ملخص مبدأ لوشاتيليه — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الثاني: التغيُّر والاتزان في المادة

الأمونيا من أهم المواد الكيميائية في العالم؛ فمنها تُصنع الأسمدة التي تساعد على إطعام مليارات البشر. لاحظ مهندسو مصانع الأسمدة أن زيادة الضغط في المفاعل تزيد إنتاج الأمونيا، بينما رفع درجة الحرارة يقلله. فكيف نتنبأ باستجابة تفاعل متزن لأي تغيير نُحدثه فيه؟ الإجابة في قاعدة بسيطة وضعها الكيميائي الفرنسي لوشاتيليه.

أهداف التعلم

أن تذكر مبدأ لوشاتيليه.
أن تتنبأ باتجاه إزاحة الاتزان عند تغيير التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة.
أن تفسر لماذا لا يغير الحفاز موضع الاتزان.
أن تميز أثر إضافة غاز خامل عند حجم ثابت وعند ضغط كلي ثابت.
أن تطبق المبدأ على اختيار ظروف تصنيع الأمونيا.

شرح الدرس

نص المبدأ

إذا حدث تغيير في أحد العوامل المؤثرة في نظام متزن (التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة)، فإن الاتزان يُزاح في الاتجاه الذي يقاوم هذا التغيير، حتى يصل النظام إلى حالة اتزان جديدة.

أثر التركيز

زيادة تركيز مادة: يُزاح الاتزان في الاتجاه الذي يستهلكها.
إنقاص تركيز مادة (سحبها): يُزاح الاتزان في الاتجاه الذي ينتجها.

مثال: في $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ ، إضافة $\text{H}_2$ تزيح الاتزان يمينًا. ولا تتغير قيمة $K$ لأن درجة الحرارة ثابتة.

أثر الضغط (للتفاعلات الغازية)

زيادة الضغط تزيح الاتزان نحو الطرف الذي فيه عدد أقل من جزيئات (مولات) الغاز، وخفضه يزيحه نحو الطرف الأكبر.
إذا تساوى عدد جزيئات الغاز في الطرفين (مثل $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ ) لا يؤثر الضغط في الاتزان.
المواد الصلبة لا تُحسب عند عدّ جزيئات الغاز.

أثر درجة الحرارة

رفع درجة الحرارة يزيح الاتزان في اتجاه التفاعل الماص للحرارة.
خفض درجة الحرارة يزيحه في اتجاه التفاعل الطارد للحرارة.
درجة الحرارة هي العامل الوحيد الذي يغير قيمة $K$ : إذا كان التفاعل الطردي طاردًا للحرارة، يقل $K$ بارتفاع الحرارة؛ وإذا كان ماصًّا، يزداد $K$ .

أثر العامل الحفاز

الحفاز يسرّع التفاعلين الطردي والعكسي بالقدر نفسه، فيصل النظام إلى الاتزان في زمن أقل دون أن يتغير موضع الاتزان أو قيمة $K$ .

أثر الغاز الخامل (مثل الأرجون)

عند حجم ثابت: لا تتغير تراكيز الغازات المتفاعلة ولا ضغوطها الجزئية، فـلا يتأثر الاتزان (مع أن الضغط الكلي يزداد).
عند ضغط كلي ثابت: يزداد الحجم فتقل الضغوط الجزئية للغازات المتفاعلة، فيُزاح الاتزان كما لو خُفض الضغط، أي نحو الطرف الأكبر عددًا من جزيئات الغاز. فمثلًا في $2\text{NO}_2\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4$ يُزاح يسارًا.

تصنيع الأمونيا (طريقة هابر)

\text{N}_2(g)+3\text{H}_2(g)\rightleftharpoons2\text{NH}_3(g)\qquad\Delta H=-92\ \text{kJ}

التفاعل طارد للحرارة، ويقل فيه عدد جزيئات الغاز من $4$ إلى $2$ .
إذن زيادة الضغط وخفض درجة الحرارة يزيحان الاتزان يمينًا ويرفعان نسبة الأمونيا.

منحنيات نسبة الأمونيا عند الاتزان مع درجة الحرارة عند ثلاثة ضغوط: تقل النسبة بارتفاع درجة الحرارة، والمنحنى الأعلى للضغط الأكبر

لكن في درجات الحرارة المنخفضة جدًّا تصبح سرعة التفاعل بطيئة جدًّا؛ لذلك تُستخدم عمليًّا درجة حرارة متوسطة (نحو $400$ – $500\,^{\circ}\text{C}$ ) مع حفاز من الحديد، للتوفيق بين نسبة إنتاج مقبولة وسرعة كافية.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: في أي اتجاه يُزاح كل اتزان؟

النظام	التغيير	الإزاحة
$3\text{O}_2\rightleftharpoons2\text{O}_3$	إضافة $\text{O}_2$	يمين
$2\text{SO}_2+\text{O}_2\rightleftharpoons2\text{SO}_3$	إضافة حفاز	لا يتأثر
$\text{NH}_3+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{NH}_4^{+}+\text{OH}^{-}$	إضافة $\text{NH}_4\text{Cl}$	يسار (زاد $\text{NH}_4^{+}$ )
$\text{CO}+2\text{H}_2\rightleftharpoons\text{CH}_3\text{OH}(g)$	زيادة الضغط	يمين ( $3$ جزيئات ← $1$ )
$\text{H}^{+}+\text{OH}^{-}\rightleftharpoons\text{H}_2\text{O}\quad\Delta H=-56\ \text{kJ}$	التبريد	يمين (الطارد)
$\text{C}(s)+\text{H}_2\text{O}(g)\rightleftharpoons\text{CO}+\text{H}_2$	زيادة الضغط	يسار ( $1$ ← $2$ جزيء غاز)
$\text{N}_2+3\text{H}_2\rightleftharpoons2\text{NH}_3$	إضافة $\text{Ar}$ عند حجم ثابت	لا يتأثر

مثال 2 (قراءة رسم): في التفاعل الغازي $a\text{A}+b\text{B}\rightleftharpoons c\text{C}$ ، تقل نسبة $\text{C}$ عند الاتزان كلما ارتفعت درجة الحرارة، وتزداد بزيادة الضغط. نستنتج: التفاعل الطردي طارد للحرارة، و $a+b>c$ ، ويقل $K$ برفع درجة الحرارة.

مثال 3: لماذا يرفع المصنع درجة الحرارة إلى نحو $450\,^{\circ}\text{C}$ رغم أن خفضها يزيد نسبة الأمونيا؟ لأن سرعة التفاعل عند درجات الحرارة المنخفضة تكون صغيرة جدًّا فلا يُنتج قدر مفيد في زمن عملي.

تطبيق: يعتمد إنتاج الأسمدة عالميًّا على التحكم في ظروف الاتزان في عملية هابر، وبدون ذلك لما استطاعت الزراعة الحديثة إنتاج غذاء كافٍ لسكان العالم.

ملاحظات مهمة

التركيز والضغط والحفاز لا تغير $K$ ؛ درجة الحرارة فقط تغيره.
عند تحليل أثر الضغط، عُدّ جزيئات الغاز فقط.
الحفاز لا يزيح الاتزان؛ يُسرّع الوصول إليه.
إضافة غاز خامل عند حجم ثابت لا تزيح الاتزان رغم زيادة الضغط الكلي.

المفاهيم الأساسية

مبدأ لوشاتيليه: النظام المتزن يقاوم التغيير المفروض عليه.
التركيز: يُزاح بعيدًا عن المادة المضافة ونحو المادة المسحوبة.
الضغط: الزيادة ← نحو عدد أقل من جزيئات الغاز.
الحرارة: الرفع ← نحو الماص، والخفض ← نحو الطارد.
هابر: ضغط مرتفع، ودرجة حرارة متوسطة، وحفاز الحديد.

ملخص الدرس

ينص مبدأ لوشاتيليه على أن النظام المتزن يستجيب لأي تغيير بإزاحة الاتزان في الاتجاه الذي يقاوم هذا التغيير. فزيادة تركيز مادة تزيح الاتزان نحو استهلاكها، وزيادة الضغط تزيحه نحو الطرف الأقل عددًا من جزيئات الغاز، ورفع الحرارة يزيحه نحو التفاعل الماص ويغير قيمة $K$ ، أما الحفاز فيسرّع الوصول إلى الاتزان دون تغيير موضعه. وتُختار ظروف تصنيع الأمونيا بالتوفيق بين نسبة الإنتاج عند الاتزان وسرعة التفاعل.

أسئلة للتدريب

في $2\text{NO}_2\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4\quad\Delta H=-57\ \text{kJ}$ : ماذا يحدث للون البني للخليط عند التسخين؟ ولماذا؟
في أي اتجاه يُزاح $2\text{HI}\rightleftharpoons\text{H}_2+\text{I}_2(g)$ عند زيادة الضغط؟
ماذا يحدث لاتزان $2\text{SO}_2+\text{O}_2\rightleftharpoons2\text{SO}_3$ عند إضافة الأرجون عند ضغط كلي ثابت؟
كيف يتغير $K$ لتفاعل ماص للحرارة عند رفع درجة الحرارة؟
اذكر ظرفين يزيدان نسبة الأمونيا عند الاتزان، وفسّر لماذا لا يُستخدم أحدهما إلى أقصى حد في المصانع.