ലെ ഷാറ്റ്‌ലിയർ തത്ത്വം: മാറ്റത്തോട് സന്തുലനങ്ങൾ എങ്ങനെ പ്രതികരിക്കുന്നുവെന്ന് പ്രവചിക്കൽ

ഒരു ആഘാതം Q-യെയോ K-യെയോ മാറ്റുന്നു, വ്യൂഹം സന്തുലനം പുനഃസ്ഥാപിക്കുന്നു

സന്തുലനത്തിൽ അഭിക്രിയാ ഹരണഫലം Q സന്തുലന സ്ഥിരാങ്കം K-ക്ക് തുല്യമാണ്. പലപ്പോഴും ആഘാതം എന്ന് വിളിക്കുന്ന ഒരു ശല്യം ആ തുല്യതയെ രണ്ട് വിധത്തിൽ ഒന്നിൽ തകർക്കുന്നു. ഒരു സ്പീഷീസ് ചേർക്കുകയോ നീക്കം ചെയ്യുകയോ ചെയ്യുന്നതും ഒരു വാതക മിശ്രിതത്തിന്റെ വ്യാപ്തം മാറ്റുന്നതും K അതേപടി നിലനിൽക്കെ Q-യെ മാറ്റുന്നു. താപനില മാറ്റുന്നത് K-യെ തന്നെ മാറ്റുന്നു. ഏതായാലും, Q വീണ്ടും K-ക്ക് തുല്യമാകുന്നതുവരെ വ്യൂഹം പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നു.

ഇപ്പോൾ Q, K-യെക്കാൾ ചെറുതാണെങ്കിൽ അഭിക്രിയ ഉൽപ്പന്നങ്ങളിലേക്ക്, മുന്നോട്ട് നടക്കുന്നു. Q, K-യെക്കാൾ വലുതാണെങ്കിൽ അത് പിന്നോട്ട് നടക്കുന്നു. ഈ രീതിയിൽ ചിന്തിക്കുന്നത് മനഃപാഠമാക്കിയ മുദ്രാവാക്യങ്ങളെക്കാൾ വിശ്വസനീയമാണ്, കാരണം മാറ്റം ഒട്ടുമില്ലാത്തപ്പോൾ അതും ഇത് പറഞ്ഞുതരുന്നു.

"ഭാഗികമായി" എന്ന വാക്ക് പ്രധാനമാണ്. വ്യൂഹം ഒരിക്കലും മാറ്റത്തെ പൂർണമായി ഇല്ലാതാക്കുന്നില്ല. ഒരു അഭികാരകം ചേർത്താൽ, പുതിയ സന്തുലനത്തിലെ അതിന്റെ സാന്ദ്രത ചേർക്കുന്നതിനു മുമ്പുള്ളതിനെക്കാൾ ഇപ്പോഴും കൂടുതലായിരിക്കും.

ഒരു സ്പീഷീസ് ചേർക്കലും നീക്കം ചെയ്യലും

ഒരു അഭികാരകം ചേർക്കുന്നതോ ഒരു ഉൽപ്പന്നം നീക്കം ചെയ്യുന്നതോ Q-യെ K-ക്ക് താഴെയാക്കുന്നു, അതിനാൽ അഭിക്രിയ ഉൽപ്പന്നങ്ങളിലേക്ക് മാറുന്നു. ഒരു ഉൽപ്പന്നം ചേർക്കുന്നതോ ഒരു അഭികാരകം നീക്കം ചെയ്യുന്നതോ Q-യെ K-ക്ക് മുകളിലാക്കുന്നു, അതിനാൽ അഭിക്രിയ അഭികാരകങ്ങളിലേക്ക് മാറുന്നു. വ്യാവസായിക, ലബോറട്ടറി പ്രക്രിയകൾ ഇത് നിരന്തരം ഉപയോഗിക്കുന്നു. ബാഷ്പശീലമുള്ള ഒരു ഉൽപ്പന്നം സ്വേദനം ചെയ്ത് മാറ്റുന്നതും ഒരു വാതകത്തെ രക്ഷപ്പെടാൻ അനുവദിക്കുന്നതും ഒരു ഉൽപ്പന്നത്തെ അവക്ഷിപ്തമാക്കുന്നതും Q-യെ K-ക്ക് താഴെ നിലനിർത്തുകയും അഭിക്രിയയെ അതിന്റെ K മാത്രം അനുവദിക്കുന്നതിനപ്പുറം മുന്നോട്ട് നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഒരു ശുദ്ധ ഖരമോ ശുദ്ധ ദ്രാവകമോ കൂടുതൽ ചേർക്കുന്നത് സന്തുലനത്തെ മാറ്റുന്നില്ല. അത്തരം പദാർഥങ്ങൾ Q-യിൽ പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നില്ല, അതിനാൽ Q മാറുന്നില്ല. CaO(s), CO₂(g) എന്നിവയുമായി സന്തുലനത്തിലുള്ള ഒരു അടച്ച പാത്രത്തിലേക്ക് കൂടുതൽ CaCO₃(s) ചേർക്കുന്നത് CO₂ മർദം മാറ്റമില്ലാതെ നിലനിർത്തുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഹൈഡ്രജൻ അയോഡൈഡ് സന്തുലനത്തിൽ അധിക ഹൈഡ്രജൻ

OpenStax വിഭാഗം 13.3, 400 °C-ൽ H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g)-ന് Kc = 50.0 നൽകുന്നു. ആ താപനിലയിലുള്ള ഒരു സന്തുലന മിശ്രിതത്തിന് [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L ആണെന്ന് കരുതുക. അപ്പോൾ [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

ഇനി, എന്തെങ്കിലും പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നതിനു മുമ്പ് [H₂] 0.0450 mol/L-ലേക്ക് കുതിക്കുന്ന വിധം H₂ കുത്തിവയ്ക്കുന്നു. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. ഇത് 50.0-നെക്കാൾ കുറവാണ്, അതിനാൽ അഭിക്രിയ മുന്നോട്ട് മാറുകയും ചേർത്ത H₂-ന്റെ ഒരു ഭാഗം ഉപയോഗിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

അത് എത്രമാത്രം മാറുന്നുവെന്ന് കണ്ടെത്താൻ, H₂-ന്റെ x mol/L പ്രതിപ്രവർത്തിക്കട്ടെ. അപ്പോൾ [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x, [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 എന്ന് നൽകി, റൗണ്ട് ചെയ്യാത്ത ഇടക്കാല മൂല്യങ്ങൾ നിലനിർത്തി ദ്വിമാന സമവാക്യം നിർധാരണം ചെയ്യുമ്പോൾ x = 0.00728 ലഭിക്കുന്നു. I₂ പൂജ്യത്തിന് താഴെ പോകാനാകാത്തതിനാൽ 0.0150-നെക്കാൾ ചെറിയ മൂലമാണ് ഭൗതികമായി യുക്തിസഹമായത്. പുതിയ സന്തുലനത്തിൽ [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772, [HI] = 0.121 mol/L.

ഫലത്തെ തത്ത്വവുമായി ഒത്തുനോക്കുക. ചേർത്ത ഹൈഡ്രജന്റെ ഏകദേശം നാലിലൊന്ന് വ്യൂഹം ഉപയോഗിച്ചു, അതിനാൽ [H₂] 0.0377 mol/L-ൽ അവസാനിച്ചു, യഥാർഥ 0.0150-നെക്കാൾ ഇപ്പോഴും വളരെ മുകളിൽ. അതിനിടെ അയഡിന്റെ ഏകദേശം പകുതി HI ആയി മാറി. വിലകൂടിയ ഒരു അഭികാരകം ഉപയോഗിച്ചുതീർക്കാൻ വിലകുറഞ്ഞ ഒന്ന് ചേർക്കുന്നത് വിളവ് ഉയർത്താനുള്ള ഒരു സാധാരണ മാർഗമാണ്.

ഒരു വാതക മിശ്രിതത്തെ ഞെരുക്കുകയോ വികസിപ്പിക്കുകയോ ചെയ്യൽ

ഒരു വാതക മിശ്രിതത്തിന്റെ വ്യാപ്തം കുറയ്ക്കുന്നത് ഓരോ സാന്ദ്രതയെയും ഒരേ ഘടകത്താൽ ഉയർത്തുന്നു. അത് Q-യെ മാറ്റുമോ എന്നത് Δn-നെ, അതായത് വാതക ഉൽപ്പന്നങ്ങളുടെ മോളുകൾ മൈനസ് വാതക അഭികാരകങ്ങളുടെ മോളുകളെ, ആശ്രയിക്കുന്നു. Δn നെഗറ്റീവ് ആണെങ്കിൽ സമ്മർദനം Q-യെ താഴ്ത്തുന്നു, അഭിക്രിയ കുറച്ച് വാതക തന്മാത്രകളിലേക്ക് മാറുന്നു. Δn പോസിറ്റീവ് ആണെങ്കിൽ സമ്മർദനം Q-യെ ഉയർത്തുന്നു, അഭിക്രിയ അഭികാരകങ്ങളിലേക്ക്, വീണ്ടും കുറച്ച് വാതക തന്മാത്രകളുള്ള വശത്തേക്ക്, മാറുന്നു. H₂ + I₂ ⇌ 2 HI-ലേതുപോലെ Δn പൂജ്യമാണെങ്കിൽ സമ്മർദനം Q-യെ മാറ്റുന്നില്ല, മാറ്റവുമില്ല.

സ്ഥിര വ്യാപ്തത്തിൽ ആർഗൺ പോലുള്ള പ്രതിപ്രവർത്തിക്കാത്ത ഒരു വാതകം ചേർത്ത് മൊത്തം മർദം ഉയർത്തുന്നത് ഒന്നും മാറ്റുന്നില്ല. പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്ന വാതകങ്ങളുടെ ആംശിക മർദങ്ങളും സാന്ദ്രതകളും അതേപടി തുടരുന്നു, അതിനാൽ Q, K-ക്ക് തുല്യമായി തുടരുന്നു. സ്ഥിര മർദത്തിൽ ഒരു നിഷ്ക്രിയ വാതകം ചേർക്കുന്നത് വ്യത്യസ്തമാണ്: പാത്രം വികസിക്കണം, ഇതിന് വ്യാപ്തം കൂട്ടുന്നതിന്റെ അതേ ഫലമുണ്ട്.

ഉദാഹരണം: NO₂–N₂O₄ മിശ്രിതത്തിന്റെ വ്യാപ്തം പകുതിയാക്കൽ

25 °C-ൽ N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-ന്, [N₂O₄] = 0.042 mol/L, [NO₂] = 0.016 mol/L എന്നിവയുള്ള ഒരു സന്തുലന മിശ്രിതം OpenStax വിഭാഗം 13.2 വിവരിക്കുന്നു. ഇവ Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ നൽകുന്നു.

സ്ഥിര താപനിലയിൽ വ്യാപ്തം പകുതിയാക്കുക. രണ്ട് സാന്ദ്രതകളും ഇരട്ടിയാകുന്നു, [N₂O₄] = 0.084, [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², NO₂ പദം വർഗമായതിനാൽ കൃത്യം Kc-യുടെ ഇരട്ടി. Q > K, അതിനാൽ വ്യൂഹം രണ്ടിന് പകരം ഒരു മോൾ വാതകമുള്ള വശമായ N₂O₄-ലേക്ക് മാറുന്നു.

N₂O₄-ന്റെ y mol/L രൂപപ്പെടട്ടെ. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ നിർധാരണം ചെയ്യുമ്പോൾ y = 0.0044 ലഭിക്കുന്നു, അതിനാൽ ഡാറ്റ പോലെ രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങളിൽ, പുതിയ സന്തുലനത്തിൽ [NO₂] = 0.023 mol/L, [N₂O₄] = 0.088 mol/L. തവിട്ടുനിറമുള്ള NO₂ സമ്മർദനത്തിന് മുമ്പുള്ളതിനെക്കാൾ സാന്ദ്രമാണ് (0.016-നെതിരെ 0.023 mol/L), അതിനാൽ വാതകം കൂടുതൽ ഇരുണ്ടതായി കാണപ്പെടുന്നു; പക്ഷേ നൈട്രജന്റെ ചെറിയൊരു പങ്ക് മാത്രമാണ് ഇപ്പോൾ NO₂-ൽ: മുമ്പത്തെ 16 ശതമാനത്തെ അപേക്ഷിച്ച് 12 ശതമാനം.

താപനില K-യെ തന്നെ മാറ്റുന്നു

K-യുടെ മൂല്യം മാറ്റുന്ന ഒരേയൊരു സാധാരണ മാറ്റം താപനിലയാണ്. ഒരു താപശോഷക അഭിക്രിയയ്ക്ക് (ΔH > 0) താപനില ഉയരുമ്പോൾ K വർധിക്കുന്നു, അതിനാൽ ചൂടാക്കൽ സന്തുലനത്തെ ഉൽപ്പന്നങ്ങളിലേക്ക് മാറ്റുന്നു. ഒരു താപമോചക അഭിക്രിയയ്ക്ക് (ΔH < 0) താപനില ഉയരുമ്പോൾ K കുറയുന്നു, അതിനാൽ ചൂടാക്കൽ അതിനെ അഭികാരകങ്ങളിലേക്ക് മാറ്റുന്നു. താപശോഷക അഭിക്രിയയിൽ താപത്തെ ഒരു അഭികാരകമായും താപമോചക അഭിക്രിയയിൽ ഒരു ഉൽപ്പന്നമായും കണക്കാക്കുന്നത് ഇത് ഓർക്കാനുള്ള ഉപകാരപ്രദമായ ഒരു വഴിയാണ്.

OpenStax വിഭാഗം 13.3, N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-ന് ΔH = +57.20 kJ നൽകുന്നു, അതിനാൽ മിശ്രിതം ചൂടാക്കുന്നത് അതിനെ കൂടുതൽ തവിട്ടുനിറമാക്കുന്നു. മാറ്റത്തിന്റെ വലുപ്പം വാന്റ് ഹോഫ് സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് ഏകദേശം കണക്കാക്കാം, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). ΔH°-ഉം ΔS°-ഉം ഏകദേശം സ്ഥിരമായി തുടർന്നാൽ ΔG° = −RT ln K, ΔG° = ΔH° − TΔS° എന്നിവയിൽ നിന്ന് ഇത് ഉരുത്തിരിയുന്നു.

ഉദാഹരണം. 25 °C (298.15 K)-ൽ നിന്ന് 50 °C (323.15 K)-ലേക്ക്, ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, അതിനാൽ K₂/K₁ = 6.0. 25 °C-ൽ Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15-ൽ നിന്ന് തുടങ്ങിയാൽ (Δn = 1, മർദങ്ങൾ atm-ൽ), 50 °C-ൽ Kp ഏകദേശം 0.9 ആണ്. 25 ഡിഗ്രി വർധന സന്തുലന സ്ഥിരാങ്കത്തെ ഏകദേശം ആറിരട്ടിയാക്കുന്നു.

ഒരു ഉൽപ്രേരകം സന്തുലനത്തെ മാറ്റുന്നില്ല. അത് മുന്നോട്ടുള്ളതും വിപരീതവുമായ അഭിക്രിയകളുടെ സക്രിയണ ഊർജം തുല്യമായി താഴ്ത്തുന്നു, അതിനാൽ സന്തുലനം വേഗത്തിൽ എത്തുന്നു, പക്ഷേ K-യും സന്തുലന ഘടനയും മാറുന്നില്ല.

ഹേബർ–ബോഷ് അമോണിയ: വിളവും വേഗവും തമ്മിലുള്ള സന്തുലനം

അമോണിയയുടെ വ്യാവസായിക സംശ്ലേഷണം, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), ഈ തത്ത്വം യഥാർഥ തിരഞ്ഞെടുപ്പുകളെ എങ്ങനെ നയിക്കുന്നുവെന്ന് കാണിക്കുന്നു. OpenStax വിഭാഗം 13.3 ΔH = −92.2 kJ നൽകുന്നു. അഭിക്രിയ താപമോചകമാണ്, അതിനാൽ താഴ്ന്ന താപനിലകൾ വലിയ K-യും സന്തുലനത്തിൽ കൂടുതൽ അമോണിയയും നൽകുന്നു. നാല് മോൾ വാതകം രണ്ടായി മാറുന്നു, അതിനാൽ ഉയർന്ന മർദവും അമോണിയയെ അനുകൂലിക്കുന്നു.

ബുദ്ധിമുട്ട് വേഗമാണ്. താഴ്ന്ന താപനിലയിൽ അഭിക്രിയ ഉപയോഗപ്രദമാകാൻ വളരെ സാവധാനമാണ്. OpenStax ഈ ഒത്തുതീർപ്പ് വിവരിക്കുന്നു: ഏകദേശം 150 മുതൽ 250 atm വരെ മർദം, നിരക്ക് പ്രായോഗികമാക്കാൻ ഒരു ഉൽപ്രേരകത്തോടൊപ്പം 400 മുതൽ 500 °C വരെ താപനില, Q, K-ക്ക് താഴെ നിൽക്കാൻ മിശ്രിതത്തിൽ നിന്ന് അമോണിയ തുടർച്ചയായി നീക്കം ചെയ്യൽ. ചെറിയ K എന്ന വില നൽകി താപനില നിരക്കിനായി തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നു, മറ്റ് സാഹചര്യങ്ങൾ കഴിയുന്നത്ര വിളവ് വീണ്ടെടുക്കുന്നു.

തെറ്റിപ്പോകുന്ന ലെ ഷാറ്റ്‌ലിയർ പ്രവചനങ്ങൾ

ഒരു പ്രവചനത്തിൽ സംശയം തോന്നുമ്പോൾ, Q എഴുതി, ബന്ധപ്പെട്ട അളവ് മാറ്റി, പുതിയ Q-യെ K-യുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുക. താഴെയുള്ള മിക്കവാറും എല്ലാ സന്ദർഭങ്ങളും ആ പരിശോധന തീർപ്പാക്കുന്നു.

• ഒരു സാന്ദ്രതയോ വ്യാപ്തമോ മാറുമ്പോൾ K മാറുന്നുവെന്ന് പറയൽ. താപനില മാത്രമേ K-യെ മാറ്റുന്നുള്ളൂ.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI പോലെ Δn = 0 ഉള്ള ഒരു അഭിക്രിയയെ സമ്മർദിച്ചതിനു ശേഷം ഒരു മാറ്റം പ്രവചിക്കൽ.
• സ്ഥിര വ്യാപ്തത്തിൽ ഒരു നിഷ്ക്രിയ വാതകം ചേർത്തതിനു ശേഷം ഒരു മാറ്റം പ്രവചിക്കൽ.
• ഒരു ശുദ്ധ ഖരമോ ദ്രാവകമോ കൂടുതൽ ചേർത്തതിനു ശേഷം ഒരു മാറ്റം പ്രവചിക്കൽ.
• ഒരു ഉൽപ്രേരകം സന്തുലന വിളവ് വർധിപ്പിക്കുന്നുവെന്ന് അവകാശപ്പെടൽ. അത് സന്തുലനത്തിലേക്കുള്ള സമീപനത്തെ വേഗത്തിലാക്കുക മാത്രമാണ് ചെയ്യുന്നത്.
• വ്യൂഹം മാറ്റത്തെ പൂർണമായി റദ്ദാക്കുന്നുവെന്ന് അനുമാനിക്കൽ. ചേർത്ത അഭികാരകം അതിന്റെ യഥാർഥ സാന്ദ്രതയ്ക്ക് മുകളിലാണ് അവസാനിക്കുന്നത്.
• ഒരു മർദമാറ്റം എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് തീരുമാനിക്കുമ്പോൾ വാതക മോളുകൾ മാത്രമല്ലാതെ എല്ലാ മോളുകളും എണ്ണൽ.