فيديو الدرس: التفاعلات الانعكاسية وغير الانعكاسية الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

بوجه عام، نحن نظن أن التفاعلات تحدث في اتجاه واحد؛ إذ تتحد المتفاعلات لتكوين النواتج. لكننا في هذا الفيديو سوف نرى كيف يمكن لبعض التفاعلات أن تسير في الاتجاه العكسي؛ إذ يمكن أن تتفاعل النواتج لتكوين المتفاعلات. وفي هذه الحالة، يكون التفاعل انعكاسيًّا. في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نعرف قابلية الانعكاس في التفاعلات الكيميائية، ونحدد أمثلة على العمليات الانعكاسية وغير الانعكاسية، كما سنناقش كيف يمكن أن يؤدي تغير ظروف التفاعل إلى سيره في الاتجاه العكسي.

في بداية القرن التاسع عشر، ظن العلماء أن التفاعلات تسير فقط في اتجاه واحد، وهذا يبدو معقولًا. في نهاية الأمر، في الكثير من العمليات، لا يمكن جعل المواد تتفاعل في الاتجاه العكسي. تخيل محاولة عكس تفاعل احتراق، مثل احتراق الميثان في وجود الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. ويجب علينا إجبار ثاني أكسيد الكربون والماء على التفاعل لتكوين الميثان والأكسجين مرة أخرى. هذا أمر مستحيل! لكن كان هناك كيميائي فرنسي يدعى كلود لوي برتوليه، يدرس تفاعلًا بين كربونات الصوديوم وكلوريد الكالسيوم لتكوين كربونات الكالسيوم وكلوريد الصوديوم.

ذهب هذا الكيميائي في رحلة إلى بحيرة مالحة وهناك انتبه إلى ملاحظة مثيرة للاهتمام. فقد كانت كربونات الصوديوم تتكون على حافة البحيرة. وأدرك في نهاية الأمر أن الكمية الكبيرة من الملح في البحيرة المالحة، أو كلوريد الصوديوم، تتفاعل مع كربونات الكالسيوم الموجودة في أصداف الكائنات البحرية. بمعنى آخر، كان التفاعل يسير في الاتجاه العكسي لما كان يدرسه في المعمل. وكما تبين، هناك العديد من التفاعلات التي لا تسير فقط إلى الأمام؛ حيث تتحد المتفاعلات لتكوين النواتج. فهناك العديد من التفاعلات التي يمكن أن تسير في الاتجاه العكسي أيضًا؛ ويمكن للنواتج أن تتحد لتكوين المتفاعلات.

وعندما يسير التفاعل إلى الأمام فقط، مثل احتراق الميثان، يسمى تفاعلًا غير انعكاسي. ولكن عندما يسير التفاعل في كلا الاتجاهين الأمامي والعكسي، فإننا نسميه تفاعلًا انعكاسيًّا. ونشير إلى التفاعل الانعكاسي في المعادلة الكيميائية باستخدام سهمين منفردي الرأس. إذن ما الذي يجعل تلك التفاعلات تسير أحيانًا في الاتجاه الأمامي وفي أحيان أخرى تسير في الاتجاه العكسي، مثلما رأى برتوليه في تفاعله؟ حسنًا، تبين أن تغير الظروف التي يحدث فيها التفاعل يؤدي أحيانًا إلى انعكاس التفاعل. ولكي نفهم هذا الموضوع فهمًا أفضل، دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة النموذجية للتفاعلات الانعكاسية.

كبريتات النحاس الثنائي اللامائية عبارة عن مسحوق أبيض، ولكن عند إضافة الماء إليها فإنها تكون ملحًا مائيًّا وتتحول إلى اللون الأزرق. وهذا يجعلها مفيدة للغاية في إجراء اختبار للكشف عن وجود الماء. عندما تسخن كبريتات النحاس الثنائي المائية ذات اللون الأزرق هذه، فإن ذلك يطرد الماء من الملح، الأمر الذي يؤدي إلى سير التفاعل في الاتجاه العكسي؛ حيث نحصل على المسحوق الأبيض، وهو كبريتات النحاس الثنائي اللامائية، مرة أخرى.

كلوريد الأمونيوم أو ‪NH4Cl‬‏ مسحوق أبيض آخر. عند تسخينه يتفكك مكونًا اثنين من الغازات العديمة اللون، وهما الأمونيا وكلوريد الهيدروجين. وإذا أجريت هذا التفاعل في أنبوب اختبار بسدادة، ستلاحظ مع استمرار التفاعل أن مسحوقًا أبيض سوف يتكون على الطرف البارد لأنبوب الاختبار. وهذا المسحوق الأبيض الذي يتكون هو في الحقيقة كلوريد الأمونيوم، وهي نفس المادة التي بدأنا بها. فعندما يبرد غاز الأمونيا وغاز كلوريد الهيدروجين تبريدًا كافيًا، يتفاعلان معًا، الأمر الذي يؤدي إلى سير التفاعل في الاتجاه العكسي؛ بحيث يتكون كلوريد الأمونيوم مرة أخرى.

هذا لا يعني أن جميع التفاعلات تسير في الاتجاه الأمامي أو العكسي بسبب التسخين أو التبريد. فهناك الكثير من التفاعلات الانعكاسية الأخرى التي تحدث بسبب تغيرات في أنواع أخرى من الظروف، مثل الرقم الهيدروجيني. إن أدلة الرقم الهيدروجيني مهمة للغاية في إجراء تجارب تفاعل الحمض والقاعدة، مثل تجارب المعايرة. ويمكن أن نضيف بضع قطرات من الدليل على المادة المراد تحليلها في تجربة المعايرة التي نجريها حتى نتمكن من ملاحظة الرقم الهيدروجيني للمحلول تقريبيًّا. وعندما نضيف دليل الرقم الهيدروجيني في البداية للمحلول الذي نختبره، يكون له لون واحد. ولكن عندما نجري تجربة المعايرة، في هذه الحالة، عن طريق إضافة قاعدة إلى حمض، فإن الرقم الهيدروجيني سوف يتغير. في مرحلة معينة، عندما نضيف المقدار الكافي من القاعدة، سيتغير لون دليل الرقم الهيدروجيني فجأة.

كما يتبين، فإن أدلة الرقم الهيدروجيني هذه جزيئات عضوية كبيرة لها شكلان. في أحد الشكلين، يحتوي الدليل على هيدروجين ويكون له لون معين. وفي الشكل الآخر، يكون الدليل قد فقد هذا الهيدروجين ويكون له لون آخر. ويتغير لون الدليل اعتمادًا على تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول. وعندما يوجد المزيد من أيونات ‪H+‬‏ في المحلول؛ أي عندما يكون المحلول حمضيًّا، فإن الدليل يكون له لون واحد. ولكن عندما نضيف القاعدة في هذه التجربة، فإنها سوف تتفاعل مع أيونات ‪H+‬‏ في المحلول، وهو ما يؤدي إلى انخفاض تركيز أيونات ‪H+‬‏، وهذا الانخفاض سوف يجعل المحلول أكثر قاعدية، وسوف يتغير لون الدليل.

ونظرًا لأن الرقم الهيدروجيني يتعلق بتركيز أيونات الهيدروجين في المحلول، يمكننا أن نستخدم لون الدليل لنحصل على تقدير تقريبي للرقم الهيدروجيني للمحلول. والرقم الهيدروجيني الدقيق الذي يظهره تغير اللون هذا يعتمد على خواص الدليل. يوجد العديد من الجزئيات المختلفة التي يمكن استخدامها أدلة، وهو ما يعني أن لدينا أدلة يمكن استخدامها للحصول على قيم متنوعة للرقم الهيدروجيني.

لا ينبغي أن نفهم من هذه الأمثلة أن التفاعل الأمامي يحدث في ظروف معينة، والتفاعل العكسي يحدث في ظروف أخرى في جميع التفاعلات الانعكاسية. في بعض الأحيان تحدث التفاعلات الأمامية والعكسية في الوقت نفسه. وهذا الأمر شائع في التفاعلات التي تتضمن أحماضًا ضعيفة وقواعد ضعيفة. على سبيل المثال، عندما نضيف حمض الهيدروفلوريك الضعيف إلى الماء، فإنه سوف يتفكك ويكون أيونات ‪H+‬‏ وأيونات ‪F-‬‏. لكن أيونات ‪F-‬‏ يمكنها في ذلك الوقت التفاعل مع أيونات ‪H+‬‏ لتكوين حمض الهيدروفلوريك. بعد ذلك، من الممكن أن تتفكك جزيئات حمض الهيدروفلوريك المتكونة حديثًا هذه إلى أيونات ‪H+‬‏ وأيونات ‪F-‬‏. وبعض أيونات ‪F-‬‏ الموجودة سوف تتفاعل مرة أخرى مع أيونات الهيدروجين لتكوين حمض الهيدروفلوريك.

بمعنى آخر، يحدث كلا التفاعلين الأمامي والعكسي في الوقت نفسه. وعندما يحدث ذلك، فإن التفاعلات الأمامية والعكسية سوف تستمر في الحدوث حتى يصل النظام إلى الاتزان؛ حيث لا يتغير تركيز حمض الهيدروفلوريك وأيونات الهيدروجين وأيونات ‪F-‬‏. هذا الاتزان ليس اتزانًا إستاتيكيًّا؛ حيث معدل التفاعل الأمامي صفر، ومعدل التفاعل العكسي صفر. بدلًا من ذلك، فكلا التفاعلين يستمران في الحدوث. ومعدلاتهما متساوية؛ لذلك لا يحدث تغير صاف في تركيزات الأنواع الكيميائية. ويسمى هذا النوع من الاتزان بالاتزان الديناميكي.

يتبقى موضوع واحد أخير لنناقشه قبل أن نتدرب على ما تعلمناه، وهو دور الطاقة في التفاعلات الانعكاسية. أثناء التفاعل الكيميائي يتفكك بعض أو كل الروابط بين الذرات في المتفاعلات حتى تصبح الذرات قادرة على إعادة ترتيب نفسها لتكوين النواتج. تتطلب عملية تكسير الروابط طاقة. والعملية التي يجب أن تمتص الطاقة عملية ماصة للحرارة. والعكس بالعكس، فعملية تكوين الروابط عملية طاردة للحرارة. فهي تطلق طاقة. وعندما يطلق التفاعل طاقة أكثر من الطاقة التي يمتصها، فإن هذا التفاعل طارد للحرارة، ويقابله تغير سالب في الإنثالبي. لكن عندما يمتص التفاعل طاقة أكبر من الطاقة التي يطلقها، فإن هذا التفاعل ماص للحرارة، ويقابله تغير موجب في الإنثالبي.

إذن ما معنى ذلك بخصوص التفاعلات الانعكاسية؟ حسنًا، فلنقل إن التفاعل الأمامي تفاعل ماص للحرارة؛ ومن ثم سيحدث في التفاعل تغير موجب في الإنثالبي. إذن ماذا سيكون التفاعل العكسي؟ عندما ننظر إلى هذا المخطط، يمكن أن نرى أنه عندما نبدأ من النواتج إلى المتفاعلات، فإن التفاعل يكون تفاعلًا ماصًّا للحرارة؛ لأن لدينا تغيرًا موجبًا في الإنثالبي. ولكن عندما نذهب في الاتجاه العكسي؛ بحيث تتكون المتفاعلات من النواتج، فإن التغير في الإنثالبي يكون سالبًا، وهو ما يعني أن التفاعل سيكون طاردًا للحرارة. وهذا الأمر ينطبق دائمًا على التفاعلات الانعكاسية. في أحد الاتجاهين سيكون التفاعل ماصًّا للحرارة، وفي الاتجاه الآخر سيكون التفاعل طاردًا للحرارة.

ومع ذلك، عندما ننظر إلى التغير الكلي في الإنثالبي للتفاعلين الأمامي والعكسي، فإنه سوف يكون متماثلًا بينهما مع اختلاف الإشارة فقط. بمعنى آخر، إذا كان تغير الإنثالبي في الاتجاه الأمامي يساوي ‪100‬‏ جول، فإن تغير الإنثالبي في الاتجاه العكسي سوف يساوي سالب ‪100‬‏ جول. وبذلك نكون قد ناقشنا كل ما نحتاج إلى معرفته عن التفاعلات الانعكاسية وغير الانعكاسية؛ لذا دعونا نحل بعض المسائل التدريبية.

أي العبارات الآتية صواب عن التفاعلات الانعكاسية؟ (أ) التفاعل الانعكاسي يكون غالبًا تفاعل احتراق. (ب) التفاعل الانعكاسي يشار إليه بسهم واحد مزدوج الرأس في المعادلة الكيميائية. (ج) التفاعل الانعكاسي هو تفاعل كيميائي يسير في كلا الاتجاهين. (د) التفاعل الانعكاسي يتضمن دائمًا الأملاح المائية واللامائية. (هـ) التفاعل الانعكاسي هو تفاعل ماص للحرارة في كلا الاتجاهين.

لا يسير التفاعل الانعكاسي في الاتجاه الأمامي فقط الذي تتحد فيه المتفاعلات لتكوين النواتج، لكنه يسير أيضًا في الاتجاه العكسي؛ حيث تتحد النواتج لتكوين المتفاعلات. نشير إلى ذلك برمز سهمين منفردي الرأس في المعادلة الكيميائية. في ضوء هذه المعلومات، يتضح أن الإجابة (ج) هي الإجابة الصحيحة. التفاعل الانعكاسي هو تفاعل كيميائي يسير في كلا الاتجاهين، الاتجاه الأمامي والاتجاه العكسي. ولكن دعونا نلق نظرة سريعة على الإجابات الأخرى لنرى لماذا هي خطأ.

تقول الإجابة (أ) إن التفاعل الانعكاسي يكون غالبًا تفاعل احتراق. أحد الأمثلة على تفاعل الاحتراق هو احتراق الميثان؛ حيث يحترق الميثان في وجود الأكسجين وينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والماء. إذا كان هذا التفاعل انعكاسيًّا، فإنه يجب أن يسير في الاتجاه العكسي؛ حيث يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء لتكوين الميثان والأكسجين. من الصعب تخيل حدوث هذه العملية. ونظرًا لأن تفاعلات الاحتراق لا تسير عادة في الاتجاه العكسي؛ فإنها لا تكون غالبًا انعكاسية. تقول الإجابة (ب) إن التفاعل الانعكاسي يشار إليه بسهم واحد مزدوج في المعادلة الكيميائية. ولكننا رأينا كيف أن التفاعلات الانعكاسية يشار إليها برمز سهمين منفردي الرأس في المعادلة الكيميائية.

تقول الإجابة (د) إن التفاعل الانعكاسي يتضمن دائمًا الأملاح المائية واللامائية. هناك أمثلة متعددة على التفاعلات الانعكاسية التي تتضمن الأملاح المائية واللامائية. على سبيل المثال، تتفاعل كبريتات النحاس الثنائي اللامائية مع الماء لتكوين كبريتات النحاس الثنائي المائية. ويمكن عكس هذا التفاعل عند تسخين كبريتات النحاس الثنائي المائية. ولكن هناك الكثير من الأمثلة على التفاعلات الانعكاسية التي لا تتضمن هذه الأملاح المائية، ومنها على سبيل المثال تفاعل أي حمض ضعيف أو قاعدة ضعيفة مع الماء، مثل حمض الهيدروفلوريك. إذن تتضمن التفاعلات الانعكاسية في بعض الأحيان الأملاح المائية واللامائية، ولكن ليس دائمًا.

وتقول الإجابة الأخيرة إن التفاعل الانعكاسي تفاعل ماص للحرارة في كلا الاتجاهين. تذكر أن ماصًّا للحرارة يعني أن التغير في إنثالبي التفاعل يكون موجبًا. وهذا يعني عمومًا أن التفاعل يمتص طاقة. بالنظر إلى مخطط الطاقة، نرى أن التفاعل الأمامي حيث يتفاعل (أ) زائد (ب) لتكوين (ج) زائد (د) تفاعل ماص للحرارة؛ حيث إن التغير في الإنثالبي موجب. ولكن ماذا عن الاتجاه العكسي حيث يتفاعل (ج) زائد (د) لتكوين (أ) زائد (ب)؟ في هذه الحالة، سوف نحصل على تغير سالب في الإنثالبي، وهو ما يعني أن التفاعل العكسي تفاعل طارد للحرارة، وليس تفاعلًا ماصًّا للحرارة. إذن التفاعل الانعكاسي سوف يكون ماصًّا للحرارة في أحد الاتجاهين، ولكنه طارد للحرارة في الاتجاه الآخر.

لذلك، من بين العبارات التي نظرنا إليها، فإن العبارة الوحيدة الصائبة عن التفاعلات الانعكاسية هي أن التفاعل الانعكاسي تفاعل كيميائي يسير في كلا الاتجاهين.

ما التفاعل العكسي في التفاعل الانعكاسي الآتي؟ ‏‪CoCl2‬‏ زائد ‪6H2O‬‏ في حالة اتزان مع ‪CoCl2‬‏‪6H2O‬‏.

التفاعل الانعكاسي تفاعل يسير في كلا الاتجاهين. وهذا يعني أن هذا التفاعل لا يسير في الاتجاه الأمامي فقط؛ حيث يتفاعل كلوريد الكوبالت الثنائي اللامائي مع الماء لتكوين كلوريد الكوبالت الثنائي المائي، ولكن التفاعل يسير أيضًا في الاتجاه الخلفي أو العكسي، وهذا هو ما يطلب منا هذا السؤال الإجابة عنه. في الاتجاه الأمامي، مثلما رأينا الآن، المتفاعلات تكون النواتج. ولكن في التفاعل العكسي، النواتج تكون المتفاعلات. إذن التفاعل العكسي في هذا التفاعل سوف يكون النواتج، ‪CoCl2‬‏‪6H2O‬‏، التي تتفاعل لتكون المتفاعلات، وهي كلوريد الكوبالت الثنائي اللامائي والماء.

لنلخص الآن النقاط الأساسية لما تعلمناه في هذا الدرس. عندما يسير التفاعل في الاتجاه الأمامي، فإن المتفاعلات تكون النواتج. وعنما يسير التفاعل في الاتجاه العكسي، فإن النواتج تكون المتفاعلات. إذا كان التفاعل يسير في كلا الاتجاهين الأمامي والعكسي، فإنه يكون تفاعلًا انعكاسيًّا، وهو ما نشير إليه برمز السهم المزدوج. ولكن إذا كان التفاعل يسير في الاتجاه الأمامي فقط، فإنه يكون تفاعلًا غير انعكاسي، وهو ما نشير إليه برمز السهم المنفرد المزدوج الرأس في المعادلة الكيميائية. ومن الممكن أن يؤدي تغير الظروف التي يحدث فيها التفاعل إلى انعكاس التفاعل. التفاعلات الانعكاسية دائمًا ما تكون ماصة للحرارة في أحد الاتجاهين وطاردة للحرارة في الاتجاه الآخر.