Reguła przekory okiem fizyka i chemika – spojrzenie dwóch nauk ścisłych

Reguła przekory to pojęcie, z jakim możemy się spotkać na zajęciach z przedmiotów ścisłych. Niestety, w zależności od tego, na jakiej lekcji je omawiamy, może znaczyć zupełnie dwie różne rzeczy. Przyjrzyjmy się zatem regule przekory, którą omówimy na zajęciach z fizyki i tej omawianej na chemii.

Reguła przekory w fizyce

W przypadku tego przedmiotu reguła przekory tyczy się magnetyzmu, a konkretnie określa kierunek prądu, który powstaje w wyniku indukcji elektromagnetycznej. Sformułował ją rosyjski fizyk Heinrich Lenz w 1834 r., a ściśle wynika ona z prawa indukcji Faradaya. Pokrótce omówmy sobie to prawo. Faraday odkrył bowiem, że zmiana linii pola magnetycznego przechodzących przez przewodzącą, drucianą pętlę powoduje indukowanie siły elektromotorycznej (w skrócie SEM). Jej wartość oraz natężenie tak powstającego prądu jest zależne od tego, jak szybko zachodzi zmiana pola. Przykładowo, jeśli do pętli zbliżymy biegun północny magnesu, to liczba linii pola magnetycznego przechodzących przez drut się zwiększy. Co z tego wynika? Więcej elektronów zaczyna się poruszać w pętli, a to dodatkowo dostarcza energii dla ich ruchu, czyli właśnie indukuje SEM. Jeśli przestaniemy poruszać magnesem, to pole magnetyczne przestaje się zmieniać, a indukowany prąd zniknie.

Reguła przekory a reguła Lenza

A co z regułą Lenza? Reguła ta mówi, że indukowany prąd płynie w takim kierunku, że pole magnetyczne wytworzone przez ten prąd będzie przeciwdziałać zmianie pola magnetycznego, które go indukuje. Będzie to się działo niezależnie od tego, czy przybliżamy, czy oddalamy magnes. Oczywiście, przy tym procesie nastąpi też utrata energii w postaci ciepła. Wyjątkiem by była sytuacja, w której pętla byłaby wykonana z nadprzewodnika. Brak strat energii niestety na razie pozostaje marzeniem, gdyż dotąd nie poznaliśmy takich materiałów, które wykazywałyby nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. To wszystko wynika z zasady zachowania energii. Gdyby indukowany prąd poruszałby się w innym kierunku, to nie dość, że wydzielałoby się ciepło, to jeszcze magnes szybko zbliżałby się do pętli, a to byłoby niezgodne z tą zasadą.

Przykładem działania reguły Lenza w otaczającym nas świecie jest deformacja pola magnetycznego naszej planety przez wiatr słoneczny. Jak to się dzieje? Wiatr słoneczny, mimo nazwy, ze znanym nam wiatrem nie ma wiele wspólnego. Jest to po prostu strumień naładowanych elektrycznie cząstek. Kiedy dociera on do magnetosfery Ziemi, zaczyna na nią napierać. W rezultacie zasięg pola magnetycznego Ziemi z tej strony, z której oddziałuje na nią wiatr słoneczny, jest dużo mniejszy (wynosi ok. 60 tysięcy km) niż po stronie przeciwnej, gdzie sięga kilku milionów kilometrów.

Reguła przekory w chemii

Regułę przekory w chemii nazywamy też regułą Le-Chateliera Brauna. Ta nazwa zawiera dwa nazwiska, gdyż francuski fizykochemik Henry Louis Le Chatelier opisał to prawo, po czym 3 lata później niemiecki fizyk Karl Ferdinand Braun je udowodnił. A na czym ono polega? Najprościej mówiąc układy, w których mogą zachodzić reakcje odwracalne, „robią nam na złość”. Kiedy dodajemy jakiejś substancji, czy zmienimy warunki reakcji, układ stara się zminimalizować ich wpływ. To jednak umożliwia nam sterowanie przebiegiem takiego procesu, doprowadzając do pożądanych przez nas rezultatów. Jeśli bowiem dokonamy działania, które przesuwa równowagę reakcji w prawo, to uda nam się wytworzyć więcej produktu, a jeśli przesuniemy równowagę w lewo, wrócimy do substancji, z których mieliśmy otrzymać produkt.

Związek reguły przekory z  ciśnieniem, objętością oraz temperaturą

Ponieważ mówiąc o regule przekory na lekcjach, zajmujemy się głównie takimi, w których wszystkie reagenty są gazami, skupimy się na nich. Tak jak dla cieczy określamy jakieś stężenie, tak dla gazów określamy ciśnienie. Ma to szczególne znaczenie, gdy wedle równania reakcji mamy inną liczbę moli produktów niż substratów, czyli na przykład z jednej cząsteczki wodoru i trzech azotu powstaną dwie cząsteczki amoniaku.

Wtedy ciśnienie lub objętość w układzie się zmienią. Kiedy modyfikacji ulegnie jedna, a kiedy druga wielkość? To bardzo proste, gdy objętość środowiska reakcji będzie stała, na przykład będzie to zamknięta kolba, to zmieni się ciśnienie. Gdy objętość będzie mogła się zmienić, przykładowo to będzie balon, to z kolei ciśnienie pozostanie stałe. Zatem, jeśli w przebiegu reakcji miało się zmniejszać ciśnienie, to kiedy spróbujemy je samowolnie zwiększyć, układ wydzieli więcej produktu reakcji i analogicznie dla odwrotnego przypadku. A co, gdy zaczniemy podbierać produkt reakcji? Wtedy też będzie się go wydzielało więcej.

Oprócz manipulacji ciśnieniem możemy także kontrolować temperaturę. Załóżmy, że nasza reakcja jest egzotermiczna, czyli taka, w której przebiegu wydziela się ciepło. Gdy dostarczymy go sami, produkt reakcji zacznie się rozkładać. Dlaczego? Skoro powstawanie jakiejś substancji powoduje wydzielenie energii cieplnej, to odwrotny proces będzie potrzebował jej dostarczenia. Analogicznie stanie się w przypadku reakcji endotermicznej. Tu z kolei, gdy dostarczymy ciepła, produktu będzie więcej, a ochładzając środowisko, wrócimy do substratów. Mam nadzieję, że teraz już wiecie jak powinna być rozumiana reguła przekory, zarówno w fizyce jak i chemii.