ما هو الاتزان الكيميائي

الاتزان الكيميائي

ماذا يعني مصطلح الاتزان الكيميائي علميًا؟

الاتزان الكيميائي (بالإنجليزية: Chemical equilibrium)، الاتزان الكيميائي هو حالة ثبات واستقرار لتراكيز المواد المتفاعلة والناتجة بحيث لا يطرأ عليها تغيير مع مرور الوقت، فتكون المواد المتفاعلة تعادل وتكافئ المواد الناتجة[١].

الاتزان الكيميائي حالة ثبات تراكيز المتفاعلات والنواتج.

التعبير الرياضي للاتزان الكيميائي

كيف يتم التعبير عن الاتزان الكيميائي بالرموز رياضيًّا؟

إذا كان التفاعل الكيميائي يُعبّر عنه كما يأتي:

aA + bB ⇄ cC + dD

فإنّ ثابت التوازن في حالة الاتزان Kc يتم حسابه حسب قانون الاتزان الكيميائي:

Kc=[C]c[D]d / [A]a[B]b

حيث إنّ: الحروف الكبيرة تعبر عن المواد المتفاعلة والناتجة والحروف الصغيرة تشير إلى معاملات المتفاعلات في المعادلة الموزونة، وإشارة [ ] تُشير إلى التراكيز الموليّة سواء للمتفاعلات أو النواتج.[٢]

ثابت الاتزان قيمته ثابتة في المعادلات الكيميائية في حالة الاتزان ويتم حسابه بعد التأكد من موازنة معاملات المتفاعلات والنواتج بحيث يكون تفاعل يصلح لأن يتم عكسه.

العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي

ما هي العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي بشكل مباشر؟

هناك عدة عوامل تؤثر على الاتزان الكيميائي، ومنها:

التركيز

زيادة تركيز أحد المواد في تفاعل ما سيعمل على توجه التفاعل نحو استهلاكها لتخفيف تركيزها للوصول إلى التوازن مرة ثانية، فمثلًا لو زاد تركيزأحد المواد المتفاعلة سيؤدي ذلك بالضرورة إلى زيادة معدّل إنتاج المواد الناتجة من خلال استهلاك المواد المتفاعلة ذات التركيز المرتفع مع ثبات معدّل التفاعل العكسي، وتؤدي حالة انعدام التوازن هذه إلى إنتاج المواد بصورة أكبر وبقاء التفاعل على هذه الحالة حتى يتم توازن معدّلات التفاعل والتفاعل العكسي من جديد بتراكيز جديدة، ولو أنّ الموضوع كان معكوسًا، و كانت الزيادة في تراكيز النواتج فإن التفاعل العكسي سيكون أكثر فعالية حتى يتم زيادة إنتاج المواد المتفاعلة ورفع تركيزها للوصول إلى الاتزان من جديد.[٣]

الضغط

يعدّ عامل الضغط مهمًّا عند الحديث عن الغازات، حيث أنّ تأثيره على التفاعلات في الحالات الصلبة والغازية لا يعدّ فاعِلًا، ويكون تأثير الضغط عكسيًا على التفاعلات حيث تقل مولات الغاز الناتجة بزيادة الضغط الإجمالي على نظام التفاعل، والعكس صحيح.[٣]

درجة الحرارة

تعتبردرجة الحرارة من العوامل المؤثرة على الاتزان الكيميائي، فيتأثر الاتزان بارتفاع أو انخفاض الحرارة، فلو كان التفاعل مثلًا تفاعل طارد للحرارة باتجاهه الأساسي لليمين وتم العمل على زيادة درجة الحرارة فإنّ التفاعل سيميل إلى الاتجاه المعاكس في محاولة لتقليل الضغط الناتج من زيادة الحرارة المؤثرة، أما خفض درجات الحرارة سيؤدي إلى ميل التفاعل نحو الاتجاه الطارد للحرارة.[٣]

استخدام محفّز

المحفّز Catalyst، هو مادة تعمل على زيادة معدّل سرعة التفاعل الكيميائي[٤]، إلا أن المحفّزات تعمل بصورة متكافئة على طرفي التفاعل فتعمل على تسريع الطرفين بشكل متساوٍ وهذا لا يؤثر على نقطة التوازن نفسها إنّما يعمل على تسريع الوصول إليها.[٣]

بشكل عام، لتركيز المواد المتفاعلة والناتجة تأثير على حالة الاتزان الكيميائي، كما أنّ الظروف التي يتم فيها التفاعل من درجة حرارة وضغط لها تأثير على الاتزان الكيميائي، أما المواد المحفّزة فإنها تعمل على الوصول إلى حالة الاتزان بشكل سريع.

العوامل غير المؤثرة في الاتزان الكيميائي

ما هي العوامل غير المؤثرة في الاتزان الكيميائي؟

هناك عدّة عوامل لا يتم تصنيفها على أنها مؤثرة في الاتزان الكيميائي وهي كذلك بالفعل إذ أنّ تأثيرها لا يكون مباشرًا إلا أنها تؤثر على العوامل المؤثرة، ومن ذلك ما يلي:

تغيّر حجم النظام

يؤدي تغيّر الحجم إلى تغير الضغط والتركيز، إذ أن زيادة الحجم تؤدي إلى انخفاض الضغط وانخفاض التركيز وسيميل التفاعل كنتيجة إلى الاتجاه الذي يكون محتواه من جزيئات الغاز أكبر، أما انخفاض الحجم فيؤدي إلى زيادة الضغط والتركيز وميل التفاعل نحو الطرف الذي يكون محتواه من جزيئات الغاز أقل.[٥]

إضافة غاز خامل

الغاز الخامل لا يدخل في التفاعل فلا يؤثر على الاتزان بشكل مباشر، إلا أنه يعمل على ارتفاع ضغط النظام ككل.[٥]

إضافة غاز للمتفاعلات أو النواتج

تؤثر عملية إضافة الغاز على التركي، فلو تمت إضافته مع المتفاعلات سيؤدي ذلك إلى زيادة تركيز المتفاعلات وبالتالي زيادة معدل التفاعل الذي يعمل على استهلاك المتفاعلات وإنتاج المواد الناتجة لإعادة التوازن من جديد.[٥]

بعض العوامل تؤثر على الاتزان الكيميائي بشكل غير مباشر، أي أنها تعمل على التأثير على الضغط أو التركيز مما يؤدي إلى التأثير على الاتزان الكيميائي في النهاية.

أنواع الاتزان الكيميائي

ما هي أنواع الاتزان الكيميائي؟

الاتزان المتجانس

الاتزان المتجانس (بالإنجليزية: Homogeneous equilibrium)، هو الاتزان الذي تكون فيه المتفاعلات والنواتج في الحالة الفيزيائية نفسها.[٦]

ومثال ذلك:

H2​ (g)+I2​ (g)⇋2HI (g)

في المعادلة السابقة، جميع المواد المتفاعلة والناتجة في الحالة الغازية.[٧]

الاتزان غير المتجانس

الاتزان المتجانس (بالإنجليزية: Heterogeneous equilibrium)، هو الاتزان الذي تكون فيه المتفاعلات والنواتج بحالات مختلفة عن بعضها.[٦]

ومثال ذلك:

CaCO3​(s)⇋CaO(s)+CO2​(g)

في المعادلة السابقة، يوجد حالتين للمواد في التفاعل، بعضها في الحالة الصلبة والآخر في الحالة الغازية.[٨]

بشكل عام، للاتزان الكيميائي نوعان هما:[٦]

• الاتزان المتجانس
• الاتزان غير المتجانس

مبدأ لوشاتلييه

ما هو نص مبدأ لوشاتلييه؟

مبدأ لوشاتلييه (بالإنجليزية: Le Chatelier’s principle) هو مبدأ تم وضعه من قِبل العالم الفرنسي هنري لوشاتليه عام 1884 وتمّ تسميته باسمه ويشير لو شاتليه في المبدأ إلى أنّ أي تغيير يطرأ على ظروف النظام عند حالة اتزانه سيعمل بالضرورة على إحداث تغييرات معيّنة تغيّر من نقطة الاتزان وذلك للتغلّب على هذا التغيير والعودة إلى حالة الاتزان مرة أخرى، ومن هذه الظروف: درجة الحرارة والضغط وتراكيز المتفاعلات والنواتج.[٩]

عملية التأثير على نظام متّزن ستؤدي إلى إحداث تغييرات في نقطة الاتزان للتغلب على هذا التغيير والعودة للاتزان من جديد.

خواص الاتزان الكيميائي

ما هي خواص الاتزان الكيميائي؟

للاتزان الكيميائي خواصّ منها:

• لا بدّ للاتزان الكيمائي أن يكون صحيحًا لو أصبح عكسيًّا، ومعنى ذلك أن اتجاه الاتزان سواء كان لليمين أو اليسار فإنه يكون صحيحًا فالمتفاعلات تعطي نواتج والنواتج تعطي المتفاعلات نفسها أيضًا.[١٠]
• يجري التفاعل الكيميائي في نظام مغلق (وعاء مثلًا).
• يكون معدّل حدوث التفاعل في الاتجاهين نفسه.
• عند نقطة التوازن يجب ثبات كل من الخصائص مثل: اللون والتركيز، فلا يحدث أي تغيير بعدها.
• يمكن التحكّم في نقطة التوازن من خلال تغيير ظروف التفاعل كدرجة الحرارة والضغط أو تغيير تراكيز المواد نفسها، فيميل التفاعل لجهة أكثر من الأخرى حسب الرغبة لإنتاج نوع معيّن من المواد.
• استخدام المواد المحفّزة ليس له تأثير على نقطة التوازن إنما يسرّع حدوثها فقط بزيادة معدّلات التفاعل.
• نقطة الاتزان هي نفسها سواء تمّت دراستها من اتجاه التفاعل أو الاتجاه العكسي له.

خواصّ الاتزان الكيميائي هي وصف لحالة الاتزان؛ كيفية حدوثها ووقته والشروط التي لا تتحقق إلا بوجودها والظروف التي يمكن من خلالها التحكّم بها.

أمثلة على الاتزان الكيميائي

ولتوضيح الاتزان الكيميائي والعوامل التي تؤثر عليه بشكل مباشر لا بدّ من بعض الأمثلة:

مثال 1

اكتب التفاعل والتفاعل العكسي وحدد نوع الاتزان في التفاعل الآتي: [١١]

    H2(g)+I2(g)⇌2HI (g)

الحل:

التفاعل:                   H2(g)+I2(g)→2HI(g)

التفاعل العكسي:          2HI(g)→H2(g)+I2(g)

نوع الاتزان: اتزان متجانس ولذلك لأن كل المواد الداخلة في التفاعل في الحالة الغازية.

مثال 2

في التفاعل الآتي : N2 (g) + 3H2 (g) ⇋ 2NH3 (g)

ماذا سيحدث لو تم إضافة N2 بكميات كبيرة إلى نظام التفاعل بعد وصوله إلى حالة الاتزان؟ [٩]

الحل: إضافة غاز النيتروجين إلى التفاعل ستؤدي إلى ارتفاع تركيزه، وهذا سيؤدي إلى انعدام حالة التوازن، وذلك لأن كمية النيتروجين المضافة ستجعل النظام يقاوم التغييرات المصاحبة لها وذلك بمحاولة استهلاكها وإنتاج NH3[١]بصورة أكبر حتى يتحقق التوازن من جديد، إلا أن تراكيز المواد عن نقطة التوازن ستختلف عما كانت عليه قبل الإضافة.

مثال 3

في التفاعل الآتي : N2 (g) + 3H2 (g) ⇋ 2NH3 (g)

ماذا سيحدث لو تم إضافة NH3 بكميات كبيرة إلى نظام التفاعل بعد وصوله إلى حالة الاتزان؟ [٩]

الحل: إضافة الأمونيا إلى التفاعل ستؤدي إلى ارتفاع تركيزها، وسيتم فقدان التوازن، إلا أن النظام سيعمل على استهلاك الأمونيا بمعدلات أكبر وذلك من خلال نشاط التفاعل العكسي وإنتاج المواد المتفاعلة (النيتروجين والهيدروجين) إلى أن يتم الوصول إلى نقطة التوازن عند تراكيز مختلفة عن التراكيز السابقة.

مثال 4

في التفاعل الآتي: N2 (g) + H2 (g) ⇋ NH3 (g)

ما التغيير الذي سيطرأ على التفاعل لو قمنا بزيادة الضغط الكلي المؤثر عليه؟ [٩]

الحل:

في البداية لا يمكن التعامل مع التفاعل إلا بعد موازنة المعادلة لمعرف عدد جسيمات المتفاعلات والنواتج، فتصبح : N2 (g) + 3H2 (g) ⇋ 2NH3 (g) ، من المعادلة يقابل كل جسيمين من الأمونيا جسيم غاز نيتروجين و 3 هيدروجين، حسب مبدأ لوشاتليه فإن النظام سيعمل على الاتجاه نجو الجهة التي تلغي تأثير المتغير وهو الضغط هنا، ولذا سيتم ملاحظة ميل التفاعل لإنتاج كميات أكبر من الأمونيا لتقليل الضغط من خلال تقليل عدد جسيمات الغاز الموجودة.

مثال 5

في التفاعل الآتي: N2 (g) + 3H2 (g) ⇋ 2NH3 (g)+ 91 KJ

ما التغير الذي يطرأ على التفاعل لو تمت زيادة درجة الحرارة لنظام التفاعل المتّزن؟ [٣]

ينتج من التفاعل الأمامي طاقة بمقدر 91KJ فيعتبر التفاعل في هذا الاتجاه طارد للحراة، وبزيادة درجة الحرارة لا بدّ حسب مبدأ لوشاتليه من أن يحاول النظام التغلّب على هذه الزيادة فيتجه التفاعل نحو الاتجاه العكسي الماص للحرارة مما يؤدي إلى استهلاك الأمونيا وزيادة معدل إنتاج كل من الهيدروجين والنيتروجين.

توضّح الأمثلة السابقة التغييرات التي تنتج من إجراء أي تعديل على النظام تبعًا لمبدأ لو شاتليه.

المراجع[+]

1. ↑ “Chemical Equilibrium Definition”, thoughtco. Retrieved 26-2-2021 Edited.
2. ↑ “Balanced Equations and Equilibrium Constants”, libretexts. Retrieved 26-2-2021 Edited.
3. ^ أ ب ت ث ج “Factors Affecting Chemical Equilibria”، ck12. Retrieved 26-2-2021 Edited.
4. ↑ “Types of catalysts”, khanacademy. Retrieved 26-2-2021 Edited.
5. ^ أ ب ت “Effect of Pressure on Gas-Phase Equilibria”, chem.libretexts. Retrieved 26-2-2021 Edited.
6. ^ أ ب ت “What is Chemical Equilibrium?”, sciencing. Retrieved 26-2-2021 Edited.
7. ↑ “Homogeneous Equilibrium”, toppr. Retrieved 26-2-2021 Edited.
8. ↑ “Heterogeneous Equilibrium”, toppr. Retrieved 26-2-2021 Edited.
9. ^ أ ب ت ث “Le Chatelier’s Principle”, chemed.chem.purdue. Retrieved 26-2-2021 Edited.
10. ↑ “Chemical reactions”, khanacademy. Retrieved 26-2-2021 Edited.
11. ↑ “8.2: Chemical Equilibrium”, chem.libretexts. Retrieved 26-2-2021 Edited.