Das Prinzip von Le Chatelier beschreibt die Reaktion eines Systems im Gleichgewicht, um den durch einen externen Wirkstoff verursachten Effekten entgegenzuwirken. Es wurde 1888 vom französischen Chemiker Henry Louis Le Chatelier formuliert. Es wird auf jede chemische Reaktion angewendet, die in geschlossenen Systemen ein Gleichgewicht erreichen kann.

Was ist ein geschlossenes System? Es ist eines, bei dem Energie zwischen seinen Grenzen übertragen wird (zum Beispiel ein Würfel), aber keine Materie. Um jedoch eine Änderung im System vorzunehmen, muss es geöffnet und dann wieder geschlossen werden, um zu untersuchen, wie es auf die Störung (oder Änderung) reagiert.

Henry Louis Le Chatelier

Sobald das System geschlossen ist, kehrt es zum Gleichgewicht zurück und sein Weg, dies zu erreichen, kann dank dieses Prinzips vorhergesagt werden. Ist das neue Gleichgewicht das gleiche wie das alte? Dies hängt von der Zeit ab, zu der das System externen Störungen ausgesetzt ist. Wenn es lange genug dauert, ist das neue Gleichgewicht anders.

Woraus besteht es?

Die folgende chemische Gleichung entspricht einer Reaktion, die das Gleichgewicht erreicht hat:

aA + bB <=> cC + dD

In diesem Ausdruck sind a, b, c und d die stöchiometrischen Koeffizienten. Da das System geschlossen ist, treten keine Reaktanten (A und B) oder Produkte (C und D) von außen ein, die das Gleichgewicht stören.

Aber was genau bedeutet Gleichgewicht? Wenn dies eingestellt ist, gleichen sich die Raten der Vorwärtsreaktion (rechts) und Rückwärtsreaktion (links) aus. Folglich bleiben die Konzentrationen aller Arten über die Zeit konstant.

Das Obige kann auf diese Weise verstanden werden: Sobald ein wenig A und B reagieren, um C und D zu erzeugen, reagieren sie gleichzeitig miteinander, um das verbrauchte A und B zu regenerieren, und so weiter, solange das System im Gleichgewicht bleibt.

Wenn jedoch eine Störung auf das System ausgeübt wird - sei es durch Zugabe von A, Wärme, D oder durch Verringerung des Volumens -, sagt das Prinzip von Le Chatelier voraus, wie es sich verhalten wird, um den verursachten Effekten entgegenzuwirken, obwohl es den Mechanismus nicht erklärt molekular, indem man es wieder ins Gleichgewicht bringen lässt.

Abhängig von den vorgenommenen Änderungen kann daher der Sinn einer Reaktion begünstigt werden. Wenn beispielsweise B die gewünschte Verbindung ist, wird eine Änderung ausgeübt, so dass sich das Gleichgewicht zu seiner Bildung verschiebt.

Faktoren, die das chemische Gleichgewicht verändern

Um das Prinzip von Le Chatelier zu verstehen, ist eine hervorragende Annäherung die Annahme, dass das Gleichgewicht aus einer Skala besteht.

Von diesem Ansatz aus gesehen werden die Reagenzien auf der linken Pfanne (oder dem Korb) und die Produkte auf der rechten Pfanne gewogen. Von hier aus wird die Vorhersage der Reaktion des Systems (des Gleichgewichts) einfach.

Konzentrationsänderungen

aA + bB <=> cC + dD

Der Doppelpfeil in der Gleichung repräsentiert den Stiel der Waage und die unterstrichenen Pfannen. Wenn also eine Menge (Gramm, Milligramm usw.) von A zum System hinzugefügt wird, hat die rechte Pfanne mehr Gewicht und die Waage neigt sich zu dieser Seite.

Infolgedessen steigt die C + D-Untertasse an; Mit anderen Worten, es gewinnt im Vergleich zu Gericht A + B an Bedeutung. Mit anderen Worten: Mit der Zugabe von A (wie bei B) verschiebt die Waage die Produkte C und D nach oben.

In chemischer Hinsicht verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts: hin zur Produktion von mehr C und D.

Das Gegenteil tritt auf, wenn dem System Mengen an C und D hinzugefügt werden: Die linke Pfanne wird schwerer, wodurch die rechte Pfanne angehoben wird.

Dies führt wiederum zu einem Anstieg der Konzentrationen von A und B; daher wird eine Gleichgewichtsverschiebung nach links (die Reaktanten) erzeugt.

Druck- oder Volumenänderungen

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

Im System verursachte Druck- oder Volumenänderungen haben nur bemerkenswerte Auswirkungen auf Arten im gasförmigen Zustand. Für die höhere chemische Gleichung würde jedoch keine dieser Änderungen das Gleichgewicht verändern.

Warum? Weil die Anzahl der Gesamtmole Gas auf beiden Seiten der Gleichung gleich ist.

Die Waage versucht, die Druckänderungen auszugleichen, aber da beide Reaktionen (direkt und invers) die gleiche Gasmenge erzeugen, bleibt sie unverändert. Bei der folgenden chemischen Gleichung reagiert die Waage beispielsweise auf diese Änderungen:

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

Hier wird die Waage angesichts einer Volumenverringerung (oder eines Druckanstiegs) im System die Pfanne anheben, um diesen Effekt zu verringern.

Wie? Verringern des Drucks durch Bildung von E. Dies liegt daran, dass A und B, wenn sie mehr Druck als E ausüben, reagieren, um ihre Konzentrationen zu verringern und die von E zu erhöhen.

Ebenso sagt das Le Chatelier-Prinzip den Effekt einer Volumensteigerung voraus. In diesem Fall muss das Gleichgewicht dem Effekt entgegenwirken, indem es die Bildung gasförmigerer Mol fördert, die den Druckverlust wiederherstellen. diesmal die Waage nach links verschieben und die Pfanne A + B anheben.

Temperaturänderungen

Wärme kann sowohl als reaktiv als auch als Produkt betrachtet werden. Daher ist die Reaktion abhängig von der Reaktionsenthalpie (ΔHrx) exotherm oder endotherm. Dann wird die Wärme auf die linke oder rechte Seite der chemischen Gleichung gelegt.

aA + bB + Wärme <=> cC + dD (endotherme Reaktion)

aA + bB <=> cC + dD + Wärme (exotherme Reaktion)

Hier erzeugt das Heizen oder Kühlen des Systems die gleichen Reaktionen wie bei Konzentrationsänderungen.

Wenn die Reaktion beispielsweise exotherm ist, begünstigt das Abkühlen des Systems die Verschiebung des Gleichgewichts nach links; Wenn es erhitzt wird, setzt sich die Reaktion mit einer größeren Tendenz nach rechts fort (A + B).

Anwendungen

Unter seinen unzähligen Anwendungen gibt es angesichts der Tatsache, dass viele Reaktionen ein Gleichgewicht erreichen, folgende:

Im Prozess von Haber

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) 2NH ₃ (g) (exotherm)

Die obere chemische Gleichung entspricht der Bildung von Ammoniak, einer der Hauptverbindungen, die im industriellen Maßstab hergestellt werden.

Hier sind die idealen Bedingungen für die Gewinnung von NH ₃ diejenigen, bei denen die Temperatur nicht sehr hoch ist und bei denen ebenfalls ein hoher Druck (200 bis 1000 atm) herrscht.

Im Garten

Die violetten Hortensien (oberes Bild) stellen ein Gleichgewicht mit dem in den Böden vorhandenen Aluminium (Al ³⁺ ) her. Die Anwesenheit dieses Metalls, Lewis-Säure, führt zu deren Ansäuerung.

In Grundböden sind die Blüten von Hortensien jedoch rot, da Aluminium in diesen Böden unlöslich ist und von der Pflanze nicht verwendet werden kann.

Ein Gärtner, der mit dem Le Chatelier-Prinzip vertraut ist, könnte die Farbe seiner Hortensien ändern, indem er die Böden geschickt ansäuert.

Bei der Bildung von Höhlen