توازن كيميائي

عودة للموسوعة

توازن كيميائي

A burette, an apparatus for carrying out e.g. acid-base titration, is an important part of equilibrium chemistry.

التوازن الكيميائي في أي عملية كيميائية هي الحالة التي لايحدث فيها تغيرات بالنسبة للتفاعلات الكيميائية أولتراكيز المواد المتفاعلة والمواد الناتجة. أي لا يوجد هناك تغير ملحوظ في الجملة.


نبذة من الأسس

ينشأ التوازن الكيميائي عندما تكون سرعة التفاعل بالاتجاه المباشر مساوية للقاءتها في الاتجاه المعاكس وذلك بالنسبة للتفاعلات العكوسة، هذا لا يعني حتى سرعةالتفاعل تساوي الصفر، إنما فقط تكون سرعة التفاعل في الاتجاه المباشر مساوية لسرعة التفاعل العكسي ، ويعبر عن ذلك بأن الجملة في حالة توازن تحريكي (توازن ديناميكي).

ويعتبر التوازن الكميائي أحد الشروط لتحقيق التوازن الترمودينامي.

وينطق عن جملة مؤلفة من مادة واحدة أوعدد من المواد إنها في حالة توازن كيميائي إذا لم تكن قادرة على القيام بأي تحول تلقائي في البنية الداخلية (حدوث تفاعل كيميائي) أوالقيام بنقل المادة من جزء ما إلى أي جزء آخر منها (الانتشار في المحاليل).

ويكون التفاعل الكيميائي عكوساً (reversible) إذا جرى وفق اتجاهين متعاكسين، ويمكن حتى تُعد جميع التفاعلات الكيميائية عكوسة، بيد حتى هناك الكثير من التفاعلاتقد يكون مدى التفاعل العكسي فيها من الصغر إلى حد يمكن إهماله، وبذلك تُعد هذه التفاعلات تامة، أي تحدث في اتجاه واحد. فإذا تفاعل، مثلاً، مزيج مؤلف من جزأين من الهيدروجين وجزء من الأكسجين في درجة الحرارة العادية بوساطة شرارة كهربائية كانت النتيجة تحول المزيج الغازي بكامله إلى ماء من دون بقاء أي كمية يمكن كشفها من الهدروجين أوالأكسجين، لذلك فتفاعل الهدروجين مع الأكسجين تفاعل تام في الشروط النظامية من الحرارة. ويمكن إعطاء كثير من الأمثلة على تفاعلات كيميائية مماثلة في السلوك للتفاعل السابق مثل تفاعلات الاحتراق وتفاعلات التعديل (حمض + أساس) وتفاعلات المعادن مع الحموض وغيرها؛ أما إذا سمحت الشروط لكل من التفاعل الأمامي (المباشر) (forward reaction) والتفاعل الخلفي (الرجعي) (backward reaction) بالحدوث بمقدار محسوس، فإن العملية تُعد تفاعلاً عكوساً. إلى غير ذلك ما حتى يبدأ التفاعل الأمامي بالحدوث حتى تتجمع المواد الناتجة وتبدأ بالتفاعل عاكسة العملية الأمامية ومعطية المواد المتفاعلة من جديد، ومن ثم لا يمكن لأي من التفاعلين الأمامي أوالخلفي حتى يحدث بصورة تامة. وقد عثر أنه بعد مضي وقت كاف تصل جميع التفاعلات العكوسة إلى حالة توازن كيميائي، أي إلى حالة لا يحدث فيها أي تغير في تكوين المزيج المتفاعل مع مرور الزمن شريطة عدم تغير درجة الحرارة والضغط. ويمكن إذا ما اختيرت الشروط اختياراً مناسباً الوصول إلى حالة التوازن ذاتها بغض النظر عن الجهة التي يبدأ منها بإجراء التفاعل العكوس. وتُعد أسترة الكحول بوساطة حمض كربوكسيلي مثالاً تاريخياً على التفاعلات العكوسة التي أجراها برتوليه Berthelot ول. بيان دوسان جيل L. Pean de Saint-Gilles عام 1861. يلاحظ عند مزج مول واحد من الإيتانول (الكحول الإيثيلي) مع مول واحد من حمض الخل حتى تفاعل الأسترة الذي يحدث في الدرجة 100س يتوقف عند بقاء مول من الحمض والكحول المتفاعلين مع مول من خلات الإيتيل والماء الناتجين. ومن جهة أخرى، إذا تفاعل في درجة الحرارة السابقة ذاتها مول واحد من خلات الإيتيل مع مول واحد من الماء فإن تفاعل الحلمهة يتوقف عند تكوين للمزيج يوافق تماماً التكوين المذكور سابقاً. إلى غير ذلك يعد تفاعلا الأسترة والحلمهة عكوسين، ويعد مزيج المواد الأربع ذوالتكوين السابق متوازناً كيميائياً. وبما حتى تكوين الجملة المتوازنة لا يعاني أي تغير إذا لم يتغير الضغط ودرجة الحرارة لذلكقد يكون هناك احتمالان: الأول هوحتى التفاعل الكيميائي قد توقف تماماً؛ والثاني هوحتى التفاعل الأمامي والتفاعل الخلفي يحدثان في الوقت ذاته وبالسرعة نفسها. إذا الاحتمال الثاني هوالاحتمال المقبول فهمياً، لذلك ينطق إذا الجملة موجودة في حالة توازن تحريكي (dynamic equilibrium).

يستخدم للدلالة على المساواة بين جزيئات أوذرات المواد المتفاعلة والناتجة في التفاعل الكيميائي التام سهم واحد كما في المثال الآتي:

250px

في حين يستعمل في التفاعل الكيميائي العكوس سهمان متعاكسان كالآتي:

وتجدر الإشارة إلى حتى هناك تفاعلات مثل تفاعل احتراق الهدروجين في الأكسجين تكون تامة عندما تحدث في درجة الحرارة العادية وتصبح عكوسة في درجات مرتفعة من الحرارة.


قانون عمل الكتلة

توفر فرضية التوازن الحركي طريقة بسيطة لتعيين العلاقة بين كميات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة الموجودة في حالة توازن. تدعى هذه العلاقة قانون عمل الكتلة (law of mass action)، وقد توصل إليه الكيميائيان النرويجيان س.كلدبرگ C.Guldberg وب.واگ P.Waage عام 1864. فقد درس هذان العالمان تأثير هجريز المواد المتفاعلة على سرعة التفاعل فوجدا حتى سرعة التفاعل الكيميائي تتناسب طرداً مع التراكيز الموليَة لهذه المواد. فإذا ما أخذ بالحسبان تفاعل عكوس عام تقوم فيه a مولاً من المادة A بالتفاعل مع b مولاً من المادة B منتجة c مولاً من المادة C وd مولاً من المادة D وفق الآتي:

ينتج حتى سرعة التفاعل الأمامي تتناسب مع التراكيز الموليَة للمادتين A وB، فإذا فرض حتى ثابت التناسب هوk أمكن عندئذ كتابة المعادلة التالية:

سرعة التفاعل الأمامي

حيث يرمز [A] و[B] إلى الهجريز الموليَ للمادتين A وB. وتخط بصورة مماثلة المعادلة الآتية للتفاعل الخلفي الذي تتناسب سرعته مع الهجريزين الموليَين للمادتين C وD وترمز k لثابت التناسب الجديد:

سرعة التفاعل الخلفي

وتكون سرعة التفاعل الأمامي في حالة التوازن مساوية سرعة التفاعل الخلفي، لذلك يخط:

وتجدر الإشارة إلى حتى التراكيز المبينة في المعادلة السابقة هي التراكيز المقيسة في حالة التوازن. وتخط المعادلة السابقة عادة على النحوالآتي:

تدعى العلاقة (2) قانون عمل الكتلة، ويدعى Kc ثابت توازن التفاعل الكيميائي (1) وهوثابت لا يتعلق إلا بدرجة الحرارة، ويبين الدليل c حتى الثابت يتعلق بحساب هجريز المواد بدلالة المول في اللَتر. أما إذا أخذت الضغوط الجزئية للدلالة على الهجريز فيخط قانون عمل الكتلة على النحو:

وتكون العلاقة بين Kc وKp كما يأتي:

حيث يرمز R إلى ثابت الغاز الكامل وT إلى درجة حرارة التفاعل المطلقة و∆n إلى الفرق بين مجموع عدد مولات المواد الموجودة إلى يمين التفاعل والمواد الموجودة إلى يساره، كما تبينه المعادلة الكيميائية الممثلة للتفاعل. وتبين المعادلة (4) حتى ثابت التوازن Kp كالثابت Kc يتعلق فقط بدرجة الحرارة. كما يتضح من المعادلة (2) أومن المعادلة (3) أنه عندما تكون قيمة ثابت التوازن صغيرة جداً 1>>K (Kc أوKp) فإن صورة (بسط) تعبير عمل الكتلة تكون أصغر من المخرج (المقام) وهذا يعني أنه عند استتباب التوازنقد يكون هجريز إحدى المواد (على الأقل) الموجودة إلى يمين المعادلة الكيميائية (1) صغيراً، أي إذا القيمة الصغيرة لثابت التوازن تدل على حتى التفاعل لا يجري بدرجة كبيرة من اليسار إلى اليمين، وبعبارة أخرى يمكن القول إذا مزج A مع B لا يعطي الكثير من C وD. أما إذا كان ثابت التوازن في درجة حرارة معينة كبيراً 1<<K فإنه يمكن حتى يستنتج وفقاً لما تجاوز حتى التفاعل في هذه الحالة يسير من اليسار إلى اليمين بصورة تامة تقريباً، أي إذا مزج A مع B يؤدي عملياً إلى تحول كبير إلى C وD.

تتجلى أهمية الاستنتاجات السابقة في كونها تقود إلى علاقة محددة بين تراكيز الأجسام المتفاعلة وتراكيز الأجسام الناتجة في تفاعل عكوس بعد استتباب التوازن، فيلاحظ أنه مهما كانت الكميات الأولية للأصناف المتفاعلة A، B و...الخ. وأنه سواء أكانت جميع المواد الناتجة C، D و...الخ.. موجودة أوغير موجودة في بداية التفاعل، فإن التراكيز في حالة التوازن يجب حتى يرتبط بعضها مع بعضها الآخر بكيفية تكون فيها العلاقة (2) محققة. فإذا عهدت قيمة ثابت التوازن بإجراء تجربة واحدة في درجة حرارة معينة أصبح بالإمكان فهم تكوين الجملة المدروسة في حالة التوازن من أجل أي حالة أولية في درجة الحرارة نفسها. وكذلك يمكن بفهم تابعية ثابت التوازن لدرجة الحرارة حساب قيمة هذا الثابت في أي درجة حرارة مطلوبة إذا ما عهدت قيمته في درجة حرارة معينة. تعطى هذه التابعية بعلاقة فانت هوف Van’t Hoff الآتية:

تشتق هذه المعادلة من المفهومات الترموديناميكية وتمثل ΔH الفرق بين مجموع إنطلبية المواد الناتجة عن التفاعل والمواد الداخلة فيه وتدعى حرارة التفاعل (heat of reaction) وتكون موجبة عندماقد يكون التفاعل ماصاً للحرارة (endothermic) وسالبة حينقد يكون التفاعل ناشراً للحرارة (exothermic). ويمكن مكاملة المعادلة (5) في الحالة الخاصة التي لا تتغير فيها ΔH إلا تغيراً بسيطاً حين تتغير درجة الحرارة، فينتج:

وكذلك يمكن مكاملة علاقة فانت هوف بسهولة عندما تكون ΔH تابعة لدرجة الحرارة بفهم السعات الحرارية (heat capacities) للمواد الكيميائية الموجودة في المزيج المتوازن.

قانون انزياح التوازن

تبين التجربة كما يبين قانون عمل الكتلة حتى تكوين المزيج المتوازن لتفاعل عكوس يتأثر بتغير هجريز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة والضغط والحجم. لاقد يكون للمتحولين الأخيرين أي تأثير في حالة التفاعلات التيقد يكون فيها مجموع عدد مولات المواد الناتجة مساوياً مجموع عدد مولات المواد المتفاعلة كالتفاعل:

ويمكن حساب تأثير العوامل السابقة في تكوين المزيج المتفاعل المتوازن بصورة كمية استناداً إلى قوانين التحريك الحراري (الترموديناميك)، إلا حتى هناك قاعدة ذات أساس ترموديناميكي سهلة التطبيق تعهد بمبدأ لوشاتوليه Le Chatelier تقود إلى استنتاجات كيفية فيما يتعلق بالجهة التي ينزاح إليها التفاعل إذا ما تغير أحد العوامل التي لها تأثير فيه. تنص هذه القاعدة على أنه «إذا وقع أي تغير في أحد العوامل التي تحدد توازن جملة متوازنة فإن هذه الجملة تميل إلى تعديل نفسها فتخفف بقدر الإمكان من تأثير هذا التغير». تتوضح هذه القاعدة بدراسة التأثيرات المتنوعة على المثال الآتي (الناشر للحرارة):

أ - تأثير تغيير كمية أحد المكونات يجعل في هذه الحالة حجم الجملة ودرجة حرارتها ثابتين، ويضاف إلى الجملة المتوازنة كمية زائدة من الهدروجين مثلاً: تبين قاعدة لوشاتوليه حتى زيادة الهدروجين تؤدي إلى انزياح التوازن في الاتجاه الذي يخفف من هذه الزيادة، أي تعدل الجملة نفسها بامتصاص تأثير الهدروجين المضاف، ويكون ذلك عن طريق اتحاد جزيئات الهدروجين مع الآزوت وإنتاج الأمونيا، إلى غير ذلك ينزاح التوازن من اليسار إلى اليمين. أما في حالة إضافة كمية جديدة من الأمونيا إلى المزيج المتوازن فإن التوازن ينزاح من اليمين إلى اليسار.

ويحدث الأمر ذاته إذا أُنقصت مثلاً كمية الأمونيا في المزيج المتوازن إذ ينزاح التوازن عندئذ في الاتجاه الذي يخفف من تأثير نقصان الأمونيا، ويتم ذلك بإنتاج كمية جديدة من الأمونيا عن طريق اتحاد الآزوت مع الهدروجين، أي ينزاح التوازن من اليسار إلى اليمين.

ب - تأثير تغير حجم الجملة أوضغطها:

يُميز في هذه الحالة نوعان من التفاعلات، الأول هوالتفاعلات التيقد يكون فيها مجموع عدد الجزيئات في يمين المعادلة الكيميائية مساوياً مجموع عدد الجزيئات في يسارها كالتفاعل (7)، إذ يلاحظ حتى تغير حجم الجملة أوضغطها لا تأثير له في تكوين المزيج المتفاعل المتوازن. أما النوع الثاني فيختلف فيه مجموع عدد الجزيئات في اليمين عن عددها في اليسار ومن ثمقد يكون لحجم الجملة أوضغطها تأثير في التكوين.

وتفسر قاعدة لوشاتوليه هذه الظاهرة، بالقول إنه إذا ما أنقص حجم تفاعل متوازن، أدى ذلك إلى ازدحام الجزيئات في الحجم الجديد فينزاح التوازن إلى الجهة التي تخفف من الازدحام، أي الجهة التي تنقص عدد جزيئات الجملة بأكملها. ويتم ذلك في حالة التفاعل (8) عن طريق تكوين الأمونيا، لأن تكوُّن جزيئين من الأمونيا يستهلك أربعة جزيئات من الهدروجين والآزوت، ولذلك ينزاح التوازن من اليسار إلى اليمين. أما في التفاعل (7) فلاقد يكون هناك اتجاه يخفف من تأثير الازدحام ولذلك يبقى تكوين المزيج المتوازن ثابتاً لدى إنقاص الحجم.

أما تأثير الضغط فيكون معاكساً لتأثير الحجم، ولذلك يكتفى عادة بدراسة أحدهما، ويمكن القول إذا زيادة الصغط تزيح التوازن بالاتجاه الذي يتكون فيه عدد أقل من جزيئات الغاز، ويحدث العكس إذا انخفض الضغط.

جـ - تأثير درجة الحرارة

يتبين من التفاعل (8) حتى التفاعل الأمامي ينشر كمية من الحرارة قدرها كيلوحريرة نتيجة تكون مولين من الأمونيا بدءاً من مول واحد من الآزوت وثلاثة مولات من الهدروجين. أما التفاعل الخلفي فيمتص الكمية نفسها من الحرارة نتيجة تفكك المقدار نفسه من الأمونيا إلى آزوت وهدروجين. وتبين قاعدة لوشاتوليه أنه إذا ارتفعت درجة حرارة تلك الجملة المتوازنة فإنها تعدل نفسها بالإنقاص من مقدار هذا الارتفاع، ويتحقق ذلك بامتصاص الحرارة أي بانزياح التوازن من اليمين إلى اليسار.


التعبير الرياضي

من أجل التفاعل

تكون سرعة التفاعل المباشر

وسرعة التفاعل العكسي

حيث:

كميات المواد A, B, S , T المشهجرة في التفاعل ،

k+ وk ثوابت سرعة التفاعل المباشر وبالتالي التفاعل العكسي :

عند تساوي السرعات، تكون:

R1=R2

يُعبر عن النسبة بين ثوابت سرعة التفاعل بثابت التوازن


أنواع الاتزان وبعض تطبيقاتها

  1. In the gas phase. Rocket engines
  2. The industrial synthesis such as ammonia in the Haber-Bosch process (depicted right) takes place through a succession of equilibrium steps including adsorbtion processes.
    Haber-Bosch process
  3. atmospheric chemistry
  4. Seawater and other natural waters: Chemical oceanography
  5. Distribution between two phases

Composition of an equilibrium mixture

When the only equilibrium is that of the formation of a 1:1 adduct as the composition of a mixture, there are any number of ways that the composition of a mixture can be calculated. For example, see ICE table for a traditional method of calculating the pH of a solution of a weak acid.


Composition for polybasic acids as a function of pH

The composition of solutions containing reactants A and H is easy to calculate as a function of p[H]. When [H] is known, the free concentration [A] is calculated from the mass-balance equation in A. Here is an example of the results that can be obtained.

مراجع

Hydrolysis of aluminium
  1. ^ غدير زيزفون. "التوازن الكيمياوي". الموسوعة العربية.
  2. ^ NASA Reference publication 1311, Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications
تاريخ النشر: 2020-06-09 14:44:09
التصنيفات: صفحات تحوي وصلات ملفات معطوبة, ترجمة مقالات, كيمياء الاتزان, حركية كيميائية, كيمياء فيزيائية, كيمياء تحليلية

مقالات أخرى من الموسوعة

سحابة الكلمات المفتاحية، مما يبحث عنه الزوار في كشاف:

آخر الأخبار حول العالم

سايس يحذر لاعبي المنتخب الوطني

المصدر: أخبارنا المغربية - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:36
مستوى الصحة: 62% الأهمية: 73%

مصر.. براءة «سيدة فاقوس» آكلة طفلها في الشرقية - أخبار السعودية

المصدر: صحيفة عكاظ - السعودية التصنيف: مجتمع
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:08
مستوى الصحة: 49% الأهمية: 52%

رومانيا: رصدنا اختراقًا محتملًا لمجالنا الجوي خلال هجمات روس

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:13
مستوى الصحة: 54% الأهمية: 58%

ابتداء من يوم غد.. ارتفاعات منتظرة في أسعار المحروقات بمحطات الوقود

المصدر: أخبارنا المغربية - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:34
مستوى الصحة: 60% الأهمية: 77%

الجيش اليمني يتهم الحوثيين بالتصعيد العسكري في مختلف جبهات ت

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:41
مستوى الصحة: 48% الأهمية: 68%

مدير منتخب مصر يؤكد مشاركة صلاح في ودية الجزائر

المصدر: آخر ساعة - الجزائر التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:24:27
مستوى الصحة: 51% الأهمية: 65%

أبرزهم دانيال.. أشهر الأعاصير التي ضربت دول العالم (فيديو وص

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:30
مستوى الصحة: 45% الأهمية: 55%

الاحتلال الإسرائيلي يرفض نقل معتقل فلسطيني مضرب عن الطعام إل

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:24
مستوى الصحة: 49% الأهمية: 67%

"على المجتمع الدولي أن يخجل".. فلسطين تدين جريمة إعدام الشهي

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:07
مستوى الصحة: 59% الأهمية: 57%

مؤتمر صحفي للتعريف بالمؤتمر الاستثنائي للاتحاد البريدي السعودية

المصدر: جريدة الوطن - السعودية التصنيف: إقتصاد
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:15
مستوى الصحة: 58% الأهمية: 65%

خفر السواحل الليبي يصطدم بقارب على متنه 50 مهاجرًا ويتسبب في

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:35
مستوى الصحة: 48% الأهمية: 60%

بدء المرحلة الأخيرة من طريق جدة مكة المباشر السعودية

المصدر: جريدة الوطن - السعودية التصنيف: إقتصاد
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:12
مستوى الصحة: 54% الأهمية: 62%

ما جدوى العقوبات الأميركية...؟

المصدر: صحيفة التغيير - السودان التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:24:08
مستوى الصحة: 49% الأهمية: 53%

قرار “الكاف” بإسناد “كان” 2027 الى الدول الثلاث يثير الجدل 

المصدر: آخر ساعة - الجزائر التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:24:31
مستوى الصحة: 52% الأهمية: 50%

"أيام سعودية" .. كتاب يوثق نخوة الدولة وأيامها الوطنية السعودية

المصدر: جريدة الوطن - السعودية التصنيف: إقتصاد
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:11
مستوى الصحة: 54% الأهمية: 53%

القبضة الحديدية بين بلماضي وبعض الوجوه الإعلامية الجزائرية تشتد

المصدر: آخر ساعة - الجزائر التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:24:35
مستوى الصحة: 52% الأهمية: 65%

أوتشا: السودان وجنوب السودان أخطر دول العالم لعمال الإغاثة

المصدر: صحيفة التغيير - السودان التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:24:12
مستوى الصحة: 45% الأهمية: 52%

العراق ينجز الربط الكهربائي مع الأردن بشكل كامل

المصدر: مصراوى - مصر التصنيف: غير مصنف
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:23:19
مستوى الصحة: 47% الأهمية: 53%

ما هي عواقب إغلاق الحكومة الأمريكية؟ السعودية

المصدر: جريدة الوطن - السعودية التصنيف: إقتصاد
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:10
مستوى الصحة: 45% الأهمية: 57%

مساعٍ دولية للتحقيق في جرائم حرب بالسودان - أخبار السعودية

المصدر: صحيفة عكاظ - السعودية التصنيف: مجتمع
تاريخ الخبر: 2023-09-30 15:25:07
مستوى الصحة: 52% الأهمية: 63%

تحميل تطبيق المنصة العربية