El principi de Le Chatelier descriu la resposta d'un sistema en equilibri per contrarestar els efectes ocasionats per un agent extern. Va ser formulat en 1888 pel químic francès Henry Louis Le Chatelier. S'aplica per a tota reacció química que sigui capaç d'assolir l'equilibri en sistemes tancats.

Què és un sistema tancat? És aquell on hi ha la transferència d'energia entre les seves fronteres (per exemple, una galleda), però no de matèria. No obstant això, per exercir un canvi en el sistema és necessari obrir-lo, i després tornar a tancar-lo per estudiar com respon a la pertorbació (o canvi).

Henry Louis Le Chatelier

Un cop tancat, el sistema tornarà a l'equilibri i la seva manera d'aconseguir-ho pot predir gràcies a aquest principi. ¿El nou equilibri és el mateix que l'anterior? Depèn de el temps a què se sotmet el sistema a la pertorbació externa; si dura prou, el nou equilibri és diferent.

En què consisteix?

La següent equació química correspon a una reacció que ha assolit l'equilibri:

aA + bB <=> cC + dD

En aquesta expressió a, b, c i són els coeficients estequiomètrics. Atès que el sistema està tancat, de l'exterior no ingressen reactius (A i B) ni productes (C i D) que pertorbin l'equilibri.

Però, exactament què significa l'equilibri? Quan aquest s'estableix, les velocitats de la reacció directa (a la dreta) i inversa (cap a l'esquerra) s'igualen. Per tant, les concentracions de totes les espècies es mantenen constants en el temps.

L'anterior es pot entendre d'aquesta manera: tot just reaccioni una mica de A i B per produir C i D, aquests reaccionen entre si a el mateix temps per regenerar el A i B consumits, i així successivament mentre el sistema romangui en equilibri.

No obstant això, a l'aplicar-se una pertorbació a sistema -sigui per l'addició de A, de calor, de D o per la reducció de l'volum-, el principi de Le Chatelier prediu com es comportarà per contrarestar els efectes ocasionats, tot i que no explica el mecanisme molecular pel qual li permet tornar a l'equilibri.

Així, depenent dels canvis realitzats, es pot afavorir el sentit d'una reacció. Per exemple, si B és el compost desitjat, s'exerceix un canvi de tal manera que l'equilibri es desplaci a la seva formació.

Factors que modifiquen l'equilibri químic

Per entendre el principi de Le Chatelier una excel·lent aproximació és la d'assumir que l'equilibri consisteix d'una balança.

Vist des d'aquest enfocament, en el plat esquerre (o cistella) es pesen els reactius i en el de la dreta es pesen els productes. A partir d'aquí, la predicció de la resposta de sistema (la balança) es fa fàcil.

Canvis de concentració

aA + bB <=> cC + dD

La doble fletxa en l'equació representa el plançó de la balança i el subratllat els platerets. Llavors, si s'afegeix a sistema una quantitat (grams, mil·ligrams, etc.) d'A, hi haurà més pes en el platet dret i la balança s'inclinarà cap a aquest costat.

Com a resultat, el platet C + D s'aixeca; és a dir, guanya importància davant de l'platerets A + B. En altres paraules: davant l'addició d'A (com de B) la balança desplaça els productes C i D cap amunt.

En termes químics, l'equilibri acaba desplaçant cap a la dreta: cap a la producció de més C i D.

El contrari ocorre en el cas que a el sistema se li afegeixin quantitats de C i D: el platet esquerre es torna més pesat, ocasionant que s'aixequi el de la dreta.

Novament, això porta com a conseqüència una alçada en les concentracions de A i B; per tant, es genera un desplaçament de l'equilibri cap a l'esquerra (els reactius).

Canvis de pressió o volum

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

Els canvis de pressió o volum ocasionats en el sistema només tenen efectes notables sobre espècies en estat gasós. No obstant això, per a l'equació química superior cap d'aquestes alteracions modificarien l'equilibri.

Per què? Perquè la quantitat de mols totals gasosos en ambdós costats de l'equació és la mateixa.

La balança buscarà equilibrar els canvis de pressió, però atès que ambdues reaccions (directa i inversa) produeixen la mateixa quantitat de gas, aquesta roman inalterada. Per exemple, per a la següent equació química la balança si respon a aquests canvis:

aA (g) + bB (g) <=> EE (g)

Aquí, davant d'una disminució de l'volum (o augment de la pressió) en el sistema, la balança elevarà el platet que permeti reduir aquest efecte.

Com? Disminuint la pressió, a través de la formació d'E Això es deu al fet que, com A i B exerceixen més pressió que E, aquests reaccionen per disminuir les seves concentracions i augmentar la d'E

Així mateix, el principi de Le Chatelier prediu l'efecte de l'augment de l'volum. Quan això passa, la balança necessita llavors contrarestar l'efecte promovent la formació de més mols gasosos que restaurin la pèrdua de la pressió; aquesta vegada, desplaçant l'equilibri cap a l'esquerra, aixecant el platet A + B.

Canvis de temperatura

La calor pot considerar-se tant reactiu com a producte. Per tant, depenent de l'entalpia de reacció (ΔHrx), la reacció és exotèrmica o endotèrmica. Llavors la calor es col·loca de la banda esquerra o dret de l'equació química.

aA + bB + calor <=> cC + dD (reacció endotèrmica)

aA + bB <=> cC + dD + calor (reacció exotèrmica)

Aquí, l'escalfament o refredament de sistema genera les mateixes respostes com en el cas dels canvis de concentracions.

Per exemple, si la reacció és exotèrmica, refredar el sistema afavoreix el desplaçament de l'equilibri cap a l'esquerra; mentre que si s'escalfa, la reacció prossegueix amb major tendència cap a la dreta (A + B).

aplicacions

Entre les seves innombrables aplicacions, atès que moltes reaccions arriben l'equilibri, es tenen les següents:

En el procés d'Haver

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (exotèrmica)

L'equació química superior correspon a la formació de l'amoníac, un dels compostos més produïts a escales industrials.

Aquí, les condicions ideals per a l'obtenció de NH ₃ són aquelles en què la temperatura no sigui molt elevada i, així mateix, on hi hagi nivells alts de pressions (200 a 1000 atm).

A la jardineria

Les hortènsies morades (imatge superior) estableixen un equilibri amb l'alumini (A l' ³⁺) present en els sòls. La presència d'aquest metall, àcid de Lewis, porta com a conseqüència l'acidificació dels mateixos.

No obstant això, en sòls bàsics les flors de les hortènsies són vermelles, a causa de que l'alumini és insoluble en aquests sòls i no pot ser aprofitat per la planta.

Un jardiner coneixedor de el principi de Le Chatelier podria modificar el color dels seus hortènsies mitjançant la intel·ligent acidificació dels sòls.

En la formació de cavernes