نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم ما هو الاتزان الديناميكي ونوضح كيف يمكن حدوثه. حسنًا، ما هو الاتزان الديناميكي؟ عند حدوث تفاعل، فمن الممكن أن يكون في اتجاه واحد فقط لكي ينتج النواتج، على سبيل المثال، المادة (A) تتفاعل لتكوين المادة (B). وتسمى هذه التفاعلات بغير الانعكاسية. أو من الممكن أن يكون التفاعل في كلا الاتجاهين الأمامي والخلفي. وهذه تسمى بالتفاعلات الانعكاسية. ليست كل التفاعلات انعكاسية.
في التفاعل الانعكاسي، المتفاعلات تكون النواتج وفي نفس الوقت النواتج تكون المتفاعلات. وبذلك، ستكون المادتان (A) و(B) موجودتين معًا في الوعاء نفسه. ونقول إنهما في حالة اتزان. ويمكن وصف التفاعلات الانعكاسية بأنها إما في حالة اتزان استاتيكي أو اتزان ديناميكي.
في الاتزان الاستاتيكي، لا توجد حركة أو تبادل بين المتفاعلات والنواتج. بمعنى آخر، يكون معدلا كلا التفاعلين الأمامي والخلفي أو سرعتاهما صفرًا، في حين أنه في الاتزان الديناميكي، يكون معدلا التفاعلين الأمامي والخلفي أو سرعتاهما متساويتين وثابتتين. بعبارة أخرى، تتحول المتفاعلات إلى نواتج وتتحول النواتج إلى متفاعلات بنفس السرعة. وهذه السرعة لا تتغير.
ولكن يجب ملاحظة أن تركيزات المتفاعلات والنواتج يمكن أن تكون متساوية أو غير متساوية. وأهم ما يجب تذكره هو أن معدلي التفاعلين الأمامي والخلفي يكونان متساويين. وأنه لا علاقة لذلك بتركيز المتفاعلات والنواتج. حيث إن تركيزات المتفاعلات والنواتج ومعدلي التفاعلين الأمامي والخلفي يمكن أن تتغير إذا تغيرت الظروف التي يحدث فيها التفاعل.
سوف نناقش تغير الظروف لاحقًا. أما الآن، يجب أن نضع في اعتبارنا أن الاتزان الديناميكي يحدث في ظروف ثابتة. دعونا نوضح نوع النظام الذي يحدث فيه الاتزان الديناميكي.
يمكن الوصول إلى الاتزان الديناميكي في نظام مغلق وليس في نظام مفتوح. ما هو الفرق بينهما؟ إن العمليات أو التفاعلات التي تحدث في النظام المفتوح تحدث في وعاء مفتوح، وفي النظام المغلق تحدث في وعاء محكم الغلق أو مقفول. في النظام المفتوح، يمكن للطاقة والمادة الدخول إلى النظام أو الخروج منه. أما في النظام المغلق، فيمكن للطاقة الدخول أو الخروج، ولكن لا يمكن للمادة ذلك. فالتفاعل الذي يحدث في أنبوب اختبار ويطلق غازات في الجو هو مثال على النظام المفتوح. وتوجد أمثلة أخرى على النظام المفتوح مثل إناء ماء يغلي على الموقد مع رفع الغطاء. أما أمثلة النظام المغلق فتتضمن حدوث التفاعل نفسه في أنبوب اختبار ولكن مع وضع سدادة أو في إناء ماء يغلي مع إغلاق الغطاء.
في النظام المفتوح، قد تكون التغيرات الظاهرة واضحة للمراقب. وفي الإناء المفتوح مثلًا، يمكن للماء الخروج من الإناء بحرية إلى الوسط المحيط. وبمرور الوقت، سيبدو أن مستوى الماء قد انخفض. أما في النظام المغلق، قد يبدو أن لا شيء يحدث على الرغم من حدوث العمليات الأمامية والخلفية في الوقت نفسه. ويمكن أن يحدث الاتزان الحقيقي في النظام المغلق لأن المادة لا يمكنها الخروج. وإذا كانت هناك حركة ثابتة في الاتجاهين الأمامي والخلفي للعملية أو التفاعل، فإننا نقول إن هذا الاتزان اتزان ديناميكي.
الآن وقد عرفنا ما هو الاتزان الديناميكي وأنه يحدث في نظام مغلق، دعونا نلق نظرة فاحصة على تفاعل يصل إلى الاتزان الديناميكي. ونتعرف على ما يحدث عندما يبدأ التفاعل في نظام مغلق وحتى المرحلة التي يصل فيها إلى الاتزان الديناميكي. سوف نضرب مثالًا بتفاعل غاز النيتروجين مع غاز الهيدروجين لتكوين الأمونيا. المعادلة هي تفاعل N2 الغاز زائد ثلاثة H2 الغاز تفاعلًا انعكاسيًّا ليكون الناتج اثنين NH3 الغاز. في مجال الصناعة، يسمى تصنيع غاز الأمونيا بواسطة هذا التفاعل بعملية هابر.
سوف نستخدم تمثيلًا بيانيًّا لكي نفهم تكون هذا الاتزان الديناميكي. وسوف نرسم معدل التفاعل مع مرور الزمن. نظرًا لأننا سوف نستخدم تمثيلًا بيانيًّا، فإننا لن نستخدم القيم أو الوحدات الفعلية. لكننا سنفهم شكل المنحنيات بصورة عامة.
الآن، تخيل أنه وضع بعض من غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين معًا في نظام مغلق، أي في وعاء محكم الغلق. عندما يساوي الزمن صفرًا، فلن يكون هناك ناتج لأن التفاعل لم يبدأ بعد. وفي ظل الظروف الملائمة، يبدأ التفاعل حيث ينتج التفاعل الأمامي الأمونيا بشكل سريع جدًّا. بمعنى آخر، يبدأ التفاعل الأمامي بسرعة كبيرة أو بمعدل عال. ونظرًا لعدم وجود أمونيا في البداية، فإن معدل التفاعل الخلفي يكون صفرًا. وبمجرد تكون الأمونيا، فإن بعضها سوف يتكسر لإعادة تكوين المتفاعلات. بمعنى آخر، سيحدث تفاعل انعكاسي.
وعلى الرغم من أن التفاعل الأمامي لا يزال يحدث بسرعة كبيرة، فإن معدل التفاعل الأمامي ينخفض ببطء بمرور الزمن مع تكون المزيد والمزيد من الناتج. وعلى العكس من ذلك، فإن معدل التفاعل العكسي أو الخلفي يكون بطيئًا جدًّا في البداية. ولكن بمرور الزمن، يحدث هذا التفاعل بشكل أسرع حيث يكون هناك المزيد من الأمونيا لكي تتفكك وتكون المتفاعلات مرة أخرى. وبعد مرور مدة زمنية معينة، دعونا نسمها الزمن 𝑥، فإن معدلي التفاعلين الأمامي والخلفي يكونان متماثلين. دعونا نسم هذا المعدل أو هذه السرعة 𝑝.
بعد مرور الزمن 𝑥، يكون التفاعلان الأمامي والخلفي في حالة اتزان. الآن، نحن نعرف أنه في الاتزان الديناميكي يحدث كلا التفاعلين الأمامي والخلفي، وأنهما يحدثان بنفس السرعة أو المعدل. كما نعرف أن تركيز المتفاعلات وتركيز النواتج لا يكونان بالضرورة متماثلين. الآن، دعونا نوضح ما يحدث لتركيزات المتفاعلات والناتج بمرور الزمن من خلال رسم تمثيل بياني آخر.
إذا رسمنا التركيز مقابل الزمن، فعندما يساوي الزمن صفرًا، يكون هناك تركيز عال من متفاعلات النيتروجين والهيدروجين في الوعاء. ولا يكون الناتج قد تكون بعد. أي إن تركيز ناتج الأمونيا يكون صفرًا. وبمجرد أن يبدأ التفاعل الأمامي في تكوين الناتج، فإن تركيز المتفاعلات ينخفض، وتركيز ناتج الأمونيا يرتفع. وبعد مرور مدة زمنية معينة، دعونا نسمها الزمن 𝑥، تظل تركيزات المتفاعلات والناتج ثابتة. وذلك لأن التفاعل يكون في حالة اتزان ديناميكي.
ولكن، لاحظ أن قيمة تركيز المتفاعلات عند الاتزان، أي التركيز 𝑄، وقيمة تركيز ناتج الأمونيا عند الاتزان، أي التركيز 𝑆، ليستا بالضرورة متماثلتين. ففي هذا المثال، تركيز المتفاعلات عند الاتزان أعلى من تركيز الناتج. ويرجع ذلك إلى مجموعة الظروف المحددة التي حدث فيها هذا التفاعل. حيث إن ظروف الضغط أو درجة الحرارة أو التركيز المحددة ستؤثر تأثيرًا مباشرًا على تركيز المتفاعلات والناتج عند الاتزان.
دعونا نفسح مجالًا أكبر لنستوضح هذا الأمر. من بين التمثيلات البيانية الثلاثة التي رأينها منذ لحظات، يشير التمثيل البياني الأول إلى أن تركيز المتفاعلات في الاتزان الديناميكي كان أعلى من تركيز ناتج الأمونيا. ولكن، هناك حالتان أخريان يكون فيهما تركيز المتفاعلات وتركيز الناتج متماثلين في الاتزان الديناميكي أو يكون تركيز ناتج الأمونيا أعلى من تركيز متفاعلات النيتروجين والهيدروجين.
إذا أخذنا قيمة تركيز المتفاعلات وتركيز الناتج في كل حالة ووضعناها في صورة نسبة لتركيز الناتج مقسومًا على تركيز المتفاعلات، فسوف نحصل على النتائج الثلاث التالية؛ حيث تكون النسبة أقل من واحد أو تساوي واحدًا أو أكبر من واحد. تعطينا هذه النسب مؤشرًا على موضع الاتزان. يمكن وصف موضع الاتزان بأنه نسبة تركيز الناتج إلى المتفاعلات. عندما تعطينا النسبة قيمة أقل من واحد، فإننا نعرف أن التمثيل البياني يبدو مثل ذلك. وعندما يعطينا موضع الاتزان قيمة تساوي واحدًا؛ فإننا نعرف أن تركيزات المتفاعلات والناتج متساوية، وأنها في حالة اتزان ديناميكي. وتشير القيمة الأكبر من واحد إلى أن تركيز الناتج في حالة الاتزان الديناميكي أعلى من تركيز المتفاعلات.
سنحصل على تمثيل بياني مثل الأول أو الثاني أو الثالث اعتمادًا على موضع الاتزان الذي يعتمد على الظروف التي يحدث فيها التفاعل. بمعنى آخر، يؤثر الضغط ودرجة الحرارة والتركيز تأثيرًا مباشرًا على تركيز المتفاعلات وتركيز النواتج في حالة الاتزان. يمكن لهذه الظروف أن تؤدي إلى إزاحة الاتزان ناحية اليسار؛ وهو طرف المتفاعلات في المعادلة، أو ناحية اليمين؛ وهو طرف الناتج في المعادلة. وإذا تغيرت أي من هذه الظروف، فإن موضع الاتزان سوف يتغير أيضًا. وسوف تتغير تركيزات المتفاعلات والناتج. سوف نناقش تفاصيل كيفية تأثير هذه الظروف الثلاثة على موضع الاتزان في فيديو آخر.
لا تؤثر ظروف التفاعل الأخرى، مثل وجود عامل حفاز، على موضع الاتزان. أي إنها لا تؤثر على تركيز المتفاعلات وتركيز الناتج في حالة الاتزان. ومع ذلك، يؤثر وجود عامل حفاز على معدل الوصول إلى الاتزان. حيث سيؤدي وجود عامل حفاز إلى الوصول إلى الاتزان بشكل أسرع.
الآن، حان الوقت للتدرب على مسائل الاتزان.
إذا وصل أحد التفاعلات الانعكاسية في النظام المغلق إلى حالة الاتزان، فأي من العبارات الآتية صواب؟ (أ) يزداد تركيز النواتج تدريجيًّا. (ب) لن تؤثر زيادة الضغط داخل النظام المغلق على الاتزان. (ج) لن يؤثر ارتفاع درجة الحرارة على نظام الاتزان. (د) يصبح تركيز المتفاعلات والنواتج متشابهًا. (هـ) يصبح معدل التفاعل الأمامي مماثلًا لمعدل التفاعل الخلفي.
التفاعل الانعكاسي هو تفاعل تكون المتفاعلات فيه النواتج وفي نفس الوقت النواتج تكون المتفاعلات. عندما يحدث ذلك في نظام مغلق، وهو النظام الذي يمكن للطاقة الدخول فيه والخروج منه ولكن لا يمكن للمادة ذلك، نقول بأننا قد وصلنا إلى حالة الاتزان. يمكن أن نرسم تقدم التفاعل من حيث معدل التفاعل مقابل الزمن بداية من الزمن يساوي صفرًا. عندما يساوي الزمن صفرًا، فإن المتفاعلات تكون النواتج بشكل سريع جدًّا. وعندما يساوي الزمن صفرًا، قبل تكون أي نواتج، لا يكون التفاعل الخلفي قد بدأ بعد.
عند تكون بعض النواتج، فإن بعضها سوف يتفاعل لإعادة تكوين المتفاعلات. ويبدأ معدل التفاعل الأمامي في الانخفاض. ومع تكون المزيد من الناتج، يزداد معدل التفاعل الخلفي. بدءًا من نقطة معينة في التفاعل الانعكاسي، دعونا نسمها الزمن 𝑥، يحدث الاتزان. ويصبح معدل التفاعل الأمامي مماثلًا لمعدل التفاعل الخلفي. يمكن أن نرى أنه من الزمن 𝑥، تكون للمنحنيين الأسود والأخضر القيمة نفسها على المحور 𝑦، أي يكون معدل التفاعل هو نفسه. الخيار (هـ) هو الإجابة الصحيحة. يصبح معدل التفاعل الأمامي مماثلًا لمعدل التفاعل الخلفي.
دعونا نتأكد من ذلك بإلقاء نظرة على الإجابات الأخرى. يمكننا القيام بذلك من خلال رسم تمثيل بياني آخر، ولكن هذه المرة برسم التركيز مقابل الزمن. عندما يساوي الزمن صفرًا، أي قبل أن يبدأ التفاعل، وعندما يحتوي الوعاء على المتفاعلات فقط، يكون تركيز المتفاعلات مرتفعًا جدًّا وتركيز النواتج صفرًا. بمجرد أن يبدأ التفاعل في التقدم، ينخفض تركيز المتفاعلات حيث إنها تتحول إلى نواتج. ومع تحول المزيد من المتفاعلات إلى نواتج، يزداد تركيز النواتج.
ولكن، من النقطة التي يساوي عندها الزمن 𝑥، يظل تركيز المتفاعلات ثابتًا ويظل تركيز النواتج ثابتًا. يحدث الاتزان عندما يكون معدل تحول المتفاعلات إلى نواتج مماثلًا لمعدل تحول النواتج إلى متفاعلات. ولكن، إذا نظرنا بعناية، فإننا سنرى أن تركيز المتفاعلات وتركيز النواتج لا يكونان بالضرورة متماثلين عند الاتزان. وهكذا، يمكننا استبعاد الخيار (د).
كما يمكننا أيضًا استبعاد الخيار (أ) لأن السؤال يسأل عن الاتزان. وعند الاتزان، لن يزداد تركيز النواتج بل سيظل ثابتًا. يمكن أن تبدو التمثيلات البيانية للتركيز مقابل الزمن مختلفة عن التمثيل البياني الذي رسمناه هنا. حيث يمكن أن يكون تركيز المتفاعلات أعلى من تركيز النواتج عند الاتزان، كما هو مرسوم في هذا التمثيل البياني. أو قد يكون تركيز المتفاعلات مماثلًا لتركيز النواتج عند الاتزان. أو قد يكون تركيز النواتج أعلى من تركيز المتفاعلات.
إن قيمة نسبة تركيز النواتج إلى المتفاعلات التي سنحصل عليها إما أن تكون أقل من واحد أو تساوي واحدًا أو أكبر من واحد، اعتمادًا على التمثيل البياني. وهذه القيم، التي تمثل موضع الاتزان، تعتمد على ظروف درجة الحرارة أو الضغط أو التركيز التي يحدث فيها التفاعل. بمعنى آخر، تؤثر درجة الحرارة والضغط والتركيز على الاتزان. إذن يمكننا استبعاد الإجابتين المتبقيتين لأنهما غير صائبتين.
أخيرًا، إذا وصل أحد التفاعلات الانعكاسية في النظام المغلق إلى حالة الاتزان، فإن معدل التفاعل الأمامي سيصبح مماثلًا لمعدل التفاعل الخلفي. ونسمي ذلك اتزانًا ديناميكيًّا.
الآن، دعونا نلخص كل ما تعلمناه. تعلمنا أن الاتزان الديناميكي هو اتزان يكون فيه معدل التفاعل الأمامي مساويًا لمعدل التفاعل الخلفي. كما تعلمنا أن تركيزات المتفاعلات والنواتج في الاتزان الديناميكي لا تكون بالضرورة متساوية. وتعلمنا أن الاتزان الديناميكي يحدث في النظام المغلق. أيضًا، عرفنا النظام المغلق بأنه النظام الذي يمكن للطاقة الدخول فيه والخروج منه ولا يمكن للمادة ذلك.
تعرفنا كذلك على كيفية حدوث الاتزان الديناميكي من بداية التفاعل، وصورنا ذلك باستخدام تمثيل بياني يوضح المعدل مقابل الزمن. وأخيرًا، ألقينا نظرة على ثلاثة تمثيلات بيانية مختلفة للتركيز مقابل الزمن موضح بها ثلاثة مواضع مختلفة للاتزان. كذلك، تعلمنا أن موضع الاتزان يتأثر بالتركيز والضغط ودرجة الحرارة.
