الاتزان الكيميائي والعوامل المؤثرة عليه

الأسس النظرية المتعلقة بالكشف

عن الشقوق القاعدية

(1)           الاتزان الكيميائي والعوامل المؤثرة  عليه:

تعريف الاتزان الكيميائي :

عند تفاعل غاز ثاني أكسيد النتروجين  NO₂(بني محمر) مع غاز أول أكسيد الكربون  CO (عديم اللون) فان لون NO₂ يفتح نتيجة لتفاعل جزء من أول أكسيد الكربون وينتجا غازي CO₂ وNO (عديمي اللون) وفقا للمعادلة :

      CO  +  NO                    CO₂ + NO                 (1)  

واذا مزجنا CO2 مع  NO(عديمي اللون) فانه بعد فترة نحصل على لون ضارب للحمرة يظهر نتيجة لتكون NO2 وفقا للمعادلة :

       CO₂ + NO                     CO + NO₂                  (2)

وبدمج المعادلتين (1) و (2) :

              CO + NO₂                      CO₂ + NO

ويستمر التفاعل (1) و(2) الى ان يتساوى سرعتاهما فيثبت لون المزيج ويصبح المزيج عندئذ في حالة اتزان .

أي أن الاتزان الكيميائي :

هي الحالة التي يكون فيها سرعة التفاعلين العكسيين متساوية وعندها تظل تراكيزالمواد المكونة للمجموعة الكيميائية ثابتة لا تتغير بمرور الوقت طالما لم تتغير الظروف الخارجية .

ثابت الاتزان :

 هو مقدار ثابت يعبر عن حالة الاتزان التي يصل إليها مجموعة من المواد الكيميائية المتفاعلة عكسيا عندما يكون سرعتا التفاعليين العكسيين متساوية وقيمته تساوي كسرا بسطه حاصل ضرب تراكيز المواد الناتجة عن التفاعل مرفوعا تركيز كل مادة منها الى أس يساوي معامل هذه المادة في معادلة التفاعل الموزونة ومقامه حاصل ضرب تراكيز المواد الداخلة في التفاعل مرفوعا تركيز كل مادة منها الى أس يساوي معتمل هذه المادة في معادلة التفاعل أيضا أي أنه في التفاعل :

           aA  + bB                      cC  +   d D 

نجد أن ثابت الاتزان يساوي  :

                                                 [C]^c [D]^d  =  K                                                                               [A]^a [B]^b

حيث k ثابت يعتمد على درجة الحرارة وعلى طبيعة المواد الداخلة في التفاعل والناتجة عنه .

العوامل المؤثرة على حالة الاتزان :

رأينا أن ثابت الاتزان يعتمد على طبيعة المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل وأن الاتزان يعتمد على تركيز هذه المواد وعلى درجة الحرارة وقام لوشاتلييه بدراسة حالات الاتزان لتفاعلات كثيرة وتوصل إلى هذا المبدأ .

مبدأ لوشاتلييه Le Chatelier   :

" إذا اثر مؤثر ما مثل درجة الحرارة أو الضغط أو التركيز على تفاعل كيميائي في حالة اتزان فان التفاعل يسير في الاتجاه الذي يقاوم مثل هذا المؤثر "

(أ‌)   

أثر التركيز على حالة الاتزان :

مثال : إذا أضيف الماء (H₂O) إلى كلوريد البز موت ((BiCl₃  (عديم اللون) نلاحظ تكون راسب أبيض من أوكسي كلوريد البز موت BiOCl   (راسب أبيض) طبقا للمعادلة :

      BiCl₃  + H₂O                       BiOCl + 2HCl

·       عند إضافة الماء (الطرف الأيسر) إلى وعاء التفاعل نلاحظ ازدياد كثافة اللون الأبيض ( الطرف الأيمن ).

·       عند زيادة تركيز الحمض (HCl) ( الطرف الأيمن ) تقل كثافة اللون الأبيض(الطرف الأيسر) .

ملاحظة : بزيادة تركيز المواد المتفاعلة يزداد التفاعل وذلك لزيادة سرعة الصدمات بين الجزيئات وبالتالي  تزداد سرعة التفاعل وتتناسب سرعة التفاعل طرديا مع تركيزات المواد المتفاعلة .

(ب‌)          أثر الضغط على حالة الاتزان :

من الدراسات السابقة وجدنا أن عند درجة حرارة معينة يتناسب ضغط الغاز طردا مع تركيز جزيئات الغاز لذا فان أثر الضغط على الاتزان مقصور على التفاعلات الغازية حيث أن أي تغير في الضغط يتبعه تغير في درجة التركيز- لذا فان ما قيل عن أثر التركيز ينطبق أيضا على الضغط .

ولقد وضع " وليم هنري " قانونه المشهور الذي ينص على أن تركيز الغاز المذاب في سائل عند أي درجة حرارة يتناسب مباشرة مع ضغط الغاز ويعبر عن هذا القانون بالعلاقة التالية :

                                    C_g = K_g P_g

حيث    Cg تعبر عن تركيز الغاز و Pgتعبر عن ضغط الغاز و K_g = ثابت

(ج)أثر درجة الحرارة على حالة الاتزان :

من الثابت عمليا أن قيمة ثابت الاتزان للتفاعلات الماصة للحرارةendothermic)) أي التفاعلات التي تكون حرارة التفاعل فيها ( (∆Hموجبة تزداد بارتفاع درجة الحرارة بينما تنخفض قيمة ثابت الاتزان بارتفاع درجة الحرارة في التفاعلات الطاردة للحرارة (exothermic) أي التي تكون حرارة التفاعل فيها(∆H )  سالبة .

فالتفاعل الأول الماص للحرارة :

N₂O₂ (g)                    2NO₂(g)             ∆H =14 K.cal

له ثابت اتزان 0.113 عند درجة حرارة 25 درجة مئوية و 12.6 عند درجة حرارة 100 درجة مئوية .

أما التفاعل الثاني الطارد للحرارة :

SO₂ (g)  + 1/2 O₂(g)               SO₃(g)    )       ∆H  = -23 K.cal      

           له ثابت اتزان    1.74x10¹² عند درجة حرارة 25 درجة مئوية بينما عند درجة حرارة 327 درجة مئوية هو 3.17 x10³

ويمكن تفسير تأثير الحرارة في ثابت الاتزان بموجب  " مبدأ لوشاتلييه " باعتبار الحرارة وكأنها مادة متفاعلة وذلك في التفاعلات الماصة للحرارة ثم وكأنها " ناتج" في التفاعلات الطاردة للحرارة .

ملاحظة :

 بزيادة درجة الحرارة تزداد الطاقة الحركية للجزيئات المتفاعلة (طاقة التنشيط ) وبالتالي تزداد  معدل الصدمات فتزداد سرعة التفاعل سرعة التفاعل.

(د) أثر المواد الحافزة على حالة الاتزان :

إن المواد الحافزة تزيد من سرعة التفاعل بأن توفر للمواد المتفاعلة مسارا سهلا تنتقل عبره إلى نواتج التفاعل إلا أن المادة الحافزة التي تزيد في سرعة التفاعل في اتجاه معين تزيد أيضا  من سرعته في الاتجاه المعاكس لأن المركب  المنشط عامل مشترك بين أي تفاعل وعكسه ولهذا فأن المواد الحافزة لا تؤثر في الاتزان و لا في قيمة ثابت الاتزان

   

 عند تحضير الأكسجين يضاف ثاني أكسيد المنجنيز كمادة حافزة لإسراع التفاعل إلى كلورات  البوتاسيوم

2KClO₃                              2KCl  + 3O₂

MnO₂     

                                    مادة حافزة ثاني أكسيد المنجنيز

 

(2)            تأثير الأيون المشترك :

إذا حدث تغير بالزيادة أو النقصان لأيون مشترك في أحد طرفي التفاعل فأن التفاعل يسير في الاتجاه المعاكس .

مثال : عند إضافة محلول الثيوسيانات إلى وسط التفاعل بعد الاتزان يزداد لون الأيون  FeSCN⁺⁺ وضوحا بينما إذا أضفنا NaNO₃ الى وسط التفاعل تقل كثافة اللون الأحمر وهكذا .

NaSCN + Fe(NO₃)₃                   Fe(SCN)₃ + NaNO₃