Le Shatelye prinsipi: muvozanatlar o'zgarishga qanday javob berishini oldindan aytish

Ta'sir Q yoki K ni o'zgartiradi va sistema muvozanatni tiklaydi

Muvozanatda reaksiya nisbati Q muvozanat doimiysi K ga teng. Ko'pincha stress deb ataladigan tashqi ta'sir bu tenglikni ikki usulning birida buzadi. Moddani qo'shish yoki chiqarish yoki gaz aralashmasining hajmini o'zgartirish Q ni o'zgartiradi, K esa o'zgarmaydi. Haroratni o'zgartirish K ning o'zini o'zgartiradi. Har ikki holatda ham sistema so'ng Q yana K ga tenglashguncha reaksiyaga kirishadi.

Agar Q endi K dan kichik bo'lsa, reaksiya to'g'ri yo'nalishda, mahsulotlar tomon boradi. Agar Q endi K dan katta bo'lsa, u teskari yo'nalishda boradi. Shu tarzda fikrlash yodlangan shiorlardan ishonchliroq, chunki u siljish umuman bo'lmaydigan holatlarni ham aytadi.

Qisman so'zi muhim. Sistema hech qachon o'zgarishni to'liq bekor qilmaydi. Agar reagent qo'shsangiz, uning yangi muvozanatdagi konsentratsiyasi baribir qo'shishdan oldingisidan yuqori bo'ladi.

Moddani qo'shish yoki chiqarish

Reagent qo'shish yoki mahsulotni chiqarish Q ni K dan pastga tushiradi, shuning uchun reaksiya mahsulotlar tomonga siljiydi. Mahsulot qo'shish yoki reagentni chiqarish Q ni K dan yuqoriga ko'taradi, shuning uchun reaksiya reagentlar tomonga siljiydi. Sanoat va laboratoriya jarayonlari bundan doimo foydalanadi. Uchuvchan mahsulotni haydab chiqarish, gazni chiqib ketishiga yo'l qo'yish yoki mahsulotni cho'ktirish Q ni K dan past ushlab turadi va reaksiyani faqat uning K i ruxsat beradiganidan ko'ra uzoqroqqa olib boradi.

Toza qattiq modda yoki toza suyuqlikdan ko'proq qo'shish muvozanatni siljitmaydi. Bu moddalar Q da qatnashmaydi, shuning uchun Q o'zgarmaydi. CaO(s) va CO₂(g) bilan muvozanatdagi yopiq idishga ko'proq CaCO₃(s) qo'shish CO₂ bosimini o'zgartirmaydi.

Yechilgan misol: vodorod yodid muvozanatidagi qo'shimcha vodorod

OpenStax ning 13.3 bo'limi 400 °C da H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) uchun Kc = 50.0 ni beradi. Faraz qilaylik, shu haroratdagi muvozanat aralashmasida [H₂] = [I₂] = 0.0150 mol/L. Unda [HI] = √(50.0 × 0.0150 × 0.0150) = 0.106 mol/L.

Endi H₂ shunday kiritiladiki, hech narsa reaksiyaga kirishmasdan oldin [H₂] 0.0450 mol/L gacha sakraydi. Q = (0.106)² / (0.0450 × 0.0150) = 16.7. Bu 50.0 dan kichik, shuning uchun reaksiya to'g'ri yo'nalishda siljiydi va qo'shilgan H₂ ning bir qismini sarflaydi.

Qanchalik siljishini topish uchun x mol/L H₂ reaksiyaga kirishsin. Unda [H₂] = 0.0450 − x, [I₂] = 0.0150 − x va [HI] = 0.106 + 2x. (0.106 + 2x)² / [(0.0450 − x)(0.0150 − x)] = 50.0 deb olib, oraliq qiymatlarni yaxlitlamasdan kvadrat tenglamani yechish x = 0.00728 ni beradi. Fizik jihatdan mantiqiy ildiz 0.0150 dan kichik bo'lgani, chunki I₂ noldan pastga tusha olmaydi. Yangi muvozanatda [H₂] = 0.0377, [I₂] = 0.00772 va [HI] = 0.121 mol/L.

Natijani prinsip bilan solishtirib o'qing. Sistema qo'shilgan vodorodning taxminan to'rtdan birini sarfladi, shuning uchun [H₂] 0.0377 mol/L da tugadi, bu dastlabki 0.0150 dan ancha yuqori. Shu bilan birga yodning taxminan yarmi HI ga aylandi. Qimmat reagentni sarflash uchun arzon reagent qo'shish unumni oshirishning standart usuli.

Gaz aralashmasini siqish yoki kengaytirish

Gaz aralashmasining hajmini kamaytirish har bir konsentratsiyani bir xil marta oshiradi. Bu Q ni o'zgartirishi Δn ga, ya'ni gazsimon mahsulotlar mollaridan gazsimon reagentlar mollari ayirmasiga bog'liq. Agar Δn manfiy bo'lsa, siqish Q ni pasaytiradi va reaksiya gaz molekulalari kamroq tomonga siljiydi. Agar Δn musbat bo'lsa, siqish Q ni oshiradi va reaksiya reagentlar tomonga siljiydi, bu yana gaz molekulalari kamroq bo'lgan tomon. Agar H₂ + I₂ ⇌ 2 HI dagi kabi Δn nolga teng bo'lsa, siqish Q ni o'zgartirmaydi va siljish bo'lmaydi.

O'zgarmas hajmda argon kabi reaksiyaga kirishmaydigan gaz qo'shib umumiy bosimni oshirish hech narsani o'zgartirmaydi. Reaksiyaga kirishayotgan gazlarning parsial bosimlari va konsentratsiyalari o'zgarmaydi, shuning uchun Q K ga tengligicha qoladi. O'zgarmas bosimda inert gaz qo'shish boshqacha: idish kengayishi kerak, bu hajmni oshirish bilan bir xil ta'sir ko'rsatadi.

Yechilgan misol: NO₂–N₂O₄ aralashmasi hajmini ikki marta kamaytirish

25 °C da N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) uchun OpenStax ning 13.2 bo'limi [N₂O₄] = 0.042 mol/L va [NO₂] = 0.016 mol/L bo'lgan muvozanat aralashmasini tasvirlaydi. Bular Kc = (0.016)²/0.042 = 6.1 × 10⁻³ ni beradi.

O'zgarmas haroratda hajmni ikki marta kamaytiring. Ikkala konsentratsiya ikki baravar ortib, [N₂O₄] = 0.084 va [NO₂] = 0.032 mol/L bo'ladi. Q = (0.032)²/0.084 = 1.22 × 10⁻², ya'ni aynan Kc dan ikki baravar ko'p, chunki NO₂ hadi kvadratga ko'tarilgan. Q > K, shuning uchun sistema N₂O₄ tomonga, ya'ni ikki mol emas, bir mol gaz bo'lgan tomonga siljiydi.

y mol/L N₂O₄ hosil bo'lsin. (0.032 − 2y)²/(0.084 + y) = 6.1 × 10⁻³ ni yechish y = 0.0044 ni beradi, shuning uchun yangi muvozanatda ma'lumotlar kabi ikkita muhim raqamgacha [NO₂] = 0.023 mol/L va [N₂O₄] = 0.088 mol/L. Qo'ng'ir NO₂ siqishdan oldingiga qaraganda konsentrlanganroq (0.016 ga qarshi 0.023 mol/L), shuning uchun gaz to'qroq ko'rinadi, lekin endi azotning kichikroq ulushi NO₂ da: oldingi 16 foizga nisbatan 12 foiz.

Harorat K ning o'zini siljitadi

Harorat K qiymatini o'zgartiradigan yagona keng tarqalgan o'zgarish. Endotermik reaksiya (ΔH > 0) uchun harorat ko'tarilganda K ortadi, shuning uchun qizdirish muvozanatni mahsulotlar tomonga siljitadi. Ekzotermik reaksiya (ΔH < 0) uchun harorat ko'tarilganda K kamayadi, shuning uchun qizdirish uni reagentlar tomonga siljitadi. Buni eslab qolishning foydali usuli — issiqlikni endotermik reaksiyada reagent, ekzotermik reaksiyada esa mahsulot deb qarash.

OpenStax ning 13.3 bo'limi N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g) uchun ΔH = +57.20 kJ ni beradi, shuning uchun aralashmani isitish uni qo'ng'irroq qiladi. O'zgarish kattaligini Vant-Goff tenglamasi bilan baholash mumkin: ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). U ΔH° va ΔS° taxminan o'zgarmas qolsa, ΔG° = −RT ln K va ΔG° = ΔH° − TΔS° dan kelib chiqadi.

Yechilgan misol. 25 °C (298.15 K) dan 50 °C (323.15 K) gacha ln(K₂/K₁) = −(57 200 J/mol ÷ 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹)(1/323.15 − 1/298.15) = 1.785, shuning uchun K₂/K₁ = 6.0. 25 °C dagi Kp = Kc × RT = (6.1 × 10⁻³)(0.08206 × 298.15) = 0.15 dan boshlasak (Δn = 1, bosimlar atm da), 50 °C dagi Kp taxminan 0.9. 25 gradus ko'tarilish muvozanat doimiysini taxminan olti baravar oshiradi.

Katalizator muvozanatni siljitmaydi. U to'g'ri va teskari reaksiyalarning aktivlanish energiyasini teng pasaytiradi, shuning uchun muvozanatga tezroq erishiladi, lekin K va muvozanat tarkibi o'zgarmaydi.

Gaber–Bosh usulida ammiak: unumni tezlik bilan muvozanatlash

Ammiakning sanoat sintezi N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) prinsip real tanlovlarni qanday yo'naltirishini ko'rsatadi. OpenStax ning 13.3 bo'limi ΔH = −92.2 kJ ni beradi. Reaksiya ekzotermik, shuning uchun pastroq haroratlar kattaroq K va muvozanatda ko'proq ammiak beradi. To'rt mol gaz ikki molga aylanadi, shuning uchun yuqori bosim ham ammiak hosil bo'lishiga qulaylik yaratadi.

Qiyinchilik tezlikda. Past haroratda reaksiya foydali bo'lishi uchun juda sekin. OpenStax murosani tasvirlaydi: taxminan 150 dan 250 atm gacha bosim, tezlikni amaliy darajada ushlab turish uchun katalizator bilan 400 dan 500 °C gacha harorat va Q K dan past qolishi uchun aralashmadan ammiakni uzluksiz chiqarib turish. Harorat kichikroq K evaziga tezlik uchun tanlanadi, boshqa sharoitlar esa unumni iloji boricha ko'proq tiklaydi.

Le Shatelye bo'yicha xato bashoratlar

Bashorat noaniq tuyulsa, Q ni yozing, ko'rilayotgan kattalikni o'zgartiring va yangi Q ni K bilan taqqoslang. Bu tekshiruv quyidagi deyarli har bir holatni hal qiladi.

• Konsentratsiya yoki hajm o'zgarganda K o'zgaradi deyish. K ni faqat harorat o'zgartiradi.
• H₂ + I₂ ⇌ 2 HI kabi Δn = 0 bo'lgan reaksiyani siqqandan keyin siljishni bashorat qilish.
• O'zgarmas hajmda inert gaz qo'shilgandan keyin siljishni bashorat qilish.
• Toza qattiq modda yoki suyuqlikdan ko'proq qo'shilgandan keyin siljishni bashorat qilish.
• Katalizator muvozanat unumini oshiradi deb da'vo qilish. U faqat muvozanatga yaqinlashishni tezlashtiradi.
• Sistema o'zgarishni to'liq bekor qiladi deb faraz qilish. Qo'shilgan reagent oxirida dastlabki konsentratsiyasidan yuqori bo'ladi.
• Bosim o'zgarishi qanday ta'sir qilishini aniqlashda faqat gaz mollarini emas, barcha mollarni sanash.