Изменение условий
Принцип Ле Шателье: концентрации
В 1884 году французский горный инженер Анри Ле Шателье, изучавший цементы и доменные газы, сформулировал правило, которым химики пользуются до сих пор.
functionПринцип Ле Шателье
Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, давление, температуру), равновесие смещается в сторону, ослабляющую это воздействие.
Принцип — качественная подсказка. Строгое объяснение даёт сравнение \(Q\) и \(K\). Добавили водород в равновесную смесь \(\ce{H2 + I2 <=> 2HI}\) — знаменатель \(Q\) вырос, \(Q < K\), реакция идёт вправо, пока \(Q\) снова не станет равным \(K\).
![Добавка водорода в равновесную смесь H2 + I2 <=> 2HI (K = 50): скачок [H2], затем иод расходуется, а HI прибывает до нового равновесия](/inorganic/fig/m08-lechat.svg?v=d6eb585a)
errorСмещение ослабляет, но не отменяет
После добавки водорода его новая равновесная концентрация (1,07 М) всё равно намного выше прежней (0,22 М). Система «сопротивляется» частично — иначе добавлять реагент было бы бессмысленно.
history_eduДва автора
Независимо от Ле Шателье то же правило в 1887 году сформулировал немецкий физик Карл Фердинанд Браун — тот самый, что изобрёл электронно-лучевую трубку и получил Нобелевскую премию 1909 года за радиотелеграфию. Поэтому иногда говорят о принципе Ле Шателье — Брауна.
scienceОпыт с роданидом железа
- \(\ce{Fe^3+ + SCN- <=> [FeSCN]^2+}\) — добавка \(\ce{FeCl3}\) или \(\ce{KSCN}\) усиливает красную окраску.
- \(\ce{Fe^3+ + 6F- -> [FeF6]^3-}\) — фторид связывает железо, и раствор обесцвечивается.
- \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HClO}\) — щёлочь связывает кислоты и смещает равновесие вправо; кислота, наоборот, выделяет хлор из хлорной воды и отбеливателя. Поэтому отбеливатель нельзя смешивать с кислотными чистящими средствами.
- \(\ce{2CrO4^2- + 2H+ <=> Cr2O7^2- + H2O}\) — жёлтое ⇄ оранжевое по кислотности.
Давление, инертный газ, катализатор
Сжатие смеси увеличивает все концентрации газов в одно и то же число раз \(f\); при этом \(Q_c\) умножается на \(f^{\Delta n}\). Если газов в продуктах меньше (\(\Delta n < 0\)), \(Q\) падает ниже \(K\) — равновесие смещается вправо. Отсюда правило: повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего числа молей газов.
| Реакция | \(\Delta n\) | Сжатие смещает |
|---|---|---|
| \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) | \(-2\) | вправо |
| \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\) | \(-1\) | вправо |
| \(\ce{N2O4 <=> 2NO2}\) | \(+1\) | влево |
| \(\ce{H2 + I2 <=> 2HI}\) | 0 | не смещает |
| \(\ce{C (тв) + CO2 <=> 2CO}\) | \(+1\) | влево |
errorИнертный газ
Если добавить аргон при постоянном объёме, парциальные давления реагентов не изменятся — равновесие не сместится, хотя общее давление выросло. Если добавить аргон при постоянном давлении, объём вырастет, парциальные давления упадут — равновесие сместится к большему числу молей газов, как при разбавлении.
infoКатализатор
Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции. Он не меняет \(K\) и положение равновесия, но позволяет достичь его быстрее. Если бы катализатор мог смещать равновесие, из него можно было бы построить вечный двигатель.
boltСчитайте только газы
Твёрдые вещества и жидкости в счёт \(\Delta n\) не идут. В реакции \(\ce{C (тв) + CO2 <=> 2CO}\) «слева одна молекула газа, справа две» — сжатие смещает влево.
Температура
Температура — особый фактор: она меняет саму константу. Для эндотермической реакции (\(\Delta H > 0\)) константа растёт с температурой, для экзотермической — падает. В терминах принципа: нагревание смещает равновесие в сторону поглощения теплоты.
edit_noteБурый газ в двух стаканах
\(\ce{2NO2 <=> N2O4}\), \(\Delta H = -57\) кДж. Ампулу с газом опускают в лёд — она почти обесцвечивается (преобладает \(\ce{N2O4}\)); в кипяток — становится тёмно-бурой (\(\ce{NO2}\)). При 25 °C диссоциировано около 20 % \(\ce{N2O4}\), при 100 °C — около 90 %.
| Воздействие | Меняет \(Q\)? | Меняет \(K\)? |
|---|---|---|
| добавка реагента / продукта | да | нет |
| сжатие (при \(\Delta n \ne 0\)) | да | нет |
| нагревание | нет (в первый момент) | да |
| катализатор | нет | нет |
auto_awesomeПогодные фигурки
Фигурки и бумажки, пропитанные хлоридом кобальта, синеют в сухую тёплую погоду и розовеют в сырую: \(\ce{[CoCl4]^2- + 6H2O <=> [Co(H2O)6]^2+ + 4Cl-}\). Здесь работают сразу два фактора — концентрация воды и температура.
scienceРавновесия, чувствительные к нагреву
- \(\ce{N2 + O2 <=> 2NO}\), \(\Delta H = +181\) кДж — оксид азота образуется в молниях и двигателях при высоких температурах.
- \(\ce{CaCO3 <=> CaO + CO2}\), \(\Delta H = +178\) кДж — давление \(\ce{CO2}\) над известняком достигает 1 атм около 900 °C.
- \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\), \(\Delta H = -198\) кДж — при нагревании выход \(\ce{SO3}\) падает.
- \(\ce{[CoCl4]^2- + 6H2O <=> [Co(H2O)6]^2+ + 4Cl-}\) — прямая реакция экзотермична: холодный раствор розовый, горячий синий.
push_pinГлавное
Принцип Ле Шателье: внешнее воздействие смещает равновесие в сторону его ослабления. Добавка реагента или удаление продукта — вправо; сжатие — к меньшему числу молей газов; нагревание — в сторону эндотермической реакции. Константу меняет только температура; изменения концентраций и давления меняют \(Q\), и система возвращается к прежней \(K\). Инертный газ при \(V = \text{const}\) и катализатор равновесие не смещают.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.