Các nguyên tắc của Le Chatelier mô tả phản ứng của một hệ thống trong trạng thái cân bằng để chống lại những ảnh hưởng gây ra bởi một tác nhân bên ngoài. Nó được xây dựng vào năm 1888 bởi nhà hóa học người Pháp Henry Louis Le Chatelier. Nó được áp dụng cho bất kỳ phản ứng hóa học nào có khả năng đạt đến trạng thái cân bằng trong các hệ thống kín.

Hệ thống khép kín là gì? Nó là một trong đó có sự chuyển giao năng lượng giữa các biên giới của nó (ví dụ, một khối lập phương), nhưng không phải của vật chất. Tuy nhiên, để thực hiện một sự thay đổi trong hệ thống, cần phải mở nó, sau đó đóng lại để nghiên cứu cách nó phản ứng với sự xáo trộn (hoặc thay đổi).

Henry Louis Le Chatelier

Sau khi đóng, hệ thống sẽ trở lại trạng thái cân bằng và cách thức đạt được điều này có thể được dự đoán nhờ nguyên tắc này. Cân bằng mới có giống cân bằng cũ không? Nó phụ thuộc vào thời gian mà hệ thống bị nhiễu bên ngoài; nếu nó tồn tại đủ lâu, trạng thái cân bằng mới sẽ khác.

Nó bao gồm những gì?

Phương trình hóa học sau đây tương ứng với một phản ứng đã đạt đến trạng thái cân bằng:

aA + bB <=> cC + dD

Trong biểu thức này, a, b, c và d là các hệ số phân vị. Vì hệ thống đóng, không có chất phản ứng (A và B) hoặc sản phẩm (C và D) xâm nhập từ bên ngoài làm xáo trộn cân bằng.

Nhưng chính xác thì cân bằng có nghĩa là gì? Khi điều này được thiết lập, tốc độ của phản ứng thuận (sang phải) và phản ứng nghịch (sang trái) bằng nhau. Do đó, nồng độ của tất cả các loài không đổi theo thời gian.

Điều trên có thể được hiểu theo cách này: ngay khi một ít A và B phản ứng để tạo ra C và D, chúng phản ứng với nhau cùng lúc để tạo ra A và B đã tiêu thụ, và cứ như vậy trong khi hệ vẫn ở trạng thái cân bằng.

Tuy nhiên, khi một nhiễu được áp dụng cho hệ thống - cho dù bằng cách thêm A, nhiệt, D hoặc bằng cách giảm âm lượng -, nguyên lý của Le Chatelier dự đoán nó sẽ hoạt động như thế nào để chống lại các tác động gây ra, mặc dù nó không giải thích cơ chế bằng cách cho phép nó trở lại trạng thái cân bằng.

Do đó, tùy thuộc vào những thay đổi được thực hiện, cảm giác của một phản ứng có thể được ưu tiên. Ví dụ, nếu B là hợp chất mong muốn, một sự thay đổi được thực hiện để cân bằng chuyển sang hình thành nó.

Các yếu tố làm thay đổi cân bằng hóa học

Để hiểu nguyên lý Le Chatelier, một phép gần đúng tuyệt vời là giả định rằng cân bằng bao gồm một thang đo.

Nhìn từ cách tiếp cận này, thuốc thử được cân trên chảo bên trái (hoặc giỏ) và sản phẩm được cân trên chảo bên phải. Từ đây, việc dự đoán phản ứng của hệ thống (số dư) trở nên dễ dàng.

Thay đổi nồng độ

aA + bB <=> cC + dD

Mũi tên kép trong phương trình đại diện cho gốc của cân và phần gạch chân của chảo. Vì vậy, nếu một lượng (gam, miligam, v.v.) của A được thêm vào hệ thống, sẽ có nhiều trọng lượng hơn trên chảo bên phải và cân sẽ nghiêng về phía đó.

Kết quả là đĩa C + D tăng lên; nói cách khác, nó có tầm quan trọng hơn so với món A + B. Nói cách khác: với việc thêm A (như với B), số dư sẽ dịch chuyển các sản phẩm C và D lên trên.

Về mặt hóa học, cân bằng chuyển dịch sang phải: theo hướng sản xuất nhiều C và D.

Điều ngược lại xảy ra nếu lượng C và D được thêm vào hệ thống: chảo bên trái trở nên nặng hơn, làm cho chảo bên phải nâng lên.

Một lần nữa, điều này dẫn đến sự gia tăng nồng độ của A và B; do đó, một sự chuyển dịch cân bằng được tạo ra bên trái (các chất phản ứng).

Thay đổi về áp suất hoặc thể tích

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

Những thay đổi về áp suất hoặc thể tích gây ra trong hệ thống chỉ có những tác động đáng chú ý đến các loài ở trạng thái khí. Tuy nhiên, đối với phương trình hóa học cao hơn, không có sự thay đổi nào trong số này sẽ làm thay đổi cân bằng.

Tại sao? Vì tổng số mol khí ở hai vế của phương trình là như nhau.

Cân bằng sẽ tìm cách cân bằng thay đổi áp suất, nhưng vì cả hai phản ứng (trực tiếp và nghịch biến) đều tạo ra một lượng khí như nhau nên nó vẫn không thay đổi. Ví dụ, đối với phương trình hóa học sau, cân bằng phản ứng với những thay đổi này:

aA (g) + bB (g) <=> eE (g)

Ở đây, trước sự giảm thể tích (hoặc tăng áp suất) trong hệ thống, cân bằng sẽ nâng chảo lên để giảm hiệu ứng này.

Làm sao? Giảm áp suất, thông qua sự hình thành E. Điều này là do, khi A và B tạo ra nhiều áp suất hơn E, chúng phản ứng để giảm nồng độ của chúng và tăng nồng độ của E.

Tương tự như vậy, nguyên tắc Le Chatelier dự đoán tác động của việc tăng khối lượng. Khi điều này xảy ra, sự cân bằng sau đó cần phải chống lại tác động bằng cách thúc đẩy sự hình thành các nốt ruồi ở thể khí hơn để khôi phục lại sự mất áp suất; lúc này, chuyển cân bằng sang trái, nâng chảo A + B.

Thay đổi nhiệt độ

Nhiệt có thể được coi là cả phản ứng và sản phẩm. Do đó, tùy thuộc vào entanpi của phản ứng (ΔHrx) mà phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt. Khi đó nhiệt lượng được đặt vào vế trái hoặc vế phải của phương trình hoá học.

aA + bB + nhiệt <=> cC + dD (phản ứng thu nhiệt)

aA + bB <=> cC + dD + nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt)

Tại đây, việc sưởi ấm hoặc làm mát hệ thống tạo ra các phản ứng tương tự như trong trường hợp thay đổi nồng độ.

Ví dụ, nếu phản ứng tỏa nhiệt, việc làm mát hệ thống sẽ tạo điều kiện cho sự chuyển dịch cân bằng sang trái; trong khi nếu nó được đun nóng, phản ứng tiếp tục với xu hướng lớn hơn về bên phải (A + B).

Các ứng dụng

Trong số vô số ứng dụng của nó, khi nhiều phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, có những ứng dụng sau:

Trong quá trình Haber

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (tỏa nhiệt)

Phương trình hóa học trên tương ứng với sự hình thành của amoniac, một trong những hợp chất chính được sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Ở đây, các điều kiện lý tưởng để thu được NH ₃ là những nơi có nhiệt độ không quá cao và tương tự, ở những nơi có mức áp suất cao (200 đến 1000 atm).

Làm vườn

Những bông hoa cẩm tú cầu màu tím (ảnh trên) thiết lập sự cân bằng với nhôm (Al ³⁺ ) có trong đất. Sự hiện diện của kim loại này, axit Lewis, dẫn đến quá trình axit hóa chúng.

Tuy nhiên, ở những loại đất cơ bản, hoa của hoa cẩm tú cầu có màu đỏ, vì nhôm không hòa tan trong những loại đất này và cây không thể sử dụng được.

Một người làm vườn quen thuộc với nguyên tắc Le Chatelier có thể thay đổi màu sắc của hoa cẩm tú cầu bằng cách axit hóa đất một cách khéo léo.

Trong sự hình thành của hang động