-Принцип Ле Шательє

Стан хімічної рівноваги за сталих умов може зберігатися будь який час. Проте при зміні умов рівноваги (температури, концентра­ції, тиску) стан рівноваги порушується. Зміна зовнішніх факторів по-різному впливає на швидкості прямої і зворотної реакцій, тобто швидкість однієї з реакцій буде більша ніж другої. Внаслідок цього хімічна рівновага зміститься в той чи інший бік. Через деякий час в системі знову встановиться рівновага, але вже за інших умов. 

Характер зміни рівноваги залежно від зовнішніх факторів мож­на визначити за принципом, відкритим у 1882 р. французьким вченим А.Ле Шательє: якщо на систему, що перебуває в рівновазі, подіяти зовнішнім фак­тором, то рівновага зміститься у напрямі процесу, який зменшить цю дію.

Розглянемо принцип Ле Шательє на прикладі рівноважної системи

3Н2 + N2 ↔ 2NН3; Н0298 = –46,2кДж.

Якщо до суміші речовин, які перебувають у стані рівноваги, додати певну кількість водню або азоту, то швидкість прямої ре­акції збільшиться. Прискорення прямої реакції призведе до збільшення концентрації NН3. З другого боку, збільшення концентрації NН3 призведе до збільшення швидкості зворотної ре­акції, яке відбуватиметься доти, поки швидкість зворотної реакції не зрівняється з швидкістю прямої реакції, тобто в системі знову настає стан рівноваги, але вже за нових умов, а саме, при вищих швидкостях реакцій. 

Вплив тиску на стан рівноваги можна проаналізувати, розгля­нувши зміну об’єму речовин в реакції синтезу аміаку. З рівняння реакції видно, що з чотирьох моль реагуючих речовин (3Н2 + N2) утворюється два моль NН3, тобто синтез аміаку відбувається із зменшенням об’єму. Підвищення тиску для газоподібних систем зумовлює пропорційне зменшення об’єму, що відповідає збільшен­ню концентрацій речовин. Оскільки відносне збільшення концен­трацій реагуючих речовин у реакції синтезу аміаку перевершува­тиме збільшення концентрацій продуктів реакції, то рівновага зміститься в бік утворення аміаку, тобто в бік реакції, яка призво­дить до зменшення об’єму системи.

У реакціях, що відбуваються без зміни об’єму, або в яких не беруть участь газоподібні речовини, зміна тиску не викликає змі­щення рівноваги.

Підвищення температури зазначеної системи спричинює змі­щення рівноваги в бік зворотної реакції, оскільки розкладання аміаку призводить до поглинання теплоти.

Каталізатор не впливає на стан рівноваги, однаково прискорю­ючи як пряму, так і зворотну реакції. Тобто каталізатор прискорює встановлення рівноваги, не впливаючи на рівноважні концентра­ції речовин.

На основі аналізу зазначених прикладів можна сформулювати ряд загальних положень, які випливають з принципу Ле Шательє, а саме:

– при підвищенні температури рівновага системи, що перебуває у стані рівноваги, зміщується у напрямку ендотермічної реакції, а при зниженні – у напрямку екзотермічної реакції;

– підвищення тиску призводить до зміщення рівноваги в бік утво­рення тих речовин, які займають менший об’єм. Якщо об’єм сис­теми при реакції не змінюється, то тиск не впливатиме на стан рівноваги.

Принцип Ле Шательє справедливий не тільки для хімічних про­цесів, він має загальнонаукове значення і поширюється на всі процеси, що перебувають у стані динамічної рівноваги.

Принцип Ле Шательє має велике практичне значення, особливо для хімічної промисловості. Наприклад, при синтезі аміаку під­вищення температури зменшує його вихід, тому для підвищення виходу аміаку реакцію треба про­водити при низьких температурах. Тому синтез NН3 проводять при відносно невисокій температурі (450–600°С), а для прискорення встановлення рівноваги застосо­вують каталізатор. За цих умов навіть при наявності каталізатора при атмосферному тиску вихід аміаку ста­новить всього 1%. Тому промислове використання цієї реакції стало можливим лише при застосуванні високого тиску, який у 300–1000 раз перевищує нормальний, змі­щуючи рівновагу в бік підвищення вмісту NН3 до 30 %. При такому виході процес синтезу аміаку вже стає придатним для промислового використання.

Модуль 3. Властивостi розчинів