Princip Le Chatelierov opisuje odziv sustava u ravnoteži suzbijanja učinaka uzrokovanih vanjskim sredstvom. Formulirao ga je 1888. godine francuski kemičar Henry Louis Le Chatelier. Primjenjuje se na bilo kakvu kemijsku reakciju koja je sposobna postići ravnotežu u zatvorenim sustavima.

Što je zatvoreni sustav? Ona je tamo gdje postoji prijenos energije između njezinih granica (na primjer, kocka), ali ne i materije. Međutim, da bi se došlo do promjene u sustavu potrebno ga je otvoriti, a zatim ponovo zatvoriti kako bi se proučilo kako reagira na poremećaj (ili promjenu).

Henry Louis Le Chatelier

Nakon zatvaranja sustav će se vratiti u ravnotežu i njegov način postizanja toga može se predvidjeti zahvaljujući ovom principu. Je li nova ravnoteža jednaka staroj? Ovisi o vremenu u kojem je sustav izložen vanjskim poremećajima; ako traje dovoljno dugo, nova je ravnoteža drugačija.

Od čega se sastoji?

Sljedeća kemijska jednadžba odgovara reakciji koja je postigla ravnotežu:

aA + bB <=> cC + dD

U ovom izrazu a, b, c i d su stehiometrijski koeficijenti. Budući da je sustav zatvoren, izvana ne ulaze nikakvi reaktanti (A i B) niti proizvodi (C i D) koji narušavaju ravnotežu.

Ali što točno znači ravnoteža? Kad je ovo postavljeno, brzine naprijed (na desno) i natrag (nalijevo) reakcije se izjednačavaju. Slijedom toga, koncentracije svih vrsta s vremenom ostaju stalne.

Navedeno se može shvatiti na ovaj način: čim mali A i B reagiraju da proizvedu C i D, oni reagiraju jedni s drugima u isto vrijeme da regeneriraju potrošene A i B, i tako dalje, dok sustav ostaje u ravnoteži.

Međutim, kada se smetnja primijeni na sustav - bilo dodavanjem A, topline, D ili smanjenjem volumena -, Le Chatelier-ov princip predviđa kako će se ponašati u suprotnosti s uzrokovanim efektima, iako ne objašnjava mehanizam molekulski dopuštajući mu da se vrati u ravnotežu.

Dakle, ovisno o učinjenim promjenama, može se pogodovati osjećaju reakcije. Na primjer, ako je B željeni spoj, promjena se vrši tako da se ravnoteža premješta u svoju tvorbu.

Čimbenici koji modificiraju kemijsku ravnotežu

Da bismo razumjeli načelo Le Chateliera, izvrsna je aproksimacija pretpostaviti da se ravnoteža sastoji od ljestvice.

Gledano iz ovog pristupa, reagensi se odvažu na lijevoj tavi (ili košarici), a proizvodi se odvažu na desnoj tavi. Odavde predviđanje reakcije sustava (ravnoteže) postaje lako.

Promjene koncentracije

aA + bB <=> cC + dD

Dvostruka strelica u jednadžbi predstavlja stabljiku ravnoteže i podvučene tave. Dakle, ako se u sistem doda količina (grami, miligrami itd.) A, na desnoj tavi će biti veća težina i vaga će se tako naginjati.

Kao rezultat, C + D tanjurić raste; drugim riječima, dobiva na značaju u odnosu na jelo A + B. Drugim riječima: dodavanjem A (kao što je slučaj s B) vaga pomiče proizvode C i D prema gore.

U kemijskom smislu, ravnoteža završava pomicanjem udesno: prema proizvodnji više C i D.

Suprotno se događa ako se u sustav dodaju količine C i D: lijeva posuda postaje teža, što desnu posudu podiže.

Opet, to rezultira porastom koncentracija A i B; stoga se stvara ravnotežni pomak ulijevo (reaktanti).

Promjene tlaka ili volumena

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

Promjene tlaka ili volumena uzrokovane u sustavu imaju samo zapažene učinke na vrste u plinovitom stanju. Međutim, za višu kemijsku jednadžbu nijedna od ovih promjena ne bi izmijenila ravnotežu.

Zašto? Jer je broj ukupnih molova plina na obje strane jednadžbe jednak.

Ravnoteža će nastojati uravnotežiti promjene tlaka, ali budući da obje reakcije (izravne i obrnute) proizvode jednaku količinu plina, ostaje nepromijenjena. Na primjer, za sljedeću kemijsku jednadžbu vaga reagira na ove promjene:

aA (g) + bB (g) <=> eE (g)

Ovdje, usprkos smanjenju volumena (ili povećanju pritiska) u sustavu, ravnoteža će podići tavu radi smanjenja ovog učinka.

Kako? Smanjenje tlaka, stvaranjem E. To je zato što, kako A i B vrše pritisak više od E, oni reagiraju na smanjenje koncentracije i povećanje koncentracije E.

Isto tako, princip Le Chatelier predviđa učinak povećanja volumena. Kad se to dogodi, ravnoteža tada treba suzbiti učinak promičući stvaranje više plinovitih mola koji obnavljaju gubitak pritiska; ovaj put prebacivanje ravnoteže ulijevo, podizanje pan A + B.

Promjene temperature

Toplina se može smatrati i reaktivnom i proizvodnom. Stoga, ovisno o entalpiji reakcije (ΔHrx), reakcija je egzotermna ili endotermična. Tada se toplina stavlja u lijevu ili desnu stranu kemijske jednadžbe.

aA + bB + toplina <=> cC + dD (endotermička reakcija)

aA + bB <=> cC + dD + toplina (egzotermna reakcija)

Ovdje zagrijavanje ili hlađenje sustava generira iste reakcije kao u slučaju promjene koncentracije.

Na primjer, ako je reakcija egzotermna, hlađenje sustava pogoduje premještanju ravnoteže ulijevo; dok se zagrijava, reakcija se nastavlja s većom tendencijom udesno (A + B).

Prijave

Među bezbrojnim primjenama, s obzirom na to da mnoge reakcije postižu ravnotežu, postoje sljedeće:

U procesu Haber

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (egzotermno)

Gornja kemijska jednadžba odgovara stvaranju amonijaka, jednog od glavnih spojeva proizvedenih u industrijskoj mjeri.

Ovdje, idealni uvjeti za dobivanje NH ₃ su oni u kojima je temperatura nije vrlo visoka i, također, u kojima postoje visoke razine tlaka (sa 200 do 1000 atm).

U vrtlarstvu

Ljubičasta hortenzija (gornja slika) uspostavlja ravnotežu s aluminijom (Al ³⁺) prisutnim u tlima. Prisutnost ovog metala, Lewisove kiseline, rezultira njihovim zakiseljavanjem.

Međutim, u osnovnim tlima cvjetovi hortenzije su crveni jer je aluminij netopljiv na tim tlima i biljka ih ne može koristiti.

Vrtlar, upoznat s načelom Le Chatelier, mogao je mijenjati boju svojih hortenzija pametnim zakiseljavanjem tla.

U formiranju špilja