اصل لوشاتلیه (Le Chatelier’s principle)، اصل شاتلیه یا قانون تعادل برای پیش بینی اثرات تغییر، در تعادلات شیمیایی به کار می رود. در واقع این اصل بیان می کند که اگر سیستمی در حال تعادل باشد، در برابر هر تغییری در جهتی جابجا می شود تا اثر آن تغییر را از بین ببرد. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی اصل لوشاتلیه و عوامل موثر بر آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- مقدمه
۲- اصل لوشاتلیه در شیمی
۱-۲- اثر تغییرات غلظت
۲-۲- اثر تغییرات دما
۳-۲- اثر تغییرات فشار جزئی
۴-۲- اثر تغییرات حجم یا فشار کل
۵-۲- اثر کاتالیزور
۶-۲- اثر اضافه کردن گاز نجیب
۳- کاربرد اصل لوشاتلیه در شیمی
مقدمه
هنری لوییس لوشاتلیه (Henry Louis Le Chatelier) در سال ۱۸۸۴ اصل لوشاتولیه را بیان کرد. اصل لوشاتولیه را می توان بیانی از قانون سوم نیوتون دانست. در واقع زمانیکه سیستم در حال تعادل تغییر کند، خود را چنان تنظیم می کند تا حد امکان تاثیر آن تغییر را جبران کند. بنابراین این اصل نتیجه قانون بقای انرژی می باشد.
اصل لوشاتولیه علاوه بر فیزیک، در اقتصاد هم کاربرد دارد، اما در شیمی برای ما اهمیت دارد. در واقع برای کنترل واکنش های برگشت پذیر و افزایش بازده آنها از این اصل استفاده می کنند که در ادامه به آنها می پردازیم.
اصل لوشاتلیه در شیمی
همانطور که بیان شد بر طبق اصل لوشاتولیه، اگر سیستمی در حال تعادل شیمیایی باشد، در برابر هرگونه تغییر اعمال شده، در جهت مخالف واکنش نشان می دهد تا اثر آن تغییر را حذف کند. عوامل موثر بر تعادل عبارتند از : غلظت مواد، دما و فشار.
بنابراین می توان گفت که اگر یک تغییر در غلظت مواد، دما یا فشار جزئی به یک سیستم شیمیایی در حال تعادل اعمال شود، سیستم شیمیایی مذکور، در جهتی حرکت می کند که با تغییر اعمال شده مقابله کند. در این حالت تعادلی جدید بر سیستم حاکم خواهد شد. لازم به ذکر است که علاوه بر بررسی سه مورد بیان شده، می توان تاثیر حجم یا اضافه کردن کاتالیزور یا گاز نجیب رو هم توسط اصل لوشاتولیه توصیف نمود. در ادامه به بررسی این موارد می پردازیم.
اثر تغییرات غلظت
اگر غلظت ماده ای در یک تعادل شیمیایی افزایش یابد، طبق اصل لوشاتولیه، تعادل به گونه ای جابجا می شود که غلظت ماده افزوده شده کاهش پیدا کند. به عنوان مثال، اگر در یک تعادل شیمیایی غلظت مواد اولیه افزایش یابد، یا اینکه غلظت محصولات کاهش یافته باشد، واکنش به سمت راست (رفت) جابجا می شود. در حالیکه اگر غلظت محصولات افزایش یابد یا اینکه غلظت مواد اولیه کاهش یافته باشد، واکنش به سمت چپ (برگشت) جابجا می گردد.
به طور کلی می توان گفت، هر ماده ای که در یک تعادل شیمیایی کاهش پیدا کند، واکنش در جهت تولید آن حرکت می کند و هر ماده ای که در یک تعادل افزایش یافته است، واکنش در جهت مصرف آن ماده جلو می رود. به عنوان مثال، سیستم تعادلی زیر را در نظر بگیرید.
H۲ (g) + I۲ (g) ⇌ ۲ HI
هرگاه غلظت يكي از واكنش دهنده ها (H۲ یا I۲) افزايش پیدا کند، تعادل به هم می خورد. بنابراین تعداد برخورد ميان ذرات واكنش دهنده ها افزايش پیدا می کند، تا واكنش رفت سرعت بيشتري به خود بگیرد. به اين ترتيب بعد از مدتي غلظت فرآورده (HI) نيز زیاد می شود، بنابراین سرعت واکنش برگشت نیز افزايش می يابد تا زمانیکه اين دو سرعت با هم برابر شوند و تعادل مجددا برقرار گردد.
توجه داشته باشید که سرعت واکنش های رفت و برگشت و همچنين غلظت های مواد واكنش دهنده و فرآورده، در تعادل جديد با سرعت های نظير و غلظت های تعادل قبلی متفاوت می باشند. در واقع تعادل تغییر کرده است اما اين تغيير به صورتی انجام می شود كه مقدار ثابت تعادل ثابت باقی بماند. ذکر این نکته نیز مهم می باشد که افزایش غلظت سبب افزایش سرعت واکنش می گردد.
اثر تغییرات دما
برای اینکه درک بهتری از اثر دما داشته باشید، کافیست حرارت را به عنوان یک واکنش دهنده یا فرآورده در نظر بگیرید. در واقع، حرارت را در واکنش های گرماگیر به عنوان واکنش دهنده و در واکنش های گرماده، به عنوان فرآورده در نظر گرفته شود.
به طور کلی می توان گفت که با افزایش دما، تعادل در جهت مصرف گرما و از طرف دیگر با کاهش دما، تعادل در جهت تولید گرما حرکت می کند. در واقع در واکنش های گرماگیر، با افزایش دما واکنش در جهت رفت (راست) و با کاهش دما، واکنش در جهت برگشت (چپ) جابجا می گردد. علاوه بر آن در واکنش های گرمازا، با افزایش دما واکنش در جهت برگشت (چپ) و با کاهش دما واکنش در جهت رفت (راست) جابجا می شود. به عنوان مثال، در شکل زیر اثر تغییرات دما بر تولید آمونیاک که واکنشی گرمازا می باشد مشخص است.
N۲ (g) + 3H۲ (g) ⇌ ۲NH۳ (g) ΔH=–۹۲ kJ mol–۱
لازم به ذکر است که دما تنها عاملی است که می تواند علاوه بر جابجایی تعادل، ثابت تعادل را نیز تغییر دهد. در حقیقت با بالا رفتن دما، انرژی گرمايی مولكول ها در تعادل افزايش پیدا می کند. بنابراین برخورد های مولكولی بيشتر شده و در نهایت سرعت واكنش های رفت و برگشت نیز افزایش می یابد.
آزمایشات نشان داد که ميزان افزايش در سرعت واكنش های رفت و برگشت يكسان نيست. در واقع دما سرعت واكنش گرماگير را نسبت به واکنش گرمازا، بيشتر افزايش می دهد. بنابراین در تعادل جديد تشکیل شده، غلظت های مواد اولیه و محصولات تغیير کرده است. در نتیجه تعادل جابجا شده است و ثابت تعادل نیز تغيير می کند.
اثر تغییرات فشار جزئی
تغییر فشار جزئی را تنها در سیستم های گازی بررسی می کنند. لازم به ذکر است كه تغيير فشار تنها بر سيستم های تعادلی تاثیر دارد كه تعداد مول های گازهای واکنش دهنده و فرآورده در دو طرف معادله شيميايی موازنه شده يكسان نباشد. از طرف دیگر، اثر فشار بر تعادل در سیستم هایی که فقط از مواد جامد یا مایع باشند، جزئی است. بنابراین از آن صرف نظر می شود.
توجه داشته باشید که غلظت های تعادلی مواد اولیه و فرآورده ها به فشار کلی سیستم به طور مستقیم وابسته نمی باشند، بلکه رابطه ای مستقیم به فشارهای جزئی واکنش دهنده ها و فرآورده ها دارند. بنابراین اثر تغییر فشار جزئی را می توان معادل با اثر تغییر غلظت در دمای ثابت دانست. بنابراین همانند تغییر غلظت، با افزایش فشار جزئی یک گونه گازی شکل در تعادل شیمیایی، واکنش تعادلی در جهتی حرکت می کند که آن گونه گازی شکل مصرف شود. عکس این فرآیند در هنگام کاهش فشار جزئی یک گونه گازی شکل نیز انجام می شود.
اثر تغییرات حجم یا فشار کل
تغییرات حجم و یا تغییرات فشار سیستم در دمای ثابت و در فاز گازی مورد بررسی قرار می گیرد. با افزایش فشار و در نتیجه کاهش حجم سیستم گازی در دمای ثابت، تعادل به سمت مقدار مول گازی کمتر حرکت می کند. از طرف دیگر، با کاهش فشار و در نتیجه افزایش حجم سیستم به سمت مقدار مول گازی بیشتر جابجا می شود. لازم به ذکر است که اگر تعداد مول های گازی در دو طرف واکنش یکسان باشند، در نتیجه تغییر فشار، اثری بر تعادل نمی گذارد.
به عنوان مثال، دوباره می توان واکنش تولید آمونیاک را در نظر گرفت. با کاهش حجم یا افزایش فشار در سیستم تعادلی در دمای ثابت، باعث حرکت و پیشرفت واکنش به سمت رفت می گردد.
تاثیر کاتالیزور
کاتالیزور در حقیقت سبب افزایش سرعت واکنش می شود اما خودش در واکنش شرکت نمی کند. از آن جهت که افزایش سرعت در هر دو طرف واکنش به یک میزان انجام می شود، بنابراین کاتالیزور تاثیری بر وضع تعادل نمی گذارد. در واقع، کاتالیزگر در یک سیستم تنها سبب می شود که آن سیستم سریع تر به حالت تعادل برسد.
تاثیر اضافه کردن گاز نجیب
گاز نجیب در هر دو طرف واکنش حضور دارد اما با واکنش دهنده ها یا فرآورده ها واکنش نمی دهد. بنابراین اضافه کردن یک گاز نجیب به سیستم تعادلی گازی با حجم ثابت، تغییری در وضع تعادل ایجاد نمی کند.
کاربرد اصل لوشاتولیه در شیمی
اصل لوشاتولیه در روش تولید صنعتی مواد شیمیایی و کنترل تولید آنها (مانند تولید آمونیاک) بسیار مهم می باشد. زمانیکه فشار سیستم تولید افزایش یابد آمونیاک بیشتری تولید می شود. اما زمانیکه فشار سیستم کاهش یابد، آمونیاک به واکنش دهنده های نیتروژن و هیدروژن تجزیه می شود. به این ترتیب، با کنترل کردن فشار و دما می توان آمونیاک را با کم ترین ضایعات تولید کرد.
