عوامل الاتزان الكيميائي
عوامل الاتزان الكيميائي
من الصعب تحديد التفاعل الكيميائي في مصطلح واحد، حيث يكتشف العلماء يوما بعد يوم مجموعة جديدة من الأدلة المتعلقة به. الاتزان الكيميائي يشير إلى وصول النظام الكيميائي إلى حالة مستقرة ومتوازنة، وهذا يعني عدم حدوث أي تغيير في التفاعلات داخل النظام الكيميائي، أو في تركيز المواد المدخلة والمنتجة في التفاعل. وعندما يكون النظام في حالة توازن ميكانيكي، فإن سرعة المواد المتفاعلة تكون متساوية مع سرعة المواد المنتجة، ومع ذلك، فإن ذلك لا يعني أن سرعة التفاعل قد تصل إلى الصفر. نص (لوشاتلييه) هو أحد التفسيرات المعروفة لمفهوم الاتزان، ويقول إنه عندما يتعرض نظام في حالة توازن لأي تغيير، فإن النظام يتحرك في الاتجاه المعاكس لهذا التغيير لامتصاصه أو تقليل تأثيره واستعادة حالة التوازن مرة أخرى. هذا يوضح العوامل التي تؤثر على الاتزان الكيميائي والتي بدونها قد يحدث اختلال. ومن بين هذه العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي:
درجة الحرارة
عندما يزيد الحرارة في التفاعلات التي تمتص الحرارة، ينحو التفاعل نحو اتجاه امتصاص الحرارة في التفاعلات التي يمتص فيها التفاعل الأمامي الحرارة، وهذا يزيد قيمة ثابت الاتزان، بينما في التفاعلات التي يطرد فيها التفاعل الأمامي الحرارة، يقلل زيادة الحرارة من ثابت الاتزان، مما يؤثر على سرعة التفاعل بزيادة عدد التصادمات، ويزيد من طاقة تصادم المواد المتفاعلة.
التركيز
زيادة تركيز إحدى المواد المتفاعلة لن تؤثر على قيمة ثابت التوازن، ولكن إذا زاد تركيز إحدى المواد المتفاعلة، فسينتج نقص في تركيز المواد الأخرى، مما يؤدي إلى زيادة تركيز المواد المتفاعلة. وبناء على قاعدة (لوشاتلييه)، فإن التفاعل سينحاز نحو الجهة اليمنى لزيادة تركيز إحدى المواد المتفاعلة.
المواد المحفزة
إضافة أي مادة محفزة لا تؤثر على موضع التوازن ولا تؤثر على درجة حرارة التفاعل.
الضغط
يؤثر الضغط على وضع الاتزان وقيمة ثابت الاتزان، حيث يتجه التفاعل الذي ينتج غازًا إلى تقليل حجم النظام، في حين لا يؤثر الضغط كثيرًا على التفاعلات التي تحدث في المحاليل.
إضافة غاز خامل
يمكن إضافة نوع من الغاز الخامل إلى التفاعل دون التأثير على موضع الاتزان، ولكن يؤدي إلى ازدياد الضغط الكلي داخل النظام الكيميائي.
أنواع الاتزان الكيميائي
يحدث الاتزان الكيميائي في التفاعلات الكيميائية عندما يتم تثبيت الضغط ودرجة الحرارة، وبالتالي يتناسب معدل التفاعل الكيميائي بشكل طردي مع نسب تركيز المواد المتفاعلة مقارنة بتركيز المواد المنتجة، وبالتالي يزيد تركيز المواد المنتجة وينخفض تركيز المواد المتفاعلة مع مرور الوقت، مما يشير إلى حدوث التفاعل العكسي. بالمقابل، ينخفض التفاعل الأمامي في نفس الوقت، وبالتالي تكون سرعة التفاعلات العكسية والأمامية متساوية. تتألف أنواع التوازن الكيميائي من نوعين، وتوضح النقاط التالية أنواع التوازن الكيميائي:
- الاتزان المتجانس: يحدث التوازن المتجانس عندما تكون المواد المتفاعلة والمواد الناتجة في نفس الحالة.
- الاتزان غير المتجانس: يتم تحقيق الاتزان غير المتجانس عندما تتفاعل المواد في حالات مختلفة عن المواد التي تتكون منها.
قوانين الاتزان الكيميائي
يعرف التوازن الكيميائي بأنه الحالة التي لا تتغير فيها التراكيز للمواد المتفاعلة والمنتجات المنتجة في الوقت الذي يحدث فيه التفاعل الكيميائي، ويتم تحقيق هذا التوازن عندما يكون معدل التفاعل الأمامي والعكسي متساويان، وتكون المعدلات متساوية ولا يحدث أي تغيير في تراكيز المواد المتفاعلة والمنتجات، ويعرف هذا الحالة بأنها توازن ديناميكي ويسمى أيضا بثابت المعدل (ثابت التوازن)، بالإضافة إلى وجود قوانين تتعلق بالتوازن الكيميائي
- يشير قانون التوازن الكيميائي إلى أنه عند وجود درجة حرارة معينة، تكون حينها قيمة تعبير كتلة الفعل (
- تسمى تلك القيمة الثابتة (ثابت التوازن) ويرمز لها بالرمز (
- عند حساب التوازن يكون هكذا:
- تسمى العلاقة
- في ما له علاقة بالأنظمة المتجانسة في الطور الغازي أو بالنسبة للمحاليل المائية، فإن التعبير عن (
- أما عن الأنظمة غير المتجانسة فهي يوجد فيها مادة سائلة أو صلبة، فيتم التعبير (
خواص الاتزان الكيميائي
يدل التوازن الكيميائي على خليط نهائي للتفاعل الكيميائي، إذ تتغير المنتجات والمواد المتفاعلة، ومن بعدها يتم تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات، كما أنه هناك اعتقاد عام بأن كافة التفاعلات الكيميائية تصل إلى نهايتها، ولكنه لا يكون صحيحًا في كافة الحالات، حيث تستمر العديد منها حتى حد معين فقط، بمعنى أن المواد المتفاعلة جميعها لا يتم تحويلها إلى منتجات، وبعد مرور فترة من الوقت يصبح النظام في حالة من التوازن، حيث إن التوازن الكيميائي له مجموعة من الخصائص، وبعضها في التالي:
- يتم التوازن في التفاعلات عندما تكون العكسية والأمامية للتفاعلات بنفس معدل الحدوث.
- لا تتغير نسبة الضغوط الجزئية وتركيزات الضغوط الثابتة بعد الآن.
- رد الفعل يظل مستمراً، ولكن النسبة تظل ثابتة، ويسهل الوصول إليها من جميع الاتجاهات.
- يتغير ثابت التوازن فقط عند تغير درجة الحرارة، ويظل كما هو دون تغيير تبعًا لآلية التفاعل.
- تكون القيمة التي تحدد على أساس المعاملات في المعادلة الكيميائية أكبر من واحد عندما يكون التوازن موجودًا تجاه المنتج، بينما تكون أقل من واحد عندما يكون التوازن موجودًا نحو الجانب المتفاعل.
- أي تفاعل مستقر يتساوى مع ثابت التفاعل العكسي المقلوب له.
- عند ضرب الثوابت معًا للحصول على تفاعلات صافية ، يتم ذلك من خلال أكثر من خطوة.
- الثبات غير ممكن للسوائل النقية، المواد الصلبة النقية، أو المذيبات في عملية الحصول على الثبات.