A Le Chatelier-elv: kidolgozott mintafeladat

Ebben a videóban olyan reakcióra látunk példát, amely a Le Chatelier-elvet szemlélteti. Ennek során a Le Chatelier-elvet alkalmazzuk, így értelmezve a reakció változásait, amelyeket az egyensúly megzavarásával okozunk. Emlékeztetőül: mit is jelent az, hogy a reakció egyensúlyban van? Azt, hogy a reakció megfordítható. Az egyik reakció előrefelé zajlik, a sebessége arányos egy Kf állandóval, egy másik reakció visszafelé zajlik, a sebessége arányos egy Kb állandóval. Dinamikus egyensúlyban ezek a reakciósebességek egyenlőek, így minden anyag koncentrációja állandó marad. Lássuk, mi történik, ha szén-dioxid gázt juttatunk a rendszerbe. Szén-dioxid gáz hozzáadására a szén-dioxid koncentrációja megnő, úgy is mondhatjuk, hogy megnő a parciális nyomása. A Le Chatelier-elv szerint, ha egy egyensúlyi reakciót megzavarunk többlet CO₂ hozzáadásával, az olyan változást idéz elő, amely a zavaró hatást csökkenteni igyekszik. Ez a visszafelé zajló reakciót segíti elő, így a CO₂ hozzáadása a kiindulási anyagok keletkezésének kedvez. Más szempontból vizsgálva, az egyensúlyi állandó felől is megközelíthetjük ezt a reakciót. Felírhatjuk a K egyensúlyi állandót, amelyet nagy K betű jelöl. Ez nem látszik rendesen, de igyekszem úgy írni, hogy nagy K betűnek látsszon. Kétféleképpen is felírhatjuk: felírható koncentrációval, anyagmennyiség-koncentrációval, ezt Kc -vel jelöljük, és a termék koncentrációjával fejezzük ki, azaz a CO₂ koncentrációjával. Azért így, mert a Kc kifejezésébe belevesszük a gázok koncentrációját, belevesszük az oldatok koncentrációját, de a szilárd anyagokat nem vesszük bele. A Kc értéke tehát megegyezik, a CO₂ egyensúlyi koncentrációjával. Ide is írom, hogy „eq”, jelezve, hogy ez egyensúlyi koncentráció. Ahogy mondtam, ez felírható a parciális nyomásokkal is. Tehát e szép nagy K betű mellé p betűt írunk az alsó indexbe, azaz koncentráció helyett, a gázok parciális nyomásával számolunk. Itt van tehát a CO₂ parciális nyomása, és újra csak ennyi az egész, hiszen minden más anyag szilárd, így azokat nem vesszük bele az egyensúlyi egyenletbe. Ezek az egyenletek hasznosak lesznek a második esetben, amikor azt vizsgáljuk, mi történik, ha megnöveljük a tartály térfogatát. A parciális nyomás felírható a térfogat segítségével. Az általános gáztörvény alapján a CO₂ parciális nyomása annyi mint, a CO₂ anyagmennyisége szorozva R-szer T-vel, osztva a térfogattal. Ehhez hasonlóan felírhatjuk a koncentrációt mint az anyagmennyiség és a térfogat hányadosát. Ha növeljük a tartály térfogatát, a növekvő térfogat, ami a nevezőben szerepel, a nyomás csökkenéséhez vezet. Így a CO₂ parciális nyomása csökken, és megszűnik az egyensúly. Ugyanez érvényes a koncentráció esetében. Mivel a zavarással csökkentjük a szén-dioxid koncentrációját, a Le Chatelier-elv értelmében a reakció igyekszik ezt a változást ellensúlyozni. Igyekszik visszatérni az egyensúlyi állapotba, és visszanövelni a CO₂ koncentrációját, így a termékek képződésének kedvez. A reakció a termékképződésnek kedvez, hogy a CO₂ anyagmennyiségét növelje, hogy visszaállhasson a CO₂ egyensúlyi koncentrációja és az egyensúlyi parciális nyomása. Harmadikként azt vizsgáljuk meg, hogy milyen változást okoz, ha argongázt adunk a rendszerhez. Az argon közömbös (inert) gáz. Nemigen lép reakcióba más anyagokkal. Egyedül annyi hatással jár az argongáz hozzáadása, hogy a tartályban növekszik a nyomás, tehát megnő az össznyomás. De ebből még nem derül ki, hogy ez hogyan hat az egyensúlyra. Tekintsünk vissza a Kc és Kp egyensúlyi kifejezésekre. Látható, hogy Kp-t meghatározó parciális nyomás csupán a CO₂ anyagmennyiségétől és a térfogattól függ. Mivel nem változtattuk meg sem a CO₂ anyagmennyiségét, sem pedig a térfogatot, az össznyomás növekedésének ellenére a CO₂ parciális nyomása ugyanannyi maradt. Ez azt jelenti, hogy nem billentettük ki a reakciót az egyensúlyi állapotból, és mivel nem billent ki az egyensúlyból, semmilyen változás nem történik. Az egyensúly fennmarad, a koncentrációk változatlanok. Mi történik, ha több kalcium-karbonátot adunk a rendszerhez? Ez a kiindulási anyag, amely szilárd. Az egyensúlyi állandókat a CO₂ koncentrációja határozza meg, a hozzáadott kalcium-karbonát, amely szilárd anyag, nem billenti ki a reakciót az egyensúlyi állapotából. A reakció továbbra is egyensúlyban marad, és a koncentrációk nem változnak. Már csak egyvalamit vizsgálunk meg. Azt, hogy mi történik, amikor katalizátort alkalmazunk. Tegyük fel, hogy szeretnénk felgyorsítani ezt a reakciót. A katalizátor hatását energiadiagramon szemléltethetjük. Az energiadiagramon az Y tengelyen ábrázoljuk az energiát, és vizsgáljuk az energiakülönbséget a reaktánsok, azaz a kiindulási anyagok (SM) és a termékek (P) között. Felvázoltam a relatív energiaszinteket. Az ábra alapján látható, hogy a termék energiaszintje alacsonyabb, mint a kiindulási anyagé. Az előreirányuló reakció sebességi együtthatója, a Kf nagyságát ez az aktiválási gát határozza meg, amely a kiindulási és az átmeneti állapot között fennáll. Az visszairányuló reakció sebességi együtthatója, a Kb nagyságát az határozza meg, mekkora ez az energiagát, vagyis az energiakülönbség a termék és az átmeneti állapot energiaszintje között. Katalizátor hozzáadásával a reakció aktiválási energiáját csökkentjük. Ezt azt jelenti, hogy az energiagát kisebb lesz az előreirányuló reakcióra nézve, így az előreirányuló reakció gyorsabb lesz, de a visszairányuló reakcióra nézve is csökken az energiagát, így az is gyorsabban játszódik le. Mivel tehát gyorsabb lett az előreirányuló és a visszairányuló reakció is, a katalizátor hozzáadása szintén nem billenti ki a reakciót az egyensúlyi állapotból. A katalizátor hozzáadása nem okoz koncentrációváltozást. A legfontosabb tudnivalók tehát, amelyek szerintem a leginkább meglepőek, az, hogy az inert gáz hozzáadása az össznyomást ugyan növeli, de nem változtatja meg a parciális nyomásértékeket, tehát nem billenti ki a reakciót az egyensúlyból. Ugyanez érvényes a szilárd anyagokra és a katalizátorokra is. Ez a három: inert gázok, szilárd anyagok és katalizátorok nem billentik ki a reakciót az egyensúlyból.