شارح الدرس: قاعدة لوشاتيليه الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نوضِّح تأثير تغيُّر درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط على الاتزان وفقًا لقاعدة لوشاتيليه.

هناك العديد من الأقوال الشائعة بين البستانيِّين عن تقليم الأشجار والشجيرات. يقول بعض البستانيِّين إنه لكي نجعل شُجيرة الورد تنمو بسرعة مضاعفة، علينا تقليم الفروع أولًا. تتمثَّل الفكرة في أن النبات يقاوِم التغيُّر الذي فُرِض عليه. ولاستبدال ما فُقِد، تنبت الوردة مرة أخرى بسرعة. في الكيمياء، هناك فكرة مشابهة تتعلَّق بالتفاعلات الكيميائية في حالة الاتزان.

عندما تصل التفاعلات الكيميائية إلى الاتزان الديناميكي، تظل هناك تغيُّرات تحدث على المستوى المجهري أو الجزيئي. وهذا يختلف عن الاتزان الإستاتيكي. تكون هذه التغيُّرات المجهرية في حالة توازن فيما بينها؛ لذا، لا يظهر تغيُّر كلي على النظام يمكن لمن ينظر إليه من الخارج أن يلاحظه.

على سبيل المثال، قد يظل التفاعل الكيميائي في حالة الاتزان الديناميكي، في نظام مغلق، ثابت اللون. وبالطبع، هذا يعتمد على لون المتفاعلات والنواتج المتضمَّنة في التفاعل الكلي. أحد الأمثلة على نظامٍ في حالة اتزان هو التحويل بين ثاني أكسيد النيتروجين ورابع أكسيد ثنائي النيتروجين:

ثاني أكسيد النيتروجين غاز لونه بني داكن، أو بني محمر، ورابع أكسيد ثنائي النيتروجين هو غاز عديم اللون. في حالة الاتزان، يكون كلا الغازين موجودين في الخليط، ويمكن رؤية لون بني باهت ثابت. إذا حدث تغيُّر مفاجئ في خليط الغاز هذا، عندما يكون في حالة اتزان، فسنلاحظ تغيُّرًا في اللون.

قد تتضمَّن التغيُّرات التي يمكن إدخالها على هذا النظام درجة الحرارة والضغط والتركيز. أيٌّ من هذه التغيُّرات قد يتسبَّب في تغيير موضع الاتزان.

تتسبَّب العوامل الحفَّازة في زيادة سرعة التفاعل الأمامي والعكسي بالتساوي؛ ومن ثَمَّ، فهي لا تؤثِّر على موضع الاتزان. ما تفعله العوامل الحفَّازة ببساطة هو أنها تُقلِّل الزمن الذي يستغرقه النظام للوصول إلى حالة الاتزان. سينزاح الاتزان إما في اتجاه المتفاعلات وإما في اتجاه النواتج. يُشار عادةً إلى إزاحة الاتزان نحو المتفاعلات بالإزاحة تجاه اليسار، أو الجانب الأيسر. على النقيض من ذلك، عادةً ما يُشار إلى الإزاحة في اتجاه النواتج بالإزاحة إلى اليمين، أو الجانب الأيمن. عندما يتعرَّض النظام الذي في حالة اتزان إلى اضطراب من هذا النوع، يستجيب النظام حتى يستعيد حالة الاتزان مرة أخرى. كان الكيميائي الفرنسي هنري لويس لوشاتيليه من أوائل الأشخاص الذين تقصَّوا تأثير العوامل المختلفة على الاتزان. وهذا أدى إلى وضع قاعدة لوشاتيليه.

يمكننا استكشاف آلية عمل قاعدة لوشاتيليه عن طريق تطبيق هذه الفكرة على أنظمة مختلفة في حالة اتزان. نتناول أولًا كيف تؤثِّر تغيُّرات التركيز على موضع الاتزان.

إذا أضفنا أيونات الحديد الثلاثي إلى محلول به أيونات الثيوسيانات ()، فسيظهر سريعًا لون أحمر دموي جرَّاء تكوُّن أيون ثيوسيانات الحديد الثلاثي. ينتج هذا اللون عن أيون معقَّد صيغته. عند التركيزات الأولية المنخفضة نسبيًّا للمتفاعلات لا يكون اللون الأحمر الدموي واضحًا للغاية، ويصل النظام إلى حالة الاتزان سريعًا:

إذا غيَّرنا فجأة من تركيز أحد الأنواع في خليط الاتزان، فسنلاحظ كيف يستجيب الاتزان لهذا التغيير. ستكون الاستجابة وفقًا لقاعدة لوشاتيليه. على سبيل المثال، إذا أضفنا أحد أملاح الحديد الثلاثي القابلة للذوبان إلى الخليط، مثل نيترات الحديد الثلاثي، فسيرتفع تركيز أيونات الحديد الثلاثي في المحلول. واستجابةً لهذا التغيير، سيُزاح الاتزان إلى طرف النواتج، أو الطرف الأيمن. تعمل هذه الإزاحة في موضع الاتزان على مقاومة التغيُّر الأصلي. وستتفاعل بعض أيونات الحديد الثلاثي الإضافية المضافة إلى الخليط مع أيونات المتاحة. وعندئذٍ سينخفض تركيز أيونات الحديد الثلاثي، وكذلك تركيز أيونات . أما تركيز أيونات المعقَّدة فسيزداد عند استعادة وضع الاتزان. كما سنُلاحظ زيادة في شدة اللون الأحمر الدموي في الخليط.

على النقيض من ذلك، يمكننا إزالة بعضٍ من أيونات المذابة من خليط الاتزان. يمكن تحقيق هذا من خلال ترسيب هذه الأيونات عن طريق إضافة بضع قطرات من محلول هيدروكسيد الصوديوم. سيقاوم الاتزان هذا التغيير ويُزاح نحو الجانب الأيسر لاستبدال أيونات التي أُزيلت من المحلول. سنُلاحظ تلاشي اللون الأحمر الدموي، ويصبح لون الخليط أحمر باهتًا.

عندما يتضمَّن نظام تفاعل في حالة اتزان جسيمات غازية، فإن الجسيمات تصطدم بعضها ببعض باستمرار. وكذلك تصطدم الجسيمات بجدران الوعاء الذي يضمن وجود نظام محكَم الغلق. تؤثِّر هذه التصادمات التي تحدث مع الوعاء بضغط على الوعاء. يرتبط الضغط الكلي في الوعاء ارتباطًا مباشرًا بعدد جسيمات الغاز التي يحتويها.

يمكن أن يتأثَّر موضع الاتزان في نظام في الحالة الغازية بالضغط الكلي للنظام. وإذا زاد الضغط الكلي بشكل مفاجئ، فستضطر جسيمات الغاز إلى التقارب معًا. ولتخفيف الضغط، يمكن أن ينزاح الاتزان لمقاومة التغيُّر. وهذا يتفق مع قاعدة لوشاتيليه. لاحِظ، على سبيل المثال، التفاعل بين غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين لإنتاج غاز الأمونيا:

في هذا التفاعل، يتفاعل جزيء واحد من النيتروجين مع ثلاثة جزيئات من الهيدروجين لتكوين جزيئين من الأمونيا. في الطرف الأيسر من المعادلة، تُوجَد أربعة جزيئات، وفي الطرف الأيمن لا يُوجَد سوى جزيئين فقط. إذا تحرَّك الاتزان في الاتجاه الأمامي مكوِّنًا قدرًا أكبر من الأمونيا، فسيحدث انخفاض في عدد الجزيئات الكلي في النظام. وهذا ما قد يؤدِّي إلى انخفاض في الضغط الكلي للنظام. إذا زاد الضغط الكلي للنظام، فسيقاوم النظام التغيُّر في الضغط من خلال إزاحة الاتزان إلى الجانب الأيمن. ويتكوَّن قدرٌ أكبر من الأمونيا عندما تتحقَّق حالة الاتزان.

بصفة عامة، من شأن زيادة الضغط أن تُعطي الأفضلية للتفاعل الذي يُنتِج عددًا أقل من جزيئات الغاز، أو عددًا أقل من مولات الغاز. يؤدِّي انخفاض الضغط إلى التفاعل الذي يُنتِج المزيد من مولات الغاز. في تفاعل النيتروجين مع الهيدروجين، يَنتج مردودٌ أكبر من الأمونيا إذا حدث التفاعل عند ضغط أعلى.

تحتوي بعض تفاعلات الحالة الغازية على العدد نفسه من مولات الجسيمات الغازية في كلا طرفَي المعادلة الموزونة. ويُعَد تفاعل الهيدروجين مع اليود الغازي، لإنتاج غاز يوديد الهيدروجين، مثالًا على ذلك:

في هذه الحالة، لن يؤثِّر أيُّ تغيُّر في الضغط الكلي لخليط الاتزان على موضع الاتزان. لا يمكن للنظام مقاوَمة التغيُّرات التي تطرأ على الضغط في هذه الحالة بإزاحة موضع الاتزان ناحية اليسار أو اليمين.

سنستعرض الآن تأثير درجة الحرارة على موضع الاتزان. نستخدم تفاعل ثاني أكسيد النيتروجين في حالة اتزان مع الدايمر الخاص به، وهو رابع أكسيد ثنائي النيتروجين، مثالًا على ذلك:

يكون التفاعل الأمامي طاردًا للحرارة في هذه الحالة. ومن ثَمَّ، يجب أن يكون التفاعل العكسي ماصًّا للحرارة.

إذا أُزيح الاتزان تجاه الطرف الأيمن، فسينتج المزيد من رابع أكسيد ثنائي النيتروجين. هذا الغاز ذو لون باهت، ويبدو أبهت بكثير من غاز ثاني أكسيد النيتروجين ذي اللون البني الداكن. وبما أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة، إذن يحدث انبعاث للطاقة الحرارية مصاحبًا لتكوُّن رابع أكسيد ثنائي النيتروجين.

إذا أُزيح الاتزان تجاه الطرف الأيسر، فسينتج المزيد من ثاني أكسيد النيتروجين ذي اللون البني الداكن. وهي عملية ماصة للحرارة؛ أي تمتص الحرارة من البيئة المحيطة.

إذا وُضِع خليط اتزان من هذه الغازات في الماء الساخن، فستضاف طاقة حرارية إلى النظام. تفترض قاعدة لوشاتيليه أن النظام سيقاوِم هذا التغيُّر. لامتصاص الحرارة الإضافية، يُزاح الاتزان في اتجاه التفاعل الماص للحرارة. يصبح الخليط داكن اللون نظرًا لتكوُّن كمية أكبر من ثاني أكسيد النيتروجين.

إذا وُضِع خليط الاتزان في ماء ثلجي بارد، فسينزاح الاتزان في اتجاه التفاعل الطارد للحرارة لمقاومة هذا التغيُّر. وهذا يؤدِّي إلى زيادة إنتاج رابع أكسيد ثنائي النيتروجين، وهو غاز باهت اللون. سيصبح لون خليط الغاز باهتًا أكثر مع وجود كمية أقل من ثاني أكسيد النيتروجين ذي اللون البني الداكن في خليط الاتزان الجديد.

مثال ٣: تحديد كيف يؤثِّر التغيُّر في درجة الحرارة على موضع الاتزان

غاز عبارة عن غاز بني اللون يُوجَد في حالة اتزان مع غاز رابع أكسيد ثنائي النيتروجين عديم اللون، كما هو موضَّح في التفاعل الآتي:

هل التغيُّر في الإنثالبي للتفاعل الأمامي طارد للحرارة أم ماص للحرارة؟ وأيُّ الأمبولات الموضَّحة بالصورة تُوجَد عند أعلى درجة حرارة؟

1. التفاعل الأمامي ماص للحرارة، والأمبولة جهة اليسار هي الأكثر سخونة.
2. التفاعل الأمامي طارد للحرارة، والأمبولة جهة اليسار هي الأكثر سخونة.
3. التفاعل الأمامي ماص للحرارة، والأمبولة جهة اليمين هي الأكثر سخونة.
4. التفاعل الأمامي طارد للحرارة، والأمبولة جهة اليمين هي الأكثر سخونة.

الحل

يتضمَّن التفاعل الأمامي جزيئين متطابقين؛ مما يَنتج عنه تكوُّن رابطة. يمكننا أن نلاحظ أن تغيُّر الإنثالبي، المذكور أنه للتفاعل الأمامي، سالب. يعني هذا أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة. ومن ثَمَّ، فإن ارتفاع درجة الحرارة يزيد من احتمال حدوث التفاعل العكسي الماص للحرارة. ينزاح الاتزان إلى اليسار. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة، نتوقَّع أن يكون لدينا قدرٌ أكبر من في خليط الاتزان. غاز بني؛ لذلك سيكون الخليط داكنًا. الأمبولة على يمين الصورة تبدو الأدكن من حيث اللون؛ إذ إنها تحتوي على أكبر كمية من ثاني أكسيد النيتروجين. وهذا يُشير إلى أن الأمبولة جهة اليمين هي الأكثر سخونة؛ ولذلك، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (د).