دانشجویان فیزیک دانشگاه محقق اردبیلی

 

·     تعادل چیست؟

·     چگونه به سرعت می‌توان به تعادل در یک واکنش شیمیایی رسید؟

·     آیا دما روی تعادل و آهنگ واکنش تأثیر دارد؟

·      ثابت تعادل چیست؟

·      آیا تعادل روی مقدار محصولات واکنش (بازده) تأثیر دارد؟

 

در این مجموعه به تمامی سؤالات بالا پاسخ خواهیم داد. اما به راستی تعادل چیست؟ تعادل شیمیایی و تعادل فیزیکی چگونه حاصل می‌شوند؟

 

زمانی که یک واکنش شیمیایی شروع می‌‌شود، ابتدا واکنش دهنده‌ها وارد عمل می‌شوند. رفته رفته از غلظت واکنش دهنده‌ها کم شده و به غلظت محصولات اضافه می‌شود. در نهایت، زمانی می‌رسد که هیچ تغییری در غلظت واکنش دهنده‌ها و محصولات مشاهده نمی‌شود. چنین واکنش‌هایی که در آن‌ها فقط قسمتی از مقدار کلی واکنش دهنده‌ها به محصول تبدیل می‌شود، فرایندهای برگشت‌پذیر نامیده می‌شوند.

 

تعادل زمانی است که:

    

•  هر تغییری در طول واکنش برگشت‌پذیر است و می‌تواند با معادله‌ای که شامل یک فلش دو‌طرفه است، نشان داده شود.
•    سیستم تعادلی، محصور و بسته است؛ سیستم بسته و محصور به سیستمی گفته می‌شود که هیچ ماده‌ای نتواند وارد یا خارج این سیستم شود.
•    در حالت تعادل، سیستم پویا است؛ گویی در مقیاس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد هیچ اتفاقی نیفتاده است اما در مقیاس ریز، تغییرات برگشت‌پذیر به طور متوالی روی می‌دهند.

 

تعادل فیزیکی شامل تغییرات خواص شیمیایی مواد مرتبط با واکنش نیست. برای نمونه، تعادل بخار آب با خود آب در یک بطری در بسته‌ی نیمه پر یک تعادل فیزیکی است زیرا مولکول‌های آب فقط از مایع به بخار تبدیل می‌شوند.

 

تعادل شیمیایی با تغییر در ترکیب شیمیایی مواد، شکستن و تشکیل پیوند مرتبط است. یک مثال برای این تغییر، تجزیه‌ی اسید استیک است. مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها در این تجزیه وجود دارد؛ زمانی که تعادل حاصل می‌شود، آهنگ مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها مساوی می‌شود.

 

مثال 1 از تعادل فیزیکی : تا مرحله‌ی 3، آهنگ تبخیر و آهنگ میعان کاملاً با هم متفاوتند و عمل تبخیر، بیش‌تر صورت می‌گیرد اما با گذشت زمان، میعان هم رو به افزایش است. در مرحله‌ی 3 و 4 آهنگ تبخیر و آهنگ میعان برای هر تغییر فیزیکی برابرند.

 

 

 

 

 

محلول‌های اشباع شده (تعادل جامد- محلول)

 

در حالت (c) آهنگ رفت (حل شدن ماده‌ی جامد در حلال) و آهنگ برگشت (بلوری شدن ماده‌ی حل شونده) در تعادل فیزیکی‌اند.

 

 

     

سؤال: در یک سیستم تعادلی، چه چیزهایی مساوی یا متعادل هستند؟

 

 

•    لزومی ندارد غلظت مواد در تعادل، کاملاً مساوی باشد.
•    فرایند هابر را به خاطر بسپارید (ساخت مواد خام و اولیه برای کود شیمیایی):
   
  
   
•    در فشار و دمای اتاق، این واکنش تقریباً با هیچ NH₃ در تعادل نیست.
•    آهنگ تغییر در مسیر رفت واکنش (از چپ به راست معادله) با آهنگ برگشت (از راست به چپ) با هم مساوی‌اند.

 

آهنگ واکنش

با استفاده از نظریه‌ی برخورد در واکنش‌های شیمیایی می‌توان این مطلب را درک کرد. یک تغییر شیمیایی که به طور ماکروسکوپی قابل مشاهده است، نتیجه‌ی تعداد زیادی از برخوردها مابین ذرات واکنش دهنده است. در شکل زیر و در حالت a، مولکول‌های آبی و قرمز به دلیل این‌که انرژی جنبشی کافی و جهت مناسب دارند، واکنش انجام می‌گیرد. در حالت b با این‌که مولکول‌ها جهت مناسب دارند ولی انرژی جنبشی کافی ندارند، واکنش انجام نمی‌گیرد. در حالت c مولکول‌ها در برخورد با هم انرژی جنبشی کافی دارند اما جهت‌گیری آن‌ها مناسب نیست؛ پس در این حالت نیز واکنش انجام نمی‌گیرد.

 

 

 

حال ببینیم تغییرات انرژی در طول واکنش به چه صورت است:

انرژی لازم برای واکنش (ΔE ) است. برای تشکیل محصولات، بایستی  کمپلکسی از مجموعه ذرات فعال در واکنش با انرژی بالا نیز تشکیل شود. کمپلکس فعال شده، نوعی حالت واسطه‌ی مولکولی است که در حین برهمکنش (برخورد) مولکول‌های در حال واکنش با یک تغییر شیمیایی تشکیل می‌شود؛ بالاترین مقدار انرژی در حین واکنش به این حالت اختصاص دارد.

 

انرژی فعال ‌سازی (E_a) کم‌ترین انرژی جنبشی لازم برای تولید انرژی برخورد مؤثر است و با این انرژی می‌توان به بالای تپه رفت!!!

تعادل2

در مطلب قبل به شرایط تعادل و انجام واکنش‌های شیمیایی اشاره شد. حال ببینیم فراهم شدن شرایط واکنش، گویای کدام خاصیت فیزیکی مواد است و چه عواملی، انجام سریع‌تر و بهینه‌تر واکنش‌های مواد را تحت تأثیر قرار می‌دهند؟

در شکل بالا به خوبی دیده می‌شود که برای این ‌که واکنشی صورت پذیرد، شرایط لازم برای آن (تعداد و جهت مناسب ذرات واکنش دهنده و انرژی جنبشی کافی آن ‌ها) چگونه تشکیل محصولات را تحت تأثیر قرار می ‌دهد.

در حالت (a) سیستم، انرژی کافی برای رفتن به آن ‌سوی تپه و غلبه به سد انرژی پتانسیل را دارد؛ بنابراین محصولات تشکیل می‌شوند.

در حالت (b) سیستم، انرژی کافی برای عبور از سد انرژی پتانسیل ندارد؛ بنابراین محصولات این برخورد ناموفق تشکیل نمی‌شوند.

در مطلب قبلی گفته شد که انرژی فعال‌سازی، حداقل انرژی لازم برای ایجاد انرژی برخورد مؤثر است تا واکنش انجام شود. با مقایسه‌ی این مطلب و شکل قبل می‌بینیم که اگر شرایط انجام واکنش مهیا باشد و انرژی فعال‌سازی نیز کافی باشد، می‌توان به سد پتانسیل غلبه کرد. به نظر شما این سد پتانسیل ناشی از چیست؟

حال ببینیم چه عواملی بر سرعت و کارایی واکنش ‌های شیمیایی تأثیر دارند:

·   دمای واکنش: با افزایش دما سرعت انجام واکنش نیز بالا می ‌رود.

·    کاتالیزگرها: کاتالیست مناسب، سرعت واکنش را بالا می ‌برد.

·    غلظت واکنش ‌دهنده ‌ها: غلظت زیاد واکنش‌ دهنده ‌ها موجب سرعت یافتن واکنش می ‌شود.

اثر دما بر آهنگ واکنش:

در فرایند تبخیر مولکول ‌های آب در یک ظرف در بسته‌ی نیمه پر، مولکول ‌ها در فضای گازی بالای آب در حال تبخیر، توزیعی از سرعت ‌های مختلف دارند؛ برخی از این مولکول ‌ها کند و برخی بسیار سریع حرکت می ‌کنند.

شکل بالا این مطلب را به خوبی نشان می‌دهد؛ دایره‌های آبی، مولکول‌هایی‌اند که سرعت حرکت بالایی دارند و دایره‌های قرمز، مولکول‌ هایی‌اند که سرعت کمی دارند. حال ببینیم تغییر دما چه تأثیری بر روی سرعت مولکول ‌ها دارد؟

 

·  تنها کسری از مولکول‌های نشان داده شده در ناحیه‌ی پایینی منحنی در سمت راست، انرژی جنبشی کافی برای واکنش دادن دارند.

·  کسر بزرگی از مولکول‌ها می‌توانند در دماهای بالاتر واکنش دهند.

در زندگی روزمره نیز واکنش‌های شیمیایی فراوانی را در همین ارتباط مشاهده می‌کنیم؛ به عنوان مثال، آهنگ فاسد شدن غذای منجمد شده نسبت به غذایی که در دمای عادی نگه‌داری می‌شود، کم‌تر است. همچنین، غذا در زودپز خیلی سریع‌تر از حالت عادی پختن غذا می‌پزد زیرا در دمای بالاتری به جوش می‌آید اما همین غذا اگر در منطقه‌ای که ارتفاع بالایی نسبت به سطح دریا دارد پخته شود، دیر خواهد پخت؛ زیرا فشار پایین‌تر، نقطه‌ی جوش را پایین‌تر می‌آورد.

نقش کاتالیزورها در آهنگ واکنش:

مطابق شکل زیر، یک کاتالیست راهی را فراهم می‌کند که واکنش با انرژی فعال‌سازی کم‌تری اتفاق بیفتد؛ بنابراین بیش‌تر مولکول‌هایی که انرژی جنبشی کم‌تری دارند، قادر خواهند بود از سد انرژی پتانسیل عبور کنند.

در شکل دوم، کسری از مولکول‌ها با انرژی کافی برای وارد شدن به برخوردهایی که باعث انجام واکنش می‌شوند، در صورت وجود کاتالیست افزایش پیدا می‌کند زیرا سد انرژی فعال‌سازی پایین می‌آید.

 

حال مثالی از نقش کاتالیست زئولیت (نوعی سیلیکات آب‌دار) در انجام واکنش می‌آوریم تا این مطلب را به خوبی درک کنید:

زئولیت‌ها جامدهایی با شبکه‌ی کوالانسی‌اند و دارای حفره‌ها و کانال‌هایی خاص هستند و مولکول‌های گازی می‌توانند از طریق این کانال‌ها پخش شوند. زمانی که دو مولکول گاز درون زئولیت با همدیگر روبه‌رو می‌شوند، مجبور به نزدیک شدن به هم در یک جهت ویژه می‌شوند (این جهت ویژه، جهت‌گیری درست برای انجام واکنش است). این دو مولکول مدت طولانی را با هم می‌مانند و شانس بیش‌تری برای واکنش دارند. طبیعت کاتالیست‌ها این است که به طور مستقیم در واکنش شرکت می‌کنند (اما واکنش‌دهنده یا محصول نیستند) و محیط مناسبی برای انجام واکنش فراهم کرده و سد انرژی فعال‌سازی  را پایین می‌آورند.

شکلی از شبکه‌ی زئولیت

تأثیر غلظت بر سرعت واکنش:

آهنگ یک واکنش به تعداد برخوردها در واحد زمان نیز بستگی دارد. هرچه تعداد ذرات موجود در حجم خاص که واکنش در آن صورت می‌گیرد زیاد باشد، برخوردهای متوالی بیش‌تری اتفاق خواهد افتاد و واکنش‌ها با سرعت بیش‌تری انجام خواهند گرفت. به شکل زیر که سوختن براده‌ی فولاد در اکسیژن را نشان می‌دهد، توجه کنید:

در ردیف اول، براده‌ی فولاد در هوا (غلظت کم اکسیژن) حرارت داده می‌شود. در ردیف دوم، براده‌ی فولاد در اکسیژن خاص حرارت داده می‌شود. این مشاهده براساس توجیهات بالا کاملاً قابل درک است.