الباب الثالث: الاتزان الكيميائي
أثر الضغط والعوامل الحفازة والضوء على الاتزان
Le Chatelier — OCR + bench + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
Le Chatelier — OCR + bench + SVG.
- ✓يكتب قاعدة Le Chatelier
- ✓يفسر أثر الحرارة والضغط والتركيز
- ✓يميز دور الحفاز عن تغيير الموضع
- ✓يشرح التفاعلات الضوئية
لماذا يُبرد وعاء Haber-Bosch أثناء تحضير NH₃؟ ولماذا يُرفع الضغط؟
طاقة التنشيط
حد أدنى
جزيئات منشطة
E ≥ Ea
↑ T
↑ معدل ×2/10°
وتعرف طاقة التنشيط بأنها الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن يمتلكها الجزيء لكي يتفاعل عند الاصطدام. وتسمى الجزيئات ذات الطاقة الحركية المساوية لطاقة التنشيط أو تفوقها بالجزيئات المنشطة. وقد وجد أن كثيرًا من التفاعلات تتضاعف سرعتها تقريبًا إذا ارتفعت درجة الحرارة بمقدار عشر درجات مئوية.
تجدر الإشارة إلى أن تركيز المواد في المحاليل يعبر عنها بالمولارية بين قوسين مربعين [ ]، أما الغازات فبالضغطها الجزئي.
4 mol متفاعلات → 2 mol NH₃ — نقص في عدد المولات والحجم. بالضغط والتبريد يزداد معدل تكوين NH₃. نستنتج: زيادة الضغط أو التبريد على تفاعل غازي متزن تجعله ينشط في الاتجاه الذي يقل فيه الحجم.
ويعبر عن ثابت الاتزان في التفاعلات الغازية بالرمز Kp للدلالة على تركيز المواد معبراً عنه بالضغط الجزئي:
وكما في Kc فإن قيمة Kp لا تتغير بتغير الضغوط الجزئية في نفس درجة الحرارة. الضغط الكلي = مجموع الضغوط الجزئية.
ضغط NO₂ = 2 atm · O₂ = 1 atm · N₂ = 0.2 atm
ثابت الاتزان = 20
إذا حدث تغير في أحد العوامل المؤثرة على نظام في حالة اتزان مثل التركيز، الضغط، درجة الحرارة فإن النظام ينشط في الاتجاه الذي يقلل أو يلقى تأثير هذا التغير.
«النظام يُلغي التغير تماماً»
يُخفّف فقط
علمت مما سبق أن التفاعلات البطيئة تحتاج تسخيناً — في الصناعة تكاليف الطاقة عالية. من هنا يبرز دور الكيميائي في البحث عن أفضل السبل لزيادة الإنتاج بأقل التكاليف عبر الحفازات دون رفع الحرارة.
كلورофيل يمتص الضوء → كربوهيدرات + CO₂ + H₂O
Ag⁺ + e⁻ → Ag · ↑ شدة الضوء → ↑ فضة
بروميد فضة في جيلاتين — الضوء يكتسب Ag⁺ إلكتروناً من Br⁻ — كلما زادت شدة الضوء زادت كمية الفضة المتكونة.
الحفاز يغير Kp
الحفاز ↓ Ea — Kp/Kc ثابت عند T
إذا غيَّرنا فجأة من تركيز أحد الأنواع في خليط الاتزان، فسنلاحظ كيف يستجيب الاتزان لهذا التغيير. ستكون الاستجابة وفقًا لقاعدة لوشاتيليه. على سبيل المثال، إذا أضفنا أحد أملاح الحديد الثلاثي القابلة للذوبان إلى الخليط، مثل نيترات الحديد الثلاثي، فسيرتفع تركيز أيونات الحديد الثلاثي في المحلول. واستجابةً لهذا التغيير، سيُزاح الاتزان إلى طرف النواتج، أو الطرف الأيمن. تعمل هذه الإزاحة في موضع الاتزان على مقاومة التغيُّر الأصلي. وستتفاعل بعض أيونات الحديد الثلاثي الإضافية المضافة إلى الخليط مع أيونات S C N – المتاحة. وعندئذٍ سينخفض تركيز أيونات الحديد الثلاثي، وكذلك تركيز أيونات S C N –، ويزداد تركيز أيونات [ F e S C N ] 2 + المعقَّدة عند استعادة وضع الاتزان. كما سنُلاحظ زيادة في شدة اللون الأحمر الدموي في الخليط.
على النقيض من ذلك، يمكننا إزالة بعضٍ من أيونات F e 3 + المذابة من خليط الاتزان. يمكن تحقيق هذا من خلال ترسيب هذه الأيونات عن طريق إضافة بضع قطرات من محلول هيدروكسيد الصوديوم. سيقاوم الاتزان هذا التغيير ويُزاح نحو الجانب الأيسر لاستبدال أيونات F e 3 + التي أُزيلت من المحلول. سنُلاحظ تلاشي اللون الأحمر الدموي، ويصبح لون الخليط أحمر باهتًا.
في التفاعل الماص للحرارة، تُمتص الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة بالتفاعل. يكون محتوى النواتج من الحرارة أكبر من محتوى المتفاعلات منها.
إذا أُزيح الاتزان تجاه الطرف الأيمن، فسينتج المزيد من رابع أكسيد ثنائي النيتروجين. هذا الغاز ذو لون باهت، ويبدو أبهت بكثير من غاز ثاني أكسيد النيتروجين ذي اللون البني الداكن. وبما أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة، إذن يحدث انبعاث للطاقة الحرارية مصاحبًا لتكوُّن رابع أكسيد ثنائي النيتروجين.
يُمكننا التغلُّب على حاجز طاقة التنشيط بإضافة الحديد عاملًا حفَّازًا. تعمل العوامل الحفَّازة عن طريق تقليل كمية طاقة التنشيط اللازمة لحدوث تصادم ناجح بين جزيئات المتفاعِلات. يوضِّح منحنى التفاعُل الآتي سنامَيْ طاقة التنشيط ( 𝐸 ) a، أحدهما دون وجود عامل حفَّاز، والآخَر في وجود عامل حفَّاز، للتفاعُل الأمامي الطارد للحرارة.
لاحِظ أن طاقة التنشيط في التفاعُل الأمامي تكون أقلَّ عند وجود الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا: 𝐸 a بوجود العامل الحفَّاز ≺ 𝐸 a دون العامل الحفَّاز.
منحنى التفاعُل الآتي هو منحنى التفاعُل العكسي. وهو يوضِّح طاقة التنشيط بوجود الحديد عاملًا حفَّازًا ودون وجوده.
يوضِّح منحنى التفاعُل أن 𝐸 a دون عامل حفَّاز ≻ 𝐸 a بوجود عامل حفَّاز، ينطبق أيضًا على التفاعُل العكسي الماصِّ للحرارة.
في المُخطَّطين الآتيين، أيُّ حرفين يُشِيران إلى مسارات التفاعُل المُحفَّز؟
يوضِّح الشكل الآتي كيف تتحوَّل جزيئات الغازين N 2، H 2 إلى الأمونيا عن طريق خطوات تفاعُل بديلة نتيجة لوجود الحديد عاملًا حفَّازًا.
في الخطوة (1)، تُمتَصُّ جزيئات المتفاعِلات على سطح الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا وتتفكَّك، أو تنفصل، إلى ذرات النيتروجين وذرات الهيدروجين. في الخطوة (2)، تتفاعَل ثلاث ذرات من الهيدروجين مع ذرة نيتروجين وترتبط بها، الواحدة تلو الأخرى، لتكوين جزيء أمونيا. في الخطوة الأخيرة، تنطلِق الأمونيا، أو تُمتَزُّ من سطح العامل الحفَّاز.
تعتمد التجربة (أ) على عامل حفَّاز. إذا استُخدِمت كمية أكبر من العامل الحفَّاز، فما التغيُّرات التي تحدث للتمثيل البياني على الأرجح؟
يظلُّ التمثيل البياني بنفس الشكل، ويُصبِح الحجم النهائي للغاز الناتج أقلَّ.
يُعَدُّ استخدام العوامل الحفَّازة مُفيدًا للغاية للمُصنِّعين. أولًا: تُسرِّع العوامل الحفَّازة التفاعُلات، وهو ما يوفِّر الوقت. يُمكن إجراء التفاعُلات بصورة أسرع عندما يكون العامل الحفَّاز موجودًا، ويُمكن إنتاج المزيد من الناتج المطلوب في فترة زمنية محدَّدة. وبهذه الطريقة، تجعل العوامل الحفَّازة إنتاج المواد أكثر كفاءة. ثانيًا: التفاعُلات التي تحتاج عادة إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية دون استخدام العامل الحفَّاز تحتاج إلى إدخال قدْرٍ أقلَّ من الطاقة عند استخدام العامل الحفَّاز. تُوَفَّر الطاقة والمال؛ لأن درجات الحرارة المرتفعة تصبح غير ضرورية عند وجود عامل حفَّاز.
على الرغم من ذلك، تتطلَّب بعض التفاعُلات عوامل حفَّازة متخصِّصة جدًّا ومكلِّفة. إلى جانب الحديد، يُعَدُّ العديد من العناصر الانتقالية عوامل حفَّازة فعَّالة بكميات صغيرة للغاية، لكنها مكلِّفة. يُعَدُّ الروديوم، والبالاديوم، وأحيانًا البلاتين، أمثلة على الفلزات الانتقالية الأكثر استخدامًا باعتبارها عوامل حفَّازة.
يوضِّح الشكل الآتي كيف أن للإنزيم موقعًا نَشِطًا معيَّنًا يُمكن أن يرتبط به جزيء مادة متفاعِلة (متفاعِل) أو أكثر. وبوجوده في الموقع النَّشِط، يحدث التفاعُل بطاقة تنشيط أقلَّ، وينطلق الناتج أو النواتج من الإنزيم، ويتبقَّى الإنزيم في حالته الأصلية.
وأحد الأمثلة لإنزيم تَستخدِمه الخلايا لتحفيز التفاعُل هو إنزيم الكتاليز. يُنتِج معظم الكائنات الحية هذا الإنزيم. يَحمي الكتاليز الكائن الحي من التلف الناتج عن الأكسدة بواسطة بيروكسيد الهيدروجين ( H O 2 2 )، وهو مادة تَنتُج خلال العمليات الأيضية. يحوِّل الإنزيم H O 2 2 إلى نواتج أقلَّ ضررًا، وهي الماء والأكسجين. 2 H O 2 H O + O 2 2 2 2 C a t a l a s e
يوضِّح الشكل الآتي الإعداد التجريبي لقياس تأثير شدَّة الضوء على عملية البناء الضوئي.
ما الغاز الذي يتسبَّب في تكوين الفقاعات؟ النيتروجين الميثان الأكسجين ثاني أكسيد الكربون الهيدروجين
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦تبريد NO₂:
↑ P N₂+3H₂:
Kp NO₂ (2)²/(0.2):
الحفااز:
قاعدة ___:
↑ T 10°: