أسئلة: الاتزان الكيميائي

الإجابة الصحيحة: التفاعل التام يسير في اتجاه واحد حتى ينتهي أحد المتفاعلات تمامًا، بينما الانعكاسي يسير في الاتجاهين معًا داخل وعاء مغلق

التفاعلات التامة تسير في اتجاه واحد حتى انتهاء أحد المتفاعلات، أما الانعكاسية فتسير في الاتجاهين الأمامي والعكسي في آنٍ واحد.

الإجابة الصحيحة: $\rightleftharpoons$

السهم المزدوج $\rightleftharpoons$ يعبّر عن سير التفاعل في الاتجاهين الأمامي والعكسي معًا.

الإجابة الصحيحة: معدل التفاعل الأمامي مع معدل التفاعل العكسي

عند الاتزان الديناميكي يتساوى معدلا التفاعلين الأمامي والعكسي، وليس بالضرورة أن تتساوى التراكيز نفسها.

الإجابة الصحيحة: تظل ثابتة، وليس بالضرورة متساوية القيمة مع بعضها

من خصائص الاتزان الديناميكي أن التراكيز تظل ثابتة بمرور الزمن دون أن تكون متساوية القيمة بالضرورة.

الإجابة الصحيحة: لأن التفاعلين الأمامي والعكسي مستمرّان فعليًا بنفس المعدل، لا أنهما توقّفا

الاتزان ديناميكي لأن التفاعلين مستمرّان بنفس المعدل فعليًا، وليس لأن التفاعل قد توقّف.

الإجابة الصحيحة: $K_c = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

قانون فعل الكتلة ينص على أن Kc هي نسبة تراكيز النواتج (مرفوعة لمعاملاتها) إلى تراكيز المتفاعلات (مرفوعة لمعاملاتها) عند الاتزان.

الإجابة الصحيحة: إذا كانت المواد المتفاعلة والناتجة جميعها غازات

عندما تكون جميع المواد المشاركة في التفاعل غازات، يمكن استخدام الضغوط الجزئية عند الاتزان في صيغة $K_p$ بنفس الأسس الموزونة.

الإجابة الصحيحة: درجة الحرارة ونوع التفاعل فقط

قيمة ثابت الاتزان تتوقف فقط على درجة الحرارة ونوع التفاعل، ولا تتأثر بالتراكيز أو الضغوط الابتدائية أو بوجود عامل حفاز.

الإجابة الصحيحة: أن التفاعل يميل عند الاتزان إلى جهة النواتج

القيمة الكبيرة لثابت الاتزان تدل على أن التفاعل عند الاتزان يميل إلى جهة النواتج.

الإجابة الصحيحة: جهة المتفاعلات

القيمة الصغيرة لثابت الاتزان (أقل من الواحد بكثير) تدل على ميل التفاعل عند الاتزان إلى جهة المتفاعلات.

الإجابة الصحيحة: مول/لتر/ثانية (أو دقيقة)

لأنه التغير في التركيز في وحدة الزمن.

الإجابة الصحيحة: المتفاعلات أيونية تتفاعل بمجرد خلطها

أما التفاعلات التساهمية كالعضوية فبطيئة عادة.

الإجابة الصحيحة: يزيد نسبة الجزيئات المنشطة التي تبلغ طاقة التنشيط

طبقًا لنظرية التصادم.

الإجابة الصحيحة: إذا تعرّض نظام في حالة اتزان لتغيير خارجي، فإن موضع الاتزان يتحرّك في الاتجاه الذي يقاوم هذا التغيير ويقلّل أثره

هذا هو نص مبدأ لوشاتلييه، وهو أساس التنبؤ باتجاه إزاحة الاتزان عند تغيير الظروف.

الإجابة الصحيحة: يتحرّك الاتزان نحو الجانب الذي يحتوي عددًا أقل من مولات الغاز

زيادة الضغط (بتقليل الحجم) تدفع الاتزان نحو الجانب الأقل عددًا من مولات الغاز، لتقليل عدد الجسيمات ومقاومة الزيادة في الضغط.

الإجابة الصحيحة: لا يتأثر موضع الاتزان بتغيّر الضغط

عند تساوي عدد مولات الغاز في الجانبين، لا يتأثر موضع الاتزان بتغيّر الضغط لأن التغيير لا يُحدث اختلافًا في عدد الجسيمات بين الجانبين.

الإجابة الصحيحة: درجة الحرارة

درجة الحرارة هي العامل الوحيد من بين عوامل التركيز والضغط ودرجة الحرارة الذي يغيّر فعليًا قيمة ثابت الاتزان نفسه، وليس فقط موضعه.

الإجابة الصحيحة: يسرّع الوصول إلى الاتزان دون تغيير موضعه أو قيمة ثابته

العامل الحفاز يسرّع كلًا من التفاعلين الأمامي والعكسي بالتساوي، فيسرّع الوصول إلى الاتزان فقط دون تغيير موضعه أو قيمة ثابته.

الإجابة الصحيحة: $K_{sp} = [Ag^+][Cl^-]$

لأن تركيز المادة الصلبة النقية ثابت ولا يدخل في تعبير ثابت الاتزان، يُعرَّف حاصل الذوبانية بحاصل ضرب تركيزَي الأيونين الناتجين.

الإجابة الصحيحة: 4

$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \frac{(2)^2}{(1)(1)^3} = \frac{4}{1} = 4$

الإجابة الصحيحة: قانون فعل الكتلة

من وضع جولدبرج وفاج.

الإجابة الصحيحة: أيون الهيدرونيوم $\text{H}_3\text{O}^+$

يرتبط بالماء برابطة تناسقية.

الإجابة الصحيحة: $1.34 \times 10^{-3}\ \text{M}$

$\sqrt{0.1 \times 1.8 \times 10^{-5}}$.

الإجابة الصحيحة: أوستفالد

$\alpha = \sqrt{K_a/C}$.

الإجابة الصحيحة: $10^{-14}$

$[\text{H}^+][\text{OH}^-]$.

الإجابة الصحيحة: حمضيًا

لأن $\text{pH} < 7$.

الإجابة الصحيحة: 9

$\text{pH} + \text{pOH} = 14$.

الإجابة الصحيحة: 2

حمض قوي تام التأين فـ $[\text{H}^+] = 10^{-2}$.

الإجابة الصحيحة: $K_{sp} = [\text{Pb}^{2+}][\text{Br}^-]^2$

لأن الأس يساوي عدد مولات الأيون.

الإجابة الصحيحة: التفاعل لا يسير جيدًا نحو النواتج

كذوبانية $\text{AgCl}$.

التفاعل الانعكاسي هو تفاعل يسير في الاتجاهين الأمامي والعكسي معًا داخل وعاء مغلق، ويُرمز له بالسهم المزدوج $\rightleftharpoons$. وحالة الاتزان الديناميكي هي الحالة التي يصل إليها هذا التفاعل بعد تركه فترة كافية في الوعاء المغلق، وأهم خاصيتين تميّزانها: الأولى أن معدل التفاعل الأمامي يتساوى مع معدل التفاعل العكسي عند هذه اللحظة، والثانية أن تراكيز (أو ضغوط) جميع المواد المتفاعلة والناتجة تظل ثابتة بمرور الزمن، دون أن تكون بالضرورة متساوية القيمة مع بعضها. وتُسمّى هذه الحالة ديناميكية لا ساكنة، لأن التفاعلين الأمامي والعكسي مستمران فعليًا بنفس المعدل ولم يتوقفا.

وفق قانون فعل الكتلة، يُعبَّر عن ثابت الاتزان بدلالة التركيز بالصيغة $K_c = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$، وعن ثابت الاتزان بدلالة الضغوط الجزئية للغازات بالصيغة المماثلة $K_p = \frac{P_C^{\,c}\, P_D^{\,d}}{P_A^{\,a}\, P_B^{\,b}}$، حيث يُرفع كل تركيز أو ضغط لأس يساوي معامله في المعادلة الموزونة. وتتوقّف قيمة $K_c$ (أو $K_p$) على عاملين فقط: درجة الحرارة، ونوع التفاعل نفسه؛ ولا تتأثر بتغيّر التراكيز أو الضغوط الابتدائية، ولا بوجود عامل حفاز.

$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \frac{(1)^2}{(0.5)(0.5)^3} = \frac{1}{0.5 \times 0.125} = \frac{1}{0.0625} = 16$. وبما أن $K_c = 16$ أكبر من الواحد بكثير، فإن التفاعل عند هذا الاتزان يميل إلى جهة تكوين الناتج $NH_3$.

$K_p = \frac{P_{SO_3}^{2}}{P_{SO_2}^{2}\, P_{O_2}} = \frac{(0.8)^2}{(0.4)^2 (0.2)} = \frac{0.64}{0.16 \times 0.2} = \frac{0.64}{0.032} = 20$.

عند ثبوت الحرارة تتناسب سرعة التفاعل طرديًا مع حاصل ضرب التركيزات المولارية للمتفاعلات كل منها بأس عدد مولاته. $r_f = k_f[\text{FeCl}_3][\text{NH}_4\text{SCN}]^3$ و$r_r = k_r[\text{Fe(SCN)}_3][\text{NH}_4\text{Cl}]^3$. عند الاتزان $r_f = r_r$ فـ $K_c = \dfrac{[\text{Fe(SCN)}_3][\text{NH}_4\text{Cl}]^3}{[\text{FeCl}_3][\text{NH}_4\text{SCN}]^3}$.

ينص مبدأ لوشاتلييه على أنه إذا تعرّض نظام في حالة اتزان لتغيير خارجي (في التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة)، فإن موضع الاتزان يتحرّك في الاتجاه الذي يقاوم هذا التغيير ويقلّل من أثره. وبناءً عليه، فإن زيادة تركيز أحد المتفاعلات تدفع الاتزان نحو جهة النواتج، وذلك لاستهلاك جزء من الزيادة المضافة في تركيز هذا المتفاعل ومقاومتها.

عدد مولات الغاز في جانب المتفاعلات يساوي $1 + 3 = 4$ مولات ($N_2$ وَ$3H_2$)، بينما عدد مولاته في جانب الناتج يساوي $2$ مولًا فقط ($2NH_3$). ووفق مبدأ لوشاتلييه، فإن زيادة الضغط الكلي (بتقليل الحجم) تدفع الاتزان نحو الجانب الذي يحتوي عددًا أقل من مولات الغاز، لأن ذلك يقلّل من عدد الجسيمات الغازية الكلي ويقاوم الزيادة المفروضة في الضغط؛ ولذلك يتحرّك الاتزان هنا نحو جهة الناتج $NH_3$ (الجانب الأيمن)، أي يزداد إنتاج الأمونيا.

بما أن التفاعل طارد للحرارة في اتجاهه الأمامي، فإن اتجاهه العكسي يكون ماصًّا للحرارة. ووفق مبدأ لوشاتلييه، فإن رفع درجة الحرارة يدفع الاتزان في اتجاه التفاعل الماص للحرارة، أي في هذه الحالة في الاتجاه العكسي (نحو المتفاعلات)؛ ودرجة الحرارة هي العامل الوحيد الذي يغيّر فعليًا قيمة ثابت الاتزان نفسه، فتقلّ قيمة $K_c$ (أو $K_p$) هنا مع رفع درجة الحرارة. أما إضافة عامل حفاز فتسرّع الوصول إلى حالة الاتزان فقط، لأنها تسرّع التفاعلين الأمامي والعكسي بالتساوي، لكنها لا تغيّر موضع الاتزان ولا قيمة ثابت الاتزان على الإطلاق، لأنها لا تفضّل اتجاهًا على آخر.

عند الذوبان التام لملح $AgCl$ وفق الاتزان $AgCl_{(s)} \rightleftharpoons Ag^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)}$، ينتج عن كل مول ذائب مول واحد من $Ag^+$ ومول واحد من $Cl^-$، فيكون تركيز كل منهما عند الإشباع مساويًا لقيمة الذوبانية $s$ نفسها. وبالتالي: $K_{sp} = [Ag^+][Cl^-] = s \times s = (2\times10^{-5})^2 = 4\times10^{-10}$.

اتزان كلوريد الفضة المشبع يُكتب $AgCl_{(s)} \rightleftharpoons Ag^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)}$، وحاصل ذوبانيته $K_{sp} = [Ag^+][Cl^-]$. عند إضافة كلوريد الصوديوم، يزداد تركيز أيون $Cl^-$ في المحلول (وهو أيون مشترك مع أيونات $AgCl$)، فيرتفع حاصل التفاعل عن قيمة $K_{sp}$ الثابتة عند هذه الدرجة؛ ووفق مبدأ لوشاتلييه، يقاوم النظام هذه الزيادة بإزاحة الاتزان نحو جهة الترسيب (تكوين مزيد من $AgCl_{(s)}$)، مما يقلّل من تركيز أيونات $Ag^+$ الذائبة، وبالتالي تقلّ ذوبانية $AgCl$ عن ذوبانيتها في الماء النقي؛ وهذا ما يُعرف بتأثير الأيون المشترك.

$2\text{NO}_2 \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4 + \text{heat}$ (طارد للحرارة). التبريد ينشط الاتجاه الطردي المولد للحرارة فيخف اللون، وعند رفع الحرارة ينشط العكسي المستهلك للحرارة فيتكون $\text{NO}_2$ البني من جديد.

طبيعة المتفاعلات (نوع الترابط ومساحة السطح) والتركيز ودرجة الحرارة والضغط والعوامل الحفازة والضوء. وزيادة التركيز تزيد عدد الجزيئات المتفاعلة في وحدة الحجم فتزداد فرص التصادم وتزداد سرعة التفاعل.

حمض قوي تام التأين فـ $[\text{H}^+] = 10^{-2}$ و$\text{pH} = 2$. $[\text{OH}^-] = 10^{-14}/10^{-2} = 10^{-12}\ \text{M}$.

$\alpha = \sqrt{K_a/C} = \sqrt{1.8 \times 10^{-4}} = 0.0134$ أي $1.34\%$. $[\text{H}_3\text{O}^+] = \alpha C = 1.34 \times 10^{-3}$ و$\text{pH} \approx 2.87$.

$K_{sp}(\text{AgCl}) = (1.3 \times 10^{-5})^2 = 1.7 \times 10^{-10}$. وللكبريتات $s = \sqrt{1.1 \times 10^{-10}} \approx 1.05 \times 10^{-5}\ \text{mol/L}$.

يقلل طاقة التنشيط فيسرع التفاعل دون رفع الحرارة فتقل التكاليف. ولا يغير $K_c$ لأنه يسرع التفاعلين الطردي والعكسي بالقدر نفسه فلا يتغير وضع الاتزان.