Overview
ソース: 博士リン o ' connell の研究室-ボストン カレッジ
平衡でシステムの状態を変更すると、システムは、平衡を維持するように応答します。1888 年に、アンリ ・ ルイス ・ ル Châtelier 説明状態は、「ときに温度、圧力、濃度の変化を妨げる化学平衡のシステム、変化は平衡組成の改変による counteracted する」原則としてこの現象
この実験は、鉄 (iii) イオンとチオシアン酸イ オン、ロダンの鉄 (iii) イオンを生成する可逆反応の職場ル Châtelier の原理を示しています。
Fe3 +(aq) + (aq) SCN- 
FeSCN2 + (aq)
1 つのイオンの濃度は、直接 1 つのイオンの量をソリューションに追加するか、選択的にイオンを不溶性の塩の形成によってソリューションから削除に変更されます。色の変化の観察は、製品や反応の形成を支持する均衡をシフトしているかどうかを示します。また、平衡で、ソリューションに及ぼす温度変動を観察できます、反応は発熱または吸熱であるかどうかを結論する能力につながる。
Principles
ル Châtelier の原理を完全に理解してするには、次の化学式で表される種の可逆反応が考えられます。
aA + bB 
cC + dD
この反応は実際に 2 つの競合するプロセスで構成されます: 反応剤から C と D の製品を形成、前方の反応と逆反応の製品から A と B の反応を形成します。これらの 2 つのプロセスの速度は、お互いに等しい、純製品または、反応物質の濃度変化はありませんし、反応が平衡であると言わ。反応の平衡濃度に製品の平衡濃度の比は、次式で示すように、定数、です。
ここ Kcは平衡定数です。ブラケットは、様々 な種とバランスの取れた方程式に関与する各物質の小文字表現のモル数の濃度を示します。前に示した鉄 (iii) とチオシアン酸イ オンのイオン間反応、場合平衡定数です。
反応物または平衡解の製品の濃度を変更すると、他の種の濃度が反応する製品の一定の比率を維持するために変更が必要があります。「シフト」としては、これらの変更は平衡に呼ばれます。平衡は、意味逆方向との反応増加濃度がすすんで、左にシフトすることも、製品増加の濃度、前方方向にすすんで意味右にシフトすることもできます。チオシアン酸鉄 (iii) イオンとの反応で左にシフトは右にシフトは thiocyanate イオンより鉄の形成を意味するより多くの鉄 (iii) とチオシアン イオンの形成を意味します。
平衡定数は温度の依存したがって、均衡解の温度の変化は、右または左に反応が発熱または吸熱であるかによってシフトの結果もすることができます。発熱反応の反応によって発生する熱は製品と共に熱を作り出すので、方程式の製品側上として表現できます。
aA + bB cC + 税金 + 熱
熱を温度を上げることによって、システムに追加すると、平衡が左にシフトし、反応の濃度を増やします。吸熱反応の熱の付加は右シフトの結果でしょう。
aA + bB + 熱cC + dD
この場合、温度の上昇に伴って、反応物の濃度を増加させます。
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Procedure
1. 鉄チオシアン酸平衡溶液の調製
- 場所 1 試験管に 1 M Fe (3)3溶液の滴は、2 mL の水で希釈します。場所 1 別の試験管に 1 M KSCN の滴は、2 mL の水で希釈します。これらの 2 つの試験管は、他の試験管と比較するコントロールとして機能します。
- 試験管に 1 M Fe (3)3溶液 1 滴を配置します。
- 試験管に 1 M KSCN の 1 滴を追加します。
- テスト チューブに 16 mL の水を追加し、内容を徹底的にミックスします。
- 所見を記録します。
- 8 試験管に 2 mL の部分に混合物を分割します。試験管の 1 つはそのまま残っている、FeSCN2 +制御として役立ちます。その他のテスト チューブ 1-7 を番号します。
2. 鉄 (iii) とチオシアン イオン平衡解の添加
- テスト チューブ 1、1 M Fe (3)3溶液の 1 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- テスト チューブ 2、1 KSCN 溶液の 1 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
3. 平衡解に硝酸銀の添加
- 試験管 3、0.1 M アグノ3溶液 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- 試験管に 1 M Fe (3)3の 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- テスト チューブ 4、0.1 M アグノ3溶液 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- 試験管に 1 M KSCN の 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
4. 平衡解リン酸カリウム添加
- テスト チューブ 5、0.5 M K3PO4溶液 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- 試験管に 1 M Fe (3)3の 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- テスト チューブ 6、0.5 M K3PO4溶液 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
- 試験管に 1 M KSCN の 3 滴を追加します。
- ミックスして所見を記録を振る。
5. 平衡解の温度の変化
- 1-2 分の 70 ~ 80 ° C の水浴中試験管 7 を配置します。
- 非加熱テスト チューブ (FeSCN2 +コントロール) のソリューションに暖かいソリューションを比較し、所見を記録します。
- テスト チューブ 3 の内容を収集し、実験廃棄物で 4 瓶ラベルの「銀」下水管の下の他のすべてのテスト チューブの中身を注ぐ。
ル Châtelier の原則によると、ストレスによるシステムの平衡が妨げられる場合、システムが補償するためにシフトされます。
化学システムが平衡にあるとき、その反応や製品の濃度の増減はありません。濃度や温度などの任意のパラメーターを変更すると、平衡が邪魔されます。
システムは、新しい平衡に達するまで反応の方向をシフトすることによって再調整します。
このビデオは、平衡で、化学反応の濃度と温度の影響を示すことによってル Châtelier の原理を説明します。
リバーシブルの化学反応は、2 つの競合するプロセスで構成されます: 順方向の反応と逆の反応。同じレートでこれらの 2 つのプロセスが発生すると、システムが平衡します。ル Châtelier の原理は、ときに平衡でシステムを強調すると、それは妨害に対抗するシフト、述べます。
例えば、平衡解の反応種の集中が増加する場合、平衡は前方の反応の割合を増やすこと、製品に向かってシフトします。最終的には、システムは新しい平衡に達します。
温度は、反応コンポーネントとして考えることができます。発熱反応、熱が放出される、製品作り。吸熱反応で反応物となって、周囲から熱を吸収します。したがって、追加または熱を削除するが、平衡を乱すし、システムが調整されます。
この実験は、複雑な鉄 (III) のチオシアン酸を形成するチオシアン酸鉄 (III) のイオンの反応を見ていきます。製品は赤、反応が黄色または無色に平衡で転位のため視覚的に観察することができます。
これらの成分の濃度は、ソリューションのいずれかの直接追加イオンまたは不溶性の塩の形成を選択的に削除することによって変更されます。このソリューションに及ぼす温度変動も観測できるでしょう。
ル Châtelier の原理を理解すると、処理を開始する準備が整いました。
手順を開始するには、試験管に 1 M 鉄硝酸溶液の一滴を配置します。第 2 の試験管に 1 M カリウムのチオシアン酸塩溶液の一滴を配置します。各 2 mL の水で希釈します。これらの 2 つの管は、実験の残りの部分のためのコントロールとして機能します。
次に、新しい管に各溶液の一滴を追加します。16 mL の水を加え、徹底的に混ぜます。所見を記録します。
この混合物を 7 つのラベル付き試験管に 2 mL の部分に分割します。最初のチューブを鉄チオシアン酸コントロールとしておきます。
次に、以下の表 2 によると管 1-6 に反応を追加します。ミックス種を追加するたびに振るし、所見を記録します。
場所テスト チューブ 7 で 1-2 分間湯浴に暖かい鉄チオシアン酸制御ソリューションを比較し、所見を記録します。
1 と 2 のソリューションで赤い色激化、反応物の濃度が上昇しました。これは平衡がチオシアン酸鉄 (III) より多くの生産につながる、右にシフトすることを示します。
硝酸銀を受信ソリューションは無色となり、沈殿物を形成します。チオシアン酸イ オンの添加は、再現する赤い色を発生します。赤い色をした鉄イオンが追加されたときに再表示されません。これらの観察からそのチオシアン酸イ オンは沈殿物のソリューションから選択的に削除を判断できます。その濃度の低下、平衡は左にシフトします。右にシフトする平衡解にチオシアン酸イ オンを追加します。
リン酸カリウムを受信ソリューションは衰退し、黄色に観察されました。鉄イオン濃度が増加すると、赤の色再現し、ソリューションが曇った。チオシアン酸イ オンのイオン濃度が増加することは効果をもたらさなかった。したがって、鉄が平衡を左にシフトを引き起こしている鉄のリン酸塩を形成するソリューションから選択的に削除されたことを推測することができます。多くの鉄を追加し、平衡が右にシフトするとき、鉄のリン酸塩は最終的に解決から沈殿。
解決策 7 温度としてオレンジ色に色あせたの赤い色が増加しました。この平衡が左にシフトでは、反応は、発熱と鉄チオシアン酸製品が形成されるとその熱が発生を示唆しています。
シフト平衡の概念は、科学分野の広い範囲のいくつかのアプリケーションです。
ル Châtelier の原則は、緩衝液が pH の変化に抵抗する理由について説明します。この例では、ナトリウム酢酸緩衝液は、ほぼ一定の pH を維持するために使用されました。
陰イオンが水素イオンから切り離して、水溶液中で酸解離は可逆反応です。緩衝溶液は、水素イオンの解離、弱い酸およびその陰イオンの平衡混合物-共役塩基としても知られています。
場合は強い酸を追加すると、それが分離してしまう完全に、水溶液中の水素イオンの濃度を増加させます。弱い酸の反応の平衡は、新しい平衡に達するまでの水素イオンの濃度を減らす方向にシフトします。このため、緩衝液は、さまざまな化学的用途でほぼ一定値で pH を維持するための手段として使用されます。
重合、反応分子フォーム ポリマー鎖を一緒にプロセスは細菌の細胞分裂に不可欠です。この例では、Le Châtlelier の原則は様々 な条件下で FtsZ 沈降の試金の実行によって観察されました。9 バッファー作成された、それぞれユニークな組成と pH 値。重合は、誘導し、90 ° 角度光散乱によって監視されています。反応の平衡をシフト ストレッサーそれぞれ定める、重合がバッファー組成と pH に影響を受けることが分かった。
最後に、Le Châtlelier の原理は、生産と有機反応化学材料の回復に使用できます。この例では、アンモニウムは窒素の豊富なストリームから回復されました。
ストリームは、電気化学システム、水を酸化し、アンモニウム イオンの分離を介して渡されました。これらのイオンは高 ph、その平衡のシフトとアンモニアの揮発性アンモニアへの変換を運転し、受けた。
キャプチャこのアンモニア酸性培地、その他の方向に平衡をシフトでアンモニアをトラップするストリッピングと吸収列を介して渡されました。
ル Châtelier の主義に従って反応の濃度と温度の影響をゼウスの紹介を見てきただけ。平衡の概念を理解する必要があります今、シフト濃度の変化がどのように原因となります、その熱は反応コンポーネントを考えることができます。
見てくれてありがとう!
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Results
初期解の観察と 2 つのソリューションの混合物は、表 1で見ることができます。
様々 な試薬の添加によって平衡混合物の観察は、表 2に見ることができます。
温度が変更されたときの観察: 試験管内 7 溶液になるよりオレンジ色で (以下赤・黄色) 加熱します。
試験管 1 と 2、反応物が含まれ、鉄 (iii) の硝酸態窒素平衡解に追加するとき、ソリューションの赤い色が激化。この観測は、製品、鉄チオシアン酸イ オンの濃度としては右にシフト平衡が増加したことを示します。同様に、他の反応物が含まれ、チオシアン酸カリウムは、平衡解に追加された、ソリューションの赤い色が激化しました。この観察はまた平衡が増加し製品の濃度として右にシフトを示します。
試験管 3 と 4、硝酸銀 (AgNO3) は平衡解に追加された、製品の赤い色が色あせたし、ソリューションが無色となった。この観測は、増加反応の濃度として平衡を左にシフトすることを示します。さらに、沈殿物が観察されました。赤い色は、チオシアン酸イ オン (SCN-) の添加によって再現しました。この観測は、平衡が増加し製品の濃度として右にシフトを示します。赤い色した鉄イオン (Fe3 +) が追加されたときに再表示されません。
これらの観察から銀チオシアン酸イ オン (AgSCN) だった銀製硝酸塩は平衡ソリューションに追加したときに形成された沈殿物を判断できます。この固体の形成は両方の試験管にみられる曇りを担います。チオシアン酸イ オンは沈殿物によってソリューションから削除された、平衡は左にシフト反応のいずれかの濃度が減少していたため。もっとチオシアン酸イ オンが追加されましたし、平衡はチオシアン酸鉄 (iii) を再形成することにより濃度の平衡比を再確立する権利に戻って移った。右に平衡のシフトでしたはより多くの鉄 (iii) イオン添加、チオシアン酸イ オンから削除されていたので銀チオシアン酸としてソリューション沈殿鉄チオシアン酸イ オンを形成する鉄 (iii) と反応することはもはやありませんでした。
試験管 5 と 6、カリウム リン酸イオン (K3PO4) は平衡解に追加された、製品の赤い色が色あせたし、ソリューションが黄色となった。この観測は、増加反応の濃度として平衡を左にシフトすることを示します。赤い色は、鉄イオン (Fe3 +) の添加によって再現しました。この観測は、平衡が増加し製品の濃度として右にシフトを示します。さらに、沈殿物が観察されました。赤い色したチオシアン酸イ オン (SCN-) が追加されたときに再表示されません。
これらの観察からリン酸カリウム平衡ソリューションに追加されたとき、鉄 (iii) (FePO4) リン酸塩が形成されたことを結論できます。鉄 (iii) イオンは、この塩の形成によって、ソリューションから削除された、平衡は左にシフト反応のいずれかの濃度が減少していたため。多くの鉄 (iii) イオンは追加されたし、平衡は鉄 (iii) ロダンを再形成することにより濃度の平衡比を再確立する権利に戻って移った。視力によってリン酸イオンが最初に追加されたとき、曇りは検出されず, 鉄 (iii) イオンはその後追加、固体鉄のリン酸塩である場合は曇りでした表示。鉄 (iii) イオンは鉄 (iii) リン酸塩としてソリューションから削除されていたし、はや鉄チオシアン酸イ オンを形成するチオシアン酸イ オンと反応する利用可能ために、詳細チオシアン酸イ オンの追加でした、右に平衡をずれない。
テスト チューブ 7、環境温度が上がる、色あせ、製品の赤の色としてより多くの反応が形成された、平衡が左にシフトを示します。この観測は、反応は発熱であるという結論をもたらします。発熱反応の反応によって発生する熱は方程式の製品側に存在します。
Fe3 + + SCN- FeSCN2 + + 熱
熱に追加されたシステム (温度を上げること) によって平衡を左にシフトします。
| ソリューション | 観察 |
| Fe (3)3 | イエロー、クリア |
| KSCN | 無色、明確 |
| Fe(SCN)2 + | オレンジがかった赤、クリア |
表 1。初期のソリューションは、2 つのソリューションの混合物の観察。
| テスト チューブ # | 最初の試薬 | 平衡解の観察 | 第 2 試薬 | 平衡解の観察 |
| 1 | Fe (3)3
|
赤、クリア | - | - |
| 2 | KSCN
|
赤、クリア | - | - |
| 3 | アグノ3 (無色、明確です) | 無色 (白) 曇り | Fe (3)3 | 黄色、曇り |
| 4 | アグノ3 | 無色 (白) 曇り | KSCN | オレンジがかった赤、まだ曇り |
| 5 | K3PO4 (無色、明確です) | イエロー、クリア | Fe (3)3 | オレンジがかった赤、曇り |
| 6 | K3PO4 | イエロー、クリア | KSCN | 黄色、まだ明確です |
表 2。様々 な試薬の添加によって平衡混合物の観察。
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Applications and Summary
ル Châtelier の原理は人間の体の仕事です。酸素は、血液中にあるヘモグロビン (Hb) と呼ばれるタンパク質によって筋肉や他の組織に肺から輸送です。酸素分子平衡方程式によって記述することができます可逆反応でこのタンパク質に結合します。
Hb + 4 O2 Hb (2)4
肺で酸素ガスの分圧は (100 torr) 程度高いです。この環境で右にシフトし、平衡と酸素とタンパク質を飽和するまで酸素分子がヘモグロビン分子に結合します。これが飽和ヘモグロビンは、酸素の圧力ははるかに低い平衡は左にシフト、酸素をリリース、筋組織の細胞に達する。筋肉は、安静時は、酸素分圧が約 30 torr し酸素の約 40% を解放します。筋肉がアクティブな酸素圧力範囲 3 から 18 torr と酸素の約 85% が代謝需要の増加を満たすために解放されます。
平衡系の別の生理学的な例には、血液 pH の調節が含まれます。血液中の二酸化炭素は、解離してヒドロニウムと重炭酸イオンを生成する炭酸を生成する水と可逆的に反応します。
CO2 (aq) + H2O (l) H2CO3 (aq) HCO3-(aq) + H3O+ (aq)
激しい運動中に高い代謝活性の結果として、細胞によって生成される二酸化炭素の量が増加します。血液中の二酸化炭素濃度の上昇は、この平衡炭素酸を生成する右にシフトします。これが起こるときの血液の pH のレベルはヒドロニウム イオン濃度が増加すると減少します。血液の ph バランスを崩すのボディの応答の 1 つはより多くの二酸化炭素ガスはこうして平衡を左にシフト、肺から吐き出される、通常のレベルに戻って pH を上げ呼吸数を増やすことです。
ル Châtelier の原則は、多くの工業プロセスで考慮も撮影する必要があります。アンモニアは、肥料、洗浄剤、および有機合成のビルディング ブロックとして使用される重要な化学物質です。アンモニアの工業生産は、水素と窒素の間の可逆反応に依存している Haber プロセスを使用して行われます。
3 H2 (g) + N2 (g) 2 NH3 (g)
アンモニアの生産を最適化するために、反応が高圧、通常は約 200 で実行される atm。4 モルのガス式の左側と右側のガスの 2 モルがあります。ル Châtelier の原理は、2 モルのガスの容積がガスの 4 モルの量よりも小さいのでシステムの圧力の増加が平衡を右にシフトを決定します。ボリュームと圧力が正比例するので、ボリュームを減らすためにシフトも削減圧力と平衡へのシステムを返します。さらに、コンデンサーにアンモニアのガスを液化反応チャンバから削除されますので、します。このアンモニアの減少も発生するアンモニアの量を最大化する、右に平衡を移動します。
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