Χημεία (Β Γενικού Λυκείου - Ομάδα Προσ/σμού Θετικών Σπουδών) - Βιβλίο Μαθητή
4.1 Έννοια χημικής ισορροπίας 4.3 Σταθερά χημικής ισορροπίας Kc - Kp Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

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.

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.

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 + 3H2Εικόνα 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)

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 + 3H2Εικόνα 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 + 3H2Εικόνα 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 + O2Εικόνα 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;