فيديو الدرس: قاعدة لوشاتيليه الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يستجيب نظام ديناميكي متزن للتغيرات في درجة الحرارة والضغط والحجم والتركيب. ونتعرف كيف يساعدنا قانون الاتزان، والمعروف أيضًا باسم قاعدة لوشاتيليه، في توقع نتائج أي من هذه التغيرات على موضع الاتزان.

١٧:٣٤

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يستجيب نظام ديناميكي متزن للتغيرات في درجة الحرارة والضغط والحجم والتركيب. ونتعرف كيف يساعدنا قانون الاتزان، والمعروف أيضًا باسم قاعدة لوشاتيليه، في توقع نتائج أي من هذه التغيرات على موضع الاتزان. قبل البدء في شرح قاعدة لوشاتيليه، دعنا نستعرض بعض قواعد الاتزان.

الاتزان هو حالة التفاعل التي تكون فيها تركيزات المتفاعلات والنواتج ثابتة بمرور الوقت. لنفترض أن لدينا تفاعلًا أماميًا وتفاعلًا خلفيًا. يتفاعل ‪A‬‏ مع ‪B‬‏ لينتج ‪C‬‏، ويتفكك ‪C‬‏ إلى ‪A‬‏ و‪B‬‏. إذا نظرنا إلى ‪A‬‏ و‪B‬‏، فسنجد أنهما يتفاعلان بسرعة وينتج عن هذا التفاعل ‪C‬‏. وعند إنتاج ‪C‬‏، سيبدأ التفاعل الخلفي في الحدوث. ومع تكون ‪C‬‏، تزداد سرعة التفاعل الخلفي أكثر، حتى يصبح معدل التفاعل الأمامي يساوي معدل التفاعل الخلفي في النهاية.

وبدءًا من هذه اللحظة، يصبح النظام في حالة اتزان. وتظل تركيزات ‪A‬‏ و‪B‬‏ و‪C‬‏ ثابتة. لكن هذا لا يعني بالضرورة أن تكون جميع تركيزات ‪A‬‏ و‪B‬‏ و‪C‬‏ متماثلة. فقد يكون تركيز ‪A‬‏ أكبر وتركيز ‪C‬‏ أقل، أو قد يكون تركيز ‪C‬‏ أكبر وتركيز ‪A‬‏ و‪B‬‏ أقل. الفكرة الأساسية هي أن تكون التركيزات ثابتة بمرور الوقت.

يحدث الاتزان عندما يتساوى معدل التفاعل الأمامي مع معدل التفاعل الخلفي. إلا أن تعريف الاتزان يعتمد فقط على معلومية التركيزات. وبالتالي، يمكن أن يساوي المعدل صفرًا، ومن هنا ننتقل إلى التعريف التالي.

الاتزان الديناميكي هو الاتزان الذي يكون فيه معدلا التفاعل الأمامي والخلفي لا يساويان صفرًا. نستنتج من ذلك أنه بالرغم من أن معدلات التفاعلات متوازنة، فإن التفاعلات تحدث بالفعل. ويطلق على الحالة التي يكون فيها معدل التفاعل الأمامي ومعدل التفاعل الخلفي مساويان لصفر الاتزان الإستاتيكي.

يمكننا الآن الانتقال إلى الجزء الأخير من المعلومات العامة حول الاتزان. موضع الاتزان ليس خاصية واضحة. فهو في الواقع يستخدم فقط عند مقارنة مجموعة من شروط الاتزان بمجموعة أخرى. لكن يمكننا تشبيه موضع الاتزان بمحور الأرجوحة. فهو النقطة التي توازن كمية النواتج والمتفاعلات. إذا كانت هناك نواتج أكثر ومتفاعلات أقل، فيمكننا القول بأن موضع الاتزان ينزاح إلى اليسار للحفاظ على التوازن. وإذا كان هناك نواتج أكثر ومتفاعلات أقل مقارنة ببداية التفاعل، فيمكننا القول بأن موضع الاتزان ينزاح إلى اليمين. فيكون الانزياح إلى اليسار في اتجاه المتفاعلات. والانزياح إلى اليمين في اتجاه النواتج.

والآن، بعد أن تعرفنا على مفهوم الاتزان الديناميكي، يمكننا دراسة نتائج التغير في درجة الحرارة على الاتزان الديناميكي. دعنا نأخذ مثالًا على نظام ديناميكي متزن بسيط، ‪A‬‏ زائد ‪B‬‏ في حالة اتزان مع ‪C‬‏ زائد ‪D‬‏. يوجد خليط من المواد الكيميائية ‪A‬‏ و‪B‬‏ و‪C‬‏ و‪D‬‏. وبينما يتفاعل بعض من ‪A‬‏ مع بعض من ‪B‬‏ لينتج بعض من ‪C‬‏ وبعض من ‪D‬‏، يتفاعل بعض من ‪C‬‏ وبعض من ‪D‬‏ معًا لينتج بعض من ‪A‬‏ وبعض من ‪B‬‏. ماذا يحدث إذن إذا غيرنا درجة الحرارة؟

لنفترض أننا سخنا الخليط. سوف تزداد طاقة جميع المواد الكيميائية. ويتفاعل ‪A‬‏ و‪B‬‏ معًا بشكل أسرع. لكن ذلك ينطبق أيضًا على ‪C‬‏ و‪D‬‏. قد تتخيل أن ذلك لن يؤثر على موضع الاتزان، لكن هذا أمر نسبي. عندما تتفاعل المواد الكيميائية، عادة ما يوجد تغير في الطاقة. فالطاقة إما أن تنطلق في تفاعل طارد للحرارة أو تمتص في تفاعل ماص للحرارة.

في الاتزان الديناميكي، يحدث نوعان من التفاعلات دائمًا، وهما التفاعل الأمامي والتفاعل الخلفي، ويكونان مضادين لبعضهما البعض. ومن ثم، يجب أن يكون أحدهما طاردًا للحرارة والآخر ماصًا للحرارة. لنفترض في هذا المثال أن التفاعل الأمامي تفاعل ماص للحرارة، والتفاعل الخلفي تفاعل طارد للحرارة.

لنلق نظرة على منحنى هذا التفاعل. يمثل هذا الجزء التغير في الطاقة. طاقة التنشيط للتفاعل الطارد للحرارة ضئيلة نسبيًا. بينما طاقة التنشيط للتفاعل الماص للحرارة كبيرة للغاية. وبالتالي فإن طاقة تنشيط التفاعل الماص للحرارة أكبر من طاقة تنشيط التفاعل الطارد للحرارة. وارتفاع درجة الحرارة يزيد احتمال حدوث التفاعل الماص للحرارة أكثر من التفاعل الطارد للحرارة. ذلك يعني أن معدل التفاعل الماص للحرارة يزيد عن معدل التفاعل الطارد للحرارة.

وبالتالي إذا كان هذا هو الشكل الذي يبدو عليه الاتزان قبل تغيير درجة الحرارة، فهكذا سيكون شكله بمجرد إعادة الاتزان بعد ارتفاع درجة الحرارة. ينزاح موضع الاتزان في اتجاه نواتج التفاعل الماص للحرارة. في هذه الحالة، ينزاح إلى اليمين باتجاه ‪C‬‏ و‪D‬‏. من ناحية أخرى، يؤدي خفض درجة الحرارة إلى زيادة احتمال حدوث التفاعل الطارد للحرارة. الزيادة إذن في درجة الحرارة تزيد من احتمال حدوث التفاعل الماص للحرارة، وهو التفاعل الذي يمتص الحرارة، بينما الانخفاض في درجة الحرارة يزيد من احتمال حدوث التفاعل الطارد للحرارة، وهو التفاعل الذي تنطلق منه حرارة. في كلتا الحالتين، ينزاح موضع الاتزان بطريقة يقاوم فيها النظام التغير.

والآن ماذا عن تأثير التغيرات في الضغط والحجم؟ تعد التغيرات في الضغط والحجم متشابهة للغاية. لذا يمكننا دراستهما معًا. بزيادة الضغط أو خفض الحجم، تصبح جميع مكونات النظام متراصة معًا بإحكام. ويزيد تركيزها. أما في حالة خفض الضغط أو زيادة الحجم، فإننا نقوم بعكس ما سبق وبالتالي يقل تركيز الجزيئات. وتؤدي زيادة التركيز إلى زيادة معدل أي تفاعلات، بينما يؤدي انخفاض التركيز إلى حدوث التأثير العكسي وإبطاء التفاعلات.

يرتبط كل ذلك بنظرية التصادم. كلما رصت الجزيئات معًا بإحكام، زادت التصادمات. وكما هو الحال مع زيادة درجة الحرارة، يؤدي زيادة الضغط أو خفض الحجم إلى زيادة سرعة كل من التفاعلات الأمامية والخلفية. لكن ماذا يحدث إذا غيرت التفاعلات عدد الجزيئات؟

لنفترض وجود نظام متزن كالآتي: خمسة جزيئات من المركب ‪A‬‏ في حالة اتزان مع جزيئين من المركب ‪B‬‏. إذا كان يلزم خمسة جزيئات من المركب ‪A‬‏ لينتج جزيئين من المركب ‪B‬‏، فسيؤدي التفاعل الأمامي إلى انخفاض عدد الجزيئات، بينما يؤدي التفاعل العكسي إلى زيادة عدد الجزيئات، وهو عكس ما سبق. فلنتصور نظامنا المتزن الأولي. إذا قمنا بزيادة الضغط، فسوف يزيد تركيز كل من ‪A‬‏ و‪B‬‏. لكن نظرًا لوجود عدد أكبر من جزيئات ‪A‬‏، تكون الزيادة في معدل التصادمات في التفاعل الأمامي أكبر منها في التفاعل الخلفي. وهذا يعني أنه في نظام الاتزان الجديد، ستكون نسبة النواتج أكبر من تلك التي كانت موجودة في البداية. وبالتالي فإن زيادة الضغط تزيد من احتمال حدوث التفاعل الذي يقلل عدد الجزيئات.

إذا كان هذا نظامنا المتزن الأولي، إذا قمنا بزيادة الضغط، فسوف ينزاح موضع الاتزان بحيث يقل عدد الجزيئات. وإذا قمنا بتقليل الضغط، فسوف ينزاح موضع الاتزان بحيث يزداد عدد الجزيئات. يؤدي توليد الجزيئات إلى زيادة الضغط. لذا في كلتا الحالتين، ينزاح موضع الاتزان بطريقة تجعل النظام يقاوم التغير. ولا تصبح هذه التأثيرات ملحوظة إلا عندما يؤثر تغير في الضغط أو الحجم على التركيز، كما هو الحال على سبيل المثال في الغازات. وكذلك، لن يتأثر نظام الاتزان الذي لا يتغير فيه عدد الجزيئات.

الآن يمكننا إلقاء نظرة على التركيز. لقد رأينا كيف يؤثر تغير الضغط أو الحجم على تركيز كل مكونات التفاعل. لكن ماذا يحدث إذا قمنا بتغيير تركيز مكون واحد فقط في كل مرة؟ فلنرجع إلى النظام المتزن المكون من أربعة مكونات. تخيل أن النظام في حالة توازن مثالي بكميات متساوية من ‪A‬‏ و‪B‬‏ و‪C‬‏ و‪D‬‏.

والآن بإضافة ‪A‬‏، أصبح النظام غير متوازن. وبالتالي لم يعد في حالة اتزان. مع ذلك، فإن الزيادة من المكون ‪A‬‏ تعجل التفاعل الأمامي. وينتج عن التفاعل الأمامي الذي كان سريعًا في البداية مزيد من ‪C‬‏ و ‪D‬‏. وعند وصول تركيز كل من ‪C‬‏ و‪D‬‏ إلى مستوى كاف، يعاد تعيين موضع الاتزان ليصبح أقرب من النواتج. وهذا يعني أنه تم استهلاك بعض من الزيادة من المكون ‪A‬‏. ستؤدي إضافة متفاعل أو ناتج إلى إزاحة موضع الاتزان إلى الجانب الآخر. وبالتالي، فإن إضافة متفاعل أو إزالة ناتج ستؤدي إلى إزاحة الاتزان في اتجاه النواتج. وإضافة ناتج أو إزالة متفاعل ستؤدي إلى إزاحة الاتزان في اتجاه المتفاعلات. في كلتا الحالتين، ينزاح موضع الاتزان بطريقة يقاوم فيها النظام التغير.

لدينا الآن ثلاث حالات توضح أن التغير في ظروف نظام الاتزان تجعل النظام يقاوم التغير. ينزاح موضع الاتزان إلى الاتجاه الذي يحقق هذا التأثير. وهذا هو الأساس الذي تقوم عليه قاعدة لوشاتيليه.

تنص قاعدة لوشاتيليه على أنه إذا حدث تغير في أحد العوامل المؤثرة على نظام متزن ديناميكيًا، فإن موضع الاتزان ينشط في الاتجاه الذي يحد من هذا التغير. وتعد قاعدة لوشاتيليه أداة بسيطة تتيح لنا توقع تأثير التغير على الاتزان دون الحاجة إلى التطرق إلى تفاصيل آلية التغير. لذلك، نلاحظ أن ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها يؤدي إلى نتيجة عكسية، والأمر ذاته ينطبق على ضغط وتركيز أي من مكونات النظام. والآن بعد أن تعرفنا على قاعدة لوشاتيليه وأسسها، لنحل بعض التمارين.

محلول معلق يحتوي على مركب ‪Mg(OH)₂‬‏ الصلب موجود في حالة اتزان مع أيونات ‪Mg²⁺‬‏ و ‪OH⁻‬‏ الذائبة. إذا أضيف مركب ‪MgCl₂‬‏ الصلب إلى المحلول المعلق، فأي التأثيرات التالية تكون غير ملحوظة؟ (أ) يزيد تركيز الأيون ‪Mg²⁺‬‏. (ب) تزيد كمية مركب ‪Mg(OH)₂‬‏ الصلب. (ج) يزيد تركيز الأيون ‪OH⁻‬‏. (د) يزيد تركيز الأيون ‪Cl⁻‬‏. (هـ) تقل قيمة الأس الهيدروجيني.

يشير المحلول المعلق إلى الجزيئات الدقيقة المعلقة في مذيب، غالبًا هو الماء. وبالتالي، فإن ما لدينا هو محلول معلق مائي من هيدروكسيد المغنيسيوم. هذا المركب الصلب موجود في حالة اتزان مع أيونات الهيدروكسيد والمغنيسيوم الذائبة. وهذه هي معادلة الاتزان التي تتكون من هيدروكسيد المغنيسيوم الصلب في حالة اتزان مع أيونات مغنيسيوم وأيونات هيدروكسيد، كلاهما ذائب في محلول. السؤال هنا هو: أي الخيارات التالية لن يحدث إذا أضفنا كلوريد المغنيسيوم الصلب؟

كلوريد المغنيسيوم أكثر قابلية للذوبان من هيدروكسيد المغنيسيوم إلى حد كبير. وبالتالي، سيذوب كلوريد المغنيسيوم. تؤدي إضافة كلوريد المغنيسيوم إلى زيادة تركيز أيونات المغنيسيوم في المحلول. ويمكننا إهمال أيونات الكلوريد نظرًا لعدم مشاركتها في الاتزان.

تخبرنا قاعدة لوشاتيليه أنه في النظام المتزن ديناميكيًا، مثل النظام الموجود بين هيدروكسيد المغنيسيوم وأيوناته في المحلول، ينزاح موضع الاتزان ليحد من تغير الظروف. في هذه الحالة، يكون التغير عبارة عن زيادة في تركيز أيونات ‪Mg²⁺‬‏. وعندئذ، سينزاح موضع الاتزان في اتجاه هيدروكسيد المغنيسيوم. وبالتالي، بإضافة كلوريد المغنيسيوم، نتوقع زيادة كمية مركب هيدروكسيد المغنيسيوم الصلب. ومن ثم، ليست هذه الإجابة الصحيحة.

الأمر الذي لم يذكر في قاعدة لوشاتيليه هو أن إزاحة موضع الاتزان لن يؤدي أبدًا إلى الحد من التغير بشكل كامل. لذلك، بينما ينزاح موضع الاتزان بعيدًا عن المتفاعلات، يزيد تركيز هيدروكسيد المغنيسيوم ككل. بالتالي، فإن الإجابة الصحيحة ليست زيادة تركيز هيدروكسيد المغنيسيوم. فنحن نبحث عن شيء غير ملحوظ. وتركيز أيونات المغنيسيوم سيزيد مقارنة بمحلول هيدروكسيد المغنيسيوم المعلق النقي.

ماذا عن زيادة تركيز أيونات الهيدروكسيد؟ هذا الانزياح في موضع الاتزان يكون في الاتجاه الخاطئ. فنحن نستخدم أيونات الهيدروكسيد لإنتاج المزيد من هيدروكسيد المغنيسيوم. وبالتالي، فإن تركيز الهيدروكسيد سيقل في الواقع عند إضافة كلوريد المغنيسيوم. وبما أنه لن تلاحظ زيادة في تركيز أيونات الهيدروكسيد، فهذه هي الإجابة الصحيحة. لكن لننظر في الخيارات الأخرى للاحتياط فقط.

سيزيد تركيز أيونات الكلوريد عند إضافة كلوريد المغنيسيوم لأن كلوريد المغنيسيوم سيذوب. أما الخيار الأخير المتعلق بانخفاض قيمة الأس الهيدروجيني، فهو محير بعض الشيء. لكن نظرًا لوجود أيونات هيدروكسيد أقل، فسيصبح تركيز الأيون ‪H⁺‬‏ أعلى. وبالتالي، نتوقع ازدياد حامضية المحلول وانخفاض قيمة الأس الهيدروجيني. وبناء على ذلك، من ضمن الخيارات الخمسة الواردة، عند إضافة كلوريد المغنيسيوم إلى محلول هيدروكسيد المغنيسيوم المعلق، الأمر الذي لن نلاحظه هو زيادة تركيز أيونات الهيدروكسيد.

والآن، بعد أن قمنا ببعض التمرين، لنراجع النقاط الرئيسية التي تعلمناها. أولًا، تنص قاعدة لوشاتيليه أنه إذا حدث تغير في أحد العوامل المؤثرة على نظام متزن ديناميكيًا، فإن موضع الاتزان ينشط في الاتجاه الذي يحد من هذا التغير. ارتفاع درجة الحرارة يزيد احتمال حدوث التفاعل الماص للحرارة. وانخفاض درجة الحرارة يزيد احتمال حدوث التفاعل الطارد للحرارة.

بالنسبة للضغط والحجم، فإن زيادة الضغط أو انخفاض الحجم يزيد احتمال حدوث التفاعل الذي يقلل الضغط. بينما يؤدي انخفاض الضغط أو زيادة الحجم إلى احتمال حدوث التفاعل الذي يزيد الضغط. وأخيرًا، فإن زيادة تركيز ‪𝑥‬‏، حيث ‪𝑥‬‏ تمثل متفاعلًا أو ناتجًا، تزيد احتمال حدوث التفاعل الذي يقلل تركيز ‪𝑥‬‏. وانخفاض تركيز ‪𝑥‬‏ يزيد احتمال حدوث التفاعل الذي يزيد تركيز ‪𝑥‬‏.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.