التوازن – الجلسة الأولى

النظام المغلق هو نظام ترموديناميكي يسمح بنقل الطاقة عبر حدوده ولكنه لا يسمح بتبادل المادة مع محيطه. بمعنى آخر، يمكن للطاقة أن تتدفق إلى داخل النظام المغلق أو خارجه، بينما تظل الكتلة الكلية للنظام ثابتة. مثال على النظام المغلق هو وعاء من الماء المغلي مع غطاء. يمكن للحرارة أن تدخل وتخرج من الوعاء لغلي الماء. تظل كمية الماء داخل الوعاء كما هي.

يسمح النظام المفتوح بتبادل الطاقة والمادة مع محيطه. بعبارة أخرى، يتمتع النظام المفتوح بتدفق حر للمادة والطاقة عبر حدوده. هذه الأنظمة أكثر شيوعًا في الطبيعة. إنها غالبًا ما تنطوي على تفاعلات مع البيئة. إن وعاء الماء المغلي بدون غطاء هو مثال على النظام المفتوح. في هذه الحالة، يمكن لبخار الماء أن يهرب، ويمكن أن يدخل الهواء النقي. لذلك بالإضافة إلى تبادل الحرارة، يحدث تبادل المادة أيضًا في هذه الحالة.

لا يقوم النظام المعزول بتبادل الطاقة أو المادة مع محيطه. فهو مكتفٍ ذاتيًا بالكامل. لا يتم نقل الحرارة، أو العمل، أو الكتلة عبر حدودها. يمكن أن يكون مثال على النظام المعزول عبارة عن حاوية معزولة ومختومة تمامًا وصلبة بدون أي تفاعل مع البيئة الخارجية. بالنسبة لنظام معزول، فإن التغير في الطاقة الداخلية يساوي صفرًا. وذلك لأنه لا يوجد تبادل للطاقة مع البيئة المحيطة.

التفاعل العكسي هو تفاعل كيميائي يمكن أن يحدث في الاتجاهين الأمامي والعكسي. وهذا يعني أن المتفاعلات يمكن أن تشكل منتجات، وفي نفس الوقت يمكن للمنتجات أن تتفاعل لتشكل المتفاعلات الأصلية. يتم الإشارة إلى التفاعلات العكسية باستخدام سهم مزدوج. وهذا يشير إلى أن التفاعل يمكن أن يحدث في كلا الاتجاهين.

التفاعلات العكسية ديناميكية. وهذا يعني أنهم يتحولون باستمرار بين المتفاعلات والمنتجات، اعتمادًا على الظروف. إن تكوين الماء من غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين هو مثال على التفاعل العكسي. مثال آخر للتفاعل العكسي هو تفكك كلوريد الأمونيوم إلى غاز الأمونيا وغاز كلوريد الهيدروجين.

التوازن الكيميائي هو الحالة التي تكون فيها معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية. في حالة التوازن، تظل تركيزات المتفاعلات والمنتجات ثابتة. لا يظهر النظام أي تغيرات كبيرة على مر الزمن. دعونا نفكر في مثال للتوازن الكيميائي الذي يتضمن التفاعل بين ثاني أكسيد النيتروجين ورباعي أكسيد النيتروجين. في هذا التفاعل العكسي، يكون رباعي أكسيد النيتروجين في حالة توازن مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين.

يمكن أن يحدث هذا التفاعل في الاتجاهين الأمامي والخلفي. في التفاعل الأمامي، يتحلل رباعي أكسيد النيتروجين لإنتاج جزيئين من ثاني أكسيد النيتروجين. في التفاعل العكسي، تتحد جزيئين من ثاني أكسيد النيتروجين لتكوين رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين.

يوجد فائض من رباعي أكسيد النيتروجين في بداية التفاعل. وبينما يستمر التفاعل، فإن بعض جزيئات رباعي أكسيد النيتروجين سوف تتحلل إلى جزيئات ثاني أكسيد النيتروجين. وفي الوقت نفسه، مع تشكل جزيئات ثاني أكسيد النيتروجين، فإن بعض جزيئات ثاني أكسيد النيتروجين سوف تتحد لإنتاج رباعي أكسيد النيتروجين. تستمر هذه العملية حتى يصبح معدل التفاعل الأمامي ومعدل التفاعل العكسي متساويين. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء حالة من التوازن الكيميائي. يُطلق على التوازن الكيميائي أيضًا اسم التوازن الديناميكي. يسلط مصطلح الديناميكي الضوء على الطبيعة المستمرة للتفاعل.

دعونا نرسم رسمًا بيانيًا لإثبات التوازن الديناميكي لتفاعل عكسي. يتم رسم المعدل على المحور y. يتم رسم الوقت على المحور x. يمكننا أن نرى أنه في البداية، معدل رد الفعل الأمامي مرتفع ومعدل رد الفعل العكسي يقترب من الصفر. ولكن مع مرور الوقت، يبدأ معدل رد الفعل الأمامي في الانخفاض. مع مرور الوقت، يزداد معدل رد الفعل العكسي. تصل إلى نقطة يصبح فيها معدل رد الفعل الأمامي مساويًا لمعدل رد الفعل العكسي. من هذه النقطة يوجد خط مستقيم موازٍ لمحور x. يمثل هذا الخط حالة التوازن الديناميكي.

تشير توازنات الغاز السائل إلى حالة التوازن بين الطور السائل للمادة والطور الغازي المقابل لها في نظام مغلق. يحدث هذا التوازن عندما يتواجد السائل وبخاره في وعاء مغلق. هناك تبادل مستمر للجزيئات بين الطور السائل والغازي من خلال التبخر والتكثيف.

دعونا أولاً نفهم التبخر والتكثيف. التبخر هو العملية التي يتحول بها السائل إلى غاز. أثناء التبخر تكتسب الجزيئات الموجودة على سطح السائل طاقة حركية كافية للهروب إلى الطور الغازي. التكثيف هو العملية التي تتعرض فيها جزيئات الغاز لفقدان الطاقة والعودة إلى الطور السائل.

في حالة التوازن الديناميكي، يحدث ما يلي. معدل تبخر الجزيئات يساوي معدل التكثيف. من أمثلة توازنات الغاز السائل غليان الماء. نقطة غليان الماء هي 100 درجة مئوية. عند نقطة الغليان، يتواجد الماء السائل مع بخار الماء. عند هذه الدرجة من الحرارة والضغط، يصبح معدل تبخر جزيئات الماء مساويًا لمعدل تكثيف بخار الماء. هذه هي حالة التوازن الديناميكي.

تشير توازنات الغازات الصلبة إلى التوازن الديناميكي الذي يحدث بين الطور الصلب للمادة وطور البخار المقابل لها. وفي هذا التوازن يكون هناك تبادل مستمر للجزيئات بين الطور الصلب والطور الغازي من خلال التسامي والترسيب. دعونا أولاً نفهم التسامي والترسيب.

التسامي هو العملية التي تتحول فيها المادة الصلبة مباشرة إلى غاز دون المرور بالمرحلة السائلة. الترسيب هو العملية التي يتحول فيها الغاز مباشرة إلى مادة صلبة دون المرور بالمرحلة السائلة. في حالة التوازن فإن معدل التسامي للمادة يساوي معدل ترسبها.

دعونا نفهم توازن الغاز الصلب من خلال مثال. عندما يتم حفظ اليود الصلب في وعاء مغلق، فإنه يتحول مباشرة إلى الطور الغازي. وفي الوقت نفسه، يتحول اليود gaseous مرة أخرى إلى اليود الصلب. يصبح معدل تسامي اليود الصلب ومعدل ترسب اليود gaseous متساويين. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء التوازن الديناميكي بين الطور السائل والطور gaseous لليود.