ما هو الاتزان الكيميائي – موقع فكرة

المحتويات

ما هو التوازن الكيميائي؟ هذا السؤال يواجهه الكيميائيون أو طلاب هذا الموضوع في الأوراق البحثية أو الكتب المدرسية. يعتمد فهم تفاعلات التوازن هذه دائمًا على النظر إلى بعض التجارب ، وهذا هو النهج الذي اتبعه الكيميائيون الأوائل على النحو التالي. يعتبر جابر بن حيان من أشهر الكيميائيين والأساتذة العرب على مستوى العالم ، وفي هذا المقال سنتعرف أكثر على التوازن الكيميائي بالمعادلات والتجارب المعملية ، من خلال الحديث عن شروطه وأنواعه وخصائصه وكل ما يتعلق به ، من خلال موقع مرجعي. لما يهم قرائنا الأعزاء.

ما هو التوازن الكيميائي

تتكون المركبات الكيميائية بشكل عام من عنصرين ، من ناحية المواد المتفاعلة ومن ناحية أخرى ، المواد التي تكونت نتيجة التفاعل ، في حالات التجميع والتحلل وفي حالة توصيل المواد الداخلة والمنتجات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نسب المواد المتفاعلة والمنتجات متساوية تمامًا في عملية التحلل العكسي ، وقد تحقق التفاعل حالة التوازن ، أي التوازن الكيميائي ، هو حالة النظام حيث يكون معدل التفاعل الأمامي متساويًا. معدل التفاعل العكسي مع تركيز المواد المتفاعلة والمنتجات التي تظل دون تغيير بمرور الوقت ، وللتوضيح ، من السهل دراسة تفاعلات الطور الغازي على وجه الخصوص كأمثلة للتوازن ، وقد أخذنا تفاعل الهيدروجين واليود. الغازات لتكوين يوديد الهيدروجين وفقًا للتفاعل التالي:

H2 (ز) + I2 (ز) ⇌2HI (ز)

• سيحدث التفاعل الأمامي ، وهو تفاعل الإضافة ، وفقًا للمعادلة التالية:

(H2 (g) + I2 (g) → 2HI (g)

• بينما يحدث التفاعل العكسي ، أي تفاعل التحلل ، وفقًا للمعادلة التالية:

(2HI (g) → H2 (g) + I2 (g)

في كلتا الحالتين ، تكون معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية ، أي أنها مستقرة كيميائيًا ، وبشكل أكثر بساطة ، إذا بدأ التفاعل مع جميع المواد المتفاعلة وتجمعوا معًا ، يتحقق التوازن الكيميائي. المنتجات أو جميع المنتجات تتحلل لتشكل مواد متفاعلة.[1]

اقرأ أيضًا: عندما يتحد عنصران ، يتم تكوين مركب تختلف خصائصه عن خصائص العناصر المكونة له.

أنواع التوازن الكيميائي

تنطبق معظم القواعد المتعلقة بالتوازن الكيميائي ، المذكورة سابقًا ، على أي حالة تحدث فيها هذه العملية بشكل عكسي ، وبالتالي تنطبق هذه القواعد على أنواع أخرى من التوازن ، بما في ذلك التوازن المتجانس والتوازن غير المتجانس:[1]

توازن متجانس

يسمى هذا أيضًا بتوازن الطور ويحدث في شكل أبسط يُعرف باسم تفاعلات التوازن عندما تكون المادة والعملية الناتجة في حالة توازن بين مادتين متشابهتين في الحالة الفيزيائية وجميع المواد المتفاعلة والمنتجات متماثلة. المرحلة كتفاعلات توازن متجانسة وتنقسم إلى فئتين:

• عدد جزيئات المنتج يساوي عدد جزيئات المادة المتفاعلة. عينة:

H2 (ز) + I2 (ز) ⇌2HI (ز)

• عدد جزيئات المواد المتكونة لا يساوي عدد جزيئات المواد المشاركة في التفاعل ، على سبيل المثال:

(2SO2 (ز) + O2 (ز) ⇌ 2SO3 (ز).

توازن غير متسق

يطلق عليه أيضًا توازن المحلول ويحدث عندما يكون المتفاعل والمنتج في حالة توازن بين حالتين مختلفتين ، مثل تفاعل مادة صلبة في محلول مشبع ، وفي شكل أبسط ، في تفاعلات التوازن حيث توجد مواد متفاعلة ومنتجات. تُعرف المراحل المختلفة بتفاعلات التوازن غير المتجانسة ؛ على سبيل المثال ، تحلل كربونات الكالسيوم الصلبة لإعطاء أكسيد الكالسيوم الصلب وثاني أكسيد الكربون الغازي وفقًا للمعادلة التالية:

CaCO 3 (S) ⇌ CaO (k) + CO 2 (ز)

قانون التوازن الكيميائي

يتم تعريف ثابت التوازن بقسمة ناتج التركيز المولي للمنتجات ، حيث يتم رفع كل منها إلى قوة مساوية لمعاملها المتكافئ ، من خلال ناتج التركيز المولي للمادة المتفاعلة ، والتي يتم رفع كل منها على شكل ثابت إلى القوة التي تساوي معاملها المتكافئ. هي درجة حرارة ثابتة ويمكن التعبير عنها ببساطة في صورة ثابتة. إذا تم التعبير عن توازنه من حيث الضغوط الجزئية للمواد المتفاعلة والمنتجات ومن حيث الضغط الجزئي ، فيتم الإشارة إليه بواسطة Kp ، وإذا كان Kc هو ثابت التوازن المعبر عنه بالتركيزات المولية ، فإن المعادلة هي:[2]

ك = [C] ج · [D] د/ [A] أ · [B] ب

هذا هو قانون التوازن الكيميائي.

ثابت التوازن Kp

يوفر قانون العمل الجماعي أيضًا الأساس الذي يشير إلى أن معدل التفاعل الكيميائي يتناسب طرديًا مع ناتج تركيزات المواد المتفاعلة التي تم رفعها إلى معاملاتها المتكافئة وفقًا للقانون التالي:[2]

(aA (g) + bB (g) ⇔ cC (g) + dD (g).

• لذا فإن معدل التفاعل الآجل هو:

ك + [A] أ [B] ب

• معدل رد الفعل المتأخر أو العكسي:

ك- [C] ج [D] د

• إذن الوحدات والصيغ الثابتة للتوازن هي:
  • [A] و [B] و [C] و [D] هي كتل نشطة.
  • k + و k – ثوابت معدل للتفاعلات الأمامية والعكسية.
  • أ ، ب ، ج ، د هي معاملات متكافئة لكل من A و B و C و D على التوالي.

يشير هذا إلى أن المعدلات الآجلة والعكسية متساوية.

مبدأ لو شاتيلير

لا ينطبق هذا المبدأ على درجة الحرارة أو الضغط وما إلى ذلك. يعتمد على ملاحظة تفاعلات التوازن الكيميائي أن المتغيرات الموجودة تحتها ستسبب تغييرات متوقعة وعكسية في النظام للوصول إلى حالة توازن جديدة ، ويمكن استخدام هذا المبدأ في الممارسة. افهم شروط التفاعل التي ستساعد على زيادة تكوين المنتج ، وقد تم اكتشاف هذه الفكرة وصياغتها بشكل مستقل من قبل العلماء Le Châtelet و Henri Louis و Carl Ferdinand Braun باستخدام المصطلحات التالية:[3]

• نظرية الاصطدام: هنا ترتبط الاصطدامات بين الجسيمات بمعدل التفاعل بينما يعتمد معدل التفاعل على عوامل مثل التركيز ومساحة السطح ودرجة الحرارة والخلط ووجود محفز أو مثبط.
• التوازن: حالة تفاعل تكون فيها معدلات التفاعل الأمامي والعكسي متساوية.

اقرأ أيضًا: أحد علامات التغير الكيميائي هو تغير اللون.

العوامل المؤثرة على التوازن الكيميائي

وفقًا لمبدأ Le Chatelier ، عندما يتعرض نظام في التوازن لتغيير في الضغط أو درجة الحرارة أو التركيز ، يتحول التوازن إلى مزيد من التخفيض ويزيل تأثير هذا التغيير. يؤثر على التوازن وسنتحدث عن هذه العوامل بشكل منفصل أدناه ، مع توسيع الوصف لتسهيل فهمه.[3]

تأثير تغيير الضغط

بشكل عام ، إذا كان عدد مولات المواد المتفاعلة الغازية والمنتجات متساويًا ، فلن يكون للضغط أي تأثير ، ولكن العدد الإجمالي لمولات المواد المتفاعلة الغازية والعدد الإجمالي لمولات المنتجات الغازية يختلف ، وبالتالي ، إذا كان العدد الإجمالي عدد مولات المنتجات أكبر من إجمالي عدد مولات المواد المتفاعلة ، كما أن الضغط المنخفض سيدعم التفاعل الأمامي. بينما ، إذا كان عدد مولات المواد المتفاعلة أكبر من عدد المنتجات ، يكون الضغط الأعلى أكثر ملاءمة. رد فعل أمامي.

التركيز على تأثير التغيير

ستؤدي إضافة متفاعل إضافي إلى النظام إلى تحول التوازن نحو المنتجات ، وفي حالة انخفاض تركيز أي منتج ، ستؤدي المادة إلى تحول التوازن إلى جانب المنتجات. والعكس صحيح ، مما يشير إلى أن التفاعلات العكسية تصحح نفسها ، وأنه عندما يتم إخراجها من التوازن بسبب تغير في التركيز أو درجة الحرارة أو الضغط ، فإن النظام سيعيد ضبط توازنه بشكل طبيعي بعد التغيير.

تأثير تغير درجة الحرارة

عندما يكون هناك زيادة أو نقصان في نظام درجة الحرارة ، يتحول التوازن في الاتجاه المعاكس ، وعادة ما يكون هذا صحيحًا في تفاعل طارد للحرارة حيث تؤدي درجة الحرارة المنخفضة إلى إبطاء التفاعل الذي نستخدمه بالفعل لتحييد التغيير. محفز ، بينما في حالة حدوث تفاعل ماص للحرارة ، فإن الزيادة في درجة الحرارة ستحول التوازن نحو التفاعل الماص للحرارة.

عمل محفز أو إضافة غاز خامل

بشكل عام ، لا يكون للمحفز أي تأثير على تركيبة التوازن لخليط التفاعل ، لأن المحفز يزيد من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي في التفاعل القابل للانعكاس ويضيف غازًا خاملًا بحجم. إضافة غاز خامل يبقى ثابتًا ليس له أي تأثير على التوازن ، ففي الحجم الثابت لا يغير الضغط الجزئي أو التركيز المولي.

العوامل التي لا تؤثر على التوازن الكيميائي

فيما يلي بعض العوامل التي لا تؤثر على الميزان:[4]

• التركيزات الصلبة لأنها ثابتة.
• تركيز H2O عند وجود المحاليل المخففة لأنه ثابت تقريبًا لجميع المقاصد والأغراض.
• يمكن أن يساعدك وجود محفز في تحقيق التوازن بشكل أسرع ، لكنه لن يؤثر على وضع توازنك.
• يمكن أن تؤدي إضافة غاز خامل إلى خليط التوازن الغازي إلى ارتفاع الضغط الكلي بينما يكون الضغط الجزئي لكل غاز ثابتًا ، بشرط أن يظل الحجم ثابتًا.
• في حين أن مساحة سطح السائل لا تغير ضغط البخار في توازن الطور ، مثل بخار السائل ، يمكن أن تؤثر على معدل الوصول إلى التوازن.
• في حالة توازن البخار السائل ، لا يهم حجم الحاوية أيضًا ، بشرط أن يكون لديك سائل كافٍ للوصول إلى التوازن.

خصائص التوازن الكيميائي

في ضوء عملنا على قانون وتعريف التوازن الكيميائي ، سوف نستنتج بعض الخصائص التالية للتوازن الكيميائي:[5]

• سيكون التفاعل الكيميائي المتوازن قابلاً للانعكاس حتمًا.
• نظرًا لأن التفاعل يحدث في وعاء ، لا يمكن تحقيق التوازن إلا في نظام مغلق.
• تحدث العمليات المعاكسة للأمام والخلف بنفس المعدل في ظل ظروف ديناميكية مستقرة.
• التوازن الكيميائي مستقر ، أي أن الخصائص التي يمكن ملاحظتها للنظام ، مثل التركيز والضغط واللون ، لا تتغير بمرور الوقت.
• في حالة تغير ظروف الحرارة والعوامل الخارجية المماثلة ، يمكن تحويل نقطة التوازن إلى اليمين أو اليسار حسب الحاجة ، وهذا يسمح بالتحكم في التفاعل للحصول على عوائد أعلى من المنتج.
• يمكن الاقتراب من التوازن من جميع الاتجاهات.
• يزيد المحفز من معدل التفاعل فقط دون تغيير نقطة التوازن وإمكانية الوصول إلى التوازن.

اقرأ أيضًا: ما هو الرمز الكيميائي للماء وما خصائصه الكيميائية وما مكوناته؟

مشاكل التوازن الكيميائي

هناك نوعان رئيسيان من مشاكل التوازن ؛ هذه هي المشاكل حيث يتم إعطاؤنا تركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات عند التوازن ويطلب منا حساب ثابت التوازن للتفاعل أو يتم إعطاؤنا ثابت التوازن والقيم الأولية. يطلب منا حساب تركيزات المواد المتفاعلة وتركيز مادة واحدة أو أكثر عند التوازن. أدناه ، نقدم لك شرحًا تفصيليًا لبعض الموضوعات وفقًا لقوانين التوازن الكيميائي وحساب ثابت التوازن.[6]

الرقم الأول

نص السؤال: يعتبر التفاعل بين ثاني أكسيد الكبريت الغازي والأكسجين خطوة مهمة في تخليق حامض الكبريتيك الصناعي وفقًا للمعادلة التالية:

(2SO2 (ز) + O2 (ز) ⇌ 2SO3 (ز)

عندما يتم الاحتفاظ بخليط من SO2 و O2 عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 800 كلفن حتى يصل النظام إلى التوازن ، فإن خليط التوازن يشتمل على:

• 5.0 × 10−2MSO3
• 3.5 × 10−3MO2
• 3.0 × 10−3MSO2

معطى: معادلة التوازن المتوازن وتكوين خليط التوازن

الطلب: احسب ثابت التوازن ، أو K ، عند درجة الحرارة هذه.

الإستراتيجية: اكتب التعبير الثابت لتوازن التفاعل ثم استبدل تركيزات التوازن المناسبة في هذه المعادلة للحصول على K.

الحل: يتم استبدال تركيزات التوازن المناسبة في تعبير ثابت التوازن على النحو التالي:

• ك = [SO3] 2 [SO2] 2 [O2] = (5.0 × 10−2) 2 (3.0 × 10−3) 2 (3.5 × 10−3) = 7.9 × (10 × 4)

الرقم الثاني

نص المشكلة: يتفاعل غاز الهيدروجين واليود لتكوين يوديد الهيدروجين من خلال التفاعل التالي:

(H2 (g) + I2 (g) ⇌2HI (g)

عندما يتم الاحتفاظ بخليط H2 و I2 عند درجة حرارة 740 كلفن حتى يصل النظام إلى التوازن ، فإن خليط التوازن يشتمل على:

• 1.37 × 10−2MHI
• 6.47 × 10−3 ميجا هرتز 2
• 5.94 × 10−4 م 2

الطلب: احسب K وحدد رد الفعل الأمامي ورد الفعل العكسي لهذا التفاعل.

الحل: كما في المثال السابق ، يتم استبدال تركيزات التوازن المناسبة في تعبير ثابت التوازن وفقًا للمعادلة أعلاه بحيث تكون النتيجة:

يحدث التفاعل الأمامي ، وهو تفاعل الإضافة ، وفقًا للمعادلة التالية:

بينما يحدث التفاعل العكسي ، أي تفاعل التحلل ، وفقًا للمعادلة التالية:

بالإضافة إلى الحديث عن مبدأ Le Chatelier ، نصل إلى نهاية مقالنا بعنوان ما هو التوازن الكيميائي ، حيث نتعرف على أنواعه وخصائصه وقانونه وثابت التوازن. لتحسين فهم قرائنا لهذه المقالة ، تعلمنا العوامل التي تؤثر ولا تؤثر على التوازن الكيميائي بأمثلة توضيحية.

المعلق

1. chem.libretexts.org ، 8.2: التوازن الكيميائي ، 12.09.2021
2. toppr.com ، قانون التوازن الكيميائي وثابت التوازن ، 09/12/2021
3. Course.lumenlearning.com، Le Chatelier Principle، 12.09.2021
4. quora.com ما هي العوامل التي لا تؤثر على الميزان؟ ، 09/12/2021
5. Brilliant.org ، التوازن الكيميائي ، 12.09.2021
6. chem.libretexts.org، 15.7: حسابات التوازن – بعض الأمثلة التوضيحية ، 12.09.2021