપૂર્ણપણે ઊલટાવતું નથી. જો તમે પ્રક્રિયક ઉમેરો, તો નવા સંતુલને તેની સાંદ્રતા તમે ઉમેર્યો તે પહેલાં હતી તેના કરતાં હજુ પણ વધુ હોય છે.

સ્પીશીઝ ઉમેરવી કે દૂર કરવી

પ્રક્રિયક ઉમેરવાથી કે નીપજ દૂર કરવાથી Q એ K થી નીચે જાય છે, તેથી પ્રક્રિયા નીપજો તરફ ખસે છે. નીપજ ઉમેરવાથી કે પ્રક્રિયક દૂર કરવાથી Q એ K થી ઉપર જાય છે, તેથી પ્રક્રિયા પ્રક્રિયકો તરફ ખસે છે. ઔદ્યોગિક અને પ્રયોગશાળાના પ્રક્રમો આનો સતત ઉપયોગ કરે છે. બાષ્પશીલ નીપજને નિસ્યંદનથી અલગ કરવી, વાયુને બહાર નીકળવા દેવો, કે નીપજને અવક્ષેપિત કરવી Q ને K થી નીચે રાખે છે અને પ્રક્રિયાને માત્ર તેનો K મંજૂરી આપે તેના કરતાં વધુ આગળ લઈ જાય છે.

શુદ્ધ ઘન કે શુદ્ધ પ્રવાહી વધુ ઉમેરવાથી સંતુલન ખસતું નથી. એ પદાર્થો Q માં દેખાતા નથી, તેથી Q બદલાતો નથી. CaO(s) અને CO₂(g) સાથે સંતુલનમાં રહેલા બંધ પાત્રમાં વધુ CaCO₃(s) ઉમેરવાથી CO₂ નું દબાણ બદલાતું નથી.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: હાઇડ્રોજન આયોડાઇડ સંતુલનમાં વધારાનો હાઇડ્રોજન

OpenStax વિભાગ 13.3, 400 °C પર H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) માટે Kc = 50.0 આપે છે. ધારો કે એ તાપમાને સંતુલન મિશ્રણમાં [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L છે. તો [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

હવે H₂ દાખલ કરવામાં આવે છે જેથી કંઈ પણ પ્રક્રિયા કરે તે પહેલાં [H₂] કૂદીને 0.0450 mol/L થાય છે. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. તે 50.0 કરતાં ઓછો છે, તેથી પ્રક્રિયા આગળ ખસે છે અને ઉમેરેલા H₂ નો કેટલોક ભાગ વાપરી નાખે છે.

તે કેટલું ખસે છે તે શોધવા, ધારો કે H₂ ના x mol/L પ્રક્રિયા કરે છે. તો [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x અને [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 મૂકીને અને પૂર્ણાંકિત ન કરેલાં મધ્યવર્તી મૂલ્યો રાખીને દ્વિઘાત ઉકેલતાં x = 0.00728 મળે છે. ભૌતિક રીતે અર્થપૂર્ણ બીજ 0.0150 કરતાં નાનું છે, કારણ કે I₂ શૂન્યથી નીચે જઈ શકતો નથી. નવા સંતુલને [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 અને [HI] = 0.121 mol/L છે.

પરિણામને સિદ્ધાંત સાથે સરખાવીને વાંચો. તંત્રએ ઉમેરેલા હાઇડ્રોજનનો આશરે ચોથો ભાગ વાપર્યો, તેથી [H₂] છેવટે 0.0377 mol/L પર રહ્યું, જે હજુ પણ મૂળ 0.0150 કરતાં ઘણું વધુ છે. દરમિયાન આશરે અડધો આયોડિન HI માં ફેરવાયો. મોંઘા પ્રક્રિયકને વાપરી નાખવા સસ્તો પ્રક્રિયક ઉમેરવો એ ઉપજ વધારવાની પ્રમાણભૂત રીત છે.

વાયુ મિશ્રણને દબાવવું કે વિસ્તારવું

વાયુ મિશ્રણનું કદ ઘટાડવાથી દરેક સાંદ્રતા સમાન અવયવથી વધે છે. તેનાથી Q બદલાય છે કે નહીં તે Δn પર આધાર રાખે છે, એટલે કે વાયુરૂપ નીપજોના મોલ ઓછા વાયુરૂપ પ્રક્રિયકોના મોલ. જો Δn ઋણ હોય, તો સંકોચન Q ઘટાડે છે અને પ્રક્રિયા ઓછા વાયુ અણુઓ તરફ ખસે છે. જો Δn ધન હોય, તો સંકોચન Q વધારે છે અને પ્રક્રિયા પ્રક્રિયકો તરફ ખસે છે, જે ફરી ઓછા વાયુ અણુઓવાળી બાજુ છે. જો Δn શૂન્ય હોય, જેમ H₂ + I₂ ⇌ 2 HI માં, તો સંકોચન Q બદલતું નથી અને કોઈ ખસવાનું થતું નથી.

અચળ કદે આર્ગૉન જેવો પ્રક્રિયા ન કરતો વાયુ ઉમેરીને કુલ દબાણ વધારવાથી કંઈ બદલાતું નથી. પ્રક્રિયા કરતા વાયુઓનાં આંશિક દબાણો અને સાંદ્રતાઓ એ જ રહે છે, તેથી Q એ K બરાબર જ રહે છે. અચળ દબાણે નિષ્ક્રિય વાયુ ઉમેરવો જુદું છે: પાત્રને વિસ્તરવું પડે છે, જેની અસર કદ વધારવા જેવી જ છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: NO₂–N₂O₄ મિશ્રણનું કદ અડધું કરવું

25 °C પર N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) માટે, OpenStax વિભાગ 13.2 એવા સંતુલન મિશ્રણનું વર્ણન કરે છે જેમાં [N₂O₄] = 0.042 mol/L અને [NO₂] = 0.016 mol/L છે. આ Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ આપે છે.

અચળ તાપમાને કદ અડધું કરો. બંને સાંદ્રતાઓ બમણી થઈને [N₂O₄] = 0.084 અને [NO₂] = 0.032 mol/L થાય છે. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², જે બરાબર Kc થી બમણો છે, કારણ કે NO₂ પદનો વર્ગ લેવાય છે. Q > K, તેથી તંત્ર N₂O₄ તરફ ખસે છે, જે વાયુના બે મોલને બદલે એક મોલવાળી બાજુ છે.

ધારો કે N₂O₄ ના y mol/L બને છે. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ઉકેલતાં y = 0.0044 મળે છે, તેથી નવા સંતુલને, ડેટાની જેમ બે સાર્થક અંકો સુધી, [NO₂] = 0.023 mol/L અને [N₂O₄] = 0.088 mol/L છે. કથ્થાઈ NO₂ સંકોચન પહેલાં કરતાં વધુ સાંદ્ર છે (0.023 સામે 0.016 mol/L), તેથી વાયુ વધુ ઘેરો દેખાય છે, પરંતુ હવે નાઇટ્રોજનનો નાનો હિસ્સો NO₂ માં છે: પહેલાંના 16 ટકાની સરખામણીમાં 12 ટકા.

તાપમાન K ને પોતાને ખસેડે છે

તાપમાન એકમાત્ર સામાન્ય ફેરફાર છે જે K નું મૂલ્ય બદલે છે. ઉષ્માશોષક પ્રક્રિયા (ΔH > 0) માટે, તાપમાન વધે તેમ K વધે છે, તેથી ગરમ કરવાથી સંતુલન નીપજો તરફ ખસે છે. ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયા (ΔH < 0) માટે, તાપમાન વધે તેમ K ઘટે છે, તેથી ગરમ કરવાથી તે પ્રક્રિયકો તરફ ખસે છે. આ યાદ રાખવાની ઉપયોગી રીત છે ઉષ્માને ઉષ્માશોષક પ્રક્રિયામાં પ્રક્રિયક તરીકે અને ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયામાં નીપજ તરીકે ગણવી.

OpenStax વિભાગ 13.3, N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) માટે ΔH = +57.20 kJ આપે છે, તેથી મિશ્રણને ગરમ કરવાથી તે વધુ કથ્થાઈ બને છે. ફેરફારના કદનો અંદાજ વાન્ટ હૉફ સમીકરણ વડે કાઢી શકાય છે, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). જો ΔH° અને ΔS° લગભગ અચળ રહે તો તે ΔG° = −RT ln K અને ΔG° = ΔH° − TΔS° પરથી મળે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ. 25 °C (298.15 K) થી 50 °C (323.15 K) સુધી, ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, તેથી K₂/K₁ = 6.0. 25 °C પર Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 (Δn = 1, દબાણો atm માં) થી શરૂ કરતાં, 50 °C પર Kp આશરે 0.9 છે. 25-અંશનો વધારો સંતુલન અચળાંકને આશરે છ ગણો વધારે છે.

ઉદ્દીપક સંતુલનને ખસેડતો નથી. તે આગળની અને ઊલટી પ્રક્રિયાઓની સક્રિયકરણ ઊર્જા સરખા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે, તેથી સંતુલન વહેલું પ્રાપ્ત થાય છે, પરંતુ K અને સંતુલન સંઘટન બદલાતાં નથી.

હેબર–બૉશ એમોનિયા: ઉપજ અને ઝડપ વચ્ચે સંતુલન

એમોનિયાનું ઔદ્યોગિક સંશ્લેષણ, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), બતાવે છે કે સિદ્ધાંત વાસ્તવિક પસંદગીઓમાં કેવી રીતે માર્ગદર્શન આપે છે. OpenStax વિભાગ 13.3, ΔH = −92.2 kJ આપે છે. પ્રક્રિયા ઉષ્માક્ષેપક છે, તેથી નીચાં તાપમાનો મોટો K અને સંતુલને વધુ એમોનિયા આપે છે. વાયુના ચાર મોલ બે બને છે, તેથી ઊંચું દબાણ પણ એમોનિયાની તરફેણ કરે છે.

મુશ્કેલી ઝડપની છે. નીચા તાપમાને પ્રક્રિયા ઉપયોગી બનવા માટે ઘણી ધીમી છે. OpenStax સમાધાનનું વર્ણન કરે છે: આશરે 150 થી 250 atm નાં દબાણો, વેગને વ્યવહારુ રાખવા ઉદ્દીપક સાથે 400 થી 500 °C નાં તાપમાનો, અને મિશ્રણમાંથી એમોનિયાને સતત દૂર કરવો જેથી Q એ K થી નીચે રહે. તાપમાન નાના K ની કિંમતે વેગ માટે પસંદ કરવામાં આવે છે, અને બાકીની પરિસ્થિતિઓ શક્ય તેટલી ઉપજ પાછી મેળવે છે.

ખોટી પડતી લ શાતેલિયે આગાહીઓ

જ્યારે આગાહી અનિશ્ચિત લાગે, ત્યારે Q લખો, સંબંધિત રાશિ બદલો, અને નવા Q ની K સાથે સરખામણી કરો. એ ચકાસણી નીચેના લગભગ દરેક કિસ્સાનો નિવેડો લાવે છે.

• સાંદ્રતા કે કદ બદલાય ત્યારે K બદલાય છે એમ કહેવું. માત્ર તાપમાન જ K બદલે છે.
• Δn = 0 વાળી પ્રક્રિયા, જેમ કે H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, ને સંકોચ્યા પછી ખસવાની આગાહી કરવી.
• અચળ કદે નિષ્ક્રિય વાયુ ઉમેર્યા પછી ખસવાની આગાહી કરવી.
• શુદ્ધ ઘન કે પ્રવાહી વધુ ઉમેર્યા પછી ખસવાની આગાહી કરવી.
• ઉદ્દીપક સંતુલન ઉપજ વધારે છે એવો દાવો કરવો. તે માત્ર સંતુલન તરફની પ્રગતિને ઝડપી બનાવે છે.
• તંત્ર ફેરફારને સંપૂર્ણપણે રદ કરે છે એમ માની લેવું. ઉમેરેલો પ્રક્રિયક અંતે તેની મૂળ સાંદ્રતાથી ઉપર રહે છે.
• દબાણનો ફેરફાર કેવી રીતે અસર કરે છે તે નક્કી કરતી વખતે માત્ર વાયુના મોલ નહીં, બધા મોલ ગણવા.