లె షాట్లియర్ సూత్రం: మార్పుకు సమతాస్థితులు ఎలా స్పందిస్తాయో అంచనా వేయడం

ఒత్తిడి Q ను లేదా K ను మారుస్తుంది, వ్యవస్థ సమతాస్థితిని పునరుద్ధరిస్తుంది

సమతాస్థితి వద్ద చర్యా భాగఫలం Q సమతాస్థితి స్థిరాంకం K కి సమానం. తరచుగా ఒత్తిడి అని పిలిచే భంగం ఆ సమానత్వాన్ని రెండు విధాలలో ఒకటిగా భంగపరుస్తుంది. ఒక జాతిని కలపడం లేదా తొలగించడం, లేదా వాయు మిశ్రమం ఘనపరిమాణాన్ని మార్చడం, K అలాగే ఉండగా Q ను మారుస్తుంది. ఉష్ణోగ్రతను మార్చడం K నే మారుస్తుంది. ఏ విధంగానైనా, Q మళ్లీ K కి సమానమయ్యే వరకు వ్యవస్థ చర్య జరుపుతుంది.

ఇప్పుడు Q, K కంటే చిన్నదైతే, చర్య ఉత్పన్నాల వైపు ముందుకు సాగుతుంది. ఇప్పుడు Q, K కంటే పెద్దదైతే, అది వెనుకకు సాగుతుంది. కంఠస్థం చేసిన నినాదాల కంటే ఈ పరంగా ఆలోచించడం మరింత నమ్మదగినది, ఎందుకంటే అసలు జరుగుదల లేనప్పుడు కూడా అది మీకు చెబుతుంది.

"పాక్షికంగా" అనే పదం ముఖ్యం. వ్యవస్థ మార్పును ఎప్పుడూ పూర్తిగా రద్దు చేయదు. మీరు ఒక క్రియాజనకాన్ని కలిపితే, కొత్త సమతాస్థితి వద్ద దాని గాఢత మీరు కలపడానికి ముందు ఉన్నదానికంటే ఇంకా ఎక్కువగానే ఉంటుంది.

ఒక జాతిని కలపడం లేదా తొలగించడం

క్రియాజనకాన్ని కలపడం లేదా ఉత్పన్నాన్ని తొలగించడం Q ను K కంటే దిగువకు తగ్గిస్తుంది, కాబట్టి చర్య ఉత్పన్నాల వైపు జరుగుతుంది. ఉత్పన్నాన్ని కలపడం లేదా క్రియాజనకాన్ని తొలగించడం Q ను K కంటే పైకి పెంచుతుంది, కాబట్టి చర్య క్రియాజనకాల వైపు జరుగుతుంది. పారిశ్రామిక, ప్రయోగశాల ప్రక్రియలు దీన్ని నిరంతరం ఉపయోగిస్తాయి. బాష్పశీల ఉత్పన్నాన్ని స్వేదనం ద్వారా తొలగించడం, వాయువును తప్పించుకోనివ్వడం, లేదా ఉత్పన్నాన్ని అవక్షేపించడం Q ను K కంటే దిగువన ఉంచి, దాని K ఒక్కటే అనుమతించే దానికంటే చర్యను ఇంకా ముందుకు నడిపిస్తుంది.

స్వచ్ఛమైన ఘనాన్ని లేదా స్వచ్ఛమైన ద్రవాన్ని మరింత కలపడం సమతాస్థితిని జరపదు. ఆ పదార్థాలు Q లో కనిపించవు, కాబట్టి Q మారదు. CaO(s), CO₂(g) తో సమతాస్థితిలో ఉన్న మూసిన పాత్రకు మరింత CaCO₃(s) కలిపినా CO₂ పీడనం మారదు.

సాధన ఉదాహరణ: హైడ్రోజన్ అయోడైడ్ సమతాస్థితిలో అదనపు హైడ్రోజన్

OpenStax విభాగం 13.3 400 °C వద్ద H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) కు Kc = 50.0 ఇస్తుంది. ఆ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఒక సమతాస్థితి మిశ్రమంలో [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L అనుకోండి. అప్పుడు [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

ఇప్పుడు ఏదీ చర్య జరపడానికి ముందే [H₂] 0.0450 mol/L కు దూకేలా H₂ ను ప్రవేశపెడతారు. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. అది 50.0 కంటే తక్కువ, కాబట్టి చర్య ముందుకు జరిగి కలిపిన H₂ లో కొంత వినియోగిస్తుంది.

అది ఎంత జరుగుతుందో కనుగొనడానికి, x mol/L H₂ చర్య జరిపిందనుకోండి. అప్పుడు [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x, [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 అని పెట్టి, పూర్తి చేయని మధ్యంతర విలువలను ఉంచుతూ వర్గ సమీకరణాన్ని సాధిస్తే x = 0.00728 వస్తుంది. భౌతికంగా అర్థవంతమైన మూలం 0.0150 కంటే చిన్నది, ఎందుకంటే I₂ సున్నా కంటే తగ్గలేదు. కొత్త సమతాస్థితిలో [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772, [HI] = 0.121 mol/L.

ఫలితాన్ని సూత్రంతో పోల్చి చదవండి. వ్యవస్థ కలిపిన హైడ్రోజన్‌లో సుమారు నాలుగో వంతు వినియోగించింది, కాబట్టి [H₂] 0.0377 mol/L వద్ద ముగిసింది, అసలు 0.0150 కంటే ఇంకా బాగా ఎక్కువ. అదే సమయంలో అయోడిన్‌లో సుమారు సగం HI గా మారింది. ఖరీదైన క్రియాజనకాన్ని వినియోగించడానికి చౌకైన క్రియాజనకాన్ని కలపడం దిగుబడిని పెంచే ప్రామాణిక మార్గం.

వాయు మిశ్రమాన్ని సంపీడనం చేయడం లేదా వ్యాకోచింపజేయడం

వాయు మిశ్రమం ఘనపరిమాణాన్ని తగ్గిస్తే ప్రతి గాఢత ఒకే కారకంతో పెరుగుతుంది. అది Q ను మారుస్తుందా అనేది Δn పై, అంటే వాయు ఉత్పన్నాల మోల్‌లు మైనస్ వాయు క్రియాజనకాల మోల్‌లపై, ఆధారపడుతుంది. Δn ఋణాత్మకమైతే, సంపీడనం Q ను తగ్గిస్తుంది, చర్య తక్కువ వాయు అణువుల వైపు జరుగుతుంది. Δn ధనాత్మకమైతే, సంపీడనం Q ను పెంచుతుంది, చర్య క్రియాజనకాల వైపు జరుగుతుంది, ఇది మళ్లీ తక్కువ వాయు అణువులు ఉన్న వైపే. H₂ + I₂ ⇌ 2 HI లో లాగా Δn సున్నా అయితే, సంపీడనం Q ను మార్చదు, జరుగుదల ఉండదు.

స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద ఆర్గాన్ వంటి చర్యారహిత వాయువును కలిపి మొత్తం పీడనాన్ని పెంచితే ఏమీ మారదు. చర్య జరిపే వాయువుల పాక్షిక పీడనాలు, గాఢతలు అలాగే ఉంటాయి, కాబట్టి Q, K కి సమానంగానే ఉంటుంది. స్థిర పీడనం వద్ద జడ వాయువును కలపడం వేరు: పాత్ర వ్యాకోచించాలి, దీనికి ఘనపరిమాణాన్ని పెంచడం లాంటి ప్రభావమే ఉంటుంది.

సాధన ఉదాహరణ: NO₂–N₂O₄ మిశ్రమం ఘనపరిమాణాన్ని సగం చేయడం

25 °C వద్ద N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) కు, OpenStax విభాగం 13.2 [N₂O₄] = 0.042 mol/L, [NO₂] = 0.016 mol/L గల సమతాస్థితి మిశ్రమాన్ని వివరిస్తుంది. ఇవి Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ ను ఇస్తాయి.

స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఘనపరిమాణాన్ని సగం చేయండి. రెండు గాఢతలూ రెట్టింపై [N₂O₄] = 0.084, [NO₂] = 0.032 mol/L అవుతాయి. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², Kc కి సరిగ్గా రెట్టింపు, ఎందుకంటే NO₂ పదం వర్గమైనది. Q > K, కాబట్టి వ్యవస్థ రెండు మోల్‌లకు బదులు ఒక మోల్ వాయువు ఉన్న వైపు, N₂O₄ వైపు, జరుగుతుంది.

y mol/L N₂O₄ ఏర్పడిందనుకోండి. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ను సాధిస్తే y = 0.0044 వస్తుంది, కాబట్టి కొత్త సమతాస్థితిలో, డేటా లాగానే రెండు సార్థక అంకెలకు, [NO₂] = 0.023 mol/L, [N₂O₄] = 0.088 mol/L. గోధుమ రంగు NO₂ సంపీడనానికి ముందు కంటే ఎక్కువ గాఢంగా ఉంది (0.016 కి వ్యతిరేకంగా 0.023 mol/L), కాబట్టి వాయువు ముదురుగా కనిపిస్తుంది, కానీ ఇప్పుడు నైట్రోజన్‌లో తక్కువ భాగం NO₂ లో ఉంది: ముందు 16 శాతంతో పోలిస్తే 12 శాతం.

ఉష్ణోగ్రత K నే జరుపుతుంది

K విలువను మార్చే ఏకైక సాధారణ మార్పు ఉష్ణోగ్రత. ఉష్ణగ్రాహక చర్యకు (ΔH > 0), ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ K పెరుగుతుంది, కాబట్టి వేడి చేయడం సమతాస్థితిని ఉత్పన్నాల వైపు జరుపుతుంది. ఉష్ణమోచక చర్యకు (ΔH < 0), ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ K తగ్గుతుంది, కాబట్టి వేడి చేయడం దాన్ని క్రియాజనకాల వైపు జరుపుతుంది. దీన్ని గుర్తుంచుకోవడానికి ఉపయోగకరమైన మార్గం ఉష్ణాన్ని ఉష్ణగ్రాహక చర్యలో క్రియాజనకంగా, ఉష్ణమోచక చర్యలో ఉత్పన్నంగా పరిగణించడం.

OpenStax విభాగం 13.3 N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) కు ΔH = +57.20 kJ ఇస్తుంది, కాబట్టి మిశ్రమాన్ని వేడి చేస్తే అది మరింత గోధుమ రంగులోకి మారుతుంది. మార్పు పరిమాణాన్ని వాంట్ హాఫ్ సమీకరణం, ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁), తో అంచనా వేయవచ్చు. ΔH°, ΔS° దాదాపు స్థిరంగా ఉంటే ఇది ΔG° = −RT ln K, ΔG° = ΔH° − TΔS° నుండి వస్తుంది.

సాధన ఉదాహరణ. 25 °C (298.15 K) నుండి 50 °C (323.15 K) వరకు, ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, కాబట్టి K₂/K₁ = 6.0. 25 °C వద్ద Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 నుండి ప్రారంభిస్తే (Δn = 1, పీడనాలు atm లో), 50 °C వద్ద Kp సుమారు 0.9. 25 డిగ్రీల పెరుగుదల సమతాస్థితి స్థిరాంకాన్ని సుమారు ఆరు రెట్లు పెంచుతుంది.

ఉత్ప్రేరకం సమతాస్థితిని జరపదు. అది ముందుకు, వెనుకకు చర్యల సక్రియాకరణ శక్తిని సమానంగా తగ్గిస్తుంది, కాబట్టి సమతాస్థితి త్వరగా చేరుతుంది, కానీ K, సమతాస్థితి సంఘటనం మారవు.

హేబర్–బాష్ అమోనియా: దిగుబడిని వేగంతో సమతుల్యం చేయడం

అమోనియా పారిశ్రామిక సంశ్లేషణ, N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), ఈ సూత్రం నిజమైన ఎంపికలకు ఎలా మార్గనిర్దేశం చేస్తుందో చూపిస్తుంది. OpenStax విభాగం 13.3 ΔH = −92.2 kJ ఇస్తుంది. చర్య ఉష్ణమోచకం, కాబట్టి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు పెద్ద K ను, సమతాస్థితి వద్ద ఎక్కువ అమోనియాను ఇస్తాయి. నాలుగు మోల్‌ల వాయువు రెండు అవుతుంది, కాబట్టి అధిక పీడనం కూడా అమోనియాకు అనుకూలం.

ఇబ్బంది వేగం. తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద చర్య ఉపయోగకరంగా ఉండలేనంత నెమ్మదిగా ఉంటుంది. OpenStax రాజీని వివరిస్తుంది: సుమారు 150 నుండి 250 atm పీడనాలు, వేగాన్ని ఆచరణీయంగా ఉంచడానికి ఉత్ప్రేరకంతో 400 నుండి 500 °C ఉష్ణోగ్రతలు, Q, K కంటే దిగువన ఉండేలా మిశ్రమం నుండి అమోనియాను నిరంతరం తొలగించడం. ఉష్ణోగ్రతను చిన్న K ఖర్చుతో వేగం కోసం ఎంచుకుంటారు, ఇతర పరిస్థితులు సాధ్యమైనంత దిగుబడిని తిరిగి పొందుతాయి.

తప్పుదారి పట్టే లె షాట్లియర్ అంచనాలు

అంచనా అనిశ్చితంగా అనిపించినప్పుడు, Q ను రాసి, ప్రశ్నలోని రాశిని మార్చి, కొత్త Q ను K తో పోల్చండి. ఆ తనిఖీ కింది దాదాపు ప్రతి సందర్భాన్నీ తేలుస్తుంది.

• గాఢత లేదా ఘనపరిమాణం మారినప్పుడు K మారుతుందని చెప్పడం. ఉష్ణోగ్రత మాత్రమే K ను మారుస్తుంది.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI వంటి Δn = 0 గల చర్యను సంపీడనం చేసిన తర్వాత జరుగుదలను అంచనా వేయడం.
• స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద జడ వాయువును కలిపిన తర్వాత జరుగుదలను అంచనా వేయడం.
• స్వచ్ఛమైన ఘనాన్ని లేదా ద్రవాన్ని మరింత కలిపిన తర్వాత జరుగుదలను అంచనా వేయడం.
• ఉత్ప్రేరకం సమతాస్థితి దిగుబడిని పెంచుతుందని చెప్పడం. అది సమతాస్థితిని చేరడాన్ని మాత్రమే వేగవంతం చేస్తుంది.
• వ్యవస్థ మార్పును పూర్తిగా రద్దు చేస్తుందని భావించడం. కలిపిన క్రియాజనకం దాని అసలు గాఢత కంటే ఎక్కువ వద్ద ముగుస్తుంది.
• పీడన మార్పు ఎలా పనిచేస్తుందో నిర్ణయించేటప్పుడు వాయు మోల్‌లను మాత్రమే కాక అన్ని మోల్‌లను లెక్కించడం.