الاتزان الكيميائي والعوامل المؤثرة فيه

• أتوصلُ إلى مفهومِ الاتّزانِ الكيميائيِّ.
• أوضحُ أثرَ العواملِ المختلفةِ المؤثرةِ في حالةِ الاتّزانِ.

هل ينتهي كل تفاعل كيميائي إلى النهاية؟

• تنتهي كثير من التفاعلات باستهلاك إحدى المواد المتفاعلة أو جميعها كليًّا.
• فمثلًا: يحترق شريط من المغنيسيوم ⁦Mg⁩ بوجود الأكسجين $O_2$ وينتج أكسيد المغنيسيوم ⁦MgO⁩ وكمية من الحرارة.
• ينتهي التفاعل باحتراق الشريط كليًّا، ولا يمكن إعادة تكوين أي من المواد المتفاعلة مرة أخرى في أثناء التفاعل.

• فمثلًا: يحضّر غاز الأمونيا $NH_3$ بطريقة هابر بتفاعل غاز النيتروجين $N_2$ مع غاز الهيدروجين $H_2$ في وعاء مغلق عند ظروف مناسبة من الضغط ودرجة الحرارة.
• يؤدي ذلك إلى تكوين غاز الأمونيا $NH_3$ في ما يعرف بالتفاعل الأمامي، كما في المعادلة الآتية:

• عندما يتكوّن غاز الأمونيا $NH_3$ في وعاء التفاعل فإنه يبدأ بالتفكك، ويتكون $N_2$ و$H_2$ في ما يعرف بالتفاعل العكسي:

• يحتوي وعاء التفاعل إذن على كميات مختلفة من المواد المتفاعلة والناتجة في الوقت نفسه عند الاتزان (الشكل 1 أ، ب).
• يُشار إلى التفاعل الأمامي في المعادلة بسهم باتجاه اليمين، وإلى العكسي بسهم باتجاه اليسار.
• يُعبَّر عنهما بمعادلة كيميائية يُكتب فيها سهمان باتجاهين متعاكسين ($\rightleftharpoons$) كما في تفاعل تحضير الأمونيا:

يوصفُ الاتّزانُ الكيميائيُّ في التفاعلاتِ المنعكسةِ بالديناميكي، ويمكنُ التأثيرُ فيهِ بتغييرِ ظروفِ التفاعلِ من تركيزٍ أو ضغطٍ أو درجةِ حرارةٍ.

وكيف تتغير سرعة كل من التفاعلين الأمامي والعكسي مع الزمن؟

السرعتان: كيف نصل إلى الاتزان؟

• في بداية التفاعل تكون تراكيز المواد المتفاعلة أكبر ما يمكن.

• بمرور الوقت تتناقص تراكيز المواد المتفاعلة، وتتناقص سرعة التفاعل الأمامي.
• المواد الناتجة يكون تركيزها عند بداية التفاعل صفرًا، وبمجرد تكونها تبدأ بالتفاعل والتحول إلى مواد متفاعلة، فيبدأ التفاعل العكسي.

• لتعرف مفهوم الاتزان ندرس تفكك غاز رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين $N_2O_4$ عديم اللون إلى غاز ثاني أكسيد النيتروجين $NO_2$ ذي اللون البني المحمر:

• يبدأ التفاعل الأمامي بتحول $N_2O_4$ إلى $NO_2$ بسرعة عالية نسبيًا:

• بمرور الوقت يتناقص تركيز $N_2O_4$ وتتناقص سرعة التفاعل الأمامي (الشكل 2 أ، ب).

• يكون تركيز $NO_2$ عند بداية التفاعل صفرًا، وتكون سرعة التفاعل العكسي صفرًا أيضًا.
• بتفكك $N_2O_4$ يبدأ تكون $NO_2$ وظهور اللون البني في وعاء التفاعل، ثم يبدأ التفاعل العكسي بسرعة بطيئة نسبيًا:

• تتزايد سرعة التفاعل العكسي تدريجيًا بزيادة تركيز $NO_2$ في وعاء التفاعل، وبعد مدة تثبت سرعة التفاعل وتثبت تراكيز المواد الناتجة (الشكل 3 أ، ب).

• تتناقص تراكيز المواد المتفاعلة وسرعة التفاعل الأمامي بمرور الزمن، وفي الوقت نفسه تتزايد تراكيز المواد الناتجة وسرعة التفاعل العكسي.
• حتى يصل التفاعل إلى الاتزان، وعندها تصبح سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي (الشكل 4).

• عند الاتزان تثبت تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة، ويحتوي وعاء التفاعل على خليط من الغازين بنسب ثابتة، فيصبح لون الخليط بنيًا محمرًّا (الشكل 5).

أقارن بين تراكيز الغازات في وعاء التفاعل عند الاتزان.

موضع الاتزان: كيف نزيحه نحو الناتج أو المتفاعل؟

• يمكن التحكم بموضع الاتزان بإزاحته نحو اليمين لزيادة كمية المواد الناتجة.
• أو بإزاحته نحو اليسار لتقليل كمية المواد الناتجة وزيادة كمية المتفاعلة، عن طريق التحكم بمجموعة من العوامل.

فما هذه العوامل؟ وكيف تؤثر في موضع الاتزان؟

لوتشاتلييه: كيف يردّ التفاعل على أي تغيير؟

• درس العالم الفرنسي هنري لوتشاتلييه التغيرات التي يمكن أن تؤثر في حالة الاتزان للتفاعل.
• وتوصل إلى أنه يمكن التحكم بموضع الاتزان بالتحكم بظروف التفاعل من: تركيز، أو ضغط، أو درجة حرارة.

• اعتمادًا على هذا المبدأ يمكن زيادة كميات المواد الناتجة من التفاعل بالتحكم في العوامل المؤثرة في الاتزان.

أحدد العوامل التي درس لوتشاتلييه تأثيرها على موضع الاتزان.

التركيز: ماذا يحدث حين نضيف مادة أو نسحبها؟

• يتأثر موضع الاتزان بتغيير كميات المواد أو تراكيزها في وعاء التفاعل عند درجة الحرارة نفسها.
• تغيير تركيز مادة متفاعلة أو ناتجة يُحدث اضطرابًا في حالة الاتزان، فيدفع التفاعل إلى تعديل وضعه للوصول إلى الاتزان من جديد.
• يحصل ذلك بإزاحة موضع الاتزان جهة اليمين (نحو تكوين المواد الناتجة) أو جهة اليسار (نحو تكوين المواد المتفاعلة) للتقليل من أثر التغيير، ثم يعود التفاعل إلى حالة الاتزان.
• فمثلًا: يتفكك خماسي كلوريد الفسفور $PCl_5$ في وعاء مغلق، وينتج غاز ثلاثي كلوريد الفسفور $PCl_3$ وغاز الكلور $Cl_2$، ويصل التفاعل إلى حالة الاتزان:

• عند إضافة كمية من غاز $PCl_5$ يزداد تركيزه في وعاء التفاعل ويختل الاتزان.
• وفقًا لمبدأ لوتشاتلييه يعدّل التفاعل موضع الاتزان ويزيحه جهة اليمين التي تقلل من أثر هذه الزيادة، فتزداد سرعة التفاعل الأمامي.
• تُستهلك كمية من الغاز المضاف، وتتكون كميات جديدة من $PCl_3$ و$Cl_2$ وتزداد تراكيزها.
• ثم تبدأ سرعة التفاعل العكسي بالتزايد وسرعة التفاعل الأمامي بالتناقص إلى أن تتساوى السرعتان، فيعود التفاعل إلى حالة الاتزان من جديد.
• تحدث التغيرات ذاتها إن جرت إزالة كمية من $Cl_2$ أو $PCl_3$ من وعاء التفاعل.

• أما عند إضافة كمية من غاز $Cl_2$ فيزداد تركيزه، وتزداد سرعة التفاعل العكسي للتقليل من أثر هذه الزيادة، ويُزاح موضع الاتزان جهة اليسار.
• ونتيجة لذلك تنتج كمية جديدة من غاز $PCl_5$ ويزداد تركيزه.
• وبمرور الوقت تبدأ سرعة التفاعل العكسي بالتناقص وسرعة التفاعل الأمامي بالتزايد، إلى أن تصبح السرعتان متساويتين فيعود التفاعل إلى حالة الاتزان من جديد.
• بعد العودة إلى الاتزان يكون تركيز كل من $PCl_5$ و$PCl_3$ و$Cl_2$ مختلفًا عنه قبل الإضافة، لكن النسبة بينها تبقى ثابتة.

الضغط: هل يغيّر حجم الوعاء موضع الاتزان؟

• يتأثر ضغط الغاز المحصور في وعاء مغلق بحجم الوعاء وعدد مولات الغاز فيه.
• يتناسب ضغط الغاز عكسيًا مع حجم الوعاء عند ثبات درجة الحرارة، وطرديًا مع عدد مولات الغاز.
• لا تتأثر تراكيز المواد الصلبة والمواد السائلة بتغيرات الضغط في وعاء التفاعل.
• تُجرى التفاعلات التي تشتمل على غازات في أوعية مغلقة لضمان عدم فقدان أي كمية من الغازات المتفاعلة أو الناتجة.
• يمكن تغيير ضغط الغاز في وعاء التفاعل بالتحكم في حجم الوعاء.
• فمثلًا: يحضّر غاز الميثان $CH_4$ صناعيًا بتفاعل غاز أول أكسيد الكربون $CO$ مع غاز الهيدروجين $H_2$ كما في التفاعل المتزن الآتي:

• عدد مولات الغازات: أربعة مولات من المتفاعلة ($CO_{(g)} + 3H_{2(g)}$)، ومولان من الناتجة ($CH_{4(g)} + H_2O_{(g)}$).
• عند إنزال المكبس للأسفل (الشكل 6) يقل حجم الوعاء ويزداد الضغط في وعاء التفاعل.
• للتقليل من أثر زيادة الضغط يزيح التفاعل موضع الاتزان إلى الجهة التي تحتوي على عدد مولات أقل من المواد الغازية، أي جهة المواد الناتجة، فتزداد سرعة التفاعل الأمامي.
• يقل بذلك عدد المولات في وعاء التفاعل ويقل الضغط.
• ومع زيادة تركيز غاز الميثان تزداد سرعة التفاعل العكسي وتتناقص سرعة التفاعل الأمامي إلى أن تتساوى السرعتان، ويعود التفاعل إلى حالة الاتزان من جديد.

الحرارة: لماذا يتغير لون الغاز عند التسخين والتبريد؟

• يختلف تأثير درجة الحرارة في الاتزان الكيميائي تبعًا لنوع التفاعل: ماص للحرارة (⁦ΔH⁩ موجبة) أم طارد لها (⁦ΔH⁩ سالبة).
• ندرس تفاعلًا ماصًّا للحرارة هو تحلّل رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين $N_{2}O_{4}$:

• عند درجة حرارة الغرفة يكون التفاعل في حالة اتزان، ويكون لون خليط الغازات بنيًا محمرًّا.
• عند تسخين الخليط تزداد درجة حرارته، فيعدّل التفاعل موضع الاتزان نحو الجهة التي تستهلك الحرارة الزائدة وفق مبدأ لوتشاتلييه، أي جهة إنتاج $NO_{2}$.
• يزداد تركيز $NO_{2}$ ويقل تركيز $N_{2}O_{4}$، فتزداد شدة اللون البني المحمر (الشكل 7/أ).
• تستقر شدة اللون بعد مدة ويصل التفاعل إلى حالة اتزان جديدة، ولا يعود إلى لونه السابق؛ فالاتزان الجديد وموضعه يختلفان عما كانا عليه قبل التسخين.

• الشكل (7): أ. عند درجة حرارة $100\ °\text{C}$، ب. عند درجة حرارة $0\ °\text{C}$.
• عند خفض درجة حرارة الخليط يتجه التفاعل نحو الجهة التي تزيد إنتاج الحرارة، فيندفع بالاتجاه العكسي، أي جهة تكوين $N_{2}O_{4}$ (الشكل 7/ب).
• يزداد تركيز $N_{2}O_{4}$ ويقل تركيز $NO_{2}$، فيصبح لون المحلول مائلًا إلى اللون الأصفر؛ أي أن الاتزان وموضعه أُزيحا نحو المواد المتفاعلة.
• يتضح مما سبق أن تغيير درجة حرارة التفاعل المتزن يؤدي إلى حالة اتزان جديدة لا يعود فيها التفاعل إلى حالة الاتزان التي كان عليها.

أحدِّد الجهة التي يُزاح نحوها الاتزان في التفاعل الآتي عند زيادة درجة الحرارة:

$2SO_{2(g)} + O_{2(g)} \rightleftharpoons 2SO_{3(g)} + Heat$ $PCl_{5(g)} + Heat \rightleftharpoons PCl_{3(g)} + Cl_{2(g)}$

العامل المساعد: يسرّع الوصول للاتزان أم يغيّر موضعه؟

• عند الاتزان تتساوى سرعتا التفاعلين الأمامي والعكسي وتثبت التراكيز، ويستمر التفاعل بالحدوث في الاتجاهين (الشكل 8).

• يؤثر العامل المساعد في سرعة كل من التفاعلين الأمامي والعكسي.

• بينت التجارب أن العامل المساعد يمهد مسارًا بديلًا للتفاعل، مما يجعل حدوث التفاعل أسرع؛ أي في زمن أقل.
• عند إضافة عامل مساعد إلى وعاء التفاعل لا يتأثر موضع الاتزان؛ إنما تزداد سرعة وصول التفاعل إلى حالة الاتزان، ويقل الزمن اللازم لذلك (الشكل 9).

ما أثر العامل المساعد في كل من: سرعة التفاعل الأمامي، سرعة التفاعل العكسي؟

تجربة: ماذا يحدث للغاز البني عند التسخين والتبريد؟

مراجعة الدرس: اختبر ما فهمته عن الاتزان

الفكرة الرئيسة: أصف الاتزان الكيميائي وأحدد العوامل المؤثرة فيه.

أوضح المقصود بكل من: التفاعلات المنعكسة ، مبدأ لوتشاتلييه.