勒夏特列原理

勒夏特列原理勒夏特列原理的提出者就是著名法國物理化學家亨利?路易?勒夏特列，但是荷蘭化學家、第一位諾貝爾化學獎得主范特霍夫也幾乎同時提出了該原理?；蛘哒f，勒夏特列原理其實是勒夏特列和范特霍夫同時獨立提出的。這個原理的發(fā)現(xiàn)來源于一系列的研究。首先，挪威化學家古德貝格和瓦格提出了濃度對反應速率的影響規(guī)律一質(zhì)量作用定律。1877年，范特霍夫提出化學反應速率代替意義模糊的“化學親和力”。化學家漸漸的對化學平衡有了較一致的看法：化學平衡時正反應速率和逆反應速率相等的動態(tài)平衡。勒夏特列研究高爐內(nèi)發(fā)生的化學反應，即高爐中氧化鐵被一氧化碳還原的反應，大多數(shù)工程師都認為反應產(chǎn)物是鐵和二氧化碳，而分析結(jié)果則表明，從爐頂逸出的氣體中還存在著相當量的一氧化碳。有些工程師認為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是反應物作用得不完全，將高爐加高使反應完全，但事實表明，這種做法根本無濟于事，高爐氣中一氧化碳的比例沒有下降多少。勒夏特列則認為，這是由于以下的反應是一個可逆反應：而氧化鐵恰恰就是這一正向反應的催化劑，因而高爐氣中存在一定比例的一氧化碳是不可避免的。勒夏特列和他的助手們從大量的實驗中發(fā)現(xiàn)了一個不尋常的實驗現(xiàn)象：氯化鋁發(fā)生熱分解的反應速率隨著溫度的不斷升高而逐漸增大，又知道這是一個吸熱反應，顯然熱量可以促進這個分解過程的進行。于是有了一個結(jié)論：提高溫度利于吸熱反應的進行；反之降低溫度利于放熱反應的進行。（其實這個推論是沒有區(qū)分反應速率和反應平衡，提高溫度是增加了活化能，分子碰撞的機會增加，反應速率將增大，是縮短了反應達到平衡的時間，與反應是吸熱還是放熱并無多大的聯(lián)系。）正在勒夏特列研究溫度對化學平衡的影響時，1884年，范特霍夫從理論上推導出動態(tài)平衡原理：對于一個處于平衡態(tài)的可逆反應，當體系的溫度升高時，平衡向溫度降低的方向移動，這對勒夏特列的研究有莫大幫助。接著勒夏特列研究了壓力對化學平衡的影響，結(jié)論與溫度的影響類似。1884年，他總結(jié)出化學平衡移動原理：任何穩(wěn)定化學平衡系統(tǒng)承受外力的影響，無論整體地還是僅僅部分地導致其溫度或壓縮度（壓強、濃度、單位體積的分子數(shù)）發(fā)生改變，若它們單獨發(fā)生的話，系統(tǒng)將只作內(nèi)在的糾正，使溫度或壓縮度發(fā)生變化，該變化與外力引起的改變是相反的。1888年，勒夏特列把范特霍夫的觀察結(jié)果與熱力學的卡諾定理聯(lián)系起來，得到了更為普遍的表述：任何穩(wěn)定化學平衡系統(tǒng)承受外力的影響，無論整體地還是僅僅部分地導致其溫度或壓縮度（壓強、濃度、單位體積的分子數(shù)）發(fā)生改變，若它們單獨發(fā)生的話，系統(tǒng)將只作內(nèi)在的糾正，使溫度或壓縮度發(fā)生變化，該變化與外力引起的改變是相反的。二勒?夏特列原理的理解如果改變影響平衡的一個條件（如濃度，壓強或溫度等），平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。①濃度：增加某一反應物的濃度，則反應向著減少此反應物濃度的方向進行，即反應向正方向進行。減少某一生成物的濃度，則反應向著增加此生成物濃度的方向進行，即反應向正方向進行。反之亦然。②壓強：增加某一氣態(tài)反應物的壓強，則反應向著減少此反應物壓強的方向進行，即反應向正方向進行。減少某一氣態(tài)生成物的壓強，則反應向著增加此生成物壓強的方向進行，即反應向正方向進行。反之亦然。③溫度：升高反應溫度，則反應向著減少熱量的方向進行，即放熱反應逆向進行，吸熱反應正向進行；降低溫度，則反應向著生成熱量的方向的進行，即放熱反應正向進行，吸熱反應逆向進行。④催化劑：僅改變反應進行的速度，不影響平衡的改變，即對正逆反應的影響程度是一樣的。常?？吹接械妮o導書書對勒夏特列原理作如下理解：〃當某一平衡體系受到干擾時，物系相應地趨向消除其影響”。使用“消除”一詞是對原理的誤解，平衡體系不會消除干擾，使平衡〃恢復”。其實，勒沙特列原理并沒有這樣表述。前述的〃減弱”，或者〃削弱”、'抵御”等，都比〃消除”或者“抵消”好。而〃恢復平衡”，最好改為〃建立新平衡”。用勒沙特列原理，我們預言的只是：干擾因素破壞了原平衡，平衡會移動，有可能在另一穩(wěn)定條件下建立新平衡，但新平衡決不等于舊平衡?；蛘哒f平衡移動是從一個平衡點移到另一個平衡點，這兩個平衡點決不會一樣。如果把一個處于平衡狀態(tài)的體系置于一個壓力來會增加的環(huán)境中，這個體系就會盡量縮小體積，重新達到平衡。由于這個緣故，這時壓力就不會增加得像本來應該增加的那樣多。又例如，如果把這個體系置于一個會正常增加溫度的環(huán)境里，這個體系就會發(fā)生某種變化，額外吸收一部分熱量。因此，溫度的升高也不會像預計的那樣大。勒夏特列原理指出了化學平衡的自發(fā)趨向，這種趨向是化學平衡系統(tǒng)的內(nèi)部機制，無須外力幫助。這里所指的化學平衡，不僅僅指化學反應，也包括相平衡(如水蒸氣和冰的平衡)、溶解平衡(如啤酒瓶里的二氧化碳氣體和溶解在啤酒里的二氧化碳的平衡或者氯化鈉晶體與它的飽和溶液之間的平衡)等。所有這些平衡，都是物質(zhì)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的平衡。例如用勒夏特列原理解釋，為什么生活中飲用的碳酸型飲料打開瓶蓋倒入玻璃杯時會泛起大量泡沫。碳酸型飲料中未溶解的二氧化碳與溶解的二氧化碳存在平衡：打開瓶蓋時，壓強減小，根據(jù)勒夏特列原理，平衡向釋放二氧化碳的方向移動，以減弱壓強減小對平衡的影響。因此，生活中飲用的碳酸型飲料打開瓶蓋倒入玻璃杯時會泛起大量泡沫。三，勒?夏特列原理的局限勒夏特列原理對達成化學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)才是有效的，若系統(tǒng)沒有達成化學平衡狀態(tài)，無效。例如，你若把氫氣、氧氣和水蒸氣混合在一個封閉的容器里，無論你如何改變溫度，氫氣、氧氣和水蒸氣的量不會有任何改變，因為容器里的三種氣體并沒有達成化學平衡。勒夏特列原理對維持化學平衡狀態(tài)的因素的改變才是有效的，若改變的不是維持化學平衡狀態(tài)的因素，無效。例如，對于化學平衡CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g),你改變系統(tǒng)的總壓，不會引起平衡移動，因為總壓不是維持這一平衡狀態(tài)的因素。同樣，你若改變催化劑的用量或組成，也不會引起平衡移動，因為催化劑不是維持化學平衡的因素。勒夏特列原理不涉及動力學因素。由此可見，如果一個化學平衡移動了，用勒夏特列原理來解釋移動的方向是毫無問題的，例如，打開啤酒瓶，泛起了泡沫，你可用勒沙特列原理來解釋。冰刀壓在冰上，冰融化了，你也可用勒夏特列原理解釋。而對于尚未實現(xiàn)的化學反應，你可用勒夏特列原理預言的只是它的熱力學性自發(fā)性方向與溫度、壓強等因素的關(guān)系，卻根本不能預言實施這個反應時是否應當采取熱力學最佳條件，因為，從可能性變?yōu)楝F(xiàn)實性，熱力學管不了了，需要研究動力學，需要討論用多長時間合適。勒夏特列原理是熱力學原理，只有在化學平衡沒有動力學障礙時，才與現(xiàn)實現(xiàn)象不產(chǎn)生矛盾。人們所說的勒沙特列原理的局限性，不是勒沙特列原理本身有什么問題。、勒奧特列原理的意義勒夏特列原理可預測特定變化條件下化學反應的方向，可以使某些工業(yè)生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)化率達到或接近理論值，同時也可以避免一些并無實效的方案（如高爐加高的方案），所以有助于化學工業(yè)的合理化安排和指導化學家們最大限度地減少浪費，生產(chǎn)所希望的產(chǎn)品。1900年，勒沙特列研究氮氣和氫氣直接合成氨的反應，可以算是研究合成氨反應的先驅(qū)?？上У氖?，氮氣和氫氣的混合物中含有少量空氣，在實驗過程中發(fā)生了爆炸。在沒有查明產(chǎn)生事故的原因的情況下，勒?夏特里放棄了這項研究。一直到1905年，才由德國化學家哈伯解決了氮氣和氫氣直接合成氨的問題。有人以合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件來否定勒夏特列原理，卻沒有注意到勒夏特列原理的應用條件。例如，氫氣和氮氣合成氨的反應是放熱反應。按照勒夏特列原理，降低溫度有利于平衡向合成氨的方向移動。這本是毫無疑義的事情。它說的是，如果計算熱力學理論產(chǎn)率，單改變反應溫度的話，低溫的熱力學理論產(chǎn)率大于高溫。因此單用勒夏特列原理不能找到合成氨的工業(yè)條件。對于工業(yè)生產(chǎn)，〃時間就是金錢”，時間是耽擱不起的。氨的工業(yè)合成條件沒有采取低溫而采取了高溫，犧性了熱力學理論產(chǎn)率，卻換來了生產(chǎn)的時間效率，后者決非熱力學所能及。有的人認為，勒夏特列原理決不只是適用于化學平衡，而是宇宙間的普適原理，從生物學到生理學，從經(jīng)濟學到社會學，無一不遵從〃泛化的勒夏特列原理”——承受外加限制條件的系統(tǒng)具有反抗外加限制條件改變的能力。在電磁學中，有名的楞次定律，其表述模式幾乎和勒夏特列原理相同?！独献印返牡谄呤哒掠羞@樣的話，〃天之道，其猶張弓與！局者抑之，下者舉之，有余者損之，不足者與之，