في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف الاتزان الديناميكي، ونوضِّح كيف يمكن حدوثه.
دعونا نتناول التفاعل الكيميائي الانعكاسي الآتي:
في بداية التفاعل، كان تركيز كلٍّ من غاز الهيدروجين والنيتروجين مرتفعًا، في حين كان تركيز الأمونيا يساوي صفرًا لأنها كانت لم تنتج بعد.
مع استمرار التفاعل، يتفاعل النيتروجين والهيدروجين معًا ليكوِّنا الأمونيا. وإذا رصدنا تركيز كل الأنواع بعد بدء التفاعل مباشرة، فسنلاحظ أن تركيز النيتروجين والهيدروجين يقلُّ بينما يزيد تركيز الأمونيا.
إذا كان التفاعل غير انعكاسي، وبافتراض عدم وجود فائض من النيتروجين أو الهيدروجين، فإن المتفاعلات كلها ستتحول إلى أمونيا.
لكن هذا التفاعل انعكاسي. وفي النهاية، سيصل التفاعل إلى نقطة لن يتغير فيها تركيز النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا، بغض النظر عن مدة رصد التفاعل. عند الوصول إلى هذه النقطة، نقول إن التفاعل في حالة اتزان.
من المهم أن نعرف ماذا يحدث عند الاتزان. يوضح التمثيل البياني عند حدوث الاتزان في هذا التفاعل أن تركيز النيتروجين هو 3 M، وتركيز الهيدروجين هو 9 M، وتركيز الأمونيا هو 4 M. قد يبدو لنا أن التفاعل توقف ببساطة؛ لأن تركيز النواتج والمتفاعلات لم يعد يتغير. لكن ما يحدث في الواقع هو أن كلًّا من التفاعل الأمامي: والتفاعل العكسي: مستمران في نفس الوقت وبنفس المعدل الثابت. هذا يعني أنه عند تفاعل مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين لتكوين مولين من الأمونيا، يتفاعل مولان من الأمونيا لتكوين مول واحد من النيتروجين وثلاثة مولات من الهيدروجين. ونتيجة لذلك، لا يكون هناك تغير كلي في كمية كلٍّ من النيتروجين أو الهيدروجين أو الأمونيا. وهذا موضَّح في الصورة الآتية.
يُعرف هذا الاتزان بالديناميكي وذلك لاستمرار حدوث التفاعلات. ولكي يكون التفاعل الكيميائي في حالة اتزان ديناميكي، يجب أن يكون معدلَا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، ويجب أن يظلا ثابتيْن. عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، يظل تركيز المتفاعلات والنواتج ثابتًا، حتى مع استمرار حدوث كلا التفاعلين معًا.
تعريف: الاتزان الديناميكي
الاتزان الديناميكي هو الاتزان بين تفاعل أمامي وتفاعل عكسي يحدثان بنفس المعدل والذي لا يساوي صفرًا.
مثال ١: تحديد أي العبارات يصف الاتزان الديناميكي بشكل غير صحيح
طُلب من خمسة طلاب كتابة تعريف للاتزان الديناميكي. مَن الطالب الذي لم يستوعب المفهوم جيدًا؟
- الاتزان الديناميكي تفاعل انعكاسي يتوقَّف عندما يصبح مقدار كلِّ مادة ثابتًا.
- الاتزان الديناميكي تفاعل انعكاسي، لا يتغيَّر فيه تركيز كل مادة.
- الاتزان الديناميكي تفاعل تكون فيه سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل الخلفي.
- الاتزان الديناميكي تفاعل يسير في كلا الاتجاهين، لا تتغيَّر فيه كمية كل مادة.
- الاتزان الديناميكي تفاعل أمامي وخلفي يحدثان في نفس الوقت وبنفس المعدَّل.
الحل
يتحقق الاتزان الديناميكي عندما يحدث كلٌّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي في التفاعل الانعكاسيِّ بنفس المعدَّل الثابت. في حالة الاتزان الديناميكي، يظل تركيز المتفاعلات والنواتج ثابتًا، حتى مع استمرار حدوث كلٍّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي.
يدرك جميع الطلاب أن التفاعل الانعكاسيَّ، الذي هو تفاعل يسير في كلا الاتجاهين، الاتجاه الأمامي والاتجاه الخلفي، شرط أساسي لتحقيق الاتزان الديناميكي. يدرك جميع الطلاب أن معدلي التفاعل الأمامي والتفاعل الخلفي متساويان أو أن تركيز جميع المواد المتضمنة يظل ثابتًا عند الاتزان. لكن، يقول الطالب في الخيار أ إن التفاعل يتوقف عندما تصبح كمية كل مادة ثابتة. وهذا ليس صحيحًا. إن كلا التفاعلين الأمامي والعكسي يستمران عند الاتزان. الطالب الذي لم يستوعب المفهوم جيدًا هو الطالب في الخيار أ.
لنعد إلى هذا التفاعل:
جميع الأنواع المتضمنة في هذا التفاعل عبارة عن غازات. إذا تم التفاعل في وعاء مفتوح، فقد تتسرب الغازات ولا يحدث اتزان.
لا يمكن أن يتحقق الاتزان الديناميكي إلا إذا ظلت كل كمية المادة الموجودة منذ البداية في وعاء التفاعل ثابتة. ولكي يتحقق ذلك، يجب أن يحدث التفاعل في نظام مغلق. يسمح النظام المغلق بنقل الطاقة، وليس المادة، في حين يسمح النظام المفتوح بنقل المادة والطاقة.
تعريف: النظام المغلق
النظام المغلق هو نظام لا يسمح بتبادل المادة، ولكن يسمح بتبادل الطاقة مع الوسط المحيط.
تعريف: النظام المفتوح
النظام المفتوح هو نظام يسمح بتبادل المادة والطاقة مع الوسط المحيط.
أحد أمثلة النظام المفتوح في الكيمياء هو أنبوب الاختبار. عند إجراء تفاعل ما في أنبوب اختبار، من الممكن أن تخرج المادة من فتحة الأنبوب. لكن، يمكننا تحويل أنبوب الاختبار إلى نظام مغلق بإضافة سدادة. وهذا يَحُول دون فقدان المادة.
مثال ٢: تحديد سبب عدم وصول تفاعل ما إلى حالة الاتزان
يُمكِن إنتاج أكسيد الكالسيوم على نطاق واسع من خلال تسخين كربونات الكالسيوم في فرن. يستخدم الفرن قَدْرًا كبيرًا من الطاقة عند تسخينه إلى درجة الحرارة اللازمة، وتُضاف كربونات الكالسيوم بشكل متكرر للحفاظ على استمرارية التفاعل، كما هو موضح:
لماذا لا يصل هذا التفاعل إلى الاتزان؟
- لأن التفاعل غير انعكاسي.
- لأن كمية المتفاعلات والنواتج تظل ثابتة.
- لأن الفرن ساخن جدًّا.
- لأن الفرن ليس نظامًا مُغلَقًا.
- لأن مُعدَّل التفاعل بطيء جدًّا.
الحل
يتحقق الاتزان الديناميكي عندما يكون معدلا التفاعلين الأمامي والعكسي متساويين. من الممكن أن يكون معدلا التفاعلين الأمامي والعكسي في حالة الاتزان الديناميكي سريعين أو بطيئين لكنهما يجب أن يكونا متساويين. وبذلك، يمكننا استبعاد الخيار هـ.
تفاعل الأتزان بطبيعته يجب أن يكون قادرًا على الاستمرار في كلا الاتجاهين. بعبارة أخرى، يجب أن يكون التفاعل انعكاسيًّا. وفي معادلات التفاعلات الانعكاسية، يُستخدم سهم الاتزان . التفاعل الموضح هو تفاعل انعكاسي. ومن ثَمَّ، يمكننا استبعاد الخيار أ.
مع استمرار العملية، يُضاف المزيد من كربونات الكالسيوم إلى الفرن للحفاظ على استمرارية التفاعل. وعليه، تتغير كمية المتفاعل. إذن يمكننا استبعاد الخيار ب.
قد تؤثر درجة حرارة أي تفاعل على الاتزان الكلي، لكن يظل من الممكن الوصول إلى حالة الاتزان سواء كان التفاعل ساخنًا أو باردًا. ومن ثَمَّ، يمكننا استبعاد الخيار ج.
بهذا، يتبقى لدينا الخيار د. ينص هذا الخيار على أن الفرن ليس نظامًا مغلقًا. هذا يعني أن غاز ثاني أكسيد الكربون قد يخرج من الفرن. وإذا لم يعد ثاني أكسيد الكربون موجودًا، فلن يتوفر بالفرن المركبات اللازمة لاستمرار التفاعل العكسي. وبدون التفاعل العكسي، لا يمكن أن يحدث اتزان. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار د.
دعونا ننظر إلى حالة الاتزان الآتية:
رابع أكسيد ثنائي النيتروجين () هو غاز عديم اللون، في حين أن ثاني أكسيد النيتروجين () له لون بني داكن. عند إضافة رابع أكسيد ثنائي النيتروجين إلى نظام مغلق، يصبح التركيز الابتدائي عاليًا، في حين يكون تركيز ثاني أكسيد النيتروجين صفرًا؛ وذلك لأنه لم ينتج بعد.
في البداية، يكون معدل التفاعل الابتدائي من إلى كبيرًا وذلك لعدم وجود ناتج لينافس التفاعل الأمامي. لكن، بمجرد أن يبدأ إنتاج ثاني أكسيد النتروجين، يتباطأ معدل التفاعل الأمامي حيث يقل عدد الجزيئات المتفاعلة. وفي الوقت نفسه، يبدأ معدل التفاعل العكسي في الزيادة؛ بزيادة عدد الجزيئات الناتجة. أثناء هذه العملية، ومع زيادة تركيز ثاني أكسيد النيتروجين، سيتغير لون وعاء التفاعل تدريجيًّا إلى اللون البني البرتقالي.
يستمر ذلك إلى أن يتوقف لون وعاء التفاعل عن التغيُّر في النهاية. وعند هذه النقطة، يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، ويظل تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل ثابتًا. بمعنى آخر، يكون التفاعل في حالة اتزان ديناميكي. وعلى الرغم من أن تركيز كلٍّ من الناتج والمتفاعل يظل ثابتًا، يستمر التفاعلان في الحدوث، حيث يتحول إلى ويتحول إلى في نفس الوقت.
من المهم أن نعرف أن الاتزان الديناميكي يتحقق عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين، وليس عندما يكون تركيز كلٍّ من المتفاعلات والنواتج متساويًا. من المهم أيضًا أن ندرك أن تركيز النواتج قد يزيد على تركيز المتفاعلات أو لا يزيد عليه في حالة الاتزان. توضح التمثيلات البيانية الآتية تركيز كلٍّ من رابع أكسيد ثنائي النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين بمرور الزمن.
لاحظ أنه، في التمثيل البياني في أقصى اليمين، لا يوجد تركيز ابتدائي يساوي صفرًا لـ أو . لكن يمكننا معرفة متى يتحقق الاتزان الديناميكي تحديدًا، في جميع الأمثلة الثلاثة، بإيجاد الزمن الذي لم يعد يتغير عنده التركيز (أي الزمن الذي يصبح فيه ميل المنحنيات، المشار إليه بالخط المتقطع، يساوي صفرًا).
مثال ٣: تحديد التمثيل البياني للاتزان الديناميكي باستخدام التركيز الابتدائي والتركيز عند الاتزان
حدث اتزان ديناميكي بين المتفاعلين A وB وفقًا للمعادلة الموضحة:
التركيز الابتدائي للمركب A يساوي 0.8 mol/dm3 ويقلُّ إلى 0.4 mol/dm3 بمجرد حدوث الاتزان.
ما التمثيل البياني الذي يوضِّح هذا الاتزان بصورة صحيحة؟
الحل
التركيز الابتدائي للمركب A يساوي 0.8 mol/dm3. هذا يعني أنه عندما يساوي الزمن صفرًا، يجب أن يكون التمثيل البياني للمركب A عند 0.8 mol/dm3. بالنظر إلى التمثيلات البيانية، يمكننا استبعاد التمثيلين البيانيين ج، د؛ حيث إن التركيز الابتدائي للمركب A في كل تمثيل بياني منهما يساوي 0 mol/dm3.
بمجرد حدوث الاتزان، يجب أن يكون تركيز المركب A يساوي 0.4 mol/dm3. والاتزان يحدث عندما يصبح تركيز كل مركب ثابتًا، أو عندما يكون الميل في التمثيل البياني يساوي صفرًا. يوضح التمثيلان البيانيان أ، ب المركب A عند تركيز يساوي 0.4 mol/dm3 عند الاتزان.
المركب B هو الناتج. وفي بداية التفاعل، يجب ألا يكون هناك أي ناتج. إذن عند الزمن صفر، يجب أن يكون تركيز المركب B يساوي 0 mol/dm3. وهذا هو الحال مع التمثيلين البيانيين أ، ب.
بالنظر إلى المعاملات التكافئية في المعادلة الكيميائية، يمكننا أن نلاحظ أن مولًا واحدًا من المركب A ينتج مولين من المركب B. هذا يعني أنه عند انخفاض تركيز المركب A، يجب أن يزداد تركيز المركب B بمقدار الضعف.
ينخفض تركيز المركب A من 0.8 mol/dm3 إلى0.4 mol/dm3. هذا يعني أن تركيز المركب A ينخفض إلى 0.4 mol/dm3. وعليه، يجب أن يزيد تركيز المركب B بمقدار الضعف أو 0.8 mol/dm3. إذا كان التركيز الابتدائي للمركب B يساوي صفرًا، فإن تركيز المركب B عند الاتزان يجب أن يكون 0.8 mol/dm3. وعندما يكون الميل في التمثيل البياني للمركب B يساوي صفرًا، نلاحظ أن تركيز المركب B يساوي 0.4 mol/dm3 في التمثيل البياني أ و0.8 mol/dm3 في التمثيل البياني ب. إذن التمثيل البياني الذي يوضح تفاعل الاتزان بصورة صحيحة هو التمثيل البياني ب.
مثال ٤: تحديد عبارة صحيحة دائمًا في حالة الاتزان
أيُّ العبارات الآتية عن التركيزات دائمًا صواب في حالة الاتزان؟
- تكون تركيزات النواتج أكبر من المتفاعلات.
- لا تتغيَّر تركيزات المواد المتفاعلة.
- تتغيَّر تركيزات المتفاعلات والنواتج باستمرار.
- تركيزات المواد المتفاعلة متساوية.
- تقل تركيزات المتفاعلات.
الحل
عند حدوث تفاعل اتزان، يحدث أولاً تغيُّر في معدل التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي. ونتيجة لذلك يتغير تركيز النواتج والمتفاعلات. لكن في النهاية، سيكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين. وهذه هي النقطة التي يتحقق عندها الاتزان. يستمر كلٌّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي في الحدوث لكن بنفس المعدل؛ ومن ثَم يظل تركيز المتفاعلات والنواتج ثابتًا. قد يحدث الاتزان عندما يكون تركيز المتفاعلات أكبر من تركيز النواتج، أو أقل من تركيز النواتج، أو يساوي تركيز النواتج. إذن، عند الاتزان، يمكن أن يساوي تركيز المتفاعلات والنواتج أي قيمة، ولكن يجب ألا تتغير هذه القيمة. وعليه، فإن العبارة الصواب دائمًا عند الاتزان هي الخيار ب: لا تتغير تركيزات المواد المتفاعلة عند الاتزان.
يمكن وصف الاتزان الديناميكي باستخدام موضع الاتزان، والذي يُعطى بقسمة تركيز النواتج على تركيز المتفاعلات بعد حدوث الاتزان:
عندما يكون موضع الاتزان أقل من واحد، يكون تركيز المتفاعلات أكبر من تركيز النواتج عند الاتزان.
وعندما يكون موضع الاتزان أكبر من واحد، يكون تركيز النواتج أكبر من المتفاعلات عند الاتزان.
أما عندما يكون موضع الاتزان يساوي واحدًا، يكون تركيز المتفاعلات والنواتج متساويًا عند الاتزان.
قد يتأثر موضع الاتزان للاتزان الديناميكي بتغيُّر تركيز المتفاعلات أو النواتج، أو تغيُّر درجة الحرارة، أو تغيُّر الضغط في التفاعلات التي تتضمن غازات. على سبيل المثال، يمكن توضيح الاتزان الديناميكي لتحويل إلى في درجة حرارة الغرفة، بالتمثيل البياني الآتي.
يشير هذا التمثيل البياني إلى أن تركيز أكبر من عند الاتزان، وموضع الاتزان أقل من واحد. لكن عند زيادة درجة الحرارة، من الممكن أن يزداد إنتاج ، وبناءً على ذلك يتغير موضع الاتزان.
لا تؤثر إضافة عاملٍ حفَّاز إلى الاتزان الديناميكي على موضع الاتزان. وذلك لأن العامل الحفَّاز يزيد سرعة كلٍّ من التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي بنفس الدرجة. ولكن، حيث إن العامل الحفاز يزيد من معدل حدوث التفاعلين؛ إذن يتحقق الاتزان بشكل أسرع.
مثال ٥: تحديد العوامل المؤثرة على موضع الاتزان
أيٌّ ممَّا يلي لن يؤثِّر أبدًا على موضع الاتزان؟
- درجة الحرارة.
- العامل الحفاز.
- تركيز المتفاعلات.
- الضغط.
- تركيز النواتج.
الحل
يمكن تمثيل موضع الاتزان بقسمة تركيز النواتج على تركيز المتفاعلات:
يمكن تغيير موضع الاتزان بتغيير تركيز المتفاعلات أو النواتج، أو درجة حرارة التفاعل، أو ضغط التفاعل عندما يتضمن غازات. تؤدي إضافة عامل حفاز إلى تسريع معدل التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي بنفس الدرجة. وبذلك يتحقق الاتزان بشكل أسرع، دون التأثير على موضع الاتزان. إذن العامل الذي لن يؤثر أبدًا على موضع الاتزان هو العامل الحفاز، أي الخيار ب.
دعونا نلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.
النقاط الرئيسية
- يحدث الاتزان الديناميكي عندما يكون معدلا التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي متساويين.
- عند الاتزان الديناميكي، تظل تركيزات جميع الأنواع المتضمنة في التفاعل ثابتة.
- لا يمكن تحقيق الاتزان الديناميكي إلا في نظام مغلق.
- يمكن أن يؤثر التركيز ودرجة الحرارة والضغط على موضع الاتزان.
- تساعد إضافة عاملٍ حفاز على وصول التفاعل إلى الاتزان بسرعة أكبر، لكنها لا تؤثر على موضع الاتزان.
