Back to chapter

14.9:

עיקרון לה שטלייה: שינוי הטמפרטורה

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Le Chatelier’s Principle: Changing Temperature

Languages

Share

הטמפרטורה משפיעה על קצב תגובה כימית;ולכן, שינוי בטמפרטורה בתגובה בשיווי משקל פועל כהפרעה על המערכת. עיקרון לה שטלייה מנבא איך מערכת תגיב כדי לצמצם הפרעות אלו. שינוי בטמפרטורה משנה את הנפח של קבוע שיווי המשקל, בשונה משינוי בריכוז או בנפח, מה שמזיז את שיווי המשקל בלי לשנות את ערך K.חשבו על פירוק הגז זרחן פנטכלוריד לזרחן טריכלוריד וגז כלור.בתגובה אנדותרמית זו, החום הנספג יכול להיחשב כמגיב. עלייה בטמפרטורה מוסיפה חום למערכת, בדומה להוספת עוד מגיב. לכן, כיוון שיווי המשקל נע לעבר התוצרים ויוצר עוד זרחן טריכלוריד וכלור כדי לצרוך את החום הנוסף, מפני שהערך של קבוע שיווי המשקל K גדל.מצד שני, הפחתה של הטמפרטורה מוציאה חום מהמערכת, בדומה להוצאת מגיב. כיוון שיווי המשקל נע לעבר המגיבים ויוצר עוד זרחן פנטכלוריד כדי לשחרר חום, משום שהערך של K קטן. בתגובה אקסותרמית, כמו בתגובה הגזית בין גופרית דו חמצנית וחמצן ליצירת גופרית תלת חמצנית, החום המשתחרר יכול להיחשב כתוצר.עלייה בטמפרטורה דומה להוספת עוד תוצר. זה גורם לכיוון שיווי המשקל לנוע לעבר המגיבים, ויוצר עוד גופרית דו חמצנית וחמצן לספיגת חלק מהחום שנוסף מכיוון שהערך של K פחת. לעומת זאת, הפחתת הטמפרטורה בתגובה אקסותרמית זו מפחיתה חום, בדומה להפחתת תוצר.כיוון שיווי המשקל נע לעבר התוצרים ויוצר עוד גופרית תלת חמצנית לשחרור חום מכיוון ש-K גדל. לכן, עליית טמפרטורה תורמת לתוצרים בתגובה אנדותרמית, בעוד שירידה בטמפרטורה תורמת לתוצרים בתגובה אקסותרמית.

14.9:

עיקרון לה שטלייה: שינוי הטמפרטורה

Consistent with the law of mass action, an equilibrium stressed by a change in concentration will shift to re-establish equilibrium without any change in the value of the equilibrium constant, K. When an equilibrium shifts in response to a temperature change, however, it is re-established with a different relative composition that exhibits a different value for the equilibrium constant.

To understand this phenomenon, consider the elementary reaction:

 Eq1

Since this is an elementary reaction, the rates laws for the forward and reverse may be derived directly from the balanced equation’s stoichiometry:

 Eq2

When the system is at equilibrium,

 Eq3

Substituting the rate laws into this equality and rearranging gives

 Eq4

The equilibrium constant can be expressed as a mathematical function of the rate constants for the forward and reverse reactions. Since the rate constants vary with temperature as described by the Arrhenius equation, it stands to reason that the equilibrium constant will likewise vary with temperature (assuming the rate constants are affected to different extents by the temperature change). For more complex reactions involving multistep reaction mechanisms, a similar but more complex mathematical relation exists between the equilibrium constant and the rate constants of the steps in the mechanism. Regardless of how complex the reaction may be, the temperature-dependence of its equilibrium constant persists.

Predicting the shift an equilibrium will experience in response to a change in temperature is most conveniently accomplished by considering the enthalpy change of the reaction. For example, the formation of ammonia by the Haber’s process is an exothermic (heat-producing) process:

 Eq5

For purposes of applying Le Châtelier’s principle, heat, q, may be viewed as a product:

 Eq6

Raising the temperature of the system is akin to increasing the amount of a product, and so the equilibrium will shift to the left. Lowering the system temperature will likewise cause the equilibrium to shift right. For endothermic processes, heat is viewed as a reactant of the reaction and so the opposite temperature dependence is observed.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 13.3 Shifting Equilibria: Le Châtelier’s Principle.