What does Le Châtelier's Principle state about systems at equilibrium?

Le Châtelier's Principle states that when a system at equilibrium is stressed by changes in concentration, temperature, or pressure, the system shifts to counteract the disturbance. This shift continues until a new equilibrium is reached. The principle explains how chemical systems naturally resist changes and maintain balance when external conditions are altered.

How does increasing reactant concentration affect chemical equilibrium?

When the concentration of a reactant is increased, the equilibrium shifts toward the products to consume the excess reactant. This increases the rate of the forward reaction, producing more product until a new equilibrium is established. Understanding solutions and concentrations molarity molality helps predict these shifts accurately.

Why is heat considered a reaction component in Le Châtelier's Principle?

In exothermic reactions, heat is released and acts as a product. In endothermic reactions, heat is absorbed and acts as a reactant. Since heat functions as either a product or reactant, adding or removing heat disturbs equilibrium, causing the system to shift and adjust to a new equilibrium state.

What happens to equilibrium when a reactant is selectively removed from solution?

When a reactant is selectively removed through formation of an insoluble salt, its concentration decreases, and the equilibrium shifts left toward the reactants. This shift attempts to replace the removed reactant. Understanding the solubility rules of ionic compounds helps predict which ions precipitate and shift equilibrium.

How do buffer solutions use Le Châtelier's Principle to resist pH change?

Buffer solutions contain a weak acid and its conjugate base in equilibrium. When strong acid is added, it increases hydrogen ion concentration, shifting the weak acid equilibrium left and reducing hydrogen ions until a new equilibrium forms. This buffering action maintains nearly constant pH despite acid addition.

What does the color change in the iron thiocyanate reaction indicate about equilibrium shifts?

The iron thiocyanate complex is red, while reactants are colorless or yellow. When equilibrium shifts right toward products, the solution becomes more intensely red. When equilibrium shifts left toward reactants, the red color fades. These color changes provide visual evidence of how the system responds to concentration and temperature changes.

How can Le Châtelier's Principle be applied to recover materials in industrial processes?

Le Châtelier's Principle guides material recovery by manipulating equilibrium through pH, temperature, or concentration changes. For example, ammonium recovery involves oxidizing water to separate ammonium ions, then shifting equilibrium at high pH to convert ammonium to volatile ammonia. This captured ammonia is then trapped in acidic medium, shifting equilibrium in the opposite direction.

مبدأ Le Châtelier

0 مشاهدات08:37 د

< p class = "jove_title" >1. تحضير محاليل توازن الثيوسيانات الحديدية (III)

ضع قطرة واحدة من محلول 1 M Fe (NO₃) ₃ في أنبوب اختبار وقم بتخفيفه ب 2 مل من الماء. ضع قطرة واحدة من 1 M KSCN في أنبوب اختبار آخر وقم بتخفيفه ب 2 مل من الماء. يعمل هذان الأنبوبان الاختباريان كعناصر تحكم للمقارنة مع أنابيب الاختبار الأخرى.
ضع قطرة واحدة من محلول 1 M Fe (NO₃) ₃ في أنبوب اختبار.
أضف قطرة واحدة من 1 M KSCN إلى أنبوب الاختبار.
أضف 16 مل من الماء إلى أنبوب الاختبار واخلط المحتويات جيدا.
سجل أي ملاحظات.
يقسم الخليط إلى أجزاء سعة 2 مل في 8 أنابيب اختبار. يظل أحد أنابيب الاختبار على حاله ويعمل كعنصر تحكم FeSCN²⁺. ترقيم أنابيب الاختبار الأخرى من 1 إلى 7.

< p class = "jove_title" >2. إضافة أيونات الحديد (III) والثيوسيانات إلى محلول التوازن

لأنبوب الاختبار 1 ، أضف قطرة واحدة من محلول 1 M Fe (NO₃) ₃.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
لاختبار الأنبوب 2 ، أضف قطرة واحدة من محلول 1 KSCN.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.

فئة

3. إضافة نترات الفضة إلى محلول التوازن

لاختبار الأنبوب 3 ، أضف 3 قطرات من محلول 0.1 M AgNO₃.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
أضف 3 قطرات من 1 M Fe (NO₃) ₃ إلى أنبوب الاختبار.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
لاختبار الأنبوب 4 ، أضف 3 قطرات من محلول AgNO₃ 0.1 M.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
أضف 3 قطرات من 1 M KSCN إلى أنبوب الاختبار.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.

< p class = "jove_title" >4. إضافة فوسفات البوتاسيوم إلى محلول التوازن

لاختبار الأنبوب 5 ، أضف 3 قطرات من محلول 0.5 M K₃PO₄.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
أضف 3 قطرات من 1 M Fe (NO₃) ₃ إلى أنبوب الاختبار.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
لاختبار الأنبوب 6 ، أضف 3 قطرات من محلول 0.5 M K₃PO₄.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.
أضف 3 قطرات من 1 M KSCN إلى أنبوب الاختبار.
رج العبوة لخلط وتسجيل أي ملاحظات.

< p class = "jove_title" >5. تغيير درجة حرارة محلول التوازن

ضع أنبوب الاختبار 7 في حمام مائي 70-80 درجة مئوية لمدة 1-2 دقيقة.
قارن المحلول الدافئ بالمحلول الموجود في أنبوب الاختبار غير المسخن (عنصر التحكم FeSCN²⁺) ، وسجل أي ملاحظات.
اجمع محتويات أنابيب الاختبار 3 و 4 في وعاء نفايات المختبر المسمى "فضي". صب محتويات جميع أنابيب الاختبار الأخرى في البالوعة.

وفقا لمبدأ Le Châtelier ، إذا تم إزعاج توازن النظام بسبب الإجهاد ، فسوف يتحول النظام للتعويض.

عندما يكون النظام الكيميائي في حالة توازن ، لا يوجد تغيير صاف في تركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات الخاصة به. إذا تم تغيير أي معلمة ، مثل التركيز أو درجة الحرارة ، إزعاج التوازن.

يتم ضبط النظام عن طريق تغيير اتجاه التفاعل حتى يتم الوصول إلى توازن جديد.

سيوضح هذا الفيديو مبدأ Le Châtelier من خلال إظهار تأثير التركيز ودرجة الحرارة على التفاعلات الكيميائية عند التوازن.

تتكون التفاعلات الكيميائية القابلة للانعكاس من عمليتين متنافستين: التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي. عندما تحدث هاتان العمليتان بنفس المعدل ، يكون النظام في حالة توازن. ينص مبدأ Le Châtelier على أنه عندما يتم الضغط على نظام في حالة توازن ، فإنه سيتحول لمواجهة الاضطراب.

على سبيل المثال ، إذا زاد تركيز نوع متفاعل في محلول توازن ، فسوف يتحول التوازن نحو المنتجات ، مما يزيد من معدل التفاعل الأمامي. في النهاية ، سيصل النظام إلى توازن جديد.

يمكن أيضا اعتبار درجة الحرارة مكونا للتفاعل. في التفاعلات الطاردة للحرارة ، يتم إطلاق الحرارة ، مما يجعلها منتجا. في التفاعلات الماصة للحرارة ، يتم امتصاص الحرارة من المناطق المحيطة ، مما يجعلها متفاعلة. وبالتالي ، فإن إضافة الحرارة أو إزالتها ستؤدي إلى الإخلال بالتوازن ، وسوف يتم ضبط النظام.

ستنظر هذه التجربة في التفاعل الأيوني للحديد (III) مع الثيوسيانات لتكوين مركب ثيوسيانات الحديد (III). المنتج أحمر ، في حين أن المواد المتفاعلة صفراء أو عديمة اللون ، مما يسمح بملاحظة التحولات في التوازن بصريا.

سيتم تغيير تركيزات هذه المكونات إما عن طريق إضافة الأيونات مباشرة إلى المحلول ، أو عن طريق إزالتها بشكل انتقائي من خلال تكوين أملاح غير قابلة للذوبان. سيتم أيضا ملاحظة تأثير تغير درجة الحرارة على هذا المحلول.

الآن بعد أن فهمت مبدأ Le Châtelier ، فأنت جاهز لبدء الإجراء.

لبدء الإجراء ، ضع قطرة واحدة من محلول نترات الحديد 1 M في أنبوب اختبار. ضع قطرة واحدة من محلول ثيوسيانات البوتاسيوم 1 M في أنبوب اختبار ثان. خفف كل منها ب 2 مل من الماء. سيكون هذان الأنبوبان بمثابة عناصر تحكم لبقية التجربة.

بعد ذلك ، في أنبوب جديد ، أضف قطرة من كل محلول. أضف 16 مل من الماء واخلطه جيدا. سجل أي ملاحظات.

قسم هذا الخليط إلى أجزاء سعة 2 مل في سبعة أنابيب اختبار مصنفة. ضع الأنبوب الأولي جانبا كعنصر تحكم في ثيوسيانات الحديد.

بعد ذلك ، أضف المواد المتفاعلة إلى الأنابيب 1-6 وفقا للجدول 2 أدناه. رج العبوة للخلط في كل مرة يتم فيها إضافة نوع ، وسجل أي ملاحظات.

ضع أنبوب الاختبار 7 في حمام ماء ساخن لمدة 1-2 دقيقة. قارن المحلول الدافئ بالتحكم في ثيوسيانات الحديد ، وسجل أي ملاحظات.

في المحاليلين 1 و 2 ، اشتد اللون الأحمر مع زيادة تركيز المواد المتفاعلة. يشير هذا إلى أن التوازن تحول إلى اليمين ، مما أدى إلى إنتاج المزيد من ثيوسيانات الحديد (III).

أصبحت

المحاليل التي تلقت نترات الفضة عديمة اللون وشكلت رواسب. تسببت إضافة أيون الثيوسيانات في ظهور اللون الأحمر مرة أخرى. لم يظهر اللون الأحمر مرة أخرى عند إضافة أيون الحديد. من هذه الملاحظات ، يمكن استنتاج أن أيون الثيوسيانات قد تمت إزالته بشكل انتقائي من المحلول في الرواسب. مع انخفاض تركيزه ، تحول التوازن إلى اليسار. أدت إضافة أيون الثيوسيانات مرة أخرى إلى المحلول إلى تحول التوازن إلى اليمين.

لوحظ أن المحاليل التي تلقت فوسفات البوتاسيوم تتلاشى وتصبح صفراء. عندما زاد تركيز أيون الحديد ، ظهر اللون الأحمر مرة أخرى وأصبح المحلول غائما. زيادة تركيز أيون الثيوسيانات لم يكن له أي تأثير. وبالتالي ، يمكن استنتاج أن الحديد تمت إزالته بشكل انتقائي من المحلول لتشكيل ملح فوسفات الحديد ، مما تسبب في تحول التوازن إلى اليسار. يترسب ملح فوسفات الحديد في النهاية من المحلول عند إضافة المزيد من الحديد ، وتحول التوازن مرة أخرى إلى اليمين.

تلاشى اللون الأحمر للمحلول 7 إلى اللون البرتقالي مع زيادة درجة الحرارة. يشير تحول التوازن هذا إلى اليسار إلى أن التفاعل طارد للحرارة ، وأن الحرارة تتولد عند تكوين منتج ثيوسيانات الحديد.

مفهوم تحويل التوازن له تطبيقات عديدة في مجموعة واسعة من المجالات العلمية.

يشرح مبدأ Le Châtelier سبب مقاومة المحاليل العازلة لتغير الأس الهيدروجيني. في هذا المثال ، تم استخدام محلول عازل لأسيتات الصوديوم للحفاظ على درجة حموضة ثابتة تقريبا.

في المحلول المائي ، يكون تفكك الحمض تفاعلا عكسيا حيث تنفصل الأنيونات عن أيونات الهيدروجين. غالبا ما تكون المحاليل العازلة عبارة عن خليط توازن من أيونات الهيدروجين المنفصلة ، وحمض ضعيف ، وأنيونها - المعروف أيضا باسم قاعدته المترافقة.

إذا تمت إضافة حمض قوي ، فسوف ينفصل تماما ، مما يزيد من تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول. يتحول توازن التفاعل الحمضي الضعيف إلى اليسار استجابة ، مما يقلل من تركيز أيونات الهيدروجين حتى يصل إلى توازن جديد. لهذا السبب ، يتم استخدام المحاليل العازلة كوسيلة للحفاظ على درجة الحموضة عند قيمة ثابتة تقريبا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الكيميائية.

البلمرة ، عملية تفاعل الجزيئات معا لتشكيل سلاسل بوليمر ، ضرورية لانقسام الخلايا البكتيرية. في هذا المثال ، لوحظ مبدأ Le Châtlelier من خلال إجراء فحوصات الترسيب FtsZ في ظل ظروف مختلفة. تم إنشاء تسعة مخازن مؤقتة ، لكل منها تركيبات فريدة وقيم الأس الهيدروجيني. تم تحفيز البلمرة ، ثم مراقبتها عن طريق تشتت الضوء بزاوية 90 درجة. وجد أن كلا من الأس الهيدروجيني والتركيبة العازلة أثرت على البلمرة ، حيث يوفر كل منهما ضغطا يغير توازن التفاعل.

أخيرا ، يمكن استخدام مبدأ Le Châtlelier في إنتاج واستعادة المواد في التفاعلات العضوية. في هذا المثال ، تم استرداد الأمونيوم من الجداول الغنية بالنيتروجين.

تم تمرير التيار عبر نظام كهروكيميائي ، مما أدى إلى أكسدة الماء والسماح بفصل أيونات الأمونيوم. ثم تعرضت هذه الأيونات لدرجة حموضة عالية ، مما أدى إلى تغيير توازنها ، ودفع تحويل الأمونيوم إلى أمونيا متطايرة.

ثم تم تمرير هذه الأمونيا الملتقطة عبر عمود تجريد وامتصاص لاحتجاز الأمونيا في وسط حمضي ، مما يؤدي إلى تحويل التوازن في الاتجاه الآخر.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتأثير درجة الحرارة والتركيز على ردود الفعل وفقا لمبدأ Le Châtelier. يجب أن تفهم الآن مفهوم التوازن ، وكيف ستؤدي التغيرات في التركيز إلى حدوث تحولات ، ويمكن اعتبار هذه الحرارة أحد مكونات التفاعل.

شكرا للمشاهدة!

المصدر: مختبر الدكتورة لين أوكونيل - كلية بوسطن

عندما تتغير ظروف النظام في حالة توازن ، يستجيب النظام بطريقة تحافظ على التوازن. في عام 1888 ، وصف هنري…