تعادل 4

جهت مشاهده مطلب قبلی تعادل اینجا کلیک کنید.

کنترل یک واکنش:

در مطالب قبل به ویژگی های سیستم‌های در حال تعادل اشاره کردیم و با ثابت تعادل آشنا شدیم...

حال می‌خواهیم بدانیم آیا می‌توانیم واکنش را به دلخواه خودمان کنترل کنیم؟

جواب مثبت است!

برای این‌که محصول بیش‌تری تولید کنیم و یا بازده واکنش را بالا ببریم، می‌توانیم تغییرات زیر را در سیستم واکنش ایجاد کنیم:

•   تغییر غلظت‌های واکنش دهنده‌ها یا محصولات
•   تغییر دما
•    تغییر فشار و حجم (برای یک واکنش در فاز گازی)

در واکنش‌های تعادلی، هر تغییری در سیستم صورت گیرد، سیستم سعی خواهد کرد به سمتی پیش رود که باز هم حالت تعادل را برقرار کند. تغییرات ذکر شده در بالا نیز حالت تعادلی سیستم را به طور موقت بر هم می ‌زنند.

اصل لوشاتلیه:

حالت تعادل در هر سیستمی به عوامل موجود در سیستم مانند دما، فشار و غلظت اجزای مختلف بستگی دارد. این عوامل، پارامتر یا متغیرهای واکنش نامیده می‌شوند.

یک تغییر در هر کدام از پارامترهای واکنش، ممکن است وضعیت تعادلی سیستم را تحت تأثیر قرار دهد.

قاعده‌ی کلی که می‌تواند تأثیر تغییرات این پارامترها را بر روی حالت تعادل توصیف کند، توسط اچ. لوشاتلیه (1885) و اف. بارون (1886) فرمول‌بندی شده ولی به طور مشترک، اصل لوشاتلیه نامیده می‌شود.

این اصل، کاربرد سودمند بزرگی برای تمام سیستم‌های فیزیکی و شیمیایی دارد.

این اصل بیان می‌‌‌کند هر سیستمی که در معرض تغییری در پارامترهای خود قرار می‌گیرد، فرایندهایی در سیستم اتفاق می‌افتد که با تغییر اولیه مخالفت کنند؛ بنابراین سیستم به یک وضعیت تعادلی جدید می‌رسد.

تغییر غلظت واکنش‌دهنده‌ها یا محصولات:

یک سیستم شیمیایی در حال تعادل در نظر بگیرید. اگر تعادل با تغییر غلظت هر کدام از اجزای واکنش به هم بخورد، تعادل به جهتی انتقال پیدا خواهد کرد که سعی در برگرداندن سیستم به وضعیت اصلی‌اش خواهد کرد. به مثال زیر توجه کنید:

سیستمی از مخلوط 5 مولکول‌ ایزوبوتان و 2 مولکول بوتان در حال تعادل است. با اضافه کردن هفت ایزوبوتان دیگر، سیستم از حالت تعادل خارج می‌شود.

شبکه‌‌ای از دو مولکول ایزوبوتان به مولکول بوتان تغییر می‌کند تا بازهم مخلوطی به دست آید که حالت تعادلی برقرار شود. نسبت ایزوبوتان به بوتان، 5 به 2 است.

در واکنش زیر، افزودن BaCl₂ باعث جابجاشدن مسیر تعادل در مسیر رفت خواهد شد تا وضعیت تعادلی جدید برقرار شود:

 

 

در واکنش زیر افزودن Cl₂ به حالت تعادل سیستم، باعث جابجا شدن مسیر تعادلی سیستم در جهت برگشت خواهد شد:

 

به نظر شما با این افزایش Cl₂ چه اتفاقی برای غلظت CO خواهد افتاد؟

اثر حجم:

اگر یک سیستم گازی متراکم شود، فشار افزایش پیدا می‌کند و باعث می‌شود سیستم با یک شیفت (جابجایی) در جهت مولکول‌های گازی کم‌تر تا اندازه‌ای از فشار و تغییر ایجاد شده رهایی پیدا کند.

در حالتی که سیستم منبسط شود، فشار کاهش پیدا می‌کند و یک شیفت در جهت مولکول‌های گازی بیش‌تر تا اندازه‌ای به حالت تعادلی اولیه باز می‌گردد.

در شکل بالا، گاز N₂O₄  با NO₂ در حال تعادل است:

ابتدا نسبت N₂O₄ به NO2، مقدار 1 به 2 است (1:2) . سپس حجم سیستم به یک سوم حجم اولیه کاهش می‌یابد (سیستم متراکم می‌شود) و برای این‌که سیستم به تعادل دوباره برسد، واکنش به سمتی جابجا می‌شود که این فشار افزایش یافته را کم کند (جهتی که تعداد مولکول‌ها را کاهش دهد)؛ بنابراین تعادل دوباره برقرار می‌شود (نسبت N₂O₄ به NO₂ اکنون 4:5 است).

جابجایی مسیر تعادل با تغییر دمای سیستم:

با یک مثال این بحث را شروع می‌کنیم؛ زمانی که یک مول گاز استیلن با دو مول گاز هیدروژن واکنش نشان دهد، یک مول گاز اتان تشکیل می‌شود و 311 کیلوژول انرژی آزاد می‌کند؛ بنابراین یک واکنش گرماده است.

گرما، محصول دیگر این واکنش است:

ΔH=-311KJ به معنای آزاد شدن 311 کیلوژول انرژی گرمایی از این واکنش است.

•  در واکنش‌های گرماده که با فرمول کلی:

مشخص می‌شوند، افزودن گرما و حرارت دادن به سیستم باعث جابجایی مسیر تعادل در جهت برگشت می‌شود (یعنی واکنش دهنده‌ی بیش‌تر). به همین ترتیب، برداشتن حرارت و گرما از سیستم باعث جابجایی تعادل در مسیر رفت می‌شود (تا محصول بیش‌تری تولید کند).

به مثال زیر توجه کنید:

با کاهش دمای سیستم در این واکنش گرماده (برداشتن حرارت از  سیستم)، مسیر رفت واکنش تعادلی، پیشرفت می‌کند تا محصول بیش‌تری تولید شود!

• در واکنش‌های گرماگیر که با فرمول کلی:

 

مشخص می ‌شوند، افزودن حرارت به سیستم باعث جابجایی و شیفت تعادل به سمت رفت واکنش می ‌شود (محصول بیش ‌تری تولید می ‌شود) و برداشتن حرارت و کم شدن دمای سیستم باعث شیفت تعادل به  سمت برگشت  می ‌شود (واکنش  دهنده ‌ی بیش تر). به مثال زیر توجه کنید:

با افزایش دمای سیستم در این واکنش گرماگیر، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود تا اکسیژن و هیدروژن بیش‌تری تولید کند.

جهت مشاهده مطلب قبلی 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.