تعادل 3

برای مشاهده مطلب قبلی تعادل اینجا کلیک کنید

تغییرات آهنگ واکنش در هنگام  نزدیک شدن واکنش به حالت تعادل:

به شکل زیر توجه کنید؛ در لحظه‌ی t=0 مقدار زیادی از مولکول‌های A و B وجود دارد (در t=0 محصول AB تشکیل نشده است) و واکنش رفت سریع است (آهنگ واکنش رفت با F_o نشان داده می‌شود) و واکنش برگشت اتفاق نیفتاده است (آهنگ واکنش برگشت با R_o نشان داده می‌شود).

با گذشت زمان، AB تشکیل می‌شود و A و B مصرف می‌شوند، بنابراین طبیعی است که آهنگ رفت و برگشت تغییر کند. هر چه زمان می‌گذرد، واکنش رفت کندتر شده (A و B کم‌تری باقی مانده) و واکنش برگشت سرعت می‌گیرد (مولکول‌های AB بیش‌تری تولید شده است).

آهنگ واکنش:

در حالت تعادل، آهنگ واکنش رفت و برگشت دقیقاً با هم مساوی خواهند بود:

به عنوان یک مثال از بحث قبلی، واکنش گاز هیدروژن با گاز ید را در نظر می‌گیریم:

این دو گاز برای تشکیل یدید هیدروژن (HI) با هم وارد واکنش می‌شوند. هنگامی که سیستم به تعادل می‌رسد، آهنگ واکنش رفت و برگشت کاملاً با هم برابر می‌شوند و غلظت نسبی HI، H₂ و I₂ ثابت باقی می‌ماند. در حالت تعادل، مقدار HI از H₂ و I₂ بیش‌تر است. در شکل زیر، روند این واکنش را مشاهده می‌کنید.

منظور از [HI] غلظت مولکول‌های HI در واکنش است.

ثابت تعادل:

در واکنش ید و هیدروژن و تشکیل یدید هیدروژن، مقادیر نسبی HI، I₂ و H₂ در سیستم‌های تعادلی مختلف با ثابت تعادل واکنش تعریف می‌شود. این مقادیر در جدول زیر آمده‌اند.

حال ببینیم چگونه می‌توان ثابت تعادل را محاسبه کرد؟

برای هر واکنش شیمیایی در یک دمای معین، نسبت حاصلضرب غلظت اجزای سمت راست واکنش که هر کدام از آن‌ها به توان ضریب خود (تعداد آن محصول) می‌رسد، به حاصلضرب غلظت‌ اجزای سمت راست واکنش که آن‌ها نیز به توان ضریب خود می‌رسند، مقدار ثابتی دارد که به آن ثابت تعادل (K) گفته می‌شود.

در واکنش زیر، محاسبه‌ی ثابت تعادل با استفاده از روش ذکر شده بدین صورت خواهد بود:

  K ثابت تعادل واکنش بوده و مستقل از دما و نوع واکنش است.

به عنوان مثال محاسبه‌ی ثابت تعادل واکنش، معادله‌ی زیر را در نظر می‌گیریم:

 

مواد واکنش دهنده‌ی جامد و مایع در اکثر واکنش‌های شیمیایی، غلظت‌های ثابتی دارند و در محاسبه‌ی K از آن‌ها صرف‌نظر می‌شود:

مقدار ثابت تعادل اطلاعات جالبی راجع به غلظت مواد درگیر واکنش و مورد توجه بودن واکنش رفت یا برگشت به ما می ‌دهد؛ به عنوان مثال وقتی می ‌گوییم مقدار K یک واکنش 1 * 10⁹ است، یعنی غلظت محصولات به طور چشم ‌گیری بیش ‌تر از غلظت  واکنش‌دهنده ‌هاست ( 10⁹ * 1 برابر غلظت واکنش ‌دهنده ‌ها است).  برای نمک‌هایی که به سختی در آب حل می شوند، K_SP تعریف می ‌شود که ثابت حاصل‌ضرب انحلال پذیری نام دارد.

مقدار K هر چه که باشد، می‌توان آن‌را این‌گونه تفسیر کرد:

     وقتی [ محصولات ]  > [ واکنش‌دهنده‌ها ] و K بزرگ است:

-         واکنش، تشکیل محصولات را آسان می‌کند.

-         واکنش در جهت رفت پیشرفت کرده است.

      وقتی [ واکنش‌دهنده‌ها ] > [ محصولات ] و K کوچک است:

-         واکنش، تشکیل محصولات را آسان می‌کند.

-         واکنش در جهت برگشت پیشرفت کرده است.

      وقتی K از 0.1 تا 10 تغییر می‌کند و [ محصولات ] تقریبا مساوی با  [ واکنش‌دهنده‌ها ]:

-         مقادیر قابل توجه و محسوسی از هر دو موجود است.

در تمام موارد بالا، سیستم در حالت تعادل قرار دارد.

برای مشاهده مطالب قبلی تعادل اینجا کلیک کنید.

برای مشاهده مطلب بعدی درباره تعادل اینجا کلیک کنید.

تعادل 1

·     تعادل چیست؟

·     چگونه به سرعت می‌توان به تعادل در یک واکنش شیمیایی رسید؟

·     آیا دما روی تعادل و آهنگ واکنش تأثیر دارد؟

·      ثابت تعادل چیست؟

·      آیا تعادل روی مقدار محصولات واکنش (بازده) تأثیر دارد؟

در این مجموعه به تمامی سؤالات بالا پاسخ خواهیم داد. اما به راستی تعادل چیست؟ تعادل شیمیایی و تعادل فیزیکی چگونه حاصل می‌شوند؟

زمانی که یک واکنش شیمیایی شروع می‌‌شود، ابتدا واکنش دهنده‌ها وارد عمل می‌شوند. رفته رفته از غلظت واکنش دهنده‌ها کم شده و به غلظت محصولات اضافه می‌شود. در نهایت، زمانی می‌رسد که هیچ تغییری در غلظت واکنش دهنده‌ها و محصولات مشاهده نمی‌شود. چنین واکنش‌هایی که در آن‌ها فقط قسمتی از مقدار کلی واکنش دهنده‌ها به محصول تبدیل می‌شود، فرایندهای برگشت‌پذیر نامیده می‌شوند.

تعادل زمانی است که:

•  هر تغییری در طول واکنش برگشت‌پذیر است و می‌تواند با معادله‌ای که شامل یک فلش دو‌طرفه است، نشان داده شود.
•    سیستم تعادلی، محصور و بسته است؛ سیستم بسته و محصور به سیستمی گفته می‌شود که هیچ ماده‌ای نتواند وارد یا خارج این سیستم شود.
•    در حالت تعادل، سیستم پویا است؛ گویی در مقیاس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد هیچ اتفاقی نیفتاده است اما در مقیاس ریز، تغییرات برگشت‌پذیر به طور متوالی روی می‌دهند.

تعادل فیزیکی شامل تغییرات خواص شیمیایی مواد مرتبط با واکنش نیست. برای نمونه، تعادل بخار آب با خود آب در یک بطری در بسته‌ی نیمه پر یک تعادل فیزیکی است زیرا مولکول‌های آب فقط از مایع به بخار تبدیل می‌شوند.

تعادل شیمیایی با تغییر در ترکیب شیمیایی مواد، شکستن و تشکیل پیوند مرتبط است. یک مثال برای این تغییر، تجزیه‌ی اسید استیک است. مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها در این تجزیه وجود دارد؛ زمانی که تعادل حاصل می‌شود، آهنگ مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها مساوی می‌شود.

مثال 1 از تعادل فیزیکی : تا مرحله‌ی 3، آهنگ تبخیر و آهنگ میعان کاملاً با هم متفاوتند و عمل تبخیر، بیش‌تر صورت می‌گیرد اما با گذشت زمان، میعان هم رو به افزایش است. در مرحله‌ی 3 و 4 آهنگ تبخیر و آهنگ میعان برای هر تغییر فیزیکی برابرند.

محلول‌های اشباع شده (تعادل جامد- محلول)

در حالت (c) آهنگ رفت (حل شدن ماده‌ی جامد در حلال) و آهنگ برگشت (بلوری شدن ماده‌ی حل شونده) در تعادل فیزیکی‌اند.

سؤال: در یک سیستم تعادلی، چه چیزهایی مساوی یا متعادل هستند؟

•    لزومی ندارد غلظت مواد در تعادل، کاملاً مساوی باشد.
•    فرایند هابر را به خاطر بسپارید (ساخت مواد خام و اولیه برای کود شیمیایی):
   
  
   
•    در فشار و دمای اتاق، این واکنش تقریباً با هیچ NH₃ در تعادل نیست.
•    آهنگ تغییر در مسیر رفت واکنش (از چپ به راست معادله) با آهنگ برگشت (از راست به چپ) با هم مساوی‌اند.

آهنگ واکنش

با استفاده از نظریه‌ی برخورد در واکنش‌های شیمیایی می‌توان این مطلب را درک کرد. یک تغییر شیمیایی که به طور ماکروسکوپی قابل مشاهده است، نتیجه‌ی تعداد زیادی از برخوردها مابین ذرات واکنش دهنده است. در شکل زیر و در حالت a، مولکول‌های آبی و قرمز به دلیل این‌که انرژی جنبشی کافی و جهت مناسب دارند، واکنش انجام می‌گیرد. در حالت b با این‌که مولکول‌ها جهت مناسب دارند ولی انرژی جنبشی کافی ندارند، واکنش انجام نمی‌گیرد. در حالت c مولکول‌ها در برخورد با هم انرژی جنبشی کافی دارند اما جهت‌گیری آن‌ها مناسب نیست؛ پس در این حالت نیز واکنش انجام نمی‌گیرد.

حال ببینیم تغییرات انرژی در طول واکنش به چه صورت است:

انرژی لازم برای واکنش (ΔE ) است. برای تشکیل محصولات، بایستی  کمپلکسی از مجموعه ذرات فعال در واکنش با انرژی بالا نیز تشکیل شود. کمپلکس فعال شده، نوعی حالت واسطه‌ی مولکولی است که در حین برهمکنش (برخورد) مولکول‌های در حال واکنش با یک تغییر شیمیایی تشکیل می‌شود؛ بالاترین مقدار انرژی در حین واکنش به این حالت اختصاص دارد.

انرژی فعال ‌سازی (E_a) کم‌ترین انرژی جنبشی لازم برای تولید انرژی برخورد مؤثر است و با این انرژی می‌توان به بالای تپه رفت!!!

برای دیدن بقیه مطلب درباره تعادل اینجا کلیک کنید.