در تمامی واکنش های برگشت پذیر، لحظه ای وجود دارد که در آن سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت با هم برابر می شوند.
به این زمان، زمان تعادل گفته می شود. در واقع در این حالت، واکنش متوقف نشده است، اما تغییری در غلظت ها در سطح ماکروسکوپی به وجود نمی آید. بنابراین از تقسیم ثابت سرعت واکنش رفت (kf) بر ثابت سرعت واکنش برگشت (kr)، ثابت تعادل (Equilibrium Constant) به دست می آید که با نماد K، نشان داده می شود.
تعادل شیمیایی:
تعادل شیمیایی (Chemical equilibrium) به حالتی می گویند که در آن فعالیت شیمیایی و یا غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها با گذشت زمان در واکنش شیمیایی تغییر نکند. این تعادل به طور معمول در شرایطی به وجود می آید که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر باشد. به عنوان نمونه واکنش تعادلی ساده 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 واقع اگر در یک واکنش امکان آنکه فرآورده به طریقی دوباره به واکنش دهنده تبدیل شود واکنش برگشت پذیر می باشد. روابط سرعت و غلظت در واکنش برگشت پذیر مورد نظر به صورت زیر است.
در ابتدا تنها گاز N2O4 داریم. با تبدیل N2O4 به NO2، غلظت گاز NO2 (خط قرمز رنگ) تا یک مقدار مشخصی افزایش پیدا می کند (نقاط خط چین) و سپس مقدار آن در طول زمان بدون تغییر می ماند. از طرف دیگر، غلظت گاز N2O4 با گذشت زمان کاهش پیدا می کند (خط آبی رنگ) تا به غلظت تعادلی با گاز NO2 برسد. هنگامیکه غلظت هر دو گاز در یک مقدار مشخص ثابت شد، در نتیجه واکنش به تعادل رسیده است.
شرایط لازم یک سیستم در حال تعادل:
تعریف ثابت تعادل:
همانطور که بیان شد، به معادله ای که در یک تعادل، بین غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها برقرار است، ثابت تعادل گفته می شود. در واقع این ثابت برابر با حاصل ضرب غلظت فرآورده ها به توان ضرایبشان بخش بر حاصل ضرب غلظت واکنش دهنده ها به توان ضرایبشان در لحظه تعادل است.
به عبارت دیگر می توان این طور بیان نمود که برای آنکه بتوان رابطه بین غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها را در یک تعادل بیان کرد از K استفاده می شود که در حقیقت بیانگر نسبت حاصل ضرب غلظت فرآورده ها به حاصل ضرب غلظت واکنش دهنده ها می باشد.
به کمک K می توان حالت تعادلی یا غیر تعادلی یک واکنش مورد نظر را تعیین نمود. همچنین این ثابت کمک می کند تا بدانید که در یک واکنش در حال تعادل، غلظت کدامیک از واکنش دهنده ها یا فرآورده ها بیشتر می باشد. در حقیقت مقدار عددی K برای هر تعادل، وضعیت آن تعادل را نشان می دهد. اگر ثابت تعادل بسیار تا بسیار کوچک باشد، انجام واکنش عملا غیر ممکن می باشد.
لازم به ذکر است که اگر عدد K کوچک باشد (حدود 0.001 یا کمتر)، واکنش از سمت راست به چپ کامل می باشد. در واقع مقدار بسیار کمی از واکنش دهنده ها به فرآورده تبدیل شده اند. در حالی که اگر عدد آن بزرگ باشد (بیش از 1000)، واکنش به سمت راست کامل می باشد.
در واقع نشان دهنده بیشتر بودن غلظت فرآورده ها است. یعنی مقدار بیشتری از واکنش دهنده ها به فرآورده تبدیل شده اند. در این حالت بازده واکنش بیشتر و واکنش کمی تر می باشد.اما اگر مقدار عددی K نه بسیار بزرگ و نه بسیار کوچک باشد، در این حالت وضع تعادل بینابینی می باشد.
لازم به ذکر است که در محاسبات دقیق ثابت تعادل، به جای استفاده از غلظت مولی مواد از فعالیت شیمیایی آنها استفاده می شود. توجه داشته باشید که فعالیت شیمیایی با غلظت و یا فشار جزئی متفاوت است. بنابراین این تفاوت را در محاسبات باید در نظر گرفت. با این حال در غلظت های پایین و یا در فشار هایی تا چند اتمسفر می توان ثابت های تعادل بر حسب غلظت و یا فشار را با دقت قابل قبولی استفاده نمود.
توجه داشته باشید که فعالیت دارای واحد نمی باشد، بنابراین ثابت های تعادل معمولا بدون واحد بیان می شوند. زیرا در واقع فعالیت از تقسیم کردن غلظت یا فشار واقعی یک ماده بر غلظت یا فشار همان ماده در حالت استاندارد به دست آمده است.
لازم به ذکر است که که ثابت های تعادل تنها به دما وابسته می باشند. در نتیجه مستقل از غلظت های مواد شرکت کننده در واکنش به ویژه غلظت ها در شروع واکنش یا در حقیقت غلظت های اولیه می باشد.
ثابت تعادل Kc:
در تعادلی که در آن غلظت های مواد اولیه و محصولات، بر حسب مول بر لیتر (مولاریته) بیان شوند، ثابت تعادل را می توان به جای K به صورت Kc نشان داد.
لازم به ذکر است که در معادله K فقط غلظت مواد گازی و محلول نوشته می شود، زیرا غلظت مواد جامد (s) و مایع خالص (l) عددی ثابت می باشد. پس در رابطه ثابت تعادل از نوشتن غلظت آنها صرف نظر می کنند و در نتیجه غلظت آنها را برابر با یک در نظر می گیرند. توجه داشته باشید که با اینکه غلظت مواد جامد و یا مایع در رابطه تعادل نوشته نمی شوند، اما وجود آنها برای برقراری تعادل واجب و ضروری است. به عنوان نمونه به معادله K در تعادل زیر توجه کنید:
در صورتیکه هر یک از مواد واکنش دهنده یا فرآورده به شکل گاز باشند، ثابت تعادل را می توان بر حسب فشار جزئی گازها نوشت. در واقع فشار جزئی یک گاز اندازه ای از غلظت آن می باشد. این نوع از ثابت تعادل را با Kp نشان می دهند. در این صورت از محاسبات ثابت تعادل بر حسب مولاریته جدا می شود. به عنوان مثال واکنش زیر را در نظر بگیرید.
در رابطه بالا، p فشار جزئی هر یک از مواد واکنش دهنده یا فرآورده بر حسب اتمسفر (atm) یا بار (bar) می باشد. حال به عنوان نمونه واکنش تولید آمونیاک را در نظر بگیرید.
تبدیل Kc به ثابت Kp:
برای تبدیل K به Kp از رابطه زیر استفاده می کنند.
که در آن، R=0.0820575 Latmmol−1K−1 و یا R=8.31447 Jmol−1K−1 می باشد. علاوه بر آن T دما و Δn تعداد مول های گازی می باشند.
یکای ثابت تعادل:
برای تعیین یکای ثابت تعادل، به جای غلظت هر ماده می توان یکای آنها یعنی mol.L-1 را قرار داد. در نتیجه با ساده کردن یکا ها، در نهایت یکای K تعیین می شود. در بعضی از تعادلات، ممکن است که کلیه یکا های به کار رفته حذف شوند. در این صورت K یکا ندارد و فقط یک مقدار عددی خواهد بود. در واقع K، یک کمیت بدون بعد می باشد.
نکات اساسی مربوط به ثابت تعادل:
خارج قسمت تعادل:
در حالتی که غلظت ها در رابطه ثابت تعادل صدق کنند، یعنی با جایگذاری آنها در رابطه، عدد K به دست آید، غلظت های مورد نظر غلظت های تعادلی می باشند. در نتیجه واکنش با همان غلظت های مورد نظر در حالت تعادل قرار دارد.
در حالی که غلظت های مورد نظر در رابطه ثابت تعادل صدق نکنند، در نتیجه واکنش به تعادل نرسیده است و بنابراین واکنش در تعادل قرار ندارد. در چنین حالتی اگر غلظت واکنش دهنده ها و فرآورده ها را در رابطه ثابت تعادل قرا دهند، عددی که به دست می آید را خارج قسمت (Reaction Quotient) یا Q می نامند.
با مقایسه مقادیر به دست آمده از رابطه خارج قسمت واکنش و ثابت تعادل آن واکنش، می توان جهت پیشرفت واکنش را مشخص نمود. در این صورت 4 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.
