ملخص الاتزان الكيميائي — ثانية ثانوي

مقدمة

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

زجاجة المشروب الغازي المغلقة لا تظهر فيها فقاعات، مع أن غاز ثاني أكسيد الكربون يخرج من السائل ويعود إليه باستمرار. وفي دمك يرتبط الأكسجين بالهيموجلوبين وينفصل عنه في الوقت نفسه. يبدو النظام «ساكنًا»، لكنه في الحقيقة مليء بالحركة. هذه الحالة تسمى الاتزان الكيميائي، وفي هذا الدرس نتعلم كيف نصفها بعدد واحد هو ثابت الاتزان.

أهداف التعلم

أن تميز التفاعل الانعكاسي من التفاعل التام وتمثل كلًّا منهما بالرمز المناسب.
أن تصف الاتزان الكيميائي بأنه اتزان ديناميكي.
أن تكتب تعبير ثابت الاتزان لتفاعل ما وتحدد وحدته.
أن تحسب ثابت الاتزان من كميات المواد عند الاتزان.
أن تستخدم ثابت الاتزان لحساب كميات المواد عند الاتزان.

شرح الدرس

التفاعلات الانعكاسية والتامة

التفاعل الانعكاسي: يسير في الاتجاهين، ويُمثل بسهم مزدوج $\rightleftharpoons$ ، مثل: $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ . يسمى التفاعل نحو اليمين الطردي ونحو اليسار العكسي.
التفاعل غير الانعكاسي (التام): يسير في اتجاه واحد فقط، ويُمثل بسهم واحد، مثل احتراق صوف الفولاذ: $3\text{Fe}+2\text{O}_2\rightarrow\text{Fe}_3\text{O}_4$ .

حالة الاتزان

الاتزان الكيميائي حالة تتساوى فيها سرعة التفاعل الطردي مع سرعة التفاعل العكسي، فتبقى تراكيز المتفاعلات والنواتج ثابتة (لا متساوية بالضرورة). وهو اتزان ديناميكي: التفاعلان مستمران لكن بسرعتين متساويتين.

رسمان: الأول تراكيز الهيدروجين تتناقص وتراكيز يوديد الهيدروجين تتزايد حتى تثبت عند الاتزان، والثاني سرعة التفاعل الطردي تتناقص وسرعة العكسي تتزايد حتى تتساويا

قانون فعل الكتلة (قانون الاتزان الكيميائي)

للتفاعل الانعكاسي $a\text{A}+b\text{B}\rightleftharpoons c\text{C}+d\text{D}$ ، عند الاتزان:

K=\frac{[\text{C}]^{c}\,[\text{D}]^{d}}{[\text{A}]^{a}\,[\text{B}]^{b}}

$K$ ثابت الاتزان، ويبقى ثابتًا ما دامت درجة الحرارة ثابتة.
المواد الصلبة النقية لا تُكتب في التعبير لأن تركيزها ثابت. مثلًا: $\text{C}(s)+\text{CO}_2(g)\rightleftharpoons2\text{CO}(g)$ يكون $K=\frac{[\text{CO}]^{2}}{[\text{CO}_2]}$ .
وحدة $K$ تُستنتج بالتعويض بوحدات التراكيز؛ فإن كان $K=\frac{[\text{B}]}{[\text{A}]^{3}}$ كانت وحدته $(\text{mol/L})^{-2}$ . وإذا تساوى مجموع الأسس في البسط والمقام كان $K$ بلا وحدة.
$K$ كبير ( $\gg1$ ): النواتج هي الغالبة عند الاتزان؛ $K$ صغير ( $\ll1$ ): المتفاعلات هي الغالبة.

خطوات حساب ثابت الاتزان

اكتب المعادلة الموزونة وسجّل الكميات الابتدائية.
حدد التغير في كمية كل مادة مستخدمًا نسب المعاملات.
احسب الكميات عند الاتزان، ثم حوّلها إلى تراكيز بالقسمة على حجم الإناء.
عوّض في تعبير $K$ .

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: في إناء حجمه $10\ \text{L}$ تفكك $0.30\ \text{mol}$ من $\text{N}_2\text{O}_4$ وفق $\text{N}_2\text{O}_4\rightleftharpoons2\text{NO}_2$ ، فبقي عند الاتزان $0.20\ \text{mol}$ منه وتكوّن $0.60\ \text{mol}$ من $\text{NO}_2$ .

K=\frac{\left(\frac{0.60}{10}\right)^{2}}{\frac{0.20}{10}}=\frac{0.0036}{0.020}=0.18\ \text{mol/L}

مثال 2: وُضع $5.50\ \text{mol}$ من $\text{H}_2$ و $4.00\ \text{mol}$ من $\text{I}_2$ في إناء $100\ \text{L}$ ، فتكون عند الاتزان $7.00\ \text{mol}$ من $\text{HI}$ .

	$\text{H}_2$	$\text{I}_2$	$2\text{HI}$
ابتدائي (mol)	$5.50$	$4.00$	$0$
التغير (mol)	$-3.50$	$-3.50$	$+7.00$
الاتزان (mol)	$2.00$	$0.50$	$7.00$

K=\frac{\left(\frac{7.00}{100}\right)^{2}}{\frac{2.00}{100}\times\frac{0.50}{100}}=49

(ولأن مجموع الأسس متساوٍ في البسط والمقام، يُختصر الحجم ويكون $K$ بلا وحدة.)

مثال 3 (استخدام $K$ ): في الإناء نفسه وعند الدرجة نفسها وُضع $3.00\ \text{mol}$ من كل من $\text{H}_2$ و $\text{I}_2$ . كم مولًا من $\text{HI}$ يتكون؟

بفرض أن $x\ \text{mol}$ من كل منهما تفاعل: $\frac{(2x)^{2}}{(3.00-x)^{2}}=49$ ، فنأخذ الجذر: $\frac{2x}{3.00-x}=7$ (نهمل الجذر السالب لأن $0<x<3.00$ )، إذن $9x=21$ و $x\approx2.33\ \text{mol}$ ، ويتكون $2x\approx4.67\ \text{mol}$ من $\text{HI}$ .

مثال 4 (الأسترة): خُلط $1.00\ \text{mol}$ من حمض الخليك مع $1.00\ \text{mol}$ من الإيثانول فبقي عند الاتزان $0.25\ \text{mol}$ من الحمض:

$\text{CH}_3\text{COOH}+\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\rightleftharpoons\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5+\text{H}_2\text{O}$

تكوّن $0.75\ \text{mol}$ من كل من الإستر والماء، و $K=\frac{0.75\times0.75}{0.25\times0.25}=9.0$ (الحجم يُختصر).

تطبيق: يذوب جزء من ثاني أكسيد الكربون المتزايد في الجو في مياه المحيطات، فيؤثر في اتزان أيونات الكربونات التي تحتاجها الشعاب المرجانية والمحاريات لبناء هياكلها.

ملاحظات مهمة

عند الاتزان التراكيز ثابتة وليست بالضرورة متساوية.
استخدم التراكيز (mol/L) في تعبير $K$ ، لا عدد المولات، إلا إذا اختُصر الحجم.
$K$ لا يتغير بتغير التراكيز الابتدائية أو الضغط أو بإضافة حفاز؛ يتغير بدرجة الحرارة فقط.
عند حل معادلة $K$ ارفض الحل الذي يعطي كمية سالبة أو أكبر من الكمية الابتدائية.

المفاهيم الأساسية

التفاعل الانعكاسي ( $\rightleftharpoons$ ) والتفاعل التام ( $\rightarrow$ ).
الاتزان الديناميكي: سرعة الطردي = سرعة العكسي، والتراكيز ثابتة.
$K=\frac{[\text{C}]^{c}[\text{D}]^{d}}{[\text{A}]^{a}[\text{B}]^{b}}$ ، ولا تُكتب المواد الصلبة النقية.
جدول (ابتدائي – تغير – اتزان) لحساب $K$ أو كميات الاتزان.

ملخص الدرس

التفاعل الانعكاسي يسير في الاتجاهين حتى يصل إلى حالة اتزان تتساوى فيها سرعتا التفاعلين الطردي والعكسي وتثبت التراكيز. ويصف قانون فعل الكتلة هذه الحالة بثابت الاتزان $K$ ، وهو نسبة حاصل ضرب تراكيز النواتج إلى حاصل ضرب تراكيز المتفاعلات، كل مرفوع لأس معامله، ولا يتغير إلا بتغير درجة الحرارة. وباستخدام جدول الاتزان نحسب $K$ من البيانات التجريبية، أو نحسب كميات المواد عند الاتزان إذا عرفنا $K$ .

أسئلة للتدريب

اكتب تعبير $K$ ووحدته لكل من: $\text{N}_2+3\text{H}_2\rightleftharpoons2\text{NH}_3$ ، و $\text{C}(s)+\text{H}_2\text{O}(g)\rightleftharpoons\text{CO}(g)+\text{H}_2(g)$ .
وُضع $1.00\ \text{mol}$ من كل من $\text{H}_2$ و $\text{I}_2$ في إناء، فتكون $1.6\ \text{mol}$ من $\text{HI}$ عند الاتزان. احسب $K$ .
في السؤال السابق وعند الدرجة نفسها، وُضع $1.6\ \text{mol}$ من كل من $\text{H}_2$ و $\text{I}_2$ . احسب كمية $\text{HI}$ عند الاتزان.
تفاعل $5.0\ \text{mol}$ من حمض الخليك مع $8.0\ \text{mol}$ من الإيثانول فتكوّن $4.0\ \text{mol}$ من الإستر. احسب $K$ .
لماذا يُوصف الاتزان الكيميائي بأنه ديناميكي؟