الاتزان الكيميائي

يوصف التفاعل الكيميائي بتعبير ثابت الاتزان ثابت الاتزان يعتمد على تراكيز المتفاعلات و النواتج و درجة الحرارة الأمونيا ( النشادر ) NH3 تستخدم كسماد و في تغذية الحيوانات و تتفاعل مع ثنائي أمينوهكسان لإنتاج مبلمر النايلون تٌحضر بتفاعل N2 مع H2 في بداية التفاعل [NH3] يساوي صفر و يزداد بمرور الوقت بينما [N2] , [H2] يقل بمرور الوقت و لكنه لا يساوي صفر و بعد فترة تثبت جميع التراكيز أي لا يتم تحويل كامل المتفاعلات إلى نواتج

التفاعلات الكيميائية تنقسم إلى : تفاعلات مكتملة هي تفاعلات تتحول فيها جميع المتفاعلات إلى نواتج تفاعلات عكسية هي تفاعلات تحدث في كلا الاتجاهين الأمامي و العكسي لا تتحول فيها جميع المتفاعلات إلى نواتج مثال و يمكن دمج التفاعلين في معادلة واحدة كما يلي N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) الاتجاه من اليسار لليمين يسمى تفاعل أمامي الاتجاه من اليمين لليسار يسمى تفاعل عكسي

عندما تصبح في التفاعل السابق في البداية يحدث التفاعل الأمامي فقط لوجود N2 , H2 تقل سرعة التفاعل الأمامي بمرور الوقت بسبب نقص تراكيز المتفاعلات يبدأ التفاعل العكسي عند تكوين النشادر NH3 تزداد سرعة التفاعل العكسي بزيادة تركيز النشادر عندما تصبح سرعة التفاعل الأمامي = سرعة التفاعل العكسي يكون النظام في حالة اتزان الاتزان الكيميائي هو الحالة التي يوازن فيها التفاعل الأمامي و العكسي أحدهما الآخر

عند الاتزان تثبت تراكيز المتفاعلات والنواتج و لا يشترط تساويها أو هو الحالة التي تتساوى فيها سرعتا التفاعلين الأمامي و العكسي عند الاتزان تثبت تراكيز المتفاعلات والنواتج و لا يشترط تساويها يتحول اليود بين الحالتين الصلبة و الغازية في إناء مغلق كما في المعادلة I2(s) I2(g)

تعابير الاتزان في التفاعلات العكسية تكون كمية النواتج أقل من المتوقع حسب المعادلة الموزونة بسبب عدم استهلاك المتفاعلات كلياً مثلاً عند تفاعل 1mol N2مع 3mol H2 حسب المعادلة N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)

قيمته ثابتة إذا لم تتغير درجة الحرارة الناتج يكون أقل من 2mol NH3 قانون الاتزان الكيميائي ( جولد بيرج و ويج ) عند درجة حرارة معينة يمكن للتفاعل الكيميائي أن يصل لحالة تصبح فيها نسب تراكيز المتفاعلات و النواتج ثابتة في التفاعل العامaA + bB cC + dD ثابت الاتزان Keq هو النسبة بين تراكيز النواتج إلى تراكيز المتفاعلات كل مادة مرفوعة لأس يساوي معاملها في المعادلة الموزونة قيمته ثابتة إذا لم تتغير درجة الحرارة

إذا كانت Keq>1 فإن تراكيز النواتج أكبر من تراكيز المتفاعلات تعابير الاتزان المتجانس الاتزان المتجانس هو الذي توجد فيه المتفاعلات و النواتج في نفس الحالة الفيزيائية مثال1 اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعلH2(g)+I2(g) 2HI(g) الحل

مثال 2 اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعل التالي N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) الحل الاتزان غير المتجانس هو الذي توجد فيه المتفاعلات و النواتج في أكثر من حالة فيزيائية واحدة تراكيز المواد السائلة و المواد الصلبة ثابتة مهما اختلفت كمياتها لذلك لا تُكتب في تعابير الاتزان

أمثلة اكتب تعبير ثابت الاتزان لكل من التفاعلات التالية a . C2H5OH(l) C2H5OH(g) الحل Keq = [C2H5OH(g)] لم نكتب [C2H5OH(l)] لأنه سائل b . I2(s) I2(g) الحل Keq = [I2(g)] لم نكتب [I2(s)] لأنه صلب

c.2NaHCO3(s) Na2CO3(s) +CO2(g)+H2O(g) الحل Keq =[CO2] [H2O] لم نكتب [Na2CO3] و [NaHCO3]2 لأنها مواد صلبة قيمة ثابت الاتزان لتفاعل ما تبقى ثابتة مهما تغيرت الظروف بشرط ثبوت درجة الحرارة

حساب قيمة ثابت الاتزان مثال احسب قيمة Keq للتفاعل N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) إذا علمت أن تراكيز المواد في أحد مواضع الاتزان هي [NH3]=0.933 , [N2]=0.533 , [H2]=1.6 الحل =0.399

العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي

الجهد هو أي تغير يؤثر في اتزان نظام معين مبدأ لوشاتلييه إذا بُذِل جهد على نظام في حالة اتزان فإن ذلك يؤدي إلى إزاحة النظام في اتجاه يخفف أثر هذا الجهد الجهد هو أي تغير يؤثر في اتزان نظام معين تطبيق مبدأ لوشاتلييه التغير في التركيز إضافة مادة متفاعلة تزداد كميات ( تراكيز ) جميع النواتج و تقل باقي المتفاعلات إزالة مادة ناتجة تزداد باقي النواتج و تقل جميع المتفاعلات

إضافة مادة ناتجة تقل باقي النواتج و تزداد جميع المتفاعلات إزالة مادة متفاعلة تقل جميع النواتج و تزداد باقي المتفاعلات في جميع الحالات السابقة لا تتأثر قيمة Keqبتغير تركيز المواد

مولات النواتج مولات المتفاعلات التغير في الحجم و الضغط يعتمد ضغط الغاز على عدد مولاته و ليس على نوعه مولات النواتج مولات المتفاعلات زيادة الضغط ( نقص الحجم ) تزيح التفاعل نحو المولات الأقل نقص الضغط ( زيادة الحجم ) تزيح التفاعل نحو المولات الأكثر عند تساوي عدد مولات المتفاعلات و النواتج فإن تغير الضغط أو الحجم لا يؤثر على موضع الاتزان لا تتأثر قيمة Keq بتغير الضغط أو الحجم

تغير درجة الحرارة يؤثر على موضع الاتزان و قيمة Keq في التفاعل الطارد للحرارة سالبة ( الحرارة ناتجة ) زيادة درجة الحرارة تقلل قيمة Keqو تقل النواتج و تزداد المتفاعلات في التفاعل الماص للحرارة موجبة (الحرارة كأنها متفاعل ) زيادة درجة الحرارة تزيد قيمة Keq و تزداد النواتج و تقل المتفاعلات

العوامل الحافزة لا تؤثر على موضع الاتزان و لا قيمة Keq ( علل ) لأنها تزيد سرعة التفاعل في الاتجاهين الأمامي و العكسي بالتساوي و لكن التفاعل يصل أسرع إلى حالة الاتزان في وجود مادة حافزة

مثال في التفاعل CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) كيف يمكن زيادة الميثان الناتج ؟ الحل يمكن ذلك عن طريق : إضافة مادة متفاعلة سحب ( إزالة ) مادة ناتجة زيادة الضغط خفض درجة الحرارة

استعمال ثوابت الاتزان

حساب التراكيز عند الاتزان مثال في التفاعل 2H2S(g) 2H2(g) + S2(g) ما تركيز غاز الهيدروجين عند الاتزان علماً بأن Keq = 2.27×10-3 , [H2S]=0.184 mol/l , [S2]=0.054 mol/l الحل 𝑘 𝑒𝑞 ×[ 𝐻 2 𝑆 ] 2 =[ 𝐻 2 ] 2 [ 𝑆 2 ] 𝑘 𝑒𝑞 = [ 𝐻 2 ] 2 [ 𝑆 2 ] [ 𝐻 2 𝑠 ] 2 𝐻 2 = 𝑘 𝑒𝑞 ×[ 𝐻 2 𝑆 ] 2 [ 𝑆 2 ] = 2.27× 10 −3 × 0.184 2 0.054 =0.0377 𝑚𝑜𝑙/𝑙

ثابت حاصل الذائبية Ksp هو تعبير ثابت الاتزان للمركبات قليلة الذوبان Ksp = حاصل ضرب تراكيز الأيونات الذائبة كل منها مرفوع لأس يساوي معامله أمثلة كبريتات الباريوم BaSO4يشربها المرضى لعمل أشعة على الجهاز الهضمي رغم أن أيونات الباريوم سامة ( كيف ذلك ؟) BaSO4(s) Ba2+(aq)+SO42-(aq) عند الاتزان يكون المحلول مشبعاً Ksp= [Ba2+][SO42-]=1.1×10-10

أي أن تركيز أيونات الباريوم حوالي1×10-5 M و بالتالي يتناول المريض محلول كبريتات الباريوم بأمان مثال Mg(OH)2(S) Mg2+(aq)+2OH-(aq) Ksp=[Mg2+] [OH-]2 تعتمد قيمة Ksp على تراكيز الأيونات في المحلول المشبع لابد أن يحتوي خليط الاتزان على بعض المادة الصلبة تقاس ثوابت حاصل الذائبية للمركبات قليلة الذوبان فقط

استعمال ثابت حاصل الذائبية تحديد ذائبية مركب قليل الذوبان في الماء عند درجة حرارة معينة مثال احسب ذائبية يوديد الفضة بوحدة mol/lعند 298Kعلماً بأن معادلة الاتزان هي AgI(s) Ag+(aq)+I-(aq) و ثابت الذائبية هو Ksp=[Ag+][I-]=8.5×10-17 الحل الذائبية(s) = عدد مولات AgIالذائبة في لتر من المحلول s= [Ag+]=[I-] Ksp = s2 𝑠= 𝑘 𝑠𝑝 = 8.5×10−17 =9.2× 10 −9

مثال احسب ذائبية كربونات النحاس CuCO3 IIبوحدة mol/l علماً بأن Ksp=2.5×10-10عند 298K الحل لابد أولاً من كتابة معادلة الاتزان CuCO3(S) Cu++(aq) + CO3--(aq) Ksp=[Cu++][CO3--]=2.5×10-10 s2= 2.5×10-10 =1.58× 10 −5 mol/l 𝑠= 2.5×10−10

مثال احسب ذائبية Mg(OH)2 و [Mg++] و [OH-] في المحلول المشبع علماً بأن Ksp=5.6×10-12 عند 298K الحل نكتب المعادلة الموزونة للاتزان Mg(OH)2(s) Mg++(aq) + 2OH-(aq) Ksp=[Mg++][OH-]2=5.6×10-12 [Mg++]=s , [OH-]=2s Ksp= s×(2s)2= 5.6×10-12 4s3=5.6×10-12

=1.12×10-4 mol/l تركيز أيونات الماغنيسيوم [Mg++]=s= 1.12×10-4 mol/l تركيز أيونات الهيدروكسيد [OH-] =2s = 2×1.12×10-4 =2.24×10-4 mol/l

توقع الراسب عند خلط محاليل إذا كان تركيز الأيونات الناتجة أكبر من تركيزها في محاليلها المشبعة يتكون راسب للتأكد نحسب Qsp و هي قيمة تجريبية لـ Ksp كما يلي إذا كان Ksp > Qsp فإن المحلول غير مشبع و لا يتكون راسب إذا كان Ksp = Qsp فإن المحلول مشبع و لا يتكون راسب إذا كان Ksp < Qsp فإن المحلول مشبع و يتكون راسب و يقل تركيز الأيونات حتى يصبح حاصل ضربها = Ksp

مثال توقع ما إذا كان سيتكون راسب من PbCl2 عند إضافة 100ml من NaCl تركيزه 0.01M إلى 100ml من Pb(NO3)2 تركيزه 0.02M علماً بأن Ksp=1.7×10-5 الحل معادلة ذوبان PbCl2هي PbCl2 Pb++(aq)+2Cl-(aq) Qsp =[Pb++][Cl-]2 تركيز كل أيون يقل للنصف بسبب مضاعفة الحجم

Ksp > Qsp إذاً لا يتكون راسب تأثير الأيون المشترك الأيون المشترك هو أيون يوجد في اثنين أو أكثر من المركبات الأيونية عند إضافة أيون مشترك إلى محلول مشبع يحتوي على نفس الأيون تقل الذائبية ويتكون راسب لأن التفاعل ينزاح في الاتجاه العكسي مثال يضاف كبريتات صوديوم إلى محلول كبريتات الباريوم ليقل تركيز أيونات الباريوم السامة عند إجراء الأشعة على الجهاز الهضمي ( الأيون المشترك هو الكبريتات )

Hgb(aq)+4O2(g) Hgb(O2)4(aq) الكيمياء و الصحة يتم التفاعل بين الهيموجلوبين و الأكسجين في الرئتين لإنتاج هيموجلوبين مؤكسد كما يلي Hgb(aq)+4O2(g) Hgb(O2)4(aq) في المرتفعات يقل الأكسجين و يتكيف الجسم على ذلك بإنتاج مزيد من الهيموجلوبين في الأنسجة يتم التفاعل العكسي لإنتاج الأكسجين و حدوث عملية الأيض لإنتاج الطاقة