Il Principio di Le Chatelier descrive la risposta di un sistema in equilibrio per contrastare gli effetti causati da un agente esterno. È stato formulato nel 1888 dal chimico francese Henry Louis Le Chatelier. Si applica a qualsiasi reazione chimica in grado di raggiungere l'equilibrio in sistemi chiusi..
Cos'è un sistema chiuso? È quello in cui 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 poi richiuderlo per studiare come risponde al disturbo (o cambiamento).
Una volta chiuso, il sistema tornerà in equilibrio e grazie a questo principio sarà possibile prevedere il suo modo di ottenerlo. Il nuovo equilibrio è uguale a quello vecchio? Dipende dal tempo a cui l'impianto è sottoposto a disturbi esterni; se dura abbastanza a lungo, il nuovo equilibrio è diverso.
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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, dall'esterno non entrano reagenti (A e B) o prodotti (C e D) che disturbano l'equilibrio.
Ma cosa significa esattamente equilibrio? Quando è impostato, le velocità della reazione in avanti (in senso orario) e in retromarcia (in senso antiorario) si equalizzano. Di conseguenza, le concentrazioni di tutte le specie rimangono costanti nel tempo..
Quanto sopra può essere inteso in questo modo: non appena un po 'di A e B reagiscono per produrre C e D, reagiscono contemporaneamente per rigenerare A e B consumati, e così via mentre il sistema rimane in equilibrio ..
Tuttavia, quando un disturbo viene applicato al sistema -se per aggiunta di A, calore, D o riducendo il volume-, il principio di Le Chatelier prevede come si comporterà per contrastare gli effetti causati, sebbene non spieghi il meccanismo molecolare grazie al quale le permette di tornare in equilibrio.
Pertanto, a seconda delle modifiche apportate, è possibile favorire il senso di una reazione. Ad esempio, se B è il composto desiderato, viene esercitato un cambiamento tale che l'equilibrio si sposta alla sua formazione.
Per comprendere il principio di Le Chatelier, un'ottima approssimazione è assumere che l'equilibrio consiste in un equilibrio..
Visto da questo approccio, i reagenti vengono pesati sul piatto sinistro (o cestello) e i prodotti vengono pesati sul piatto destro. Da qui, la previsione della risposta del sistema (l'equilibrio) diventa facile.
perA + bB <=> cC + dD
La doppia freccia nell'equazione rappresenta il gambo della bilancia e le padelle sottolineate. Quindi, se una quantità (grammi, milligrammi, ecc.) Di A viene aggiunta al sistema, ci sarà più peso sul piatto destro e la bilancia si inclinerà su quel lato..
Di conseguenza, il piattino C + D si alza; cioè acquista importanza rispetto al piatto A + B. In altre parole: prima dell'aggiunta di A (a partire da B) la bilancia sposta i prodotti C e D verso l'alto.
In termini chimici, l'equilibrio finisce per spostarsi a destra: verso la produzione di più C e D.
L'opposto si verifica se si aggiungono quantità di C e D al sistema: il piatto sinistro diventa più pesante, provocando il sollevamento del piatto destro..
Ancora una volta, ciò si traduce in un aumento delle concentrazioni di A e B; quindi, viene generato uno spostamento di equilibrio a sinistra (i reagenti).
perA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)
Le variazioni di pressione o di volume provocate nel sistema hanno effetti notevoli solo sulle specie allo stato gassoso. Tuttavia, per l'equazione chimica superiore nessuna di queste alterazioni modificherebbe l'equilibrio.
Perché? Perché il numero di moli gassose totali su entrambi i lati dell'equazione è lo stesso.
La bilancia cercherà di bilanciare le variazioni 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 la bilancia risponde a questi cambiamenti:
perA (g) + bB (g) <=> ePer esempio)
Qui, in caso di diminuzione del volume (o aumento della pressione) nel sistema, la bilancia solleverà la pentola per ridurre questo effetto..
Come? Diminuendo la pressione, attraverso la formazione di E. Questo perché, poiché A e B esercitano più pressione di E, reagiscono per diminuire le loro concentrazioni e aumentare quella di E.
Allo stesso modo, il principio Le Chatelier prevede l'effetto dell'aumento del volume. Quando ciò si verifica, l'equilibrio deve quindi contrastare l'effetto favorendo la formazione di moli più gassosi che ripristinano la perdita di pressione; questa volta, spostando la bilancia a sinistra, sollevando il piatto A + B.
Il calore può essere considerato sia reattivo che prodotto. Pertanto, a seconda dell'entalpia di 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)
In questo caso, il riscaldamento o il raffreddamento del sistema genera le stesse risposte come nel caso di variazioni di concentrazione..
Ad esempio, se la reazione è esotermica, il raffreddamento del sistema favorisce lo spostamento di equilibrio a sinistra; mentre se viene riscaldato la reazione prosegue con maggiore tendenza a destra (A + B).
Tra le sue innumerevoli applicazioni, poiché molte reazioni raggiungono l'equilibrio, ci sono le seguenti:
NDue(g) + 3HDue(g) <=> 2NH3(g) (esotermico)
L'equazione chimica superiore corrisponde alla formazione dell'ammoniaca, uno dei principali composti prodotti su scala industriale..
Ecco le condizioni ideali per ottenere NH3 sono quelli in cui la temperatura non è molto alta e, allo stesso modo, dove ci sono alti livelli di pressione (da 200 a 1000 atm).
Le ortensie viola (immagine in alto) raggiungono un equilibrio con l'alluminio (Al3+) presente nei suoli. La presenza di questo metallo, l'acido di Lewis, determina la loro acidificazione.
Tuttavia, nei terreni di base, i fiori di ortensia sono rossi, perché l'alluminio è insolubile in questi terreni e non può essere utilizzato dalla pianta..
Un giardiniere che abbia familiarità con il principio di Le Chatelier potrebbe cambiare il colore delle sue ortensie acidificando abilmente i terreni.
La natura sfrutta anche il principio di Le Chatelier per rivestire i soffitti cavernosi di stalattiti.
ACDue+(ac) + 2HCO3-(AC) <=> Ladro3(i) + CODue(ac) + HDueO (l)
Il CaCO3 (calcare) è insolubile in acqua, così come la CODue. Come il CODue fugge, l'equilibrio si sposta a destra; cioè verso la formazione di più CaCO3. Ciò provoca la crescita di quelle finiture appuntite, come quelle nell'immagine sopra..
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