العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي

3-2

العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي

Factors Affecting Chemical Equilibrium

الأهداف

• تصف العوامل المتعددة التي تؤثر في الاتزان الكيميائي.
• تفسر كيف يطبق مبدأ لوتشاتلييه على أنظمة في حالة اتزان.

مراجعة المفردات

سرعة التفاعل: التغير في تركيز متفاعل أو ناتج في وحدة الزمن. ويحسب عادة بوحدة مول لكل لتر في الثانية.

المفردات الجديدة

مبدأ لوتشاتلييه

الفكرة الرئيسية

عندما تطرأ تغييرات على نظام متزن ينزاح إلى موضع اتزان جديد.

الربط مع الحياة

عندما يتساوى الطلب على منتج ما مع المعروض من هذا المنتج يبقى السعر ثابتًا. أما إذا زاد الطلب على المنتج فإن سعر المنتج سوف يزيد. ويصبح السعر ثابتًا مرة أخرى عندما يصل العرض والطلب إلى حالة اتزان. وهذا يشبه تصرف الأنظمة في حالة الاتزان.

مبدأ لوتشاتلييه

Le Châtelier's Principle

افترض أن غازي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون من النواتج الجانبية لعملية صناعية، وأن الكيميائيين في الشركة يعتقدون أنه يمكن دمج الغازين لإنتاج وقود الميثان CH4. فعند وضع كل من غاز أول أكسيد الكربون CO وغاز الهيدروجين H2 في وعاء مغلق عند درجة حرارة 1200 K، يصل التفاعل الطارد للحرارة (ΔH = -206.5 kJ) إلى حالة الاتزان.

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g) ΔH° = -206.5 kJ

0.30000 M 0.10000 M 0.05900 M 0.02000 M

Keq = [CH4][H2O] / ([CO][H2]^3)

Keq = (0.05900)(0.02000) / ((0.30000)(0.10000)^3) = 3.933

ولأن تركيز الميثان 0.0590 mol/L قليل جدًا فإنه لا يمكن استعماله عمليًا. فهل يمكن لعلماء الكيمياء التحكم في موضع الاتزان للحصول على كمية أكبر من الميثان؟ يشبه هذا عداءً يركض على آلة المشي، كما في الشكل 3-10؛ فإذا زاد العداء سرعة الآلة فإنه عليه زيادة سرعته للعودة إلى حالة الاتزان.

الشكل 3-10

يزيد العداء من سرعة آلة المشي تدريجيًا، لذا عليه عند كل زيادة أن يزيد سرعته ركضًا؛ ليحقق اتزانه على الآلة مرة أخرى. وبشكل مماثل يمكن لعالم الكيمياء تغيير ظروف التفاعل عند الاتزان لزيادة كمية النواتج.

---

صور الصفحة:

• تجربة_عملية_التفاعلات_الانعكاسية_QR.png
• الجدول_3-2_عند_الاتزان_لتفاعل_CO_H2_CH4_H2O.png

في عام 1888م اكتشف العالم الفرنسي هنري لويس لو تشاتلييه أن هناك طرائق للتحكم في الاتزان لجعل التفاعل أكثر إنتاجًا. وقد طرح ما يسمى الآن مبدأ لوتشاتلييه: إذا بذل جهد على نظام في حالة اتزان فإن ذلك يؤدي إلى إزاحة النظام في اتجاه يخفف أثر هذا الجهد. والجهد هو أي تغير يؤثر في اتزان نظام معين.

تطبيق مبدأ لوتشاتلييه

Applying Le Châtelier's Principle

كيف يمكن للكيميائي الصناعي تطبيق مبدأ لوتشاتلييه لزيادة إنتاج الميثان؟ إنه يحتاج إلى تعديل أي من العوامل التي من شأنها أن تؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو النواتج في التفاعل.

التغير في التركيز

يؤثر تغير تراكيز النواتج أو المتفاعلات في الاتزان؛ إذ تنص نظرية التصادم على أن الجسيمات يجب أن تتصادم حتى تتفاعل، وأن عدد التصادمات بين جسيمات المواد المتفاعلة يعتمد على تركيزها. إذن من الممكن أن يغير الكيميائي الاتزان بتغيير التراكيز.

إضافة مواد متفاعلة

إذا أضيفت كمية من أول أكسيد الكربون إلى وعاء التفاعل وزادت تركيزه من 0.300 M إلى 1.00 M، فسيؤدي ذلك إلى زيادة عدد التصادمات الفعالة بين جزيئات غاز أول أكسيد الكربون CO وجزيئات غاز الهيدروجين H2، ويؤثر ذلك في اتزان التفاعل؛ إذ تزيد سرعة التفاعل الأمامي، كما هو موضح من السهم الأطول الذي يشير نحو اليمين في معادلة التفاعل.

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g)

مع الوقت، تقل سرعة التفاعل الأمامي مع انخفاض تركيز كل من CO و H2، وفي الوقت نفسه تزداد سرعة التفاعل العكسي، مع إنتاج المزيد من CH4 و H2O حتى يصل التفاعل إلى موضع اتزان جديد (موضع 2).

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g)

0.99254 M 0.07762 M 0.06648 M 0.02746 M

Keq = [CH4][H2O] / ([CO][H2]^3)

Keq = (0.06648)(0.02746) / ((0.99254)(0.07762)^3) = 3.933

لاحظ أن قيمة Keq لا تتغير، وأن موضع الاتزان الجديد قد حقق النتائج المرجوة، حيث زاد تركيز الميثان. ويبين الجدول 3-2 ملخصًا لنتائج هذه التجربة.

هل كان يمكنك توقع هذه النتيجة باستعمال مبدأ لوتشاتلييه؟ نعم، يعتبر مبدأ لوتشاتلييه زيادة تركيز CO جهدًا مبذولًا على الاتزان، فيستجيب نظام الاتزان لهذا الجهد باستهلاك CO بسرعة أكبر. وتسمى هذه الاستجابة إزاحة نحو اليمين، وإنتاج المزيد من CH4 و H2O. لذا تؤدي أي زيادة في تركيز أي من المتفاعلات إلى الإزاحة نحو اليمين وزيادة النواتج.

المطويات

أضف معلومات من هذا القسم إلى مطويتك.

تجربة عملية

التفاعلات الانعكاسية

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

الجدول 3-2

عند الاتزان للتفاعل:

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g)

| موضع الاتزان | [CO]eq (M) | [H2]eq (M) | [CH4]eq (M) | [H2O]eq (M) | Keq |
| ------------ | ---------: | ---------: | ----------: | ----------: | ----: |
| 1 | 0.30000 | 0.10000 | 0.05900 | 0.02000 | 3.933 |
| 2 | 0.99254 | 0.07762 | 0.06648 | 0.02746 | 3.933 |

---

صور الصفحة:

• الشكل_3-11_نقص_المخزون_وتطبيق_مبدأ_لوشتاتلييه.png
• الشكل_3-12_تأثير_إضافة_أو_إزالة_المواد_على_الاتزان.png

إزالة النواتج

افترض أنه بدل زيادة أي من المتفاعلات قرر الكيميائي إزالة الماء H2O الناتج عن التفاعل بإضافة مجفف - مادة تمتص الماء - إلى وعاء التفاعل. وفق مبدأ لوتشاتلييه ماذا يمكن أن يحدث للاتزان استجابة لنقصان تركيز الماء؟ سوف تتم إزاحة الاتزان نحو الاتجاه الذي يزيد من تركيز الماء مرة أخرى. وهذا يعني إزاحة الاتزان نحو اليمين وتكوين المزيد من النواتج.

فكر كيف تبقى رفوف المتاجر مملوءة بالمنتجات، كما في الشكل 3-11. عندما يشتري الزبائن المواد فإن أحد الموظفين يعوض تناقص المنتجات على الرفوف. وبشكل مشابه يعيد تفاعل الاتزان الماء الذي تمت إزالته؛ حيث يزيد إنتاج الماء لتعويض النقص. في أي نظام متزن تؤدي إزالة أي كمية من أي من النواتج إلى إزاحة الاتزان نحو الجهة اليمنى، وإنتاج المزيد من النواتج.

إضافة النواتج

يمكن أيضًا إزاحة موضع الاتزان نحو اليسار في اتجاه المتفاعلات؛ إذ يتوقع مبدأ لوتشاتلييه أنه إذا تمت إضافة أحد النواتج إلى تفاعل في حالة اتزان فإن ذلك سيؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو اليسار، ومن ثم تخفيف الجهد بتحويل النواتج إلى متفاعلات. كما أنه إذا تمت إزالة أحد المتفاعلات فسوف تحدث إزاحة مشابهة نحو اليسار. لتوقع أثر جهد ما على الاتزان باستعمال مبدأ لوتشاتلييه، ارجع إلى معادلة التفاعل. يلخص الشكل 3-12 تأثير تغيير التراكيز في الاتزان.

ماذا قرأت؟

صف اتجاه الاتزان عند إزالة مادة متفاعلة.

التغير في الحجم والضغط

انظر إلى تفاعل تكوين الميثان الموضح بالمعادلة الكيميائية:

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g)

هل يمكن دفع التفاعل لتكوين المزيد من الميثان عن طريق تغيير حجم وعاء التفاعل؟ افترض أن حجم الوعاء يمكن تغييره عن طريق مكبس، كما هو موضح في الشكل 3-13. إذا تم تحريك المكبس إلى أسفل يقل حجم الوعاء. حيث إن تقليل الحجم عند درجة حرارة ثابتة يزيد الضغط، إذن يمثل هذا الضغط الزائد جهدًا مبذولًا على التفاعل المتزن. كيف يستجيب الاتزان لهذا التغير في الضغط؟ وكيف يخفف من هذا التغير؟

الشكل 3-11

يعرف التاجر المواد الموجودة في متجره كل حين، ولذلك عندما يقل المخزون فإنه يعوضه.

فسر هذا التشبيه في ضوء مبدأ لوتشاتلييه.

الشكل 3-12

تعمل إضافة أو إزالة إحدى النواتج أو إحدى المتفاعلات على إزاحة الاتزان نحو الاتجاه الذي يخفف الجهد. لاحظ الأسهم غير المتساوية التي تدل على اتجاه الإزاحة.

إضافة مادة متفاعلة: ينزاح الاتزان نحو اليمين.
إزالة ناتج: ينزاح الاتزان نحو اليمين.
إزالة مادة متفاعلة: ينزاح الاتزان نحو اليسار.
إضافة ناتج: ينزاح الاتزان نحو اليسار.

صف: كيف يتم إزاحة الاتزان إذا أضيفت كمية من H2 أو أزيلت كمية من CH4؟

صور الصفحة:

• الشكل_3-13_تأثير_الضغط_والحجم_على_الاتزان.png
• تجربة_عملية_الاتزان_QR.png

الشكل 3-13

في التفاعل بين CO و H2 عند درجة حرارة ثابتة، فإن تغير حجم الوعاء يغير تراكيز الغازات المتفاعلة والناتجة، كما تؤدي زيادة الضغط إلى إزاحة الاتزان نحو اليمين، ومن ثم زيادة كمية النواتج.

قارن بين عدد جزيئات الناتج في الصورة اليمنى وعددها في الجهة اليسرى.

التفاعل بين CO و H2 في حالة اتزان.
ضغط المكبس إلى أسفل يقلل حجم الوعاء ويزيد الضغط.
يتكون المزيد من جزيئات النواتج نتيجة انضغاط حجم الوعاء والضغط، مما يخفف من الجهد على النظام.

يعتمد الضغط المبذول بواسطة الغاز المثالي على عدد جسيمات الغاز التي تتصادم مع جدران الوعاء. كلما زاد عدد جسيمات الغاز في الوعاء ازداد الضغط. كما أنه إذا زاد عدد جسيمات الغاز في درجة حرارة ثابتة زاد ضغط الغاز، وإذا قل عدد جسيمات الغاز قل الضغط. كيف تطبق العلاقة بين عدد جسيمات الغاز والضغط على تفاعل تكوين غاز الميثان؟

عدد مولات المتفاعلات مقابل عدد مولات النواتج

قارن بين عدد مولات المتفاعلات الغازية في المعادلة بعدد مولات النواتج الغازية. يتم استهلاك أربعة مولات من المتفاعلات الغازية لتكوين مولين من النواتج الغازية؛ حيث يقل العدد الكلي مولين. إذا طبقت مبدأ لوتشاتلييه أمكنك ملاحظة أن الاتزان يخفف الجهد الواقع عليه من زيادة الضغط في الاتجاه نحو اليمين حيث عدد المولات الأقل. يوضح الشكل 3-13 أن هذه الإزاحة تقلل عدد المولات الكلي للغاز، لذا يقل الضغط داخل وعاء التفاعل. ورغم أن الإزاحة نحو اليمين لا تقلل الضغط إلى قيمته الأصلية، إلا أنها تعطي التأثير المطلوب، وهو تكوين المزيد من الميثان.

يؤدي تغير حجم وضغط نظام في حالة اتزان إلى إزاحة الاتزان فقط إذا كان عدد مولات المتفاعلات الغازية تختلف عن عدد مولات النواتج الغازية. أما إذا تساوت أعداد مولات الغازات على طرفي المعادلة فإن تغيير الحجم والضغط لا يؤثران في الاتزان.

تغيير درجة الحرارة

أي تغير في درجات الحرارة يغير موضع وثابت الاتزان. تذكر أن معظم التفاعلات الكيميائية إما ماصة للحرارة أو طاردة لها. فمثلًا يعطي تفاعل تكوين الميثان ΔH° سالبة، وهذا يعني أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة والتفاعل العكسي ماص للحرارة.

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g) ΔH° = -206.5 kJ

في هذه الحالة يمكن اعتبار الحرارة ناتجًا في التفاعل الأمامي ومتفاعلاً في التفاعل العكسي:

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g) + حرارة

تجربة عملية

الاتزان

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

صور الصفحة:

• الشكل_3-14_تأثير_درجة_الحرارة_على_اتزان_N2O4_NO2.png
• الشكل_3-15_تأثير_رفع_وخفض_درجة_الحرارة_على_الاتزان.png

الحرارة وموضع الاتزان

إذا أضيفت كمية من الحرارة إلى نظام متزن فإن الاتزان - وفقًا لمبدأ لوتشاتلييه - يتجه نحو الاتجاه الذي تستهلك فيه الحرارة. لذا ينزاح الاتزان نحو اليسار، ويقل من تركيز الميثان CH4. أما خفض درجة الحرارة فيؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو اليمين؛ لأن التفاعل الأمامي ينتج طاقة ويقلل من الجهد، لذا تنتج كمية أكبر من الميثان.

درجة الحرارة وKeq

ينتج عن أي تغير في درجة الحرارة تغير في Keq، وكلما زادت قيمة Keq كان الناتج في خليط الاتزان أكبر. ولذلك فإنه في تفاعل إنتاج الميثان تزداد قيمة Keq عندما تنخفض درجة الحرارة، وتنخفض قيمة Keq عند ارتفاع درجة الحرارة.

التحول بين رابع أكسيد ثنائي النيتروجين N2O4 وثاني أكسيد النيتروجين NO2 يستجيب للتغيرات في درجة الحرارة بشكل ملحوظ. ويمكن وصف هذا الاتزان الماص للحرارة في المعادلة الآتية:

N2O4(g) ⇌ 2NO2(g) ΔH° = 55.3 kJ

N2O4 غاز لا لون له، و NO2 غاز بني اللون. يوضح الشكل 3-14 لون مزيج الاتزان. فعندما يبرد في حمام ماء بارد يصبح لونه أخف مقارنة بلونه عندما يسخن المزيج في حمام ماء ساخن. عند إزالة الحرارة بالتبريد ينزاح الاتزان نحو اليسار، وينتج المزيد من غاز لا لون له N2O4. أما عند إضافة الحرارة فينزاح الاتزان نحو اليمين وينتج المزيد من غاز NO2 البني اللون. يوضح الشكل 3-15 تأثير التسخين والتبريد في التفاعلات التي درستها.

العوامل المحفزة والاتزان

تختلف كمية النواتج المتكونة في التفاعل عند تغير التركيز أو الحجم أو الحرارة. هل يمكن للعامل المحفز أن يؤثر هو الآخر في تركيز النواتج؟ يعمل العامل المحفز على زيادة سرعة التفاعل بالتساوي في كلا الاتجاهين، وهذا يصل التفاعل مع وجود العامل المحفز أسرع إلى حالة الاتزان، دون تغيير كمية النواتج المتكونة.

الشكل 3-14

ينزاح الاتزان في اتجاه التفاعل الماص للحرارة نحو اليمين، وهذا من شأنه أن يزيد من إنتاج NO2 لونه بني غامق، بينما يصبح لون مزيج التفاعل أخف عند وضعه في حمام الماء البارد؛ لأن الاتزان ينزاح في اتجاه التفاعل الطارد للحرارة نحو اليسار، إذ يزداد تحول NO2 إلى N2O4 الذي لا لون له.

الشكل 3-15

عند رفع درجة حرارة التفاعل الطارد للحرارة بين CO و H2 ينزاح الاتزان نحو اليسار (معادلة 1)، وعند خفض درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليمين (معادلة 2)، والعكس صحيح للتفاعل الماص للحرارة بين NO2 و N2O4 (المعادلتين 3 و4).

• تفاعل طارد للحرارة:

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g) + حرارة
عند رفع درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليسار.

• تفاعل طارد للحرارة:

CO(g) + 3H2(g) ⇌ CH4(g) + H2O(g) + حرارة
عند خفض درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليمين.

• تفاعل ماص للحرارة:

حرارة + N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)
عند رفع درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليمين.

• تفاعل ماص للحرارة:

حرارة + N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)
عند خفض درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليسار.

---

صور الصفحة:

• تجربة_التغير_في_موضع_الاتزان.png

تجربة

التغير في موضع الاتزان

كيف يعمل الاتزان على تعديل وضعه عند حدوث تغير في حالة الاتزان؟

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• ضع حوالي 2 mL من محلول كلوريد الكوبلت II CoCl2 الذي تركيزه 0.1M في أنبوب اختبار. سجل لون المحلول.
• أضف حوالي 3 mL من حمض الهيدروكلوريك المركز HCl إلى أنبوب الاختبار، سجل لون المحلول.

تحذير: HCl يحرق الجلد والملابس.

• أضف كمية كافية من الماء إلى أنبوب الاختبار حتى يتغير لون المحلول، وسجل اللون الناتج.
• أضف قرابة 2 mL من محلول كلوريد الكوبلت II 0.1M إلى أنبوب اختبار آخر. وأضف HCl المركز تدريجيًا (نقطة واحدة كل مرة) بحذر، إلى أن يتحول لون المحلول إلى البنفسجي. إذا أصبح لون المحلول أزرق فأضف الماء حتى يتحول إلى اللون البنفسجي.
• ضع أنبوب الاختبار في حمام ماء بارد، ورش عليه بعض ملح المائدة، وسجل لون المحلول في أنبوب الاختبار.
• ضع أنبوب الاختبار في حمام ماء ساخن، واستعمل الثرمومتر غير الزئبقي لقياس درجة الحرارة التي يجب أن تكون 70°C على الأقل، وسجل لون المحلول.

التحليل

• فسر استعمل معادلة التفاعل أدناه لتفسير ملاحظاتك حول اللون في الخطوات 2-4.

Co(H2O)6^2+ + 4Cl^- ⇌ CoCl4^2- + 6H2O

أرجواني أزرق

• صف كيف ينزاح الاتزان عند إضافة طاقة أو إزالتها؟
• فسر ملاحظاتك حول اللون في الخطوات (6 و7). ما إذا كان التفاعل ماصًا للحرارة أم طاردًا للحرارة؟

---

صور الصفحة:

• تقويم_3-2_العوامل_المؤثرة_في_الاتزان_الكيميائي.png

التقويم 3-2

الخلاصة

• مبدأ لوتشاتلييه يصف كيفية إزاحة الاتزان عند الاستجابة لجهد أو تغير.
• عند إزاحة الاتزان استجابة إلى تغير التركيز أو الحجم يتغير موضع الاتزان، ولكن Keq يبقى ثابتًا، أما التغير في درجة الحرارة فيغير موضع الاتزان وقيمة Keq.

• الفكرة الرئيسية: فسر كيف يستجيب النظام في حالة الاتزان للجهد؟ واذكر العوامل التي تؤثر في نظام متزن.

• فسر كيف يؤثر تقليل حجم وعاء التفاعل في كل نظام اتزان مما يأتي؟

أ. 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)
ب. H2(g) + Cl2(g) ⇌ 2HCl(g)

• قدر ما إذا كان رفع درجة الحرارة أو خفضها ينتج المزيد من CH3CHO في معادلة الاتزان الآتية:

C2H2(g) + H2O(g) ⇌ CH3CHO(g) ΔH° = -151 kJ

• وضح يظهر الجدول تراكيز مادتين A و B في خليطي تفاعل، يتفاعلان حسب المعادلة 2A ⇌ B و Keq = 200. هل المزيجان عند موضعي اتزان مختلفين؟

| تفاعل | [A] mol/L | [B] mol/L |
| ----- | --------: | --------: |
| 1 | 0.0100 | 0.0200 |
| 2 | 0.0500 | 0.400 |

• صمم خريطة مفاهيمية توضح طرائق تطبيق مبدأ لوتشاتلييه لزيادة النواتج في نظام اتزان وزيادة المتفاعلات في النظام نفسه.