Het principe van Le Chatelier beschrijft de reactie van een systeem in evenwicht om de effecten van een externe agent tegen te gaan. Het werd in 1888 geformuleerd door de Franse chemicus Henry Louis Le Chatelier. Het wordt toegepast op elke chemische reactie die in staat is om een ​​evenwicht te bereiken in gesloten systemen.

Wat is een gesloten systeem? Het is er een waarbij er een overdracht is van energie tussen zijn grenzen (bijvoorbeeld een kubus), maar niet van materie. Om een ​​wijziging in het systeem aan te brengen, is het echter nodig om het te openen en vervolgens weer te sluiten om te bestuderen hoe het reageert op de storing (of verandering).

Henry Louis Le Chatelier

Eenmaal gesloten, keert het systeem terug naar evenwicht en dankzij dit principe kan de manier waarop dit wordt bereikt, worden voorspeld. Is het nieuwe evenwicht hetzelfde als het oude? Het hangt af van de tijd waarin het systeem wordt blootgesteld aan externe storingen; als het lang genoeg duurt, is het nieuwe evenwicht anders.

Waar bestaat het uit?

De volgende chemische vergelijking komt overeen met een reactie die een evenwicht heeft bereikt:

aA + bB <=> cC + dD

In deze uitdrukking zijn a, b, c en d de stoichiometrische coëfficiënten. Omdat het systeem gesloten is, komen er geen reactanten (A en B) of producten (C en D) van buitenaf die het evenwicht verstoren.

Maar wat houdt balans precies in? Wanneer dit is ingesteld, worden de snelheden van de voorwaartse (naar rechts) en omgekeerde (naar links) reactie gelijk. Bijgevolg blijven de concentraties van alle soorten constant in de tijd.

Het bovenstaande kan als volgt worden begrepen: zodra een beetje A en B reageren om C en D te produceren, reageren ze tegelijkertijd met elkaar om de verbruikte A en B te regenereren, enzovoort, terwijl het systeem in evenwicht blijft.

Wanneer het systeem echter wordt verstoord - hetzij door toevoeging van A, warmte, D of door het volume te verminderen -, voorspelt het principe van Le Chatelier hoe het zich zal gedragen om de veroorzaakte effecten tegen te gaan, hoewel het het mechanisme niet verklaart. moleculair door het terug te laten keren naar evenwicht.

Dus, afhankelijk van de aangebrachte wijzigingen, kan het gevoel van een reactie worden bevorderd. Als B bijvoorbeeld de gewenste verbinding is, wordt een verandering uitgeoefend zodat het evenwicht verschuift naar zijn vorming.

Factoren die de chemische balans wijzigen

Om het principe van Le Chatelier te begrijpen, is een uitstekende benadering om aan te nemen dat evenwicht uit een schaal bestaat.

Vanuit deze benadering bezien worden de reagentia in de linker pan (of mand) gewogen en worden de producten in de rechter pan gewogen. Vanaf hier wordt de voorspelling van de reactie van het systeem (de balans) eenvoudig.

Veranderingen in concentratie

aA + bB <=> cC + dD

De dubbele pijl in de vergelijking stelt de steel van de balans voor en de onderstreepte pannen. Dus als er een hoeveelheid (gram, milligram, etc.) van A aan het systeem wordt toegevoegd, komt er meer gewicht op de rechterpan en zal de balans naar die kant kantelen.

Als resultaat stijgt de C + D-plaat; dat wil zeggen, het wint aan belang in vergelijking met gerecht A + B. Met andere woorden: met toevoeging van A (zoals bij B) verschuift de balans producten C en D naar boven.

Chemisch gezien verschuift het evenwicht naar rechts: naar de productie van meer C en D.

Het omgekeerde doet zich voor als er hoeveelheden C en D aan het systeem worden toegevoegd: de linkerpan wordt zwaarder, waardoor de rechterpan omhoog gaat.

Dit resulteert wederom in een stijging van de concentraties van A en B; daarom ontstaat er een evenwichtsverschuiving naar links (de reactanten).

Veranderingen in druk of volume

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

Veranderingen in druk of volume die in het systeem worden veroorzaakt, hebben alleen merkbare effecten op soorten in gasvormige toestand. Voor de hogere chemische vergelijking zou echter geen van deze wijzigingen het evenwicht wijzigen.

Waarom? Omdat het totale aantal molen gas aan beide zijden van de vergelijking hetzelfde is.

De balans zal proberen de drukveranderingen in evenwicht te brengen, maar aangezien beide reacties (direct en omgekeerd) dezelfde hoeveelheid gas produceren, blijft het ongewijzigd. Voor de volgende chemische vergelijking reageert de balans bijvoorbeeld op deze veranderingen:

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

Hier, in het licht van een afname van het volume (of toename van de druk) in het systeem, zal de balans de pan verhogen om dit effect te verminderen.

Hoe? Het verlagen van de druk, door de vorming van E. Dit komt doordat, als A en B meer druk uitoefenen dan E, ze reageren om hun concentraties te verlagen en die van E.

Evenzo voorspelt het Le Chatelier-principe het effect van een toenemend volume. Wanneer dit gebeurt, moet de balans het effect tegengaan door de vorming van meer gasvormige molen te bevorderen die het drukverlies herstellen; deze keer de balans naar links verschuiven, pan A + B optillen.

Temperatuurveranderingen

Warmte kan zowel als reactief als als product worden beschouwd. Daarom is de reactie, afhankelijk van de reactie-enthalpie (ΔHrx), exotherm of endotherm. Vervolgens wordt de warmte aan de linker- of rechterkant van de chemische vergelijking geplaatst.

aA + bB + warmte <=> cC + dD (endotherme reactie)

aA + bB <=> cC + dD + warmte (exotherme reactie)

Hier wekt het verwarmen of koelen van het systeem dezelfde reacties op als bij concentratieveranderingen.

Als de reactie bijvoorbeeld exotherm is, bevordert het koelen van het systeem de verplaatsing van het evenwicht naar links; terwijl als het wordt verwarmd, de reactie doorgaat met een grotere neiging naar rechts (A + B).

Toepassingen

Onder de ontelbare toepassingen, gezien het feit dat veel reacties een evenwicht bereiken, zijn er de volgende:

In het proces van Haber

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

De bovenste chemische vergelijking komt overeen met de vorming van ammoniak, een van de belangrijkste verbindingen die op industriële schaal worden geproduceerd.

Hier de ideale omstandigheden voor het verkrijgen NH ₃ zijn die waarin de temperatuur is niet erg hoog en evenzo waar hoge druk (200 tot 1000 atm).

In tuinieren

De paarse hortensia's (afbeelding bovenaan) zorgen voor een balans met het in de bodem aanwezige aluminium (Al ³⁺ ). De aanwezigheid van dit metaal, Lewis-zuur, resulteert in hun verzuring.

In basale bodems zijn de bloemen van hortensia's echter rood, omdat aluminium in deze bodems onoplosbaar is en niet door de plant kan worden gebruikt.

Een tuinman die bekend is met het Le Chatelier-principe zou de kleur van zijn hortensia's kunnen veranderen door de bodems slim te verzuren.

Bij de vorming van grotten