التوازن – الجلسة الثانية

تخيل أنك تقف بجانب بحيرة في يوم مشمس. يمكنك رؤية الفقاعات تتصاعد من أعماق الماء. هل تساءلت يومًا ما هي هذه الفقاعات ولماذا تتكون؟. في الواقع يذوب الغاز في الماء. يتم تشكيل الفقاعات لأن النظام يحاول إيجاد توازنات طور الغاز-الغاز المذاب. ولكن ما هي توازنات الطور الغازي المذاب؟. دعونا نفهم هذا المفهوم.

عندما يقترب الغاز من السائل، تحدث التفاعلات بين جزيئات الغاز وجزيئات السائل. تمتلك جزيئات الغاز طاقة حركية وتتحرك بشكل عشوائي. يصطدمون بسطح السائل. ونتيجة لهذه الاصطدامات، يتم أسر بعض جزيئات الغاز بواسطة قوى الجذب لجزيئات السائل. ونتيجة لذلك، تصبح جزيئات الغاز مدمجة في الطور السائل. تُعرف هذه العملية باسم إذابة الغاز.

إن عملية إذابة الغاز في السائل هي عملية ديناميكية. عندما يصبح السائل والغاز قريبين جدًا من بعضهما البعض لأول مرة، فإن المزيد من جزيئات الغاز ستذوب في السائل. وذلك لأن تركيز جزيئات الغاز في الطور الغازي يكون أعلى. عندما يذوب الغاز في السائل، يزداد تركيز جزيئات الغاز في السائل. عندما يزداد تركيز الغاز في السائل، فإن بعض جزيئات الغاز المذابة تهرب أيضًا مرة أخرى إلى الطور الغازي. وتُعرف هذه العملية بالتبخير.

وعلى المستوى الجزيئي، تستمر جزيئات الغاز في الذوبان في السائل. وفي الوقت نفسه، يستمر عدد متساوٍ من جزيئات الغاز في الهروب من السائل إلى الطور الغازي. ومع ذلك، لا يوجد تغيير عام في تركيزات الغاز في أي من المرحلتين. وذلك لأن معدل إذابة جزيئات الغاز يصبح مساويًا لمعدل خروج جزيئات الغاز. ونتيجة لذلك يتم إنشاء توازن ديناميكي بين جزيئات الغاز المذابة وجزيئات الطور الغازي. يُطلق عليها أيضًا توازنات الطور الغازي-الغازي المذاب.

هل سبق لك أن لاحظت التوازن بين الغاز المذاب والطور الغازي في الحياة الحقيقية؟. حسنًا، ربما تكون قد واجهت هذه التجربة عند فتح زجاجة الصودا. عندما تفتح زجاجة الصودا، تسمع صوت الغاز يتسرب من الزجاجة. وهذا يشير إلى أن الغاز مذاب في زجاجات الصودا. دعونا نفهم كيف يتم إنشاء التوازن بين الغاز المذاب والطور الغازي في زجاجة الصودا.

في زجاجة الصودا المغلقة، يوجد غاز ثاني أكسيد الكربون المذاب في السائل. أثناء عملية التصنيع، يتعرض الصودا للكربونات. تعني الكربنة أنها مشبعة بغاز ثاني أكسيد الكربون تحت الضغط. تؤدي هذه العملية إلى زيادة تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون في الطور الغازي، فوق السائل.

يؤدي ضغط الكربونات إلى إذابة غاز ثاني أكسيد الكربون في السائل. وتتسرب أيضًا بعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون المذابة إلى الطور الغازي فوق السائل. عند نقطة معينة يصبح معدل تحلل جزيئات ثاني أكسيد الكربون ومعدل خروج جزيئات ثاني أكسيد الكربون متساويين. هذه هي حالة التوازن الديناميكي.

عندما تفتح زجاجة الصودا، ينخفض الضغط داخل الزجاجة بسرعة. يحدث هذا بسبب انطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون إلى أعلى الزجاجة. ونتيجة لذلك، ينخفض تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون في الطور الغازي فوق السائل. ويضطرب التوازن أيضاً. يحاول النظام إعادة التوازن مرة أخرى. يتسرب غاز ثاني أكسيد الكربون من السائل إلى الطور الغازي. تذوب بعض جزيئات ثاني أكسيد الكربون من أعلى الزجاجة مرة أخرى في السائل. تؤدي هذه العملية إلى ظهور الفوران والفقاعات. ونتيجة لذلك تم استعادة التوازن مرة أخرى.

السوائل غير القابلة للامتزاج هي المواد التي لا تختلط أو تذوب في بعضها البعض. عندما تقوم بدمج سائلين غير قابلين للامتزاج، فإنهما يشكلان طبقات منفصلة مع حدود مميزة بينهما. الزيت والماء من الأمثلة على السوائل غير القابلة للامتزاج. عندما نخلط الزيت والماء، فإنهما يشكلان طبقات منفصلة. طبقة من الزيت وطبقة أخرى من الماء.

خذ في الاعتبار نظامًا يحتوي على سائلين غير قابلين للامتزاج ومذاب. هذه السوائل غير القابلة للامتزاج هي رباعي كلوريد الكربون والماء. المذاب هو اليود. عندما نخلط هذين السائلين غير القابلين للامتزاج، فإنهما يشكلان طبقات منفصلة.

بعد ذلك نضيف اليود. في البداية، سوف يذوب اليود في طبقة رباعي كلوريد الكربون. وذلك لأن رباعي كلوريد الكربون واليود كلاهما غير قطبيين. ولهذا السبب فإن اليود يذوب في الغالب في رباعي كلوريد الكربون. مع زيادة تركيز اليود في طبقة رباعي كلوريد الكربون، ستبدأ بعض جزيئات اليود بالتحرك إلى طبقة الماء. ويحدث هذا فقط عندما يكون تركيز جزيئات اليود مرتفعا جدا في طبقة رباعي كلوريد الكربون.

عند تركيز عالٍ من اليود، سوف تذوب كمية صغيرة فقط من جزيئات اليود في الماء. وذلك لأن اليود يذوب قليلاً في الماء. ستنتقل بعض جزيئات اليود من الطبقة aqueous إلى طبقة ثلاثي كلوريد الكربون. وسوف ينتقل البعض من طبقة رباعي كلوريد الكربون إلى الطبقة aqueous. في هذه المرحلة يتم الوصول إلى التوازن الديناميكي. يُطلق على هذا التوازن على وجه التحديد اسم توازنات المذاب السائل غير القابلة للامتزاج.

يشير التوازن الأيوني إلى الحالة التي تكون فيها الأيونات في المحلول في حالة توازن ديناميكي بين التفكك وإعادة التركيب. عندما يذوب مركب في الماء، فإنه يمكن أن يتفكك إلى أيوناته المكونة. تسمى عملية تفكك المركب إلى الأيونات المكونة له بالتفكك. على سبيل المثال، عندما يذوب كلوريد الهيدروجين في الماء، فإنه يتعرض للتفكك. يتفكك إلى أيونات الهيدروجين وأيونات الكلوريد.

ومع استمرار عملية التفكك، يمكن لبعض الأيونات المذابة أن تتحد مرة أخرى لتكوين المركب الأصلي. وتسمى هذه العملية بإعادة التركيب. يمكن لأيونات الهيدروجين المنفصلة وأيونات الكلوريد أن تتحد مرة أخرى لتكوين كلوريد الهيدروجين.

يمكن تمثيل العملية برمتها على أنها تفاعل عكسي. في هذا التفاعل، يحدث التفكك وإعادة التركيب في وقت واحد. يتم إنشاء التوازن الأيوني عندما يصبح معدل تفكك كلوريد الهيدروجين مساويًا لمعدل إعادة تركيب أيونات الهيدروجين وأيونات الكلوريد. يعتبر التوازن الأيوني ضروريًا لفهم سلوك المحاليل التي تحتوي على أيونات.