التوازن – الجلسة 3

نحن نعلم بالفعل أنه في حالة التوازن فإن معدل رد الفعل الأمامي يساوي معدل رد الفعل العكسي. وهذا ما يسمى بقانون التوازن. على سبيل المثال، معدل التبخر ومعدل تكثيف الماء متساويان في حالة التوازن. يصف قانون التوازن العلاقة بين تركيزات المتفاعلات والمنتجات في تفاعل كيميائي عكسي في حالة التوازن. سوف نفهم الآن التعبير الرياضي لقانون التوازن.

دعونا نأخذ مثالا على رد فعل عكسي. يتفاعل المتفاعل A والمتفاعل B لتكوين النواتج C و D. أ، ب، c ، د تمثل معاملات التفاعل. يظهر هنا قانون التوازن لهذا التفاعل العكسي. Kcيمثل ثابت التوازن عند درجة حرارة معينة.

دعونا نستنتج هذا التعبير الرياضي لقانون التوازن. ولكي نستنتج هذا التعبير، علينا أن نفهم قانون الفعل الجماعي. ينص قانون فعل الكتلة على أن معدل التفاعل الكيميائي يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب تركيزات المواد المتفاعلة. يتم رفع كل متفاعل إلى قوة معاملاته المتكافئة.

الآن سوف نطبق قانون فعل الكتلة هذا على رد فعل عكسي. في أي لحظة معينة أثناء التفاعل، تكون معدلات التفاعل الأمامي متناسبة بشكل مباشر مع حاصل تركيز المتفاعل أ والمتفاعل ب. يتم رفع المتفاعل A والمتفاعل B إلى قوة معاملاتهما. kբيمثل ثابت معدل التفاعل الأمامي.

معدل التفاعل العكسي يتناسب طرديا مع حاصل تركيز C و D. يتم أيضًا رفع C و D إلى قوة معاملاتهما. kᵣهو ثابت معدل التفاعل العكسي.

في حالة التوازن، تحدث التفاعلات الأمامية والعكسية بنفس المعدل. لذا، في التعبير الرياضي المعطى، معدل رد الفعل الأمامي يساوي معدل رد الفعل العكسي. الآن، سوف نقوم بإعادة ترتيب هذه المعادلة لحل ثابت التوازن. على المدى kբمقسمة على kᵣيتم دمجها في ثابت واحد، يشار إليه باسم K꜀. K꜀ويسمى ثابت التوازن.

دعونا نطبق قانون التوازن على عملية هابر بوش. هي طريقة صناعية تستخدم لتصنيع الأمونيا من غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين. المعادلة الكيميائية المتوازنة لهذا التفاعل معطاة. في هذا التفاعل يتفاعل جزيء واحد من غاز النيتروجين مع ثلاثة جزيئات من غاز الهيدروجين لإنتاج جزيئين من الأمونيا.

تم توضيح تعبير ثابت التوازن لعملية هابر بوش. في هذا التعبير، غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين وغاز الأمونيا موجودون بين قوسين مربعين. تمثل الأقواس المربعة تركيز هذه الغازات.

تخبرنا قيمة ثابت التوازن عن موضع التوازن. ويخبرنا عن التركيزات النسبية للمتفاعلات والمنتجات في حالة التوازن. إذا كانت قيمة K꜀إذا كان أكبر من واحد، فإن التوازن يصب في صالح المنتجات. وهذا يعني أن هناك تركيز أعلى للأمونيا في حالة التوازن مقارنة بغاز النيتروجين وغاز الهيدروجين.

إذا كانت قيمة K꜀أقل من واحد، فإن التوازن لصالح المتفاعلات (يسود التفاعل العكسي). وهذا يعني أن هناك تركيزات أعلى من غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين في حالة التوازن مقارنة بالأمونيا. إذا كانت قيمة K꜀يساوي واحدًا، فإن كميات المتفاعلات والنواتج تكون متساوية تقريبًا عند التوازن. وهذا يعني أن كميات كبيرة من غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين وغاز الأمونيا موجودة في حالة التوازن.

يسمى التوازن الذي يكون فيه جميع المتفاعلات والنواتج في التفاعل العكسي في نفس الطور بالتوازن المتجانس. وهذا يعني أن جميع الأنواع المعنية تكون إما في الطور الغازي، أو الطور السائل، أو المحلول aqueous. من أمثلة تفاعلات التوازن المتجانسة تكوين يوديد الهيدروجين. في هذا التفاعل يكون الهيدروجين واليود ويوديد الهيدروجين في الحالة gaseous.

يحدث التوازن غير المتجانس عندما تكون المتفاعلات والمنتجات في مراحل مختلفة. يتضمن عادةً مرحلة صلبة أو سائلة واحدة على الأقل إلى جانب الأنواع gaseous أو aqueous. من أمثلة التوازن غير المتجانس تبخر الماء وتكثيفه. الماء السائل في حالة توازن مع الماء gaseous.

بالنسبة للتوازن غير المتجانس، تظل تركيزات المواد الصلبة والسائلة النقية ثابتة. يمكن فقط تغيير تركيزات الغازات أو المواد المذابة في المحاليل. في المثال المعطى، يتضمن تعبير ثابت التوازن تركيز الأنواع gaseous فقط. لا يتم تضمين تركيزات المواد الصلبة النقية والسوائل النقية في تعبير ثابت التوازن. وذلك لأنها لا تتغير أثناء سير التفاعل.

بالنسبة للتفاعلات التي تتضمن غازات، يمكن التعبير عن ثابت التوازن من حيث الضغط الجزئي. ويرجع ذلك إلى أن قياس الغازات يكون أسهل من حيث الضغط وليس التركيز. يتم تمثيل تعبير ثابت التوازن من حيث الضغط الجزئي على النحو التالي KP. KPيمثل نسبة الضغط الجزئي للمنتجات إلى الضغط الجزئي للمتفاعلات. يتم رفع كل مصطلح ضغط جزئي إلى قوة تساوي معامل المادة المعنية.

خذ في الاعتبار تفاعل الطور الغازي القابل للعكس. وفقًا لقانون التوازن، فإن التعبير عن KPتم توضيح ذلك. PA, PB, PC, PDهي الضغوط الجزئية للغازات A، B، C، و D، على التوالي. أ، ب، c، د هي المعاملات المتكافئة لهذه الغازات.