كيمياء – الإتزان الكيميائى للصف الثالث الثانوى 2016

 الإتزان الكيميائي

 النظام المتزن:

هو نظام ساكن على المستوى المرئى ونظام ديناميكى ( متحرك ) على المستوى غير المرئى .

تجربة لتوضيح مفهوم الإتزان :

نضع كمية من الماء فى إناء مغلق على موقد في حدث عمليتين متعاكستين (التبخير والتكثيف).

في بداية التسخين تكون العملية السائدة في النظام هي عملية التبخير يصحبها عملية مضادة هي عملية التكثيف لكن بدرجة أقل ( الهواء المحبوس داخل الإناء يحتوي نسبة من بخار الماء له ضغط يسمى الضغط البخاري)

الضغط البخارى :

هو ضغط بخار الماء الموجود فى الهواء عند درجة حرارة معينة .

ضغط بخار الماء المشبع : هو أقصى ضغط لبخار الماء يمكن أن يوجد في الهواء عند درجة حرارة معينة .

تقسم التفاعلات الكيميائية إلى نوعين :1- تفاعلات تامة ( غير إنعكاسية).      2-  تفاعلات إنعكاسية .

أولاً : التفاعلات التامة (غيرالإنعكاسية)

هى تفاعلات تسير فى إتجاه واحد فقط بحيث لا تستطيع المواد الناتجة أن تتحد مع بعضها لتكوين المواد

المتفاعلة مرة أخرى لخروج أحد النواتج من حيز التفاعل على هيئة غاز أو راسب .

تعريف أخر: تفاعلات تسير فى اتجاه واحد لخروج أحد النواتج من حيز التفاعل على هيئة راسب أو غاز .

مثال 1:

إضافة محلول كلوريد الصويوم  إلى محلول نترات الفضة حيث يتكون راسب أبيض من كلوري الفضة :

مثال2:

وضع شريط من الماغنسيوم فى محلول حمض الهيدروكلوريك يتصاعد غاز الهيدروجين

ثانياً : التفاعلات الإنعكاسية (غيرالتامة)

هى تفاعلات تسير فى كلا الإتجاهين الطردى والعكسىي حيث تستطيع النواتج أن تتحد مع بعضها لتكوين

المتفاعلات مرة أخرى نظراً لوجود كلاً من المتفاعلات والنواتج معاً فى حيز التفاعل .

مثال :

إضافة حمض الخليك إلى الكحول الإيثيلى ليتكون إستر خلات الإيثيل والماء :

علل : عند وضع ورقة عباد شمس زرقاء فى محلول تفاعل الأسترة نجد أنها تتحول إلى اللون الأحمر .

جـ: لوجودحمض الخليك نظراً لأن التفاعل السابق تفاعل إنعكاسي المتفاعلات موجودة بإستمرار في حيز التفاعل.

علل:الإتزان الكيميائى عملية ديناميكية وليست ساكنة.

لأنه بالرغم من تساوي معدل التفاعل الطردي مع العكسي وثبات تركيزات المتفاعلات والنواتج إلا أن التفاعل يظل مستمراً في كلا الإتجاهين الطردي والعكسي.

الإتزان الكيميائي

نظام ديناميكي يحدث عندما يتساوى معدل التفاعل الطردي مع معدل التفاعل العكسي بحيث تثبت تركيزات المتفاعلات والنواتج ( ويظل افتزان قائماً طالما كانت جميع المواد المتفاعلة والناتجة موجودة في حيز التفاعل ولم يتصاعد غاز أو يكون راسب وما دامت ظروف التفاعل كدرجة الحرارة والضغط ثابتة)

معدل التفاعل الكيميائي

هو مقدار التغير في تركيز المواد المتفاعلة في وحدة الزمن

تذكر أن: وحدة قياس التركيز (مول/لتر) أو (مولار)، وحدة قياس الزمن (الثانية أو الدقيقة).

س: قارن بين معدل (سرعة) تفاعل تام ومعدل تفاعل إنعكاسي موضحاً ذلك بالرسم البياني؟

ج:

أنواع التفاعلات الكيميائية حسب معدل (سرعة) التفاعل 

التفاعلات اللحظية: تحدث في وقت قصير جداً مثل تفاعل نترات الفضة مع كلوريد الصوديوم

تفاعلات بطيئة نسبياً: مثل تفاعل الزيوت مع الصودا الكاوية لتكوين الصابون والجليسرين

تفاعلات بطيئة جداً: تحدث في شهور مثل تفاعل تكوين صدأ الحديد

العوامل التي تؤثر على معدل (سرعة) التفاعل الكيميائي

أولاً: طبيعة المواد المتفاعلة

 1-  نوع الترابط في المواد المتفاعلة

إذا كانت المتفاعلات أيونية يحدث التفاعل بصورة سريعة لأن التفاعل يتم بين الأيونات مثل تفاعل الترسيب

إذا كانت المتفاعلات تساهمية يحدث التفاعل بطئ لأن التفاعل يتم بين الجزيئات مثل تفاعلات المركبات العضوية

2-  مساحة السطح المعرض للتفاعل

تزداد سرعة التفاعل بزيادة مساحة السطح المعرض للتفاعل

تجربة لتوضيح تأثير مساحة السطح على معدل التفاعل

نضع حجمين متساويين من حمض الهيدروكلوريك المخفف على كتلتين متساويتين من الخارصين إحداهما هلى هيئة مسحوق والأخرى عبارة عن كتلة واحدة كل على حدة في أنبوبة إختبار.

نجد أن تفاعل المسحوق أسرع من تفاعل الكتلة الواحدة

ثانياً: تركيز المواد المتفاعلة

يزداد معدل التفاعل بزيادة تركيز المتفاعلات (عدد الجزيئات) لزيادة فرص التصادم بين الجزيئات

إستطاع العالمان النرويجيان (جولد برج، فاج) إيجاد قانون يوضح العلاقة بين سرعة التفاعل الكيميائي وتركيز المواد المتفاعلة وهوقانون فعل الكتلة

قانون فعل الكتلة  Law of Mass Action

للعالمان النرويجيان (جولد برج Guldberg، فاج Waage)

عند ثبوت درجة الحرارة تتناسب سرعة التفاعل تناسباً طردياً مع حاصل ضرب التركيزات الجزيئية للمواد المتفاعلة (كل مرفوع لأس يساوي عدد مولات الجزيئات أو الأيونات في معادلة التفاعل الموزونة).

تجربة لتوضيح تأثير التركيز على معدل التفاعل

عند إضافة محلول كلوريد الحديد III (لونه أصفر) تدريجياً إلى محلول ثيوسينات الأمونيوم (عديم اللون) تدريجياً يتلون خليط التفاعل بلون أحمر دموي

 عند زيادة تركيز أحد المواد المتفاعلة فإن التفاعل ينشط في الإتجاه الذي يقلل من فعل هذا المؤثر (إتجاه تكوين النواتج = الإتجاه الطردي)

مثلاً: إضافة المزيد من كلوريد الحديدIII  تؤدي إلى زيادة اللون الأحمر لتكون المزيد من ثيوسيانات الحديد III

عند زيادة تركيز أحد المواد الناتجة فإن التفاعل يسير في الإتجاه الذي يقلل من فعل هذا المؤثر (إتجاه تكوين المتفاعلات = الإتجاه العكسي)

مثلاً: إضافة المزيد من كلوريد الأمونيوم تؤدي لتقليل اللون الأحمر مما يدل على نقص تركيز ثيوسيانت الحديد III وإن التفاعل يسير في الإتجاه العكسي

التوضيح الرياضي لقانون فعل الكتلة وإستنتاج قيمة ثابت الإتزان

في التفاعل الإنعكاسي التالي:

ملحوظة: الأقواس المستطيلة [    ]  تدل على التركيزات بوحدة (مول/لتر) (مولار)

K₁ : ثابت معدل التفاعل الطردي، K₂ : ثابت معدل التفاعل العكسي

وعند الإتزان معدل التفاعل الطردي  r₁= معدل التفاعل العكسي r₂

ثابت الإتزان K_c : هو النسبة بين ثابت معدل التفاعل الطردي K₁ إلى ثابت معدل التفاعل العكسي K₂

أو: هو خارج قسمة حاصل ضرب التركيزات الجزيئية للنواتج إلى حاصل ضرب التركيزات الجزيئية للمتفاعلات

أولاً: إذا كانت قيمة ثابت الإتزان (صغيرة) (K_c <1  ) فهذا يعني أن حاصل ضرب تركيزات النواتج (في البسط) أقل من حاصل ضرب تركيزات المتفاعلات(في المقام) (كل مرفوع لأس عدد مولاته) وأن التفاعل لا يسير بشكل جيد نحو تكوين النواتج وأن التفاعل العكسي هو السائد.

مثال: ذوبانية كلوريد الفضة في الماء

ثانياً: إذا كانت قيمة ثابت الإتزان (كبيرة) (K_c > 1  ) فهذا يعني أن حاصل ضرب تركيزات النواتج (في البسط) أكبر من حاصل ضرب تركيزات المتفاعلات (المقام) (كل مرفوع لأس عدد مولاته) وأن التفاعل في الإتجاه الطردي هو السائد (يستمر إلى قرب نهايته)

مثال: تفاعل الكلور مع الهيدروجين

القيمة الكبيرة لثابت الإتزان K_c تعني أن التفاعل يسير قرب نهايته ناحية تكوين كلوريد الهيدروجين وأن التفاعل الطردي هو السائد

القيمة الصغيرة لثابت الإتزان K_c تعني أن كلوريد الفضة شحيح الذوبان في الماء وأن التفاعل العكسي هو السائد

لا تكتب تركيز المواد الصلبة أو الرواسب أو الماء النقي في معادلة حساب ثابت الإتزان لأن تركيزاتها ثابتة مهما إختلفت كميتها لأن قيمتها لا تتغير بدرجة ملموسة.

ثالثاً: عند نفس درجة الحرارة لا تتغير القيمة العددية لثابت الإتزان بتغير تركيزات المواد المتفاعلة أو الناتجة

أمثلة على ثابت الإتزان

مثال : إحسب ثابت الإتزان للتفاعل التالي علماً بأن تركيزات اليود والهيدروجين ويوديد الهيدروجين عند الإتزان على الترتيب = (0,221 ،   0,221  ، 1,563 ) مولار

الحل:

ثالثا: تأثير درجة الحرارة

يمكن تفسير تأثير الحرارة على سرعة التفاعل الكيميائي في ضوء نظرية التصادم (الجزيئات المتصادمة ذات السرعة العالية جداً فقط هي التي تتفاعل لأن طاقتها الحركية العالية تمكنها من كسر الروابط بين الجزيئات فيحدث التفاعل الكيميائي)

طاقة التنشيط: الحد الأدنى من طاقة الحركة التي يجب أن يمتلكها الجزئ لكي يتفاعل عند التصادم

الجزيئات المنشطة: جزيئات طاقة حركتها تساوي طاقة التنشيط أو تفوقها.

علل: يزداد معدل بعض التفاعلات الكيميائية بزيادة درجة الحرارة

جـ: لأن زيادة درجة الحرارة تؤدي لزيادة عدد الجزيئات المنشطة وبالتالي يزيد معدل التفاعل الكيميائي

تجربة لتوضيح تأثير درجة الحرارة على سرعة تفاعل متزن

نستنتج من التجربة السابقة أن إمتصاص (سحب) الحرارة من تفاعل متزن طارد للحرارة يؤدي لسير التفاعل في الإتجاه الطردي والعكس.

في التفاعلات الطاردة للحرارة:

رفع درجة الحرارة تجعل التفاعل يسر في الإتجاه العكسيوتقل قيمة ثابت الإتزان K_c والعكس عند التبريد

في التفاعلات الماصة للحرارة:

يسير التفاعل في الإتجاه الطردي عند التسخين والعكس عند التبريد

طرق كتابة معادلات التفاعلات الطاردة للحرارة والماصة للحرارة

رابعاً: تأثير الضغط

مثال: يحضر لنشادر في الصناعة من عنصريه طبقاً للتفاعل الآتي :

ما تأثير الضغط على التفاعل المتزن السابق  ؟؟

الحل:

نلاحظ أن أربعة جزيئات تتفاعل اتكون جزيئين أي أن تكوين النشادر يكون مصحوباً بنقص في عدد الجزيئات ( نقص في الحجم ) ولذا :

ملحوظة:

يعبر عن ثابت الإتزان للتفاعل السابق بالرمز K_p للدلالة على تركيز المواد معبراً عنها بالضغط الجزيئي

كما يمكن التعبير عن ثابت الإتزان أيضاً بالرمز K_c للدلالة على تركيز المواد معبراً عنها بالمولارية كما يلي:

كما هو الحال في K_c فإن قيمة k_p للتفاعل لا تتغير بتغير الضغوط الجزيئية للغازات المتفاعلة أو الناتجة في نفس درجة الحرارة