مفهوم اصل لوشاتلیه و عوامل موثر بر آن

اصل لوشاتلیه (Le Chatelier’s principle)، اصل شاتلیه یا قانون تعادل برای پیش بینی اثرات تغییر، در تعادلات شیمیایی به کار می رود.

در واقع این اصل بیان می کند که اگر سیستمی در حال تعادل باشد، در برابر هر تغییری در جهتی جابجا می شود تا اثر آن تغییر را از بین ببرد. 

هنری لوییس لوشاتلیه (Henry Louis Le Chatelier) در سال 1884 اصل لوشاتولیه را بیان کرد. اصل لوشاتولیه را می توان بیانی از قانون سوم نیوتون دانست. در واقع زمانیکه سیستم در حال تعادل تغییر کند، خود را چنان تنظیم می‏ کند تا حد امکان تأثیر آن تغییر را جبران کند. بنابراین این اصل نتیجه قانون بقای انرژی می باشد.

اصل لوشاتولیه علاوه بر فیزیک، در اقتصاد هم کاربرد دارد، اما در شیمی برای ما اهمیت دارد. در واقع برای کنترل واکنش های برگشت پذیر و افزایش بازده آنها از این اصل استفاده می کنند که در ادامه به آنها می پردازیم.

اصل لوشاتلیه در شیمی:
همانطور که بیان شد بر طبق اصل لوشاتولیه، اگر سیستمی در حال تعادل شیمیایی باشد، در برابر هرگونه تغییر اعمال شده، در جهت مخالف واکنش نشان می دهد تا اثر آن تغییر را حذف کند. عوامل موثر بر تعادل عبارتند از: غلظت مواد، دما و فشار.

بنابراین می توان گفت که اگر یک تغییر در غلظت مواد، دما یا فشار جزئی به یک سیستم شیمیایی در حال تعادل اعمال شود، سیستم شیمیایی مذکور، در جهتی حرکت می کند که با تغییر اعمال شده مقابله کند. در این حالت تعادلی جدید بر سیستم حاکم خواهد شد.

لازم به ذکر است که علاوه بر بررسی سه مورد بیان شده، می توان تأثیر حجم یا اضافه کردن کاتالیزور یا گاز نجیب رو هم توسط اصل لوشاتولیه توصیف نمود. در ادامه به بررسی این موارد می پردازیم.

اثر تغییرات غلظت:
اگر غلظت ماده ای در یک تعادل شیمیایی افزایش یابد، طبق اصل لوشاتولیه، تعادل به گونه ای جابجا می شود که غلظت ماده افزوده شده کاهش پیدا کند.

به عنوان مثال، اگر در یک تعادل شیمیایی غلظت مواد اولیه افزایش یابد، یا اینکه غلظت محصولات کاهش یافته باشد، واکنش به سمت راست (رفت) جابجا می شود. در حالی که اگر غلظت محصولات افزایش یابد یا اینکه غلظت مواد اولیه کاهش یافته باشد، واکنش به سمت چپ (برگشت) جابجا می گردد.

به طور کلی می توان گفت، هر ماده ای که در یک تعادل شیمیایی کاهش پیدا کند، واکنش در جهت تولید آن حرکت می کند و هر ماده ای که در یک تعادل افزایش یافته است، واکنش در جهت مصرف آن ماده جلو می رود. به عنوان مثال، سیستم تعادلی زیر را در نظر بگیرید.

• H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2 HI

هرگاه غلظت یکی از واکنش دهنده ها (H2 یا I2) افزایش پیدا کند، تعادل به هم می خورد. بنابراین تعداد برخورد میان ذرات واکنش دهنده ها افزایش پیدا می کند، تا واکنش رفت سرعت بیشتری به خود بگیرد. به این ترتیب بعد از مدتی غلظت فرآورده (HI) نیز زیاد می شود، بنابراین سرعت واکنش برگشت نیز افزایش می یابد تا زمانیکه این دو سرعت با هم برابر شوند و تعادل مجددا برقرار گردد.

توجه داشته باشید که سرعت واکنش های رفت و برگشت و همچنین غلظت های مواد واکنش دهنده و فرآورده، در تعادل جدید با سرعت های نظیر و غلظت های تعادل قبلی متفاوت می باشند. در واقع تعادل تغییر کرده است اما این تغییر به صورتی انجام می شود که مقدار ثابت تعادل ثابت باقی بماند. ذکر این نکته نیز مهم می باشد که افزایش غلظت سبب افزایش سرعت واکنش می گردد.

اثر تغییرات دما:
برای اینکه درک بهتری از اثر دما داشته باشید، کافیست حرارت را به عنوان یک واکنش دهنده یا فرآورده در نظر بگیرید. در واقع، حرارت را در واکنش های گرماگیر به عنوان واکنش دهنده و در واکنش های گرماده، به عنوان فرآورده در نظر گرفته شود.

به طور کلی می توان گفت که با افزایش دما، تعادل در جهت مصرف گرما و از طرف دیگر با کاهش دما، تعادل در جهت تولید گرما حرکت می کند.

در واقع در واکنش های گرماگیر، با افزایش دما واکنش در جهت رفت (راست) و با کاهش دما، واکنش در جهت برگشت (چپ) جابجا می گردد. علاوه بر آن در واکنش های گرمازا، با افزایش دما واکنش در جهت برگشت (چپ) و با کاهش دما واکنش در جهت رفت (راست) جابجا می شود. به عنوان مثال، در شکل زیر اثر تغییرات دما بر تولید آمونیاک که واکنشی گرمازا می باشد مشخص است.

• N2 (g) + 3H2 (g) ⇌ 2NH3 (g) ΔH=-92 kJ mol-1

لازم به ذکر است که دما تنها عاملی است که می تواند علاوه بر جابه جایی تعادل، ثابت تعادل را نیز تغییر دهد. در حقیقت با بالا رفتن دما، انرژی گرمایی مولکول ها در تعادل افزایش پیدا می کند. بنابراین برخورد های مولکولی بیشتر شده و در نهایت سرعت واکنش های رفت و برگشت نیز افزایش می یابد.

آزمایشات نشان داد که میزان افزایش در سرعت واکنش های رفت و برگشت یکسان نیست. در واقع دما سرعت واکنش گرماگیر را نسبت به واکنش گرمازا، بیشتر افزایش می دهد. بنابراین در تعادل جدید تشکیل شده، غلظت های مواد اولیه و محصولات تغییر کرده است. در نتیجه تعادل جابجا شده است و ثابت تعادل نیز تغییر می کند.

اثر تغییرات فشار جزئی:
تغییر فشار جزئی را تنها در سیستم های گازی بررسی می کنند. لازم به ذکر است که تغییر فشار تنها بر سیستم های تعادلی تأثیر دارد که تعداد مول های گازهای واکنش دهنده و فرآورده در دو طرف معادله شیمیایی موازنه شده یکسان نباشد. از طرف دیگر، اثر فشار بر تعادل در سیستم هایی که فقط از مواد جامد یا مایع باشند، جزئی است. بنابراین از آن صرف نظر می شود.

توجه داشته باشید که غلظت های تعادلی مواد اولیه و فرآورده ها به فشار کلی سیستم به طور مستقیم وابسته نمی باشند، بلکه رابطه ای مستقیم به فشارهای جزئی واکنش دهنده ها و فرآورده ها دارند. بنابراین اثر تغییر فشار جزئی را می توان معادل با اثر تغییر غلظت در دمای ثابت دانست.

بنابراین همانند تغییر غلظت، با افزایش فشار جزئی یک گونه گازی شکل در تعادل شیمیایی، واکنش تعادلی در جهتی حرکت می کند که آن گونه گازی شکل مصرف شود. عکس این فرآیند در هنگام کاهش فشار جزئی یک گونه گازی شکل نیز انجام می شود.

اثر تغییرات حجم یا فشار کل:
تغییرات حجم و یا تغییرات فشار سیستم در دمای ثابت و در فاز گازی مورد بررسی قرار می گیرد. با افزایش فشار و در نتیجه کاهش حجم سیستم گازی در دمای ثابت، تعادل به سمت مقدار مول گازی کمتر حرکت می کند.

از طرف دیگر، با کاهش فشار و در نتیجه افزایش حجم سیستم به سمت مقدار مول گازی بیشتر جابجا می شود. لازم به ذکر است که اگر تعداد مول های گازی در دو طرف واکنش یکسان باشند، در نتیجه تغییر فشار، اثری بر تعادل نمی گذارد.

به عنوان مثال، دوباره می توان واکنش تولید آمونیاک را در نظر گرفت. با کاهش حجم یا افزایش فشار در سیستم تعادلی در دمای ثابت، باعث حرکت و پیشرفت واکنش به سمت رفت می گردد.

تأثیر کاتالیزور:
کاتالیزور در حقیقت سبب افزایش سرعت واکنش می شود اما خودش در واکنش شرکت نمی کند. از آن جهت که افزایش سرعت در هر دو طرف واکنش به یک میزان انجام می شود، بنابراین کاتالیزور تأثیری بر وضع تعادل نمی گذارد. در واقع، کاتالیزگر در یک سیستم تنها سبب می شود که آن سیستم سریع تر به حالت تعادل برسد.

تأثیر اضافه کردن گاز نجیب:
گاز نجیب در هر دو طرف واکنش حضور دارد اما با واکنش دهنده ها یا فرآورده ها واکنش نمی دهد. بنابراین اضافه کردن یک گاز نجیب به سیستم تعادلی گازی با حجم ثابت، تغییری در وضع تعادل ایجاد نمی کند.

کاربرد اصل لوشاتولیه در شیمی:
اصل لوشاتولیه در روش تولید صنعتی مواد شیمیایی و کنترل تولید آنها (مانند تولید آمونیاک) بسیار مهم می باشد. زمانیکه فشار سیستم تولید افزایش ‏یابد آمونیاک بیشتری تولید می ‏شود. اما زمانیکه فشار سیستم کاهش یابد، آمونیاک به واکنش دهنده های نیتروژن و هیدروژن تجزیه می ‏شود. به این ترتیب، با کنترل کردن فشار و دما می‏ توان آمونیاک را با کم‏ ترین ضایعات تولید کرد.