العوامل المؤثرة في وضع الاتزان

يجري الاهتمام بزيادة تركيز NH 3 عند الاتزان؛ فهل يتم ذلك برفع درجة الحرارة أم خفضها؟ وبزيادة الضغط أم خفضه؟ لقد درس العالم الفرنسي لوتشاتلييه عدة أوضاع اتزان لتفاعلات كيميائية وتغيرات طبيعية، وتصول إلى مبدأ يعرف باسمه، يمكن بوساطته التنبؤ وصفياً بأثر العوامل المختلفة في موضع الاتزان. وينص مبدأ لوتشاتلييه على أنه إذ حدث تغير في أحد العوامل المؤثرة في الاتزان – كدرجة الحرارة أو التركيز أو الضغط – فإن الاتزان سيعدل موضعه بحيث يقلل تأثر التغير إلى أقصى درجة ممكنة.
وستناقش فيما يأتي تأثير العوامل المختلفة في وضع الاتزان بناءً على مبدأ لوتشاتلييه:
1- التركيز
عند إضافة محلول ثيوسيانات البوتاسيوم إلى محلول كلوريد الحديد (III) يتلون المزيج باللون الأحمر، وبمرور بعض الوقت تثبت شدة لون المحلول نظراً لوصول التفاعل إلى وضع الاتزان:

ولدراسة تأثير تغير التراكيز في وضع الاتزان نفذ النشاط الآتي:

النشاط (5-3): اتزان ذوبان اليود في مذيبين
تحتاج لإجراء هذا النشاط المحاليل الآتية : K 2CrO 4ا (1 غ/ 50مل) ، K 2Cr 2O 7ا (1 غ/ 50 مل) محلول HCl حجمه 50 مل وتركيزه (1 مول/ لتر). محلول NaOH حجمه 50 مل وتركيزه (1 مول/ لتر)، قطارتين، أنابيب اختبار.
– ضع 5 مل من محلول SK 2CrO 4 في أنبوب اختبار. أضف بضع قطرات من محلول HCl. لاحظ تغير اللون.
سجل ملاحظاتك، ثم أضف بضع قطرات من محلول NaOH ولاحظ تغير اللون وسجل ملاحظاتك.
حاول أن تفسر النتائج اعتماداً على المعادلة الآتية:

والآن ادرس الاتزان الآتي الذي تمثله المعادلة:

فإذا أضفت كتلة من غاز CO 2 إلى التفاعل المتزن، فما تأثير ذلك في تراكيز النواتج (H 2O , CO) وهل يتغير ثابت الاتزان بسبب ذلك؟
للإجابة عن السؤالين، ادرس التجربة الآتية ونتائجها:
في إحدى التجارب على التفاعل السابق تم قياس تراكيز مكونات التفاعل (H 2 , CO 2) عند الاتزان. وبعد إضافة كتلة من غاز CO 2 إلى وعاء التفاعل قيست التراكيز بعد فترة مناسبة فوجد بأن التفاعل قد وصل إلى وضع اتزان جديد، وكانت النتائج، كما في الجدول الآتي:

التراكيز (مول/لتر) عند الاتزان قبل إضافة Co2

التراكيز (مول/ لتر) بعد إضافة Co2 والوصول إلى اتزان جديد

• احسب ثابت الاتزان في الحالتين، ماذا تلاحظ؟
• ما أثر إضافة CO 2 في كل من : تراكيز النواتج، تركيز H2؟
• في أي الاتجاهين مال موضع الاتزان؟

في التفاعل المتزن الآتي :
ما أثر كل من المتغيرات الآتية في تركيز SO 3 عند الاتزان؟
1- زيادة تركيز SO 2 ا 2-نقص تركيز O 2.

الترسبات في الكهوف الجيرية

تتكونُ الكهوف الجيرية في المناطق الغنية بالصخور الجيرية (كربونات الكالسيوم) انظر الشكل. وكربونات الكالسيوم قليلة الذوبان في الماء كما يتبين من قيمة KC للاتزان الآتي:

وتـزداد ذائبية CaCO 3 إذا أزيح موضـع الاتزان السابق إلى جهة اليمين، ويتم ذلك بتفاعل الأيونات مع أيونات +H 3O التي تمّيز المحاليل الحمضية:

وتنتج أيونات +H 3O من ذوبان غاز Co 2 في الماء حسب المعادلة الآتية:

وبدمج المعادلات السابقة تحصل على معادلة الاتزان الكلي التي تمثل ذوبان الصخور الجيرية بفعل مياه الأمطار المشبعة بغاز CO 2 ثم ترسبها ثانية كما في المعادلة الآتية:

وعندما تسرب قطرات الماء التي تحتوي على الأيونات () من سقف الكهف تفقد غاز CO 2 مما يسبب إزاحة موضع الاتزان إلى جهة اليسار فتترسب تبعاً لذلك CaCO 3، وبمرور الزمن تتراكم هذه الترسبات على السقف مكونة ما يشبه الأعمدة التي يزداد طولها تدريجياً وتتخذ أشكالاً جميلة تتدلى من سقف الكهف وتسمى الأعمدة الهابطة (ستالاكتايت).
وفي حال سقوط قطرات الماء التي تحتوي على أيونات () على أرضية الكهف فإن البروزات تتكون على أرضية الكهف وتسمى الأعمدة الصاعدة (ستالاغمايت). وتبلغ سرعة تكوّن البروزات قرابة 2 مم في السنة. وقد تلتقي الأعمدة الصاعدة- أحياناً- مع تلك الهابطة من السقف مكونة أشكالاً جميلة.

2- درجة الحرارة
تعلم أن التفاعلات الكيميائية قد تكون ماصة للحرارة أو طاردة لها. وعند تمثيل التفاعل الماص للحرارة تظهر الحرارة الممتصة إلى جانب المواد المتفاعلة:

وفي التفاعل الطارد للحرارة تظهر إلى جانب المواد الناتجة:

والسؤال الذي يطرح نفسه: ما أثر تغيير درجة الحرارة في حالة الاتزان لتفاعل ما؟
يبين الجدول (5-4) : قيم ثابت الاتزان لتفاعلين أحدهما ماص للحرارة (أ) والآخر طارد لها (ب) عند درجات حرارة مختلفة:

( أ ) تفاعل ماص للحرارة

درجة الحرارة (س‏ْ)
ثابت الاتزان
1600
1800
2000
2200
2.5 × 10 -4
7.3 × 10 -4
19 × 10 -4
41 × 10 -4
( ب ) تفاعل طارد للحرارة

درجة الحرارة (س‏ْ)
ثابت الاتزان
340
380
420
460
70.8
61.9
53.7
46.8

أنظر في بيانات الجدول (5-4) كيف تتغير قيم ثابت الاتزان بارتفاع درجة الحرارة في كل من الحالتين؟
و كيف تفسر هذه النتائج وفقاً لمبدأ لوتشاتلييه؟
بدراسة المعادلة من الجدول (5 –4/أ)

تلاحظ أن التفاعل في الاتجاه الأمامي () يمتص الحرارة حتى يتحد النتروجين والأكسجين لتكوين أكسيد النتروجين (II)، وفي التفاعل العكسي () تنطلق الحرارة عند تفكك NO وعند رفع درجة الحرارة فإن موضع الاتزان يميل نحو الجهة التي تمتص الحرارة المعطاة، أي جهة اتحاد بعض جزيئات O 2 ، N 2 وتكوين المزيد من جزيئات NO.
وتؤدي إزاحة الاتزان في التفاعل السابق إلى اليمين – بارتفاع درجة الحرارة – إلى تناقص تركيز o 2 ، N 2 وتزايد تركيز NO؛ مقارنة بتراكيزها عند درجة الحرارة المنخفضة، فتزداد تبعاً لذلك – قيمة ثابتة الاتزان، وهذا يتفق مع النتائج التجريبية المبينة في الجدول (5 –4).
وبدراسة المعادلة الآتية من الجدول (5-4/ب).

تلاحظ أن رفع درجة الحرارة سيؤدي إلى ميل الاتزان إلى الجهة التي تمتص فيها الحرارة المعطاة ()؛ أي جهة تفكك بعض جزيئات HI ليصل إلى اتزان جديد تقل فيه قيمة (K C)؛ مقارنة بقيمته عند درجة الحرارة المنخفضة.

انقل الجدول الآتي إلى دفترك واملأ الفراغات فيه:

نوع التفاعل
التغير في درجة الحرارة
اتجاه الاتزان
قيمة K C
ماص للحرارة
زيادة
نقصان

……….
تزداد
……….
طارد للحرارة
زيادة
نقصان
……….
……….
……….
……….

3- الضغط
يتناسب ضغط الغاز (عند درجة حرارة معينة) طردياً مع تركيز جزيئاته، ويعتمد ضغط الغاز على عدد الجزيئات وليس على نوع الغاز؛- فالضغط الناتج من (1) مول من غاز H 2 يساوي الضغط الناتج من (1) مول من غاز CO 2 أو من (1) مول من أي غاز آخر عند درجة الحرارة نفسها.
يعد الضغط من العوامل المؤثرة في حالة الاتزان، وبخاصة في التفاعلات الغازية.
ادرس معادلة الاتزان الآتي:

دقق في معادلة التفاعل، كيف يتغير عدد الجزيئات بسبب التفاعل؟ وما أثر ذلك في الضغط الناتج؟

تبين معادلة التفاعل أن جزيئاً واحداً من CH 3OH ينتج كلماً اختف جزيء CO، وجزيئان من H 2؛ أي أن التفاعل في الاتجاه الأمامي يؤدي إلى نقص في عدد الجزيئات مما يؤدي إلى نقص في الضغط. وعلى عكس ذلك يؤدي الاتجاه الآخر إلى زيادة الضغط بسبب زيادة عدد الجزيئات.
تأمل الشكل ( 5-14) ولاحظ ماذا يحدث للاتزان لو زاد الضغط الخارجي (مع بقاء درجة الحرارة ثابتة)؟
إن زيادة الضغط الخارجي ستؤدي إلى تنقص في الحجم مما يؤدي إلى زيادة تراكيز مكونات التفاعل.
وفقاً لمبدأ لو تشاتلييه سيتجه التفاعل إلى الجهة التي تقلل من الضغط، أي الجهة التي سيقل فيها العدد الكلي للجزيئات، وذلك بأن تتفاعل بعض جزيئات CO مع بعض جزيئات H 2 لتكوين CH 3OH ا(3 جزيئات تعطي جزيئاً واحداً). وبالمثل، يؤدي تقليل الضغط الواقع على التفاعل المتزن إلى إزاحته نحو الجهة التي يزداد فيها عدد الجزيئات، أي الجهة التي تتفكك فيها بعض جزيئات CH 3OH لتعطي H 2، CO (جزيء واحد يعطي 3 جزيئات). ولكن، هل يتأثر موضع الاتزان بتغير الضغط في التفاعلات الغازية جميعها؟
ادرس معادلة الاتزان الآتي:

هل يصاحب هذا التفاعل تغير في عدد الجزيئات؟ وهل تتأثر حالة الاتزان بتغيير الضغط الواقع عليه؟
بما أن هذا التفاعل غير مصحوب بتغير في عدد الجزيئات؛ فإن تغير الضغط لن يؤثر في حالة الاتزان؛ إذ إن انزياح لااتزان إلى أي من الاتجاهين لا يساعد على مقاومة أثر تغيير الضغط. وتنطبق هذه النتيجة على أي تفاعل غازي لا يصاحبه تغير في عدد الجزيئات.

سؤال

انظر إلى معادلة الاتزان الآتية :

ما أثر كل مما يلي على شدة اللون البني:
1- زيادة الضغط الكلي 2- زيادة حجم الوعاء 3- زيادة درجة الحرارة

4- العوامل المساعدة:

الشكل (5-15): طاقة التنشيط بوجود العامل المساعد وغيابه لكل من التفاعل الأمامي والعكسي.
درست سابقاً أن العامل المساعد يعمل على زيادة سرعة التفاعل الكيميائي، إذ إنه يقلل طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل، ففي معادلة الاتزان العامة الآتية:

هل تتوقع أن تتأثر حالة الاتزان إذا أضفت عاملاً مساعداً على وعاء التفاعل؟ للإجابة عن السؤال ادرس الشكل (5-15) وأملأ الجدول الذي يليه:

التفاعل
رمز طاقة التنشيط
الأمامي دون العامل المساعد
الأمامي بوجود العامل المساعد
العكسي دون العامل المساعد
العكسي بوجود العامل المساعد
أ
–
–
–