Принцип Ле Шателье

Равновесие сохраняется, пока не меняются условия. Если изменить температуру, давление или концентрацию одного из веществ, скорости прямой и обратной реакций станут разными, и концентрации начнут меняться, пока не установится новое равновесие. Происходит смещение равновесия — вправо (в сторону продуктов) или влево (в сторону исходных веществ). Направление смещения предсказывает правило, сформулированное А. Ле Шателье в 1884 году.

Формулировка

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, равновесие сместится в сторону того процесса, который ослабляет это воздействие. Система как бы сопротивляется изменению: нагреваем — она поглощает теплоту, сжимаем — уменьшает число молекул газа, добавляем вещество — расходует его.

Три вида воздействий

Температура. При нагревании равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при охлаждении — в сторону экзотермической. Синтез аммиака \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3} + Q\) экзотермичен, поэтому нагревание смещает равновесие влево, к азоту и водороду.

Давление влияет на равновесия с участием газов, если число моль газов слева и справа различается. Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего числа моль газов, понижение — в сторону большего. В синтезе аммиака слева \(1 + 3 = 4\) моль газов, справа 2, поэтому сжатие смещает равновесие вправо. Твёрдые вещества и жидкости при подсчёте не учитывают.

Концентрация. Добавление реагента или удаление продукта смещает равновесие вправо; добавление продукта или удаление реагента — влево. Поэтому в промышленности аммиак непрерывно выводят из смеси, сжижая его.

Отсюда противоречие синтеза аммиака: охлаждение выгодно для выхода, но замедляет реакцию. На практике выбирают компромисс — около 450 °C, давление 20–30 МПа и катализатор, а аммиак выводят из смеси.