14.9
Zasada Le Chateliera: zmiana temperatury
Zgodnie z prawem działania mas, równowaga naprężona przez zmianę stężenia przesunie się, aby ponownie ustanowić równowagę bez jakiejkolwiek zmiany war…
Temperatura wpływa na szybkość reakcji chemicznej, dlatego zmiana temperatury reakcji w stanie równowagi działa jak naprężenie na układ. Zasada Le Châteliera przewiduje, w jaki sposób system zareaguje, aby zminimalizować takie zakłócenia.
Zmiana temperatury zmienia wartość stałej równowagi, w przeciwieństwie do zmiany stężenia lub objętości, która przesuwa równowagę bez zmiany wartości K.
Rozważ rozkład gazowego pięciochlorku fosforu na trichlorek fosforu i chlor gazowy. W przypadku tej reakcji endotermicznej pochłonięte ciepło można traktować jako reagent.
Wzrost temperatury powoduje dodanie ciepła do systemu, podobnie jak dodanie większej ilości reagenta. W ten sposób pozycja równowagi przesuwa się w kierunku produktów i wytwarza więcej trójchlorku fosforu i chloru, aby zużyć dodatkowe ciepło, ponieważ wartość stałej równowagi, K, wzrosła.
Z drugiej strony spadek temperatury usuwa ciepło z układu, podobnie jak usunięcie reagenta. Pozycja równowagi przesuwa się w kierunku reagentów i wytwarza więcej pentachlorku fosforu do uwalniania ciepła, ponieważ wartość K spadła.
W przypadku reakcji egzotermicznej, takiej jak reakcja gazowa między dwutlenkiem siarki a tlenem w celu wytworzenia trójtlenku siarki, uwolnione ciepło można traktować jako produkt.
Wzrost temperatury jest podobny do dodawania większej ilości produktu. Powoduje to, że pozycja równowagi przesuwa się w kierunku reagentów, wytwarzając więcej dwutlenku siarki i tlenu, aby pochłonąć część dodanego ciepła, ponieważ wartość K spadła.
I odwrotnie, obniżenie temperatury tej reakcji egzotermicznej usuwa ciepło, podobnie jak usuwanie produktu. Pozycja równowagi przesuwa się w kierunku produktów i wytwarza więcej trójtlenku siarki, aby uwolnić ciepło wraz ze wzrostem K.
Tak więc wzrost temperatury sprzyja produktom w reakcji endotermicznej, podczas gdy spadek temperatury sprzyja produktom w reakcji egzotermicznej.
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.