עקרון לה שטלייה מתאר את התגובה של מערכת בשיווי משקל כדי לנטרל את ההשפעות שנגרמו על ידי גורם חיצוני. זה גובש בשנת 1888 על ידי הכימאי הצרפתי הנרי לואי לה שאטלייה. זה מוחל על כל תגובה כימית המסוגלת להגיע לשיווי משקל במערכות סגורות.

מהי מערכת סגורה? זהו אחד שבו יש העברת אנרגיה בין גבולותיה (למשל קוביה), אך לא של חומר. עם זאת, בכדי לבצע שינוי במערכת יש לפתוח אותה ואז לסגור אותה שוב כדי ללמוד כיצד היא מגיבה להפרעה (או לשינוי).

הנרי לואי לה שאטלייה

לאחר סגורה המערכת תחזור לאיזון וניתן לחזות את דרכה להשיג זאת בזכות עיקרון זה. האם שיווי המשקל החדש זהה לזה שישן? זה תלוי בזמן בו המערכת נתונה להפרעה חיצונית; אם זה נמשך מספיק זמן, שיווי המשקל החדש שונה.

ממה זה מורכב?

המשוואה הכימית הבאה מקבילה לתגובה שהגיעה לשיווי משקל:

aA + bB <=> cC + dD

בביטוי זה a, b, c ו- d הם המקדמים הסטויו-מטריים. מכיוון שהמערכת סגורה, אין מגיבים (A ו- B) או מוצרים (C ו- D) נכנסים מבחוץ שמפריעים לשיווי המשקל.

אבל מה המשמעות של איזון בדיוק? כאשר זה מוגדר, שיעורי התגובה קדימה (מימין) וההפוך (משמאל) משתווים. כתוצאה מכך, הריכוז של כל המינים נשאר קבוע לאורך זמן.

ניתן להבין את האמור לעיל בדרך זו: ברגע שמעט A ו- B מגיבים לייצור C ו- D, הם מגיבים אחד עם השני בו זמנית כדי לחדש את ה- A וה- B הנצרכים, וכן הלאה, כל עוד המערכת נשארת בשיווי משקל.

עם זאת, כאשר מיושמת הפרעה למערכת - על ידי הוספת A, חום, D או על ידי הפחתת עוצמת הקול-, העיקרון של לה שאטליר מנבא כיצד הוא יתנהג כנגד ההשפעות שנגרמו, אם כי אינו מסביר את המנגנון מולקולרית בכך שהיא מאפשרת לחזור לשיווי משקל.

לפיכך, בהתאם לשינויים שבוצעו, ניתן להעדיף את תחושת התגובה. לדוגמא, אם B היא התרכובת הרצויה, מופעל שינוי כך שיווי המשקל יעבור להיווצרותו.

גורמים המשנים את האיזון הכימי

כדי להבין את העיקרון של לה שאטלייה, קירוב מצוין הוא להניח שהשיווי משקל מורכב מסולם.

מנקודה זו נראים המשקלים נמרצים על התבנית השמאלית (או הסל) והמוצרים נשקלים על התבנית הימנית. מכאן, התחזית לתגובת המערכת (האיזון) הופכת לקלה.

שינויים בריכוז

aA + bB <=> cC + dD

החץ הכפול במשוואה מייצג את גזע האיזון ואת המחבתות הקווים תחתון. כך שאם תתווסף כמות (גרם, מיליגרם וכו ') של A למערכת, יהיה יותר משקל על התבנית הימנית והאיזון יטה לצד זה.

כתוצאה מכך, צלוחית ה- C + D עולה; במילים אחרות, זה מקבל חשיבות בהשוואה למנה A + B. במילים אחרות: בתוספת A (כמו B) האיזון מעביר את המוצרים C ו- D כלפי מעלה.

במונחים כימיים, שיווי המשקל בסופו של דבר עובר ימינה: לעבר ייצור של יותר C ו- D.

ההפך מתרחש אם מוסיפים למערכת כמויות של C ו- D: התבנית השמאלית הופכת לכבדה יותר, וגורמת לתבנית הימנית להתרומם.

שוב, הדבר מביא לעלייה בריכוזי A ו- B; לפיכך נוצר שינוי שיווי משקל שמאלה (המגיבים).

שינויים בלחץ או בנפח

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

לשינויים בלחץ או בנפח הנגרמים במערכת יש רק השפעות בולטות על המינים במצב הגזי. עם זאת, עבור המשוואה הכימית הגבוהה אף אחת מהשינויים הללו לא תשנה את שיווי המשקל.

למה? מכיוון שמספר שומות הגז הכולל משני צידי המשוואה זהה.

האיזון יבקש לאזן את שינויי הלחץ, אך מכיוון ששתי התגובות (הישירות וההופכות) מייצרות את אותה כמות גז, הוא נותר ללא שינוי. לדוגמה, למשוואה הכימית הבאה היתרה אכן מגיבה לשינויים אלה:

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

כאן, מול ירידה בנפח (או עליית לחץ) במערכת, האיזון יעלה את התבנית כדי להפחית השפעה זו.

אֵיך? הפחתת הלחץ, דרך היווצרות של E. זאת מכיוון שככל ש- A ו- B מפעילים לחץ רב יותר מ- E, הם מגיבים להפחתת הריכוז שלהם ולהגדיל את זה של E.

באופן דומה, עקרון Le Chatelier מנבא את ההשפעה של הגדלת הנפח. כאשר זה מתרחש, אז האיזון צריך לנטרל את ההשפעה על ידי קידום היווצרות שומות גזים יותר המחזירות את אובדן הלחץ; הפעם, העברת האיזון שמאלה, הרמת מחבת A + B.

שינויי טמפרטורה

אפשר לראות בחום תגובתי וגם כמוצר. לפיכך, תלוי באנטלפיה של התגובה (ΔHrx), התגובה היא אקסותרמית או אנדותרמית. ואז החום ממוקם בצד שמאל או ימין של המשוואה הכימית.

aA + bB + חום <=> cC + dD (תגובה אנדותרמית)

aA + bB <=> cC + dD + חום (תגובה אקסותרמית)

כאן, חימום או קירור של המערכת מייצרים את אותן תגובות כמו במקרה של שינויים בריכוזים.

לדוגמה, אם התגובה אקסותרמית, קירור המערכת מעדיף את עקירת שיווי המשקל שמאלה; בעוד שאם הוא מחומם, התגובה נמשכת עם נטייה גדולה יותר לימין (A + B).

יישומים

בין אין ספור היישומים שלה, בהתחשב בכך שתגובות רבות מגיעות לשיווי משקל, ישנם הדברים הבאים:

בתהליך של הבר

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

המשוואה הכימית העליונה מקבילה ליצירת אמוניה, אחת התרכובות העיקריות המיוצרות בקנה מידה תעשייתי.

כאן התנאים האידיאליים להשגת NH ₃ הם התנאים בהם הטמפרטורה אינה גבוהה במיוחד וכמו כן, כאשר ישנן רמות לחץ גבוהות (200 עד 1000 אטמוספירה).

בגינון

ההידראנגאה הסגולה (תמונה עליונה) מייצרת איזון עם האלומיניום (Al ³⁺ ) הקיים בקרקעות. נוכחות המתכת הזו, חומצת לואיס, מביאה להחמצתן.

עם זאת, בקרקעות בסיסיות פרחי ההידראנגאה הם אדומים, מכיוון שאלומיניום אינו מסיס בקרקעות אלה ואינו יכול לשמש את הצמח.

גנן המכיר את עיקרון לה שאטלייר יכול לשנות את צבע ההידראנגאה שלו על ידי החמצת אדמה בקרקע.

בהיווצרות מערות