تعادل شیمیایی (Chemical equilibrium) به حالتی گفته می شود که در آن، غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها با گذشت زمان ثابت بماند. در واقع، در این حالت فعالیت شیمیایی در یک واکنش شیمیایی تغییر نخواهد کرد. در زمان تعادل، سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت با یکدیگر برابر مي شوند. در مطالب پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک، با مفهوم ثابت تعادل آشنا شده اید. در این مقاله به بررسی تعادل شیمیایی و عوامل موثر بر آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- مقدمه
۲- تعادل شیمیایی
۳- پویایی تعادل شیمیایی
۴- معادله ثابت تعادل
۵- انواع تعادل شیمیایی
۶- ویژگی های عمومی يك سیستم در حال تعادل
۷- عوامل موثر بر تعادل شیمیایی
۱-۷- اثرتغییر غلظت
۲-۷- اثرتغییر فشار
۳-۷- اثرتغییر دما
۸- پیش بینی جهت پیشرفت واکنش
مقدمه
به طور کلی واکنش های شیمیایی را می توان به دو دسته واکنش های برگشت ناپذیر و واکنش های برگشت پذیر تقسیم بندی نمود. در یک واکنش، زمانیکه به طور تقریبی تمام واکنش دهنده ها به فرآورده ها تبدیل شوند، واکنش برگشت نا پذیر می باشد. در این حالت، واکنش به طور کامل انجام می شود و یا تا مرز کامل شدن پیش می رود.
در حالیکه در بعضی از واکنش ها، علاوه بر پیشرفت واکنش مورد نظر در جهت رفت، می تواند در جهت برگشت هم پیش روند. در واقع، اگر در يك واكنش امكان تبدیل فرآورده ها به واكنش دهنده ها وجود داشته باشد، آن واكنش را برگشت پذير می گویند.
تمامی واکنش های برگشت پذير تمایل دارند که به حالت تعادل برسند. در واقع در این دسته از واکنش ها، لحظه ای وجود دارد كه سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر می شود. لازم به ذکر است که در نقطه تعادل سرعت واکنش رفت و سرعت واکنش برگشت برابر با صفر نیست بلکه فقط یکسان خواهد بود. بنابراین در این صورت تغییراتی در خواص سیستم نخواهید داشت. توجه داشته باشید که واكنش متوقف نشده بلکه فقط تغييری در غلظت ها در سطح ماكروسكوپی بوجود نمی آید.
تعادل شیمیایی
همانطور که اشاره شد، تعادل شیمیایی معمولا در شرایطی بوجود می آید که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر باشد. به عنوان نمونه واکنش تعادلی زیر را در نظر بگیرید.
aA + bB ⇌ cC + dD
نماد فلش دو طرفه (⇌) به خوبی بیانگر اینست که واکنش می تواند در جهت تولید واکنش دهنده یا فرآورده، انجام شوند.
در حقیقت این معادله را می‌توان هم در جهت رفت و هم در جهت برگشت خواند. توجه داشته باشید که به واکنش aA + bB ⇾ cC + dD واکنش رفت و به طور مشابه به واکنش cC + dD ⇾ aA + bB واکنش برگشت می گویند. در واکنش های یک طرفه یا غیر تعادلی از نماد فلش یک طرفه (⇾) استفاده می کنند.
اگر A و B با یکدیگر مخلوط شوند، بنابراین بر یکدیگر اثر کرده، C و D را تولید می کنند. با پیشرفت واکنش غلظت A و B به تدریج کاهش می یابد، پس از سرعت این واکنش کاسته می شود. از طرف دیگر، از واکنش میان مولکول های C و D دوباره مولکول های اولیه A و B بوجود می آیند.
توجه داشته باشید که در شروع آزمایش، چون مولکول های C و D وجود ندارند، بنابراین واکنش برگشت نمی تواند امکان پذیر باشد. اما این واکنش با تولید شدن مقداری از مولکول های C و D در واکنش رفت آغاز می شود.
نکته
لازم به ذکر است که این واکنش در ابتدا به کندی انجام می گیرد (به علت آن که غلظت مولکول های C و D در واکنش کم می باشد)، ولی به تدریج سریع تر می شود. در حقیقت با گذشت زمان، سرعت واکنش رفت کاهش می یابد، در حالیکه سرعت واکنش برگشت افزایش یافته است. این حالت تا زمانی ادامه پیدا می کند که دو سرعت رفت و برگشت با هم برابر شوند و در نتیجه تعادل شیمیایی برقرار گردد.
پویایی تعادل شیمیایی
در حقیقت تعادل شیمیایی یک حالت پویا می باشد که در آن، واکنش به صورت پیوسته در حال انجام شدن است. توجه داشته باشید که ثابت ماندن خواص ماکروسکوپی و یا غلظت ها به معنای توقف واکنش نمی باشد. بلکه فقط در زمان تعادل، غلظت تمام مواد ثابت خواهد بود.
لازم به ذکر است که حالت تعادل به این معنا نیست که لزوما غلظت واکنشگر ها با غلظت محصولات برابر باشد، بلکه غلظت هر یک از گونه ها به صورت جدا ثابت خواهد بود. در واقع بعد از برقراری تعادل، غلظت ها ثابت می شود، در حالیکه غلظت تعادلی واکنش گر ها و محصولات ممکن است یکسان و یا حتی غیر یکسان باشد.
اگر واکنش فرضی aA + bB ⇌ cC + dD را در نظر بگیرید، غلظت C و D در واکنش ثابت می ماند، زیرا C و D با همان سرعتی که در واکنش رفت تولید می شوند، با همان سرعت هم در واکنش برگشت مصرف می‌گردند. به طور مشابه، مولکول های اولیه A و B نیز با همان سرعتی که در واکنش برگشت دوباره تولید می شوند، با همان سرعت هم در واکنش رفت به مصرف می رسند. بنابراین غلظت ها در زمان تعادل ثابت می مانند، زیرا سرعت واکنش های رفت و برگشت با یکدیگر برابر هستند، نه از آن جهت که هر گونه فعالیت شیمیایی متوقف شده است.
معادله ثابت تعادل
روابط سرعت و غلظت در واكنش برگشت پذير مورد نظر به صورت زیر است.
سرعت واکنش رفت: Rf = kf [A]a [B]b
سرعت واکنش برگشت : Rr = kr [C]c [D]d
در زمان تعادل : Rf = Rr ⇾ kf [A]a [B]b = kr [C]c [D]d
در معادله فوق، k ثابت تعادل است که برای يك واكنش معين در دمای ثابت مقداری همواره ثابت می باشد. لازم به ذکر است که مقدار k، در واکنش ها و دما های مختلف، متفاوت خواهد بود.
انواع تعادل شیمیایی
تعادلات شیمیایی را می توان در دو دسته تعادل همگن و تعادل ناهمگن طبقه بندی کرد. در تعادل همگن تمام مواد شرکت کننده در واکنش (واکنش دهنده ها و فرآورده ها) در یک فاز قرار دارند. برای مثال، در تعادل زیر، تمام مواد شرکت کننده در تعادل، در یک فاز ( فاز گازی) می باشند.
۲SO۲ (g) + O۲ (g) ⇌ ۲SO۳ (g)
در حالیکه در یک تعادل نا همگن، مواد شرکت کننده در تعادل در فازهای مختلفی قرار دارند. مثلا واکنش تجزیه گرمایی کربنات کلسیم جامد را در نظر بگیرید. این تعادل، نمونه ای از یک تعادل ناهمگن دو فازی می باشد.
CaCO۳ (s) ⇌ CaO (s) + CO۲ (g)
ویژگی های عمومی يك سیستم در حال تعادل
۱- سیستم تعادلی بايد كاملا بسته و ايزوله باشد. در حقیقت بين سیستم و محيط پیرامونش هیج گونه مبادله جرم و یا انرژی صورت نگیرد.
۲- در حالت تعادل، سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر باشد.
۳- خواص ماكروسكوپی سیستم تعادلی از جمله جرم، حجم، رنگ و غیره ثابت و با گذشت زمان بدون تغییر باشند.
۴- واکنش بین واکنشگر ها و محصولات در سطح ميكروسكوپی ادامه داشته باشد. در واقع در هنگام تعادل واكنش متوقف نمی شود، در نتیجه در حالت سکون قرار ندارد.
عوامل موثر بر تعادل شیمیایی
همانگونه که در بالا بیان شد، در زمان تعادل سرعت واکنش های رفت و برگشت با یکدیگر برابر و در نتیجه غلظت تمامی مواد شرکت کننده در تعادل نیز ثابت خواهد بود. توجه داشته باشید که برابری سرعت ها و ثابت شدن غلظت ها، تا زمانی ادامه دارد که عاملی مزاحم تعادل نشود.
عواملی چون تغییر غلظت، تغییر فشار و یا تغییر دما سبب بر هم زدن تعادل می شوند. در این صورت، سیستم در جهتی حرکت می کند که با تغییر اعمال شده مقابله کند. بنابراین، تعادل جدیدی بر مبنای اصل لوشاتلیه بوجود می آید. تاثیر این عوامل در ادامه بررسی می شود.
لازم به ذکر است که كاتاليزور ها بر روی غلظت های در حال تعادل تاثیری ندارند، بنابراین هیچ حرکت یا جابجایی را در تعادل ایجاد نمی کنند. در واقع فقط سبب می شوند که واکنش مورد نظر زودتر به تعادل برسد. در حقیقت کاتالیزور ها انرژی فعال سازی واكنش های رفت و برگشت را به يك اندازه كاهش می دهن، پس می توان گفت که ثابت سرعت واكنش های رفت و برگشت را به يك نسبت افزايش خواهند داد. به عبارتی دیگر، کاتالیزور ها تنها زمان لازم برای رسيدن به حالت تعادل را کم می کنند و بر روی تعادل اثری نمی گذارند.
اثرتغییر غلظت
اگر غلظت ماده شرکت کننده در یک تعادل شیمیایی افزایش یابد، طبق اصل لوشاتولیه، تعادل به گونه ای جابجا می شود که غلظت ماده افزایش یافته را کاهش دهد. به طور مشابه، اگر غلظت يكی از مواد شرکت کننده در تعادل شیمیایی كاهش پیدا کند واكنش در جهت توليد آن ماده پيش خواهد رفت. به عنوان نمونه واکنش زیر را در نظر بگیرید.
۲SO۲ (g) + O۲ (g) ⇌ ۲SO۳ (g)
همانطور که بیان شد، افزایش یک ماده باعث می شود تعادل در جهت مصرف آن جابه جا شود، در حالیکه خارج کردن یک ماده، باعث می شود تعادل در جهت تولید آن جابه جا شود. بنابراین با افزودن مقداری گاز اکسیژن تعادل به سمت راست جابه جا می شود تا مقداری از O۲ را مصرف کند. همچنین با خارج کردن مقداری گاز دی اکسید گوگرد، تعادل به سمت چپ با جابه جا می شود تا بتواند مقداری از کمبود SO۲ را جبران کند.
اثر تغییر فشار
با تغییر حجم یک سیستم می توان فشار آن سیستم گازی در حال تعادل را در دمای ثابت تغییر داد. بنابراین با کاهش حجم، فشار سیستم زیاد و با افزایش حجم، فشار آن کم می شود. در واقع، با افزایش فشار، تعادل به سمت تعداد مول گازی کمتر حرکت می کند. در حالیکه، با کاهش فشار سیستم به سمت تعداد مول گازی بیشتر جابجا می شود. توجه داشته باشید که اگر تعداد مول های گازی در دو طرف یک واکنش شیمیایی برابر باشند، در نتیجه تغییرات فشار، تاثیری بر تعادل ندارد.
با توجه به شکل فوق مشخص می شود که، با کاهش حجم سیستم محتوی مخلوط گازها، فشار افزایش یافته است. در نتیجه بر طبق اصل لوشاتولیه، تعادل برای جبران افزایش فشار به سمت تعداد مول گاز کمتر حرکت می کند. به بیان دیگر، تعادل به سمت راست جابه جا خواهد شد.
اثر تغییر دما
به طور کلی می توان گفت که، هر زمان در یک تعادل دما افزایش یابد، بر طبق اصل شاتلیه، تعادل در جهتی حرکت می کند که گرما را جذب نماید. علاوه بر آن، با کاهش دما تعادل در جهتی حرکت می کند که گرما را آزاد کند. در واقع در واکنش های گرماگیر، با افزایش دما واکنش در جهت رفت و با کاهش دما، واکنش در جهت برگشت جابجا می شود. عکس حالت فوق در واکنش های گرمازا وجود دارد.
به عنوان نمونه تشکیل دی اکسید نیتروژن (قهوه ای رنگ) از دی نیتروژن تترا اکسید (بی رنگ) را در نظر بگیرید. این واکنش از نوع گرماگیر می باشد.
N۲O۴ (g) ⇋ ۲NO۲ (g) Q = +57 / 2 kJ
در این واکنش افزایش دما سبب جا به جایی تعادل به سمت راست می شود. در واقع افزایش دما باعث تشکیل مقدار بیشتری از گاز NO۲ قهوه ای رنگ می گردد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می نمایید، رنگ مخلوط در آب گرم پر رنگ تر از رنگ آن در آب و یخ، می باشد.
پیش بینی جهت پیشرفت واکنش
وقتي یک واكنش در حال انجام شدن است، می توان در هر لحظه برای آن واکنش، خارج قسمت (Reaction Quotient) واکنش را بر اساس معادله زیر نوشت.
زمانیکه سیستم در حال تعادل باشد، Q = k خواهد بود. در بقیه موارد، با مقایسه کردن مقادیر بدست آمده از رابطه Q و ثابت تعادل آن واکنش، می توان جهت پیشرفت واکنش را مشخص کرد. در این صورت ۳ حالت مختلف پیش می آید که عبارتند از :
۱- Q < k باشد. در این صورت، غلظت واکنشگر ها بیشتر از محصولات می باشد. پس واکنش به سمت فرآورده ها جابه جا شده و تا رسیدن به تعادل ادامه پیدا می کند.
۲- Q > k باشد. در این صورت، غلظت محصولات بیشتر از واکنشگر ها می باشد. پس واکنش به سمت چپ پیش می رود.
۳- Q = 0 باشد. در این صورت، خارج قسمت واکنش از ثابت تعادل آن کمتر می باشد. بنابراین واکنش به سمت تولید محصول در حال پیشرفت می باشد.
