르 샤텔리에의 원리

르 샤텔리에의 원리를 완전히 이해하기 위해 다음과 같은 화학 방정식에 의해 표현된 종류의 가역적인 반응을 고려합니다.

aA + bB CC + dD

이러한 반응은 실제로 두 가지 경쟁 공정으로 구성되어 있습니다: 제품 C와 D가 반응체로부터 형성되는 전방 반응, 그리고 반응물 A와 B가 제품으로부터 형성되는 역반응. 이 두 공정의 비율이 서로 같을 때, 제품 또는 반응제의 농도에 순 변화가 없으며, 반응은 평형에 있다고 합니다. 반응제의 평형 농도에 대한 제품의 평형 농도의 비율은 다음과 같은 방정식에 의해 도시된 바와 같이 일정하다.

여기서 K_c는 평형 상수입니다. 괄호는 다양한 종의 농도를 나타내며, 소문자는 균형 잡힌 방정식에 관련된 각 물질의 두더지 수를 나타냅니다. 이전에 나타난 철(III)과 티오카네이트 이온 사이의 반응의 경우, 평형 상수는 다음과 같습니다.

평형 용액에서 반응제 또는 제품의 농도가 변경될 때, 다른 종의 농도는 반응에 대한 제품의 일정한 비율을 유지하기 위해 변경되어야 한다. 이러한 변경 사항을 평형의 "교대"라고 합니다. 평형은 왼쪽으로 이동하여 역방향으로 진행되고 반응제의 농도가 증가하거나 오른쪽으로 이동하여 제품의 전방 방향으로 진행되고 제품의 농도가 증가한다는 것을 의미합니다. 철 (III)과 틸오카네이트 이온 사이의 반응에서, 왼쪽으로의 전환은 더 많은 철 (III) 및 틸오카네이트 이온의 형성을 의미할 것이고, 오른쪽으로의 전환은 더 많은 철 (III) 티오카네이트 이온의 형성을 의미합니다.

평형 상수는 온도에 따라 달라집니다. 따라서, 평형 용액의 온도변화는 반응이 외형인지 또는 반더동인지여부에 따라 좌우로의 변화를 초래할 수 있다. 발열 반응의 경우, 반응에 의해 생성된 열은 제품과 함께 열이 생성되기 때문에 방정식의 제품 측에 상주하는 것으로 나타낼 수 있습니다.

aA + bB CC + dD + 열

온도를 증가시켜 시스템에 열을 가하면 평형이 왼쪽으로 이동하고 반응자의 농도가 증가합니다. 엔더피티의 반응의 경우 열을 첨가하면 오른쪽으로 이동하게됩니다.

aA + bB + 열 CC + dD

이 경우, 반응의 농도는 온도의 증가와 함께 증가 할 것이다.

1. 철(III) 티오시야네이트 평형 솔루션 준비

1. 1M Fe(NO_3)3용액을 시험관에 1방울을 놓고 2mL의 물로 희석합니다. 다른 시험관에 M KSCN 1방울을 놓고 2mL의 물로 희석하십시오. 이 두 개의 테스트 튜브는 다른 테스트 튜브와 비교할 수 있는 컨트롤 역할을 합니다.
2. 시험관에 1M Fe(NO₃₎3용액1방울을 놓습니다.
3. 테스트 튜브에 M KSCN 1방울을 추가합니다.
4. 시험관에 16mL의 물을 넣고 내용물을 철저히 섞습니다.
5. 모든 관측을 기록합니다.
6. 혼합물을 8개의 시험관에서 2mL 부분으로 나눕니다. 테스트 튜브 중 하나는 그대로 유지되며 FeSCN²⁺ 제어 역할을 합니다. 다른 시험관을 번호 1-7.

2. 평형 용액에 철(III) 및 티오샤네이트 이온 추가

1. 튜브 1을 테스트하려면 1M Fe (NO₃)₃ 용액 1 방울을 추가하십시오.
2. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
3. 튜브 2를 테스트하려면 KSCN 솔루션 1방울을 추가합니다.
4. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.

3. 평형 솔루션에 실버 질산염 추가

1. 튜브 3을 테스트하려면 0.1 M AgNO₃ 용액 3 방울을 추가하십시오.
2. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
3. 시험관에 M Fe 1M(NO_3)3방울 3방울을 넣습니다.
4. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
5. 튜브 4를 테스트하려면 0.1 M AgNO₃ 용액 3 방울을 추가하십시오.
6. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
7. 시험관에 M KSCN 1방울 3방울을 추가합니다.
8. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.

4. 평형 용액에 인산칼륨 추가

1. 튜브 5를 테스트하려면 0.5 M K₃PO₄ 용액 3 방울을 추가하십시오.
2. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
3. 시험관에 M Fe 1M(NO_3)3방울 3방울을 넣습니다.
4. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
5. 시험관 6에 0.5 M K₃PO₄ 용액 3방울을 추가합니다.
6. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.
7. 시험관에 M KSCN 1방울 3방울을 추가합니다.
8. 혼합하고 모든 관찰을 기록 흔들어.

5. 평형 솔루션의 온도 변경

1. 테스트 튜브 7을 70-80°C 수조에 1-2분 동안 배치합니다.
2. 온난한 솔루션을 가열되지 않은 테스트 튜브(FeSCN²⁺ 제어)의 솔루션과 비교하고 모든 관측을 기록합니다.
3. "실버"라고 표시된 실험실 폐기물 항아리에서 시험관 3과 4의 내용을 수집합니다. 배수구 아래로 다른 모든 시험관의 내용을 부어.

초기 솔루션과 두 솔루션의 혼합물에 대한 관찰은 표 1에서볼 수 있다.

다양한 시약을 첨가하면 평형 혼합물의 관찰을 표 2에서볼 수 있다.

온도가 변경될 때 관찰: 테스트 튜브 7에서 용액은 가열할 때 색상(빨간색이 적어, 더 노란색이 더 많은 주황색)으로 변합니다.

시험관 1과 2에서는, 리액트를 포함하는 철(III) 질산염이 평형 용액에 첨가되었을 때, 용액의 적색이 강화되었다. 이러한 관찰은 제품의 농도, 철(III) 티오카네이트 이온의 농도가 증가함에 따라 평형이 오른쪽으로 이동했음을 나타낸다. 마찬가지로, 다른 반응제를 함유한 칼륨 티오시야네이트가 평형 용액에 첨가되었을 때 용액의 적색이 강화되었다. 이 관측은 또한 제품의 농도가 증가함에 따라 평형이 오른쪽으로 이동했음을 나타냅니다.

시험관 3과 4에서는, 은질산염(AgNO_3)이평형 용액에 첨가되었을 때, 제품의 적색이 희미해지고 용액이 무색이 되었다. 이 관찰은 반응제의 농도가 증가함에 따라 평형이 왼쪽으로 이동했음을 나타냅니다. 또한 침전이 관찰되었습니다. 붉은 색은 티오샤네이트 이온 (SCN^-)의추가시 다시 나타났다. 이러한 관찰은 제품의 농도가 증가함에 따라 평형이 오른쪽으로 이동했음을 나타냅니다. 철(III) 이온(Fe^3+)이추가되었을 때 붉은 색이 다시 나타나지 않았다.

이러한 관찰에서, 은 티오야네이트(AgSCN)는 은 질산염을 평형 용액에 첨가할 때 형성된 침전물이라는 결론을 내릴 수 있다. 이 고체의 형성은 두 시험관에서 관찰된 흐림에 책임이 있습니다. 침수에 의해 용액에서 티오카네이트 이온을 제거했을 때, 반응제 중 하나의 농도가 감소했기 때문에 평형이 왼쪽으로 이동했다. 더 많은 티오키아네이트 이온이 추가되었을 때, 평형은 철 (III) 토오야네이트를 다시 형성하여 농도의 평형 비율을 재확립하기 위해 오른쪽으로 다시 이동. 더 많은 철(III) 이온의 첨가는 평형을 오른쪽으로 다시 이동시키지 않았는데, 왜냐하면 티오카네이트 이온이 은티오카네이트 침전물로 용액에서 제거되었고 더 이상 철(III)과 반응하여 철(III) 티오카네이트 이온을 형성할 수 없었기 때문이다.

시험관 5 및 6에서는, 칼륨 인산염 이온(K3_PO4)이평형 용액에 첨가되었을 때, 제품의 적색이 희미해지고 용액이 노랗게 되었다. 이 관찰은 반응제의 농도가 증가함에 따라 평형이 왼쪽으로 이동했음을 나타냅니다. 철(III) 이온(Fe^3+)을추가하면 붉은 색이 다시 나타났습니다. 이러한 관찰은 제품의 농도가 증가함에 따라 평형이 오른쪽으로 이동했음을 나타냅니다. 또한 침전이 관찰되었습니다. 티오카네이트 이온(SCN-)이 추가되었을 때 붉은색이 다시 나타나지 않았다.

이러한 관찰에서, 염분(III) 인산염(FePO₄₎염은 칼륨 인산염이 평형 용액에 첨가되었을 때 형성되었다는 결론을 내릴 수 있다. 철(III) 이온이 이 염의 형성에 의해 용액에서 제거되었을 때, 반응제 중 하나의 농도가 감소되었기 때문에 평형이 왼쪽으로 이동하였다. 더 많은 철 (III) 이온이 추가되었을 때, 평형은 철 (III) 티오시안테를 다시 형성하여 농도의 평형 비율을 재확립하기 위해 오른쪽으로 다시 이동. 인산염 이온이 처음 추가되었을 때 시력에 의해 흐림이 감지되지 않았지만 철(III) 이온이 이후에 첨가되었을 때 흐림이 나타났으며, 이는 고체 철(III) 인산염입니다. 철(III) 이온이 철분(III) 인산염으로 용액에서 제거되었고 더 이상 철(III) 티오카네이트 이온을 형성하기 위해 티오야네이트 이온과 반응할 수 없었기 때문에 평형을 오른쪽으로 다시 이동시키지 않았다.

시험관 7에서는 온도가 증가함에 따라 제품의 적색이 희미해져, 더 많은 반응제가 형성됨에 따라 좌측으로 평형 이동을 나타낸다. 이 관찰은 반응이 외설적이라는 결론에 이르게. 외설적 반응의 경우 반응에 의해 생성된 열은 방정식의 제품 측면에 상주합니다.

Fe³⁺ + SCN^- FeSCN²⁺ + 열

열이 시스템에 추가되었을 때 (온도를 증가시킴으로써), 평형은 왼쪽으로 이동했다.

표 1. 초기 솔루션의 관측과 두 솔루션의 혼합물.

표 2. 다양한 시약의 첨가 시 평형 혼합물의 관찰.

르 샤텔리에의 원리는 인체에서 일하고 있습니다. 산소는 혈액에서 발견되는 헤모글로빈 (Hb)에게 불린 단백질에 의해 폐에서 근육 및 그밖 조직에 수송됩니다. 산소 분자는 평형 방정식에 의해 설명될 수 있는 가역적인 반응에서 이 단백질에 결합합니다:

Hb + 4 O₂ Hb (O₂₎₄

폐에서 산소 가스의 부분 압력은 높다 (100 토르의 순서에). 평형은 이 환경에서 오른쪽으로 이동하고, 산소 분자는 단백질이 산소로 포화될 때까지 헤모글로빈 분자에 결합합니다. 이 포화 헤모글로빈이 산소의 압력이 훨씬 낮은 근육 조직의 세포에 도달하면 평형이 왼쪽으로 이동하고 산소가 방출됩니다. 근육이 쉬면 산소 압은 약 30 토르이며 산소의 약 40 %가 방출됩니다. 근육이 활성화되면 산소 압력은 3에서 18 토르까지 다양하며, 산소의 약 85%가 증가된 대사 수요를 충족시키기 위해 방출된다.

평형 시스템의 또 다른 생리적 예는 혈액 pH의 조절을 포함한다. 혈액의 이산화탄소는 물과 가역적으로 반응하여 탄산산을 생성하며, 이는 하이드로늄과 중탄산염 이온을 생성하기 위해 해리됩니다.

CO₂ (aq)+ H₂O(l) H₂CO₃ (aq)   H₃O⁺ (aq)+ HCO₃^-(aq)

격렬한 운동 중에, 세포에 의해 생성된 이산화탄소의 양은 높은 신진 대사 활동의 결과로 증가합니다. 혈액에서 이산화탄소의 증가 농도는 더 많은 탄소산을 생산하기 위해이 평형에서 오른쪽으로 이동을 일으키는 원인이됩니다. 이 경우 하이드로늄 이온 농도가 증가함에 따라 혈액의 pH 수준이 감소합니다. 혈액 pH의 이러한 불균형에 대한 신체의 반응 중 하나는 호흡 속도를 증가시켜 더 많은 이산화탄소 가스가 폐에서 내뿜어지므로 평형을 왼쪽으로 다시 이동하고 pH를 정상 수준으로 올리는 것입니다.

르 샤텔리에의 원칙은 많은 산업 공정에서도 고려해야 합니다. 암모니아는 비료, 세정제 및 합성 유기 반응의 빌딩 블록으로 사용되는 중요한 화학 물질입니다. 암모니아의 산업 생산은 수소와 질소 사이의 가역적 반응에 의존하는 Haber 공정을 사용하여 수행됩니다.

3 H₂ (g)+ N₂ (g) 2 NH₃ (g)

암모니아의 생산을 최적화하기 위해 반응은 보통 약 200 atm의 고압에서 실행됩니다. 방정식의 왼쪽에는 4 개의 두더지와 오른쪽에 가스 두더지가 있습니다. Le Châtelier의 원칙은 가스 의 2 두더지의 양이 가스의 4 두더지의 부피보다 작기 때문에 시스템에 대한 압력의 증가가 오른쪽으로 평형을 이동하도록 지시합니다. 부피와 압력이 직감하기 때문에 볼륨을 줄이는 전환은 압력을 줄이고 시스템이 평형으로 돌아갑니다. 또한, 공정은 응축기에서 암모니아 가스를 액화시키는 것을 포함하므로 반응 챔버에서 제거됩니다. 암모니아에 있는 이 감소는 또한 생성된 암모니아의 양을 최대화하는, 오른쪽으로 평형을 이동합니다.