Принцип Ле Шательє - Брауна. званий також принципом зміщення рівноваги, є загальною назвою для ряду схожих принципів в хімії, термодинаміки, електродинаміки, теорії систем. економіці і в інших науках. Існує кілька різних формулювань даного принципу, наприклад:
«Будь-яка система. що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, зазнає в результаті зміни одного з параметрів термодинамічної рівноваги такі зміщення інших її параметрів, які, походячи самі по собі, викликали б зміна розглянутого параметра в протилежному напрямку (тобто виникає деякий опір системи відхилення від рівноваги) ».
В іншому визначенні більш акцентується увага на напрямок зміщення рівноваги, ніж на реакцію з боку системи:
«Якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, проводиться зовнішній вплив, то рівновага зміщується в тому напрямку, при якому система як би знову відновлює свою колишню стан».
Значення принципу полягає в тому, що він дозволяє робити певні передбачення щодо еволюції системи, що знаходиться під зовнішнім впливом. У хімії він використовується для збільшення виходу реакції, а в фармакології - для уточнення умов балансу біологічної системи при зв'язку лігандів з рецепторами. [1] В економіці принцип дозволяє пояснити рівновагу цін в ефективних економічних системах.
- 1 Хімія
- 1.1 Вплив концентрації
- 1.2 Вплив температури
- 1.3 Вплив тиску
- 1.4 Ефект додавання інертного газу
- 2 Лоренц-інваріантна термодинаміка
- 3 Електродинаміка
- 4 Економіка
- 5 Теорія систем
- 6 Філософія
- 7 Посилання
- 8 Література
- 9 Зовнішні посилання
- 10 Дивись також
У 1884 р голландський фізико-хімік Я. Вант-Гофф висловив принцип зсуву рівноваги в залежності від температури, а французький хімік Анрі Ле Шательє узагальнив цей принцип на інші величини. У 1887 р Карл Браун обгрунтував принцип в рамках термодинаміки. Принцип зсуву рівноваги був описаний також у вигляді формул в роботах Гіббса. [2]
Класичне вираз принципу в хімії має вигляд:
«Якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, впливати ззовні, змінюючи яке-небудь з умов (температура, обсяг, тиск, концентрація), то рівновага зміщується таким чином, щоб зменшити зміна».
вплив концентрації
Концентрація впливає на стан рівноваги в такий спосіб:
- При підвищенні концентрації одного з вихідних речовин рівновага зміщується в напрямку утворення продуктів реакції;
- При підвищенні концентрації одного з продуктів реакції рівновагу зсувається в напрямку утворення вихідних речовин.
В якості ілюстрації розглянемо реакцію чадного газу з воднем, з утворенням метилового спирту:
В даній реакції вихід метилового спирту буде більше при збільшенні концентрації CO. Ефективність реакції також зросте при безперервному видаленні продуктів реакції.
вплив температури
У кожній оборотної реакції один з напрямків відповідає екзотермічного процесу, а інше - ендотермічний. Для прикладу розглянемо реакцію взаємодії азоту з воднем з утворенням аміаку:
де Q = 92 кДж на 1 моль.
Пряма реакція - екзотермічна, що йде з виділенням тепла а зворотна реакція - ендотермічна, що вимагає поглинання тепла.
Вплив зміни температури на стан хімічної рівноваги підпорядковується наступним правилам:
- При підвищенні температури хімічна рівновага зміщується в напрямку ендотермічної реакції;
- При зниженні температури хімічна рівновага зміщується в напрямку екзотермічної реакції.
Отже, в наведеній реакції в міру виділення тепла зростає температура, що знижує вихід аміаку.
вплив тиску
У всіх реакціях за участю газоподібних речовин, що супроводжуються зміною обсягу за рахунок зміни кількості речовини при переході від вихідних речовин до продуктів реакції, на положення рівноваги впливає тиск в системі.
Вплив тиску на положення рівноваги підпорядковується наступним правилам:
- При підвищенні тиску рівновагу зсувається в напрямку утворення речовин (вихідних або продуктів реакції) з меншим об'ємом;
- При зниженні тиску рівновагу зсувається в напрямку утворення речовин з великим об'ємом;
- У разі рівного розподілу обсягів вихідних речовин і продуктів реакції тиск не впливає на рівновагу реакції.
Розглянемо знову реакцію азоту з воднем:
Вважаючи, що кожен моль газу при стандартних умовах займає один і той же обсяг, в лівій частині рівності маємо 4 обсягу, а в правій частині - два обсягу. Таким чином, при переході від вихідних речовин до продукту реакції (аміаку) обсяг газів зменшився вдвічі. Значить, при підвищенні тиску рівновагу зміщується в бік утворення NH3. про що свідчать наступні дані для реакції синтезу аміаку при 400 ° С:
Ефект додавання інертного газу
Даний ефект показує, що не кожна зміна тиску змінює хід реакції, а лише те, яке пов'язане з самими реагують речовинами. Так, якщо додавати інертний газ, такий як гелій, в замкнутий об'єм, то рівновага в реакціях з газовими фазами не зміниться, незважаючи на зміну загального тиску в системі. [3] Для ходу реакцій важливо не загальний тиск, а парціальні тиску реагуючих речовин. Якщо ж обсяг системи змінюється в залежності від тиску, то інертний газ може вплинути на хід реакції через зміну обсягу і відповідні зміни парціальних тисків.
Лоренц-інваріантна термодинаміка
де - щільність електромагнітної і гравітаційної енергій поля, пов'язаної з об'ємом системи. - функція стиснення, що залежить від тиску і щільності речовини. - хімічний потенціал, - кількість речовини в молях.
Якщо під дією будь-яких причин система відхиляється від стану рівноваги, то повертає до положення рівноваги силу в загальному вигляді можна записати так:
де - температура як функція місцеположення елемента обсягу, - ентропія елемента обсягу.
У вираженні для сили виявляються дві компоненти, одна з яких пов'язана з градієнтом ентропії, а інша - з градієнтом хімічного потенціалу. У більшості випадків обидві компоненти сили протилежні одна одній, так що хоча система і зміщується до нового положення рівноваги, але при наявності сили опору це відбувається повільніше.
електродинаміка
Ще до появи принципу Ле Шательє - Брауна в електродинаміки було відомо правило Ленца, встановлене в 1833 р .:
«Індукційний струм в контурі спрямований так, що створюваний ним потік магнітної індукції через поверхню, обмежену контуром, прагне перешкоджати тому зміни потоку, яке викликає даний струм».
Американський економіст Поль Самюельсон в 1947 р висловив принцип Ле Шательє - Брауна за допомогою економічних термінів з метою опису умов економічної рівноваги: якщо змінні параметри функції змінюються незалежно, то накладення на них додаткового обмеження (у вигляді зв'язку параметрів) за умови рівноваги призводить до зменшення зміни функції при зміні пов'язаного параметра. Зокрема, затребуваність товарів і гнучкість ринку при постачанні товарами менше при малих термінах, що пояснюється обмеженням у вигляді підвищених витрат в порівнянні з великими термінами. [5]
В рамках апарату структуродінамікі є наступне формулювання:
«Принцип Ле Шательє - Брауна описує загальносистемну закономірність, згідно з якою будь-яка зміна стану системи, викликане як зовнішніми, так і внутрішніми причинами, породжує в системі процеси, спрямовані на компенсацію цієї зміни».
З більш загальної, філософської точки зору, принцип Ле Шательє - Брауна є проявом філософського закону збереження і зміни організації системи, який формулюється таким чином: [4]
«У процесі розвитку система прагне зберегти свою рівноважну організацію і перебудовує її до нового оптимального значення, протидіючи всім впливам або силам, що змінює організацію».