Ле Шателье принциби: тең салмактуулуктар өзгөрүүгө кантип жооп берерин алдын ала айтуу

Сырткы таасир Q ну же K ны өзгөртөт, ал эми система тең салмактуулукту калыбына келтирет

Тең салмактуулукта реакция катышы Q тең салмактуулук константасы K га барабар. Көбүнчө сырткы таасир деп аталган бузулуу бул барабардыкты эки жолдун бири менен бузат. Бөлүкчөнү кошуу же алып салуу, же газ аралашмасынын көлөмүн өзгөртүү Q ну өзгөртөт, ал эми K ошол бойдон калат. Температураны өзгөртүү K нын өзүн өзгөртөт. Кандай болгон күндө да, андан кийин система Q кайра K га барабар болгонго чейин реакцияга кирет.

Эгер эми Q K дан кичине болсо, реакция түз багытта, продуктуларга карай жүрөт. Эгер эми Q K дан чоң болсо, ал тескери багытта жүрөт. Ушундай ой жүгүртүү жатталган ураандарга караганда ишенимдүүрөөк, анткени ал жылыш такыр болбогон учурларды да айтат.

«Жарым-жартылай» деген сөз маанилүү. Система өзгөрүүнү эч качан толук жокко чыгарбайт. Эгер реагент кошсоңуз, анын жаңы тең салмактуулуктагы концентрациясы аны кошконго чейинкиден дагы эле жогору болот.

Бөлүкчөнү кошуу же алып салуу

Реагентти кошуу же продуктуну алып салуу Q ну K дан төмөн түшүрөт, ошондуктан реакция продуктуларга карай жылат. Продуктуну кошуу же реагентти алып салуу Q ну K дан жогору көтөрөт, ошондуктан реакция реагенттерге карай жылат. Өнөр жайлык жана лабораториялык процесстер муну дайыма колдонот. Учма продуктуну айдап алуу, газды чыгарып жиберүү же продуктуну чөктүрүү Q ну K дан төмөн кармайт жана реакцияны анын K сы гана уруксат бергенден ары айдайт.

Таза катуу заттан же таза суюктуктан көбүрөөк кошуу тең салмактуулукту жылдырбайт. Ал заттар Q да көрүнбөйт, ошондуктан Q өзгөрбөйт. CaO(s) жана CO₂(g) менен тең салмактуулуктагы жабык идишке көбүрөөк CaCO₃(s) кошуу CO₂ нин басымын өзгөртпөйт.

Чыгарылган мисал: суутек иодидинин тең салмактуулугундагы кошумча суутек

OpenStax 13.3-бөлүмү H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) үчүн 400 °C та Kc = 50.0 берет. Ошол температурадагы тең салмактуулук аралашмасында [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L болсун дейли. Анда [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Эми H₂ киргизилип, эч нерсе реакцияга кире электе [H₂] 0.0450 mol/L ге чейин секирет. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Бул 50.0 дөн кичине, ошондуктан реакция түз багытка жылып, кошулган H₂ нин бир бөлүгүн сарптайт.

Канчалык жыларын табуу үчүн H₂ нин x mol/L и реакцияга кирсин. Анда [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x жана [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 деп коюп, аралык маанилерди тегеректебей квадраттык теңдемени чечүү x = 0.00728 берет. Физикалык жактан маанилүү тамыр 0.0150 дөн кичине болгону, анткени I₂ нөлдөн төмөн түшө албайт. Жаңы тең салмактуулукта [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 жана [HI] = 0.121 mol/L.

Натыйжаны принцип менен салыштырып окуңуз. Система кошулган суутектин болжол менен төрттөн бирин сарптады, ошондуктан [H₂] 0.0377 mol/L де токтоду, бул баштапкы 0.0150 дөн дагы эле бир топ жогору. Ошол эле учурда йоддун болжол менен жарымы HI ге айланды. Кымбат реагентти сарптоо үчүн арзан реагентти кошуу — чыгымды жогорулатуунун стандарттуу жолу.

Газ аралашмасын кысуу же кеңейтүү

Газ аралашмасынын көлөмүн азайтуу ар бир концентрацияны бирдей эсе жогорулатат. Бул Q ну өзгөртөбү же жокпу, Δn ге, газ абалындагы продуктулардын мольдору минус газ абалындагы реагенттердин мольдоруна көз каранды. Эгер Δn терс болсо, кысуу Q ну төмөндөтөт жана реакция газ молекулалары азыраак тарапка жылат. Эгер Δn оң болсо, кысуу Q ну жогорулатат жана реакция реагенттерге карай жылат, бул да газ молекулалары азыраак тарап. Эгер Δn нөл болсо, H₂ + I₂ ⇌ 2 HI дагыдай, кысуу Q ну өзгөртпөйт жана жылыш болбойт.

Туруктуу көлөмдө аргон сыяктуу реакцияга кирбеген газды кошуу менен жалпы басымды жогорулатуу эч нерсени өзгөртпөйт. Реакцияга катышкан газдардын парциалдык басымдары жана концентрациялары ошол бойдон калат, ошондуктан Q K га барабар бойдон калат. Туруктуу басымда инерттүү газды кошуу башка: идиш кеңейиши керек, бул көлөмдү көбөйтүү менен бирдей таасир берет.

Чыгарылган мисал: NO₂–N₂O₄ аралашмасынын көлөмүн эки эсе азайтуу

25 °C тагы N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) үчүн OpenStax 13.2-бөлүмү [N₂O₄] = 0.042 mol/L жана [NO₂] = 0.016 mol/L болгон тең салмактуулук аралашмасын сүрөттөйт. Булар Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ берет.

Туруктуу температурада көлөмдү эки эсе азайтыңыз. Эки концентрация тең эки эсе көбөйүп, [N₂O₄] = 0.084 жана [NO₂] = 0.032 mol/L болот. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², бул Kc нын так эки эсеси, анткени NO₂ мүчөсү квадратка көтөрүлгөн. Q > K, ошондуктан система эки молдун ордуна бир моль газы бар тарапка, N₂O₄ ко карай жылат.

N₂O₄ түн y mol/L и пайда болсун. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ти чечүү y = 0.0044 берет, ошондуктан жаңы тең салмактуулукта [NO₂] = 0.023 mol/L жана [N₂O₄] = 0.088 mol/L, маалыматтардагыдай эки маанилүү цифрага чейин. Күрөң NO₂ кысууга чейинкиге караганда концентраттуураак (0.016 mol/L ге каршы 0.023), ошондуктан газ кочкулураак көрүнөт, бирок эми азоттун азыраак үлүшү NO₂ де: мурунку 16 пайызга салыштырмалуу 12 пайыз.

Температура K нын өзүн жылдырат

Температура — K нын маанисин өзгөрткөн бирден-бир кеңири таралган өзгөрүү. Эндотермиялык реакция (ΔH > 0) үчүн температура жогорулаганда K өсөт, ошондуктан ысытуу тең салмактуулукту продуктуларга карай жылдырат. Экзотермиялык реакция (ΔH < 0) үчүн температура жогорулаганда K азаят, ошондуктан ысытуу аны реагенттерге карай жылдырат. Муну эстеп калуунун пайдалуу жолу — жылуулукту эндотермиялык реакцияда реагент катары, ал эми экзотермиялык реакцияда продукт катары кароо.

OpenStax 13.3-бөлүмү N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) үчүн ΔH = +57.20 kJ берет, ошондуктан аралашманы жылытуу аны күрөңүрөөк кылат. Өзгөрүүнүн чоңдугун Вант-Гофф теңдемеси менен баалоого болот: ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Ал ΔH° жана ΔS° болжол менен туруктуу калса, ΔG° = −RT ln K жана ΔG° = ΔH° − TΔS° тен келип чыгат.

Чыгарылган мисал. 25 °C тан (298.15 K) 50 °C ка (323.15 K) чейин ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, ошондуктан K₂/K₁ = 6.0. 25 °C тагы Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 тен баштасак (Δn = 1, басымдар atm менен), 50 °C тагы Kp болжол менен 0.9. 25 градуска жогорулоо тең салмактуулук константасын болжол менен алты эсе көбөйтөт.

Катализатор тең салмактуулукту жылдырбайт. Ал түз жана тескери реакциялардын активдештирүү энергиясын бирдей төмөндөтөт, ошондуктан тең салмактуулукка тезирээк жетишилет, бирок K жана тең салмактуулук курамы өзгөрбөйт.

Габер–Бош аммиагы: чыгымды ылдамдык менен тең салмактоо

Аммиактын өнөр жайлык синтези, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), принцип чыныгы тандоолорду кантип багыттаарын көрсөтөт. OpenStax 13.3-бөлүмү ΔH = −92.2 kJ берет. Реакция экзотермиялык, ошондуктан төмөнүрөөк температуралар чоңураак K жана тең салмактуулукта көбүрөөк аммиак берет. Газдын төрт молу экиге айланат, ошондуктан жогорку басым да аммиакка ыңгайлуу.

Кыйынчылык — ылдамдыкта. Төмөнкү температурада реакция пайдалуу болуу үчүн өтө жай. OpenStax компромиссти сүрөттөйт: болжол менен 150дөн 250 atm ге чейинки басым, ылдамдыкты практикалык деңгээлде кармоо үчүн катализатор менен 400дөн 500 °C ка чейинки температура жана Q K дан төмөн калышы үчүн аммиакты аралашмадан үзгүлтүксүз алып туруу. Температура кичирээк K нын эсебинен ылдамдык үчүн тандалат, ал эми башка шарттар чыгымды мүмкүн болушунча калыбына келтирет.

Туура эмес чыккан Ле Шателье болжолдору

Болжол ишенимсиз сезилгенде Q ну жазып, сөз болуп жаткан чоңдукту өзгөртүп, жаңы Q ну K менен салыштырыңыз. Бул текшерүү төмөнкү дээрлик ар бир учурду чечет.

• Концентрация же көлөм өзгөргөндө K өзгөрөт деп айтуу. K ны температура гана өзгөртөт.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI сыяктуу Δn = 0 болгон реакцияны кысуудан кийин жылышты алдын ала айтуу.
• Туруктуу көлөмдө инерттүү газды кошкондон кийин жылышты алдын ала айтуу.
• Таза катуу заттан же суюктуктан көбүрөөк кошкондон кийин жылышты алдын ала айтуу.
• Катализатор тең салмактуулуктагы чыгымды көбөйтөт деп ырастоо. Ал тең салмактуулукка жакындоону гана тездетет.
• Система өзгөрүүнү толук жокко чыгарат деп ойлоо. Кошулган реагенттин концентрациясы баштапкысынан жогору бойдон калат.
• Басымдын өзгөрүшү кантип таасир этерин чечүүдө газдын мольдорун гана эмес, бардык мольдорду саноо.