⚖️ Принцип Ле-Шательє

Він стверджує, що якщо систему в стані хімічної рівноваги порушити зміною концентрації, температури або тиску, рівновага зміщується в напрямку, який частково протидіє цій зміні. Симуляція демонструє це, дозволяючи застосувати кожен вид збурення та спостерігати, як концентрації встановлюються заново.

Вона обчислює реакційний коефіцієнт Q і порівнює його з константою рівноваги Kc. Якщо Q менше за Kc, система зміщується вправо, у бік утворення більшої кількості продуктів, а якщо Q більше за Kc — вліво, у бік реагентів. Далі ітеративна процедура поступово коригує концентрації, доки Q знову не зрівняється з Kc.

Повзунки «Додати реагент A», «Додати реагент B» та «Додати продукт C» змінюють концентрацію відповідної речовини вгору чи вниз до одного моль/л, повзунок температури встановлює T у межах від 200 до 600 K, а повзунок тиску множить тиск від 0,5 до 4 разів. Кожна зміна запускає перерахунок Kc і нову релаксацію до нової рівноваги.

Реакційний коефіцієнт дорівнює Q = [C]^c / ([A]^a [B]^b), де використовуються стехіометричні коефіцієнти реакції. Система перебуває в рівновазі, коли Q дорівнює Kc. Температурна залежність використовує спрощену форму рівняння Вант-Гоффа: Kc(T) = Kc0 × exp(−ΔH/R × (1/T − 1/298)), де R = 8,314 Дж/(моль·К).

Тепло поводиться як реагент або продукт. Для екзотермічної реакції, як-от процес Габера (ΔH = −92 кДж/моль), підвищення температури знижує Kc і зміщує баланс у бік реагентів. Для ендотермічної реакції підвищення температури збільшує Kc і сприяє утворенню продуктів. Симуляція застосовує це через доданок Вант-Гоффа для кожного пресету.

Підвищення тиску сприяє тій стороні реакції, де менше молів газу. У процесі Габера чотири молі газоподібних реагентів перетворюються на два молі аміаку, тому підвищення тиску зміщує рівновагу в бік продуктів. Модель відтворює це, масштабуючи ефективну константу відповідно до зміни кількості молів газу з урахуванням фактора тиску.

Система знімає лише частину накладеної зміни, але ніколи не скасовує її повністю, інакше жодної чистої зміни взагалі не відбувалося б. Якщо ви додаєте реагент, частина його витрачається, оскільки реакція зміщується вперед, проте його концентрація все одно залишається вищою, ніж була раніше. Нова рівновага відновлює ту саму Kc, але з іншими індивідуальними концентраціями.

Доступні чотири пресети: синтез аміаку за Габером, стадія контактного процесу 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃, розчинення вуглекислого газу CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ та рівновага тіоціанату заліза Fe³⁺ + SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺. Кожна реакція має власну константу рівноваги, ентальпію та стехіометрію.

Це навчальна модель, а не строгий термодинамічний рушій. Значення Kc, ентальпії та температурна залежність за Вант-Гоффом реалістичні, але концентрації спрощені до одного репрезентативного значення для кожної речовини, а релаксація є числовою. Модель надійно відтворює правильні якісні тенденції та напрямки, що і є головною навчальною метою.

Процес Габера для виробництва аміаку, основа сучасного виробництва добрив, використовує високий тиск і ретельно підібрану температуру, щоб збалансувати вихід продукту та швидкість реакції — саме так, як передбачає принцип Ле-Шательє. Контактний процес виробництва сірчаної кислоти та багато біологічних і геохімічних рівноваг підпорядковуються тій самій логіці зміщення на противагу накладеній зміні.