La razón detrás de Le Chatelier del principio

Question

Entendí de Le Chatelier el principio de la perfección, pero mi pregunta es ¿por qué?

¿Por qué debería un sistema de tratar de revertir cualquier cambio que se ha hecho?

Entiendo que la constante de equilibrio, concepto de mol y las presiones parciales, pero no entiendo la mecánica cuántica aún . Si utiliza otros términos técnicos en su respuesta, por favor explique. Respuestas e intuitiva con los ejemplos será muy apreciada.

Gracias.

Answer 1

Bien, veamos primero escribir la ecuación general de una reacción química:

$$\ce{aA + bB \rightleftharpoons cC + dD}$$

Como, obviamente, saber, ya que este está en equilibrio, no todos los reactivos reaccionan para formar los productos. Por lo tanto, en una solución que está en equilibrio, todas las especies de $\ce{A, B, C}$ estará presente. Sin embargo, lo especial es que la relación de la concentración de estas especies será constante, no importa la cantidad de cada especie de empezar con. Esta relación es conocida como la constante de equilibrio. La única cosa que los efectos de esta relación es la temperatura. La constante de equilibrio está dada por:

$$K = \frac{[A]^a[B]^b}{[C]^c[D]^d}$$

Una ecuación más que usted necesita saber es el cociente de reacción que se da la relación de productos a reactivos en un momento determinado durante una reacción, y está dada por:

$$Q = \frac{[A]^a[B]^b}{[C]^c[D]^d}$$ Nota de cómo esto es similar a la constante de equilibrio, pero aquí, [A], [B], [C] y [D] son las concentraciones de la sustancia en un momento determinado durante la reacción y no tiene por que ser cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio. Esto significa que si P es menor que K, los reactivos reaccionan para formar más productos, de manera que Q aumentará de modo que finalmente será igual K y cuando P es mayor que K, viceversa. Cuando Q es igual a K, el sistema está en equilibrio.

Así que ahora vamos a aplicar este concepto nos ayuda a explicar de Le Chatelier del Principio, considerando los diferentes escenarios. Vamos a considerar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno gas en un recipiente. Reaccionan para formar amoniaco. La ecuación de esta reacción es:

$$\ce{N2(g) + 3H2(g) \rightleftharpoons2NH3(g) + heat}$$

También la equilbrium constante es:

$$K = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$$

Escenario 1: Tomar o agregar más de los reactivos o productos

Digamos que esta mezcla de gases que finalmente han alcanzado el equilibrio, por lo $K = Q$. Ahora de repente me tome algunos de hidrógeno tiene.Esto disminuiría la concentración de gas de hidrógeno y por lo tanto aumentar la $Q$. Así que ahora $Q>K$. Por lo tanto, para el sistema de ajuste, es necesario disminuir el valor de $Q$. Esto se hace mediante la creación de más productos y la disminución de la cantidad de reactivos. Así que, en resumen, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. Esto es lo que Le Chatelier del Principio predice. Ahora usando exactamente la misma lógica, podemos predecir lo que sucede si yo fuera a cambiar la concentración de amoniaco, nitrógeno, etc.

Escenario 2 - el Cambio de presión o de volumen

La presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí. Lo que significa que un aumento de presión se traducirá en una disminución en el volumen y viceversa. Esto es debido a la ley de los gases ideales:

$$pV = n\mathrm{R}T$$

Por lo tanto, el aumento de la presión de un sistema en el que el efecto en el equilibrio como disminuir el volumen.

Ahora, volviendo al ejemplo de hidrógeno, el nitrógeno y el amoníaco gas en un recipiente. Si yo de repente disminuir el volumen del recipiente por dos (equivalente a duplicar la presión) esto significaría que la concentración de cada especie tendría el doble. Ahora, ¿cómo sería este efecto nuestra $Q$ valor sería mayor o menor que $K$? Así, el numerador se multiplicaría por cuatro veces, mientras que el denominador se multiplicaría por sixteenfold. Por lo tanto $Q<K$. Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, el equilibrio se desplazará hacia la derecha.

Esto se puede aplicar si la presión disminuye, el volumen se redujo, etc.

Escenario 3: la Temperatura es cambiado

Ahora, esto no es realmente explicado por el uso de la constante de equilibrio. En lugar de utilizar un enfoque más intuitivo.

Para las reacciones endotérmicas, que es el calor necesario para la reacción a ir hacia adelante. Así que por el aumento de la temperatura, hay un aumento en la energía térmica disponible para el sistema. Por lo tanto la reacción directa se producirá más fácilmente. Por lo tanto se espera que el equilibrio se desplazará hacia la derecha. Mientras tanto, una disminución de la temperatura significa menos calor energía, por lo que el equilibrio se desplazará hacia la izquierda. La misma lógica se puede aplicar a las reacciones exotérmicas.

Answer 2

Para una reacción simple, podemos derivar el cambio de energía libre como $$\Delta G (T,P)=\Delta G^0(T)+k_BTlnK_{eq}$$ Aquí, $\Delta G (T,P)$ es el cambio de energía libre de la reacción, $\Delta G^0 (T)$ es el cambio de energía libre a esa temperatura, pero 1 bar de presión o puede utilizar cualquier escala de presión absoluta mientras usted está usando $K_{eq}$ expresión correctamente. Ahora $K_{eq}$ puede ser expresado como (por una simple->reacción B) $$K_{eq}=\frac{\frac{P_B}{P_B^0}}{\frac{P_A}{P_A^0}}$$
Ahora por simple 1 bar de presión de referencia $$K_{eq}=\frac{P_B}{P_A}$$
Así, en el equilibrio, $\Delta G(T,P)=0$ rendimientos $$K_{eq}=exp(-\frac{\Delta G^0(T)}{k_BT})$$ Hasta ahora todo está bien y también el efecto de la temperatura, la presión sobre el equilibrio ha sido muy bien explicado en la respuesta anterior, pero aún así la pregunta es ¿por Q va a la K en el equilibrio, es inexplicable.

En cualquier temperatura de $\Delta G(T,P)$ sería igual a cero si y sólo si la proporción de $P_B/P_A$ es tal que el valor de $\Delta G^0(T)$ es cancelada por $k_BTlnK_{eq}$ o en el término matemático
$$\Delta G^0(T)=-k_BTlnK_{eq}$$ Así que es un único punto en la termodinámica de la superficie. Ahora, si cambia a uno la presión de los otros de la presión debe transformarse para mantener la relación constante. En la mano si la temperatura cambia su relación de presión también va a cambiar para mantener el $\Delta G(T,P)$ cero.
Ahora la pregunta final es, ¿por qué es $\Delta G(T,P)$ es cero en el equilibrio. Esto es algo así como gravitacional de la superficie. En gravitacional de la superficie de cada objeto va a tratar de ir tan abajo como sea posible para hacer que el centro de masa lo más cerca posible del campo de gravedad. En una escala macroscópica puede ser visto como equilibriation de potencial químico. Si usted mantener a dos diferentes temperaturas cuerpo juntos van de intercambio de calor entre uno y otro y, finalmente, terminan siendo a la misma temperatura. De la misma manera si la mezcla de dos compuestos químicos que se trate de intercambio de potencial químico entre sí (La moneda aquí es la conversión de una molécula a otra) siempre y cuando su potencial químico no es igual. La anterior formulación puede ser escrito como
Para Una, el potencial químico es $$\mu_A (T,P)=\mu_A^0(T)+k_BTlnP_A$$ lo mismo para B $$\mu_B (T,P)=\mu_B^0(T)+k_BTlnP_B$$
En el equilibrio, $$\mu_A(T,P)=\mu_B(T,P)$$ Y usted conseguirá $$K_{eq}=exp(-\frac{\Delta G^0(T)}{k_BT})$$

Espero que ayude a aclarar el concepto.