يظن كثير من التلاميذ أن التوازن الكيميائي معناه أن التفاعل توقف. وهذه أكبر فكرة خاطئة في هذه الوحدة. والصحيح أن التفاعل يستمر في الاتجاهين بالسرعة نفسها، فلا تتغير تراكيز الأفراد الكيميائية مع الزمن. هذا هو الجزء الرابع، وهو أهم جزء، من وحدة تطور جملة كيميائية نحو حالة التوازن في برنامج السنة الثالثة ثانوي. تعرض هذه الصفحة الفرق بين التفاعل التام والعكوس، ثم مفهوم التوازن الديناميكي، ثم خارج التفاعل وثابت التوازن، ثم معيار اتجاه التطور، ثم نسبة التقدم النهائي، ثم مثالًا كاملًا بالأرقام، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين محلولة.
تذكير: التفاعل التام
في الوحدة الأولى درست تفاعلات من النوع A + B → C + D. هذه التفاعلات تامة: تستمر حتى ينفد أحد المتفاعلات (المتفاعل المحد) أو كلاهما، فيتوقف التفاعل. ونواتجها لا تتفاعل فيما بينها لتعيد المتفاعلات.
التفاعل العكوس والتوازن
في تفاعلات أخرى تتفاعل النواتج C وD أيضًا فيما بينها لتعطي من جديد A وB. فيحدث تفاعلان متعاكسان:
A + B ⇌ C + D
- الاتجاه المباشر (1):
A + B → C + D. - الاتجاه العكسي (2):
C + D → A + B.
في البداية سرعة التفاعل المباشر كبيرة لوفرة A وB، وسرعة العكسي ضعيفة. مع الزمن تنقص سرعة المباشر وتزيد سرعة العكسي حتى تتساويا. عندها لا تتغير تراكيز الأفراد الكيميائية: وصلت الجملة إلى حالة التوازن.
والتوازن ديناميكي، أي أن التفاعلين مستمران وبالسرعة نفسها، ولا يعني ذلك توقفًا. وفيه توجد كل الأفراد الكيميائية (المتفاعلات والنواتج) معًا في المزيج.
خارج التفاعل
بالنسبة لتفاعل a A + b B ⇌ c C + d D يعرف خارج التفاعل Q_r في لحظة معينة بـ:
Q_r = ([C]ᶜ × [D]ᵈ) ÷ ([A]ᵃ × [B]ᵇ)
حيث [X] تركيز الفرد X بـ mol/L في تلك اللحظة.
ملاحظات مهمة:
- لا يدخل في العبارة المذيب (الماء) في المحاليل المائية.
- لا تدخل الأجسام الصلبة النقية.
- يتغير
Q_rمع الزمن حتى تبلغ الجملة التوازن.
ثابت التوازن
عند التوازن يأخذ خارج التفاعل قيمة ثابتة تسمى ثابت التوازن K:
Q_r,éq = K
وخصائصه:
- يتعلق بدرجة الحرارة فقط، ولا يتعلق بالتراكيز الابتدائية.
- مقدار بلا وحدة.
- كلما كان
Kكبيرًا مال التوازن إلى جهة النواتج.
معيار التطور التلقائي
بمقارنة Q_r,i (قيمته في الحالة الابتدائية) بـ K:
- إذا كان
Q_r,i < Kتتطور الجملة في الاتجاه المباشر (تتشكل نواتج أكثر). - إذا كان
Q_r,i > Kتتطور في الاتجاه العكسي (تتشكل متفاعلات أكثر). - إذا كان
Q_r,i = Kفالجملة في توازن ولا تتطور.
نسبة التقدم النهائي
عندما يكون التفاعل عكوسًا لا يبلغ التقدم القيمة العظمى. نعرف نسبة التقدم النهائي:
τ = x_f ÷ x_max
حيث x_f التقدم عند التوازن وx_max التقدم الأعظمي (لو كان التفاعل تامًا). وتكون τ < 1 في التفاعل العكوس، وتساوي 1 في التام.
مثال محلول: الأسترة
التفاعل بين حمض الإيثانويك والإيثانول يعطي إستر الإيثانوات الإيثيل والماء، وثابت توازنه عند درجة معينة K = 4. وهو عكوس:
CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O
نخلط 1 mol من الحمض و1 mol من الكحول. نحسب x_f:
عند التوازن: كمية الحمض 1 − x والكحول 1 − x والإستر x والماء x. وبما أن الحجم مشترك يختصر، فـ:
K = x² ÷ (1 − x)² = 4
نأخذ الجذر: x ÷ (1 − x) = 2 فإذن x = 2 − 2x أي 3x = 2 ومنه x_f = 2/3 mol ≈ 0.67 mol.
التقدم الأعظمي x_max = 1 mol (لو كان التفاعل تامًا)، فـ τ = 0.67، أي أن نحو 67% فقط من المتفاعلات تحولت. وبذلك نرى أن الجملة تحوي عند التوازن 0.33 mol من كل متفاعل متبقٍ.
أخطاء شائعة
- القول إن التفاعل يتوقف عند التوازن. هو يستمر في الاتجاهين بسرعتين متساويتين.
- إدخال الماء (المذيب) في عبارة
Q_r. - القول إن
Kيتغير مع التراكيز الابتدائية. هو يتعلق بالحرارة فقط. - الخلط بين
Q_r(يتغير مع الزمن) وK(ثابت). - عكس معيار الاتجاه:
Q_r < Kتعني الاتجاه المباشر وليس العكسي. - القول إن
τيمكن أن يزيد على1.
تمارين للتدرب
- تفاعل
A + B ⇌ C + Dثابت توازنهK = 9. في لحظة معينة:[A] = [B] = 0.1 mol/Lو[C] = [D] = 0.4 mol/L. في أي اتجاه تتطور الجملة؟ - إذا كان
K = 4في مثال الأسترة وخلطنا2 molمن الحمض و2 molمن الكحول، فماτ؟ - ما معنى الحالة
Q_r = K؟
الحلول:
Q_r = (0.4 × 0.4) ÷ (0.1 × 0.1) = 16. وبما أنQ_r > Kفتتطور الجملة في الاتجاه العكسي.- التراكيز النسبية نفسها فـ
τ = 2/3 ≈ 0.67أيضًا، لأن العلاقة تختصر الحجم والكميات النسبية. - الجملة في حالة توازن ولا تتطور.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ ياسر في فيديو «التوازن الكيميائي، الجزء 4، أهم جزء في الوحدة» هذا الدرس في نحو أربع وثلاثين دقيقة، موضحًا في مطلعه أن التوازن الكيميائي ليس توقف التفاعل، ثم يربط بما درسه التلاميذ في الوحدة الأولى عن التفاعل التام والمتفاعل المحد.
وللتدرب على الوحدة، اطلع على هذه الملفات في الموقع: