ले शातेलियेको सिद्धान्त: परिवर्तनप्रति साम्यावस्थाले कस्तो प्रतिक्रिया दिन्छ भनी अनुमान गर्ने

विचलनले Q वा K बदल्छ, र प्रणालीले साम्यावस्था पुनःस्थापित गर्छ

साम्यावस्थामा अभिक्रिया भागफल Q साम्यावस्था स्थिरांक K बराबर हुन्छ। प्रायः तनाव (stress) भनिने विचलनले त्यो समानतालाई दुईमध्ये एक तरिकाले तोड्छ। कुनै स्पेसिज थप्दा वा हटाउँदा, वा ग्यास मिश्रणको आयतन बदल्दा K उही रहन्छ तर Q बदलिन्छ। तापक्रम बदल्दा K आफैँ बदलिन्छ। जुनसुकै अवस्थामा पनि त्यसपछि Q फेरि K बराबर नहुन्जेल प्रणालीले अभिक्रिया गर्छ।

अब Q K भन्दा सानो छ भने अभिक्रिया अग्र दिशामा, उत्पादतर्फ चल्छ। अब Q K भन्दा ठूलो छ भने यो उल्टो दिशामा चल्छ। यसरी सोच्नु कण्ठ गरिएका नाराभन्दा भरपर्दो हुन्छ, किनभने यसले कुनै विस्थापन नहुने अवस्था पनि बताउँछ।

"आंशिक रूपमा" भन्ने शब्द महत्त्वपूर्ण छ। प्रणालीले परिवर्तनलाई कहिल्यै पूर्ण रूपमा उल्टाउँदैन। तपाईंले अभिकारक थप्नुभयो भने नयाँ साम्यावस्थामा यसको सान्द्रता थप्नुअघिको भन्दा अझै बढी हुन्छ।

स्पेसिज थप्ने वा हटाउने

अभिकारक थप्दा वा उत्पाद हटाउँदा Q K भन्दा तल झर्छ, त्यसैले अभिक्रिया उत्पादतर्फ सर्छ। उत्पाद थप्दा वा अभिकारक हटाउँदा Q K भन्दा माथि पुग्छ, त्यसैले अभिक्रिया अभिकारकतर्फ सर्छ। औद्योगिक र प्रयोगशालाका प्रक्रियाले यसलाई निरन्तर प्रयोग गर्छन्। वाष्पशील उत्पादलाई आसवन गरेर हटाउँदा, ग्यासलाई निस्कन दिँदा, वा उत्पादलाई अवक्षेपित गर्दा Q K भन्दा तल रहन्छ र अभिक्रियालाई यसको K ले मात्र अनुमति दिनेभन्दा अगाडि धकेल्छ।

शुद्ध ठोस वा शुद्ध तरल थप्दा साम्यावस्था सर्दैन। ती पदार्थ Q मा देखिँदैनन्, त्यसैले Q बदलिँदैन। CaO(s) र CO₂(g) सँग साम्यावस्थामा रहेको बन्द भाँडामा थप CaCO₃(s) हाल्दा CO₂ को चाप अपरिवर्तित रहन्छ।

हल गरिएको उदाहरण: हाइड्रोजन आयोडाइड साम्यावस्थामा थप हाइड्रोजन

OpenStax खण्ड 13.3 ले H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) का लागि 400 °C मा Kc = 50.0 दिन्छ। मानौँ, त्यो तापक्रममा एउटा साम्यावस्था मिश्रणमा [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L छ। त्यसपछि [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L।

अब केही अभिक्रिया हुनुअघि नै [H₂] 0.0450 mol/L मा उक्लने गरी H₂ भित्र पठाइन्छ। Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7। यो 50.0 भन्दा कम छ, त्यसैले अभिक्रिया अग्र दिशामा सर्छ र थपिएको H₂ को केही भाग खपत गर्छ।

यो कति सर्छ भनी पत्ता लगाउन H₂ को x mol/L ले अभिक्रिया गर्छ भनी मान्नुहोस्। त्यसपछि [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x र [HI] = 0.106 + 2x। (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 राखेर, बीचका मान राउन्ड नगरी द्विघात समीकरण हल गर्दा x = 0.00728 आउँछ। भौतिक रूपमा अर्थपूर्ण मूल 0.0150 भन्दा सानो मूल हो, किनभने I₂ शून्यभन्दा तल झर्न सक्दैन। नयाँ साम्यावस्थामा [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 र [HI] = 0.121 mol/L हुन्छ।

नतिजालाई सिद्धान्तसँग दाँजेर पढ्नुहोस्। प्रणालीले थपिएको हाइड्रोजनको करिब एक चौथाइ खपत गर्‍यो, त्यसैले [H₂] 0.0377 mol/L मा टुङ्गियो, जुन अझै मूल 0.0150 भन्दा धेरै माथि छ। यसैबीच आयोडिनको करिब आधा भाग HI मा रूपान्तरित भयो। महँगो अभिकारक खपत गर्न सस्तो अभिकारक थप्नु उत्पादन बढाउने मानक तरिका हो।

ग्यास मिश्रणलाई खुम्च्याउने वा फैलाउने

ग्यास मिश्रणको आयतन घटाउँदा हरेक सान्द्रता उही गुणकले बढ्छ। यसले Q बदल्छ कि बदल्दैन भन्ने कुरा Δn, अर्थात् ग्यासीय उत्पादको मोल घटाउ ग्यासीय अभिकारकको मोलमा निर्भर गर्छ। Δn ऋणात्मक छ भने सङ्कुचनले Q घटाउँछ र अभिक्रिया कम ग्यास अणुतर्फ सर्छ। Δn धनात्मक छ भने सङ्कुचनले Q बढाउँछ र अभिक्रिया अभिकारकतर्फ सर्छ, जुन फेरि कम ग्यास अणु भएको पक्ष हो। H₂ + I₂ ⇌ 2 HI मा जस्तै Δn शून्य छ भने सङ्कुचनले Q बदल्दैन र कुनै विस्थापन हुँदैन।

स्थिर आयतनमा आर्गन जस्तो अभिक्रिया नगर्ने ग्यास थपेर कुल चाप बढाउँदा केही बदलिँदैन। अभिक्रिया गर्ने ग्यासका आंशिक चाप र सान्द्रता उही रहन्छन्, त्यसैले Q K बराबर नै रहन्छ। स्थिर चापमा निष्क्रिय ग्यास थप्नु फरक हो: भाँडा फैलनुपर्छ, जसको प्रभाव आयतन बढाउनुजस्तै हुन्छ।

हल गरिएको उदाहरण: NO₂–N₂O₄ मिश्रणको आयतन आधा गर्ने

25 °C मा N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) का लागि OpenStax खण्ड 13.2 ले [N₂O₄] = 0.042 mol/L र [NO₂] = 0.016 mol/L भएको साम्यावस्था मिश्रणको वर्णन गर्छ। यिनले Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ दिन्छन्।

स्थिर तापक्रममा आयतन आधा गर्नुहोस्। दुवै सान्द्रता दोब्बर भएर [N₂O₄] = 0.084 र [NO₂] = 0.032 mol/L हुन्छन्। Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², जुन Kc को ठ्याक्कै दोब्बर हो, किनभने NO₂ को पदको वर्ग लिइन्छ। Q > K, त्यसैले प्रणाली N₂O₄ तर्फ सर्छ, जुन दुईको सट्टा एक मोल ग्यास भएको पक्ष हो।

N₂O₄ को y mol/L बन्छ भनी मान्नुहोस्। (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ हल गर्दा y = 0.0044 आउँछ, त्यसैले तथ्याङ्कजस्तै दुई सार्थक अंकमा नयाँ साम्यावस्थामा [NO₂] = 0.023 mol/L र [N₂O₄] = 0.088 mol/L हुन्छ। खैरो NO₂ सङ्कुचनअघिभन्दा बढी सान्द्र छ (0.016 को तुलनामा 0.023 mol/L), त्यसैले ग्यास गाढा देखिन्छ, तर अब नाइट्रोजनको सानो हिस्सा NO₂ मा छ: पहिलेको 16 प्रतिशतको तुलनामा 12 प्रतिशत।

तापक्रमले K आफैँलाई सार्छ

K को मान बदल्ने एकमात्र सामान्य परिवर्तन तापक्रम हो। ऊष्माशोषी अभिक्रिया (ΔH > 0) का लागि तापक्रम बढ्दा K बढ्छ, त्यसैले तताउँदा साम्यावस्था उत्पादतर्फ सर्छ। ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया (ΔH < 0) का लागि तापक्रम बढ्दा K घट्छ, त्यसैले तताउँदा यो अभिकारकतर्फ सर्छ। यो सम्झने उपयोगी तरिका ऊष्माशोषी अभिक्रियामा तापलाई अभिकारक र ऊष्माक्षेपीमा उत्पाद मान्नु हो।

OpenStax खण्ड 13.3 ले N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) का लागि ΔH = +57.20 kJ दिन्छ, त्यसैले मिश्रण तताउँदा यो अझ खैरो हुन्छ। परिवर्तनको आकार भान्ट हफ समीकरण, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁), ले अनुमान गर्न सकिन्छ। ΔH° र ΔS° लगभग स्थिर रहे यो ΔG° = −RT ln K र ΔG° = ΔH° − TΔS° बाट निस्कन्छ।

हल गरिएको उदाहरण। 25 °C (298.15 K) देखि 50 °C (323.15 K) सम्म ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, त्यसैले K₂/K₁ = 6.0। 25 °C मा Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 (Δn = 1, चाप atm मा) बाट सुरु गर्दा 50 °C मा Kp लगभग 0.9 हुन्छ। 25 डिग्रीको वृद्धिले साम्यावस्था स्थिरांक करिब छ गुणा बढाउँछ।

उत्प्रेरकले साम्यावस्था सार्दैन। यसले अग्र र उल्टो अभिक्रियाको सक्रियता ऊर्जा बराबर घटाउँछ, त्यसैले साम्यावस्था चाँडो पुगिन्छ, तर K र साम्यावस्थाको संरचना अपरिवर्तित रहन्छन्।

हेबर–बोस अमोनिया: उत्पादन र गतिबीच सन्तुलन

अमोनियाको औद्योगिक संश्लेषण, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), ले यो सिद्धान्तले वास्तविक छनोटलाई कसरी मार्गदर्शन गर्छ भनी देखाउँछ। OpenStax खण्ड 13.3 ले ΔH = −92.2 kJ दिन्छ। अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी छ, त्यसैले कम तापक्रमले ठूलो K र साम्यावस्थामा बढी अमोनिया दिन्छ। चार मोल ग्यास दुई मोल बन्छ, त्यसैले उच्च चापले पनि अमोनियालाई अनुकूल बनाउँछ।

कठिनाइ गतिको हो। कम तापक्रममा अभिक्रिया उपयोगी हुन निकै ढिलो हुन्छ। OpenStax ले सम्झौताको वर्णन गर्छ: करिब 150 देखि 250 atm को चाप, दरलाई व्यावहारिक राख्न उत्प्रेरकसहित 400 देखि 500 °C को तापक्रम, र Q K भन्दा तल रहोस् भनेर मिश्रणबाट अमोनियालाई निरन्तर हटाउने। तापक्रम सानो K को मूल्यमा दरका लागि छानिन्छ, र अरू अवस्थाले सकेसम्म धेरै उत्पादन फिर्ता ल्याउँछन्।

गलत हुने ले शातेलियेका अनुमान

अनुमान अनिश्चित लाग्दा Q लेख्नुहोस्, सम्बन्धित राशि बदल्नुहोस्, र नयाँ Q लाई K सँग तुलना गर्नुहोस्। त्यो जाँचले तलका लगभग हरेक अवस्था टुङ्गो लगाउँछ।

• सान्द्रता वा आयतन बदलिँदा K बदलिन्छ भन्नु। तापक्रमले मात्र K बदल्छ।
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI जस्तो Δn = 0 भएको अभिक्रियालाई सङ्कुचन गरेपछि विस्थापनको अनुमान गर्नु।
• स्थिर आयतनमा निष्क्रिय ग्यास थपेपछि विस्थापनको अनुमान गर्नु।
• शुद्ध ठोस वा तरल थपेपछि विस्थापनको अनुमान गर्नु।
• उत्प्रेरकले साम्यावस्थाको उत्पादन बढाउँछ भन्ने दाबी गर्नु। यसले साम्यावस्थातर्फको यात्रा मात्र छिटो बनाउँछ।
• प्रणालीले परिवर्तनलाई पूर्ण रूपमा रद्द गर्छ भन्ठान्नु। थपिएको अभिकारक आफ्नो मूल सान्द्रताभन्दा माथि टुङ्गिन्छ।
• चाप परिवर्तनले कसरी काम गर्छ भनी निर्णय गर्दा ग्यासका मोल मात्र नभई सबै मोल गन्नु।