Ле Шательегийн зарчим: өөрчлөлтөд тэнцвэр хэрхэн хариу үйлдэл үзүүлэхийг таамаглах

Нөлөөлөл Q эсвэл K-г өөрчилж, систем тэнцвэрээ сэргээнэ

Тэнцвэрт урвалын харьцаа Q тэнцвэрийн тогтмол K-тай тэнцүү. Ихэвчлэн нөлөөлөл гэж нэрлэгддэг алдагдал тэр тэнцлийг хоёр аргын нэгээр эвддэг. Бодис нэмэх эсвэл хасах, эсвэл хийн хольцын эзлэхүүнийг өөрчлөх нь K-г хэвээр үлдээж Q-г өөрчилнө. Температурыг өөрчлөх нь K-г өөрийг нь өөрчилнө. Аль ч тохиолдолд систем дараа нь Q дахин K-тай тэнцэх хүртэл урвалд орно.

Хэрэв Q одоо K-ээс бага бол урвал бүтээгдэхүүн рүү, шууд чиглэлд явна. Хэрэв Q одоо K-ээс их бол урвуу чиглэлд явна. Ингэж сэтгэх нь цээжилсэн уриа лоозонгоос илүү найдвартай, учир нь огт шилжилт байхгүй үеийг ч хэлж өгдөг.

"Хэсэгчлэн" гэдэг үг чухал. Систем өөрчлөлтийг хэзээ ч бүрэн арилгадаггүй. Урвалж нэмбэл шинэ тэнцвэр дэх түүний концентраци нэмэхээс өмнөхөөс өндөр хэвээр байна.

Бодис нэмэх эсвэл хасах

Урвалж нэмэх эсвэл бүтээгдэхүүн хасах нь Q-г K-ээс доош бууруулж, урвал бүтээгдэхүүн рүү шилжинэ. Бүтээгдэхүүн нэмэх эсвэл урвалж хасах нь Q-г K-ээс дээш өсгөж, урвал урвалж руу шилжинэ. Үйлдвэрлэлийн болон лабораторийн процессууд үүнийг байнга ашигладаг. Дэгдэмхий бүтээгдэхүүнийг нэрж зайлуулах, хийг гаргах эсвэл бүтээгдэхүүнийг тунадасжуулах нь Q-г K-ээс доош байлгаж, урвалыг зөвхөн K-ийн зөвшөөрөхөөс цааш хөтөлнө.

Цэвэр хатуу бодис эсвэл цэвэр шингэнийг нэмэх нь тэнцвэрийг шилжүүлэхгүй. Эдгээр бодис Q-д ордоггүй тул Q өөрчлөгдөхгүй. CaO(s) ба CO₂(g)-тэй тэнцвэрт буй битүүмжилсэн саванд CaCO₃(s) нэмэх нь CO₂-ийн даралтыг өөрчлөхгүй.

Бодит жишээ: устөрөгчийн иодидын тэнцвэрт илүү устөрөгч

OpenStax-ийн 13.3-р хэсэг 400 °C-д H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g)-д Kc = 50.0 гэж өгдөг. Тэр температурт тэнцвэрийн хольц [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L гэж үзье. Тэгвэл [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Одоо H₂ шахаж, юу ч урвалд орохоос өмнө [H₂] 0.0450 mol/L болж үсэрнэ. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Энэ нь 50.0-аас бага тул урвал шууд чиглэлд шилжиж, нэмсэн H₂-ийн заримыг зарцуулна.

Хэр хол шилжихийг олохын тулд x mol/L H₂ урвалд орсон гэж үз. Тэгвэл [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x ба [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 гэж тавьж, завсрын утгуудыг бөөрөнхийлөлгүйгээр квадрат тэгшитгэлийг бодвол x = 0.00728. I₂ тэгээс доош буурч чадахгүй тул физикийн утга учиртай язгуур нь 0.0150-аас бага нь. Шинэ тэнцвэрт [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 ба [HI] = 0.121 mol/L.

Үр дүнг зарчимтай тулгаж унш. Систем нэмсэн устөрөгчийн ойролцоогоор дөрөвний нэгийг зарцуулсан тул [H₂] 0.0377 mol/L-д төгссөн бөгөөд анхны 0.0150-аас нэлээд дээгүүр хэвээр. Үүний зэрэгцээ иодын ойролцоогоор хагас нь HI болж хувирсан. Үнэтэй урвалжийг зарцуулахын тулд хямд урвалж нэмэх нь гарцыг өсгөх стандарт арга.

Хийн хольцыг шахах эсвэл тэлэх

Хийн хольцын эзлэхүүнийг багасгах нь бүх концентрацийг ижил дахин өсгөнө. Энэ нь Q-г өөрчлөх эсэх нь Δn буюу хийн бүтээгдэхүүний моль хасах хийн урвалжийн молиос хамаарна. Δn сөрөг бол шахалт Q-г бууруулж, урвал цөөн хийн молекултай тал руу шилжинэ. Δn эерэг бол шахалт Q-г өсгөж, урвал урвалж руу, өөрөөр хэлбэл мөн л цөөн хийн молекултай тал руу шилжинэ. H₂ + I₂ ⇌ 2 HI-д шиг Δn тэг бол шахалт Q-г өөрчлөхгүй бөгөөд шилжилт байхгүй.

Тогтмол эзлэхүүнд аргон зэрэг урвалд ордоггүй хий нэмж нийт даралтыг өсгөх нь юуг ч өөрчлөхгүй. Урвалд орж буй хийн хэсэгчилсэн даралт ба концентраци хэвээр тул Q нь K-тай тэнцүү хэвээр. Тогтмол даралтад идэвхгүй хий нэмэх нь өөр: сав тэлэх ёстой бөгөөд энэ нь эзлэхүүнийг ихэсгэхтэй ижил нөлөөтэй.

Бодит жишээ: NO₂–N₂O₄ хольцын эзлэхүүнийг хоёр дахин багасгах

25 °C дахь N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-ийн хувьд OpenStax-ийн 13.2-р хэсэг [N₂O₄] = 0.042 mol/L ба [NO₂] = 0.016 mol/L бүхий тэнцвэрийн хольцыг дүрсэлдэг. Эдгээр нь Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ өгнө.

Тогтмол температурт эзлэхүүнийг хоёр дахин багасга. Хоёр концентраци хоёулаа хоёр дахин ихэсч [N₂O₄] = 0.084 ба [NO₂] = 0.032 mol/L болно. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², NO₂-ийн гишүүн квадратлагдсан тул Kc-ээс яг хоёр дахин их. Q > K тул систем хоёрын оронд нэг моль хийтэй тал болох N₂O₄ руу шилжинэ.

y mol/L N₂O₄ үүссэн гэж үз. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³-г бодвол y = 0.0044 тул шинэ тэнцвэрт өгөгдлийн адил ач холбогдолтой хоёр цифрээр [NO₂] = 0.023 mol/L ба [N₂O₄] = 0.088 mol/L. Хүрэн NO₂ шахахаас өмнөхөөс илүү өтгөн (0.016 mol/L-ийн эсрэг 0.023) тул хий илүү бараан харагдах боловч одоо азотын бага хэсэг NO₂-д байна: өмнөх 16 хувийн оронд 12 хувь.

Температур K-г өөрийг нь шилжүүлнэ

Температур бол K-ийн утгыг өөрчилдөг цорын ганц түгээмэл өөрчлөлт. Эндотермик урвалын хувьд (ΔH > 0) температур өсөхөд K өсөх тул халаалт тэнцвэрийг бүтээгдэхүүн рүү шилжүүлнэ. Экзотермик урвалын хувьд (ΔH < 0) температур өсөхөд K буурах тул халаалт түүнийг урвалж руу шилжүүлнэ. Үүнийг санах хэрэгтэй арга бол дулааныг эндотермик урвалд урвалж, экзотермик урвалд бүтээгдэхүүн гэж үзэх.

OpenStax-ийн 13.3-р хэсэг N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-д ΔH = +57.20 kJ гэж өгдөг тул хольцыг дулаацуулах нь түүнийг илүү хүрэн болгоно. Өөрчлөлтийн хэмжээг вант-Гоффын тэгшитгэлээр үнэлж болно: ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Энэ нь ΔH° ба ΔS° ойролцоогоор тогтмол байвал ΔG° = −RT ln K ба ΔG° = ΔH° − TΔS°-ээс гарна.

Бодит жишээ. 25 °C (298.15 K)-аас 50 °C (323.15 K) хүртэл ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785 тул K₂/K₁ = 6.0. 25 °C-д Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15-аас (Δn = 1, даралт atm-ээр) эхэлбэл 50 °C-д Kp ойролцоогоор 0.9. 25 градусын өсөлт тэнцвэрийн тогтмолыг ойролцоогоор зургаа дахин ихэсгэнэ.

Катализатор тэнцвэрийг шилжүүлдэггүй. Шууд ба урвуу урвалын идэвхжүүлэлтийн энергийг тэнцүү бууруулдаг тул тэнцвэрт эрт хүрэх боловч K ба тэнцвэрийн найрлага өөрчлөгдөхгүй.

Габер–Бошийн аммиак: гарц ба хурдыг тэнцвэржүүлэх

Аммиакийн үйлдвэрийн нийлэгжилт N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) зарчим бодит сонголтыг хэрхэн чиглүүлдгийг харуулна. OpenStax-ийн 13.3-р хэсэг ΔH = −92.2 kJ гэж өгдөг. Урвал экзотермик тул бага температур илүү их K, тэнцвэрт илүү их аммиак өгнө. Дөрвөн моль хий хоёр болох тул өндөр даралт ч мөн аммиакийг дэмжинэ.

Бэрхшээл нь хурд. Бага температурт урвал хэрэгцээтэй байхад хэт удаан. OpenStax тохиролцоог дүрсэлдэг: ойролцоогоор 150-аас 250 atm даралт, хурдыг бодитой түвшинд байлгах катализатортой 400-аас 500 °C температур, мөн Q-г K-ээс доош байлгахын тулд хольцоос аммиакийг тасралтгүй зайлуулах. Температурыг бага K-ийн үнээр хурдад зориулж сонгодог бөгөөд бусад нөхцөл боломжтой хэрээр их гарцыг нөхөж авна.

Буруу гардаг Ле Шательегийн таамаглалууд

Таамаглал эргэлзээтэй санагдвал Q-г бичиж, асуултын хэмжигдэхүүнийг өөрчилж, шинэ Q-г K-тай харьцуул. Энэ шалгалт доорх бараг бүх тохиолдлыг шийднэ.

• Концентраци эсвэл эзлэхүүн өөрчлөгдөхөд K өөрчлөгдөнө гэж хэлэх. Зөвхөн температур K-г өөрчилнө.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI зэрэг Δn = 0 бүхий урвалыг шахсаны дараа шилжилт таамаглах.
• Тогтмол эзлэхүүнд идэвхгүй хий нэмсний дараа шилжилт таамаглах.
• Цэвэр хатуу бодис эсвэл шингэнийг нэмсний дараа шилжилт таамаглах.
• Катализатор тэнцвэрийн гарцыг нэмэгдүүлнэ гэж мэдэгдэх. Энэ нь зөвхөн тэнцвэрт ойртохыг хурдасгана.
• Систем өөрчлөлтийг бүрэн арилгана гэж үзэх. Нэмсэн урвалж анхны концентрацаасаа дээгүүр төгсөнө.
• Даралтын өөрчлөлт хэрхэн нөлөөлөхийг шийдэхдээ зөвхөн хийн молийг биш бүх молийг тоолох.