На принципа на Le Шателие описва реакцията на система в равновесие, за да противодейства на ефектите, причинени от външен агент. Той е формулиран през 1888 г. от френския химик Хенри Луи Льо Шателие. Прилага се при всяка химична реакция, която е в състояние да достигне равновесие в затворени системи.

Какво е затворена система? Той е такъв, където има пренос на енергия между неговите граници (например куб), но не и на материята. За да се извърши промяна в системата обаче, е необходимо тя да се отвори и след това отново да се затвори, за да се проучи как реагира на смущаването (или промяната).

Хенри Луи Льо Шателие

След като бъде затворена, системата ще се върне в равновесие и начинът й за постигане на това може да се предвиди благодарение на този принцип. Новото равновесие съвпада ли със старото? Зависи от времето, на което системата е подложена на външни смущения; ако трае достатъчно дълго, новото равновесие е различно.

От какво се състои тя?

Следното химично уравнение съответства на реакция, достигнала до равновесие:

aA + bB <=> cC + dD

В този израз a, b, c и d са стехиометричните коефициенти. Тъй като системата е затворена, реагенти (A и B) или продукти (C и D) не влизат отвън, които нарушават равновесието.

Но какво точно означава баланс? Когато това е зададено, скоростите на напред (вдясно) и на обратната (вляво) реакция се изравняват. Следователно концентрациите на всички видове остават постоянни във времето.

Горното може да бъде разбрано по този начин: щом малко A и B реагират, за да произведат C и D, те реагират помежду си едновременно, за да регенерират консумираните A и B и така нататък, докато системата остава в равновесие.

Въпреки това, когато се прилага смущение към системата - независимо от добавянето на A, топлина, D или чрез намаляване на силата на звука, принципът на Le Chatelier предвижда как ще се държи, за да противодейства на причинените ефекти, въпреки че не обяснява механизма молекулярно, като му позволява да се върне в равновесие.

По този начин, в зависимост от направените промени, усещането за реакция може да бъде благоприятно. Например, ако В е желаното съединение, се осъществява промяна, така че равновесието се измества към неговото образуване.

Фактори, които променят химичния баланс

За да се разбере принципът на Льо Шателие, отлично приближение е да се приеме, че равновесието се състои от мащаб.

Видени от този подход, реагентите се претеглят в лявата тава (или кошницата), а продуктите се претеглят в дясната тава. Оттук прогнозирането на реакцията на системата (баланса) става лесно.

Промени в концентрацията

aA + bB <=> cC + dD

Двойната стрелка в уравнението представлява стъблото на везната и подчертаните тигани. Така че, ако количество (грамове, милиграми и т.н.) от A се добави към системата, ще има по-голяма тежест на десния тиган и балансът ще се наклони по този начин.

В резултат чинията C + D се повишава; с други думи, той придобива значение в сравнение с ястие A + B. С други думи: с добавянето на A (както при B) балансът измества продуктите C и D нагоре.

В химичен аспект, равновесието завършва изместване вдясно: към получаването на повече С и D.

Обратното се случва в случай, че количества C и D се добавят към системата: лявият тиган става по-тежък, което води до вдигане на дясното.

Отново това води до повишаване на концентрациите на А и В; следователно, се създава равновесно изместване вляво (реактивите).

Промени в налягането или обема

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

Промените в налягането или обема, причинени в системата, имат само забележимо въздействие върху видове в газообразно състояние. За по-високото химично уравнение обаче никоя от тези промени не би могла да промени равновесието.

Защо? Тъй като броят на общите бенки от двете страни на уравнението е един и същ.

Балансът ще се стреми да балансира промените в налягането, но тъй като и двете реакции (пряка и обратна) произвеждат едно и също количество газ, той остава непроменен. Например за следното химическо уравнение балансът отговаря на тези промени:

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

Тук, преди намаляване на обема (или увеличаване на налягането) в системата, балансът ще повиши тигана, за да намали този ефект.

Как? Понижаване на налягането, чрез образуването на Е. Това е така, тъй като А и В оказват повече налягане от Е, те реагират на понижаване на концентрациите си и увеличаване на това на Е.

По същия начин принципът на Le Chatelier прогнозира ефекта от увеличаване на обема. Когато това се случи, балансът трябва да противодейства на ефекта, като насърчава образуването на повече газообразни бенки, които възстановяват загубата на налягане; този път, изместване на везната вляво, повдигане на тига A + B.

Температурни промени

Топлината може да се счита за реактивна и за продукт. Следователно, в зависимост от енталпията на реакцията (ΔHrx), реакцията е екзотермична или ендотермична. Тогава топлината се поставя от лявата или дясната страна на химичното уравнение.

aA + bB + топлина <=> cC + dD (ендотермична реакция)

aA + bB <=> cC + dD + топлина (екзотермична реакция)

Тук загряването или охлаждането на системата генерира същите реакции, както в случай на промени в концентрациите.

Например, ако реакцията е екзотермична, охлаждането на системата благоприятства изместването на равновесието вляво; докато ако се нагрява, реакцията продължава с по-голяма тенденция вдясно (A + B).

Приложения

Сред безбройните му приложения, като се има предвид, че много реакции достигат равновесие, има следното:

В процеса на Хабер

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

Горното химично уравнение съответства на образуването на амоняк, едно от основните съединения, получени в индустриален мащаб.

Тук условията идеални за получаване на NH ₃ са тези, в които температурата не е много висока, а също така, когато са налице високи нива на налягане (200-1000 атм).

В градинарството

Лилавите хортензии (горно изображение) установяват баланс с алуминия (Al ³⁺), присъстващ в почвите. Присъствието на този метал, Люисова киселина, води до тяхното подкисляване.

Въпреки това, в основни почви цветята на хортензиите са червени, тъй като алуминият е неразтворим в тези почви и не може да се използва от растението.

Един градинар, запознат с принципа на Le Chatelier, може да промени цвета на хортензиите си, като умело подкиселява почвите.

При образуването на пещери