شارح الدرس: ثابت الاتزان للضغوط الجزئية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نكوِّن ونحسب ثابت الاتزان للضغوط الجزئية.

عند وجود حالة اتزان في نظام مغلق، يمكننا أن نحسب ثوابت الاتزان لتحديد موضعه. عندما يتضمن الاتزان غازات، يمكننا استخدام الضغط الناتج عن الغازات المختلفة في الخليط لحساب ثابت الاتزان للضغوط الجزئية.

يمكن التعبير عن ثابت الاتزان للضغوط الجزئية، بطريقة مشابهة لثوابت الاتزان الأخرى، في صورة الضغوط الجزئية للنواتج مقسومة على الضغوط الجزئية للمتفاعلات:

يمثِّل في المعادلة الموضَّحة بالأعلى الضغط الجزئي للأنواع الكيميائية المتعلقة به. لاستخدام معادلة كيميائية محددة، يُكتب على الصورة: للتفاعل بين غاز الهيدروجين وغاز النيتروجين لتكوين الأمونيا:

لاحظ أنه، في معادلة الموضَّحة بالأعلى، الضغوط الجزئية المنفردة لكلٍّ من النواتج والمتفاعلات مرفوعة لأس المعاملات التكافُئية في معادلة التفاعل الموزونة، وهو ما يمكن أن يعطينا التعريف الآتي لثابت الاتزان للضغوط الجزئية.

لكي نحسب القيمة النهائية لـ ، يجب أن نحسب الضغوط الجزئية المنفردة لكلٍّ من النواتج والمتفاعلات. قد تتضمن بعض الأسئلة الضغوط الجزئية، ويمكن وضْعها في هذه الحالة في المعادلة مباشرةً، فنحصل على حل هذه المعادلة. ولكن، إذا لم يكن لدينا الضغوط الجزئية، فعلينا حسابها، ويمكننا فِعل ذلك عن طريق حساب الكسر المولي ().

إذا أخذنا معادلة عامة مثل ، فسنعبِّر عن الكسر المولي لـ على النحو الآتي؛ حيث يمثِّل كمية المادة المَقِيسة بالمول:

يمكننا هنا أن نفترض أن جميع الجزيئات المختلفة في الخليط لها نفس الحجم وجميعها متطابقة. وفَوْر معرفة الكسر المولي لأحد النواتج أو المتفاعلات، يمكننا أن نحسب الضغط الجزئي على صورة نسبة من الضغط الكلي الناتج عن جميع الغازات في خليط الاتزان. ويمكننا فِعل ذلك عن طريق ضرب الكسر المولي في الضغط الكلي للنظام:

فَوْر أن نحسب جميع الضغوط الجزئية لكلٍّ من المتفاعلات والنواتج، يمكن التعويض بهذه الأعداد في معادلة . دعونا نكتب كل هذه الخطوات معًا ونتخيَّل أن علينا حساب ثابت الاتزان للضغوط الجزئية، ، لخليط الاتزان المكوَّن من 30 مولًا من النيتروجين، و25 مولًا من الهيدروجين، و50 مولًا من الأمونيا عند الضغط 50 atm:

من الجيد أن نسجل المعلومات المعطاة في جدول وننسِّقها؛ حيث نحسب الكسر المولي والضغط الجزئي، كما فعلنا فيما سبق.

علينا الآن كتابة معادلة من معادلة التفاعل كما يأتي:

سنعوض بعد ذلك بالقيم التي حسبناها سابقًا من خلال الجدول ونوجد الإجابة الصحيحة، مع مراعاة كتابة الوحدات أو عدم كتابتها وفقًا لما هو مطلوب في السؤال:

وفيما يتعلق بالوحدات، فإن وحدة الإجابة النهائية هي atm⁻². سنكتب الضغوط غالبًا بوحدة الضغط الجوي، atm، أو وحدة الكيلو باسكال، kPa. وسنوضِّح الآن ما حدث بالضبط مع الوحدات في المثال السابق، وبذلك نوضِّح كيف تَوصَّلنا إلى هذا الناتج بالضبط:

سيكون مطلوبًا منا في بعض الأسئلة أن نكتب الوحدات؛ وفي أسئلة أخرى لا يكون ذلك مطلوبًا. يتعلق ذلك بما إذا كنا قد افترضنا أن العامل الديناميكي الحراري، الذي يُعرف باسم معامل الفعالية، ثابتًا وفقًا للظروف التي يكون فيها ثابت الاتزان محدَّدًا أو لا. لكن هذه المعاملات جزء من مفهوم يُعرف باسم البُعدية، وهو أحد الموضوعات التي تُدرس بعد المرحلة الثانوية، وهو خارج نطاق هذا الشارح. من الأفضل أن ننظر إلى السؤال الذي نجيب عنه، ونلاحظ إذا ما كانت الوحدات مطلوبة في الإجابة أو لا.

قد لا يذكر السؤال جميع المعطيات التي نحتاج إليها للنواتج والمتفاعلات عند الاتزان. قد يتضمن السؤال قيمًا لبدء التفاعل، وفي هذه الحالة، يكون من الضروري فعل خطوة أخرى في الحل لإيجاد كميات الغازات عند الاتزان قبل أن نبدأ في حساب الكسور المولية. مرة أخرى هنا، يُعد إنشاء جدولٍ طريقةً مفيدة جدًّا لتتبُّع الأعداد بدقَّة وتجنُّب الأخطاء. تتضمن هذه الجداول التركيز الابتدائي والتغير في التركيز والتركيز عند الاتزان.

قد يتضمن السؤال النموذجي خليطًا من الغازات مثل ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين. لنتخيل أن ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين في وعاء ساخن عند 500 K وعند ضغط مقداره 45 atm. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي خليط التفاعل الابتدائي على 18.0 mol من غاز ، و8.00 mol من غاز ، وفَوْر حدوث الاتزان، يُحوَّل 12.00 mol من غاز إلى .

بالنسبة إلى التفاعل الانعكاسي بين ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين الآتي: كيف نحسب قيمة ؟

الصف الثاني في الجدول يمثِّل التركيزات الابتدائية للمتفاعلات في التفاعل الكيميائي. على الرغم من أن هذه المعلومة غير متضمَّنة في المعطيات، فإننا نعلم أن ثالث أكسيد الكبريت لا يُكوَّن قبل بدء التفاعل؛ ولذلك، نعلم أن عدد مولات ثالث أكسيد الكبريت يجب أن يكون صفرًا في البداية.

الصف الثالث في الجدول يمثل التغيُّر في عدد المولات من بداية التفاعل حتى الوصول إلى حالة الاتزان. نحن نعلم أن 12 مولًا من ثاني أكسيد الكبريت تحوَّل إلى ثالث أكسيد الكبريت، ونستخدم هنا القيمة «2»؛ حيث يتعلَّق ذلك بالقيم التكافُئية من معادلة التفاعل. ويساعدنا استخدام نفس القيم التكافُئية على إكمال باقي الصف.

الصف الآتي هو الصف الذي يمثِّل التركيزات عند الاتزان، ونحن نعلم أن عدد مولات ثاني أكسيد الكبريت عند الاتزان يجب أن يكون 6 مولات؛ حيث حُوِّلَ 12 مولًا. إذا كان يكافئ 12 مولًا، يجب أن يكون يساوي 6، وبذلك يمكننا حساب عدد المولات عند الاتزان لجميع المتفاعلات والنواتج المتبقية.

في الصفين الأخيرين في الجدول، نحسب الكسر المولي والضغوط الجزئية كما فعلنا فيما سبق:

بكتابة معادلة والتعويض بالقيم الموجودة في الجدول، يمكننا حل المعادلة والتوصل إلى الإجابة:

لتلخيص مناقشتنا حول هذا الموضوع، من المهم أن نفهم ما تخبرنا به قيمة . إذا كانت قيمة أكبر من 1 ، فذلك يشير إلى أن الاتزان يقع في الطرف الأيمن من المعادلة، وينزاح إلى طرف النواتج (تفاعل أمامي)، في حين تشير قيمة الأصغر من واحد إلى أن الاتزان ينزاح إلى طرف المتفاعلات (تفاعل خلفي).