Prinzip von Le Chatelier in was es besteht und Anwendungen

Die Le Chatelier Prinzip beschreibt die Reaktion eines Systems im Gleichgewicht, um den Auswirkungen eines externen Agens entgegenzuwirken. Es wurde 1888 von dem französischen Chemiker Henry Louis Le Chatelier formuliert. Es wird auf jede chemische Reaktion angewendet, die in geschlossenen Systemen ein Gleichgewicht erreichen kann.

Was ist ein geschlossenes System? Dort findet der Energietransfer zwischen seinen Grenzen statt (zum Beispiel ein Würfel), aber keine Materie. Um jedoch eine Änderung im System vorzunehmen, ist es notwendig, es zu öffnen und es dann wieder zu schließen, um zu untersuchen, wie es auf die Störung (oder Änderung) reagiert.

Sobald es geschlossen ist, wird das System wieder ins Gleichgewicht zurückkehren und seine Art, es zu erreichen, kann dank dieses Prinzips vorhergesagt werden. Ist das neue Gleichgewicht das gleiche wie das vorhergehende? Es hängt von der Zeit ab, in der das System externen Störungen ausgesetzt ist. Wenn es lange genug dauert, ist das neue Gleichgewicht anders.

Index

• 1 Was ist das?
• 2 Faktoren, die das chemische Gleichgewicht verändern
  • 2.1 Konzentrationsänderungen
  • 2.2 Druck- oder Volumenänderungen
  • 2.3 Temperaturänderungen
• 3 Anwendungen
  • 3.1 Im Haber-Prozess
  • 3.2 In der Gartenarbeit
  • 3.3 Bei der Bildung von Kavernen
• 4 Referenzen

Was ist das?

Die folgende chemische Gleichung entspricht einer Reaktion, die das Gleichgewicht erreicht hat:

aA + bB <=> cC + dD

In diesem Ausdruck sind a, b, c und d die stöchiometrischen Koeffizienten. Da das System geschlossen ist, treten von außen keine Reagenzien (A und B) oder Produkte (C und D) auf, die das Gleichgewicht stören.

Aber was genau bedeutet Gleichgewicht? Wenn dies festgestellt wird, werden die Geschwindigkeiten der direkten Reaktion (nach rechts) und umgekehrt (nach links) ausgeglichen. Daher bleiben die Konzentrationen aller Spezies über die Zeit konstant.

Das Obige kann auf diese Weise verstanden werden: reagiere einfach ein bisschen von A und B, um C und D zu erzeugen, sie reagieren gleichzeitig miteinander, um das verbrauchte A und B zu regenerieren und so weiter, während das System im Gleichgewicht bleibt.

Wenn jedoch eine Störung auf das System einwirkt - sei es durch Addition von A, Wärme, D oder Volumenreduktion -, sagt das Prinzip von Le Chatelier voraus, wie es sich verhalten wird, um den verursachten Effekten entgegenzuwirken, obwohl es den Mechanismus nicht erklärt molekular, mit dem es Ihnen ermöglicht, zum Gleichgewicht zurückzukehren.

In Abhängigkeit von den vorgenommenen Änderungen kann somit das Gefühl einer Reaktion begünstigt werden. Zum Beispiel, wenn B die gewünschte Verbindung ist, wird eine Änderung in einer solchen Weise ausgeübt, dass sich das Gleichgewicht zu seiner Bildung bewegt.

Faktoren, die das chemische Gleichgewicht verändern

Um das Prinzip von Le Chatelier zu verstehen, ist ein ausgezeichneter Ansatz die Annahme, dass das Gleichgewicht aus einem Gleichgewicht besteht.

Von diesem Ansatz aus gesehen, werden in der linken Untertasse (oder dem Korb) die Reagenzien gewogen und in der rechten Seite werden die Produkte gewogen. Von hier aus wird die Vorhersage der Reaktion des Systems (der Balance) einfach.

Änderungen in der Konzentration

aA + bB <=> cC + dD

Der Doppelpfeil in der Gleichung stellt den Schaft der Waage dar und unterstreichen die Untertassen. Wenn dann eine Menge (Gramm, Milligramm usw.) von A zu dem System hinzugefügt wird, wird mehr Gewicht in dem rechten Tablett vorhanden sein und die Waage wird zu dieser Seite neigen.

Als Ergebnis steigt die C + D-Wanne an; das heißt, es gewinnt vor dem A + B-Gericht an Bedeutung. Mit anderen Worten: vor der Addition von A (ab B) verschiebt die Balance die Produkte C und D nach oben.

In chemischer Hinsicht bewegt sich das Gleichgewicht nach rechts: zur Produktion von mehr C und D.

Das Gegenteil tritt auf, wenn dem System C- und D-Mengen hinzugefügt werden: Die linke Untertasse wird schwerer, wodurch die rechte steigt.

Dies führt wiederum zu einer Erhöhung der Konzentrationen von A und B; daher wird eine Balanceverschiebung nach links erzeugt (die Reaktanten).

Änderungen in Druck oder Volumen

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

Änderungen des Drucks oder des Volumens, die in dem System verursacht werden, haben nur merkliche Auswirkungen auf Spezies in dem gasförmigen Zustand. Für die bessere chemische Gleichung würde jedoch keine dieser Änderungen das Gleichgewicht verändern.

Warum? Weil die Menge an gasförmigen Gesamtmolen auf beiden Seiten der Gleichung die gleiche ist.

Die Waage wird versuchen, die Druckänderungen auszugleichen, aber da beide Reaktionen (direkt und invers) die gleiche Gasmenge erzeugen, bleibt sie unverändert. Für die folgende chemische Gleichung reagiert das Gleichgewicht beispielsweise auf diese Änderungen:

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

Vor einer Verringerung der Lautstärke (oder des Druckanstiegs) im System hebt die Waage die Platte an, um diesen Effekt zu verringern.

Wie? Verringerung des Drucks durch die Bildung von E. Dies ist weil, da A und B mehr Druck als E ausüben, reagieren sie, um ihre Konzentrationen zu senken und die E zu erhöhen.

Gleichermaßen prognostiziert das Prinzip von Le Chatelier den Effekt der Volumensteigerung.Wenn dies geschieht, muss das Gleichgewicht dem Effekt entgegenwirken, indem es die Bildung von mehr gasförmigen Molen fördert, die den Druckverlust wiederherstellen; dieses Mal, verschiebe das Gleichgewicht nach links und hebe die Platte A + B.

Temperatur ändert sich

Die Wärme kann sowohl als reaktiv als auch als Produkt angesehen werden. Daher ist die Reaktion in Abhängigkeit von der Reaktionsenthalpie (ΔHrx) exotherm oder endotherm. Dann wird die Wärme auf die linke oder rechte Seite der chemischen Gleichung gelegt.

aA + bB + Wärme <=> cC + dD (endotherme Reaktion)

aA + bB <=> cC + dD + Wärme (exotherme Reaktion)

Hier erzeugt das Heizen oder Kühlen des Systems die gleichen Antworten wie im Fall von Änderungen der Konzentrationen.

Wenn die Reaktion beispielsweise exotherm ist, begünstigt das Abkühlen des Systems die Verschiebung des Gleichgewichts nach links; während, wenn sie erhitzt wird, verläuft die Reaktion mit einer größeren Tendenz nach rechts (A + B).

Anwendungen

Unter den unzähligen Anwendungen, da viele Reaktionen ein Gleichgewicht erreichen, haben wir folgendes:

Im Prozess von Haber

N₂(g) + 3H₂(g) <=> 2NH₃(g) (exotherm)

Die überlegene chemische Gleichung entspricht der Bildung von Ammoniak, einer der größten Verbindungen, die im industriellen Maßstab hergestellt werden.

Hier sind die idealen Bedingungen zum Erhalten von NH₃ sie sind diejenigen, in denen die Temperatur nicht sehr hoch ist und auch dort, wo es hohe Drücke gibt (200 bis 1000 atm).

In der Gartenarbeit

Die violetten Hortensien (oben) bilden ein Gleichgewicht mit Aluminium (Al³⁺) in den Böden vorhanden. Die Gegenwart dieses Metalls, Lewis-Säure, führt zu deren Ansäuerung.

In Grundböden sind die Blüten der Hortensien jedoch rot, weil das Aluminium in den Böden unlöslich ist und von der Pflanze nicht verwendet werden kann.

Ein Gärtner, der das Prinzip von Le Chatelier kennt, könnte die Farbe seiner Hortensien durch die intelligente Ansäuerung von Böden verändern.

Bei der Bildung von Kavernen

Die Natur nutzt auch das Prinzip von Le Chatelier, um die höhlenartigen Dächer mit Stalaktiten zu bedecken.

Ca²⁺(ac) + 2HCO₃^-(ac) <=> CaCO₃(s) + CO₂(ac) + H₂O (l)

Der CaCO₃ (Kalkstein) ist in Wasser unlöslich, ebenso wie CO₂. Als CO₂ entkommt, die Balance bewegt sich nach rechts; das heißt zur Bildung von mehr CaCO₃. Dies verursacht das Wachstum dieser spitzen Oberflächen, wie jene im oberen Bild.

Referenzen

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