Kanuni ya Le Chatelier: Kutabiri Jinsi Usawa Unavyoitikia Badiliko

Msukumo hubadilisha Q au K, na mfumo hurejesha usawa

Katika usawa uwiano wa athari Q ni sawa na konstanti ya usawa K. Uvurugaji, ambao mara nyingi huitwa msukumo, huvunja usawa huo kwa njia moja kati ya mbili. Kuongeza au kuondoa spishi, au kubadilisha ujazo wa mchanganyiko wa gesi, hubadilisha Q huku K ikibaki ile ile. Kubadilisha joto hubadilisha K yenyewe. Kwa njia yoyote ile, mfumo kisha huitikia hadi Q iwe sawa na K tena.

Kama Q sasa ni ndogo kuliko K, athari huenda mbele, kuelekea bidhaa. Kama Q sasa ni kubwa kuliko K, huenda kinyume. Kufikiri kwa njia hii kunategemewa zaidi kuliko kauli mbiu zilizokaririwa, kwa sababu pia kunakuambia wakati ambapo hakuna uhamaji wowote.

Neno "kwa sehemu" ni muhimu. Mfumo hauondoi badiliko kikamilifu kamwe. Ukiongeza kiitikio, mkusanyiko wake katika usawa mpya bado uko juu kuliko ulivyokuwa kabla ya kukiongeza.

Kuongeza au kuondoa spishi

Kuongeza kiitikio au kuondoa bidhaa hushusha Q chini ya K, kwa hivyo athari huhamia upande wa bidhaa. Kuongeza bidhaa au kuondoa kiitikio hupandisha Q juu ya K, kwa hivyo athari huhamia upande wa viitikio. Michakato ya viwandani na ya maabara hutumia hili kila wakati. Kunereka kwa bidhaa inayovukiza, kuacha gesi itoroke, au kutoa mchanga wa bidhaa huweka Q chini ya K na husukuma athari mbali zaidi kuliko K yake pekee ingeruhusu.

Kuongeza kigumu safi au kimiminika safi zaidi hakuhamishi usawa. Dutu hizo hazionekani katika Q, kwa hivyo Q haibadiliki. Kuongeza CaCO₃(s) zaidi katika chombo kilichofungwa kilicho katika usawa na CaO(s) na CO₂(g) huacha shinikizo la CO₂ bila kubadilika.

Mfano uliotatuliwa: hidrojeni ya ziada katika usawa wa iodidi ya hidrojeni

OpenStax sehemu 13.3 inatoa Kc = 50.0 katika 400 °C kwa H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g). Tuseme mchanganyiko wa usawa katika joto hilo una [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Kisha [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Sasa H₂ inaingizwa ili [H₂] iruke hadi 0.0450 mol/L kabla chochote hakijaitikia. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Hiyo ni ndogo kuliko 50.0, kwa hivyo athari huhamia mbele na kutumia sehemu ya H₂ iliyoongezwa.

Kupata inahamia umbali gani, acha x mol/L ya H₂ iitikie. Kisha [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x na [HI] = 0.106 + 2x. Kuweka (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 na kutatua mlinganyo wa kipeo cha pili, ukibakiza thamani za kati zisizozungushwa, kunatoa x = 0.00728. Mzizi wenye maana ya kimwili ni ule mdogo kuliko 0.0150, kwa sababu I₂ haiwezi kushuka chini ya sifuri. Usawa mpya una [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 na [HI] = 0.121 mol/L.

Soma tokeo dhidi ya kanuni. Mfumo ulitumia takriban robo ya hidrojeni iliyoongezwa, kwa hivyo [H₂] iliishia katika 0.0377 mol/L, bado juu sana kuliko 0.0150 ya awali. Wakati huo huo takriban nusu ya iodini iligeuzwa kuwa HI. Kuongeza kiitikio cha bei nafuu ili kutumia kile cha bei ghali ni njia ya kawaida ya kuongeza mazao.

Kubana au kupanua mchanganyiko wa gesi

Kupunguza ujazo wa mchanganyiko wa gesi hupandisha kila mkusanyiko kwa kigezo kile kile. Kama hilo hubadilisha Q hutegemea Δn, mole za bidhaa za gesi ukitoa mole za viitikio vya gesi. Kama Δn ni hasi, kubana hushusha Q na athari huhamia upande wenye molekuli chache za gesi. Kama Δn ni chanya, kubana hupandisha Q na athari huhamia upande wa viitikio, ambao tena ndio upande wenye molekuli chache za gesi. Kama Δn ni sifuri, kama katika H₂ + I₂ ⇌ 2 HI, kubana hakubadilishi Q na hakuna uhamaji.

Kupandisha shinikizo la jumla kwa kuongeza gesi isiyoitikia kama argoni katika ujazo usiobadilika hakubadilishi chochote. Shinikizo sehemu na mikusanyiko ya gesi zinazoitikia hubaki vile vile, kwa hivyo Q hubaki sawa na K. Kuongeza gesi ajizi katika shinikizo lisilobadilika ni tofauti: chombo lazima kipanuke, jambo lenye athari ile ile kama kuongeza ujazo.

Mfano uliotatuliwa: kupunguza kwa nusu ujazo wa mchanganyiko wa NO₂–N₂O₄

Kwa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) katika 25 °C, OpenStax sehemu 13.2 inaeleza mchanganyiko wa usawa wenye [N₂O₄] = 0.042 mol/L na [NO₂] = 0.016 mol/L. Hizi zinatoa Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³.

Punguza ujazo kwa nusu katika joto lisilobadilika. Mikusanyiko yote miwili huongezeka mara mbili, hadi [N₂O₄] = 0.084 na [NO₂] = 0.032 mol/L. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², mara mbili hasa ya Kc, kwa sababu kipengele cha NO₂ kimeinuliwa kwa kipeo cha pili. Q > K, kwa hivyo mfumo huhamia upande wa N₂O₄, upande wenye mole moja ya gesi badala ya mbili.

Acha y mol/L ya N₂O₄ iundwe. Kutatua (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ kunatoa y = 0.0044, kwa hivyo usawa mpya una [NO₂] = 0.023 mol/L na [N₂O₄] = 0.088 mol/L, kwa tarakimu mbili muhimu kama data. NO₂ ya rangi ya kahawia ina mkusanyiko mkubwa kuliko kabla ya kubana (0.023 dhidi ya 0.016 mol/L), kwa hivyo gesi inaonekana nzito zaidi kwa rangi, lakini sehemu ndogo zaidi ya naitrojeni sasa iko katika NO₂: asilimia 12 ikilinganishwa na asilimia 16 hapo awali.

Joto husogeza K yenyewe

Joto ndilo badiliko pekee la kawaida linalobadilisha thamani ya K. Kwa athari ya kufyonza joto (ΔH > 0), K huongezeka joto linapopanda, kwa hivyo kupasha joto huhamisha usawa upande wa bidhaa. Kwa athari ya kutoa joto (ΔH < 0), K hupungua joto linapopanda, kwa hivyo kupasha joto huuhamisha upande wa viitikio. Njia nzuri ya kukumbuka hili ni kuchukulia joto kama kiitikio katika athari ya kufyonza joto na kama bidhaa katika athari ya kutoa joto.

OpenStax sehemu 13.3 inatoa ΔH = +57.20 kJ kwa N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), kwa hivyo kupasha joto mchanganyiko huufanya uwe wa kahawia zaidi. Ukubwa wa badiliko unaweza kukadiriwa kwa mlinganyo wa van 't Hoff, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). Unatokana na ΔG° = −RT ln K na ΔG° = ΔH° − TΔS° kama ΔH° na ΔS° hubaki takriban bila kubadilika.

Mfano uliotatuliwa. Kutoka 25 °C (298.15 K) hadi 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, kwa hivyo K₂/K₁ = 6.0. Ukianza na Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 katika 25 °C (Δn = 1, shinikizo kwa atm), Kp katika 50 °C ni takriban 0.9. Ongezeko la nyuzi 25 huongeza konstanti ya usawa takriban mara sita.

Kichocheo hakihamishi usawa. Hushusha nishati ya uamilishaji ya athari ya mbele na ya kinyume kwa usawa, kwa hivyo usawa hufikiwa mapema zaidi, lakini K na muundo wa usawa havibadiliki.

Amonia ya Haber–Bosch: kusawazisha mazao dhidi ya kasi

Usanisi wa viwandani wa amonia, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), unaonyesha jinsi kanuni hii inavyoongoza uchaguzi halisi. OpenStax sehemu 13.3 inatoa ΔH = −92.2 kJ. Athari ni ya kutoa joto, kwa hivyo joto la chini hutoa K kubwa zaidi na amonia zaidi katika usawa. Mole nne za gesi zinakuwa mbili, kwa hivyo shinikizo la juu pia hupendelea amonia.

Ugumu ni kasi. Katika joto la chini athari ni ya polepole mno kuwa na manufaa. OpenStax inaeleza maafikiano: shinikizo la takriban 150 hadi 250 atm, joto la 400 hadi 500 °C pamoja na kichocheo ili kuweka kasi inayofaa, na kuondoa amonia kutoka kwa mchanganyiko mfululizo ili Q ibaki chini ya K. Joto huchaguliwa kwa ajili ya kasi, kwa gharama ya K ndogo zaidi, na hali nyingine hurejesha mazao mengi kadiri iwezekanavyo.

Utabiri wa Le Chatelier unaokosea

Utabiri unapoonekana kuwa na shaka, andika Q, badilisha kiasi kinachohusika, na ulinganishe Q mpya na K. Ukaguzi huo hutatua karibu kila kisa kilicho hapa chini.

• Kusema K hubadilika mkusanyiko au ujazo unapobadilika. Joto pekee ndilo hubadilisha K.
• Kutabiri uhamaji baada ya kubana athari yenye Δn = 0, kama H₂ + I₂ ⇌ 2 HI.
• Kutabiri uhamaji baada ya kuongeza gesi ajizi katika ujazo usiobadilika.
• Kutabiri uhamaji baada ya kuongeza kigumu safi au kimiminika safi zaidi.
• Kudai kwamba kichocheo huongeza mazao ya usawa. Huharakisha tu ukaribiaji wa usawa.
• Kudhani mfumo hufuta badiliko kikamilifu. Kiitikio kilichoongezwa huishia juu ya mkusanyiko wake wa awali.
• Kuhesabu mole zote, si mole za gesi pekee, wakati wa kuamua jinsi badiliko la shinikizo linavyotenda.