ल शातेलियेचे तत्त्व: बदलाला समतोल कसा प्रतिसाद देतो याचा अंदाज

ताण Q किंवा K बदलतो, आणि निकाय समतोल पुन्हा प्रस्थापित करतो

समतोलावर अभिक्रिया भागफल Q हा समतोल स्थिरांक K इतका असतो. विस्कळीतपणा, ज्याला अनेकदा ताण म्हणतात, ही समानता दोनपैकी एका प्रकारे मोडतो. एखादी स्पीशीज घालणे किंवा काढणे, किंवा वायू मिश्रणाचे आकारमान बदलणे, Q बदलते तर K तोच राहतो. तापमान बदलल्याने K स्वतःच बदलतो. कोणत्याही प्रकारे, त्यानंतर Q पुन्हा K इतका होईपर्यंत निकाय अभिक्रिया करतो.

आता Q हा K पेक्षा लहान असेल तर अभिक्रिया अग्र दिशेने, उत्पादनांकडे, चालते. आता Q हा K पेक्षा मोठा असेल तर ती उलट दिशेने चालते. या भाषेत विचार करणे पाठ केलेल्या घोषवाक्यांपेक्षा अधिक विश्वासार्ह आहे, कारण ते अजिबात सरकणार नाही तेव्हाही सांगते.

"अंशतः" हा शब्द महत्त्वाचा आहे. निकाय बदल कधीच पूर्णपणे उलटवत नाही. तुम्ही अभिक्रियाकारक घातला, तर नव्या समतोलावर त्याची संहती तो घालण्यापूर्वी होती त्यापेक्षा तरीही जास्त असते.

स्पीशीज घालणे किंवा काढणे

अभिक्रियाकारक घातल्याने किंवा उत्पादन काढल्याने Q हा K च्या खाली जातो, म्हणून अभिक्रिया उत्पादनांकडे सरकते. उत्पादन घातल्याने किंवा अभिक्रियाकारक काढल्याने Q हा K च्या वर जातो, म्हणून अभिक्रिया अभिक्रियाकारकांकडे सरकते. औद्योगिक आणि प्रयोगशाळेतील प्रक्रिया याचा सतत वापर करतात. बाष्पनशील उत्पादन ऊर्ध्वपातनाने काढणे, वायू निसटू देणे, किंवा उत्पादनाचे अवक्षेपण करणे Q ला K च्या खाली ठेवते आणि अभिक्रियेला केवळ तिच्या K ने शक्य झाले असते त्यापेक्षा पुढे नेते.

शुद्ध घन किंवा शुद्ध द्रव आणखी घातल्याने समतोल सरकत नाही. ते पदार्थ Q मध्ये येत नाहीत, म्हणून Q बदलत नाही. CaO(s) आणि CO₂(g) शी समतोलात असलेल्या बंद पात्रात आणखी CaCO₃(s) घातल्याने CO₂ चा दाब बदलत नाही.

सोडवलेले उदाहरण: हायड्रोजन आयोडाइड समतोलात अतिरिक्त हायड्रोजन

OpenStax विभाग 13.3 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) साठी 400 °C वर Kc = 50.0 देतो. समजा त्या तापमानावरील समतोल मिश्रणात [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L आहे. मग [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

आता H₂ अशा प्रकारे सोडला जातो की कोणतीही अभिक्रिया होण्यापूर्वी [H₂] 0.0450 mol/L पर्यंत उडी मारते. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. हे 50.0 पेक्षा कमी आहे, म्हणून अभिक्रिया अग्र दिशेने सरकते आणि घातलेल्या H₂ पैकी काही वापरते.

ती किती सरकते हे शोधण्यासाठी H₂ चे x mol/L अभिक्रिया करतात असे माना. मग [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x आणि [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 मांडून आणि मधली मूल्ये अपूर्णांकित ठेवून वर्गसमीकरण सोडवल्यास x = 0.00728 मिळते. भौतिकदृष्ट्या अर्थपूर्ण मूळ म्हणजे 0.0150 पेक्षा लहान असलेले, कारण I₂ शून्याच्या खाली जाऊ शकत नाही. नव्या समतोलावर [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 आणि [HI] = 0.121 mol/L आहे.

निकाल तत्त्वाशी ताडून पाहा. निकायाने घातलेल्या हायड्रोजनपैकी सुमारे एक चतुर्थांश वापरला, म्हणून [H₂] 0.0377 mol/L वर संपले, मूळ 0.0150 पेक्षा अजूनही बरेच जास्त. दरम्यान सुमारे अर्ध्या आयोडीनचे HI मध्ये रूपांतर झाले. महाग अभिक्रियाकारक वापरून टाकण्यासाठी स्वस्त अभिक्रियाकारक घालणे ही उत्पन्न वाढवण्याची प्रमाणित पद्धत आहे.

वायू मिश्रण दाबणे किंवा प्रसरण पावू देणे

वायू मिश्रणाचे आकारमान कमी केल्याने प्रत्येक संहती त्याच गुणकाने वाढते. त्यामुळे Q बदलतो की नाही हे Δn वर, म्हणजे वायुरूप उत्पादनांचे मोल वजा वायुरूप अभिक्रियाकारकांचे मोल यावर, अवलंबून असते. Δn ऋण असेल तर दाबल्याने Q कमी होतो आणि अभिक्रिया कमी वायू रेणूंकडे सरकते. Δn धन असेल तर दाबल्याने Q वाढतो आणि अभिक्रिया अभिक्रियाकारकांकडे सरकते, जी पुन्हा कमी वायू रेणूंची बाजू आहे. H₂ + I₂ ⇌ 2 HI प्रमाणे Δn शून्य असेल, तर दाबल्याने Q बदलत नाही आणि समतोल सरकत नाही.

स्थिर आकारमानावर आर्गनसारखा अभिक्रिया न करणारा वायू घालून एकूण दाब वाढवल्याने काहीही बदलत नाही. अभिक्रिया करणाऱ्या वायूंचे आंशिक दाब आणि संहती तेवढ्याच राहतात, म्हणून Q हा K इतकाच राहतो. स्थिर दाबावर अक्रिय वायू घालणे वेगळे आहे: पात्राला प्रसरण पावावे लागते, ज्याचा परिणाम आकारमान वाढवण्यासारखाच असतो.

सोडवलेले उदाहरण: NO₂–N₂O₄ मिश्रणाचे आकारमान अर्धे करणे

25 °C वरील N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) साठी OpenStax विभाग 13.2 [N₂O₄] = 0.042 mol/L आणि [NO₂] = 0.016 mol/L असलेल्या समतोल मिश्रणाचे वर्णन करतो. यांवरून Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ मिळतो.

स्थिर तापमानावर आकारमान अर्धे करा. दोन्ही संहती दुप्पट होतात, [N₂O₄] = 0.084 आणि [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², Kc च्या नेमके दुप्पट, कारण NO₂ चे पद वर्गित आहे. Q > K, म्हणून निकाय N₂O₄ कडे सरकतो, जी दोनऐवजी वायूच्या एका मोलची बाजू आहे.

N₂O₄ चे y mol/L बनतात असे माना. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ सोडवल्यास y = 0.0044 मिळते, म्हणून नव्या समतोलावर [NO₂] = 0.023 mol/L आणि [N₂O₄] = 0.088 mol/L आहे, माहितीप्रमाणेच दोन सार्थ अंकांपर्यंत. तपकिरी NO₂ दाबण्यापूर्वीपेक्षा अधिक संहत आहे (0.016 च्या तुलनेत 0.023 mol/L), म्हणून वायू अधिक गडद दिसतो, पण आता नायट्रोजनचा कमी वाटा NO₂ मध्ये आहे: आधीच्या 16 टक्क्यांच्या तुलनेत 12 टक्के.

तापमान स्वतः K सरकवते

K चे मूल्य बदलणारा तापमान हा एकमेव सामान्य बदल आहे. ऊष्माशोषी अभिक्रियेसाठी (ΔH > 0) तापमान वाढते तसा K वाढतो, म्हणून तापवल्याने समतोल उत्पादनांकडे सरकतो. ऊष्माक्षेपी अभिक्रियेसाठी (ΔH < 0) तापमान वाढते तसा K कमी होतो, म्हणून तापवल्याने तो अभिक्रियाकारकांकडे सरकतो. हे लक्षात ठेवण्याचा उपयुक्त मार्ग म्हणजे ऊष्माशोषी अभिक्रियेत उष्णतेला अभिक्रियाकारक आणि ऊष्माक्षेपी अभिक्रियेत उत्पादन मानणे.

OpenStax विभाग 13.3 N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) साठी ΔH = +57.20 kJ देतो, म्हणून मिश्रण उबदार केल्याने ते अधिक तपकिरी होते. बदलाचा आकार व्हॅन्ट हॉफ समीकरणाने अंदाजता येतो, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). ΔH° आणि ΔS° साधारण स्थिर राहिल्यास ते ΔG° = −RT ln K आणि ΔG° = ΔH° − TΔS° यांवरून निघते.

सोडवलेले उदाहरण. 25 °C (298.15 K) पासून 50 °C (323.15 K) पर्यंत, ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, म्हणून K₂/K₁ = 6.0. 25 °C वरील Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 (Δn = 1, दाब atm मध्ये) पासून सुरुवात केल्यास 50 °C वर Kp साधारण 0.9 आहे. 25 अंशांची वाढ समतोल स्थिरांक सुमारे सहापट वाढवते.

उत्प्रेरक समतोल सरकवत नाही. तो अग्र आणि उलट अभिक्रियांची सक्रियण ऊर्जा सारख्याच प्रमाणात कमी करतो, म्हणून समतोल लवकर गाठला जातो, पण K आणि समतोल संघटन बदलत नाहीत.

हेबर–बॉश अमोनिया: उत्पन्न आणि वेग यांचा समतोल

अमोनियाचे औद्योगिक संश्लेषण, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), हे तत्त्व प्रत्यक्ष निवडींना कसे मार्गदर्शन करते ते दाखवते. OpenStax विभाग 13.3 ΔH = −92.2 kJ देतो. अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी आहे, म्हणून कमी तापमान मोठा K आणि समतोलावर अधिक अमोनिया देते. वायूचे चार मोल दोन होतात, म्हणून उच्च दाबही अमोनियाला अनुकूल असतो.

अडचण वेगाची आहे. कमी तापमानाला अभिक्रिया उपयोगी पडण्याइतकी वेगवान नसते, फारच मंद असते. OpenStax तडजोडीचे वर्णन करते: सुमारे 150 ते 250 atm दाब, दर व्यवहार्य ठेवण्यासाठी उत्प्रेरकासह 400 ते 500 °C तापमान, आणि Q हा K च्या खाली राहावा म्हणून मिश्रणातून अमोनिया सतत काढून टाकणे. लहान K ची किंमत मोजून तापमान दरासाठी निवडले जाते, आणि इतर परिस्थिती शक्य तितके उत्पन्न परत मिळवतात.

चुकणारे ल शातेलिये अंदाज

अंदाजाबद्दल खात्री वाटत नसेल तेव्हा Q लिहा, संबंधित राशी बदला, आणि नव्या Q ची K शी तुलना करा. ही तपासणी खालील जवळजवळ प्रत्येक प्रकरण निकाली काढते.

• संहती किंवा आकारमान बदलल्यावर K बदलतो असे म्हणणे. फक्त तापमान K बदलते.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI सारख्या Δn = 0 असलेल्या अभिक्रियेला दाबल्यानंतर समतोल सरकेल असा अंदाज करणे.
• स्थिर आकारमानावर अक्रिय वायू घातल्यानंतर समतोल सरकेल असा अंदाज करणे.
• शुद्ध घन किंवा द्रव आणखी घातल्यानंतर समतोल सरकेल असा अंदाज करणे.
• उत्प्रेरक समतोल उत्पन्न वाढवतो असा दावा करणे. तो फक्त समतोलाकडे जाण्याचा वेग वाढवतो.
• निकाय बदल पूर्णपणे रद्द करतो असे गृहीत धरणे. घातलेला अभिक्रियाकारक त्याच्या मूळ संहतीपेक्षा जास्त संहतीवर संपतो.
• दाबातील बदल कसा परिणाम करतो हे ठरवताना फक्त वायूचे मोल नव्हे तर सर्व मोल मोजणे.