Le Châtelier'n periaate

• Le Châtelier'n periaatetta voidaan soveltaa mihin tahansa dynaamiseen tasapainotilaan, esim. liukoisuustasapainoihin ja olomuodon muutoksiin.
• Koska kemiallinen tasapaino on dynaaminen, se vastaa olosuhteiden muutokseen. Jos lähtöaineiden tai tuotteiden konsentraatio muuttuu, syntyy uusi tasapainotila. Samoin käy, jos kaasureaktiossa muutetaan painetta.
• Le Châtelier'n periaate antaa mahdollisuuden ennustaa muutoksen aiheuttama lopputulos, mutta se ei selitä muutosta eikä anna mitään laskennallista pohjaa muutoksen suuruudelle.

  Esimerkki 1

• Miten reaktioon osallistuvien aineiden määrän muuttaminen vaikuttaa?
  Oletetaan, että seuraava reaktio on tasapainotilassa.

  NH3(g) + 3 O2(g)

  2 N2(g) + 6 H2O(g)

  Mitä tapahtuu, kun a) vähennetään NH₃: n määrää, b) lisätään N₂:n määrää, c) poistetaan jatkuvasti H₂O?

  Päättely
  Le Châtelier'n periaatteen mukaan uusi tasapaino muodostuu sellaiseksi, että häiriön vaikutus on vähäisin. Lisättäessä jotakin reagoivaa ainetta, reaktion suunta muuttuu siten, että kyseisen aineen määrä vähenee. Poistettaessa jotakin ainetta, reaktion suunta muuttuu siten, että kyseistä ainetta syntyy lisää.

  a) Kun NH₃: n määrää vähennetään, reaktio tuottaa sitä lisää eli tasapaino siirtyy lähtöaineiden suuntaan, siis vasemmalle.

  b) Kun lisätään N₂:n määrää, reaktio kääntyy suuntaan, jossa typen määrä vähenee eli muodostuu lisää ammoniakkia. Reaktion tasapaino siirtyy siis lähtöaineiden suuntaan, vasemmalle.

  c) Poistettaessa tuotteena muodostuvaa vettä jatkuvasti, reaktio tuottaa tilalle lisää vettä (kunnes lähtöaineet loppuvat). Tasapaino siis siirtyy oikealle.
  

  Esimerkki 2

• Miten lämpötilan muutos vaikuttaa?
  Tarkastellaan tasapainotilaa, jossa etenevä reaktio on eksoterminen. Tällöin palautuva reaktio on endoterminen.

  Eksoterminen reaktio Lämpöä vapautuu.	H < 0	lähtöaineet		tuotteet
  Endoterminen reaktio Lämpöä sitoutuu	H > 0

  Päättely
  Eksotermisessä reaktiossa tuotteiden energiasisältö on pienempi kuin lähtöaineiden. Kun lämpötilaa kohotetaan, reaktion suunta muuttuu siten, että lämpötilan kohoamisen vaikutus minimoituu. Tämä tapahtuu, kun reaktio kulkee energiaa sitovaan suuntaan eli lähtöaineisiin päin, siis vasemmalle.

  Kun lämpötilaa lasketaan, reaktio pyrkii vähentämään häiriön vaikutusta suuntautumalla tuotteisiin päin eli oikealle, koska tuotteiden energiasisältö on pienempi kuin lähtöaineiden. Tällöin vapautuu lämpöä.

  Yhteenveto	Lämpötilaa kohotetaan.	Lämpötilaa lasketaan.
  Eksoterminen reaktio	Lähtöaineita syntyy lisää.	Tuotteita syntyy lisää.
  Endoterminen reaktio	Tuotteita syntyy lisää.	Lähtöaineita syntyy lisää.

  

  Esimerkki 3

• Miten paineen muutos vaikuttaa?
  Tarkastellaan kaasufaasissa tapahtuvaa reaktiota (teollisesti tärkeä synteesikaasureaktio):

  CH4(g) + H2O(g)

  CO(g) + 3 H2(g)

  Päättely
  Kun painetta lisätään, reaktio suuntautuu siten, että paineen kasvu minimoituu. Kun kaasumolekyylien lukumäärä pienenee, myös paine pienenee. Tasapainon siirtyminen lähtöaineisiin päin eli vasemmalle pienentää molekyylien lukumäärää: lähtöaineita on kaksi molekyyliä tuotteiden neljää molekyyliä kohti. Painetta pienennettäessä vaikutus on päinvastainen, tasapaino siirtyy tuotteiden suuntaan.
  
  

  Yhteenveto

  Kaasufaasireaktioissa paineen lisäys siirtää tasapainoa siihen suuntaan, missä kaasumolekyylien lukumäärä on pienempi. Paineen laskiessa suunta on päinvastainen.

Kysymykset

1. Tutki seuraavan reaktion tasapainoa. Reaktiota käytetään tuotettaessa metanolia teollisesti.

   CO(g) + 2 H2(g)

   CH3OH(g)

   Miten vaikuttaa a) H₂:n lisääminen, b) metanolin poistaminen c) paineen lisääminen?

2. Miten reaktioseoksen lämpötilan alentaminen vaikuttaa seuraavan reaktion tasapainotilaan (selvitä ensin, onko reaktio endo- vai eksoterminen)? Miten saisit reaktiossa tasapainoa siirretyksi niin, että CO:n määrä tasapainoseoksessa olisi mahdollisimman pieni?

   2 CO(g) + O2(g)

   2 CO2(g)

3. Mihin suuntaan oheisen reaktion tasapainotila siirtyy a) painetta lisättäessä b) lämpötilaa kohotettaessa?

   N2O4(g)

   2 NO2(g)

   H = +57 kJ

4. Kaliumdikromaatin K₂Cr₂O₇vesiliuos on väriltään oranssi ja kaliumkromaatin K₂CrO₄ keltainen. Ionilajien välillä vallitsee vesiliuoksessa tasapaino, joka riippuu liuoksen happamuudesta:

   2 CrO42– + 3 H3O+

   Cr2O72– + 3 H2O

   Mihin suuntaan tasapaino siirtyy ja miten liuoksen väri muuttuu lisättäessä keltaiseen kromaattiliuokseen a) happoa b) emästä? Perustele tarkasti.

Vastaukset

1. a) H₂:n lisääminen tuottaa lisää metanolia, koska tällöin vedyn määrä vähenee tasapainoseoksessa. Tasapaino siirtyy oikealle. b) Metanolin poistaminen lisää metanolin muodostusta, koska tällöin metanolin määrä kasvaa tasapainoseoksessa. Tasapaino siirtyy oikealle. c) Paineen lisääminen siirtää myös tasapainoa oikealla, koska kaasumolekyylien määrä on on tuotteiden puolella pienempi kuin lähtöaineiden puolella (2 vs. 3).

2. Reaktio on palamisreaktio, jossa hiilimonoksidi hapettuu hiilidioksidiksi. Palamisreaktiot ovat eksotermisiä. Reaktioseoksen lämpötilan alentaminen lisää tuotteen määrää eksotermisessä reaktiossa. Tasapaino siis siirtyy oikealle. Muita keinoja tasapainoseoksen CO:n määrän pienentämiseen ovat seoksen paineen kasvattaminen, hapen lisääminen seokseen ja hiilidioksidin poistaminen seoksesta.

3. a) Vasemmalle (vähemmän kaasumolekyylejä). b) Oikealle (reaktio on endoterminen).

4. a) Hapon lisääminen kasvattaa liuoksen H₃O⁺-ionikonsentraatiota. Tällöin Le Châtelier'n periaatteen mukaan tasapaino siirtyy oikealle: syntyy lisää dikromaatti-ioneja ja vettä eli oksoniumionikonsentraatio pienenee. Väri muuttuu oranssin suuntaan. b) Emäksen lisääminen kuluttaa oksoniumioneja, joten tasapaino siirtyy vasemmalle: syntyy lisää oksoniumioneja ja kromaatti-ioneja. Väri muuttuu keltaisen suuntaan.