Princip Le Chatelier popisuje odezvu systému v rovnováze se působilo proti účinků, způsobených externím činidlem. Byl formulován v roce 1888 francouzským chemikem Henrym Louisem Le Chatelierem. Používá se na jakoukoli chemickou reakci, která je schopna dosáhnout rovnováhy v uzavřených systémech.

Co je uzavřený systém? Je to místo, kde dochází k přenosu energie mezi jejími hranicemi (například krychlí), ale nikoli hmoty. Chcete-li však provést změnu v systému, je nutné ji otevřít a znovu ji zavřít, aby bylo možné studovat, jak reaguje na poruchu (nebo změnu).

Henry Louis Le Chatelier

Po uzavření se systém vrátí do rovnováhy a díky tomuto principu lze předvídat způsob, jak toho dosáhnout. Je nová rovnováha stejná jako ta stará? Závisí to na době, kdy je systém vystaven vnějšímu rušení; pokud to trvá dostatečně dlouho, nová rovnováha je jiná.

Z čeho se skládá?

Následující chemická rovnice odpovídá reakci, která dosáhla rovnováhy:

aA + bB <=> cC + dD

V tomto výrazu a, b, cad jsou stechiometrické koeficienty. Protože je systém uzavřený, z vnějšku nereagují žádné reaktanty (A a B) ani produkty (C a D), které narušují rovnováhu.

Co ale přesně znamená rovnováha? Je-li toto nastaveno, vyrovnávají se rychlosti reakce vpřed (doprava) a zpět (doleva). V důsledku toho zůstávají koncentrace všech druhů v průběhu času konstantní.

Výše uvedené lze chápat takto: jakmile A a B reagují na produkci C a D, reagují spolu navzájem, aby regenerovaly spotřebované A a B, a tak dále, dokud systém zůstává v rovnováze.

Pokud je však na systém aplikováno narušení - a to přidáním A, tepla, D nebo snížením objemu -, Le Chatelierův princip předpovídá, jak se bude chovat, aby působil proti způsobeným účinkům, ačkoli nevysvětluje mechanismus molekulární umožněním návratu do rovnováhy.

V závislosti na provedených změnách tak může být upřednostněn smysl reakce. Například, pokud B je požadovaná sloučenina, provede se změna tak, že se rovnováha posune na její tvorbu.

Faktory, které mění chemickou rovnováhu

Abychom pochopili Le Chatelierův princip, vynikající aproximací je předpokládat, že rovnováha sestává z měřítka.

Z tohoto přístupu jsou činidla zvážena na levé pánvi (nebo koši) a produkty jsou zváženy na pravé pánvi. Odtud je predikce reakce systému (rovnováha) snadná.

Změny koncentrace

aA + bB <=> cC + dD

Dvojitá šipka v rovnici představuje stonek rovnováhy a podtržené pánve. Takže pokud je do systému přidáno množství (gramy, miligramy atd.) A, bude na pravé pánvi větší váha a váha se nakloní na tuto stranu.

V důsledku toho se talíř C + D zvedne; jinými slovy, získává na významu ve srovnání s miskou A + B. Jinými slovy: s přidáním A (jako u B) váha posune produkty C a D nahoru.

Z chemického hlediska se rovnováha nakonec posouvá doprava: směrem k výrobě více C a D.

Opak nastane, pokud jsou do systému přidána množství C a D: levá pánev je těžší, což způsobuje zvedání pravé pánve.

To opět vede ke zvýšení koncentrací A a B; proto je rovnovážný posun generován doleva (reaktanty).

Změny tlaku nebo objemu

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

Změny tlaku nebo objemu způsobené v systému mají pozoruhodné účinky na druhy v plynném stavu. Avšak pro vyšší chemickou rovnici by žádná z těchto změn neměnila rovnováhu.

Proč? Protože počet celkových molů plynu na obou stranách rovnice je stejný.

Rovnováha se bude snažit vyrovnat změny tlaku, ale protože obě reakce (přímé i inverzní) produkují stejné množství plynu, zůstává nezměněno. Například pro následující chemickou rovnici váha reaguje na tyto změny:

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

Zde, vzhledem k poklesu objemu (nebo zvýšení tlaku) v systému, váha zvýší pánev, aby se tento účinek snížil.

Jak? Snížení tlaku prostřednictvím tvorby E. Je to proto, že jak A a B vyvíjejí větší tlak než E, reagují na snížení svých koncentrací a zvýšení koncentrace E.

Rovněž princip Le Chatelier předpovídá účinek rostoucího objemu. Když k tomu dojde, musí rovnováha působit proti tomuto účinku podporou tvorby plynnějších krtků, které obnovují ztrátu tlaku; tentokrát posunutí váhy doleva, zvedací pánev A + B.

Změny teploty

Teplo lze považovat za reaktivní i za produkt. Proto je reakce v závislosti na entalpii reakce (AHrx) exotermická nebo endotermická. Potom se teplo umístí na levou nebo pravou stranu chemické rovnice.

aA + bB + teplo <=> cC + dD (endotermická reakce)

aA + bB <=> cC + dD + teplo (exotermická reakce)

Zde ohřev nebo chlazení systému generuje stejné reakce jako v případě změn koncentrací.

Například, pokud je reakce exotermická, chlazení systému zvýhodňuje posun rovnováhy doleva; zatímco je zahřívána, reakce pokračuje s větší tendencí doprava (A + B).

Aplikace

Mezi jeho nespočetné aplikace, vzhledem k tomu, že mnoho reakcí dosáhne rovnováhy, existují následující:

V procesu Habera

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

Horní chemická rovnice odpovídá tvorbě amoniaku, jedné z hlavních sloučenin produkovaných v průmyslovém měřítku.

Zde jsou ideální podmínky pro získání NH ₃, jsou ty, ve kterých je teplota není příliš vysoká, a také tam, kde jsou vysoké úrovně tlaku (200 - 1000 atm).

V zahradnictví

Fialové hortenzie (horní obrázek) vytvářejí rovnováhu s hliníkem (Al ³⁺) přítomným v půdě. Přítomnost tohoto kovu, Lewisovy kyseliny, vede k jejich okyselení.

V základních půdách jsou však květy hortenzií červené, protože hliník je v těchto půdách nerozpustný a nemůže být rostlinou použit.

Zahradník, který je obeznámen s principem Le Chatelier, by mohl změnit barvu svých hortenzií chytrým okyselením půdy.

Při tvorbě jeskyní