تعادل شیمیایی (Chemical equilibrium) به حالتی گفته می شود که در آن، غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها با گذشت زمان ثابت بماند.
در واقع، در این حالت فعالیت شیمیایی در یک واکنش شیمیایی تغییر نخواهد کرد. در زمان تعادل، سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت با یکدیگر برابر می شوند.
به طور کلی واکنش های شیمیایی را می توان به دو دسته واکنش های برگشت ناپذیر و واکنش های برگشت پذیر تقسیم بندی نمود. در یک واکنش، زمانیکه به طور تقریبی تمام واکنش دهنده ها به فرآورده ها تبدیل شوند، واکنش برگشت نا پذیر می باشد. در این حالت، واکنش به طور کامل انجام می شود و یا تا مرز کامل شدن پیش می رود.
در حالی که در بعضی از واکنش ها، علاوه بر پیشرفت واکنش مورد نظر در جهت رفت، می تواند در جهت برگشت هم پیش روند. در واقع، اگر در یک واکنش امکان تبدیل فرآورده ها به واکنش دهنده ها وجود داشته باشد، آن واکنش را برگشت پذیر می گویند.
تمامی واکنش های برگشت پذیر تمایل دارند که به حالت تعادل برسند. در واقع در این دسته از واکنش ها، لحظه ای وجود دارد که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر می شود. لازم به ذکر است که در نقطه تعادل سرعت واکنش رفت و سرعت واکنش برگشت برابر با صفر نیست بلکه فقط یکسان خواهد بود. بنابراین در این صورت تغییراتی در خواص سیستم نخواهید داشت. توجه داشته باشید که واکنش متوقف نشده بلکه فقط تغییری در غلظت ها در سطح ماکروسکوپی به وجود نمی آید.
تعادل شیمیایی:
همانطور که اشاره شد، تعادل شیمیایی معمولا در شرایطی به وجود می آید که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر باشد. به عنوان نمونه واکنش تعادلی زیر را در نظر بگیرید.
نماد فلش دو طرفه (⇌) به خوبی بیانگر اینست که واکنش می تواند در جهت تولید واکنش دهنده یا فرآورده، انجام شوند.
در حقیقت این معادله را می توان هم در جهت رفت و هم در جهت برگشت خواند. توجه داشته باشید که به واکنش aA + bB ⇾ cC + dD واکنش رفت و به طور مشابه به واکنش cC + dD ⇾ aA + bB واکنش برگشت می گویند. در واکنش های یک طرفه یا غیر تعادلی از نماد فلش یک طرفه (⇾) استفاده می کنند.
اگر A و B با یکدیگر مخلوط شوند، بنابراین بر یکدیگر اثر کرده، C و D را تولید می کنند. با پیشرفت واکنش غلظت A و B به تدریج کاهش می یابد، پس از سرعت این واکنش کاسته می شود. از طرف دیگر، از واکنش میان مولکول های C و D دوباره مولکول های اولیه A و B به وجود می آیند.
توجه داشته باشید که در شروع آزمایش، چون مولکول های C و D وجود ندارند، بنابراین واکنش برگشت نمی تواند امکان پذیر باشد. اما این واکنش با تولید شدن مقداری از مولکول های C و D در واکنش رفت آغاز می شود.
لازم به ذکر است که این واکنش در ابتدا به کندی انجام می گیرد (به علت آن که غلظت مولکول های C و D در واکنش کم می باشد)، ولی به تدریج سریع تر می شود. در حقیقت با گذشت زمان، سرعت واکنش رفت کاهش می یابد، در حالی که سرعت واکنش برگشت افزایش یافته است. این حالت تا زمانی ادامه پیدا می کند که دو سرعت رفت و برگشت با هم برابر شوند و در نتیجه تعادل شیمیایی برقرار گردد.
پویایی تعادل شیمیایی:
در حقیقت تعادل شیمیایی یک حالت پویا می باشد که در آن، واکنش به صورت پیوسته در حال انجام شدن است. توجه داشته باشید که ثابت ماندن خواص ماکروسکوپی و یا غلظت ها به معنای توقف واکنش نمی باشد. بلکه فقط در زمان تعادل، غلظت تمام مواد ثابت خواهد بود.
لازم به ذکر است که حالت تعادل به این معنا نیست که لزوما غلظت واکنشگر ها با غلظت محصولات برابر باشد، بلکه غلظت هر یک از گونه ها به صورت جدا ثابت خواهد بود. در واقع بعد از برقراری تعادل، غلظت ها ثابت می شود، در حالی که غلظت تعادلی واکنش گر ها و محصولات ممکن است یکسان و یا حتی غیر یکسان باشد.
اگر واکنش فرضی aA + bB ⇌ cC + dD را در نظر بگیرید، غلظت C و D در واکنش ثابت می ماند، زیرا C و D با همان سرعتی که در واکنش رفت تولید می شوند، با همان سرعت هم در واکنش برگشت مصرف می گردند. به طور مشابه، مولکول های اولیه A و B نیز با همان سرعتی که در واکنش برگشت دوباره تولید می شوند، با همان سرعت هم در واکنش رفت به مصرف می رسند. بنابراین غلظت ها در زمان تعادل ثابت می مانند، زیرا سرعت واکنش های رفت و برگشت با یکدیگر برابر هستند، نه از آن جهت که هر گونه فعالیت شیمیایی متوقف شده است.
معادله ثابت تعادل:
روابط سرعت و غلظت در واکنش برگشت پذیر مورد نظر به صورت زیر است:
در معادله فوق، k ثابت تعادل است که برای یک واکنش معین در دمای ثابت مقداری همواره ثابت می باشد. لازم به ذکر است که مقدار k، در واکنش ها و دما های مختلف، متفاوت خواهد بود.
انواع تعادل شیمیایی:
تعادلات شیمیایی را می توان در دو دسته تعادل همگن و تعادل ناهمگن طبقه بندی کرد. در تعادل همگن تمام مواد شرکت کننده در واکنش (واکنش دهنده ها و فرآورده ها) در یک فاز قرار دارند. برای مثال، در تعادل زیر، تمام مواد شرکت کننده در تعادل، در یک فاز ( فاز گازی) می باشند.
در حالی که در یک تعادل نا همگن، مواد شرکت کننده در تعادل در فازهای مختلفی قرار دارند. مثلا واکنش تجزیه گرمایی کربنات کلسیم جامد را در نظر بگیرید. این تعادل، نمونه ای از یک تعادل ناهمگن دو فازی می باشد.
ویژگی های عمومی یک سیستم در حال تعادل:
عوامل موثر بر تعادل شیمیایی:
همان گونه که در بالا بیان شد، در زمان تعادل سرعت واکنش های رفت و برگشت با یکدیگر برابر و در نتیجه غلظت تمامی مواد شرکت کننده در تعادل نیز ثابت خواهد بود. توجه داشته باشید که برابری سرعت ها و ثابت شدن غلظت ها، تا زمانی ادامه دارد که عاملی مزاحم تعادل نشود.
عواملی چون تغییر غلظت، تغییر فشار و یا تغییر دما سبب بر هم زدن تعادل می شوند. در این صورت، سیستم در جهتی حرکت می کند که با تغییر اعمال شده مقابله کند. بنابراین، تعادل جدیدی بر مبنای اصل لوشاتلیه به وجود می آید. تأثیر این عوامل در ادامه بررسی می شود.
لازم به ذکر است که کاتالیزور ها بر روی غلظت های در حال تعادل تأثیری ندارند، بنابراین هیچ حرکت یا جابه جایی را در تعادل ایجاد نمی کنند. در واقع فقط سبب می شوند که واکنش مورد نظر زودتر به تعادل برسد.
در حقیقت کاتالیزور ها انرژی فعال سازی واکنش های رفت و برگشت را به یک اندازه کاهش می دهن، پس می توان گفت که ثابت سرعت واکنش های رفت و برگشت را به یک نسبت افزایش خواهند داد. به عبارتی دیگر، کاتالیزور ها تنها زمان لازم برای رسیدن به حالت تعادل را کم می کنند و بر روی تعادل اثری نمی گذارند.
اثرتغییر غلظت:
اگر غلظت ماده شرکت کننده در یک تعادل شیمیایی افزایش یابد، طبق اصل لوشاتولیه، تعادل به گونه ای جابجا می شود که غلظت ماده افزایش یافته را کاهش دهد. به طور مشابه، اگر غلظت یکی از مواد شرکت کننده در تعادل شیمیایی کاهش پیدا کند واکنش در جهت تولید آن ماده پیش خواهد رفت. به عنوان نمونه واکنش زیر را در نظر بگیرید.
همانطور که بیان شد، افزایش یک ماده باعث می شود تعادل در جهت مصرف آن جابه جا شود، در حالی که خارج کردن یک ماده، باعث می شود تعادل در جهت تولید آن جابه جا شود. بنابراین با افزودن مقداری گاز اکسیژن تعادل به سمت راست جابه جا می شود تا مقداری از O2 را مصرف کند. همچنین با خارج کردن مقداری گاز دی اکسید گوگرد، تعادل به سمت چپ با جابه جا می شود تا بتواند مقداری از کمبود SO2 را جبران کند.
اثر تغییر فشار:
با تغییر حجم یک سیستم می توان فشار آن سیستم گازی در حال تعادل را در دمای ثابت تغییر داد. بنابراین با کاهش حجم، فشار سیستم زیاد و با افزایش حجم، فشار آن کم می شود. در واقع، با افزایش فشار، تعادل به سمت تعداد مول گازی کمتر حرکت می کند.
در حالی که، با کاهش فشار سیستم به سمت تعداد مول گازی بیشتر جابجا می شود. توجه داشته باشید که اگر تعداد مول های گازی در دو طرف یک واکنش شیمیایی برابر باشند، در نتیجه تغییرات فشار، تأثیری بر تعادل ندارد.
با توجه به شکل فوق مشخص می شود که، با کاهش حجم سیستم محتوی مخلوط گازها، فشار افزایش یافته است. در نتیجه بر طبق اصل لوشاتولیه، تعادل برای جبران افزایش فشار به سمت تعداد مول گاز کمتر حرکت می کند. به بیان دیگر، تعادل به سمت راست جابه جا خواهد شد.
اثر تغییر دما:
به طور کلی می توان گفت که، هر زمان در یک تعادل دما افزایش یابد، بر طبق اصل شاتلیه، تعادل در جهتی حرکت می کند که گرما را جذب نماید. علاوه بر آن، با کاهش دما تعادل در جهتی حرکت می کند که گرما را آزاد کند. در واقع در واکنش های گرماگیر، با افزایش دما واکنش در جهت رفت و با کاهش دما، واکنش در جهت برگشت جابجا می شود. عکس حالت فوق در واکنش های گرمازا وجود دارد.
به عنوان نمونه تشکیل دی اکسید نیتروژن (قهوه ای رنگ) از دی نیتروژن تترا اکسید (بی رنگ) را در نظر بگیرید. این واکنش از نوع گرماگیر می باشد.
در این واکنش افزایش دما سبب جا به جایی تعادل به سمت راست می شود. در واقع افزایش دما باعث تشکیل مقدار بیشتری از گاز NO2 قهوه ای رنگ می گردد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می نمایید، رنگ مخلوط در آب گرم پر رنگ تر از رنگ آن در آب و یخ، می باشد.
پیش بینی جهت پیشرفت واکنش:
وقتی یک واکنش در حال انجام شدن است، می توان در هر لحظه برای آن واکنش، خارج قسمت (Reaction Quotient) واکنش را بر اساس معادله زیر نوشت.
زمانیکه سیستم در حال تعادل باشد، Q = k خواهد بود. در بقیه موارد، با مقایسه کردن مقادیر به دست آمده از رابطه Q و ثابت تعادل آن واکنش، می توان جهت پیشرفت واکنش را مشخص کرد. در این صورت 3 حالت مختلف پیش می آید که عبارتند از:
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
