4.2 Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση χημικής ισορροπίας

4.2 Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση χημικής
ισορροπίας - Αρχή Le Chatelier

Γενικά

Όπως ήδη αναφέραμε, μια αντίδραση εξελίσσεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να φτάσει τελικά σε κατάσταση χημικής ισορροπίας. Η κατάσταση αυτή τείνει να διατηρηθεί, εφόσον το χημικό σύστημα δεν διαταράσσεται. Αν διαταράξουμε το σύστημα ισορροπίας, μεταβάλλοντας π.χ. τη θερμοκρασία, τότε οι δύο αντίθετες αντιδράσεις δεν εξελίσσονται πλέον με την ίδια ταχύτητα, αλλά επικρατεί η μία από τις δύο κατευθύνσεις. Το σύστημα όμως και πάλι θα οδηγηθεί σε ισορροπία (νέα θέση χημικής ισορροπίας).
Για παράδειγμα, αν επιβάλλουμε νέες συνθήκες στο σύστημα ισορροπίας: Η₂(g) + I₂(g) Εικόνα 2HI(g),
τότε πιθανόν η αντίδραση να εξελίσσεται ταχύτερα προς τα δεξιά απ’ ότι προς τα αριστερά, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η ποσότητα του ΗΙ. Σ’ αυτή την περίπτωση λέμε ότι η θέση ισορροπίας μετατοπίστηκε προς τα δεξιά.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση χημικής ισορροπίας

Η θέση ισορροπίας επηρεάζεται από τους εξής παράγοντες χημικής ισορροπίας:
1. τη συγκέντρωση των αντιδρώντων ή προϊόντων,
2. την πίεση,
3. τη θερμοκρασία.

• Οι καταλύτες δεν επηρεάζουν τη θέση της χημικής ισορροπίας. Οι καταλύτες επιταχύνουν και τις δύο αντίθετες αντιδράσεις με τον ίδιο ρυθμό, με αποτέλεσμα να μειώνουν το χρόνο που χρειάζεται για την αποκατάσταση της ισορροπίας.

Αρχή Le Chatelier

Μπορούμε να προβλέψουμε θεωρητικά προς ποια κατεύθυνση μετατοπίζεται η θέση μιας ισορροπίας (χημικής ή φυσικής), χρησιμοποιώντας την αρχή Le Chatelier ή, όπως απλά λέγεται, «αρχή της φυγής προ της βίας». Σύμφωνα με την αρχή αυτή:

Όταν μεταβάλλουμε ένα από τους συντελεστές ισορροπίας (συγκέντρωση, πίεση, θερμοκρασία) η θέση της ισορροπίας μετατοπίζεται προς εκείνη την κατεύθυνση που τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή που επιφέραμε.

Μεταβολή της θερμοκρασίας

Η αύξηση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση εκείνη όπου απορροφάται θερμότητα. Αντίθετα, η μείωση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση εκείνη όπου εκλύεται θερμότητα. Με άλλα λόγια η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την ενδόθερμη αντίδραση, ενώ η μείωση ευνοεί την εξώθερμη αντίδραση.
Ας πάρουμε για παράδειγμα την ισορροπία:
2SO₂(g) + O₂(g) Εικόνα 2SO₃(g ) ΔΗ = - 198 kJ (εξώθερμη)
Αν σ’ ένα δοχείο σταθερού όγκου που περιέχει σε ισορροπία τα αέρια SO₂, O₂ και SO₃ αυξήσουμε τη θερμοκρασία, τότε η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά, δηλαδή προς τη διάσπαση του SO₃, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η μεταβολή που προκαλέσαμε.

ΣΧΗΜΑ 4.5 Η εξώθερμη ισορροπία, που γίνεται σε υδατικό διάλυμα: CoCl4 2- + 6 H2O Co(H2O)6 2+ + 4 Cl - ΔΗ <0 (μπλε) (ροδόχρωμο) με ψύξη μετατοπίζεται προς τα δεξιά, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, γι’ αυτό και το χρώμα του διαλύματος αλλάζει από μπλε σε ροδόχρωμο.

ΣΧΗΜΑ 4.5 Η εξώθερμη ισορροπία, που γίνεται σε υδατικό διάλυμα:
Εικόνα

με ψύξη μετατοπίζεται προς τα δεξιά, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, γι’ αυτό και το χρώμα του διαλύματος αλλάζει από μπλε σε ροδόχρωμο.

Henry–Louis Le Chatelier
(1850-1936. Γάλλος ανόργανος χημικός, καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Σορβόννης. Ο Le Chatelier έδωσε εκπληκτικό έργο ως επιστήμονας, ως δάσκαλος και ως συγγραφέας. Εθεωρείτο αυθεντία σε θέματα εφαρμοσμένης ανόργανης χημείας, όπως η μεταλλουργία, τα τσιμέντα, το γυαλί και τα εκρηκτικά. Έδειξε ότι τα προβλήματα της χημικής βιομηχανίας μπορούν να επιλυθούν με στενότερη συνεργασία των θεωρητικών με τους μηχανικούς παραγωγής.

• Οι εξώθερμες αντιδράσεις έχουν μεγάλη απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ οι ενδόθερμες σε υψηλές θερμοκρασίες.

• Η αρχή Le Chatelier μπορεί να εφαρμοστεί ακόμα και σε ισορροπίες φυσικών μεταβολών π.χ. μεταβολές φυσικών καταστάσεων.
Έτσι, αν στην ισορροπία:
Η₂Ο(l) Εικόνα H₂O(g), που είναι ενδόθερμη,
αυξήσουμε την θερμοκρασία η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά.

Μεταβολή της συγκέντρωσης μιας ουσίας

Σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier η μεταβολή της συγκέντρωσης σε ένα ή περισσότερα από τα σώματα που συμμετέχουν στην ισορροπία, μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση εκείνη που ελαττώνεται η ποσότητα των σωμάτων των οποίων αυξάνεται η συγκέντρωση ή προς την κατεύθυνση προς την οποία σχηματίζονται τα σώματα, των οποίων μειώνεται η συγκέντρωση.
Για παράδειγμα σε δοχείο έχουμε την ισορροπία:
N₂(g) + 3H₂(g) Εικόνα 2NH₃(g) όπως φαίνεται στο σχήμα 4.6 α.

Αν σε σταθερή θερμοκρασία και σε σταθερό όγκο αυξήσουμε τη συγκέντρωση μιας ουσίας π.χ. προσθέτοντας N₂, η αντίδραση θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά, οπότε ελαττώνεται η συγκέντρωση των N₂ και H₂, ενώ αυξάνεται η συγκέντρωση της NH₃

ΣΧΗΜΑ 4.6 Με προσθήκη Ν2 η ισορροπία Ν2 + 3Η2 2ΝΗ3
μετατοπίζεται προς τα δεξιά

ΣΧΗΜΑ 4.6 Με προσθήκη N₂ η ισορροπία N₂ + 3H₂ Εικόνα 2NH₃ μετατοπίζεται προς τα δεξιά

Μεταβολή της πίεσης

Η μεταβολή της πίεσης, που προκαλείται με μεταβολή του όγκου του δοχείου, επηρεάζει τη θέση της χημικής ισορροπίας μόνο όταν:
i) στην ισορροπία συμμετέχουν αέριες ουσίες και
ii) κατά την αντίδραση παρατηρείται μεταβολή του αριθμού mol των αερίων.
Στις περιπτώσεις αυτές, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier, η αύξηση της πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία, μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση όπου έχουμε λιγότερα mol αερίων (τα λιγότερα mol ασκούν μικρότερη πίεση). Αντίθετα, η μείωση της πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία, μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση, όπου έχουμε περισσότερα mol των αερίων (ασκούν μεγαλύτερη πίεση).
Για παράδειγμα αν σε δοχείο που επικρατεί η ισορροπία (βλέπε σχήμα 4.7): N₂(g) + 3H₂(g) Εικόνα 2NH₃(g)

Η παρουσία υδρατμών μετατοπίζει την ισορροπία
Εικόνα
προς τα δεξιά, οπότε το χρώμα αλλάζει από μπλε που είναι του CoCl₂(s) σε ροδόχρουν που είναι του CoCl₂.6H₂O(s)
Μ΄ αυτό τον τρόπο μπορεί να γίνει ανίχνευση της υγρασίας.

• Μεταβολή της πίεσης επίσης προκαλείται με εισαγωγή ευγενούς αερίου στο μίγμα ισορροπίας, υπό σταθερό όγκο και θερμοκρασία. Στην περίπτωση αυτή η χημική ισορροπία δεν επηρεάζεται.

αυξήσουμε την πίεση, ελαττώνοντας τον όγκο του δοχείου σε σταθερή θερμοκρασία, τότε η ισορροπία μετατοπίζεται δεξιά. Κατ’ αυτό τον τρόπο αντίδραση τείνει να ελαττώσει την πίεση, κινούμενη προς την κατεύθυνση όπου ελαττώνεται ο αριθμός των mol των αερίων (από 4 σε 2 mol).

ΣΧΗΜΑ 4.7 Διαγραμματική απεικόνιση της επίδρασης που έχει η ελάττωση του
όγκου του δοχείου (αύξηση της πίεσης) στη θέση της ισορροπίας:
Ν2+3Η2 2ΝΗ3
Στην περίπτωση αυτή έχουμε μετατόπιση της ισορροπίας προς τα δεξιά, σύμφωνα με
την αρχή Le Chatelier.

ΣΧΗΜΑ 4.7 Διαγραμματική απεικόνιση της επίδρασης που έχει η ελάττωση του όγκου του δοχείου (αύξηση της πίεσης) στη θέση της ισορροπίας:
N₂ + 3H₂ Εικόνα 2NH₃
Στην περίπτωση αυτή έχουμε μετατόπιση της ισορροπίας προς τα δεξιά, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier.

Παράδειγμα 4.3

Σε κλειστό δοχείο έχουμε σε ισορροπία α mol Ν₂, β mol H₂ και γ mol NH₃ σε θερμοκρασία θ : N₂ + 3H₂ Εικόνα 2NH₃ , ΔΗ = - 22 kcal
α. Αυξάνουμε τον όγκο του δοχείου, οπότε η ποσότητα της NH₃ ελαττώνεται.
β. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία, οπότε η ποσότητα της NH₃ αυξάνεται.
γ. Προσθέτουμε ποσότητα H₂, οπότε η ποσότητα της NH₃ ελαττώνεται.
Ποια από τις παραπάνω τρεις προτάσεις είναι σωστή;

ΑΠΑΝΤΗΣΗ
Η α. είναι σωστή, γιατί αυξάνοντας τον όγκο του δοχείου, ελαττώνεται η πίεση. Συνεπώς η πίεση πρέπει να αυξηθεί, σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier. Για να αυξηθεί όμως η πίεση θα πρέπει να αυξηθεί ο αριθμός των mol αερίων γι’ αυτό και η αντίδραση «πάει» προς τα αριστερά. Δηλαδή, ευνοείται η διάσπαση της NH₃, με αποτέλεσμα η ποσότητά της να ελαττώνεται.
Η β. είναι λάθος, γιατί η αύξηση θερμοκρασίας ευνοεί τις ενδόθερμες αντιδράσεις.
Η γ. είναι λάθος, γιατί όταν προσθέτουμε H₂, η ισορροπία μετατοπίζεται δεξιά προς σχηματισμό NH₃.

Εφαρμογή

Σε κλειστό δοχείο έχουμε σε ισορροπία α mol SO₂, β mol O₂ και γ mol SO₃ σε θερμοκρασία θ :
2 SO₂ + O₂ Εικόνα 2 SO₃, ΔΗ = -198 kJ (εξώθερμη)
α. Προσθέτουμε ποσότητα O₂ , οπότε η ποσότητα του SO₃ ελαττώνεται.
β. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία, οπότε η ποσότητα του SO₃ ελαττώνεται.
γ. Αυξάνουμε τον όγκο του δοχείου, οπότε η ποσότητα του SO₃ ελαττώνεται.
Ποιες από τις τρεις παραπάνω προτάσεις είναι σωστές;