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国物理化学家亨利•路易•勒夏特列，但是荷兰化学家、第一位诺贝尔化学奖得主范特霍夫也几乎同时提出了该原理。或者说，勒夏特列原理其实是勒夏特列和范特霍夫同时独立提出的。这个原理的发现来源于一系列的研究。首先，挪威化学家古德贝格和瓦格提出了浓度对反应速率的影响规律一质量作用定律。1877年，范特霍夫提出化学反应速率代替意义模糊的“化学亲和力”。化学家渐渐的对化学平衡有了较一致的看法：化学平衡时正反应速率和逆反应速率相等的动态平衡。勒夏特列研究高炉内发生的化学反应，即高炉中氧化铁被一氧化碳还原的反应，大多数工程师都认为反应产物是铁和二氧化碳，而分析结果则表明，从炉顶逸出的气体中还存在着相当量的一氧化碳。有些工程师认为产生这种现象的原因是反应物作用得不完全，将高炉加高使反应完全，但事实表明，这种做法根本无济于事，高炉气中一氧化碳的比例没有下降多少。勒夏特列则认为，这是由于以下的反应是一个可逆反应：而氧化铁恰恰就是这一正向反应的催化剂，因而高炉气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们从大量的实验中发现了一个不寻常的实验现象：氯化铝发生热分解的反应速率随着温度的不断升高而逐渐增大，又知道这是一个吸热反应，显然热量可以促进这个分解过程的进行。于是有了一个结论：提高温度利于吸热反应的进行；反之降低温度利于放热反应的进行。（其实这个推论是没有区分反应速率和反应平衡，提高温度是增加了活化能，分子碰撞的机会增加，反应速率将增大，是缩短了反应达到平衡的时间，与反应是吸热还是放热并无多大的联系。）正在勒夏特列研究温度对化学平衡的影响时，1884年，范特霍夫从理论上推导出动态平衡原理：对于一个处于平衡态的可逆反应，当体系的温度升高时，平衡向温度降低的方向移动，这对勒夏特列的研究有莫大帮助。接着勒夏特列研究了压力对化学平衡的影响，结论与温度的影响类似。1884年，他总结出化学平衡移动原理：任何稳定化学平衡系统承受外力的影响，无论整体地还是仅仅部分地导致其温度或压缩度（压强、浓度、单位体积的分子数）发生改变，若它们单独发生的话，系统将只作内在的纠正，使温度或压缩度发生变化，该变化与外力引起的改变是相反的。1888年，勒夏特列把范特霍夫的观察结果与热力学的卡诺定理联系起来，得到了更为普遍的表述：任何稳定化学平衡系统承受外力的影响，无论整体地还是仅仅部分地导致其温度或压缩度（压强、浓度、单位体积的分子数）发生改变，若它们单独发生的话，系统将只作内在的纠正，使温度或压缩度发生变化，该变化与外力引起的改变是相反的。二勒•夏特列原理的理解如果改变影响平衡的一个条件（如浓度，压强或温度等），平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。①浓度：增加某一反应物的浓度，则反应向着减少此反应物浓度的方向进行，即反应向正方向进行。减少某一生成物的浓度，则反应向着增加此生成物浓度的方向进行，即反应向正方向进行。反之亦然。②压强：增加某一气态反应物的压强，则反应向着减少此反应物压强的方向进行，即反应向正方向进行。减少某一气态生成物的压强，则反应向着增加此生成物压强的方向进行，即反应向正方向进行。反之亦然。③温度：升高反应温度，则反应向着减少热量的方向进行，即放热反应逆向进行，吸热反应正向进行；降低温度，则反应向着生成热量的方向的进行，即放热反应正向进行，吸热反应逆向进行。④催化剂：仅改变反应进行的速度，不影响平衡的改变，即对正逆反应的影响程度是一样的。常常看到有的辅导书书对勒夏特列原理作如下理解：〃当某一平衡体系受到干扰时，物系相应地趋向消除其影响”。使用“消除”一词是对原理的误解，平衡体系不会消除干扰，使平衡〃恢复”。其实，勒沙特列原理并没有这样表述。前述的〃减弱”，或者〃削弱”、'抵御”等，都比〃消除”或者“抵消”好。而〃恢复平衡”，最好改为〃建立新平衡”。用勒沙特列原理，我们预言的只是：干扰因素破坏了原平衡，平衡会移动，有可能在另一稳定条件下建立新平衡，但新平衡决不等于旧平衡。或者说平衡移动是从一个平衡点移到另一个平衡点，这两个平衡点决不会一样。如果把一个处于平衡状态的体系置于一个压力来会增加的环境中，这个体系就会尽量缩小体积，重新达到平衡。由于这个缘故，这时压力就不会增加得像本来应该增加的那样多。又例如，如果把这个体系置于一个会正常增加温度的环境里，这个体系就会发生某种变化，额外吸收一部分热量。因此，温度的升高也不会像预计的那样大。勒夏特列原理指出了化学平衡的自发趋向，这种趋向是化学平衡系统的内部机制，无须外力帮助。这里所指的化学平衡，不仅仅指化学反应，也包括相平衡(如水蒸气和冰的平衡)、溶解平衡(如啤酒瓶里的二氧化碳气体和溶解在啤酒里的二氧化碳的平衡或者氯化钠晶体与它的饱和溶液之间的平衡)等。所有这些平衡，都是物质状态相互转化的平衡。例如用勒夏特列原理解释，为什么生活中饮用的碳酸型饮料打开瓶盖倒入玻璃杯时会泛起大量泡沫。碳酸型饮料中未溶解的二氧化碳与溶解的二氧化碳存在平衡：打开瓶盖时，压强减小，根据勒夏特列原理，平衡向释放二氧化碳的方向移动，以减弱压强减小对平衡的影响。因此，生活中饮用的碳酸型饮料打开瓶盖倒入玻璃杯时会泛起大量泡沫。三，勒•夏特列原理的局限勒夏特列原理对达成化学平衡状态的系统才是有效的，若系统没有达成化学平衡状态，无效。例如，你若把氢气、氧气和水蒸气混合在一个封闭的容器里，无论你如何改变温度，氢气、氧气和水蒸气的量不会有任何改变，因为容器里的三种气体并没有达成化学平衡。勒夏特列原理对维持化学平衡状态的因素的改变才是有效的，若改变的不是维持化学平衡状态的因素，无效。例如，对于化学平衡CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g),你改变系统的总压，不会引起平衡移动，因为总压不是维持这一平衡状态的因素。同样，你若改变催化剂的用量或组成，也不会引起平衡移动，因为催化剂不是维持化学平衡的因素。勒夏特列原理不涉及动力学因素。由此可见，如果一个化学平衡移动了，用勒夏特列原理来解释移动的方向是毫无问题的，例如，打开啤酒瓶，泛起了泡沫，你可用勒沙特列原理来解释。冰刀压在冰上，冰融化了，你也可用勒夏特列原理解释。而对于尚未实现的化学反应，你可用勒夏特列原理预言的只是它的热力学性自发性方向与温度、压强等因素的关系，却根本不能预言实施这个反应时是否应当采取热力学最佳条件，因为，从可能性变为现实性，热力学管不了了，需要研究动力学，需要讨论用多长时间合适。勒夏特列原理是热力学原理，只有在化学平衡没有动力学障碍时，才与现实现象不产生矛盾。人们所说的勒沙特列原理的局限性，不是勒沙特列原理本身有什么问题。、勒奥特列原理的意义勒夏特列原理可预测特定变化条件下化学反应的方向，可以使某些工业生产过程的转化率达到或接近理论值，同时也可以避免一些并无实效的方案（如高炉加高的方案），所以有助于化学工业的合理化安排和指导化学家们最大限度地减少浪费，生产所希望的产品。1900年，勒沙特列研究氮气和氢气直接合成氨的反应，可以算是研究合成氨反应的先驱。可惜的是，氮气和氢气的混合物中含有少量空气，在实验过程中发生了爆炸。在没有查明产生事故的原因的情况下，勒•夏特里放弃了这项研究。一直到1905年，才由德国化学家哈伯解决了氮气和氢气直接合成氨的问题。有人以合成氨的工业生产条件来否定勒夏特列原理，却没有注意到勒夏特列原理的应用条件。例如，氢气和氮气合成氨的反应是放热反应。按照勒夏特列原理，降低温度有利于平衡向合成氨的方向移动。这本是毫无疑义的事情。它说的是，如果计算热力学理论产率，单改变反应温度的话，低温的热力学理论产率大于高温。因此单用勒夏特列原理不能找到合成氨的工业条件。对于工业生产，〃时间就是金钱”，时间是耽搁不起的。氨的工业合成条件没有采取低温而采取了高温，牺性了热力学理论产率，却换来了生产的时间效率，后者决非热力学所能及。有的人认为，勒夏特列原理决不只是适用于化学平衡，而是宇宙间的普适原理，从生物学到生理学，从经济学到社会学，无一不遵从〃泛化的勒夏特列原理”——承受外加限制条件的系统具有反抗外加限制条件改变的能力。在电磁学中，有名的楞次定律，其表述模式几乎和勒夏特列原理相同。《老子》的第七十七章有这样的话，〃天之道，其犹张弓与！局者抑之，下者举之，有余者损之，不足者与之，