Le Chateliers princip – så påverkas kemisk jämvikt

Le Chateliers princip hjälper dig att förutsäga hur ett system i kemisk jämvikt reagerar när förhållandena ändras. Principen kan sammanfattas så här: om ett jämviktssystem utsätts för en förändring kommer systemet att reagera på ett sätt som delvis motverkar förändringen.

Principen är ett kvalitativt verktyg. För att avgöra riktningen mer formellt kan man använda reaktionskvoten Q och jämviktskonstanten K.

Vad menas med kemisk jämvikt?

En kemisk jämvikt är dynamisk. Framåtreaktionen och bakåtreaktionen fortsätter, men de sker med samma hastighet. Därför är de makroskopiska koncentrationerna konstanta över tid så länge förhållandena inte ändras.

Det betyder inte att mängden reaktanter och produkter måste vara lika. Jämviktsläget beror på reaktionen och på temperaturen.

Koncentration: vad händer om ett ämne tillsätts?

Betrakta den förenklade gasreaktionen:

H₂ + I₂ ⇌ 2 HI

Om koncentrationen av H₂ ökar medan övriga förhållanden är oförändrade blir reaktionskvoten Q mindre i förhållande till sitt tidigare värde. Systemet reagerar då genom att nettoreaktionen går mot produktsidan tills en ny jämvikt har uppnåtts.

Om HI i stället avlägsnas gynnas också nettoreaktionen mot produktsidan. Om HI tillsätts gynnas nettoreaktionen åt andra hållet.

Q och K ger en tydligare förklaring

För en reaktion kan Q skrivas med samma algebraiska form som jämviktsuttrycket K, men med de aktuella aktiviteterna eller, i förenklade skoluppgifter, koncentrationerna.

• Q < K: nettoreaktionen går mot produkter.
• Q > K: nettoreaktionen går mot reaktanter.
• Q = K: systemet är i jämvikt.

Det är ett mer precist sätt att resonera än att säga att systemet ”vill” motverka en förändring.

Hur påverkar tryck och volym?

Tryckförändringar är framför allt relevanta för gasjämvikter. Om volymen minskas vid konstant temperatur ökar de partiella trycken. Ett system där antalet mol gas skiljer sig mellan reaktant- och produktsidan kan då förskjutas.

Ett klassiskt exempel är Haber-Bosch-reaktionen:

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)

På vänster sida finns sammanlagt fyra stökiometriska mol gas och på höger sida två. En volymminskning som höjer trycket gynnar därför, allt annat lika, sidan med färre gasmolekyler — produktsidan.

Om antalet mol gas är lika på båda sidor får en ren volymförändring ingen sådan förskjutning av jämvikten. Effekten ska alltså bedömas utifrån gasernas stökiometri, inte bara utifrån att ”trycket ökar”.

Hur påverkar temperaturen?

Temperaturen skiljer sig från koncentration och tryck eftersom en temperaturändring också ändrar värdet på jämviktskonstanten K.

För en exoterm framåtreaktion kan värme förenklat ses som en produkt. En temperaturökning gynnar då nettoreaktionen i endoterm riktning, alltså bakåt. För en endoterm framåtreaktion blir effekten den motsatta.

Vilken riktning som gynnas måste därför avgöras utifrån reaktionens entalpiändring. Det räcker inte att känna till reaktionsformeln utan energiinformation.

Påverkar en katalysator jämviktsläget?

Nej. En katalysator ger en alternativ reaktionsväg med lägre aktiveringsenergi och ökar hastigheten för både framåt- och bakåtreaktionen. Systemet kan nå jämvikt snabbare, men jämviktskonstanten och jämviktsläget vid en given temperatur ändras inte.

Vad händer om en inert gas tillsätts?

Här spelar förutsättningarna roll. Om en inert gas tillsätts vid konstant volym ändras inte de reagerande gasernas partiella tryck, och jämviktsläget påverkas därför inte av just den förändringen.

Om inert gas i stället tillsätts vid konstant totaltryck kan volymen ändras. Då kan de reagerande gasernas partiella tryck förändras och ett system med olika antal mol gas på de två sidorna kan påverkas.

Fast ämne och ren vätska i en heterogen jämvikt

I jämviktsuttryck för heterogena system tas rena fasta ämnen och rena vätskor normalt inte med eftersom deras aktivitet behandlas som konstant. Att lägga till mer av ett rent fast ämne flyttar därför inte jämviktsläget så länge den fasta fasen redan finns och övriga förhållanden är oförändrade.

Så löser du en typisk jämviktsuppgift

1. Skriv och balansera reaktionsformeln.
2. Identifiera vad som ändras: koncentration, volym/tryck eller temperatur.
3. Skriv jämviktsuttrycket om K eller Q behövs.
4. Jämför Q med K för att bestämma nettoreaktionens riktning.
5. Använd en ICE-tabell om nya jämviktskoncentrationer ska beräknas.
6. Kontrollera att resultatet är kemiskt och matematiskt rimligt.

ICE står för Initial, Change och Equilibrium. Metoden är användbar när en okänd förändring betecknas med exempelvis x och därefter sätts in i jämviktsuttrycket.

Spädning kan också analyseras med Q

Om en lösning späds ändras koncentrationerna omedelbart. Därefter kan systemet reagera tills Q åter blir lika med K.

Det går inte att använda en enkel regel om att jämvikten alltid går mot ”sidan med flest ämnen”. Koefficienterna i jämviktsuttrycket och vilka arter som faktiskt ingår måste beaktas.

Le Chateliers princip säger riktning – inte hur långt

Principen kan ofta förutsäga åt vilket håll ett system svarar på en störning, men den säger inte hur stor den nya jämviktsförändringen blir.

För att beräkna nya koncentrationer eller partialtryck krävs jämviktskonstanten och en kvantitativ beräkning, exempelvis med en ICE-tabell.

Vanliga frågor

Är Le Chateliers princip en naturlag?

Den är framför allt en användbar kvalitativ princip för att förutsäga hur ett jämviktssystem reagerar på störningar. För en mer formell analys används termodynamik samt jämförelsen mellan Q och K.

Ändras K om koncentrationen ändras?

Inte vid oförändrad temperatur. Koncentrationerna kan ändras och systemet kan förskjutas, men jämviktskonstantens värde för den givna reaktionen bestäms av temperaturen.

Ändras K om temperaturen ändras?

Ja. Temperatur är den av de vanliga ”Le Chatelier-variablerna” som ändrar själva jämviktskonstanten.

Påverkar högre tryck alltid en gasjämvikt?

Nej. En volymändring påverkar jämviktsläget på det klassiska Le Chatelier-sättet när gasernas stökiometriska molantal skiljer sig mellan sidorna. Om de är lika blir det ingen sådan förskjutning.