14.9
Principe van Le Chatelier: temperatuur veranderen
In overeenstemming met de wet van massaactie zal een evenwicht dat wordt benadrukt door een verandering in concentratie verschuiven om het evenwicht t…
Temperatuur beïnvloedt de snelheid van een chemische reactie;daarom werkt een verandering in temperatuur voor een reactie bij evenwicht als een belasting voor het systeem. Het principe van Le Châtelier voorspelt hoe het systeem zal reageren om dergelijke storingen tot een minimum te beperken. Een verandering in de temperatuur verandert de waarde van de evenwichtsconstante, in tegenstelling tot een verandering in concentratie of volume, die het evenwicht verschuift zonder de waarde van K te veranderen.
Beschouw de ontleding van gasvormig fosforpentachloride in fosfortrichloride en chloorgas. Voor deze endotherme reactie kan de geabsorbeerde warmte worden gezien als een reactant. Een temperatuurstijging voegt warmte toe aan het systeem, vergelijkbaar met het toevoegen van meer reactant.
De evenwichtspositie verschuift dus naar de producten en produceert meer fosfortrichloride en chloor om de extra warmte te verbruiken omdat de waarde van de evenwichtsconstante, K, is toegenomen. Aan de andere kant verwijdert een temperatuurdaling warmte uit het systeem, vergelijkbaar met het verwijderen van een reactant. De evenwichtspositie verschuift naar de reactanten en produceert meer fosforpentachloride om warmte vrij te maken omdat de waarde van K is afgenomen.
Voor een exotherme reactie, zoals de gasvormige reactie tussen zwaveldioxide en zuurstof om zwaveltrioxide te produceren, kan de vrijkomende warmte worden beschouwd als een product. Een temperatuurstijging is vergelijkbaar met het toevoegen van meer van een product. Hierdoor verschuift de evenwichtspositie naar de reactanten, waardoor er meer zwaveldioxide en zuurstof wordt geproduceerd om een deel van de toegevoegde warmte te absorberen omdat de waarde van K is afgenomen.
Omgekeerd, door de temperatuur van deze exotherme reactie te verlagen, wordt warmte verwijderd, zoals het verwijderen van een product. De evenwichtspositie verschuift naar de producten en produceert meer zwaveltrioxide om warmte af te geven naarmate K is toegenomen. Aldus begunstigt een temperatuurstijging de producten in een endotherme reactie, terwijl een temperatuurdaling de producten in een exotherme reactie begunstigt.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature change affect the equilibrium constant differently than concentration changes?
Temperature changes alter the equilibrium constant value itself, whereas concentration changes shift equilibrium without changing K. This occurs because temperature affects the rate constants for both forward and reverse reactions through the Arrhenius equation. Since the rate constants vary with temperature, the equilibrium constant—which depends mathematically on these rate constants—also changes with temperature.
Q2: How does increasing temperature affect an endothermic reaction at equilibrium?
For endothermic reactions, heat is treated as a reactant. Increasing temperature adds heat to the system, similar to adding more reactant. The equilibrium shifts toward products to consume the extra heat, and the equilibrium constant K increases. This produces more products like phosphorus trichloride and chlorine in the decomposition of phosphorus pentachloride.
Q3: What happens to an exothermic reaction when temperature decreases?
For exothermic reactions, heat functions as a product. Decreasing temperature removes heat, similar to removing a product. The equilibrium shifts toward products to release heat and restore the removed energy, and K increases. This produces more sulfur trioxide in the reaction between sulfur dioxide and oxygen.
Q4: How can you predict which direction an equilibrium will shift with a temperature change?
Consider the reaction's enthalpy change. For endothermic reactions, increasing temperature favors products; decreasing temperature favors reactants. For exothermic reactions, the opposite occurs: increasing temperature favors reactants, while decreasing temperature favors products. This prediction follows from treating heat as either a reactant or product depending on reaction type.
Q5: Why does decreasing temperature shift an exothermic equilibrium toward products?
In exothermic reactions, heat is a product. Removing heat by decreasing temperature is like removing a product, causing the equilibrium to shift right toward products. This shift produces more products to release additional heat and counteract the temperature decrease, while the equilibrium constant K increases.
Q6: How does temperature change differ from volume or pressure changes in affecting equilibrium?
Temperature changes alter the equilibrium constant value, while volume or pressure changes shift equilibrium without changing K. This fundamental difference occurs because temperature affects the rate constants underlying K through the Arrhenius equation. Understanding this distinction is essential for predicting how equilibrium systems respond to different stresses.
Q7: What role does the equilibrium constant play when temperature changes?
The equilibrium constant K is a mathematical function of the forward and reverse rate constants. Since temperature changes affect these rate constants differently through the Arrhenius equation, K itself changes. A new equilibrium is established with a different K value and different relative composition of reactants and products compared to the original equilibrium.