تشكل الكيمياء جزءا كبيرا من حياتنا اليومية، حيث تتواجد في الأطعمة التي نتناولها والهواء الذي نتنفسه ومواد التنظيف والمواد المختلفة التي نستخدمها يوميا، وحتى تدخل في تفسير عواطفنا وكل شيء يمكن رؤيته أو لمسه حرفيا. قد تكون بعض التفاعلات الكيميائية الشائعة واضحة، لكن بعضها الآخر قد يفاجئنا. يتكون جسمنا من مركبات كيميائية مختلفة، والتي تشكل مزيجا من العناصر. العواطف التي نشعر بها هي نتيجة للرسائل الكيميائية، وخاصة الناقلات العصبية. الحب والغيرة والحسد والإعجاب والخيانة، كلها تشترك في كونها تفاعلات كيميائية.
يتناول هذا المقال عنصرًا بسيطًا جدًا من عناصر الكيمياء، وهو الاتزان الكيميائي، ويشرح تعريفه وخواصه والعوامل المؤثرة في تفاعلاته، بالإضافة إلى شرح أنواع الاتزان الكيميائي مع الأمثلة.
تعريف الاتزان الكيميائي
الاتزان الكيميائي (Chemical equilibrium) هو حالة تحدث في التفاعلات الكيميائية، وتتمثل في حالة تساوي نسب التركيز بين المواد المتفاعلة والمواد الناتجة عن التفاعل. وبشكل أكثر دقة، يشير التفاعل الاتزان الكيميائي إلى عدم حدوث تغيرات في التفاعلات الكيميائية بعد فترة قصيرة من بدئها، وبحيث يتساوى سرعة التفاعل في كلا الاتجاهين، المباشر والمعاكس، دون انقطاع. وتشير هذه الحالة إلى أن المواد المتفاعلة والمنتجة تكون ذات تركيز ثابت.
الاتزان الكيميائي هو عنصر منعناصر الكيمياء، ويضمن ويحقق قوانين حفظ الطاقة والكتلة، وهو شرط ضروري ضمن شروط تحقيق التوازن الترموديناميكي
العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي
يتأثر الاتزان الكيميائي بعدة عوامل منها:
تتعلق نسبة تركيز المواد المتفاعلة بتفاعل كيميائي، حيث يكون هناك علاقة عكسية بين زيادة تركيز مادة معينة في التفاعل ونقص تركيز عنصر آخر فيه. ووفقا لقاعدة لوشاتلييه، فإن زيادة نسبة تركيز إحدى المواد المتفاعلة تدفع التفاعل الكيميائي نحو اليمين. تلعب درجة الحرارة أيضا دورا في التوازن الكيميائي، حيث يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تغيير اتجاه التفاعل الكيميائي. وتعتبر الحرارة عاملا مؤثرا يتم امتصاصه بواسطة العامل الأمامي للتفاعل، مما يؤدي إلى زيادة قيمة ثابت التوازن الكيميائي.
ومن الآثار الأخرى المؤثرة، نجد عنصر الضغط، الذي ينتج غازا يوجه التفاعل الكيميائي نحو الاتجاه الأصغر حجما، ويعد عاملا أساسيا في التفاعلات الكيميائية ويؤثر على التوازن الكيميائي وقيمته. وفيما يتعلق بالغازات، يعتبر الغاز الخام من بين العوامل التي لا تؤثر على التوازن الكيميائي مباشرة، ولكن تتجلى تأثيره في زيادة معدلات الضغط الكلي في التفاعلات. ولا تسبب المواد المحفزة أي تغيير في اتجاه أو طبيعة التوازن الكيميائي.
يتميز الاتزان الكيميائي بتشكيل اتجاهين متعاكسين في جميع تفاعلاته، واللذان يتوازنان بنفس السرعة لتحقيق هذا الاتزان، وهو ذو طبيعة ديناميكية ونشط بشكل مستمر، وتتم التفاعلات الكيميائية به بشكل تلقائي ودون تأثيرات خارجية تؤدي إلى تغييرات تؤثر على الاتزان.
أنوع الاتزان الكيميائي وأمثلتها
هناك نوعان من التوازن الكيميائي: توازن متجانس وتوازن غير متجانسة.
يتم تحقيق التوازن المتجانس عندما تتفاعل المواد المتفاعلة مع بعضها البعض ويتكون منها المواد الناتجة في نفس المرحلة، ويكون عدد جزيئات المنتج يساوي عدد جزيئات المادة المتفاعلة، وعلى سبيل المثال:
N2 (g) + O2 (g) ⇌ 2NO (g)
H2 (g) I2 ⇌ 2HI (g)
عدد جزيئات المنتج لا يتساوى مع عدد جزيئات المادة المتفاعلة، ويمكن استخدام مثال لتوضيح ذلك
COCl2 (g) ⇌ CO (g) + Cl2 (g)
2SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2SO3 (g)
-التوازن غير المتجانس، وتكون فيه تفاعلات الاتزان الكيميائي التي توجد بها المواد المتفاعلة والمواد الناتجة في مرحلتين مختلفتين من التفاعل ، وكمثال على ذلك، تفكك كربونات الكالسيوم الصلبة لإعطاء أكسيد الكالسيوم الصلب وثاني أكسيد الكربون الغازي: CaCO3 (S) ⇌ CaO (s) + CO2 (g) ، ولا تشمل تفاعلات الاتزان الكيميائي غير المتجانس على تركيزات المواد الصلبة النقية، لأن تركيزاتها تظل ثابتة، وبالمثل، يفترض أيضا أن تكون تركيزات المواد السائلة النقية ثابتة ولا تظهر في تركيز المواد في تفاعلات الاتزان الكيميائي.
هناك أمثلة عديدة على التوازن الكيميائي في كل مكان حولك، ومن بين تلك الأمثلة زجاجة مشروب متجمد، ففي هذه الزجاجة يوجد ثاني أكسيد الكربون (CO2) المذاب في السائل، ويوجد أيضا غاز ثاني أكسيد الكربون في الفراغ بين السائل والغطاء، وهناك حركة مستمرة لثاني أكسيد الكربون من السائل إلى الغاز والعكس، وعلى الرغم من ذلك فإنه لا يوجد أي تغيير واضح عند النظر إلى الزجاجة.
لا يمكن أن تحدث الحياة بدون التوازن الكيميائي، ومن الأمثلة على ذلك هو الهيموغلوبين الذي ينقل الأكسجين عبر خلايا أجسامنا، ويجب أن يكون الهيموغلوبين قادرا على نقل الأكسجين لتحريره في الخلايا، ويتم ذلك من خلال تفاعلات التوازن الكيميائي.