Principiul Le Chatelier descrie răspunsul unui sistem în echilibru pentru a contracara efectele cauzate de un agent extern. A fost formulat în 1888 de chimistul francez Henry Louis Le Chatelier. Se aplică oricărei reacții chimice care este capabil să atingă echilibrul în sistemele închise.

Ce este un sistem închis? Este unul în care există transferul de energie între granițele sale (de exemplu, un cub), dar nu și de materie. Cu toate acestea, pentru a efectua o schimbare a sistemului este necesar să-l deschideți, apoi să-l închideți din nou pentru a studia modul în care acesta răspunde la perturbare (sau schimbare).

Henry Louis Le Chatelier

Odată închis, sistemul va reveni la echilibru și modul său de realizare poate fi prevăzut datorită acestui principiu. Noul echilibru este același cu cel vechi? Depinde de momentul în care sistemul este supus unei perturbări externe; dacă durează suficient, noul echilibru este diferit.

În ce constă?

Ecuația chimică următoare corespunde unei reacții care a ajuns la echilibru:

aA + bB <=> cC + dD

În această expresie a, b, c și d sunt coeficienții stoechiometrici. Deoarece sistemul este închis, niciun reactant (A și B) sau produse (C și D) nu intră din exterior care perturbă echilibrul.

Dar ce înseamnă exact echilibrul? Când aceasta este setată, ratele reacției înainte (spre dreapta) și invers (spre stânga) se egalizează. În consecință, concentrațiile tuturor speciilor rămân constante în timp.

Cele de mai sus pot fi înțelese astfel: de îndată ce un pic din A și B reacționează pentru a produce C și D, reacționează unul cu celălalt în același timp pentru a regenera A și B consumate, etc., în timp ce sistemul rămâne în echilibru.

Cu toate acestea, atunci când se aplică o perturbare a sistemului - fie prin adăugarea de A, căldură, D, fie prin reducerea volumului -, principiul lui Le Chatelier prezice cum se va comporta pentru a contracara efectele cauzate, deși nu explică mecanismul moleculară permițându-i să revină la echilibru.

Astfel, în funcție de modificările aduse, se poate favoriza simțul unei reacții. De exemplu, dacă B este compusul dorit, se exercită o modificare astfel încât echilibrul să se schimbe la formarea sa.

Factorii care modifică echilibrul chimic

Pentru a înțelege principiul lui Le Chatelier, o excelentă aproximare este să presupunem că echilibrul constă dintr-o scară.

Văzute din această abordare, reactivii sunt cântăriți pe tigaia din stânga (sau coșul) și produsele sunt cântărite pe tigaia din dreapta. De aici, prezicerea răspunsului sistemului (echilibrul) devine ușoară.

Modificări de concentrare

aA + bB <=> cC + dD

Săgeata dublă din ecuație reprezintă tulpina echilibrului și subțiri subliniate. Deci, dacă se adaugă în sistem o cantitate (grame, miligrame etc.) de A, va exista o greutate mai mare pe tigaia din dreapta și soldul se va înclina în această parte.

Drept urmare, farfuria C + D crește; cu alte cuvinte, câștigă importanță în comparație cu vasul A + B. Cu alte cuvinte: odată cu adăugarea lui A (ca și cu B), balanța schimbă produsele C și D în sus.

În termeni chimici, echilibrul ajunge să se deplaseze spre dreapta: spre producția de mai mulți C și D.

Contrarul se întâmplă dacă se adaugă cantități de C și D la sistem: panoul din stânga devine mai greu, determinând ridicarea panoului drept.

Din nou, aceasta duce la o creștere a concentrațiilor de A și B; prin urmare, o schimbare de echilibru este generată spre stânga (reactanții).

Modificări ale presiunii sau volumului

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

Modificările de presiune sau volum cauzate în sistem au efecte notabile doar asupra speciilor în stare gazoasă. Cu toate acestea, pentru ecuația chimică superioară, niciuna dintre aceste modificări nu ar modifica echilibrul.

De ce? Deoarece numărul total de moli de gaze de pe ambele părți ale ecuației este același.

Echilibrul va căuta să echilibreze schimbările de presiune, dar, deoarece ambele reacții (directe și invers) produc aceeași cantitate de gaz, acesta rămâne neschimbat. De exemplu, pentru următoarea ecuație chimică, soldul răspunde la aceste modificări:

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

Aici, în fața unei scăderi a volumului (sau a creșterii presiunii) în sistem, soldul va ridica tigaia pentru a reduce acest efect.

Cum? Scăderea presiunii, prin formarea E. Aceasta se datorează faptului că, întrucât A și B exercită mai multă presiune decât E, reacționează pentru a-și reduce concentrațiile și pentru a crește cea a lui E.

De asemenea, principiul Le Chatelier prezice efectul creșterii volumului. Atunci când acest lucru se produce, echilibrul trebuie apoi să contracareze efectul prin promovarea formării de alunițe mai gazoase care restabilesc pierderea de presiune; de data aceasta, mutând balanța spre stânga, ridicând panoul A + B.

Schimbări de temperatură

Căldura poate fi considerată atât reactivă, cât și produs. Prin urmare, în funcție de entalpia reacției (ΔHrx), reacția este exotermă sau endotermică. Apoi, căldura este plasată pe partea stângă sau dreaptă a ecuației chimice.

aA + bB + căldură <=> cC + dD (reacție endotermică)

aA + bB <=> cC + dD + căldură (reacție exotermică)

Aici, încălzirea sau răcirea sistemului generează aceleași răspunsuri ca în cazul schimbărilor în concentrații.

De exemplu, dacă reacția este exotermă, răcirea sistemului favorizează deplasarea echilibrului spre stânga; în timp ce, dacă este încălzit, reacția continuă cu o tendință mai mare spre dreapta (A + B).

Aplicații

Printre nenumăratele sale aplicații, având în vedere că multe reacții ating echilibrul, există următoarele:

În procesul lui Haber

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

Ecuația chimică superioară corespunde formării amoniacului, unul dintre compușii principali produși la scară industrială.

Aici, condițiile ideale pentru obținerea NH ₃ sunt cele în care temperatura nu este foarte ridicată și, de asemenea, acolo unde există niveluri ridicate de presiune (200 până la 1000 atm).

În grădinărit

Hortensiile violet (imaginea de sus) stabilesc un echilibru cu aluminiul (Al ³⁺ ) prezent în soluri. Prezența acestui metal, acidul Lewis, duce la acidifierea acestora.

Cu toate acestea, în solurile de bază florile de hortensie sunt roșii, deoarece aluminiul este insolubil în aceste soluri și nu poate fi utilizat de către plantă.

Un grădinar familiarizat cu principiul Le Chatelier ar putea schimba culoarea hortensiilor sale prin acidifierea inteligentă a solurilor.

În formarea peșterilor