Prinsip Le Chatelier: Meramalkan Cara Keseimbangan Bertindak Balas terhadap Perubahan

Tekanan luar mengubah Q atau K, dan sistem memulihkan keseimbangan

Pada keseimbangan, hasil bahagi tindak balas Q sama dengan pemalar keseimbangan K. Gangguan, yang sering dipanggil tekanan luar, memecahkan kesamaan itu dalam salah satu daripada dua cara. Menambah atau menyingkirkan sesuatu spesies, atau mengubah isi padu campuran gas, mengubah Q manakala K kekal sama. Mengubah suhu mengubah K itu sendiri. Walau apa pun caranya, sistem kemudian bertindak balas sehingga Q sama dengan K semula.

Jika Q kini lebih kecil daripada K, tindak balas berlangsung ke depan, ke arah hasil. Jika Q kini lebih besar daripada K, ia berlangsung secara songsang. Berfikir dengan cara ini lebih boleh dipercayai daripada slogan yang dihafal, kerana ia juga memberitahu anda bila tiada anjakan langsung.

Perkataan sebahagiannya itu penting. Sistem tidak pernah membatalkan perubahan itu sepenuhnya. Jika anda menambah bahan tindak balas, kepekatannya pada keseimbangan baharu masih lebih tinggi daripada sebelum anda menambahnya.

Menambah atau menyingkirkan sesuatu spesies

Menambah bahan tindak balas atau menyingkirkan hasil merendahkan Q di bawah K, jadi tindak balas beralih ke arah hasil. Menambah hasil atau menyingkirkan bahan tindak balas menaikkan Q di atas K, jadi tindak balas beralih ke arah bahan tindak balas. Proses industri dan makmal menggunakan prinsip ini sepanjang masa. Menyuling keluar hasil yang meruap, membiarkan gas terlepas, atau memendakkan hasil mengekalkan Q di bawah K dan memacu tindak balas lebih jauh daripada yang dibenarkan oleh K-nya sahaja.

Menambah lebih banyak pepejal tulen atau cecair tulen tidak mengalihkan keseimbangan. Bahan-bahan itu tidak muncul dalam Q, jadi Q tidak berubah. Menambah lebih banyak CaCO₃(s) ke dalam bekas tertutup yang berada dalam keseimbangan dengan CaO(s) dan CO₂(g) tidak mengubah tekanan CO₂.

Contoh penyelesaian: hidrogen tambahan dalam keseimbangan hidrogen iodida

Bahagian 13.3 OpenStax memberikan Kc = 50.0 pada 400 °C bagi H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Andaikan campuran keseimbangan pada suhu itu mempunyai [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Maka [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Sekarang H₂ disuntik supaya [H₂] melonjak kepada 0.0450 mol/L sebelum apa-apa bertindak balas. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Nilai itu kurang daripada 50.0, jadi tindak balas beralih ke depan dan menggunakan sebahagian daripada H₂ yang ditambah.

Untuk mencari sejauh mana ia beralih, biarkan x mol/L H₂ bertindak balas. Maka [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x dan [HI] = 0.106 + 2x. Menetapkan (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 dan menyelesaikan persamaan kuadratik, dengan mengekalkan nilai perantaraan yang belum dibundarkan, memberikan x = 0.00728. Punca yang munasabah secara fizikal ialah punca yang lebih kecil daripada 0.0150, kerana I₂ tidak boleh jatuh di bawah sifar. Keseimbangan baharu mempunyai [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 dan [HI] = 0.121 mol/L.

Baca hasil ini berdasarkan prinsip tersebut. Sistem menggunakan kira-kira satu perempat daripada hidrogen yang ditambah, jadi [H₂] berakhir pada 0.0377 mol/L, masih jauh di atas nilai asal 0.0150. Sementara itu, kira-kira separuh daripada iodin ditukar kepada HI. Menambah bahan tindak balas yang murah untuk menghabiskan bahan yang mahal ialah cara standard untuk meningkatkan hasil.

Memampatkan atau mengembangkan campuran gas

Mengurangkan isi padu campuran gas menaikkan setiap kepekatan dengan faktor yang sama. Sama ada perubahan itu mengubah Q bergantung pada Δn, iaitu mol hasil gas tolak mol bahan tindak balas gas. Jika Δn negatif, pemampatan merendahkan Q dan tindak balas beralih ke arah molekul gas yang lebih sedikit. Jika Δn positif, pemampatan menaikkan Q dan tindak balas beralih ke arah bahan tindak balas, yang sekali lagi ialah sebelah yang mempunyai molekul gas lebih sedikit. Jika Δn sifar, seperti dalam H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, pemampatan tidak mengubah Q dan tiada anjakan.

Menaikkan jumlah tekanan dengan menambah gas yang tidak reaktif seperti argon pada isi padu malar tidak mengubah apa-apa. Tekanan separa dan kepekatan gas yang bertindak balas kekal sama, jadi Q kekal sama dengan K. Menambah gas lengai pada tekanan malar adalah berbeza: bekas mesti mengembang, yang mempunyai kesan yang sama seperti menambah isi padu.

Contoh penyelesaian: menyeparuhkan isi padu campuran NO₂–N₂O₄

Bagi N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) pada 25 °C, bahagian 13.2 OpenStax menerangkan campuran keseimbangan dengan [N₂O₄] = 0.042 mol/L dan [NO₂] = 0.016 mol/L. Nilai-nilai ini memberikan Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Separuhkan isi padu pada suhu malar. Kedua-dua kepekatan berganda dua, menjadi [N₂O₄] = 0.084 dan [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², tepat dua kali Kc, kerana sebutan NO₂ dikuasaduakan. Q > K, jadi sistem beralih ke arah N₂O₄, sebelah yang mempunyai satu mol gas dan bukannya dua.

Biarkan y mol/L N₂O₄ terbentuk. Menyelesaikan (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ memberikan y = 0.0044, jadi keseimbangan baharu mempunyai [NO₂] = 0.023 mol/L dan [N₂O₄] = 0.088 mol/L, kepada dua angka bererti seperti data. NO₂ yang berwarna perang lebih pekat berbanding sebelum pemampatan (0.023 berbanding 0.016 mol/L), jadi gas itu kelihatan lebih gelap, tetapi bahagian nitrogen yang berada dalam NO₂ kini lebih kecil: 12 peratus berbanding 16 peratus sebelumnya.

Suhu mengubah K itu sendiri

Suhu ialah satu-satunya perubahan lazim yang mengubah nilai K. Bagi tindak balas endotermik (ΔH > 0), K meningkat apabila suhu meningkat, jadi pemanasan mengalihkan keseimbangan ke arah hasil. Bagi tindak balas eksotermik (ΔH < 0), K berkurang apabila suhu meningkat, jadi pemanasan mengalihkannya ke arah bahan tindak balas. Cara yang berguna untuk mengingati perkara ini ialah menganggap haba sebagai bahan tindak balas dalam tindak balas endotermik dan sebagai hasil dalam tindak balas eksotermik.

Bahagian 13.3 OpenStax memberikan ΔH = +57.20 kJ bagi N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), jadi memanaskan campuran menjadikannya lebih perang. Magnitud perubahan boleh dianggarkan dengan persamaan van 't Hoff, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Persamaan ini terhasil daripada ΔG° = −RT ln K dan ΔG° = ΔH° − TΔS° jika ΔH° dan ΔS° kekal lebih kurang malar.

Contoh penyelesaian. Dari 25 °C (298.15 K) hingga 50 °C (323.15 K), ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, jadi K₂/K₁ = 6.0. Bermula daripada Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 pada 25 °C (Δn = 1, tekanan dalam atm), Kp pada 50 °C ialah kira-kira 0.9. Kenaikan 25 darjah meningkatkan pemalar keseimbangan kira-kira enam kali ganda.

Mangkin tidak mengalihkan keseimbangan. Ia merendahkan tenaga pengaktifan tindak balas ke depan dan songsang secara sama rata, jadi keseimbangan dicapai lebih cepat, tetapi K dan komposisi keseimbangan tidak berubah.

Ammonia Haber–Bosch: mengimbangi hasil dengan kelajuan

Sintesis ammonia dalam industri, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), menunjukkan bagaimana prinsip ini membimbing pilihan sebenar. Bahagian 13.3 OpenStax memberikan ΔH = −92.2 kJ. Tindak balas ini eksotermik, jadi suhu yang lebih rendah memberikan K yang lebih besar dan lebih banyak ammonia pada keseimbangan. Empat mol gas menjadi dua, jadi tekanan tinggi juga memihak kepada ammonia.

Masalahnya ialah kelajuan. Pada suhu rendah, tindak balas terlalu perlahan untuk berguna. OpenStax menerangkan kompromi yang dibuat: tekanan kira-kira 150 hingga 250 atm, suhu 400 hingga 500 °C dengan mangkin untuk memastikan kadar kekal praktikal, dan penyingkiran ammonia secara berterusan daripada campuran supaya Q kekal di bawah K. Suhu dipilih demi kadar, dengan mengorbankan K yang lebih kecil, dan keadaan lain memulihkan sebanyak mungkin hasil.

Ramalan Le Chatelier yang tersasar

Apabila sesuatu ramalan terasa tidak pasti, tulis Q, ubah kuantiti yang dipersoalkan, dan bandingkan Q yang baharu dengan K. Semakan itu menyelesaikan hampir setiap kes di bawah.

• Menyatakan bahawa K berubah apabila kepekatan atau isi padu berubah. Hanya suhu yang mengubah K.
• Meramalkan anjakan selepas memampatkan tindak balas dengan Δn = 0, seperti H₂ + I₂ ⇌ 2 HI.
• Meramalkan anjakan selepas menambah gas lengai pada isi padu malar.
• Meramalkan anjakan selepas menambah lebih banyak pepejal atau cecair tulen.
• Mendakwa bahawa mangkin meningkatkan hasil keseimbangan. Ia hanya mempercepat pencapaian keseimbangan.
• Menganggap sistem membatalkan perubahan sepenuhnya. Bahan tindak balas yang ditambah berakhir di atas kepekatan asalnya.
• Mengira semua mol, bukan hanya mol gas, semasa menentukan kesan perubahan tekanan.