A Le Chatelier-elv

Vegyünk egy kémiai reakciót, amelyben az A és B molekulák dinamikus egyensúlyban vannak a C és D molekulákkal. Ez azt jelenti, hogy az odaalakulás sebessége ugyanannyi, mint a visszaalakulásé, vagyis a fordított reakcióé. Az A, B, C, és D egyensúlyi koncentrációban vannak jelen, így ki tudjuk számítani az egyensúlyi állandót is. Újra megismétlem, amit korábban már vagy négyszer elmondtam: Az, hogy az oda- és visszaalakulás reakciósebessége egyenlő, nem jelenti azt, hogy minden koncentráció egyenlő. Az egyes molekulák koncentrációja nagyon különböző lehet. Csupán változni nem fognak, mivel a reakciósebesség mindkét irányban egyenlő. Ebből az egyensúlyi állapotból kiindulva, mi fog történni, ha további 'A' anyagot adunk a rendszerhez? Emlékezzünk vissza, a rendszer egyensúlyban volt. A koncentrációk állandók voltak. Most azonban egyszercsak további 'A' anyagot adunk a rendszerhez. Most az A és B részecskék között (bár B molekulákból semennyit sem adtunk a rendszerhez) kicsit nagyobb eséllyel következik be hatásos ütközés, így az átalakulás valószínűbbé válik. További 'A' anyagot adva a rendszerhez, több 'A' molekula lesz jelen. Ezek többször ütköznek össze B molekulákkal, így a B mennyisége kissé csökken, hiszen több B fogy. Ami ennél is fontosabb, a C és a D mennyisége biztosan nőni fog. Tehát ez történik az 'A' anyag hozzáadására. Az A molekulák valamivel több B molekulával ütköznek, így az odaalakulás sebessége hirtelen meghaladja a visszaalakulás sebességét. A reakció tehát ebbe az irányba tolódik. Így több C és D molekula keletkezik, ezek némelyike pedig nagyobb eséllyel ütközik össze, és alakul vissza. Végül egy új egyensúlyi állapot alakul ki. De a lényeg az, hogy az A-ból egy kicsivel több lesz jelen, a B-ből pedig egy kicsit kevesebb, mivel B-t nem adtunk a rendszerhez. B-ből több használódik el arra, hogy reagáljon a hozzáadott többlet A-val. Így több C és D keletkezik az egyensúlyban. Elképzelhetjük, hogy ha az A mellett a B-ből is többet adnánk a rendszerhez, akkor a reakció még inkább eltolódik az odaalakulás irányába. Ez nem valami egetrengető felismerés. Nyilvánvaló, hogy ha megzavarjuk a reakciót, úgy, hogy felesleget adunk hozzá ezen az oldalon, akkor a másik irányba fog eltolódni, amivel enyhíti a zavaró hatást. Több A anyag hozzáadása nyomán több A molekula ütközik a B molekulákkal, és egy kicsivel több B fogy. Ha mindkettőből adunk, akkor még erősebb lesz a hatás. Hasonlóképpen – felírom a reakciót egy másik színnel. A+B dinamikus egyensúlyban van C+D-vel. Ha több C anyagot adunk hozzá – gondolom, sejted, mi fog történni. Ez több A és B keletkezéséhez vezet, és valamivel több D-t fogyaszt el. És persze a C és D együttes hozzáadása jóval több A és B keletkezéséhez vezet. Mindez eléggé logikusnak tűnik, és kapott egy különleges nevet: ez a Le Chatelier-elv. A videókban már láthattad, hogy oda kell figyelnem a helyesírásra. Az elv kimondja, hogy ha megzavarunk egy egyensúlyi reakciót, az annak a folyamatnak kedvez, amely a zavaró hatást csökkenti. A reakció megzavarásán olyasmit értünk, mint például több 'A' anyag hozzáadása, így a reakció az odaalakulás felé tolódik el, ezzel csökkentve a „stresszt”, amit az 'A' anyag okozott. Ez tehát nem a hétköznapi értelemben vett stressz, hanem valamilyen zavaró hatás, ami megváltoztatja a korábbi állapotot, az eddig kényelmes, stabil környezetet. A Le Chatelier-elv ismeretében vizsgáljunk meg néhány további helyzetet. Tételezzük fel, hogy az A+B reakcióban hőfelvétel történik, így keletkezik C+D és emellett kevés E is. Vajon hőközlés hatására mi történik ebben a rendszerben? Az odaalakulási reakcióhoz hő szükséges. Minél több hőt közlünk, annál inkább az odaalakulás megy végbe. A Le Chatelier-elv alapján a hőközlés megzavarta az egyensúlyt, ez annak a folyamatnak kedvez, amely ezt a zavarást csökkenti. A zavarás csökkentésére ez a folyamat alkalmas, ezért az 'A' anyagból több fogy. Az 'A' anyag egyensúlyi koncentrációja csökkenni fog. A B koncentrációja is csökken, mert ebből is több használódik fel. Az odaalakulási reakció felerősödik, és nő a C, D és E mennyisége. Ellenkező esetben... (hadd töröljem le az előbbieket) most hőközlés helyett végezzünk hőelvonást. Tehát hőelvonást végzünk. Lássuk, működik-e e kurzor. Tehát a hőelvonás melyik folyamatnak kedvez? Nos, ez az ellentétes irányú folyamatnak kedvez, hiszen itt kevesebb lesz a hő, úgy értem, a rendszer egészében. Kevesebb hő jut ennek a reakciónak az elősegítésére, tehát a visszaalakulás kerül túlsúlyba az odaalakulással szemben. Hőelvonás hatására az odaalakulás sebessége csökken, a visszaalakulásé nő, a folyamat eltolódik ebbe az irányba, vagyis ez a visszaalakulásnak kedvez. Lássunk egy másik tényezőt, a nyomást. Legyen a példánk a már említett Haber-Bosch-szintézis. 1 mól nitrogéngáz és 3 mól hidrogéngáz, amelyek 2 mól ammóniagázzal vannak egyensúlyban. Mi történik, ha növeljük a nyomást ebben a rendszerben? A nyomás mindent összeprésel, noha a térfogat nem feltétlenül csökken, de a molekulákra olyan erő hat, amely közelebb kényszeríti őket egymáshoz. Ezt a zsúfoltságot az enyhítené, ha a molekulák száma csökkenne. Idézz fel egy összefüggést: pV = nRT. Ezzel már többször is találkoztunk, igaz? Úgy is felírhatjuk, hogy p = nRT/V. Mivel enyhíthető a nyomásnövelés hatása? Ne feledd, a Le Chatelier-elv szerint olyan folyamat megy végbe, amely csökkenti a zavaró hatást. Az egyensúly annak a folyamatnak az irányba tolódik el, amely a zavaró hatást csökkenti. A molekulák számának a csökkenése csökkenti a nyomást, igaz? Kevesebb részecske ütközik egymásnak. Ha tehát csökkentjük a molekulák számát, azzal láthatóan... ...mégsem így kellett volna írnom, mert ez nem egy puszta egyenlőség, de szeretném így bemutatni. Hadd töröljem le. Mégsem ez a jó módszer. Ha van egy tartályunk... nem, így nem jó. Ha... megint nem jó. Fejtsünk ki nyomást egy tartályra. Az egyik állapotban legyen 4 molekula ebben a térfogatban. Egy másik állapotban, a molekulák egyesülése nyomán, csak 2 molekula legyen ugyanebben a tartályban. A két állapot egy reakció során átmehet egymásba. Ez a 4 molekula 2 molekulává egyesülhet. Tulajdonképpen a fenti példán át szeretném elmagyarázni a dolgot. Legyen ez a kék a nitrogénmolekula. Nem, mégis inkább más színnel jelölöm. Legyen barna. Ez 3 hidrogénmolekulával képes egyesülni, és ez a termék keletkezik. Ez tehát a fenti reakció, egy kissé látványosabban ábrázolva. Ha növeljük a nyomást ebben a rendszerben, azaz minden irányból nagyobb erőt fejtünk ki rá, vajon melyik állapot lehet az, amelyik jobban enyhíti ezt a hatást? Az, amelyikben kevesebb molekula szaladgál ide-oda, hiszen ezeket könnyebb összenyomni, mint több molekulát. Ez leegyszerűsített magyarázat, de elég lényegretörő. Ha tehát nyomást gyakorolnuk a rendszerre, azaz növeljük a nyomást, (ez a nyíl nem csökkenést jelöl, hanem a kifejtett nyomást) a nyomás növelése melyik irányú folyamatnak kedvez? Annak a folyamatnak, amelyben csökken a molekulák száma. Ezen az oldalon 2 molekula van. Ezek persze nagyobbak, (hiszen a tömeg egyik irányban sem vész el) mint a másik esetben, ahol 4 molekula van jelen: 1 nitrogén- és 3 hidrogénmolekula. Most nézzük, hogy mindez hogyan függ össze azzal, amit korábban tanultunk a kinetikus egyensúllyal kapcsolatban. Képzeljünk el egy reakciót, és lássuk, hogyan érvényesül a Le Chatelier-elv, összefüggésben mindazzal, amit az egyensúlyi állandóról tanultunk. Tehát legyen a reakcióban 2 mól gázállapotú 'A' anyag, és 1 mól gázállapotú B anyag, és egy egyensúlyi reakcióban keletkező, gázállapotú C anyag. Vegyük a kiindulási egyensúlyban az 'A' koncentrációját 2-nek a B koncentrációját 6-nak a C koncentrációját pedig 8-nak. Mennyi itt az egyensúlyi állandó értéke? Ehhez a termék, azaz a C koncentrációját, azaz 8-at osszunk el 2 a négyzetennel, az együttható miatt, és ezt szorozzuk 6-tal. Ez annyi, mint 8/24, azaz 1/3. Adjunk hozzá további 'A' anyagot, nem mondom meg, mennyit. Beleveszhetnénk a matematikába, de vegyük úgy, hogy az A-t hozzáadva új koncentráció alakult ki. Legyen az A új koncentrációja 3. Ez azt jelentené, hogy 1 mólt adtam hozzá? Nem. Valójában valószínűleg 1 mólnál többet adtam hozzá. Az történt, hogy bármennyit is adtam hozzá, az a jobb oldal felé tolja el az egyensúlyt, az odaalakulás irányába, tehát az anyag egy része felhasználódott, de ami nem, az a rendszerben maradt. Tehát akár 1-nél nagyobb értékkel is nőhetett a rendszerben a koncentráció, de mindaz, ami az 1 fölött volt, elhasználódott, így az egyensúlyi koncentráció 3 lett. Tehát nem szükségszerűen 1-gyel növeltük a koncentrációt. Ennél több anyagot is hozzáadhattunk. Vegyük az új egyensúlyban a C koncentrációját 12-nek, ami összhangban áll az előbbiekkel. Az átalakulás során az 'A' anyag hozzáadására a C anyag koncentrációjának növekednie kell, a B anyag koncentrációjának pedig kissé csökkennie, hiszen a B anyag fogy, mivel a részecskéi nagyobb eséllyel ütköznek az 'A' anyag részecskéivel. Lássuk, mennyi a B új koncentrációja. Ne feledd, hogy az egyensúlyi állandó ugyanannyi marad. Az egyensúlyi állandó kifejezéséhez osszuk el a C koncentrációját a reakciónak megfelelően. Ez tehát 12 (az egységeket nem kell kiírni) osztva az 'A' új koncentrácójával, azaz 3-mal, és ne feledd, hogy a reakcióban az 'A' együtthatója 2, tehát ez itt 3 a négyzeten, és ezt szorozzuk a B anyag új koncentrációjával. Ez előtt nincs együttható, így nem kell a kitevővel bajlódni. Végezzük el a számolást. 1/3 = 12/9B. Szorozzunk keresztbe: 9B = 3x12, azaz 36. Osszuk el mindkét oldalt 9-cel. A B anyag új koncentrációja 4. Ez így logikus. A reakcióhoz 'A' anyagot adtunk. A kiinduláskor az A koncentrációja 2 volt, a B-é 6, a C anyagé pedig 8. Amikor egy adag 'A' anyagot hozzáadtunk, megindult az átalakulás, oda-vissza lendült, végül stabilizálódott, úgy, hogy az A koncentrációja 3 lett, a C koncentrációja pedig 12-re nőtt. Figyeld meg, hogy a B egyensúlyi koncentrációja tényleg kisebb lett, és ez alátámasztja mindazt, amit elmondtunk, azt, hogy a reakció errefelé tolódik, több C keletkezik, a B egy része pedig elhasználódik. Mindenesetre remélem, hogy ezzel sikerült megérteni, mit jelent a reakciók megzavarása és a Le Chatelier-elv.