التوازن الكيميائي يحدث عندما يكون معدل التفاعل الأمامي والعكسي متساويان، ويشار إلى هذه الحالة بتوازن ديناميكي. ويعرف ثابت التوازن بأنه ثابت المعدل لهذا التوازن. والأنظمة المتوازنة هي الأنظمة التي تحتفظ بتركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات دون تغيير، على الرغم من حدوث التفاعلات الكيميائية. ويمكن توضيح الحالة بالمثال التالي، فعند استخدام جهاز المشي، فإنه عندما تتحرك إلى الأمام، يقوم الجهاز بدفعك إلى الخلف بنفس السرعة للحفاظ على التوازن، وهذا مشابه للتفاعلات الكيميائية التي تبقى في حالة توازن ديناميكي .
ما هي أنواع التوازن الكيميائي
يشير التوازن الكيميائي إلى حالة التفاعل العكسي عندما يكون معدل التفاعل الأمامي يساوي معدل التفاعل العكسي، وعندما يكون التفاعل في حالة التوازن، يكون تركيز المواد المتفاعلة والمنتجات ثابتًا، وهناك نوعان من التوازن الكيميائي
التوازن المتجانس
تتميز تفاعلات التوازن التي تكون فيها جميع المواد المتفاعلة والمنتجات في نفس المرحلة بالتفاعلات التوازنية المتجانسة، وهناك فئتان من هذه التفاعلات
(أ) عدد جزيئات المنتج يساوي عدد جزيئات المادة المتفاعلة، فمثلا :
N2 (g) + O2 (g) ⇌ 2NO (g)
H2 (g) I2 ⇌ 2HI (g) .
يمكن أن يكون عدد جزيئات المنتج أقل من عدد جزيئات المادة المتفاعلة، على سبيل المثال:
COCl2 (g) ⇌ CO (g) + Cl2 (g)
2SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2SO3 (g) .
توازن غير متجانس
تعرف تفاعلات التوازن التي توجد بها المواد المتفاعلة والمنتجات في مراحل مختلفة باسم تفاعلات التوازن غير المتجانسة، حيث تفكك كربونات الكالسيوم الصلبة لإعطاء أكسيد الكالسيوم الصلب وثاني أكسيد الكربون الغازي : CaCO3 (S) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)، ولا يشمل تعبير الاتزان لتفاعلات التوازن غير المتجانسة تركيزات المواد الصلبة النقية لأن تركيزاتها تظل ثابتة، وبالمثل يفترض أيضا أن تكون تركيزات السوائل النقية ثابتة ولا تظهر في تعبير تركيز الاتزان، حيث يكون [الصلب] = 1 و [السائل] = 1 .
أمثلة الاتزان الكيميائي
يوجد العديد من الأمثلة على التوازن الكيميائي في كل مكان حولك، ومن بين هذه الأمثلة، زجاجة تجمد مميزة تحتوي على ثاني أكسيد الكربون المذاب في السائل، ويوجد أيضا غاز، وفي المسافة بين السائل والغطاء يحدث حركة مستمرة للسائل من وإلى المرحلة الغازية، ومع ذلك، عند النظر إلى الزجاجة، لا يظهر أي تغيير، وذلك لأن النظام في حالة توازن، وبدون التوازن الكيميائي في الحياة لن يكون الأمر ممكنا. ومن الأمثلة الأخرى على التوازن في حياتنا اليومية هو الهيموجلوبين، والذي ينقل الأكسجين في أجسامنا، وبدونه لا يمكننا العيش، ومن الضروري أن يكون الهيموجلوبين قادرا على تناول الأكسجين وتحريره، ويتم ذلك من خلال التغييرات في التوازن الكيميائي لهذا التفاعل في أماكن مختلفة في أجسامنا
في الدورق الأول، يتحول الماء السائل إلى بخار بسبب التبخر والانخفاض في مستوى الماء، وعندئذ يتكثف كمية صغيرة من جزيئات الغاز مرة أخرى، ولكن بسبب قدرة جزيئات الغاز على الهروب من النظام، يحدث التكثيف بمعدل أقل بكثير من التبخر. أما في الدورق الثاني، فيحدث التبخر أيضا، ولكن في هذه الحالة يلامس البخار سطح الغطاء الزجاجي ويبرد ويتكثف ليتحول إلى ماء سائل مرة أخرى، ويعاد هذا الماء إلى الدورق. وعندما يبدأ التكثيف، ينخفض مستوى الماء بشكل تدريجي، وفي مرحلة ما، يصبح معدل التبخر مساويا لمعدل التكثيف، ويتوقف التغيير في مستوى الماء في الدورق. ويمكن تمثيل ذلك على النحو التالي:
في هذا المثال، يمكن أن يستمر التفاعل (الذي يتضمن تغيير المرحلة المائية) في أي اتجاه، وفي الاتجاه الأمامي، يحدث تغيير في المرحلة من السائل إلى الغاز الذي يكون هنا بشكل بخار الماء، ويمكن أيضا حدوث تغيير عكسي عندما يتكاثف البخار لتشكيل سائل مرة أخرى .
حقائق علمية عن التوازن الكيميائي
التبخر هو عملية تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (يتبخر)، والتكثيف هو عملية تحول مادة ما من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة (تتكثف)، والزجاجة تحتوي على بخار الماء (الغاز) وتتجمع قطرات الماء على جانب الزجاجة، والنظام المفتوح هو النظام الذي يسمح بتدفق المادة أو الطاقة إلى النظام أو خارجه، وفي المثال التوضيحي للغاز السائل الذي استخدمناه، الدورق الأول كان مثالا على نظام مفتوح لأنه يمكن تسخينه أو تبريده (تغيير في الطاقة)، ويمكن لبخار الماء (السائل) أن يتبخر من الدورق .
النظام المغلق هو النظام الذي يسمح بدخول وخروج الطاقة دون دخول أو خروج المادة، ويمثل الدورق الثاني المغلق الذي يحتوي على غطاء زجاجي مثالا على نظام مغلق، وما زال بإمكاننا تسخين أو تبريد الكأس داخل الدورق، ولكن بخار الماء لا يستطيع الخروج من النظام بسبب وجود الغطاء الزجاجي الذي يعمل كحاجز، وبالتالي يتحول البخار إلى سائل ويتم إعادة تجميعه في الدورق، وبالتالي لا يوجد أي فقدان في النظام .