Il principio di Le Chatelier descrive la risposta di un sistema in equilibrio per contrastare gli effetti causati da un agente esterno. È stato formulato nel 1888 dal chimico francese Henry Louis Le Chatelier. Si applica a qualsiasi reazione chimica in grado di raggiungere l'equilibrio in sistemi chiusi.

Cos'è un sistema chiuso? È quello in cui c'è il trasferimento di energia tra i suoi confini (ad esempio, un cubo), ma non di materia. Tuttavia, per esercitare un cambiamento nel sistema è necessario aprirlo e poi richiuderlo per studiare come risponde al disturbo (o cambiamento).

Henry Louis Le Chatelier

Una volta chiuso, il sistema tornerà in equilibrio e grazie a questo principio sarà possibile prevedere il suo modo di ottenerlo. Il nuovo equilibrio è uguale a quello vecchio? Dipende dal tempo a cui l'impianto è sottoposto a disturbi esterni; se dura abbastanza a lungo, il nuovo equilibrio è diverso.

In cosa consiste?

La seguente equazione chimica corrisponde a una reazione che ha raggiunto l'equilibrio:

aA + bB <=> cC + dD

In questa espressione a, b, ced sono i coefficienti stechiometrici. Poiché il sistema è chiuso, dall'esterno non entrano reagenti (A e B) o prodotti (C e D) che disturbano l'equilibrio.

Ma cosa significa esattamente equilibrio? Quando è impostato, le velocità della reazione in avanti (a destra) e inversa (a sinistra) si equalizzano. Di conseguenza, le concentrazioni di tutte le specie rimangono costanti nel tempo.

Quanto sopra può essere inteso in questo modo: non appena un po 'di A e B reagiscono per produrre C e D, reagiscono contemporaneamente per rigenerare A e B consumati, e così via fintanto che il sistema rimane in equilibrio.

Tuttavia, quando un disturbo viene applicato al sistema -se per aggiunta di A, calore, D o riducendo il volume-, il principio di Le Chatelier prevede come si comporterà per contrastare gli effetti causati, sebbene non spieghi il meccanismo molecolare permettendogli di tornare in equilibrio.

Pertanto, a seconda delle modifiche apportate, è possibile favorire il senso di una reazione. Ad esempio, se B è il composto desiderato, viene esercitata una variazione tale che l'equilibrio si sposta alla sua formazione.

Fattori che modificano l'equilibrio chimico

Per comprendere il principio di Le Chatelier, un'ottima approssimazione è assumere che l'equilibrio sia costituito da una scala.

Visto da questo approccio, i reagenti vengono pesati sul piatto sinistro (o cestello) e i prodotti vengono pesati sul piatto destro. Da qui, la previsione della risposta del sistema (l'equilibrio) diventa facile.

Cambiamenti nella concentrazione

aA + bB <=> cC + dD

La doppia freccia nell'equazione rappresenta il gambo della bilancia e le padelle sottolineate. Quindi, se una quantità (grammi, milligrammi, ecc.) Di A viene aggiunta al sistema, ci sarà più peso sul piatto destro e la bilancia si inclinerà in quel modo.

Di conseguenza, il piattino C + D si alza; in altre parole, acquista importanza rispetto al piatto A + B. In altre parole: con l'aggiunta di A (come con B) la bilancia sposta i prodotti C e D verso l'alto.

In termini chimici, l'equilibrio finisce per spostarsi a destra: verso la produzione di più C e D.

Nel caso in cui si aggiungano al sistema quantità di C e D si verifica il contrario: il piatto sinistro diventa più pesante, provocando il sollevamento del piatto destro.

Di nuovo, questo si traduce in un aumento delle concentrazioni di A e B; quindi, uno spostamento di equilibrio viene generato a sinistra (i reagenti).

Cambiamenti di pressione o volume

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

I cambiamenti di pressione o di volume causati nel sistema hanno effetti notevoli solo sulle specie allo stato gassoso. Tuttavia, per l'equazione chimica superiore nessuna di queste alterazioni modificherebbe l'equilibrio.

Perché? Perché il numero di moli totali di gas su entrambi i lati dell'equazione è lo stesso.

La bilancia cercherà di bilanciare le variazioni di pressione, ma poiché entrambe le reazioni (diretta e inversa) producono la stessa quantità di gas, rimane invariata. Ad esempio, per la seguente equazione chimica la bilancia risponde a questi cambiamenti:

aA (g) + bB (g) <=> eE (g)

Qui, a fronte di una diminuzione del volume (o aumento della pressione) nel sistema, la bilancia solleverà la pentola per ridurre questo effetto.

Come? Diminuendo la pressione, attraverso la formazione di E. Questo perché, poiché A e B esercitano più pressione di E, reagiscono per diminuire le loro concentrazioni e aumentare quella di E.

Allo stesso modo, il principio Le Chatelier prevede l'effetto dell'aumento del volume. Quando ciò si verifica, l'equilibrio deve quindi contrastare l'effetto favorendo la formazione di moli più gassosi che ripristinano la perdita di pressione; questa volta, spostando la bilancia a sinistra, sollevando il piatto A + B.

Cambiamenti di temperatura

Il calore può essere considerato sia reattivo che prodotto. Pertanto, a seconda dell'entalpia di reazione (ΔHrx), la reazione è esotermica o endotermica. Quindi il calore viene posizionato sul lato sinistro o destro dell'equazione chimica.

aA + bB + calore <=> cC + dD (reazione endotermica)

aA + bB <=> cC + dD + calore (reazione esotermica)

In questo caso, il riscaldamento o il raffreddamento del sistema genera le stesse risposte del caso di variazioni di concentrazione.

Ad esempio, se la reazione è esotermica, il raffreddamento del sistema favorisce lo spostamento di equilibrio verso sinistra; mentre se viene riscaldato la reazione prosegue con maggiore tendenza a destra (A + B).

applicazioni

Tra le sue innumerevoli applicazioni, dato che molte reazioni raggiungono l'equilibrio, ci sono le seguenti:

Nel processo di Haber

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (esotermico)

L'equazione chimica superiore corrisponde alla formazione dell'ammoniaca, uno dei principali composti prodotti su scala industriale.

Qui le condizioni ideali per ottenere NH ₃ sono quelle in cui la temperatura non è molto elevata e, allo stesso modo, dove ci sono alti livelli di pressione (da 200 a 1000 atm).

Nel giardinaggio

Le ortensie viola (immagine in alto) stabiliscono un equilibrio con l'alluminio (Al ³⁺ ) presente nei terreni. La presenza di questo metallo, l'acido di Lewis, determina la loro acidificazione.

Tuttavia, nei terreni di base i fiori delle ortensie sono rossi, perché l'alluminio è insolubile in questi terreni e non può essere utilizzato dalla pianta.

Un giardiniere che abbia familiarità con il principio di Le Chatelier potrebbe cambiare il colore delle sue ortensie acidificando abilmente i terreni.

Nella formazione di grotte