3-1 حالة الاتزان الديناميكي

يقوم الاتزان الكيميائي على وصف النظام الذي تتساوى فيه سرعة التفاعل الأمامي مع سرعة التفاعل العكسي، مما يجعل تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة ثابتة ولكنها غير متساوية بالضرورة. يتم التعبير عن هذا الاتزان رياضياً باستخدام ثابت الاتزان $K_{eq}$، وهو عبارة عن حاصل ضرب تراكيز النواتج مقسوماً على حاصل ضرب تراكيز المتفاعلات، وكل تركيز مرفوع إلى أس يساوي معامله في المعادلة الكيميائية الموزونة. يمثل التفاعل المعكوس لتحضير غاز يوديد الهيدروجين من غازي الهيدروجين واليود مثالاً واضحاً، حيث يُكتب تعبير ثابت الاتزان على الصورة $K_{eq} = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$، وتظل قيمة $K_{eq}$ ثابتة عند ثبوت درجة الحرارة.

الفكرة الأساسية

يوصف الاتزان الكيميائي بتعبير ثابت الاتزان الذي يعتمد على تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة. يحدث الاتزان عندما تصل التفاعلات العكسية إلى حالة تتساوى فيها سرعة التفاعل الأمامي مع سرعة التفاعل العكسي، وتثبت تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة في النظام.

الشرح

الكثير من التفاعلات الكيميائية لا تكتمل تماماً بل تحدث في الاتجاهين الأمامي والعكسي معاً، ويرمز لهذين الاتجاهين بسهم مزدوج $\rightleftharpoons$. في البداية تكون سرعة التفاعل الأمامي أكبر لأن تراكيز المتفاعلات تكون في أقصاها، ومع مرور الوقت تنقص تراكيز المتفاعلات فيبطأ التفاعل الأمامي، بينما تبدأ النواتج في التكون فيزداد التفاعل العكسي. عندما تتساوى سرعة التفاعل الأمامي مع سرعة التفاعل العكسي نصل إلى حالة الاتزان وتثبت التراكيز.

لحساب ثابت الاتزان $K_{eq}$ لأي تفاعل عام مثل $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ نستخدم قانون الاتزان الكيميائي الذي نص عليه العالمان جولوبيرج وويج. صيغة ثابت الاتزان هي: $K_{eq} = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$ حيث تمثل الحروف بين الأقواس المربعة التراكيز المولارية للمواد، والأحرف الصغيرة الصديقة للأسس تمثل المعاملات في المعادلة الموزونة. المواد الصلبة والسائلة النقية لا تظهر في تعبير ثابت الاتزان لأن تراكيزها تبقى ثابتة. تدل قيمة $K_{eq}$ الكبيرة على أن النواتج هي الغالبة عند الاتزان، بينما تدل القيمة الصغيرة على أن المتفاعلات هي الغالبة.

مثال محلول خطوة بخطوة

احسب قيمة ثابت الاتزان $K_{eq}$ للتفاعل الآتي: $N_{2(g)} + 3H_{2(g)} \rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$ إذا علمت أن تراكيز المواد عند الاتزان هي: $[NH_3] = 0.933 \, \text{mol/L}$ $[N_2] = 0.533 \, \text{mol/L}$ $[H_2] = 1.600 \, \text{mol/L}$

الخطوة الأولى: كتابة تعبير ثابت الاتزان بناءً على المعادلة الموزونة: $K_{eq} = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$ الخطوة الثانية: التعويض بالأرقام المعطاة في التعبير: $K_{eq} = \frac{[0.933]^2}{[0.533][1.600]^3}$ الخطوة الثالثة: إجراء الحسابات الرياضية: $K_{eq} = \frac{0.870489}{(0.533)(4.096)} = \frac{0.870489}{2.183168} = 0.399$

أخطاء شائعة

• وضع المواد المتفاعلة في البسْط والمواد الناتجة في المقام عند كتابة تعبير ثابت الاتزان، والصحيح أن النواتج في البسْط والمتفاعلات في المقام.
• نسيان رفع التركيز إلى أس يساوي المعامل الموجود في المعادلة الموزونة.
• كتابة المواد الصلبة أو السائلة النقية داخل تعبير ثابت الاتزان.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعل الآتي: $2H_2S_{(g)} \rightleftharpoons 2H_{2(g)} + S_{2(g)}$ الإجابة: $K_{eq} = \frac{[H_2]^2[S_2]}{[H_2S]^2}$

السؤال الثاني: احسب قيمة $K_{eq}$ للتفاعل $N_2O_{4(g)} \rightleftharpoons 2NO_{2(g)}$ إذا علمت أن تراكيز الاتزان هي: $[N_2O_4] = 0.0185 \, \text{mol/L}$ $[NO_2] = 0.0627 \, \text{mol/L}$ الإجابة: تعبير الاتزان: $K_{eq} = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}$ التعويض: $K_{eq} = \frac{[0.0627]^2}{0.0185} = \frac{0.003931}{0.0185} = 0.212$