الباب الثالث: الاتزان الكيميائي
النظام المتزن والتفاعلات التامة والانعكاسية ومعدل التفاعل
اتزان — OCR + vessel + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
اتزان — OCR + vessel + SVG.
- ✓يعرف النظام المتزن الديناميكي
- ✓يميز التفاعلات التامة عن الانعكاسية
- ✓يفسر r₁ = r₂ عند الاتزان
- ✓يستنتج أمثلة تطبيقية على الاتزان
في إناء مغلق على الموقد — الماء يبدو ساكناً. هل التبخير توقف؟ ناقش النظام الديناميكي.
كما في الأنظمة الفيزيائية يحدث اتزان في التفاعلات الكيميائية — نوعان: (١) تامة (٢) انعكاسية.
تسير في اتجاه واحد (طردي) — صعب على النواتج (غاز/راسب) أن تعود للمتفاعلات في نفس الظروف.
CH₃COOH + C₂H₅OH → ester + H₂O
ester + H₂O → CH₃COOH + C₂H₅OH
عباد الشمس زرق → أحمر رغم أن النواتج متعادلة — السبب: التفاعل ليس تاماً — CH₃COOH باقٍ في الخليط عند الاتزان.
r₁ = r₂ · تركيزات ثابتة · لا غاز/راسب · T و P ثابتان
«ساكن» = لا تفاعل
ديناميكي — forward = reverse
في بداية التفاعل، كان تركيز كلٍّ من غاز الهيدروجين والنيتروجين مرتفعًا، في حين كان تركيز الأمونيا يساوي صفرًا لأنها كانت لم تنتج بعد.
مع استمرار التفاعل، يتفاعل النيتروجين والهيدروجين معًا ليكوِّنا الأمونيا. وإذا رصدنا تركيز كل الأنواع بعد بدء التفاعل مباشرة، فسنلاحظ أن تركيز النيتروجين والهيدروجين يقلُّ بينما يزيد تركيز الأمونيا.
مع استمرار التفاعل، يتفاعل النيتروجين والهيدروجين معًا ليكوِّنا الأمونيا. وإذا رصدنا تركيز كل الأنواع بعد بدء التفاعل مباشرة، فسنلاحظ أن تركيز النيتروجين والهيدروجين يقلُّ بينما يزيد تركيز الأمونيا.
إذا كان التفاعل غير انعكاسي، وبافتراض عدم وجود فائض من النيتروجين أو الهيدروجين، فإن المتفاعلات كلها ستتحول إلى أمونيا.
إذا كان التفاعل غير انعكاسي، وبافتراض عدم وجود فائض من النيتروجين أو الهيدروجين، فإن المتفاعلات كلها ستتحول إلى أمونيا.
لكن هذا التفاعل انعكاسي. وفي النهاية، سيصل التفاعل إلى نقطة لن يتغير فيها تركيز النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا، بغض النظر عن مدة رصد التفاعل. عند الوصول إلى هذه النقطة، نقول إن التفاعل في حالة اتزان.
لكن هذا التفاعل انعكاسي. وفي النهاية، سيصل التفاعل إلى نقطة لن يتغير فيها تركيز النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا، بغض النظر عن مدة رصد التفاعل. عند الوصول إلى هذه النقطة، نقول إن التفاعل في حالة اتزان.
من المهم أن نعرف ماذا يحدث عند الاتزان. يوضح التمثيل البياني عند حدوث الاتزان في هذا التفاعل أن تركيز النيتروجين هو 3 M، وتركيز الهيدروجين هو 9 M، وتركيز الأمونيا هو 4 M. قد يبدو لنا أن التفاعل توقف ببساطة؛ لأن تركيز النواتج والمتفاعلات لم يعد يتغير. لكن ما يحدث في الواقع هو أن كلًّا من التفاعل الأمامي: N ( ) + 3 H ( ) 2 N H ( ) 2 2 3 g g g والتفاعل العكسي: 2 N H ( ) N ( ) + 3 H ( ) 3 2 2 g g g مستمران في نفس الوقت وبنفس المعدل الثابت. هذا يعني أنه عند تفاعل مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين لتكوين مولين من الأمونيا، يتفاعل مولان من الأمونيا لتكوين مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين. ونتيجة لذلك، لا يكون هناك تغير كلي في كمية كلٍّ من النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا. وهذا موضَّح في الصورة الآتية.
من المهم أن نعرف ماذا يحدث عند الاتزان. يوضح التمثيل البياني عند حدوث الاتزان في هذا التفاعل أن تركيز النيتروجين هو 3 M، وتركيز الهيدروجين هو 9 M، وتركيز الأمونيا هو 4 M. قد يبدو لنا أن التفاعل توقف ببساطة؛ لأن تركيز النواتج والمتفاعلات لم يعد يتغير. لكن ما يحدث في الواقع هو أن كلًّا من التفاعل الأمامي: N ( ) + 3 H ( ) 2 N H ( ) 2 2 3 g g g والتفاعل العكسي: 2 N H ( ) N ( ) + 3 H ( ) 3 2 2 g g g مستمران في نفس الوقت وبنفس المعدل الثابت. هذا يعني أنه عند تفاعل مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين لتكوين مولين من الأمونيا، يتفاعل مولان من الأمونيا لتكوين مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين. ونتيجة لذلك، لا يكون هناك تغير كلي في كمية كلٍّ من النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا. وهذا موضَّح في الصورة الآتية.
يُعرف هذا الاتزان بالديناميكي وذلك لاستمرار حدوث التفاعلات. ولكي يكون التفاعل الكيميائي في حالة اتزان ديناميكي، يجب أن يكون معدلَا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، ويجب أن يظلا ثابتيْن. عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، يظل تركيز المتفاعلات والنواتج ثابتًا، حتى مع استمرار حدوث كلا التفاعلين معًا.
أحد أمثلة النظام المفتوح في الكيمياء هو أنبوب الاختبار. عند إجراء تفاعل ما في أنبوب اختبار، من الممكن أن تخرج المادة من فتحة الأنبوب. لكن، يمكننا تحويل أنبوب الاختبار إلى نظام مغلق بإضافة سدادة. وهذا يَحُول دون فقدان المادة.
مثال ٢: تحديد سبب عدم وصول تفاعل ما إلى حالة الاتزان
رابع أكسيد ثنائي النيتروجين ( N O 2 4 ) هو غاز عديم اللون، في حين أن ثاني أكسيد النيتروجين ( N O 2 ) له لون بني داكن. عند إضافة رابع أكسيد ثنائي النيتروجين إلى نظام مغلق، يصبح التركيز الابتدائي عاليًا، في حين يكون تركيز ثاني أكسيد النيتروجين صفرًا؛ وذلك لأنه لم ينتج بعد.
في البداية، يكون معدل التفاعل الابتدائي من N O 2 4 إلى N O 2 كبيرًا وذلك لعدم وجود ناتج لينافس التفاعل الأمامي. لكن، بمجرد أن يبدأ إنتاج ثاني أكسيد النتروجين، يتباطأ معدل التفاعل الأمامي حيث يقل عدد الجزيئات المتفاعلة. وفي الوقت نفسه، يبدأ معدل التفاعل العكسي في الزيادة؛ بزيادة عدد الجزيئات الناتجة. أثناء هذه العملية، ومع زيادة تركيز ثاني أكسيد النيتروجين، سيتغير لون وعاء التفاعل تدريجيًّا إلى اللون البني البرتقالي.
في البداية، يكون معدل التفاعل الابتدائي من N O 2 4 إلى N O 2 كبيرًا وذلك لعدم وجود ناتج لينافس التفاعل الأمامي. لكن، بمجرد أن يبدأ إنتاج ثاني أكسيد النتروجين، يتباطأ معدل التفاعل الأمامي حيث يقل عدد الجزيئات المتفاعلة. وفي الوقت نفسه، يبدأ معدل التفاعل العكسي في الزيادة؛ بزيادة عدد الجزيئات الناتجة. أثناء هذه العملية، ومع زيادة تركيز ثاني أكسيد النيتروجين، سيتغير لون وعاء التفاعل تدريجيًّا إلى اللون البني البرتقالي.
يستمر ذلك إلى أن يتوقف لون وعاء التفاعل عن التغيُّر في النهاية. وعند هذه النقطة، يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، ويظل تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل ثابتًا. بمعنى آخر، يكون التفاعل في حالة اتزان ديناميكي. وعلى الرغم من أن تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل يظل ثابتًا، يستمر التفاعلان في الحدوث، حيث يتحول N O 2 4 إلى N O 2 ويتحول N O 2 إلى N O 2 4 في نفس الوقت.
يستمر ذلك إلى أن يتوقف لون وعاء التفاعل عن التغيُّر في النهاية. وعند هذه النقطة، يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، ويظل تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل ثابتًا. بمعنى آخر، يكون التفاعل في حالة اتزان ديناميكي. وعلى الرغم من أن تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل يظل ثابتًا، يستمر التفاعلان في الحدوث، حيث يتحول N O 2 4 إلى N O 2 ويتحول N O 2 إلى N O 2 4 في نفس الوقت.
من المهم أن نعرف أن الاتزان الديناميكي يتحقق عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، وليس عندما يكون تركيز كلٍّ من المتفاعلات والنواتج متساويًا. من المهم أيضًا أن ندرك أن تركيز النواتج قد يزيد على تركيز المتفاعلات أو لا يزيد عليه في حالة الاتزان. توضح التمثيلات البيانية الآتية تركيز كلٍّ من رابع أكسيد ثنائي النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين بمرور الزمن.
من المهم أن نعرف أن الاتزان الديناميكي يتحقق عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، وليس عندما يكون تركيز كلٍّ من المتفاعلات والنواتج متساويًا. من المهم أيضًا أن ندرك أن تركيز النواتج قد يزيد على تركيز المتفاعلات أو لا يزيد عليه في حالة الاتزان. توضح التمثيلات البيانية الآتية تركيز كلٍّ من رابع أكسيد ثنائي النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين بمرور الزمن.
لاحظ أنه، في التمثيل البياني في أقصى اليمين، لا يوجد تركيز ابتدائي يساوي صفرًا لـ N O 2 4 أو N O 2. لكن يمكننا معرفة متى يتحقق الاتزان الديناميكي تحديدًا، في جميع الأمثلة الثلاثة، بإيجاد الزمن الذي لم يعد يتغير عنده التركيز (أي الزمن الذي يصبح فيه ميل المنحنيات، المشار إليه بالخط المتقطع، يساوي صفرًا).
ما التمثيل البياني الذي يوضِّح هذا الاتزان بصورة صحيحة؟
ما التمثيل البياني الذي يوضِّح هذا الاتزان بصورة صحيحة؟
ما التمثيل البياني الذي يوضِّح هذا الاتزان بصورة صحيحة؟
ما التمثيل البياني الذي يوضِّح هذا الاتزان بصورة صحيحة؟
عندما يكون موضع الاتزان أقل من واحد، يكون تركيز المتفاعلات أكبر من تركيز النواتج عند الاتزان.
وعندما يكون موضع الاتزان أكبر من واحد، يكون تركيز النواتج أكبر من المتفاعلات عند الاتزان.
وعندما يكون موضع الاتزان أكبر من واحد، يكون تركيز النواتج أكبر من المتفاعلات عند الاتزان.
أما عندما يكون موضع الاتزان يساوي واحدًا، يكون تركيز المتفاعلات والنواتج متساويًا عند الاتزان.
أما عندما يكون موضع الاتزان يساوي واحدًا، يكون تركيز المتفاعلات والنواتج متساويًا عند الاتزان.
قد يتأثر موضع الاتزان للاتزان الديناميكي بتغيُّر تركيز المتفاعلات أو النواتج، أو تغيُّر درجة الحرارة، أو تغيُّر الضغط في التفاعلات التي تتضمن غازات. على سبيل المثال، يمكن توضيح الاتزان الديناميكي لتحويل N O 2 4 إلى N O 2 في درجة حرارة الغرفة، بالتمثيل البياني الآتي.
قد يتأثر موضع الاتزان للاتزان الديناميكي بتغيُّر تركيز المتفاعلات أو النواتج، أو تغيُّر درجة الحرارة، أو تغيُّر الضغط في التفاعلات التي تتضمن غازات. على سبيل المثال، يمكن توضيح الاتزان الديناميكي لتحويل N O 2 4 إلى N O 2 في درجة حرارة الغرفة، بالتمثيل البياني الآتي.
يشير هذا التمثيل البياني إلى أن تركيز N O 2 4 أكبر من N O 2 عند الاتزان، وموضع الاتزان أقل من واحد. لكن عند زيادة درجة الحرارة، من الممكن أن يزداد إنتاج N O 2، وبناءً على ذلك يتغير موضع الاتزان.
يشير هذا التمثيل البياني إلى أن تركيز N O 2 4 أكبر من N O 2 عند الاتزان، وموضع الاتزان أقل من واحد. لكن عند زيادة درجة الحرارة، من الممكن أن يزداد إنتاج N O 2، وبناءً على ذلك يتغير موضع الاتزان.
لا تؤثر إضافة عاملٍ حفَّاز إلى الاتزان الديناميكي على موضع الاتزان. وذلك لأن العامل الحفَّاز يزيد سرعة كلٍّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي بنفس الدرجة. ولكن، حيث إن العامل الحفاز يزيد من معدل حدوث التفاعلين؛ إذن يتحقق الاتزان بشكل أسرع.
لا تؤثر إضافة عاملٍ حفَّاز إلى الاتزان الديناميكي على موضع الاتزان. وذلك لأن العامل الحفَّاز يزيد سرعة كلٍّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي بنفس الدرجة. ولكن، حيث إن العامل الحفاز يزيد من معدل حدوث التفاعلين؛ إذن يتحقق الاتزان بشكل أسرع.
مثال ٥: تحديد العوامل المؤثرة على موضع الاتزان
جميعنا على دراية بالعمليات الانعكاسية وغير الانعكاسية التي تحدث في حياتنا اليومية، على سبيل المثال، تجمُّد الماء لتكوُّن الجليد، وانصهار الجليد لتكوُّن الماء السائل، وهاتان العمليتان متضادتان وانعكاسيتان.
مع ذلك، فصُنع كعكة يتضمَّن عمليات غير انعكاسية. فلا يمكن عكس العمليات والتفاعلات التي تحدث بين مكوِّنات خليط الكعكة أثناء خبزها في الفرن.
من أمثلة التفاعلات الانعكاسية تسخين كلوريد الأمونيوم، وهو مادة صلبة بيضاء، وتفكُّكه إلى ناتجين مختلفين؛ هما غاز الأمونيا وغاز كلوريد الهيدروجين. فيمكن أن يتفاعل هذان الناتجان معًا بسهولة عند تبريدهما لإنتاج المتفاعل البادئ، كلوريد الأمونيوم: N H C l ( ) N H ( ) + H C l ( ) 4 3 s g g ) ﺗ ﻔ ﺎ ﻋ ﻞ ا ﻧ ﻌ ﻜ ﺎ ﺳ ﻲ (
في بعض الأحيان، تُغلَق فوهة أنبوب الاختبار بواسطة صوف قطني لمنع أبخرة التبريد من الهروب، لكنها تسمح بهروب الغازات الأخف في الهواء. بهذه الطريقة، تنحصر مكوِّنات التفاعل داخل أنبوب الاختبار وتستطيع النواتج الغازية أن تتفاعل بعضها مع بعض.
يوضِّح مخطط مسار التفاعل الآتي أن كمية الحرارة الممتصة في التفاعل الماصٌّ للحرارة للتفاعل الانعكاسي ( Δ 𝐻 e n d o ) تساوي كمية الطاقة المنطلقة من التفاعل الطارد للحرارة للتفاعل الانعكاسي ( Δ 𝐻 e x o ).
مثال ٣: فَهْم العلاقة بين التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي من حيث انتقال الطاقة
عند تسخين بعضٍ من بلورات كبريتات النحاس المماهة هذه، نلاحظ انبعاث بخار أبيض وتحوُّل البلورات إلى مسحوق أبيض. البخار هو الحالة الغازية من الماء، أو يُسمَّى الماء الغازي. المسحوق الأبيض المتبقي غير مائي، أو عبارة عن كبريتات النحاس الثنائي المنزوعة الماء، C u S O ( ) 4 s.
الملح اللامائي (المنزوع الماء)
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦H₂O مغلق:
AgCl:
2NO₂ ⇌:
عند الاتزان:
Haber:
Ester: