فيديو الدرس: ثابت الاتزان للتركيز الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم مفهوم ثابت الاتزان للتركيز، وسوف نتعلم كيف نكون ثابت الاتزان لأي تفاعل، وكيف نحسبه.

دعونا نلق نظرة على تفاعل الاتزان هذا. المتفاعل لدينا، رابع أكسيد ثنائي النيتروجين، هو غاز عديم اللون، بينما الناتج لدينا، ثاني أكسيد النيتروجين، هو غاز بني مصفر. لنفترض أننا وضعنا بعضًا من غاز رابع أكسيد ثنائي النيتروجين في دورق ثم أغلقنا الدورق بحيث يصبح لدينا نظام مغلق، ما يعني أنه لا يمكن أن يسمح بتبادل أي مادة مع الوسط المحيط. بمرور الوقت، سنلاحظ تكون بعض الغاز البني المصفر في الدورق. هذا الغاز البني المصفر هو بالطبع الناتج ثاني أكسيد النيتروجين. في النهاية، سنلاحظ أن كمية الغاز البني المصفر ثابتة في الدورق. بعبارة أخرى، سيكون تركيز ثاني أكسيد النيتروجين ثابتًا.

في هذه المرحلة، نحن نعلم أنه قد تم الوصول إلى حالة الاتزان لأنه عند حدوث أي تفاعل في نظام مغلق، يتم الوصول إلى حالة الاتزان عندما تتوقف تركيزات النواتج والمتفاعلات عن التغير. ولأن تركيزات المتفاعلات والنواتج تكون ثابتة عند الاتزان، ينبغي أن يكون بإمكاننا استخدام هذه التركيزات الثابتة لتعيين اتزان التفاعل بطريقة ما. تعيين الاتزان هو بالضبط مهمة ثابت الاتزان. بالنسبة إلى أي تفاعل عام، حيث تمثل هذه الحروف الصغيرة المعاملات التكافئية، وتمثل الحروف الكبيرة الأنواع الكيميائية المشاركة في التفاعل، يمكنك تكوين تعبير لثابت الاتزان للتركيز كما يلي.

سنبدأ بوضع تركيزات الاتزان للنواتج في البسط. وسنضع تركيزات الاتزان للمتفاعلات في المقام. قد يعبر عن التركيزات، المشار إليها بالأقواس المعقوفة، باستخدام وحدة المولار، أو المول لكل لتر، أو المول لكل ديسيمتر مكعب، ولإكمال التعبير الدال على ثابت الاتزان، علينا رفع جميع التركيزات إلى قوى تساوي معاملاتها التكافئية.

من المهم أن يحدث التفاعل في نظام مغلق. وإذا لم يتحقق ذلك، فستتغير تركيزات النواتج والمتفاعلات بمرور الوقت إذا خرجت من الوعاء. سترى عادة أن درجة الحرارة تكون محددة لثابت الاتزان. ويرجع ذلك إلى أن موضع الاتزان يمكن أن ينزاح نحو اليسار أو اليمين؛ وذلك اعتمادًا على درجة الحرارة إذا كان التفاعل ماصًّا للحرارة أو طاردًا لها.

عند تكوين تعبير لثابت الاتزان، فإننا لا ندرج أي أنواع كيميائية في الحالة الصلبة أو السائلة. وذلك لأن تركيزات المواد الصلبة والسائلة لا تتغير كثيرًا خلال التفاعل. إننا لا ندرج سوى الأنواع الكيميائية المماهة أو الغازية في تعبير ثابت الاتزان. دعونا نحاول تكوين تعبير لثابت الاتزان للتفاعل بين رابع أكسيد ثنائي النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين. سنضع تركيز الناتج، أي ثاني أكسيد النيتروجين، في البسط، وسنضع تركيز المتفاعل، وهو رابع أكسيد ثنائي النيتروجين، في المقام.

المعامل التكافئي لثاني أكسيد النيتروجين هو اثنان، لذا سنرفع تركيزه للقوة اثنين. رابع أكسيد ثنائي النيتروجين له معامل تكافئي ضمني يساوي واحدًا، ومن ثم سنرفع التركيز للقوة واحد. أو يمكننا حذفه لأن رفع أي قيمة للقوة واحد لا يغير هذه القيمة.

إذن، هذا هو تعبير ثابت الاتزان لهذا التفاعل، وهو مربع تركيز ثاني أكسيد النيتروجين، مقسومًا على تركيز رابع أكسيد ثنائي النيتروجين. من هنا، يمكننا بسهولة حساب قيمة ثابت الاتزان إذا عرفنا تركيزي الاتزان لكل من ثاني أكسيد النيتروجين ورابع أكسيد ثنائي النيتروجين. إذا فعلنا ذلك، فعلينا التفكير فيما توضحه لنا قيمة ‪KC‬‏ لهذا التفاعل؟ إن قيمة ثابت الاتزان هي بمثابة النسبة بين كمية النواتج إلى كمية المتفاعلات عند الاتزان. ومع ذلك، فهي ليست النسبة الحقيقية؛ لأننا نرفع التركيزات إلى قوى تساوي معاملاتها التكافئية. وتكون قيمة ‪KC‬‏ لأي تفاعل ثابتة دائمًا بغض النظر عن كمية المتفاعلات أو النواتج التي نبدأ بها. هذا يعني أن ‪KC‬‏ يمكن أن يوضح لنا معلومات عن سير التفاعل.

لفهم ما نعنيه بسير التفاعل، دعونا نفترض أن لدينا تفاعل اتزان بسيطًا بين متفاعل وناتج. سيكون تعبير ثابت الاتزان لهذا التفاعل هو تركيز الناتج مقسومًا على تركيز المتفاعل. إذا كانت قيمة ‪KC‬‏ لهذا التفاعل أكبر من واحد، فهذا يعني أن القيمة في البسط أكبر من القيمة في المقام. بعبارة أخرى، تركيزات النواتج عند الاتزان أكبر من تركيزات المتفاعلات. وهذا يعني أن التفاعل يسير نحو تكوين النواتج، أو يمكننا قول إن الاتزان يميل ناحية اليمين.

إذا كانت قيمة ‪KC‬‏ أقل من واحد، فهذا يعني أن القيمة في المقام أكبر من القيمة في البسط. بعبارة أخرى، تركيزات المتفاعلات أكبر من تركيزات النواتج عند الاتزان. إذن، يسير التفاعل نحو تكوين المتفاعلات في هذه الحالة، أو يمكننا قول إن الاتزان يميل ناحية اليسار. وعلى الرغم من أن قيمة ‪KC‬‏ لا تزداد خطيًّا، لكن يمكننا بوجه عام قول إن قيمة ‪KC‬‏ الكبيرة جدًّا تشير إلى وجود نواتج أكثر عند الاتزان، وقيمة ‪KC‬‏ الصغيرة جدًّا تشير إلى وجود متفاعلات أكثر عند الاتزان.

ومثالًا واضحًا على ذلك، لدينا هنا تفاعل الماء لتكوين غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. قيمة ‪KC‬‏ لهذا التفاعل صغيرة جدًّا؛ فهي ثمانية في 10 أس سالب 41. في هذه الحالة، نجد أن التفاعل يسير نحو تكوين الماء؛ حيث لا يكون بوجه عام غازي الهيدروجين والأكسجين، ونقول إنه لا يحدث تفاعل.

وعلى الجانب الآخر هنا، لدينا قيمة كبيرة جدًّا لـ ‪KC‬‏؛ وهي 1.3 في 10 أس ستة. وفي هذه الحالة، يسير التفاعل نحو تكوين النواتج؛ حيث يمكننا بوجه عام قول إن تفكك حمض الهيدروكلوريك إلى أيونات الهيدروجين والكلور قد اكتمل. دعونا الآن نر كيف يمكننا حل المسائل التي تتضمن ثابت الاتزان. قد تكون أبسط أنواع المسائل التي سنتناولها هي تلك التي نعطى فيها تركيزات الاتزان للنواتج والمتفاعلات مباشرة. وهذا هو الحال في هذه المسألة.

احسب قيمة ‪KC‬‏ لتفاعل غاز ‪N2‬‏ زائد ثلاثة من غاز ‪H2‬‏ في حالة اتزان مع اثنين من غاز ‪NH3‬‏ إذا كان خليط الاتزان يحتوي على 0.982 مول لكل ديسيمتر مكعب من غاز ‪NH3‬‏، و0.193 مول لكل ديسيمتر مكعب لكل من غاز ‪N2‬‏ وغاز ‪H2‬‏.

حسنًا، التفاعل في هذه المسألة هو جزء من عملية هابر، حيث يتم تصنيع الأمونيا — التي تستخدم في صناعة الأسمدة — من غازي النيتروجين والهيدروجين. تعطينا هذه المسألة تركيزات الاتزان، ومن ثم يمكننا حساب قيمة ‪KC‬‏ بسهولة عن طريق التعويض بهذه القيم في تعبير ‪KC‬‏. هيا نبدأ حل هذه المسألة عن طريق تكوين تعبير دال على ‪KC‬‏. سنضع تركيز الناتج، أي الأمونيا، في البسط، وسنضع تركيزات المتفاعلات في المقام. سنرفع كل هذه التركيزات إلى قوى تساوي معاملاتها التكافئية. وبعد أن حصلنا على هذا التعبير، يمكننا الحل لإيجاد قيمة ‪KC‬‏ عن طريق التعويض بتركيزات الاتزان.

علينا الآن إجراء بعض الخطوات الحسابية. سنبدأ برفع كل القيم لدينا إلى القوى المناسبة، ثم تجميع الحدود بالأسفل، وهذا يعطينا هذا التعبير. بقسمة 0.964324 على 0.001387، نحصل على 695.01 في الجزء العددي من الإجابة، والذي يمكننا تقريبه إلى 695. والآن دعونا نتعامل مع الوحدات. لعلنا نتذكر أنه يمكننا تبسيط الأسس التي لها نفس الأساس من خلال طرح الأس في المقام من الأس في البسط.

بالنسبة إلى المولات، لدينا الأس اثنان في البسط والأس أربعة في المقام. اثنان ناقص أربعة يعطينا الأس سالب اثنين. بالنسبة إلى الديسيمترات، لدينا الأس سالب ستة في البسط، والأس سالب 12 في المقام. سالب ستة ناقص سالب 12 يعطينا الأس ستة. إذن، ‪KC‬‏ للتفاعل في هذه المسألة هو 695 مولًا أس سالب اثنين ديسيمتر أس ستة.

على الرغم من أننا حسبنا وحدات ‪KC‬‏، وهو ما سيطلب منا الكثير من المسائل فعله، لكن ‪KC‬‏ هو كمية من دون وحدة. وأسباب ذلك تقع خارج نطاق هذا الفيديو، وستوضح مناقشة الأبعاد في مراحل تعليمية أعلى السبب وراء ذلك. إننا عادة ما تعطى لنا التركيزات الابتدائية في المسائل التي تطلب منا إيجاد ‪KC‬‏. لكن هذا النوع من المسائل يمثل تحديًا إضافيًّا؛ لأن علينا الحل لإيجاد قيم تركيزات الاتزان أولًا قبل أن نتمكن من إيجاد قيمة ‪KC‬‏.

دعونا نتناول مثالًا.

يتحلل كبريتيد الهيدروجين حراريًّا طبقًا للمعادلة اثنان من غاز ‪H2S‬‏ في حالة اتزان مع اثنين من غاز ‪H2‬‏ زائد غاز ‪S2‬‏. تم تسخين 0.50 مول من كبريتيد الهيدروجين عند درجة حرارة ثابتة في وعاء حجمه 2.0 ديسيمتر مكعب حتى الوصول إلى حالة الاتزان، حيث يتبقى فيها 0.38 مول من ‪H2S‬‏. احسب ‪KC‬‏ لهذا التفاعل.

حسنًا، علمنا من المسألة الكمية الابتدائية للمتفاعل لدينا، وكمية اتزان المتفاعل، وحجم وعاء التفاعل. لكن ليس لدينا أي معلومات عن كميات أو تركيزات الاتزان للنواتج لدينا. يمكننا استخدام جدول لمساعدتنا في إيجاد كميات اتزان الأنواع الكيميائية في التفاعل لدينا. سنكتب في الخانة الأولى كلمة «الابتدائي». وتشير إلى الكميات أو التركيزات الابتدائية للمتفاعلات والنواتج لدينا. علمنا من المسألة أننا بدأنا بـ 0.50 مول من كبريتيد الهيدروجين، ولم نبدأ بأي غاز هيدروجين أو غاز كبريت. سنكتب في الخانة الثانية كلمة «التغير». وتشير إلى الكمية التي يتغير بها كل نوع كيميائي خلال طريقه للاتزان. ستقل كمية غاز كبريتيد الهيدروجين نتيجة لتكوين النواتج. إذن، سيكون التغير هنا سالبًا.

سيتكون غاز الهيدروجين وغاز الكبريت أثناء هذا التفاعل، ومن ثم سيكون التغير لكل منهما موجبًا. سيتغير كل نوع كيميائي بكمية معينة ‪𝑥‬‏، مضروبة في قيمة المعامل التكافئي. سنكتب في الخانة الثالثة كلمة «الاتزان». وتشير إلى كمية أو تركيز الاتزان لكل نوع كيميائي. وهذا يساوي الكمية الابتدائية أو التركيز الابتدائي للنوع الكيميائي زائد الكمية التي يتغير بها خلال التفاعل.

لقد علمنا من المسألة أيضًا كمية الاتزان لكبريتيد الهيدروجين. إذا جعلنا قيمة هذه الكمية مساوية لقيمة اتزان كبريتيد الهيدروجين في الجدول لدينا، فسيكون بإمكاننا استخدامها لإيجاد قيمة ‪𝑥‬‏. سنطرح أولًا 0.5 من كلا الطرفين. بضرب كلا الطرفين في سالب واحد، نحصل على اثنين ‪𝑥‬‏ يساوي 0.12، ومن ذلك نجد أن ‪𝑥‬‏ يساوي 0.06. والآن، أصبحت لدينا كميات الاتزان لجميع الأنواع الكيمائية، لكننا نحتاج إلى تركيزات الاتزان لإيجاد قيمة ‪KC‬‏. لقد علمنا من المسألة حجم الوعاء، والذي يمكننا استخدامه لإيجاد التركيز. دعونا نضف صفًّا آخر إلى الجدول لإيجاد التركيز.

كل ما علينا فعله هو قسمة كميات الاتزان التي أوجدناها على حجم الوعاء. بالحل لإيجاد تركيز غاز ‪H2S‬‏ نحصل على 0.19 مول لكل ديسيمتر مكعب. يمكننا أن نكرر ذلك مع الأنواع الكيميائية الأخرى لإيجاد تركيزات اتزانها، وهذا يعطينا 0.06 لتركيز اتزان غاز الهيدروجين، و0.03 لتركيز اتزان غاز الكبريت.

دعونا نكتب تعبير ‪KC‬‏. لدينا مربع تركيز غاز الهيدروجين في تركيز غاز الكبريت مقسومًا على تركيز كبريتيد الهيدروجين، وهو مربع. والآن، يمكننا التعويض بتركيزات الاتزان. بعد ذلك، سنرفع كل القيم إلى الأسس المناسبة، ثم نقوم بتجميع هذين الحدين في البسط. هذا يعطينا 0.0029916 مول لكل ديسيمتر مكعب. عند تحويل الناتج إلى الترميز العلمي وتقريبه، نحصل على 3.0 في 10 أس سالب ثلاثة مول لكل ديسيمتر مكعب لقيمة ‪KC‬‏ لهذا التفاعل.

سنختتم الآن هذا الفيديو بتلخيص النقاط الرئيسية. يمكن تعيين اتزان التفاعل. بالنسبة لأي تفاعل عام، يمكننا تكوين تعبير لـ ‪KC‬‏ بقسمة تركيزات النواتج على تركيزات المتفاعلات ورفع كل منها إلى قوى تساوي معاملاتها التكافئية. يوضح ‪KC‬‏ سير التفاعل. تشير قيمة ‪KC‬‏ الأقل من واحد لتفاعل ما إلى أن التفاعل يسير نحو تكوين المتفاعلات. ويميل الاتزان عندئذ ناحية اليسار. وتشير قيمة ‪KC‬‏ الأكبر من واحد لتفاعل ما إلى أن التفاعل يسير نحو تكوين النواتج. ويميل الاتزان عندئذ ناحية اليمين.