محاضرة الثانية / ثابت الاتزان

الاتزان الكيميائي (Chemical Equilibrium)

🧪 ما هو الاتزان الكيميائي؟

الاتزان الكيميائي هو حالة تحدث في التفاعلات العكسية عندما يتساوى معدل التفاعل الأمامي مع معدل التفاعل العكسي، بحيث لا يتغير تركيز المواد المتفاعلة والناتجة مع الزمن، رغم أن التفاعل لا يزال جاريًا على المستوى الجزيئي.

مثال على تفاعل عكسي:

$$\text{A} + \text{B} \rightleftharpoons \text{C} + \text{D}$$

في البداية، يتقدم التفاعل من اليسار إلى اليمين (التفاعل الأمامي). ومع تراكم النواتج C وD، يبدأ التفاعل العكسي بالحدوث، أي أن C وD تبدأ بالتحول مرة أخرى إلى A وB.

مع مرور الوقت، يصل النظام إلى حالة يكون فيها:

$$\text{معدل التفاعل الأمامي} = \text{معدل التفاعل العكسي}$$

وهذه الحالة تُعرف باسم الاتزان الكيميائي الديناميكي.

⚖️ خصائص الاتزان الكيميائي:

1. ديناميكي وليس ساكنًا: التفاعلات مستمرة في الاتجاهين، ولكن دون تغيير في التركيزات.
2. يحدث فقط في الأنظمة المغلقة: حتى لا تفقد المواد.
3. ثابت الاتزان (K) ثابت عند درجة حرارة معينة.
4. لا يعني تساوي تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة، بل تساوي معدلات التفاعل.

📐 قانون فعل الكتلة (Law of Mass Action):

وضعه العالم جولدبرج وفاج عام 1864، وينص على أن:

عند الاتزان، فإن النسبة بين حاصل ضرب تركيزات النواتج مرفوعة إلى أسسها (عدد مولاتها) إلى حاصل ضرب تركيزات المواد المتفاعلة مرفوعة إلى أسسها تساوي مقدارًا ثابتًا يسمى ثابت الاتزان $K$.

للتفاعل العام:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

يكون:

$$K_c = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$$

حيث:

• الأقواس [ ] تعني التركيز بالمول/لتر.
• $K_c$: ثابت الاتزان في المحاليل (تركيز).
• إذا كان التفاعل في الغازات، نستخدم الضغط الجزئي: $K_p$.

📏 أنواع ثابت الاتزان:

1. ثابت الاتزان للتركيز $K_c$:

يُستخدم في التفاعلات التي تتم في المحاليل أو حيث يمكن قياس التركيزات.

2. ثابت الاتزان للضغط $K_p$:

يُستخدم عندما تكون المواد المتفاعلة والناتجة غازات.

والعلاقة بين $K_c$ و $K_p$ هي:

$$K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$$

حيث:

• $R$: ثابت الغاز = 0.0821
• $T$: درجة الحرارة بالكلفن
• $\Delta n$: فرق مولات الغازات = (مولات النواتج الغازية – مولات المتفاعلات الغازية)

🔁 أنواع الاتزان:

1. اتزان متجانس: تكون جميع المواد في نفس الطور (مثل كلّها غازات أو كلها سوائل).
2. اتزان غير متجانس: المواد في أطوار مختلفة (مثل تفاعل بين مادة صلبة وسائل).

ملاحظة مهمة: في الاتزان، لا تدخل المواد الصلبة أو السائلة النقية في تعبير ثابت الاتزان.

🔄 مبدأ لوشاتيليه (Le Chatelier’s Principle):

عند التأثير على نظام في حالة اتزان بتغيير التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة، فإن النظام سيغير وضعه لمحاولة مقاومة هذا التغيير واستعادة الاتزان.

أمثلة على تطبيقات المبدأ:

1. تغيير التركيز:
   • إذا زاد تركيز أحد المتفاعلات → يتجه الاتزان نحو النواتج.
   • إذا أُزيلت ناتج → يتجه نحو تكوين المزيد من الناتج.
2. تغيير الضغط (في الغازات):
   • زيادة الضغط → يتجه النظام نحو الجانب الأقل في عدد مولات الغاز.
   • تقليل الضغط → يتجه نحو الجانب الذي يحتوي على عدد مولات أكبر.
3. تغيير درجة الحرارة:
   • في التفاعل الطارد للحرارة ($\Delta H < 0$) → زيادة الحرارة تُقلل من الناتج.
   • في التفاعل الماص للحرارة ($\Delta H > 0$) → زيادة الحرارة تزيد من الناتج.

📊 حسابات الاتزان الكيميائي:

مثال توضيحي:

لنفترض التفاعل التالي:

$$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$$

إذا أعطيت تراكيز ابتدائية، يمكن إنشاء جدول (ICE Table):

ثم نطبق قانون الاتزان:

$$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$$

ونعوّض بالقيم، ثم نحل المعادلة لإيجاد التركيزات عند الاتزان.

❓ هل يمكن أن تكون قيمة $K_c$ كبيرة جدًا أو صغيرة؟

• إذا كانت $K_c \gg 1$: التفاعل يميل نحو النواتج → نواتج أكثر.
• إذا كانت $K_c \ll 1$: التفاعل يميل نحو المتفاعلات → نواتج قليلة.
• إذا كانت $K_c \approx 1$: التوازن يميل إلى المنتصف تقريبًا.

🧠 نصائح لفهم الاتزان الكيميائي:

• دائمًا فكّر في التوازن كـ “شدّ وجذب” بين المتفاعلات والنواتج.
• الاتزان لا يعني التوقف، بل يعني ثبات التركيزات مع استمرار التفاعل.
• أي تغيير خارجي (ضغط – حرارة – تركيز) قد يُغيّر موضع الاتزان.
• لا تدخل المواد الصلبة أو السائلة النقية في حساب $K$.

✅ خلاصة:

السؤال:

لتفاعل متزن، ثابت الاتزان العام $K = 9.2$، وثابت سرعة التفاعل الخلفي $k_{\text{عكسي}} = 0.05$.
أوجد ثابت سرعة التفاعل الأمامي $k_{\text{أمامي}}$؟

الحل:

في التفاعلات المتزنة، هناك علاقة بين ثابت الاتزان وثوابـت السرعة:

$$K = \frac{k_{\text{أمامي}}}{k_{\text{عكسي}}}$$

نُعيد ترتيب العلاقة لحساب $k_{\text{أمامي}}$:

$$k_{\text{أمامي}} = K \times k_{\text{عكسي}} = 9.2 \times 0.05 = \boxed{0.46}$$

✅ الإجابة النهائية:

$$k_{\text{أمامي}} = 0.46$$