Principio di Le Chatelier: in cosa consiste e applicazioni
Il principio di Le Chatelier descrive la risposta di un sistema bilanciato per contrastare gli effetti causati da un agente esterno. Fu formulato nel 1888 dal chimico francese Henry Louis Le Chatelier. Viene applicato per qualsiasi reazione chimica che sia in grado di raggiungere l'equilibrio in sistemi chiusi.
Cos'è un sistema chiuso? È dove c'è il trasferimento di energia tra i suoi confini (ad esempio un cubo), ma non di materia. Tuttavia, per esercitare un cambiamento nel sistema è necessario aprirlo e quindi chiuderlo di nuovo per studiare come risponde al disturbo (o cambiare).
Una volta chiuso, il sistema tornerà all'equilibrio e il suo modo di realizzarlo può essere previsto grazie a questo principio. Il nuovo equilibrio è lo stesso del precedente? Dipende dal momento in cui il sistema è soggetto a disturbi esterni; Se dura abbastanza a lungo, il nuovo equilibrio è diverso.
In cosa consiste?
La seguente equazione chimica corrisponde a una reazione che ha raggiunto l'equilibrio:
aA + bB cC + dD
In questa espressione a, b, ced sono i coefficienti stechiometrici. Poiché il sistema è chiuso, nessun reagente (A e B) o prodotti (C e D) che disturbano l'equilibrio entrano dall'esterno.
Ma cosa significa esattamente equilibrio? Quando viene stabilito, le velocità della reazione diretta (a destra) e inversa (a sinistra) sono equalizzate. Pertanto, le concentrazioni di tutte le specie rimangono costanti nel tempo.
Quanto sopra può essere compreso in questo modo: basta reagire un po 'di A e B per produrre C e D, essi reagiscono l'uno con l'altro allo stesso tempo per rigenerare A e B consumati, e così via mentre il sistema rimane in equilibrio.
Tuttavia, quando viene applicato un disturbo al sistema, sia aggiungendo A, calore, D o riduzione del volume, il principio di Le Chatelier predice come si comporterà per contrastare gli effetti causati, sebbene non spieghi il meccanismo molecolare con cui ti permette di tornare in equilibrio.
Quindi, a seconda delle modifiche apportate, può essere favorito il senso di una reazione. Ad esempio, se B è il composto desiderato, un cambiamento viene esercitato in modo tale che l'equilibrio si sposti alla sua formazione.
Fattori che modificano l'equilibrio chimico
Per comprendere il principio di Le Chatelier, un approccio eccellente consiste nell'assumere che l'equilibrio consista in un equilibrio.
Visto da questo approccio, i reagenti vengono pesati sulla piastra sinistra (o sul cestello) e i prodotti vengono pesati sulla destra. Da qui, la previsione della risposta del sistema (il bilancio) diventa facile.
Cambiamenti di concentrazione
aA + bB cC + dD
La doppia freccia nell'equazione rappresenta il gambo del bilanciamento e la sottolineatura dei dischi volanti. Quindi, se al sistema viene aggiunta una quantità (grammi, milligrammi, ecc.) Di A, ci sarà più peso nel piatto giusto e la scala si inclinerà su quel lato.
Di conseguenza, la panoramica C + D aumenta; cioè, guadagna importanza di fronte al piatto A + B. In altre parole: prima dell'aggiunta di A (come di B) il saldo sposta i prodotti C e D verso l'alto.
In termini chimici, l'equilibrio finisce spostandosi a destra: verso la produzione di più C e D.
L'opposto si verifica nel caso in cui al sistema vengano aggiunte quantità di C e D: il disco volante sinistro diventa più pesante, facendo alzare quello giusto.
Di nuovo, questo si traduce in un aumento delle concentrazioni di A e B; pertanto, viene generato uno spostamento di equilibrio a sinistra (reagenti).
Cambiamenti di pressione o volume
aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)
Le variazioni di pressione o volume causate nel sistema hanno solo effetti notevoli sulle specie allo stato gassoso. Tuttavia, per l'equazione chimica superiore nessuna di queste alterazioni modificherebbe l'equilibrio.
Perché? Poiché la quantità di moli totali gassosi su entrambi i lati dell'equazione è la stessa.
L'equilibrio cercherà di bilanciare i cambiamenti di pressione, ma poiché entrambe le reazioni (diretta e inversa) producono la stessa quantità di gas, rimane invariata. Ad esempio, per la seguente equazione chimica il saldo risponde a questi cambiamenti:
aA (g) + bB (g) eE (g)
Qui, prima di una diminuzione del volume (o dell'aumento di pressione) nel sistema, la bilancia solleverà la piastra per ridurre questo effetto.
Come? Diminuendo la pressione, attraverso la formazione di E. Questo perché, poiché A e B esercitano una pressione maggiore di E, reagiscono per abbassare le loro concentrazioni e aumentare E.
Allo stesso modo, il principio di Le Chatelier predice l'effetto dell'aumento del volume. Quando ciò si verifica, l'equilibrio deve quindi neutralizzare l'effetto promuovendo la formazione di più moli gassosi che ripristinano la perdita di pressione; questa volta, spostando il bilanciamento verso sinistra, sollevando il piatto A + B.
Cambiamenti di temperatura
Il calore può essere considerato reattivo e prodotto. Pertanto, a seconda dell'entalpia della reazione (ΔHrx), la reazione è esotermica o endotermica. Quindi il calore viene posizionato sul lato sinistro o destro dell'equazione chimica.
aA + bB + calore cC + dD (reazione endotermica)
aA + bB cC + dD + calore (reazione esotermica)
Qui, il riscaldamento o il raffreddamento del sistema genera le stesse risposte che nel caso di cambiamenti nelle concentrazioni.
Ad esempio, se la reazione è esotermica, il raffreddamento del sistema favorisce lo spostamento dell'equilibrio a sinistra; mentre se è riscaldato, la reazione procede con una maggiore tendenza verso destra (A + B).
applicazioni
Tra le sue innumerevoli applicazioni, poiché molte reazioni raggiungono l'equilibrio, abbiamo il seguente:
Nel processo di Haber
N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) (esotermico)
L'equazione chimica superiore corrisponde alla formazione di ammoniaca, uno dei principali composti prodotti su scala industriale.
Qui, le condizioni ideali per ottenere NH 3 sono quelle in cui la temperatura non è molto elevata e, inoltre, dove ci sono alti livelli di pressione (da 200 a 1000 atm).
Nel giardinaggio
Le ortensie viola (immagine in alto) stabiliscono un equilibrio con l'alluminio (Al3 +) presente nei terreni. La presenza di questo metallo, l'acido di Lewis, provoca la loro acidificazione.
Tuttavia, nei terreni basici i fiori delle ortensie sono rossi, poiché l'alluminio è insolubile in detti terreni e non può essere utilizzato dalla pianta.
Un giardiniere che conosce il principio di Le Chatelier potrebbe modificare il colore delle sue ortensie attraverso l'intelligente acidificazione dei terreni.
Nella formazione di caverne
La natura sfrutta anche il principio di Le Chatelier per coprire i tetti cavernosi con stalattiti.
Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 - (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (ac) + H 2 O (l)
Il CaCO 3 (calcare) è insolubile in acqua, così come lo è il CO 2 . Quando il CO 2 fuoriesce, il saldo si sposta a destra; cioè, verso la formazione di più CaCO 3 . Ciò causa la crescita di quelle finiture appuntite, come quelle nell'immagine in alto.
