شارح الدرس: ثابت الاتزان للتركيز الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نكوِّن ثابت الاتزان للتركيز، ونحسبه.

يمكننا تحديد الاتزان الموجود بين المتفاعلات والنواتج بدلالة تركيزاتها عن طريق حساب ثابت الاتزان واستخدامه . يُعبِّر ثابت الاتزان للتركيز عن قيمة ترتبط بالنسبة بين تركيز المتفاعلات وتركيز النواتج عند الاتزان. ويرتبط ثابت الاتزان، كما يشير الاسم، بنظام مغلق لا يسمح بأي تبادل للمادة مع البيئة المحيطة؛ ولذا، فإن تركيزَي النواتج والمتفاعلات لا يتغير بوصول النظام للاتزان.

يمكن كتابة ثابت الاتزان للتركيز في أبسط صورة له على النحو الآتي:

إذا طبقنا ذلك على المعادلة العامة: التي يتحقق فيها الاتزان بين المتفاعلين، و، والناتجين و فيمكن كتابة على النحو الآتي:

تذكر أنه في الكيمياء نستخدم الأقواس المعقوفة للإشارة إلى التركيز، والذي عادةً ما يُقاس بالمول (M)، أو مول لكل ديسيمتر مكعب (mol⋅dm⁻³)، أو مول لكل لتر (mol/L).

عند كتابة معادلات إيجاد من المعادلات الكيميائية الفعلية، من الضروري الانتباه إلى الحسابات الكيميائية التكافُئِية. لننظر جيدًا إلى معادلة للاتزان بين ثاني أكسيد النيتروجين ورابع أكسيد ثنائي النيتروجين:

يمكننا أن نلاحظ أن تركيز ثاني أكسيد النيتروجين مرفوع إلى القوة اثنين، وهذا يعكس قيمة المعامل التكافُئي لثاني أكسيد النيتروجين في المعادلة الكيميائية الأصلية. في مثال أكثر تعقيدًا نوعًا ما يؤكد على هذه الفكرة، لدى تفاعل الاتزان الشائع، الذي يحدث كجزء من عملية هابر لإنتاج الأمونيا، ثابت الاتزان للتركيز يُعبَّر عنه بالصورة:

من المهم أن نلاحظ أن بعض الأسئلة قد تتضمن تفاعلًا كيميائيًا قد يكون فيه أحد النواتج أو المتفاعلات في الحالة الصلبة. في هذه الحالة، لا تكون الأنواع الكيميائية في الحالة الصلبة مشمولة في قيمة ، ولا تركيز الماء النقي عند استخدامه كمذيب ().

في المستويات الأكثر تقدمًا، توضح مناقشةُ موضوع يُعرف باسم البُعديةِ السببَ في التعبير عن ثوابت الاتزان عادةً دون استخدام وحدة قياس، إلا أن هذا الموضوع خارج نطاق هذا الشارح.

ومع ذلك، في بعض الحالات، قد تكون هناك حاجة لحساب وحدة قياس . وعلى هذا النحو، من المهم أن تكون قادرًا على ضرب وقسمة مول لكل ديسيمتر مكعب (mol⋅dm⁻³) أو مول لكل لتر (mol/L) وكذلك فهْم ما يحدث لهذه القيم عندما تُرفَع لقوًى مختلفة. لننظر مجددًا إلى التفاعل بين النيتروجين والهيدروجين. معادلة محل السؤال هي:

بالنظر إلى معادلة أعلاه، تُحلل وحدة القياس النهائية على النحو الآتي:

فيما يتعلق بالحساب الفعلي لثابت الاتزان ، هناك مجموعة متنوعة من الطرق التي يمكن استخدامها لإجراء هذا الحساب. على سبيل المثال، قد يعطيك السؤال جميع قيم التركيز المطلوبة، ما يعني أن كل ما علينا فعله هو إدخال البيانات في معادلة .

لنفترض أنه خلال إنتاج الأمونيا، يحتوي خليط الاتزان على 0.982 mol⋅dm⁻³ من و0.193 mol⋅dm⁻³ من كل من و. ستكون معادلة التفاعل:

ومن ثمَّ، يجب أن تكون معادلة ثابت الاتزان :

إذا عوضنا بالأعداد المعطاة في المعادلة، فسنحصل على قيمة كالآتي:

عند حساب ، من المهم أن نتأكد من استخراج المعطيات الصحيحة من السؤال. الأعداد التي يجب استخدامها في العملية الحسابية هي الأعداد المتعلقة بالتركيزات، ومن ثمَّ فمن الضروري حساب التركيز باستخدام المعطيات الواردة في السؤال قبل حساب .

كما قد نواجه حالة عندما تكون جميع القيم اللازمة للاتزان غير معطاة، وبدلًا منها، تُعطَى القيم الابتدائية للتركيزات أو المولات. في هذه الحالة، عادةً ما يكون إنشاء جدول هو الطريقة الأكثر منطقية لحساب الأعداد التي علينا وضْعها في معادلة بوضوح ودقة. من الطرق الشائعة لإنشاء جدولٍ طريقةٌ تُعرف باسم التركيز الابتدائي – التغير بالتركيز – التركيز عند الاتزان، والتي سنستخدمها في الحالة الآتية، إلا أن هناك طُرُقًا أخرى.

يتحلل كبريتيد الهيدروجين حراريًّا طبقًا للمعادلة: يُسخَّن 0.50 mol من كبريتيد الهيدروجين عند درجة حرارة ثابتة في وعاء حجمه 2.0 dm³ حتى الوصول إلى حالة اتزان يتبقى فيها 0.38 mol من .

في الصف الأول من الجدول أعلاه، وضعنا كلمة «ابتدائي» وعبرنا عنه بالحرف «ب». تلك هي القيم في بداية التجربة قبل حدوث التفاعل والوصول إلى حالة الاتزان.

بعد ذلك، نملأ الصفين التاليين «التغير» و«الاتزان». يُضرَب التغير في المعامل التكافُئي من معادلة التفاعل:

يمكننا أن نفترض أن التغير في المتفاعلات سالب والتغير في النواتج موجب، أي القيم الموجبة والسالبة في صف «التغير».

نعلم من معطيات السؤال أن 0.38 mol من يتبقى عند الاتزان، ومن ثم فقد تم تحويل 0.12 mol. أصبحنا نعلم الآن أن:

وعليه، يمكننا حساب أن و.

في الصف الأخير من الجدول، نستخدم الحجم المعطى لنا في السؤال لحساب التركيز عند الاتزان.

باستخدام هذه المعطيات، يمكننا حساب على النحو الآتي:

من الممكن أيضًا أن يذكر السؤال كمية المادة ولا يذكر الحجم. في البداية، قد يدفعك هذا إلى الاعتقاد بأنه لا يوجد حل، لأنه لا يمكن حساب التركيز من دون حجم. لكن في مثل هذه الحالات، عادةً ما يُحذَف الحجم مما يجعله معلومة غير ضرورية. يمكننا أن نرى ذلك في المثال الآتي.

في هذا المثال، يُسخَّن 0.50 mol من غاز الهيدروجين و0.40 mol من غاز اليود حتى الوصول إلى حالة اتزان. يحتوي خليط الاتزان على 0.64 mol من يوديد الهيدروجين:

مرة أخرى، باستخدام طريقة التركيز الابتدائي – التغير بالتركيز – التركيز عند الاتزان، يمكننا إكمال الجدول الآتي.

علينا الآن أن نعوض بالقيم في معادلة كالآتي:

باستخدام الأمثلة السابقة، يمكننا أن نرى كيف تَمَكَّنَّا من حساب قيم أو استخدام قيم لحساب تركيزات النواتج أو المتفاعلات عند الاتزان. علاوة على ذلك، من المهم للغاية أن نفهم ما تخبرنا به قيمة بعد أن حسبناها.

إذا كانت قيمة أكبر من واحد فإننا نعلم أن الاتزان يقع في الطرف الأيمن وأن الاتزان ينزاح ناحية النواتج (تفاعل أمامي). إذا كانت قيمة أصغر من واحد ، فإننا نعلم أن الاتزان يقع في الطرف الأيسر وينزاح ناحية المتفاعلات (تفاعل عكسي). في حين أن طريقة زيادة أو نقصان قيمة ليست خطية دائمًا، فبوجه عام، كلما زادت أو قلت قيمة زاد انزياح الاتزان في ناحية النواتج أو المتفاعلات.