Принцип Ле Шательє в хімії

У деяких випадках речовини, що отримуються в результаті реакції, або взаємодіють між собою, або розпадаються, і тоді в системі одночасно протікають дві реакції: пряма (утворюються продукти реакції) і зворотна (знову синтезуються вихідні речовини). У разі збігу швидкостей прямого і зворотного процесів у цій системі настає рівновага, яка називається хімічною. Це динамічна рівновага, оскільки сама реакція не припиняється, але утворюється і розпадається одночасно однакова кількість речовини. При незмінних температурі і тиску така ситуація може зберігатися досить довго. У графічному вигляді вона представлена нижче. Під еквівалентною швидкістю мається на увазі якась константа, рівна одночасно швидкостям прямої і зворотної реакції.

Принцип зміщення хімічної рівноваги

Принцип зміщення (зсуву) рівноваги відкрив у 1884 році Ле Шательє. Пізніше його узагальнив Карл Фердинанд Браун (1887 р.). Тому в даний час він носить здвоєну назву - принцип Ле Шательє-Брауна. Цей закон використовується як у хімії, так і в термодинаміці, електродинаміці, екології та біохімії. Існує багато формулювань, але суть кожної з них зводиться до наступного: "При наданні на систему, що знаходиться в рівноважному стані, будь-якого впливу, хімічна рівновага зміщується таким чином, щоб компенсувати цю зміну (тобто система буде намагатися відновити баланс) ". Описаний принцип можна наочно продемонструвати за допомогою наступної системи. Є пружина, прикріплена до нерухомої опори. У стані спокою ця система перебуває в рівновазі. Якщо пружину розтягнути, то рівновага зміститься в бік зовнішнього впливу. Однак при цьому в системі також наростає протидія. І в якийсь момент сили протидії і зовнішнього впливу стають рівні один одному, в результаті чого настає новий рівноважний стан.

Принцип Ле Шательє можна використовувати тільки для систем, що знаходяться в рівновазі, в іншому випадку результати аналізу будуть неправильними. Існують три основні параметри, зміна яких викликає зсув хімічної рівноваги: тиск, температура і концентрація хімічних речовин.

Температура

Зміна температури - найбільш часта причина зрушення хімічної рівноваги, що цілком зрозуміло, адже на цей фактор вплинути набагато легше, ніж, наприклад, на тиск. Тут слід згадати, що реакції поділяються на два типи за термічним ефектом. Серед них наступні: екзотермічні (з виділенням тепла) та ендотермічні (з його поглинанням). Як буде зміщуватися хімічна рівновага? Принцип Ле Шательє в цьому випадку зводиться до такого: зі збільшенням температури рівновага зміщується в бік реакції, що проходить з поглинанням тепла, а при її зменшенні, відповідно, в протилежний бік. Так, якщо для реакції, зображеної нижче, підвищити температуру, рівновага зрушиться в праву сторону.

Більшість прямих реакцій екзотермічні, а зворотних - ендотермічні (це не правило, а, швидше, спостереження, з якого можна знайти безліч винятків).

Тиск

Зі зміною тиску трансформується наступний параметр системи - її обсяг (він збільшується або зменшується), тому вплив за допомогою цього параметра особливо сильний вплив на системи, в яких присутні гази. У цьому випадку принцип хімічної рівноваги полягає в наступному. Якщо тиск в системі збільшується, то рівновага зсувається в бік скорочення числа молекул газу, а при зменшенні тиску рівновага рухається в протилежному напрямку. Якщо число молекул газу під час реакції не змінюється, то рівновага не зміщується при зміні тиску, як, наприклад, у наступній реакції.

Однак на практиці такий принцип вірний лише для ідеальних газів, оскільки всі реальні мають різну стисканість. Таким чином, навіть якщо кількість молекул газу залишається незмінною, рівновага може залежати від тиску. На практиці це буде помітно при високих тисках. У разі рідких і твердих речовин зміна тиску фактично не впливає на рівновагу через малі обсяги, що займаються такими речовинами. При розгляді змішаних систем враховують тільки молекули газу.

Зміщення рівноваги в системі в результаті зміни концентрації будь-якої речовини, що бере участь у реакції

В ході зміни концентрації будь-якої речовини принцип Ле Шательє працює наступним чином. При збільшенні концентрації продуктів реакції рівновага зміщується в бік зворотної реакції, при зменшенні кількості речовин, що утворюються, рівновага рухається в протилежний бік.

Що буде, якщо додати інертний газ

Змінити обсяг системи можна не тільки стиснувши її або послабивши тиск, але і шляхом додавання інертного газу, який не буде вступати в реакцію. Що буде з системою при додаванні до неї, наприклад, гелію? Насправді, швидше за все, нічого не станеться, оскільки співвідношення тих, хто бере участь у реакції речовин, не зміниться, а для ходу процесу має значення не загальний тиск системи, а парціальний кожного компонента.

Вплив каталізаторів

На зміщення хімічної рівноваги кількість каталізатора і взагалі його наявність впливу не роблять. Це відбувається з огляду на те, що цей елемент однаково прискорює і пряму, і зворотну реакцію, зберігаючи рівновагу в системі незмінною.

Спосіб вивчення хімічної рівноваги

Детальний розгляд хімічних рівноваг дуже важливий для повного розуміння процесу. Одним з найбільш часто застосовуваних прийомів є так званий метод заморожування рівноваг. Так, відбувається швидке охолодження системи, що знаходиться в збалансованому стані. Рівновага просто не встигає зміститися, а при низьких температурах швидкість більшості процесів сповільнюється практично до нуля. Завдяки цьому можна повністю проаналізувати склад суміші при будь-якій температурі (концентрації речовин, що беруть участь у реакції, при нулі градусів буде відповідати кількості компонентів при тій температурі, з якої почалося зниження). Такий досвід проводять кілька разів з реакціями, що протікають в обох напрямках.

Чи існує повна незворотність

Повністю зрушити хімічну рівновагу в один бік неможливо. Навіть при здаваному абсолютному зміщенні завжди залишиться невелике число молекул, які будуть вступати в зворотну реакцію.

На практиці фактично всі реакції обратими, а наскільки сильно буде видно цей ефект, часто залежить від температури (нерідко рівновага просто сильно зміщена в один бік, тому вона стає помітною лише при зміні умов). Саме через цю поширеність звернених хімічних реакцій вивчення рівноваги особливо важливе.

Приклади синтезів, в яких під час виробництва зміщується хімічна рівновага

На виробництві хімічну рівновагу зазвичай зміщують у напрямку прямої реакції для отримання, відповідно, продуктів реакції. Існує багато прикладів таких синтезів: отримання аміаку, оксиду сірки (VI), оксиду азоту (II) тощо.