מבוא

עקרון ה- Principle של Le Chatelier הוא אבן הפינה של שיווי משקל כימי, המתאר כיצד מערכת במאזן מגיבה להפרעות חיצוניות.פורמולה על ידי כימאי הצרפתי לואי ל צ'אטלר ב 1884, העיקרון קובע כי אם איזון דינמי מופרע על ידי שינוי התנאים - כגון טמפרטורה, לחץ, צ'אט, או ריכוז - המערכת תשנה את עמדת שיווי המשקל שלה כדי להתמודד עם ההשפעה של ההפרעה, בעוד שהעיקרון הזה הוא לעתים קרובות נלמד כמו הנימוסמחץ האנרגטי, כמו גם על ידי דינמית, כלומר, כלומר, כלומר, לא רק על ידי דמנציה, אלא גם על ידי ⁇ , כמו ⁇ , כמו ⁇ , אלא גם את המיקום של חומר כימי, כמו ⁇ , אך ורק על ידי ⁇ , אך ורק על ידי ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Thermodynamic Basis of Le Chatelier's Principle

בליבתו, איזון כימי הוא מצב שבו שיעורי התגובה קדימה והפוך שווים, ואת המאפיינים המאקרוסקופיים של המערכת (ריכוז, לחץ, טמפרטורה) נשארים קבועים לאורך זמן.התרמודינמיקה מספקת מסגרת כמותית כדי להבין מדוע מערכת במאזן מתנגדת לשינוי וכיצד הוא מתאים כדי לשחזר את האיזון.

אנת'לפי וטבע של החלפת חום

אנת'לפי מייצג את תכולת החום הכוללת של מערכת בלחץ קבוע.עבור תגובה כימית כלשהי, השינוי ב-enthalpy ( ⁇ H) מצביע על כך שהחום ישוחרר (exthermic, ⁇ HFLT:0) כאשר תגובה נמצאת במאזן, השינויים הקדמיים והפוכים של ה-hhhhhhFLT הם שווים בגודל אך בניגוד לטמפרטורה משפיע ישירות על ההפצה של אנרגיה תרמית בין המולקולות ל-H:

(D)/dT = ⁇ H / (RT2)

מערכת יחסים זו מראה כי עבור תגובה אקספרסמית ( ⁇ HFLT:0) 0), עלייה בטמפרטורה K, לטובת מוצרים.המונח ההלכתי מספק מידה כמותית של איך הפרעות טמפרטורה משנה איזון.

אנטרופיה והדרך לכיוון הפרעת

אנטרופיה (S) מודדת את מידת ההפרעה או האקראיות במערכת.החוק השני של התרמודינמיות קובע כי תהליכים ספונטניים מגבירים את האנטרופיה הכוללת של היקום.עבור תגובה כימית, שינוי האנטרופי ( ⁇ S) נובע משינויים במספר המולקולות גזיות, מורכבות מולקולרית, ומחייבת מעברים.

גיבס אנרגיה חופשית והקריטריון ל Equilibrium

שינוי האנרגיה החופשי של גיבס ( ⁇ G) משלב enthalpy ו entropy: ⁇ G = ⁇ H - T ⁇ S בטמפרטורה מתמדת ולחץ, תגובה מתקדמת באופן ספונטני בכיוון שבו ⁇ G <0. at Balance, ⁇ G = 0, כלומר לא שינוי נטו משתנה - לדוגמה, שינוי בריכוז או ⁇ G הופך ללא איזון, נהיגה זה עד לעקרון הדימום הוא שוב "L" ="כוח" = "ד" (L" (L) הוא חוזר" (L) של מערכת איזון נקי יותר.

⁇ G ° = -RT ln K

כאשר ⁇ G ° הוא שינוי אנרגיה חינם גיבס סטנדרטי.משוואה זו מאמת את התחזיות האיכותיות של Le Chatelier עם תרמודינמיקה כמותית: כל שינוי כי שינויים ⁇ G הרחק מאפס יוצב על ידי שינוי בציטוט התגובה מכסה Q לכיוון K, או שינוי K עצמו (אם הטמפרטורה היא מגוונת).

כיצד הפרעות משמרות את Equilibria: A Thermodynamic View

הבנת הפרמטרים התרמודינמיים מאפשרת כימאים לנתח באופן שיטתי את ההשפעה של כל סוג של הפרעה.הסעיפים הבאים לבחון טמפרטורה, לחץ, ושינויים ריכוז הן מנקודת מבט איכותית ואפרימית.

שינויי טמפרטורה

הטמפרטורה היא ייחודית בין הפרעות כי היא משנה ישירות את הערך של קבוע שיווי המשקל K. כפי שמוצג על ידי משוואה ואן לא Hoff, הסימן של ⁇ H קובע כיצד K משתנה עם טמפרטורה.חשב התגובה הסינתזה של אמוניה (תהליך Haber):

N2(g) + 3H2(g) ⁇ 2NH3(g) ⁇ H=-92.4 kJ / mol (exthermic)

לפי העיקרון של לה צ'אטלר, הטמפרטורה הגוברת צריכה לשנות את האיזון לשמאל (לתגובה חיצונית) כי התגובה קדימה היא אקסותרמית.thermoדינמיתally, משוואה ה- van't Hoff צופה כי K יורד כמו T מגביר, מאשר את השינוי.conversely, עבור פירוק של פחמן סידן (endmic אחר):

CaCO3(s) ⁇ CaO(s) + CO2(g) ⁇ H= +178 kJ / mol

הגדלת הטמפרטורה K, לטובת היווצרות המוצר (CO2 ו- CaO) גודל השינוי תלוי בערך המוחלט של ⁇ H ואת הטמפרטורה הראשונית הבנה של כימאים אלה מאפשר אופטימיזציה של התגובה תשואות על ידי שליטה קפדנית טמפרטורה, עיקרון מנוצל בתהליכים תעשייתיים רבים.

שינויים בלחץ ובנפח

שינויים בלחץ משפיעים רק על תגובות מעורבים גזים, והם משפיעים על שיווי משקל רק אם מספר השונים של מגיבים גזיים שונים מזה של מוצרים גזיים. עבור תהליך Haber, בצד שמאל יש 4 מ"חות גז (1 N2 + 3 H2) והצד הימני יש 2 שומות (2G 3). הגדלת הלחץ (ירידה בנפח) לנכון, פחות גזים, כמו צ'אטים פוטנציאליים של לחץ כימי (Dy) הוא לחץ דם) עבור לחץ כימי (Divers) הוא לחץ חיצוני (Divers) הוא לחץ דם מינימלי (Divers) או לחץ דם מינימלי (Dicial) עבור לחץ).

(P NH3)2 / P N2-(P H2)

כאשר הלחץ הכולל עולה, הלחץ החלקי של כל הגזים גדל באופן יחסי.כי למכנה של Q יש השפעה גבוהה יותר (4) מאשר המבודד (2), Q יורד יחסית ל-K, יצירת ⁇ G <0 עבור התגובה קדימה.המערכת עוברת ימינה עד Q שווה שוב קונפורמנטלי, לחץ (תוך הקלה) משנה את שיווי המשקל לכיוון זה יותר מאשר מערכת יחסים מתוחכמות יותר.

שינויים

הוספת או הסרת תגובה או מוצר אינה משנה K בטמפרטורה קבועה, אבל זה משנה את התגובה מכסה Q. לדוגמה, בתהליך Haber, אם תוספת N2 הוא הוסיף, Q הופך פחות מ K כי המכנה מגבירה.המערכת מגיבה על ידי צריכת NK2 נוסף יחד עם H2 כדי לייצר יותר NH3 עד K. = שוב שינוי דינמי מופעל על ידי שינוי מיידי של t.

המונחים: Equilibrium Constant and Thermodynamics

העיקרון של לה צ'אטלר יכול להיעשות כמותי באמצעות קבוע שיווי המשקל.

A+ BB ⁇ cC + dD

האיזון הקבוע מבחינת ריכוזים (K c) או לחצים חלקיים (K p) הוא:

[ב] ב'[עריכת קוד מקור | עריכה]

בטמפרטורה נתונה, K הוא קבוע (כל עוד התגובה אינה מושפעת משינויים בחוזק איטוני או התנהגות לא-אידאלית) כאשר התנאים משתנים, המערכת משתנה כך ש-Q חוזר ל-K. לשינויים בטמפרטורה, K עצמו משתנה, וה-K החדש יכול להיות מחושב באמצעות טופס משולב של ואן לא Hoff:

ln(K2/K1) =: ⁇ H/R (1/T2 - 1/T1)

משוואה זו היא ביטוי תרמודינמי ישיר של העיקרון של Le Chatelier. זה מאפשר כימאים לחזות בדיוק כמה מצב שיווי משקל ישתנה לשינוי טמפרטורה נתון, ללא ניסויים ריצה. בפועל, זה משמש בהנדסה כימית לתכנון כורים וייעלות. לדוגמה, בתהליך Haber, למרות טמפרטורה נמוכה מעדיף היווצרות אמוניה (exmic), התגובה היא איטית מדי בטמפרטורות נמוכות מדי, 000, 000 ידוע עם חישוב HR.

לשינויים בלחץ, ניתן לחשב את ההשפעה על קומפוזיציה שיווי משקל באמצעות ביטוי קבוע של איזון במונחים של שברים לקויים ולחץ מוחלט.

K p = K x P^{ ⁇ n

כאשר ⁇ n= (c+d) - (a+b), ו-K x הוא קבוע שיווי המשקל במונחים של שברים לקויים.הגדלת P משנה את האיזון לכיוון הצד עם פחות פגמים אם ⁇ n < 0, ואת ההרכב החדש ניתן לפתור על ידי שילוב האיזון עם האיזון המסה. גישה תרמודינמית זו מספקת מספרים מדויקים, לא רק תחזיות כיוון.

יישומים מעשיים בתעשייה כימית

העיקרון של לה צ'אטלר, המוצב בתרמודינמיקה, חיוני לתכנון ולשליטה בתהליכים כימיים תעשייתיים.הדוגמאות הבאות ממחישות את היישום שלו.

Ammonia Synthesis (תהליך Haber-Bosch)

תהליך Haber-Bosch הוא הדוגמה הקינטית של יישום העיקרון של Le Chatelier. as ציין, התגובה היא אקסותרמית ומפחיתה את מספר השופות גזים.כדי למקסם את התשואות האמוניה, מהנדסים ישתמשו באופן אידיאלי בטמפרטורה נמוכה ולחץ גבוה.עם זאת, הקינטיקה מגבילה את הטמפרטורה הנמוכה: אנרגיית ההפעלה גבוהה ללא זרז, התגובה היא בדרך כלל נמוכה של צריכת חום, כלומר, כלומר, לחץ נמוך של 150 מעלות צלזיוס.

Sulfur Trioxide הפקה (תהליך מגע)

בתהליך יצירת קשר עבור חומצה sulfuric, sulfur דו חמצני הוא חמצון to sulfur trioxide:

2SO2(g) + O2(g) ⁇ 2SO3(g) ⁇ H=-198 kJ / mol

תגובה זו גם כרוכה ירידה בשעוני גז (מ-3 עד 2) על פי Le Chatelier, טמפרטורה נמוכה ולחץ גבוה מעדיף היווצרות SO3. עם זאת, נמוך מדי טמפרטורה מאטה את התגובה, כך הטמפרטורה של כ -400-450 מעלות C משמשת עם זרז ניירת אננדה.H הוא בדרך כלל אטמוספרי או מעט גבוה, כי השמנת יתר כבר גבוהה בלחץ נמוך בשל לחץ סביר על ידי מערכת ההפעלה התרמודינמית - טיפולית של מערכת ההפעלה אופטימלית של KDA.

Methanol Synthesis

Methanol מיוצר מגז סינתזה (CO ו-H2):

2H2(g) ⁇ CH3OH(g) ⁇ H=90.7 kJ/mol

תגובה זו היא אקסותרמית ומפחיתה את נפח (3 שומות לשחה אחת) תעשייתית, היא מתבצעת ב-200-300 מעלות צלזיוס ו-50-100 במטר על זרז נחושת /zinc. חישובים הירומוזינמיים באמצעות משוואה ההוף צופה את ההמרה בכל טמפרטורה ולחץ, המנחה את העיצוב של הכור.

דוגמאות אלה מראות כי נתונים תרמודינמיים - שינויים חד-צדדיים, שינויים אנטרופיים, וקבועי איזון - אינם רק אקדמיים אלא משמשים מדי יום על ידי מהנדסים כימיים כדי לעצב תהליכים יעילים.עקרון של Le Chatelier מספק את המסגרת המושגית האיכותית, בעוד תרמודינמיקה מספקת את הכוח הכמותי.

תפיסות מוטעות נפוצות וקלרנס

למרות האלגנטיות שלו, העיקרון של לי צ'אטלר הוא לעתים לא מובן.שגיאה נפוצה אחת היא לחשוב כי "לדבר את האיזון" פירושו המערכת בדיוק הפוך את השינוי.למעשה, השינוי רק באופן חלקי מול את ההפרעה, ואת האיזון החדש לא יהיה את אותם התנאים כמו קודם לכן, למשל, מגביר את הטמפרטורה באופן קבוע תגובה חיצונית שמאלה, אבל הטמפרטורה הסופית נותרה גבוהה יותר מאשר את המספר המוטעות, כולל שינוי גזים חלקית, אם לא משנה, אם זה לא משנה את הלחץ באופן קבוע, אלא גם את הלחץ באופן קבוע, אם הוא לא משנה את הלחץ באופן קבוע.

מסקנה

[העיקרון] של צ'אטלייר, כאשר הוא נצפה דרך העדשה של תרמודינמיקה, הופך מעיקרון פשוט לתוך כלי רב עוצמה, על ידי הבנת התפקידים של enthalpy, entropy, ו- גיבס אנרגיה חופשית, כימאים יכולים לצפות לא רק את הכיוון של שינויים באקלים, אלא גם את מידת המשוואה ה-Hundia ומערכת היחסים בין ⁇ G ולספק את העיקרון המתמטי ל-Livreligicial ל-L.