Le Châtelier 原则

General Chemistry

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Overview

资料来源: 琳恩 · 奥康奈尔博士的实验室 — — 波士顿学院

当系统处于平衡状态的条件改变时,系统响应一种维持平衡。1888 年,亨利 · 刘易斯 Le Châtelier 描述了这种现象在一项原则,指出,"当温度、 压力,或浓度的变化扰乱中化学平衡的系统时,变化将会抵消平衡组成改变。"

本实验演示 Le Châtelier 原则,在工作中铁离子和硫氰酸根离子,产生铁 thiocyante 离子之间的可逆反应:

Fe3 +(aq) + SCN- (aq) Reversibly Equals FeSCN2 + (aq)

之一的离子浓度被改变直接向解决方案添加一个离子数量或选择性地去除离子通过形成不溶性的盐溶液中。颜色变化的观测表明是否平衡已经发生改变,有利于形成产品或反应物。此外,温度变化影响平衡的解决方案可以被观察,导致得出结论是否反应是放热的还是吸热的能力。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 一般化学精要. Le Châtelier 原则. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

为了充分理解 Le Châtelier 原则,考虑了以下化学方程表示的那种可逆反应:

aA + bB Reversibly Equals cC + dD

这种反应实际上包括两个相互竞争的过程: 向前的反应,其中 C 和 D 的产品都从反应物,形成和逆向反应,在反应物 A 和 B 形成从产品。当彼此相等率这两个过程时,还有没有净改变产品或反应物的浓度和反应据说是处于平衡状态。把产品送到反应物的平衡浓度平衡浓度的比值是一个常数,由下面的公式所示:

Generic Kc Equation

Kc在哪里的平衡常数。方括号表示不同的物种和每个所涉及的物质平衡方程中的小写字母代表的摩尔数的浓度。在之前所示的铁和硫氰酸根离子之间的反应,平衡常数是:

Specific Kc Equation

当改变了反应物或产品平衡溶液中的浓度时,其他物种的浓度必须改变,以保持稳定比例的反应物的产品。在平衡简称"转变"的这些变化。平衡可以转向左边,意味着它在相反的方向和浓度的反应物增加,收益或转向右,这意味着它在前进方向和浓度的产品增加收益。在铁和硫氰酸根离子之间的反应,左移就意味着更多的铁和硫氰酸根离子,形成而向右移位将意味着更多铁形成硫氰酸根离子。

平衡常数是取决于温度;因此,均衡解的温度变化可以也导致转变向右或向左,取决于是否反应是放热的还是吸热。放热反应,反应所产生的热量可以被表示成居住产品一边的方程,因为热生产的产品:

aA + bB Reversibly Equals cC + dD + 热

如果热量被添加到系统,通过提高温度,平衡移至左侧,和反应物的浓度增加。对于吸热反应,增加热量会导致移向右。

aA + bB + 热Reversibly EqualscC + dD

在这种情况下,反应物的浓度会增加随温度增加。

Procedure

1.编制的铁硫氰酸盐均衡解

  1. 地方 1 1 M Fe (没有3)3溶液在试管中滴和用 2 毫升水稀释。地方 1 1 M 氰酸在另一试管里滴和用 2 毫升水稀释。这些两个试管作为控件要针对其他试管进行比较。
  2. 1 1 M Fe (没有3)3溶液在试管中滴的地方。
  3. 给试管加 1 M 氰酸 1 滴。
  4. 给试管添加 16 毫升的水,拌匀,内容。
  5. 记录的任何意见。
  6. 把面团切成 2 毫升部分 8 试管中。其中一个测试管保持不变,并作为 FeSCN2 +控制。数字测试管 1-7。

2.增设铁和硫氰酸根离子对均衡解

  1. 向试管 1,加 1 M Fe (没有3)3溶液 1 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 给试管 2,加 1 滴 1 氰酸解决方案。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。

3.加入硝酸银对均衡解

  1. 给试管 3,添加 0.1 M AgNO3溶液 3 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 向试管中加入 1 M Fe (没有3)3 3 滴。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。
  5. 给试管 4,添加 0.1 M AgNO3溶液 3 滴。
  6. 摇匀混合并记录任何意见。
  7. 向试管中加入 1 M 氰酸 3 滴。
  8. 摇匀混合并记录任何意见。

4.增加磷酸酯钾对均衡解

  1. 给试管 5,添加 0.5 M K3大埔4溶液 3 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 向试管中加入 1 M Fe (没有3)3 3 滴。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。
  5. 给试管 6,添加 0.5 M K3大埔4溶液 3 滴。
  6. 摇匀混合并记录任何意见。
  7. 向试管中加入 1 M 氰酸 3 滴。
  8. 摇匀混合并记录任何意见。

5.不断变化的温度均衡解

  1. 在 1-2 分钟 70-80 ℃ 水浴中放置试管 7。
  2. 比较温暖的解决方案,解决方案在不加热试管中 (FeSCN2 +控件),并记录任何意见。
  3. 收集的试管 3 内容和在实验室废弃物 4 罐标记的"银"。倒进了下水道的所有其他测试管的内容。

Le Châtelier 原则,如果一个系统的平衡受到压力,系统就会转向补偿。

化工系统处于平衡状态,时其反应物或产物的浓度没有净改变。如果任何参数,如浓度或温度,改变,平衡将会感到不安。

该系统通过转移反应的方向,直到达到新的平衡调整。

这个视频将显示 Le Châtelier 原则的显示上化学反应平衡时的浓度和温度的影响。

可逆化学反应包含两个竞争进程: 向前反应和逆反应。这两个过程在相同的速率时,系统处于平衡状态。Le Châtelier 原则的国家,当系统处于平衡状态强调,它将改变来抵消干扰。

例如,如果增加了平衡溶液中的反应物质的浓度,平衡将转向产品,提高远期反应的速率。最终,该系统将达到新的平衡。

温度也可以作为反应的一个组成部分的思想。放热反应,释放热,使它的产品。反应是放热反应,从周围的环境,使其反应物吸收热量。因此,添加或移除热会打扰平衡,系统会调整。

本实验将看与硫氰酸盐,形成复杂的铁 (III) 硫氰酸铁 (III) 离子反应。该产品是红色,而反应物是黄色或无色的允许平衡的变化,以直观地观察。

这些组分浓度会发生改变,要么直接添加到解决方案中,离子或通过有选择地将它们删除通过形成不溶性的盐类。温度变化对此解决方案的影响也会观察到。

既然你了解 Le Châtelier 原则,您就可以开始执行程序。

开始执行程序,将一滴 1 M 铁硝酸溶液放入试管中。在第二次试管中放置一滴 1 M 钾硫氰酸盐溶液。稀释每 2 毫升的水。这些两管将作为控制剩余时间的实验。

下一步,在新的管,加一滴每个解决方案。添加 16 毫升的水,并拌匀。记录的任何意见。

这种混合物分成七个标记试管中的 2 毫升份。拨出初始管作为铁硫氰酸盐控制。

接下来,将反应物添加到下面的表 2 根据管 1 — — 6。摇匀混合每次添加一个物种,并记录任何意见。

地方试管 7 成 1-2 分钟的热水澡比较铁硫氰酸盐控制,温暖的解决方案并记录任何意见。

在解决办法 1 和 2,红颜色加强随着反应物浓度的增加。这表明平衡转移到右边,导致生产的硫氰酸铁 (III) 更多。

所收到硝酸银的解决方案成为了无色和形成沉淀。另外的硫氰酸根离子引起的红色的颜色再现。添加铁离子时,红色的颜色并没有再现。从这些意见,可以得出结论,硫氰酸根离子选择性地辗转从溶液中析出沉淀。随着其浓度降低,平衡转移到左边。溶液中加入硫氰酸根离子回引起平衡要回向右移动。

收到了磷酸钾的解决方案观察褪色,变黄了。铁离子浓度的增加,红色的颜色再现和解决方案转为多云。硫氰酸根离子浓度的增加并没有影响。因此,可以推论铁被选择性地去除从溶液,形成铁磷酸酯盐,造成平衡向左移动。铁磷盐最终沉淀从溶液时增加了更多的铁,和平衡转移回权。

红颜色的解决方案 7 褪成橙色作为温度增加。这种平衡转变到左边表明反应是放热的和那热量产生时形成铁硫氰酸盐产品。

平衡转移的概念有几个应用程序在种类繁多的科学领域。

Le Châtelier 原理解释了为什么缓冲溶液抵制 ph 值的变化。在此示例中,钠乙酸盐缓冲溶液用于维护几乎恒定的 ph 值。

在水溶液中,酸离解是可逆反应阴离子在哪里从氢离子离解。缓冲溶液经常是游离的氢离子,一种弱酸和其阴离子的平衡混合物 — — 也称为其共轭的基地。

如果添加了一种强酸,它将离解完全,溶液中氢离子浓度的增加。弱的酸反应的平衡转移到左的反应,减少氢离子的浓度,直到它到达一个新的平衡。正因为如此,缓冲溶液作为 ph 值保持在种类繁多的化学应用几乎恒定值的一种手段。

聚合,反应分子一起形成聚合物链的过程是必不可少的细菌细胞分裂。在此示例中,通过执行 FtsZ 沉淀测定在各种条件下的遵守 Le Châtlelier 原则。九个缓冲区被创造了,每个都有独特的成分和 pH 值。聚合是诱导,然后由 90 ° 角光散射监测。发现了 ph 值、 缓冲液组成影响聚合,因为每个提供转移反应的平衡压力。

最后,Le Châtlelier 原则可以用于生产和材料在有机反应中的恢复。在此示例中,铵失而复得从富氮流。

流被通过电化学系统氧化水和允许为铵离子的分离。然后,这些离子受到高 ph 值,转移他们的平衡,和驾驶铵转为挥发氨。

这捕获氨然后通过剥离和吸收的列来捕获在酸性介质中,移在另一个方向平衡氨。

你刚看了朱庇特的温度和浓度对反应 Le Châtelier 原理简介影响。你现在应该明白的均衡概念,如何浓度的变化会引起变化着,而那热可以考虑反应的一个组成部分。

谢谢观赏 !

Results

观测的初始解和这两个解决方案的混合物可以见表 1

意见的平衡混合物后,除了各种试剂可以看见在表 2

当温度变化时的观察: 在试管中 7,溶液变成更橘黄色 (少红,更多的黄色) 加热时。

1 和 2 的测试管,铁硝酸,包含反应物,添加到的均衡解时, 上红颜色的解决方案加剧。这一观察表明,平衡转移到右边作为产品,铁硫氰酸根离子浓度增加。同样,当硫氰酸钾,包含其他反应物,被添加到的均衡解,解的红色加剧。这一观察也表明平衡转移到右边,随着浓度的增加的产品。

在试管 3 和 4,硝酸银 (AgNO3) 添加到的均衡解时, 产品的红颜色褪色和解决方案成为了无色。这一观察表明,平衡向左移,随着浓度的增加的反应物。此外,观察沉淀。红颜色再现后,除了硫氰酸根离子 (SCN-)。这一观察表明平衡转移到右边,随着浓度的增加的产品。添加铁离子 (Fe3 +) 时,红色的颜色并没有再现。

从这些意见,可以得出结论,银的硫氰酸根 (AgSCN) 是形成硝酸银添加到的均衡解时沉淀。这个坚实的形成是负责在两个试管中观察到的浊度。当硫氰酸根离子从解决方案中移除,沉淀法时,平衡转向左边,因为之一的反应物浓度已减少。然后添加更多的硫氰酸根离子,平衡转移回权重新形成铁硫氰酸盐来重新建立均衡率的浓度。增加了更多的铁离子没有不平衡重新转向右,因为硫氰酸根离子已被从解决方案作为硫氰酸银沉淀,不再是可用来与铁形成铁硫氰酸根离子发生反应。

在试管 5 和 6,当钾磷酸根离子 (K3PO4) 被添加到的均衡解,红颜色的产品消退,溶液变黄了。这一观察表明,平衡向左移,随着浓度的增加的反应物。红颜色再现后,除了铁离子 (Fe3 +)。这一观察表明平衡转移到右边,随着浓度的增加的产品。此外,观察沉淀。红颜色并没有再现时添加硫氰酸根离子 (SCN-)。

从这些意见,可以得出结论铁磷酸盐 (磷酸铁正极材料4) 成立当磷酸钾加入的均衡解。当铁离子从解决方案中移除,所形成的这种盐时,平衡转向左边,因为之一的反应物浓度已减少。然后添加更多的铁离子,平衡转移回权重新形成铁 thiocyante 来重新建立均衡率的浓度。虽然没有云量最初添加磷酸根离子时,由视力检测到,浊度并未出现时铁离子后来添加的即固体铁磷盐。增加了更多的硫氰酸根离子没有不平衡重新转向右边,因为铁离子已被从作为铁 (iii) 磷酸酯盐溶液,不再可用与硫氰酸盐离子,形成铁硫氰酸根离子发生反应。

在试管 7,随着温度的升高上, 红颜色的褪色,产品时指示左平衡移形成了更多的反应。这种观察得出结论反应是放热反应。对于放热反应,反应所产生的热量驻留产品一边的方程:

Fe3 + + SCN- Reversibly Equals FeSCN2 + + 热

当热被添加到系统 (通过提高温度),平衡向左移动。

解决方案 观察
铁 (没有3)3 黄色明确
氰酸 无色,清晰
Fe(SCN)2 + 橘红色、 明确

表 1。观测的初始解和这两个解决方案的混合物。

试管 # 第一次试剂 平衡液观察 第二个试剂 平衡液观察
1 铁 (没有3)3

红色,清晰 — — — —
2 氰酸

红色,清晰 — — — —
3 阿格诺3 (无色的、 清晰的) 无色 (白色),多云 铁 (没有3)3 黄色,依然乌云密布
4 阿格诺3 无色 (白色),多云 氰酸 橘红色,依然乌云密布
5 K34 (无色的、 清晰的) 黄色明确 铁 (没有3)3 橘红色,多云
6 K34 黄色明确 氰酸 黄色,依旧那么的潇洒

表 2。观测的平衡混合物后,除了各种试剂。

Applications and Summary

Le Châtelier 原则是在人体内的工作。氧气从肺部转移到肌肉和其他组织通过一种叫做发现血液中的血红蛋白 (Hb) 蛋白质。氧分子将绑定到这种蛋白质的可逆反应,可以用平衡方程来描述:

Hb + 4 O2 Reversibly Equals Hb (O2)4

在肺部,氧气分压较高 (大约 100 乇)。平衡右移时在此环境中,和直到蛋白饱和与氧,氧分子将绑定到血红蛋白分子。这饱和时血红蛋白达到肌肉组织,氧气的压力是要低得多,平衡移至左侧,,,释放氧气的细胞。如果肌肉是在休息,氧气压力约 30 托尔,并发布了大约 40%的氧气。当肌肉处于活动状态时,释放氧气压力范围从 3 到 18 乇,约 85%的氧气满足代谢需求增加。

另一种生理的平衡系统例子血液 ph 值的调节。血液中的二氧化碳与水生成碳酸,离解产生离子和碳酸氢根离子可逆反应:

CO2 (aq) + H2O (l) Reversibly Equals H2CO3 (aq) Reversibly Equals H3O+ (aq) + HCO3-(aq)

在剧烈的运动,由细胞产生的二氧化碳量增加由于高代谢活动。血液中的二氧化碳浓度增加导致这种平衡以生产更多碳酸转向右翼。当发生这种情况时,血液的 pH 值随水合氢离子浓度增加。这种血液的酸碱度不平衡身体的反应之一是增加率的呼吸所以更多的二氧化碳气体呼出,因此回到了左边移动均衡和提高 ph 值回复到正常水平。

此外必须考虑到在许多工业过程中的 le Châtelier 原则。氨是一种重要的化工,用作肥料,清洗剂,及在有机合成反应中的构建基块。氨的工业生产是使用 Haber 过程,依赖于氢和氮之间的可逆反应完成的:

3 H2 (g) + N2 (g) Reversibly Equals 2 NH3 (g)

为了优化氨的生产,反应运行在高压力,通常大约 200 atm。有的气体方程左边 4 摩尔和 2 摩尔的气体在右手边。Le Châtelier 原则支配,增加系统的压力将平衡右移,因为 2 的气体摩尔体积小于 4 的气体摩尔体积。由于容量和压力成正比,转变以减少体积也减少了压力,和系统返回到平衡。此外,这个过程包括液化氨气在凝汽器,所以它从所述反应腔中删除。氨的降低也右移平衡,最大限度地产生的氨的量。

1.编制的铁硫氰酸盐均衡解

  1. 地方 1 1 M Fe (没有3)3溶液在试管中滴和用 2 毫升水稀释。地方 1 1 M 氰酸在另一试管里滴和用 2 毫升水稀释。这些两个试管作为控件要针对其他试管进行比较。
  2. 1 1 M Fe (没有3)3溶液在试管中滴的地方。
  3. 给试管加 1 M 氰酸 1 滴。
  4. 给试管添加 16 毫升的水,拌匀,内容。
  5. 记录的任何意见。
  6. 把面团切成 2 毫升部分 8 试管中。其中一个测试管保持不变,并作为 FeSCN2 +控制。数字测试管 1-7。

2.增设铁和硫氰酸根离子对均衡解

  1. 向试管 1,加 1 M Fe (没有3)3溶液 1 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 给试管 2,加 1 滴 1 氰酸解决方案。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。

3.加入硝酸银对均衡解

  1. 给试管 3,添加 0.1 M AgNO3溶液 3 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 向试管中加入 1 M Fe (没有3)3 3 滴。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。
  5. 给试管 4,添加 0.1 M AgNO3溶液 3 滴。
  6. 摇匀混合并记录任何意见。
  7. 向试管中加入 1 M 氰酸 3 滴。
  8. 摇匀混合并记录任何意见。

4.增加磷酸酯钾对均衡解

  1. 给试管 5,添加 0.5 M K3大埔4溶液 3 滴。
  2. 摇匀混合并记录任何意见。
  3. 向试管中加入 1 M Fe (没有3)3 3 滴。
  4. 摇匀混合并记录任何意见。
  5. 给试管 6,添加 0.5 M K3大埔4溶液 3 滴。
  6. 摇匀混合并记录任何意见。
  7. 向试管中加入 1 M 氰酸 3 滴。
  8. 摇匀混合并记录任何意见。

5.不断变化的温度均衡解

  1. 在 1-2 分钟 70-80 ℃ 水浴中放置试管 7。
  2. 比较温暖的解决方案,解决方案在不加热试管中 (FeSCN2 +控件),并记录任何意见。
  3. 收集的试管 3 内容和在实验室废弃物 4 罐标记的"银"。倒进了下水道的所有其他测试管的内容。

Le Châtelier 原则,如果一个系统的平衡受到压力,系统就会转向补偿。

化工系统处于平衡状态,时其反应物或产物的浓度没有净改变。如果任何参数,如浓度或温度,改变,平衡将会感到不安。

该系统通过转移反应的方向,直到达到新的平衡调整。

这个视频将显示 Le Châtelier 原则的显示上化学反应平衡时的浓度和温度的影响。

可逆化学反应包含两个竞争进程: 向前反应和逆反应。这两个过程在相同的速率时,系统处于平衡状态。Le Châtelier 原则的国家,当系统处于平衡状态强调,它将改变来抵消干扰。

例如,如果增加了平衡溶液中的反应物质的浓度,平衡将转向产品,提高远期反应的速率。最终,该系统将达到新的平衡。

温度也可以作为反应的一个组成部分的思想。放热反应,释放热,使它的产品。反应是放热反应,从周围的环境,使其反应物吸收热量。因此,添加或移除热会打扰平衡,系统会调整。

本实验将看与硫氰酸盐,形成复杂的铁 (III) 硫氰酸铁 (III) 离子反应。该产品是红色,而反应物是黄色或无色的允许平衡的变化,以直观地观察。

这些组分浓度会发生改变,要么直接添加到解决方案中,离子或通过有选择地将它们删除通过形成不溶性的盐类。温度变化对此解决方案的影响也会观察到。

既然你了解 Le Châtelier 原则,您就可以开始执行程序。

开始执行程序,将一滴 1 M 铁硝酸溶液放入试管中。在第二次试管中放置一滴 1 M 钾硫氰酸盐溶液。稀释每 2 毫升的水。这些两管将作为控制剩余时间的实验。

下一步,在新的管,加一滴每个解决方案。添加 16 毫升的水,并拌匀。记录的任何意见。

这种混合物分成七个标记试管中的 2 毫升份。拨出初始管作为铁硫氰酸盐控制。

接下来,将反应物添加到下面的表 2 根据管 1 — — 6。摇匀混合每次添加一个物种,并记录任何意见。

地方试管 7 成 1-2 分钟的热水澡比较铁硫氰酸盐控制,温暖的解决方案并记录任何意见。

在解决办法 1 和 2,红颜色加强随着反应物浓度的增加。这表明平衡转移到右边,导致生产的硫氰酸铁 (III) 更多。

所收到硝酸银的解决方案成为了无色和形成沉淀。另外的硫氰酸根离子引起的红色的颜色再现。添加铁离子时,红色的颜色并没有再现。从这些意见,可以得出结论,硫氰酸根离子选择性地辗转从溶液中析出沉淀。随着其浓度降低,平衡转移到左边。溶液中加入硫氰酸根离子回引起平衡要回向右移动。

收到了磷酸钾的解决方案观察褪色,变黄了。铁离子浓度的增加,红色的颜色再现和解决方案转为多云。硫氰酸根离子浓度的增加并没有影响。因此,可以推论铁被选择性地去除从溶液,形成铁磷酸酯盐,造成平衡向左移动。铁磷盐最终沉淀从溶液时增加了更多的铁,和平衡转移回权。

红颜色的解决方案 7 褪成橙色作为温度增加。这种平衡转变到左边表明反应是放热的和那热量产生时形成铁硫氰酸盐产品。

平衡转移的概念有几个应用程序在种类繁多的科学领域。

Le Châtelier 原理解释了为什么缓冲溶液抵制 ph 值的变化。在此示例中,钠乙酸盐缓冲溶液用于维护几乎恒定的 ph 值。

在水溶液中,酸离解是可逆反应阴离子在哪里从氢离子离解。缓冲溶液经常是游离的氢离子,一种弱酸和其阴离子的平衡混合物 — — 也称为其共轭的基地。

如果添加了一种强酸,它将离解完全,溶液中氢离子浓度的增加。弱的酸反应的平衡转移到左的反应,减少氢离子的浓度,直到它到达一个新的平衡。正因为如此,缓冲溶液作为 ph 值保持在种类繁多的化学应用几乎恒定值的一种手段。

聚合,反应分子一起形成聚合物链的过程是必不可少的细菌细胞分裂。在此示例中,通过执行 FtsZ 沉淀测定在各种条件下的遵守 Le Châtlelier 原则。九个缓冲区被创造了,每个都有独特的成分和 pH 值。聚合是诱导,然后由 90 ° 角光散射监测。发现了 ph 值、 缓冲液组成影响聚合,因为每个提供转移反应的平衡压力。

最后,Le Châtlelier 原则可以用于生产和材料在有机反应中的恢复。在此示例中,铵失而复得从富氮流。

流被通过电化学系统氧化水和允许为铵离子的分离。然后,这些离子受到高 ph 值,转移他们的平衡,和驾驶铵转为挥发氨。

这捕获氨然后通过剥离和吸收的列来捕获在酸性介质中,移在另一个方向平衡氨。

你刚看了朱庇特的温度和浓度对反应 Le Châtelier 原理简介影响。你现在应该明白的均衡概念,如何浓度的变化会引起变化着,而那热可以考虑反应的一个组成部分。

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