الاتــزان الكيميائي ( الديناميكي )

مقدمة عن الاتزان الديناميكي  :

 تعتبر الكيمياء من العلوم الأساسية في الحياة، وهي تعتبر من العلوم الأكثر حساسية من حيث النتائج التي تظهر في نهاية التفاعل الكيميائي. فكل شيء في علم الكيمياء بحساب، وقد أثر علم الكيمياء في العديد من المجالات، وكذلك له الفضل في الكثير من الاختراعات والاكتشافات. لهذا لا يمكننا في إغفال دور علم الكيمياء في الحياة.

تعريف الاتزان الديناميكي:

 يُعرف الاتزان الكيميائي ( الديناميكي )  بالتوازن الديناميكي، وهو حالة من الاستقرار في التفاعل الكيميائي. ويكون ذلك عندما لا تتغير نسبة التركيز بين المواد المتفاعلة والمواد الناتجة بمرور الوقت. وبمعنى آخر هو أنَّ معدل التفاعل في الاتجاه الأمامي يُساوي معدل التفاعل في الاتجاه العكسي. والتفاعل الكيميائي العكسي هو التفاعل الذي ينتج من تفاعل المواد الناتجة لإنتاج المواد المتفاعلة الأصليّة. وتصل هذه التفاعلات إلى حالة من التوازن عند استمرار التفاعلات بتركيز أو بسرعات متساوية. ويصل أيضًا إلى حالة ثبات في تركيز المواد المتفاعلة والناتجة. وعند وصف توازن التفاعلات العكسيّة فإنَّ ثابت التوازن هو من يصف التوازن بين المواد الناتجة والمتفاعلة. ويتطلب حساب ثابت التوازن عندما يكون التفاعل متوازن معرفة نسبة تركيز كل من المواد الناتجة والمتفاعلة في التفاعل.

يوجد على كوكب الأرض كثيراً من الظواهر التى يتبين منها مفهوم الاتزان ، مثل : دورات الأكسجين والنتروجين والماء وغيرها0

النظام المتزن ( الاتزان الديناميكى ) :-

هو نظام ساكن على المستوى المرئى ونظام ديناميكى على المستوى غير المرئى0

لاحـــظ أن :- الوصول الى حالة الاتزان لا يعنى توقف التغير فى الاتجــاهين الطـــردى والعكسى ولكن حدوثهما مستمر فى كلا من الاتجــــاهين بنفس المعدل0

مثــال :- عند تسخين الماء فى إناء مغلق يحدث عمليتين متعاكستين هما عمليتى التبخير والتكثيف ، وعندما يتساوى الضغط البخارى مع ضغط بخــــار الماء المشبع، تحدث حالة اتزان بين سرعة التبخر وسرعة التكثف ويكون عندها عدد جزيئات الماء التى تتبخر مساو لعدد جزيئات البخار التى تتكثف0

( سائل ) مـــــاء مــــــاء ( بخار )

الضغط البخارى :- هو ضغط بخار الماء الموجود فى الهواء عند درجة حرارة معينة0

ضغط بخار الماء المشبع :- هو أقصى ضغط لبخار الماء يمكن أن يتواجد فى الهواء عند درجة حرارة معينة0

أنواع التفاعلات الكيميائية

1ــ التفاعلات التامــة ( غير الإنعكاسية)

وهى التفاعلات المنتهية والتى تسير فى إتجاه واحد حيث لا تسطيع المواد الناتجة من التفاعل أن تتحد مع بعضها مرة أخرى لتكوين المتفاعلات تحت ظروف التجربة0

ملاحــظة هامة :- فى التفاعلات التامة لابد أن يخرج أحد النوتج من حيز التفاعل فى صورة غـــاز أو راسب0

أمثــــلة :-

NaCl + AgNO3 AgCl + NaNO3

Mg + 2HCl MgCl2 + H2

 

 

 

2 ــ التفاعلات الإنعكاسية ( غير التامة )

 

وهى التفاعلات غير المنتهية والتى تسير فى إتجاهين الطردى والعكسى0

مثـــال :- تفاعل الأسترة : ماء + استر كحول + حمض

CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O

وإذا اختبرنا محلول التفاعل بورقة عباد الشمس زرقاء نجدها تحمر 000( عـــلل) وسبب هذه الحموضة أن المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل تكون موجودة باستمرار فى حيز التفاعل ( لأن التفاعل يسير فى الاتجاه العكسى أى اتجاه تكوين الحمض )

الاتزان الكيميــــائى

يتم فى التفــاعلات الإنعكاسية وهو عبـــارة عن نظـام ديناميكى يحدث عندما يتساوى معدل التفاعل الطردى مع معدل التفاعـــل العكسى وتثبت تركيزات المواد المتفاعلــــة والنواتج عند ثبوت

درجة الحرارة والضغط0

أى أن :- r1 = r2

معـــدل التفاعل الكيميائى

هو مقدار التغير لتركيز المواد المتفاعلة فى وحدة الزمن0

( وحدة التركيز هى :- مــول / لتر ويعبر عنه بقوسين [ ] )

ولذلك فإن بعض التفاعلات الكيميائية تنتهى فى وقت قصير جداً ( لحظية ) وبعضها تكون بطيئة وأخرى بطيئة جداً0

فى التفاعلات التامة :- يقل تركيز المواد المتفاعلة الى أن تستهلك تماماً ويزداد تركيز المواد الناتجة

فى التفاعلات الإنعكاسية :- زيادة تركيز المواد الناتجة وقلة تركيز المواد المتفاعلة يستمران الى أن يصل الى حالة الاتزان00

العوامل التى تؤثر على معدل التفاعل الكيميائي

1ــ طبيعة المواد المتفاعلة ويقصد بها عاملان همــــــا :-

( أ ) نوع الترابط فى المواد المتفاعلة عندما تكون المركبات أيونية كان التفاعل سريع ولحظى ولكن المركبلت التساهمية تفاعلاتها بطيئة ( عـلل)

الســـبب:- لان المركبات الأيونية تتفاعل بسرعة بمجرد خلطها معاً عن طريق الأيونات، ولكن المركبات التساهمية تفاعلاتها بطيئة لأنها تتم بين الجزيئات0

( ب ) مساحة السطح المعرض للتفاعل:-

يزيد معدل التفاعل الكيميائي كلما كانت الواد المتفاعلة مجزأة أوعلى هيئة مسحوق(عــلل)

السبب:- لزيادة مساحة المساحة المعرضة للتفاعل0

2ــ تركيز المواد المتفاعلة :-

كلما زاد تركيز المواد المتفاعلة ( أى زيادة عدد الجزيئات ) كلما زادت فرص التصادم وبالتالى زادت سرعة التفاعل0

*وقد وضع العلماء (جولدن برج وفاج) قانون يوضح العلاقة بين التركيز وسرعة التفاعل

قانون فعـــل الكتلة :- ينص على أن :-

عند ثبوت درجة الحرارة تتناسب سرعة التفاعل الكيميائي تناسباً طردياَ مع حاصل ضرب التركيزات الجزيئية لمواد التفاعل0

قاعدة لو شاتلية :- ( فى حالة التفاعلات الإنعكاسية ) تنص على أن :-

إذا حدث تغير فى أحد العوامل المؤثرة على نظام فى حالة إتزان مثل التركيز ودرجة الحرارة والضغط فإن التفاعل ينشط فى الاتجاه الذى يقلل أو يلغى هذا تأثير هذا التغير0

ومن هذه القاعدة لاحـــظ أن :-

عند زيادة تركيز المواد المتفاعلة فإن التفاعل يسير فى الاتجاة العكسى وعنـــــد زيادة تركيز المواد الناتجة التفاعل يسير فى الاتجـــاة الطردى0

( وهذا يحدث لكى تعود حالة الاتزان )

مثـــال :- فى التفاعل التالى :-  FeCl3 + 3NH4SCN Fe( SCN )3 + 3NH4Cl

عند إضافة مزيد من كلوريد الحديد III الأصفر نجد أن لون المحلول يزداد احمراراً ( حسب قاعدة لوشاتيلية ) وعبر عن كلا من المعدلين للتفاعل بما يأتى :-

r1  ]FeCl3][ NH4SCN]3 r2  [Fe( SCN )3][NH4Cl]3

r1 = K1 ]FeCl3][ NH4SCN]3 r2 = K2[Fe( SCN)3][NH4Cl]3

وفى حالة الاتزان فإن :- r2 = r1

K1 ]FeCl3][ NH4SCN]3 = K2[Fe( SCN)3][NH4Cl]3

K1 [Fe( SCN)3][NH4Cl]3

K2 ]FeCl3][ NH4SCN]3

حاصل ضرب تركيزات المواد الناتجة حاصل ضرب تركيزات المواد المتفاعلة

ملاحظة هـــامة :-

اذا كان مقدار ثابت الاتزان (KC ) صغير أقل من واحد صحيح تعنى أن تركيز النواتج (البسط) أقل من تركيز المتفاعلات ( المقام ) أى أن هذا التفاعل لا يسير بشكل جيــــد ومعنى ذلك أن التفاعل عكسى، ولكن المقدار كبير يعنى أن التفاعل يستمر الى قرب نهايته0

تزداد سرعة التفاعل الكيميائى عندما تزيد سرعة جزيئات المواد المتفاعلة التى تصطدم ببعضها ولذلك لابد من طاقة معينة للجزئ لكى يتفاعل تسمى :-

طاقــة التنشيط :- وهى الحد الأدنى من الطاقة التى يحب أن يمتلكها الجزئ لكى يتفاعل عند الاصطدام0

الجزيئات المنشطــة :- هى الجزيئات التى تمتلك طاقة حركية مساوية لطاقة التنشيط أو تفوقها0

** عند زيادة درجة الحرارة يزيد معدل التفاعل الكيميائى ( عــــلل )

الســبب :- لأن زيادة درجة الحرارة يزيد عدد الجزيئات المنشطة وبالتالى يزداد عدد الاصطدامات بينها أى تزداد سرعة التفاعل0

** وعند تطبيق تأثير درجة الحرارة على التفاعلات الانعكاسية (حسب قاعدة لوشاتيلية) فى التفاعلات الطاردة للحرارة ( H = - ) فإن زيادة درجة الحرارة تؤدى الى أن التفاعل يسير فى الاتجاه العكسى ، ولكن عند إزاحة ( إمتصاص ) الحرارة أى بالتبريد فإن التفاعل يسير فى الاتجاه الطردى0

مثــال :- فى التفاعل التالى :-

2NO2 N2O4 + heat

4-تأثير الضغـط ( وهذا يؤثر فقط فى التفاعلات الانعكاسية)

وإذا كانت المواد المتفاعلة والناتجة فى الحالة الغازية فإن التعبير عن التركيز بإستخدام ضغطها الجزئى0

ولذلك نجـــد أن :- ا- إذا زاد الضغط لتفاعل متزن فإن التفاعل يسير فى الاتجاه الذى يقل فيه الحجم ( أى فى الاتجاه الذى يقل فيه عدد الجزيئات)

ب- إذانقص الضغط لتفاعل متزن فإن التفاعل يسير فى الاتجاه الذى يزيد فيه الحجم ( أى فى الاتجاه الذى يزيد فيه عدد الجزيئات )

مثـــال :- فى التفاعل التالى :- N2 + 3H2 2NH3

ويعبر فى هذه الحالة عن ثابت الاتزان بالرمز ( Kb ) دلالة على أن التركيز يعبر عنه بالضعط الجزئي0

مثال محلول :- فى التفاعل التالى :- N2(g) + O2(g) 2NO (g)

إذا كانت الضغوط هى : 2 ضغط جو ، 1 ضغط جو ، 0.2 ضغط جو للغازات N2 , O2 , NO2 على الترتيب , احسب ثابت الاتزان ؟

P 2 ( P O2 )

P ( N2 ) × P2 ( O2 )

( 2 )2 4

( 1 )2 × ( 0.2 ) 0.2

5- العوامل الحفازة :-

العـامل الحفاز :- هو المادة التى تزيد معدل التفاعل الكيميائى دون أن تتغير أو تغير من وضع الاتزان0

السبب : لأنه يقلل من طاقة التنشيط اللازمة للتفاعل فتزداد فرص الأصطدام بين الجزيئات

ملاحــظة هامة :- العامل الحفاز لا يؤثر فى التفاعلات الانعكاسية ( عـــلل)

السبب :- لانه يساعد كل من الاتجاهين معاً الطردى والعكسى بنفس المقدار 0

أمثلة للعوامل الحفازة ( الحفازات ) :-

صناعة الأسمدة والبتروكيماويات والأغذية ، فى المحولات الحفزية لشكمانات السيارات0

6ـــ تأثير الضـــــوء :-

تتأثر بعض التفاعلات الكيميائية بالضوء 0 مثـــــــــل :-

اـــــ التمثيل الضوئى فى النبات :- يقوم الكلورفيل بإمتصاص الضوء ويكون الكربوهيدرات فى وجود غاز CO2 والماء0

ب ـــ أفلام التصوير تحتوى على بروميد الفضة فى طبقة جيلاتينية وعندما يسقط الضوء عليها فإنه يكسب أيون الفضة الموجب الكترون من أيون البروميد السالب ليتحول الى فضة ويمتص البروم الطبقة الجيلاتينية0

العوامل الغير مؤثرة على الاتزان الكيميائي

 المواد المحفزة :

وهي عبارة عن بعض المواد المضافة إلى التفاعل الكيميائي، وهذه المواد المحفزة لا تؤثر على الاتزان الكيميائي. ولكن المواد المحفزة تساعد على زيادة سرعة التفاعل الكيميائي.

إضافة غاز خامل :

الغاز الخامل لا يؤثر على الاتزان الكيميائي، ولكن الغاز الخامل يعمل على زيادة الضغط الكلي داخل التفاعلات الكيميائية.

الاتزان الأيـــــونى

تطبيقات قانون فعل الكتلة :-

أولاً :- المحاليل الإلكترولية

وهى التى توصل التيار الكهربى حيث تتفكك الى أيونات موجبة وسالبة وتنقســـــم الى نوعين همــا :-

1ــ الإلكتروليات القوية :- وهى التى يحدث لها تأين تام عند إذابتها فى الماء0

مثـــل ( الأحماض والقلويات والأملاح )

HCl H+ + Cl-

NaOH Na+ + OH-

2ــ الإلكتروليات الضعيفة :- وهى التى يحدث لها تأين ضعيف ( جزئى)

وتنشأ حالة من الاتزان ( تسمى الاتزان الأيونى ) CH3COOH CH3COO- + H+

NH4OH NH4+ + OH-

الاتزان الأيـــونى

ينشأ فى حالةالإلكتروليات الضعيفة حيث يوجد اتزان بين الجزيئات غير المتأينة وبين الأيونات الناتجة عنها 0

عـــلل :- المركبات التساهمية تكون إلكتروليات ضعيفة أى رديئة التوصيل الكهربى أو عديمة التوصيل ( مثل : محلول السكر والزيوت والدهون )

السبب :- لأنها مواد غير متأينة0

التأين :- هو عملية تحول الجزيئات غير المتأينة الى أيونات موجبة وسالبة0

التأين التام :- يحدث فى الإلكتروليات القوية وفيه تتحول كل الجزيئات غير المتأينة الى أيونات0

التأين الضعيف :- يحدث فى الإلكتروليـتـات الضعيفـــة وفيه يتحول جزء ضئيل من الجزيئات غيرالمتأينة الى أيونات وتوجد حالتان متعاكستان هى تفكك الجزيئات الى أيونات واتحاد الأيونات لتكوين الجزيئات 0

أيون الهيدرونيوم ( البروتون المماه )

ينتج من إذابة الأحماض فى الماء حيث تتكون رابطة تناسقية بين أيونات الهيدروجين

الموجب ( البروتون ) وأكسجين الماء 0

(ولذلك لايوجد البروتون منفرداً فى المــــاء }0000 عــــلل

ملاحظـة هامة :- قانون فعل الكتلة لا يطبق إلا على محاليل الإلكترولياتالضعيفة فقط0

السبب :- لأن الإلكتروليات القوية لا تحتوى محاليلها على جزيئات غير متفككة لأنها تامة التأين0

مثال ( 1 ) :- أحسب تركيز أيونات الهيدروجين فى محلول ( 0.1 مولارى ) من حمض الهيدروسيانيك ( HCN ) عند درجة حرارة 525 م علماً بإن ثابت الاتزان للحمض هو :-

HCN + H2O H3O + CN-

7.2 × 10-10 = Ka

 

ثانياً :- تأين المــــــاء

الماء النقى الكتروليت ضعيف ردئ التوصيل الكهربى ويعبر عن تأينه كالآتى:-

H2O H+ + OH

[ H+ ] [ OH ]

[ H2O ]

Kc [ H2O ] = [ H+ ] [ OH ] =

وتركيز الماء دائماً ثابت

Kw = [ H+ ] [ OH ] = 10 -14

 

وهو حاصل ضرب نركيزى أيون الهيدروجين الموجبة وأيون الهيدروكسيل السالبة ويساوى 10 14 مول / لتر

ويلاحظ أن :- إذا زاد تركيز أيون الهيدروجين قل تركيز أيون الهيدروكسيل بنفس المقدار

لاحـــظ أن :- إذا كان [ H+ ] > [ OH ] فيكون المحلول حمضى

إذا كان [ H+ ] < [ OH ] فيكون المحلول قاعـدى

إذا كان [ H+ ] = [ OH ] فيكون المحلول متعادل = 10 7 مول/لتر

الأس( الرقم ) الهيدروجينى [ PH ]

هو أسلوب للتعبير عن درجة الحموضة والقاعدية للمحاليل المائية (بأرقام متسلسلة موجبة تبدأ من صفر الى 14)

**** وهو اللوغاريتم السالب لتركيز أيون الهيدروجين( ويقاس بجهاز يسمى

أى أن :- PH = - لو [ H+ ] PH meter وىمكن استنتاج ما يلى من الحاصل الأيونى للماء :-

14 = POH + PH

قيم PH

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

تزداد الحامضية تزداد القاعدية

مثـــال ( 1 ) :- تركيز [ H+ ] لمحلول ما يساوى 10 5 فكم يكون تركيز[ OH ]

[ H+ ] [ OH ] = 10 10 5 × [ OH ] = 10

[ OH ] = 10 9

ثالثاً :- التحلل المائى للأملاح ( التميؤ )

عكس عملية التعادل فعند ذوبان الملح فى الماء ينتج الحمض والقلوى المشتق منهما الملح0

لاحــظ أن:- الأملاح دائماً الأيون الموجب لها مشتق من الحمض والأيون السالب

مشتق من القلوى مثــل :- كربونات الصوديوم وكبريتات البوتاسيوم ونترات الحديد11 وكبريتات النحاس وهكذا000000

**** إذا كان الملح مشتق من :-

الحمض القلوى التأثير

قــــوى قـــوي متعــــادل

ضعيف ضعيف متعــــادل

قــــوى ضعيف حمضى

ضعيف قــــوى قلوى

 

أمثلة لبعض الأحماض والقواعد :-

الأحماض القواعد

القــــوية الضعيفة القــــوية الضعيفة

H2SO4 HCN KOH NH4OH

HNO3 H2CO3 NaOH Fe(OH)2

HCl CH3COOH Mg(OH)2 Cu(OH)2

ويلاحظ من التفاعل تكون حمض الكربونيك الضعيف وأيونات الصوديوم وأيونات الهيدروكسيل ( لا يتكون هيدروكسيد الصوديوم لانه الكتروليت قوى ) ولذلك نجد أنه يتم سحب أيونات الهيدروجين باستمرار وزيادة تركيز أيونات الهيدروكسيل أى أن :- H+ ] ] < [ OH ] فيصبح المحلول قلوى0

( الملح مشتق من حمض ضعيف وقاعدة قوية )

مثـــال ( 2 ) :- التحلل المائى لكلوريد الأمونيوم

NH4Cl NH4+ + Cl-

H2O H+ + OH-

Na CO3 + 2H2O = H+ + Cl- + NH4OH

ويلاحظ من التفاعل تكون هيدروكسيد الأمونيوم الضعيف وأيونات الكلوريد

وأيونات الهيدروجين ( لا يتكون حمض الهيدروكلوريك لانه الكتروليت قوى )

أنه يتم سحب أيونات الهيدروكسيل باستمرار وزيادة تركيز أيونات الهيدروجين

أى أن :- H+ ] ] > [ OH ] فيصبح المحلول حمضى0 { الملح مشتق من حمض قوى وقاعدة ضعيفة }

 

رابعاً:- حاصل الإذابة ( KSP )

هو حاصل ضرب تركيزأيونات مركب أيونى ( شحيح الذوبان فى الماء ) مقدراً بالمول / لتر والت توجد فى حالة اتزان مع محلولها المشبع0

*** عند إذابة كمية من المذاب فى المذيب عندما تصـــل الى التشبع أى أن المذيب ليس له القدرة على إذابة المذاب ، فيبقى حجم المحلول ثـــابت والحرارة ثابتـــــة، وعند إضافة مزيد من المذاب يترسب ويكون فى حالة اتزان بين المادة الصلبة (المذاب ) والمحلول ( المذيب ) وسرعو الذوبان = سرعة الترسيب0

ملاحـــظة :- تركيز المادة الصلبة دائماً يظل ثابتاً تقريباً0

الخصائص الخاصة بالاتزان الكيميائي :

 يحتوي الاتزان الكيميائي على تفاعلين عكسيين أو متضادين.

 وتكون نتيجة التفاعل أما أن تكون طردية أو عكسية.

 لكي يصل التفاعل الكيميائي إلى الاتزان.

 يتميز الاتزان الكيميائي بأن له طبيعة نشطة بشكل مستمر، ويسير التفاعل الكيميائي نحو الاتزان بشكل تلقائي جداً.

 يحدث الاتزان الكيميائي دون أي تدخل خارجي أو دون أن يحدث أي تغييرات في النظام الكيميائي، مثل الحرارة أو الضغط.

نسبة التركيز المواد المتفاعلة تؤدي إلى حدوث نوع من الإخلال في خصائص المجموعة الثابتة والمتزنة وذلك بمرور الوقت.

 إذا حدث اختلال في الاتزان الكيميائي بسبب أي مؤثر خارجي، فإن المجموعة التي تغير خصائصها تقوم بمعاكسة الفعل على المؤثر الخارجي.

 

 

 

المراجع :

منتدى الخامسة والستون https://school-65.yoo7.com/t170-topic

موقع ملزمتي

 https://abhaskom.blogspot.com/