فسر علمياً
1 – تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بزيادة درجة الحرارة .
بزيادة درجة الحرارة تزيد الطاقة الحركية لجسيمات المادة ما يؤدي إلى حدوث عدد أكبر من التصادمات الفعالة. وكلمـا زاد عـدد
التصادمات الفعالة ، تزداد سرعة التفاعل . كذلك عند درجات الحرارة العالية ، يكتسب عدد أكبر من الجسيمات طاقة كافية لتكوين
معقدات منشطة ، أي تزداد طاقة التصادمات وعددها بزيادة درجة الحرارة .
2 – تزداد سرعة تفكك بيروكسيد الهيدروجين عند إضافة ثاني أكسيد المنجنيز .
لأنه يعمل على تكوين معقد منشط يحتاج إلى طاقة تنشيط أقل من خلال إيجاد مسار بديل للطاقة .
3 – إضافة حفاز للنظام المتزن لا يؤثر على قيمة ثابت الاتزان .
لأن إضافة حفاز يزيد من سرعة التفاعل الأمامي والعكسي بنفس المقدار ، ولذلك لا يؤثر على الكميات النسبية للمتفاعلات
والنواتج عند الاتزان .
4 – تفاعل الكربون مع أكسجين نقي أسرع من تفاعله مع أكسجين الهواء الجوي .
لأن تركيز الأكسجين في الحالة الأولى أعلى منه في الحالة الثانية مما يجعل عدد التصادمات الفعالة في الحالة الأولى
أكبروالتفاعل أسرع .
1 − تأمل كلاً من الشكلين والتفاعلين التاليين ، وأجب عن الأسئلة التي تليها :
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) + 483.6 kJ ( 1 )
Ca(OH)2(s) Δ→ CaO(s) + H2O(g) ΔH = + 106.5 kJ/mol ( 2 )
أي الشكلين يمثل المعادلة رقم ( 2 ) ؟ B
لا تمثل ΔH في التفاعل الأول حرارة تكوين بخار الماء . فسر ذلك .
لأنه ينتج في التفاعل مولين من بخار الماء ، وبالتالي فإن ΔHللتفاعل تمثل ضعف حرارة تكوين بخار الماء .
في التفاعل الثاني إذا تكون الماء السائل بدلاً من بخار الماء . ماذا تتوقع لقيمة ΔH . مع التفسير .
قيمة ΔH سوف تقل ، لأن جزء من الطاقة المستخدمة كان يستهلك في تحويل الماء السائل إلى بخار ، وبما أنه سوف ينتج ماء سائل
فسوف يتم توفير جزء من الطاقة .
في الشكل A تكون المواد الناتجة أكثر استقراراً من المواد المتفاعلة . فسر ذلك .
لأن طاقة النواتج أقل من طاقة المواد المتفاعلة ، ولذلك تكون أكثر مقاومة للتغيير .
2 – الرسم البياني يمثل سير التفاعل لتفكك فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 ادرس الشكل ثم
أجب عن الأسئلة التالية :
على ماذا تدل الرموز C , B , A ؟
A : تدل على طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي
B : تدل على طاقة التنشيط للتفاعل غير المحفز العكسي .
C : تدل على المعقد المنشط للتفاعل غير المحفز
هل التفاعل في المسار 1 ماص أم طارد للحرارة ؟
التفاعل طارد للحرارة .
أي المسارين 1 أم 2 يكون فيه التفاعل أسرع ؟ ولماذا ؟
المسار 2 يكون فيه التفاعل أسرع ، وذلك بسبب وجود حفاز يوفر مساراً بديلاً للطاقة .
3 - الرسم البياني المجاور يوضح تغير طاقة أحد التفاعلات بوحدة (Kj)
ادرسه وأجب عما يلي :
ما الذي يمثله الرقم ( 1 ) ؟ يمثل ΔH
أي من الأرقام يمثل قيمة طاقة المعقد المنشط ؟ الرقم ( 2 )
هل هذا التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة ؟ التفاعل ماص للحرارة .
اختر البديل غير المنسجم علمياً مع التبرير .
العشوائية ، الحفاز ، التركيز ، درجة الحرارة .
البديل هو : العشوائية . والتبرير : لأنها ليست من العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل ، والأخري من العوامل المؤثرة فيها .
الاتزان الكيميائي
7 ـ 1 :طبيعة الاتزان الكيميائي :
هناك حالات كثيرة تبين نوعاً من الاتزان مثل وضع فائض من بلورات السكر في الماء، وفي حالة المحلول المشبع ، تذوب بعض بلورات السكر ، وبنفس السرعة تترسب بعض من جزيئات السكر الذائبة . وهذا يعني أن هناك اتزاناً بين السكر الذائب والسكر الراسب . وهذا النوع هو اتزان فيزيائي . كما يمكن أن يحدث اتزان فيزيائي أيضاً بين تبخر سائل وتكثف بخاره في وعاء مغلق عند تساوي السرعتين . وهنا سندرس الاتزان الكيميائي
التفاعلات الانعكاسية :
هي التفاعلات التي يمكن أن تتفاعل فيها النواتج لإعادة تكوين المتفاعلات .
مثل : تفكك أكسيد الزئبق 1) 2HgO(s) Δ→ 2Hg(l) + O2(g)
كما يتحد الزئبق عند تسخينه برفق مع الاكسجين 2) 2Hg(l) + O2(g) Δ→ 2HgO(s)
وإذا تم ذلك في وعاء مغلق فإننا يمكن أن نكتب التفاعل على الصورة
2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g)
والسهم المزدوج يدل على انعكاسية التفاعل .
وقد تم تطبيق ذلك في بعض النظارات الشمسية والتي تبدو في الشمس قاتمة اللون وفي الظل شفافة ، فقد زودت هذه ببلورات دقيقة من كلوريد الفضة ، وفي ضوء الشمس يتفكك كلوريد الفضة بالأشعة فوق البنفسجية ويرسب الفضة فتبدو قاتمة ، وفي الظل ينعكس التفاعل ويعود تكون كلوريد الفضة فتبدو شفافة .
حالة الاتزان الكيميائي للتفاعلات الانعكاسية
هي الحالة التي يتساوى فيها سرعة التفاعل الأمامي وسرعة التفاعل العكسي.وعندها تبقى تراكيز المتفاعلات والنواتج ثابتة .
الاتزان حالة ديناميكية
في بداية التفاعل تكون سرعة التفاعل الأمامي كبيرة ( بسبب زيادة تركيز المتفاعلات وعدم وجود نواتج ) ، وتدريجياً يزداد تركيز النواتج ، ويقل تركيز المتفاعلات ، فتقل سرعة التفاعل الأمامي تدريجياً، ويبدأ التفاعل العكسي وتزداد سرعته تدريجياً حتى نصل إلى حالة الاتزان عند تساوي سرعتي التفاعلين الأمامي والعكسي ، وهنا تتواجد الاحتمالات التالية :
* الحالة الأولى : إذا كانت تراكيز النواتج أعلى من تراكيز المتفاعلات عند الاتزان ، فالنظام هنا يرجح تكوّن النواتج ، وعندها يكتب الاتزان بسهمين غير متساويين ، الأطول فيهما للتفاعل الأمامي هكذا .
* الحالة الثانية : لا يكاد التفاعل الأمامي يبدأ ، حتى تصبح سرعة التفاعل الأمامي ، تساوي سرعة التفاعل العكسي ، ( حالة اتزان ) . وعند الاتزان تكون تراكيز المتفاعلات أكبر من النواتج ، والنظام هنا يرجح تواجد المتفاعلات ، وعندها يكتب الاتزان بسهمين غير متساويين الأطول فيهما للتفاعل العكسي .
* في حالة أخرى يحدث التفاعلان الأمامي والخلفي بالقدر نفسه تقريباً قبل الوصول إلى لاتزان ، وهنا لا يرجح أي من التفاعلين ، وتكتب المعادلة بسهمين متساويين . H2SO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + HSO3−(aq)
ويهدف العلماء والكيميائيون دائماً إلى الحصول على أكبر كمية من النواتج . ومدى تحول المتفاعلات إلى نواتج يشار إليه بالقيمة الرقمية لثابت الاتزان .
ثابت الاتزان : هو نسبة الحاصل الرياضي ( حاصل الضرب ) لتراكيز المواد الناتجة عند الاتزان إلى الحاصل الرياضي ( حاصل الضرب ) لتراكيز المواد المتفاعلة ، كل مرفوع إلى أس يساوي معامل المادة التابعة له في المعادلة الكيميائية ( عدد المولات في المعادلة الموزونة ) .
لنفترض تفاعل المادتين A , B ليكونا C , D ، وكان التفاعل انعكاسياً ، وعند الاتزان تكتب المعادلة كالتالي :
nA + mB xC + yD
حيث y , x , m , n هي معاملات المواد الظاهرة في المعادلة الموزونة . و قيمة ثابت الاتزان تحسب من القانون
والشكل التالي يبين تغير سرعات التفاعل لنظام الاتزان الافتراضيA + B C + D بدءاً من الزمن الذي تخلط فيه المادتان A , B عند t0 حيث تبدأ سرعة التفاعل الأمامي بالانخفاض بينما تبدأ سرعة التفاعل العكسي بالتزايد حتى تتساوى السرعتان عند الزمن t1 عندمــا يبدأ الاتزان .
في البداية يكون تراكيز A,B أكبر ما يمكن ، تراكيز C,D
تساوي صفر. وسرعة التفاعل الأمامي أكبر ما يمكن،سرعة
التفاعل العكسي = صفر .
مع مرور الزمن : تقل تراكيز A,B وتزداد تراكيز C, D
وسرعة التفاعل الأمامي تتراجع ، بينما سرعــــــة التفاعــل
العكسي تتزايد . وعندما تتساوى السرعتان ، تثبت تراكـيز
المتفاعلات والنواتج . وهنا يمكن حساب قيمة ثابت الاتزان .
وعند الاتزان يوجد لدينا ثلاث حالات :
1 ـ إذا كانت قيمة K = 1 : فهذا يعني أن تراكيز المتفاعلات والنواتج شبه متساوية (لوجود الأسس) أو متساوية .
2 ـ إذا كانت قيمة K > 1 أو كبيرة : فهذا يعني أن التفاعل الأمامي يسير لمدى كبير قبل الوصول إلى الاتزان ، ونسبة تراكيز النواتج كبيرة بالنسبة للمتفاعلات .
3 ـ إذا كانت قيمة K < 1 أو صغيرة : فهذا يعني أن التفاعل الأمامي يسير لمدى صغير قبل الوصول إلى الاتزان ، وتراكيز النواتج صغير بالنسبة للمتفاعلات .
وقيمة ثابت الاتزان لا تتأثر إلا بدرجة الحرارة ، كما أن المواد الصلبة النقية والسائلة لا تدخل في معادلة ثابت الاتزان لأن تراكيزها لا يمكن أن تتغير .
نظام اتزان H2 , I2 , HI :
عند تفاعل غاز H2 (عديم اللون ) مع بخار اليود I2 ( بنفسجي) في وعاء مغلق عند درجة حرارة مرتفعة 4250C . تخف حدة اللون البنفسجي لكنها لا تختفي تماماً لأن التفاعل ينعكس فيتفكك HI ليعيد تكوين H2,I2 . وتزداد سرعة التفاعل العكسي مع تراجع في سرعة التفاعل الأمامي إلى أن تتساوى السرعتان ، ويتحقق الاتزان . ويشير اللون الثابت إلى وجود هذا الاتزان H2(g) + I2(g) 2HI(g)
وتكون قيمة ثابت الاتزان للتفاعل الأمامي تساوي
وتتحدد قيمة K غالباً من تجارب عملية .
وحالما عرفت قيمة K فإنه يمكن استخدامها لحساب تراكيز المتفاعلات أو النواتج .
ولكن ماذا عن قيمة K للتفاعل العكسي ؟
إن قيمة K للتفاعل العكسي تساوي مقلوب قيمة K للتفاعل الأمامي .
مثال : نظام متزن عند 4250C يحتوي على 0.015 mol / L لكل من H2 , I2 ـ ما تركيز HI المتزن علماً بأن K = 54.34 ؟
مسألة نموذجية 7 ـ 1 : خليط اتزان غازي من NO , O2 , N2 عند درجة حرارة 1500 K يحتوي على 6.4 ×10−3 mol/L N2 و 1.1×10−5mol/L NO
و 1.7×10-3 mol/L O2 ما قيمة ثابت الاتزان للتفاعل N2(g) + O2(g) 2NO2(g) عند درجة الحرارة المذكورة ؟
الحل :
= 1.1 ×10−5
وقيمة K المحسوبة صغيرة أي أن تراكيز N2 , O2 ( المتفاعلات ) أكبر من تراكيز النواتج NO ( وهذا يتفق مع القيم المعطاة في المسألة ).
المسائل ص 190 محلولة ويمكن كتابتها .
مراجعة القسم 7 ـ 1
1 ـ ما المقصود بكل من : أ ) الاتزان الكيميائي ؟ (هو الحالة التي تكون فيها سرعتا التفاعل الأمامي والعكسي متساويتان وتراكيز المتفاعلات والنواتج تبقى ثابتة).
ب ) ثابت الاتزان ؟ ( نسبة الحاصل الرياضي لتراكيز المواد الناتجة عند الاتزان إلى الحاصل الرياضي لتراكيز المتفاعلات ، كل مرفوع إلى الأس الذي يساوي معامله في التفاعل الكيميائي الموزون ).
2 ـ كيف ترتبط قيمة ثابت الاتزان بالكمية النسبية للمتفاعلات والنواتج عند الاتزان ؟ ( بقدر ما تكون قيمة K كبيرة ، تكون الكميات النسبية للنواتج كبيرة ).
3 ـ حمض الهيدروكلوريك HCl حمض قوي يتأين بشكل تام في الماء ، ليكوّن Cl− , H3O+ هل تتوقع أن تكون قيمة K للتفاعل التالي تساوي 1×10−2 أم 1×10−5 أم أكبر بكثير ؟ برر إجابتك . HCl(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Cl−(aq) ( تكون كبيرة لأن المتفاعلات كونت نواتج ولا يتبقى من المتفاعلات تقريباً شيء ).
4 ـ اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعل 4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g) + 2H2O(g) . ( ).
5 ـ عند درجة حرارة 2500K وفي حالة الاتزان للتفاعلH2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) يكون [HCl] = 0.0625mol/L و [H2] = [Cl]2 = 0.00450mol/L
احسب قيمة ثابت الاتزان K للتفاعل .
6 ـ عند درجة حرارة 4250C وجد أن خليط اتزان يتكون من 1.77×10-2mol/L HI , 3.13×10-3mol/L I2 , 1.83×10-3mol/L H2 . احسب ثابت الاتزان للتفاعل H2(g) + I2(g) 2HI(g) .
الحل : = 54.7
7 ـ احسب عند درجة حرارة 4250C قيمة[HI] للتفاعل H2(g)+I2(g)2HI(g) إذا كان K=54.3 ,[H2]=[I2]=4.79×10−4 mol/L ( 3.53×10−3mol/L )
7 ـ 2 ـ انزياح الاتزان
في أنظمة الاتزان الكيميائي تبقى الكميات النسبية للمتفاعلات والنواتج ذاتها . وإذا رغب الكيميائيون في تحسين مردود النواتج ، فإنهم يؤثرون على وضع الاتزان بتغيرات إما في الضغط أو التركيز أو درجة الحرارة لتحقيق المطلوب.
توقع اتجاه الانزياح
مبدأ لوشاتلييه ـ إذا تعرض نظام متزن لتوتر (مؤثر خارجي) فإن الاتزان ينزاح إلى الاتجاه الذي يؤدي إلى إزالة هذا التوتر (المؤثر). ويتضح ذلك من خلال:
1 ـ تغيرات التركيز : في التفاعل A + B C + D فإن :
* زيادة تركيز A يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج ويقلل تركيز B . كما أن زيادة تركيزB يقلل تركيز A ويزيح الاتزان نحو تكوين النواتج أيضاً .
* خفض تركيز C أو سحبها من النظام يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج ويزيد تركيزD. كما أن خفض تركيز D يزيد تركيز C ويزيح الاتزان نحو تكوين النواتج .
لزيادة تكوين النواتجC أو D نزيد تركيز أحد المتفاعلاتA أو B أو كليهما أو نقلل تركيز أحد النواتج أو كليهما أو نسحبه من الاتزان ،
وبالمقابل فإن الاتزان ينزاح نحو تكوين المتفاعلات عند زيادة تركيز C أو D أو عند خفض تركيز ِ A أو B او سحبها من النظام .
* إن تغيير تركيز أحد المتفاعلات أو النواتج يؤثر على حالة الاتزان حتى الوصول إلى حالة اتزان جديدة ولكن
تبقى قيمة K ثابتة . لأن التأثير يكون متساوياً على بسط ومقام تعبير ثابت الاتزان .
* تراكيز المواد الصلبة والسائلة النقية والماء كمذيب لا تتغير ولا تكتب في تعبير ثابت الاتزان مثل :
ـ تأين الماء2H2O(l) H3O+(aq) + OH−(aq) ويكون تعبير ثابت الاتزان Kw = [H3O+] [OH− ]
ـ تفكك كربونات الكالسيوم CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) ويكون تعبير ثابت الاتزان K = [CO2]
2 ـ تغيرات الضغط : يؤثر الضغط فقط على الأنظمة المتزنة والتي تحوي غازات متفاعلة أو ناتجة والتي يختلف فيها عدد المولات الغازية المتفاعلة عن عدد المولات الغازية الناتجة . (لا يؤثر الضغط على النظام الغازي المتزن إذا تساوى عدد المولات الغازية في الطرفين ). ففي التفاعل الغازي المتزن N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) نلاحظ أن :
* زيادة الضغط يزيح الاتزان إلى اليمين أي نحو تكوين النواتج ( عدد المولات الغازية أقل ) وذلك لتقليل أثر الضغط .
(لأن زيادة الضغط يقلل الحجم فيزيد تراكيز كل المواد ، وليقلل النظام من هذا الأثر يقلل من عدد المولات وذلك بالانزياح نحو تكوين النواتح ذات عدد المولات الغازية الأقل . ولكن تبقى قيمة K ثابت ).
* ـ تخفيف الضغط يزيح الاتزان إلى اليسار أي نحو تكوين المتفاعلات ، وذلك لتقليل أثر المؤثر الخارجي .
* ـ زيادة الضغط بإدخال غاز خامل غير متفاعل ( مثل الهيليوم ) إلى النظام ، لا يؤثر على وضعية الاتزان ، لأن
الضغوط الجزئية للغازات الموجودة في التفاعل لم تتغير .
*ـ في الصناعة تزال الأمونيا الناتجة بتكثيفها إلى سائل فيقل الضغط الجزئي لغاز الأمونيا مما يسبب انزياح الاتزان
نحو تكوين النواتج ( الأمونيا) .
3 ـ تغيرات الحرارة : التفاعلات الانعكاسية تكون طاردة للحرارة في أحد لاتجاهين وماصة للحرارة في الاتجاه الآخر.
* رفع درجة حرارة النظام يزيح الاتزان إلى الاتجاه الماص للحرارة .
* خفض درجة الحرارة للنظام يزيح الاتزان إلى الاتجاه الطارد للحرارة .
ـ انتاج الأمونيا من نيتروجين الهواء الجوي بطريقة هابر من التفاعل : حرارة N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + والتفاعل الأمامي طارد للحرارة ، والعكسي ماص للحرارة . ورفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو المتفاعلات ، بينما خفضها يزيحه نحو النواتج . لكن خفض الحرارة يجعل التفاعل الأمامي(انتاج الأمونيا) بطيء جداً ، لذلك تخفض درجة الحرارة بشكل مناسب (5000C ) لسرعة الوصول إلى الاتزان ثم نرفع الضغط كثيراً جداً 100 -700atm مما يسبب إعطاء مردود مناسب من غاز الأمونيا .
ملاحظة : كتابة الحرارة بهذه الصورة يمكننا من اعتبارها كأحد مواد التفاعل ، ورفعها يعني زيادة تركيز أحد النواتج فينزاح الاتزان نحو المتفاعلات ، كما أن خفضها يعني تقليل تركيز أحد النواتج فينزاح الاتزان نحو تكوين النواتج .
ـ انتاج غاز رابع أكسيد النيتروجين الثنائي N2O4 عديم اللون من غاز NO2 بني اللون وهو تفاعل طارد للحرارة .
التفاعل كالتالي: حرارة2NO2(g) N2O4(g) + والتفاعل الأمامي طارد للحرارة والعكسي ماص للحرارة .
* خفض درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو النواتج فتزداد كمية N2O4وتقل كمية NO2فترتفع قيمة K
* رفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو المتفاعلات فتقل كمية N2O4 وتزيد كميةNO2 فتقل قيمة K
من هنا نرى أن تغير درجة الحرارة فقط هو العامل الوحيد الذي يؤثر في قيمة ثابت الاتزان K .
ـ تفكك كربونات الكالسيوم ( تفاعل ماص للحرارة) CaO(s) + CO2(g) حرارة CaCO3(s) + والتفاعل الأمامي ماص للحرارة والعكسي طارد للحرارة
* رفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج فترتفع قيمة K K = [CO2]
* خفض درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو تكوين المتفاعلات فتقل قيمة K
إذن : النظام الذي تفاعله الأمامي طارد للحرارة : رفع الحرارة يقلل قيمة K ، وخفض الحرارة يزيد قيمة K .
والنظام الذي تفاعله الأمامي ماص للحرارة : رفع الحرارة يزيد قيمة K ، وخفض الحرارة يقلل قيمة K .
ملاحظة : يمكن استخدام الحفازات لتسريع التفاعل المرغوب( الأمامي أو العكسي ) ، غير أن الحفازات لا تؤثر على قيمة ثابت الاتزان لأنها تؤثر فقط في السرعات المسببة للوصول إلى حالة الاتزان بمعاملات متساوية .
سؤال: في التفاعل الغازي المتزن حرارة 2A(g) + B(g) 2C(g) + ما هي العوامل التي تعمل على زيادة انتاج C .
جواب : ما يزيد من انتاج C 1 ـ رفع تركيز A أو B 2 ـ خفض تركيزC أو سحبه من النظام
3 ـ خفض حرارة النظام 4 ـ إضافة حفاز يزيد سرعة التفاعل الأمامي
5 ـ زيادة الضغط الواقع على النظام .
التفاعلات التي تتجه إلى الاكتمال :
تبدو بعض التفاعلات التي تتضمن مركبات تتكون من تفاعل بين الأيونات في المحاليل أنها تتجه نحو الاكتمال ، بحيث تزول الأيونات من المحلول ، ويمكن للتفاعل أن يتجه نحو الاكتمال إذا وجدت إحدى الحالات التالية :
1 ـ انفلات الناتج على هيئة غاز 2 ـ ترسب الناتج كمادة صلبة 3 ـ إذا كان تأين الناتج طفيفاً بما يؤدي إلى اكتمال التفاعل . أمثلة :
1 ـ تكون غاز : المركبات غير المستقرة الناتجة عن تفاعلات أيونية تتفكك تلقائياً. مثل حمض الكربونيك H2CO3 الذي يوجد في المشروبات الغازية والذي يتفكك عند تقليل الضغط عليه ( عند فتح العلبة ) ليخرج غاز CO2 :
H2CO3(aq) → H2O(l) + CO2(g)↑
2 ـ تكون راسب : عند خلط محلولين من NaCl , AgNO3 بكميات متكافئة يتكون راسب أبيض من AgCl
( Na+ + Cl−)(aq) + (Ag++NO3−)(aq) → (Na++NO3−)(aq) + AgCl(s)↓
ينفصل AgCl لأن قابلية ذوبانه في الماء ضئيلة جداً ، ولا يبقى في المحلول سوى أيونات NO3− , Na+ ويسير التفاعل نحو الاكتمال .
3 ـ تكوين ناتج ضعيف التأين : في تفاعلات التعادل بين محاليل الأحماض (أيونات H3O+ ) ومحاليل القواعد (أيوناتOH− ) يتكون الماء ضعيف التأين
( H3O++Cl−)(aq) + ( Na++OH−)(aq) → ( Na++Cl−)(aq) + 2H2O(l) وإذا قمنا بحذف الأيونات المتبقية في طرفي المعادلة (Na+, Cl−) والتي تسمى بالأيونات المتفرجة يتبقى ما يعرف بالمعادلة الأيونية الصرفة :
H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l) ويكون الماء الناتج على شكل جزيئات وتزول أيونات H3O+, OH− من المحلول ، ويسير التفاعل إلى الاكتمال لأن الناتج يتأين بشكل ضعيف جداً .
تأثير الأيون المشترك:
في نظام متزن يمكن إزاحة الاتزان بين مذابين نحو الاتجاه المرغوب بإضافة أيون مشترك .
وتأثير الأيون المشترك : هو الظاهرة التي تسبب خلالها إضافة أيون مشترك بين مذابين ترسباً أو تقليلاً للتأين .
مثال 1 ـ : الحصول على ملح الطعام النقي (تقريباً) في الصناعة : حيث يترسب NaCl من محلول مشبع من ماء البحر بإمرار غاز HCl فيه.
في المحلول المشبع يوجد اتزان بين الملح الصلب والأيونات NaCl(s) Na+(aq) + Cl−(aq) وإمرار غاز HCl الذي يتفكك كلياً HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq) يتسبب بتواجد زيادة من أيونات Cl− . وزيادة تركيز Cl− (الأيون المشترك) في الاتزان يؤدي إلى توتره. وحسب مبدأ لوشاتلييه يتجه النظام نحو تقليل هذا التوتر وتكوين NaCl الصلب ، فيترسب الملح ، ويتكون اتزان جديد يكون فيه تركيز Cl− كبيراً ، تركيز Na+ صغيراً ، ولكن قيمة K تبقى ثابتة لأن حاصل الضرب [Na+][Cl−] يساوي مقدار ثابت يساوي K .
ملاحظة : في الصناعة يترسب غالباً NaCl وتبقى باقي الأملاح ذائبة في مياه البحر فنحصل على الملح نقياً تقريباً.
مثال 2 ـ : تقليل نسبة تأين حمض الأسيتيك وذلك بإضافة كمية قليلة من أسيتات الصوديوم
حمض الأسيتيك إلكتروليت ضعيف يتأين بنسبة 1.3% تقريباً CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ وأسيتات الصوديوم ملح أيوني متفكك تماماً CH3COONa(aq) → CH3COO−(aq) + Na+(aq) وإضافة كمية قليلة من الملح إلى محلول الحمض يرفع تركيز أيون الأسيتات (الأيون المشترك) ، فيحدث توتراً في الاتزان،وينزاح
نحو تكون جزيئات الحمض وينخفض تركيز H3O+ ، وهذا يجعل المحلول أقل حامضية وترتفع قيمة pH للمحلول .
إضافة ملح يحتوي على أيون مشترك لمحلول إلكتروليت ضعيف يقلل من تأين هذا الإلكتروليت.
مراجعة القسم 7 ـ 2
1 ـ اذكر ثلاث طرق تسبب اضطراباً للاتزان الكيميائي . ( 1 ـ تغير في التركيز 2 ـ تغير في الضغط 3 ـ تغير في درجة الحرارة )
2 ـ صف ثلاث حالات تصل فيها التفاعلات الأيونية إلى الاكتمال . ( 1 ـ تكون غاز 2 ـ تكون راسب 3 ـ تكون ناتج ضعيف التأين )
3 ـ صف تأثير الأيون المشترك . ( إضافة أيون مشترك بين مذابين تسبب تكون راسب أو تقليل تأين الإلكتروليت الضعيف )
4 ـ حدد هوية الأيون المشترك في كل من الحالات التالية :
أ) إضافة 5g NaCl إلى محلول 2.0 M HCl . ( الأيون المشترك هو Cl− )
ب) إضافة 50 mL من محلول 1.0 M CH3COONa إلى محلول 1.0 M CH3COOH . ( الأيون المشترك هو CH3COO− )
جـ) إضافة 10 حبات من NaOH إلى 100 mL من الماء . ( الأيون المشترك هو OH− )
5 ـ توقع تاثير تقليل الضغط على الأنظمة المتزنة التالية .
أ ) H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ( لا يتأثر لأن عدد مولات الغاز في الطرفين متساو 2 مول في كل طرف )
ب ) NH4Cl(s) NH3(g) + HCl(g) ( انزياح نحو اليمين ـ تكون النواتج ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
جـ ) 2H2O2(aq) 2H2O(l) + O2(g) ( انزياح نحو اليمين ـ تكون النواتج ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
د ) 3O2(g) 2O3(g) ( انزياح نحو اليسار ـ تكون المتفاعلات ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
6 ـ يتفاعل CO2 مع الماء ليكونا أيون البيكربونات وأيون الهيدرونيوم يؤدي التنفس السريع إلى زفير كمية أكبرمن CO2. كيف يؤثر التنفس السريع على pH للدم.
( معادلة الاتزان هي CO2(g) + 2H2O(l) H3O+(aq) + HCO3−(aq) والتنفس السريع يخرج كمية أكبر من غاز CO2 فينزاح الاتزان نحو المتفاعلات مما يؤدي إلى تقليل تركيز H3O+ فتقل حموضة الدم وتزداد قيمة pH .)
7 ـ 3 : الاتزان في محاليل الأحماض والقواعد
ثابت تأين الحمض الضعيف Ka : هو ثابت الاتزان لتفاعل تأين الحمض . لنأخذ مثالاً حمض الأسيتيك :
محلول حمض الأسيتيك الذي تركيزه 0.1 M يتأين منه حوالي 1.3% عند 250C والباقي يكون على شكل جزيئات غير متفككة . CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ ويكون ثابت الاتزان له
و تركيز الماء لا يدخل في تعبير ثابت الاتزان ، ولكن نظراً لكونه المذيب وعدد جزيئاته كبير ، يمكن أن نفترض أن تركيزه ثابت ، وقيمة ثابت الاتزان K ثابتة فيكون حاصل ضرب ثابت في ثابت = ثابت جديد هو ثابت تأين الحمض Ka . وهي قيمة ثابتة مهما كان تركيزالحمض ، ولو أضفنا مادة تحوي أيوناً مشتركا ( مثل أسيتات الصوديوم)) فإنها ستسبب توتراً للاتزان وينزاح الاتزان نحو تكوين الجزيئات ويحدث نقص في [H3O+] وزيادة قيمة pH واتزان جديد ولكن قيمة Ka تبقى ثابتة .
المحاليل المنظمة : هي محاليل تقاوم التغيرات في الأس الهيدروجيني (عند إضافة قليل من حمض أو قاعدة إليها )
وهي تتكون من حمض ضعيف وأحد أملاحه ذات
الشق القاعدي القوي ، أو قاعدة ضعيفة وأحد أملاحها ذات الشق الحمضي القوي ما يجعل المحلول المنظم يتفاعل مع حمض أوقاعدة . ولكن كيف يعمل المحلول المنظم ؟
1 ـ محلول منظم مكون من حمض الأسيتيك وأسيتات الصوديوم ، كيف يعمل ؟
محلول الحمض في الماء تبينه المعادلة التالية CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+
* ـ إضافة كمية قليلة من حمض ( H3O+ ) إلى المزيج :
تمنح أيونات الهيدرونيوم (القليلة) المضافة بروتوناً لأيونات الأسيتات (الكثيرة) مكونة جزيئات حمض الأسيتيك غير المتأينة → CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ فيزول أثر الحمض المضاف ، ويبقى عملياً تركيزH3O+ وقيمة pH ثابتين.
* ـ إضافة كمية قليلة من قاعدة (OH− ) إلى المزيج :
تتعادل أيونات OH− المضافة مع كمية من أيونات H3O+ الناتجة عن تفكك الحمض مكونة الماء ضعيف التأين فيزول أثر المضاف ، لكن الاتزان يتوتر وينزاح نحو تعويض النقص فيH3O+ وتتفكك جزيئات من الحمض وتبقى قيمة [H3O+],pH ثابتين.
2 ـ محلول منظم مكون من محلول الأمونيا وكلوريد الأمونيوم
تتفاعل الأمونيا مع الماء كالتالي ( NH3 + H2O NH4+ + OH−)(aq)
* ــ إضافة كمية قليلة من حمض H3O+إلى المزيج :
تتعادل أيونات H3O+ ( القليلة ) المضافة مع أيونات OH− من المحلول مكونة الماء ضعيف التأين ، ويتوير الاتزان فتتأين جزيئات أخرى من الأمونيا لتعويض النقص في OH− ويبقى تركيز OH− وقيمة pH ثابتتين .
* ـ إضافة قليل من قاعدة إلى المزيج :
تستقبل أيونات OH− (القليلة) المضافة بروتوناً من أيونات NH4+ (الكثيرة) في المحلول مكونة الأمونيا وجزيئات
الماء ضعيف التأين NH4+ + OH− → NH3 + H2O )(aq) ) ويبقى تركيزOH− وقيمة pH ثابتتين .
أهمية المحاليل المنظمة : من أهم ما تقوم به المحاليل المنظمة المحافظة على ثبات pH في الدم (7.5 -7.3 ) ، لأن عدم ثبات pH للدم يؤدي إلى اضطرابات في وظائف الجسم العادية .
ثابت تأين الماء : يتأين الماء ذاتياً حسب المعادلة H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH−(aq)
وقد وجد عملياً أن تراكيز الأيونات منخفضة ( كل 10 ملايين لتر من الماء يتفكك منها 1 مول أي 18g أي أن [H+]=[OH−]= 1×10-7 مول/لتر)
وتعبير ثابت الاتزان يشتق من المعادلة : Kw = [H3O+] [OH− ] = 1.0 × 10−14
1 – تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بزيادة درجة الحرارة .
بزيادة درجة الحرارة تزيد الطاقة الحركية لجسيمات المادة ما يؤدي إلى حدوث عدد أكبر من التصادمات الفعالة. وكلمـا زاد عـدد
التصادمات الفعالة ، تزداد سرعة التفاعل . كذلك عند درجات الحرارة العالية ، يكتسب عدد أكبر من الجسيمات طاقة كافية لتكوين
معقدات منشطة ، أي تزداد طاقة التصادمات وعددها بزيادة درجة الحرارة .
2 – تزداد سرعة تفكك بيروكسيد الهيدروجين عند إضافة ثاني أكسيد المنجنيز .
لأنه يعمل على تكوين معقد منشط يحتاج إلى طاقة تنشيط أقل من خلال إيجاد مسار بديل للطاقة .
3 – إضافة حفاز للنظام المتزن لا يؤثر على قيمة ثابت الاتزان .
لأن إضافة حفاز يزيد من سرعة التفاعل الأمامي والعكسي بنفس المقدار ، ولذلك لا يؤثر على الكميات النسبية للمتفاعلات
والنواتج عند الاتزان .
4 – تفاعل الكربون مع أكسجين نقي أسرع من تفاعله مع أكسجين الهواء الجوي .
لأن تركيز الأكسجين في الحالة الأولى أعلى منه في الحالة الثانية مما يجعل عدد التصادمات الفعالة في الحالة الأولى
أكبروالتفاعل أسرع .
1 − تأمل كلاً من الشكلين والتفاعلين التاليين ، وأجب عن الأسئلة التي تليها :
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) + 483.6 kJ ( 1 )
Ca(OH)2(s) Δ→ CaO(s) + H2O(g) ΔH = + 106.5 kJ/mol ( 2 )
أي الشكلين يمثل المعادلة رقم ( 2 ) ؟ B
لا تمثل ΔH في التفاعل الأول حرارة تكوين بخار الماء . فسر ذلك .
لأنه ينتج في التفاعل مولين من بخار الماء ، وبالتالي فإن ΔHللتفاعل تمثل ضعف حرارة تكوين بخار الماء .
في التفاعل الثاني إذا تكون الماء السائل بدلاً من بخار الماء . ماذا تتوقع لقيمة ΔH . مع التفسير .
قيمة ΔH سوف تقل ، لأن جزء من الطاقة المستخدمة كان يستهلك في تحويل الماء السائل إلى بخار ، وبما أنه سوف ينتج ماء سائل
فسوف يتم توفير جزء من الطاقة .
في الشكل A تكون المواد الناتجة أكثر استقراراً من المواد المتفاعلة . فسر ذلك .
لأن طاقة النواتج أقل من طاقة المواد المتفاعلة ، ولذلك تكون أكثر مقاومة للتغيير .
2 – الرسم البياني يمثل سير التفاعل لتفكك فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 ادرس الشكل ثم
أجب عن الأسئلة التالية :
على ماذا تدل الرموز C , B , A ؟
A : تدل على طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي
B : تدل على طاقة التنشيط للتفاعل غير المحفز العكسي .
C : تدل على المعقد المنشط للتفاعل غير المحفز
هل التفاعل في المسار 1 ماص أم طارد للحرارة ؟
التفاعل طارد للحرارة .
أي المسارين 1 أم 2 يكون فيه التفاعل أسرع ؟ ولماذا ؟
المسار 2 يكون فيه التفاعل أسرع ، وذلك بسبب وجود حفاز يوفر مساراً بديلاً للطاقة .
3 - الرسم البياني المجاور يوضح تغير طاقة أحد التفاعلات بوحدة (Kj)
ادرسه وأجب عما يلي :
ما الذي يمثله الرقم ( 1 ) ؟ يمثل ΔH
أي من الأرقام يمثل قيمة طاقة المعقد المنشط ؟ الرقم ( 2 )
هل هذا التفاعل ماص للحرارة أم طارد للحرارة ؟ التفاعل ماص للحرارة .
اختر البديل غير المنسجم علمياً مع التبرير .
العشوائية ، الحفاز ، التركيز ، درجة الحرارة .
البديل هو : العشوائية . والتبرير : لأنها ليست من العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل ، والأخري من العوامل المؤثرة فيها .
الاتزان الكيميائي
7 ـ 1 :طبيعة الاتزان الكيميائي :
هناك حالات كثيرة تبين نوعاً من الاتزان مثل وضع فائض من بلورات السكر في الماء، وفي حالة المحلول المشبع ، تذوب بعض بلورات السكر ، وبنفس السرعة تترسب بعض من جزيئات السكر الذائبة . وهذا يعني أن هناك اتزاناً بين السكر الذائب والسكر الراسب . وهذا النوع هو اتزان فيزيائي . كما يمكن أن يحدث اتزان فيزيائي أيضاً بين تبخر سائل وتكثف بخاره في وعاء مغلق عند تساوي السرعتين . وهنا سندرس الاتزان الكيميائي
التفاعلات الانعكاسية :
هي التفاعلات التي يمكن أن تتفاعل فيها النواتج لإعادة تكوين المتفاعلات .
مثل : تفكك أكسيد الزئبق 1) 2HgO(s) Δ→ 2Hg(l) + O2(g)
كما يتحد الزئبق عند تسخينه برفق مع الاكسجين 2) 2Hg(l) + O2(g) Δ→ 2HgO(s)
وإذا تم ذلك في وعاء مغلق فإننا يمكن أن نكتب التفاعل على الصورة
2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g)
والسهم المزدوج يدل على انعكاسية التفاعل .
وقد تم تطبيق ذلك في بعض النظارات الشمسية والتي تبدو في الشمس قاتمة اللون وفي الظل شفافة ، فقد زودت هذه ببلورات دقيقة من كلوريد الفضة ، وفي ضوء الشمس يتفكك كلوريد الفضة بالأشعة فوق البنفسجية ويرسب الفضة فتبدو قاتمة ، وفي الظل ينعكس التفاعل ويعود تكون كلوريد الفضة فتبدو شفافة .
حالة الاتزان الكيميائي للتفاعلات الانعكاسية
هي الحالة التي يتساوى فيها سرعة التفاعل الأمامي وسرعة التفاعل العكسي.وعندها تبقى تراكيز المتفاعلات والنواتج ثابتة .
الاتزان حالة ديناميكية
في بداية التفاعل تكون سرعة التفاعل الأمامي كبيرة ( بسبب زيادة تركيز المتفاعلات وعدم وجود نواتج ) ، وتدريجياً يزداد تركيز النواتج ، ويقل تركيز المتفاعلات ، فتقل سرعة التفاعل الأمامي تدريجياً، ويبدأ التفاعل العكسي وتزداد سرعته تدريجياً حتى نصل إلى حالة الاتزان عند تساوي سرعتي التفاعلين الأمامي والعكسي ، وهنا تتواجد الاحتمالات التالية :
* الحالة الأولى : إذا كانت تراكيز النواتج أعلى من تراكيز المتفاعلات عند الاتزان ، فالنظام هنا يرجح تكوّن النواتج ، وعندها يكتب الاتزان بسهمين غير متساويين ، الأطول فيهما للتفاعل الأمامي هكذا .
* الحالة الثانية : لا يكاد التفاعل الأمامي يبدأ ، حتى تصبح سرعة التفاعل الأمامي ، تساوي سرعة التفاعل العكسي ، ( حالة اتزان ) . وعند الاتزان تكون تراكيز المتفاعلات أكبر من النواتج ، والنظام هنا يرجح تواجد المتفاعلات ، وعندها يكتب الاتزان بسهمين غير متساويين الأطول فيهما للتفاعل العكسي .
* في حالة أخرى يحدث التفاعلان الأمامي والخلفي بالقدر نفسه تقريباً قبل الوصول إلى لاتزان ، وهنا لا يرجح أي من التفاعلين ، وتكتب المعادلة بسهمين متساويين . H2SO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + HSO3−(aq)
ويهدف العلماء والكيميائيون دائماً إلى الحصول على أكبر كمية من النواتج . ومدى تحول المتفاعلات إلى نواتج يشار إليه بالقيمة الرقمية لثابت الاتزان .
ثابت الاتزان : هو نسبة الحاصل الرياضي ( حاصل الضرب ) لتراكيز المواد الناتجة عند الاتزان إلى الحاصل الرياضي ( حاصل الضرب ) لتراكيز المواد المتفاعلة ، كل مرفوع إلى أس يساوي معامل المادة التابعة له في المعادلة الكيميائية ( عدد المولات في المعادلة الموزونة ) .
لنفترض تفاعل المادتين A , B ليكونا C , D ، وكان التفاعل انعكاسياً ، وعند الاتزان تكتب المعادلة كالتالي :
nA + mB xC + yD
حيث y , x , m , n هي معاملات المواد الظاهرة في المعادلة الموزونة . و قيمة ثابت الاتزان تحسب من القانون
والشكل التالي يبين تغير سرعات التفاعل لنظام الاتزان الافتراضيA + B C + D بدءاً من الزمن الذي تخلط فيه المادتان A , B عند t0 حيث تبدأ سرعة التفاعل الأمامي بالانخفاض بينما تبدأ سرعة التفاعل العكسي بالتزايد حتى تتساوى السرعتان عند الزمن t1 عندمــا يبدأ الاتزان .
في البداية يكون تراكيز A,B أكبر ما يمكن ، تراكيز C,D
تساوي صفر. وسرعة التفاعل الأمامي أكبر ما يمكن،سرعة
التفاعل العكسي = صفر .
مع مرور الزمن : تقل تراكيز A,B وتزداد تراكيز C, D
وسرعة التفاعل الأمامي تتراجع ، بينما سرعــــــة التفاعــل
العكسي تتزايد . وعندما تتساوى السرعتان ، تثبت تراكـيز
المتفاعلات والنواتج . وهنا يمكن حساب قيمة ثابت الاتزان .
وعند الاتزان يوجد لدينا ثلاث حالات :
1 ـ إذا كانت قيمة K = 1 : فهذا يعني أن تراكيز المتفاعلات والنواتج شبه متساوية (لوجود الأسس) أو متساوية .
2 ـ إذا كانت قيمة K > 1 أو كبيرة : فهذا يعني أن التفاعل الأمامي يسير لمدى كبير قبل الوصول إلى الاتزان ، ونسبة تراكيز النواتج كبيرة بالنسبة للمتفاعلات .
3 ـ إذا كانت قيمة K < 1 أو صغيرة : فهذا يعني أن التفاعل الأمامي يسير لمدى صغير قبل الوصول إلى الاتزان ، وتراكيز النواتج صغير بالنسبة للمتفاعلات .
وقيمة ثابت الاتزان لا تتأثر إلا بدرجة الحرارة ، كما أن المواد الصلبة النقية والسائلة لا تدخل في معادلة ثابت الاتزان لأن تراكيزها لا يمكن أن تتغير .
نظام اتزان H2 , I2 , HI :
عند تفاعل غاز H2 (عديم اللون ) مع بخار اليود I2 ( بنفسجي) في وعاء مغلق عند درجة حرارة مرتفعة 4250C . تخف حدة اللون البنفسجي لكنها لا تختفي تماماً لأن التفاعل ينعكس فيتفكك HI ليعيد تكوين H2,I2 . وتزداد سرعة التفاعل العكسي مع تراجع في سرعة التفاعل الأمامي إلى أن تتساوى السرعتان ، ويتحقق الاتزان . ويشير اللون الثابت إلى وجود هذا الاتزان H2(g) + I2(g) 2HI(g)
وتكون قيمة ثابت الاتزان للتفاعل الأمامي تساوي
وتتحدد قيمة K غالباً من تجارب عملية .
وحالما عرفت قيمة K فإنه يمكن استخدامها لحساب تراكيز المتفاعلات أو النواتج .
ولكن ماذا عن قيمة K للتفاعل العكسي ؟
إن قيمة K للتفاعل العكسي تساوي مقلوب قيمة K للتفاعل الأمامي .
مثال : نظام متزن عند 4250C يحتوي على 0.015 mol / L لكل من H2 , I2 ـ ما تركيز HI المتزن علماً بأن K = 54.34 ؟
مسألة نموذجية 7 ـ 1 : خليط اتزان غازي من NO , O2 , N2 عند درجة حرارة 1500 K يحتوي على 6.4 ×10−3 mol/L N2 و 1.1×10−5mol/L NO
و 1.7×10-3 mol/L O2 ما قيمة ثابت الاتزان للتفاعل N2(g) + O2(g) 2NO2(g) عند درجة الحرارة المذكورة ؟
الحل :
= 1.1 ×10−5
وقيمة K المحسوبة صغيرة أي أن تراكيز N2 , O2 ( المتفاعلات ) أكبر من تراكيز النواتج NO ( وهذا يتفق مع القيم المعطاة في المسألة ).
المسائل ص 190 محلولة ويمكن كتابتها .
مراجعة القسم 7 ـ 1
1 ـ ما المقصود بكل من : أ ) الاتزان الكيميائي ؟ (هو الحالة التي تكون فيها سرعتا التفاعل الأمامي والعكسي متساويتان وتراكيز المتفاعلات والنواتج تبقى ثابتة).
ب ) ثابت الاتزان ؟ ( نسبة الحاصل الرياضي لتراكيز المواد الناتجة عند الاتزان إلى الحاصل الرياضي لتراكيز المتفاعلات ، كل مرفوع إلى الأس الذي يساوي معامله في التفاعل الكيميائي الموزون ).
2 ـ كيف ترتبط قيمة ثابت الاتزان بالكمية النسبية للمتفاعلات والنواتج عند الاتزان ؟ ( بقدر ما تكون قيمة K كبيرة ، تكون الكميات النسبية للنواتج كبيرة ).
3 ـ حمض الهيدروكلوريك HCl حمض قوي يتأين بشكل تام في الماء ، ليكوّن Cl− , H3O+ هل تتوقع أن تكون قيمة K للتفاعل التالي تساوي 1×10−2 أم 1×10−5 أم أكبر بكثير ؟ برر إجابتك . HCl(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Cl−(aq) ( تكون كبيرة لأن المتفاعلات كونت نواتج ولا يتبقى من المتفاعلات تقريباً شيء ).
4 ـ اكتب تعبير ثابت الاتزان للتفاعل 4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g) + 2H2O(g) . ( ).
5 ـ عند درجة حرارة 2500K وفي حالة الاتزان للتفاعلH2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) يكون [HCl] = 0.0625mol/L و [H2] = [Cl]2 = 0.00450mol/L
احسب قيمة ثابت الاتزان K للتفاعل .
6 ـ عند درجة حرارة 4250C وجد أن خليط اتزان يتكون من 1.77×10-2mol/L HI , 3.13×10-3mol/L I2 , 1.83×10-3mol/L H2 . احسب ثابت الاتزان للتفاعل H2(g) + I2(g) 2HI(g) .
الحل : = 54.7
7 ـ احسب عند درجة حرارة 4250C قيمة[HI] للتفاعل H2(g)+I2(g)2HI(g) إذا كان K=54.3 ,[H2]=[I2]=4.79×10−4 mol/L ( 3.53×10−3mol/L )
7 ـ 2 ـ انزياح الاتزان
في أنظمة الاتزان الكيميائي تبقى الكميات النسبية للمتفاعلات والنواتج ذاتها . وإذا رغب الكيميائيون في تحسين مردود النواتج ، فإنهم يؤثرون على وضع الاتزان بتغيرات إما في الضغط أو التركيز أو درجة الحرارة لتحقيق المطلوب.
توقع اتجاه الانزياح
مبدأ لوشاتلييه ـ إذا تعرض نظام متزن لتوتر (مؤثر خارجي) فإن الاتزان ينزاح إلى الاتجاه الذي يؤدي إلى إزالة هذا التوتر (المؤثر). ويتضح ذلك من خلال:
1 ـ تغيرات التركيز : في التفاعل A + B C + D فإن :
* زيادة تركيز A يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج ويقلل تركيز B . كما أن زيادة تركيزB يقلل تركيز A ويزيح الاتزان نحو تكوين النواتج أيضاً .
* خفض تركيز C أو سحبها من النظام يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج ويزيد تركيزD. كما أن خفض تركيز D يزيد تركيز C ويزيح الاتزان نحو تكوين النواتج .
لزيادة تكوين النواتجC أو D نزيد تركيز أحد المتفاعلاتA أو B أو كليهما أو نقلل تركيز أحد النواتج أو كليهما أو نسحبه من الاتزان ،
وبالمقابل فإن الاتزان ينزاح نحو تكوين المتفاعلات عند زيادة تركيز C أو D أو عند خفض تركيز ِ A أو B او سحبها من النظام .
* إن تغيير تركيز أحد المتفاعلات أو النواتج يؤثر على حالة الاتزان حتى الوصول إلى حالة اتزان جديدة ولكن
تبقى قيمة K ثابتة . لأن التأثير يكون متساوياً على بسط ومقام تعبير ثابت الاتزان .
* تراكيز المواد الصلبة والسائلة النقية والماء كمذيب لا تتغير ولا تكتب في تعبير ثابت الاتزان مثل :
ـ تأين الماء2H2O(l) H3O+(aq) + OH−(aq) ويكون تعبير ثابت الاتزان Kw = [H3O+] [OH− ]
ـ تفكك كربونات الكالسيوم CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) ويكون تعبير ثابت الاتزان K = [CO2]
2 ـ تغيرات الضغط : يؤثر الضغط فقط على الأنظمة المتزنة والتي تحوي غازات متفاعلة أو ناتجة والتي يختلف فيها عدد المولات الغازية المتفاعلة عن عدد المولات الغازية الناتجة . (لا يؤثر الضغط على النظام الغازي المتزن إذا تساوى عدد المولات الغازية في الطرفين ). ففي التفاعل الغازي المتزن N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) نلاحظ أن :
* زيادة الضغط يزيح الاتزان إلى اليمين أي نحو تكوين النواتج ( عدد المولات الغازية أقل ) وذلك لتقليل أثر الضغط .
(لأن زيادة الضغط يقلل الحجم فيزيد تراكيز كل المواد ، وليقلل النظام من هذا الأثر يقلل من عدد المولات وذلك بالانزياح نحو تكوين النواتح ذات عدد المولات الغازية الأقل . ولكن تبقى قيمة K ثابت ).
* ـ تخفيف الضغط يزيح الاتزان إلى اليسار أي نحو تكوين المتفاعلات ، وذلك لتقليل أثر المؤثر الخارجي .
* ـ زيادة الضغط بإدخال غاز خامل غير متفاعل ( مثل الهيليوم ) إلى النظام ، لا يؤثر على وضعية الاتزان ، لأن
الضغوط الجزئية للغازات الموجودة في التفاعل لم تتغير .
*ـ في الصناعة تزال الأمونيا الناتجة بتكثيفها إلى سائل فيقل الضغط الجزئي لغاز الأمونيا مما يسبب انزياح الاتزان
نحو تكوين النواتج ( الأمونيا) .
3 ـ تغيرات الحرارة : التفاعلات الانعكاسية تكون طاردة للحرارة في أحد لاتجاهين وماصة للحرارة في الاتجاه الآخر.
* رفع درجة حرارة النظام يزيح الاتزان إلى الاتجاه الماص للحرارة .
* خفض درجة الحرارة للنظام يزيح الاتزان إلى الاتجاه الطارد للحرارة .
ـ انتاج الأمونيا من نيتروجين الهواء الجوي بطريقة هابر من التفاعل : حرارة N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + والتفاعل الأمامي طارد للحرارة ، والعكسي ماص للحرارة . ورفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو المتفاعلات ، بينما خفضها يزيحه نحو النواتج . لكن خفض الحرارة يجعل التفاعل الأمامي(انتاج الأمونيا) بطيء جداً ، لذلك تخفض درجة الحرارة بشكل مناسب (5000C ) لسرعة الوصول إلى الاتزان ثم نرفع الضغط كثيراً جداً 100 -700atm مما يسبب إعطاء مردود مناسب من غاز الأمونيا .
ملاحظة : كتابة الحرارة بهذه الصورة يمكننا من اعتبارها كأحد مواد التفاعل ، ورفعها يعني زيادة تركيز أحد النواتج فينزاح الاتزان نحو المتفاعلات ، كما أن خفضها يعني تقليل تركيز أحد النواتج فينزاح الاتزان نحو تكوين النواتج .
ـ انتاج غاز رابع أكسيد النيتروجين الثنائي N2O4 عديم اللون من غاز NO2 بني اللون وهو تفاعل طارد للحرارة .
التفاعل كالتالي: حرارة2NO2(g) N2O4(g) + والتفاعل الأمامي طارد للحرارة والعكسي ماص للحرارة .
* خفض درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو النواتج فتزداد كمية N2O4وتقل كمية NO2فترتفع قيمة K
* رفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو المتفاعلات فتقل كمية N2O4 وتزيد كميةNO2 فتقل قيمة K
من هنا نرى أن تغير درجة الحرارة فقط هو العامل الوحيد الذي يؤثر في قيمة ثابت الاتزان K .
ـ تفكك كربونات الكالسيوم ( تفاعل ماص للحرارة) CaO(s) + CO2(g) حرارة CaCO3(s) + والتفاعل الأمامي ماص للحرارة والعكسي طارد للحرارة
* رفع درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو تكوين النواتج فترتفع قيمة K K = [CO2]
* خفض درجة الحرارة يزيح الاتزان نحو تكوين المتفاعلات فتقل قيمة K
إذن : النظام الذي تفاعله الأمامي طارد للحرارة : رفع الحرارة يقلل قيمة K ، وخفض الحرارة يزيد قيمة K .
والنظام الذي تفاعله الأمامي ماص للحرارة : رفع الحرارة يزيد قيمة K ، وخفض الحرارة يقلل قيمة K .
ملاحظة : يمكن استخدام الحفازات لتسريع التفاعل المرغوب( الأمامي أو العكسي ) ، غير أن الحفازات لا تؤثر على قيمة ثابت الاتزان لأنها تؤثر فقط في السرعات المسببة للوصول إلى حالة الاتزان بمعاملات متساوية .
سؤال: في التفاعل الغازي المتزن حرارة 2A(g) + B(g) 2C(g) + ما هي العوامل التي تعمل على زيادة انتاج C .
جواب : ما يزيد من انتاج C 1 ـ رفع تركيز A أو B 2 ـ خفض تركيزC أو سحبه من النظام
3 ـ خفض حرارة النظام 4 ـ إضافة حفاز يزيد سرعة التفاعل الأمامي
5 ـ زيادة الضغط الواقع على النظام .
التفاعلات التي تتجه إلى الاكتمال :
تبدو بعض التفاعلات التي تتضمن مركبات تتكون من تفاعل بين الأيونات في المحاليل أنها تتجه نحو الاكتمال ، بحيث تزول الأيونات من المحلول ، ويمكن للتفاعل أن يتجه نحو الاكتمال إذا وجدت إحدى الحالات التالية :
1 ـ انفلات الناتج على هيئة غاز 2 ـ ترسب الناتج كمادة صلبة 3 ـ إذا كان تأين الناتج طفيفاً بما يؤدي إلى اكتمال التفاعل . أمثلة :
1 ـ تكون غاز : المركبات غير المستقرة الناتجة عن تفاعلات أيونية تتفكك تلقائياً. مثل حمض الكربونيك H2CO3 الذي يوجد في المشروبات الغازية والذي يتفكك عند تقليل الضغط عليه ( عند فتح العلبة ) ليخرج غاز CO2 :
H2CO3(aq) → H2O(l) + CO2(g)↑
2 ـ تكون راسب : عند خلط محلولين من NaCl , AgNO3 بكميات متكافئة يتكون راسب أبيض من AgCl
( Na+ + Cl−)(aq) + (Ag++NO3−)(aq) → (Na++NO3−)(aq) + AgCl(s)↓
ينفصل AgCl لأن قابلية ذوبانه في الماء ضئيلة جداً ، ولا يبقى في المحلول سوى أيونات NO3− , Na+ ويسير التفاعل نحو الاكتمال .
3 ـ تكوين ناتج ضعيف التأين : في تفاعلات التعادل بين محاليل الأحماض (أيونات H3O+ ) ومحاليل القواعد (أيوناتOH− ) يتكون الماء ضعيف التأين
( H3O++Cl−)(aq) + ( Na++OH−)(aq) → ( Na++Cl−)(aq) + 2H2O(l) وإذا قمنا بحذف الأيونات المتبقية في طرفي المعادلة (Na+, Cl−) والتي تسمى بالأيونات المتفرجة يتبقى ما يعرف بالمعادلة الأيونية الصرفة :
H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l) ويكون الماء الناتج على شكل جزيئات وتزول أيونات H3O+, OH− من المحلول ، ويسير التفاعل إلى الاكتمال لأن الناتج يتأين بشكل ضعيف جداً .
تأثير الأيون المشترك:
في نظام متزن يمكن إزاحة الاتزان بين مذابين نحو الاتجاه المرغوب بإضافة أيون مشترك .
وتأثير الأيون المشترك : هو الظاهرة التي تسبب خلالها إضافة أيون مشترك بين مذابين ترسباً أو تقليلاً للتأين .
مثال 1 ـ : الحصول على ملح الطعام النقي (تقريباً) في الصناعة : حيث يترسب NaCl من محلول مشبع من ماء البحر بإمرار غاز HCl فيه.
في المحلول المشبع يوجد اتزان بين الملح الصلب والأيونات NaCl(s) Na+(aq) + Cl−(aq) وإمرار غاز HCl الذي يتفكك كلياً HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq) يتسبب بتواجد زيادة من أيونات Cl− . وزيادة تركيز Cl− (الأيون المشترك) في الاتزان يؤدي إلى توتره. وحسب مبدأ لوشاتلييه يتجه النظام نحو تقليل هذا التوتر وتكوين NaCl الصلب ، فيترسب الملح ، ويتكون اتزان جديد يكون فيه تركيز Cl− كبيراً ، تركيز Na+ صغيراً ، ولكن قيمة K تبقى ثابتة لأن حاصل الضرب [Na+][Cl−] يساوي مقدار ثابت يساوي K .
ملاحظة : في الصناعة يترسب غالباً NaCl وتبقى باقي الأملاح ذائبة في مياه البحر فنحصل على الملح نقياً تقريباً.
مثال 2 ـ : تقليل نسبة تأين حمض الأسيتيك وذلك بإضافة كمية قليلة من أسيتات الصوديوم
حمض الأسيتيك إلكتروليت ضعيف يتأين بنسبة 1.3% تقريباً CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ وأسيتات الصوديوم ملح أيوني متفكك تماماً CH3COONa(aq) → CH3COO−(aq) + Na+(aq) وإضافة كمية قليلة من الملح إلى محلول الحمض يرفع تركيز أيون الأسيتات (الأيون المشترك) ، فيحدث توتراً في الاتزان،وينزاح
نحو تكون جزيئات الحمض وينخفض تركيز H3O+ ، وهذا يجعل المحلول أقل حامضية وترتفع قيمة pH للمحلول .
إضافة ملح يحتوي على أيون مشترك لمحلول إلكتروليت ضعيف يقلل من تأين هذا الإلكتروليت.
مراجعة القسم 7 ـ 2
1 ـ اذكر ثلاث طرق تسبب اضطراباً للاتزان الكيميائي . ( 1 ـ تغير في التركيز 2 ـ تغير في الضغط 3 ـ تغير في درجة الحرارة )
2 ـ صف ثلاث حالات تصل فيها التفاعلات الأيونية إلى الاكتمال . ( 1 ـ تكون غاز 2 ـ تكون راسب 3 ـ تكون ناتج ضعيف التأين )
3 ـ صف تأثير الأيون المشترك . ( إضافة أيون مشترك بين مذابين تسبب تكون راسب أو تقليل تأين الإلكتروليت الضعيف )
4 ـ حدد هوية الأيون المشترك في كل من الحالات التالية :
أ) إضافة 5g NaCl إلى محلول 2.0 M HCl . ( الأيون المشترك هو Cl− )
ب) إضافة 50 mL من محلول 1.0 M CH3COONa إلى محلول 1.0 M CH3COOH . ( الأيون المشترك هو CH3COO− )
جـ) إضافة 10 حبات من NaOH إلى 100 mL من الماء . ( الأيون المشترك هو OH− )
5 ـ توقع تاثير تقليل الضغط على الأنظمة المتزنة التالية .
أ ) H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ( لا يتأثر لأن عدد مولات الغاز في الطرفين متساو 2 مول في كل طرف )
ب ) NH4Cl(s) NH3(g) + HCl(g) ( انزياح نحو اليمين ـ تكون النواتج ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
جـ ) 2H2O2(aq) 2H2O(l) + O2(g) ( انزياح نحو اليمين ـ تكون النواتج ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
د ) 3O2(g) 2O3(g) ( انزياح نحو اليسار ـ تكون المتفاعلات ـ لأن تقليل الضغط يؤدي إلى زيادة الحجم )
6 ـ يتفاعل CO2 مع الماء ليكونا أيون البيكربونات وأيون الهيدرونيوم يؤدي التنفس السريع إلى زفير كمية أكبرمن CO2. كيف يؤثر التنفس السريع على pH للدم.
( معادلة الاتزان هي CO2(g) + 2H2O(l) H3O+(aq) + HCO3−(aq) والتنفس السريع يخرج كمية أكبر من غاز CO2 فينزاح الاتزان نحو المتفاعلات مما يؤدي إلى تقليل تركيز H3O+ فتقل حموضة الدم وتزداد قيمة pH .)
7 ـ 3 : الاتزان في محاليل الأحماض والقواعد
ثابت تأين الحمض الضعيف Ka : هو ثابت الاتزان لتفاعل تأين الحمض . لنأخذ مثالاً حمض الأسيتيك :
محلول حمض الأسيتيك الذي تركيزه 0.1 M يتأين منه حوالي 1.3% عند 250C والباقي يكون على شكل جزيئات غير متفككة . CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ ويكون ثابت الاتزان له
و تركيز الماء لا يدخل في تعبير ثابت الاتزان ، ولكن نظراً لكونه المذيب وعدد جزيئاته كبير ، يمكن أن نفترض أن تركيزه ثابت ، وقيمة ثابت الاتزان K ثابتة فيكون حاصل ضرب ثابت في ثابت = ثابت جديد هو ثابت تأين الحمض Ka . وهي قيمة ثابتة مهما كان تركيزالحمض ، ولو أضفنا مادة تحوي أيوناً مشتركا ( مثل أسيتات الصوديوم)) فإنها ستسبب توتراً للاتزان وينزاح الاتزان نحو تكوين الجزيئات ويحدث نقص في [H3O+] وزيادة قيمة pH واتزان جديد ولكن قيمة Ka تبقى ثابتة .
المحاليل المنظمة : هي محاليل تقاوم التغيرات في الأس الهيدروجيني (عند إضافة قليل من حمض أو قاعدة إليها )
وهي تتكون من حمض ضعيف وأحد أملاحه ذات
الشق القاعدي القوي ، أو قاعدة ضعيفة وأحد أملاحها ذات الشق الحمضي القوي ما يجعل المحلول المنظم يتفاعل مع حمض أوقاعدة . ولكن كيف يعمل المحلول المنظم ؟
1 ـ محلول منظم مكون من حمض الأسيتيك وأسيتات الصوديوم ، كيف يعمل ؟
محلول الحمض في الماء تبينه المعادلة التالية CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+
* ـ إضافة كمية قليلة من حمض ( H3O+ ) إلى المزيج :
تمنح أيونات الهيدرونيوم (القليلة) المضافة بروتوناً لأيونات الأسيتات (الكثيرة) مكونة جزيئات حمض الأسيتيك غير المتأينة → CH3COOH + H2O CH3COO− + H3O+ فيزول أثر الحمض المضاف ، ويبقى عملياً تركيزH3O+ وقيمة pH ثابتين.
* ـ إضافة كمية قليلة من قاعدة (OH− ) إلى المزيج :
تتعادل أيونات OH− المضافة مع كمية من أيونات H3O+ الناتجة عن تفكك الحمض مكونة الماء ضعيف التأين فيزول أثر المضاف ، لكن الاتزان يتوتر وينزاح نحو تعويض النقص فيH3O+ وتتفكك جزيئات من الحمض وتبقى قيمة [H3O+],pH ثابتين.
2 ـ محلول منظم مكون من محلول الأمونيا وكلوريد الأمونيوم
تتفاعل الأمونيا مع الماء كالتالي ( NH3 + H2O NH4+ + OH−)(aq)
* ــ إضافة كمية قليلة من حمض H3O+إلى المزيج :
تتعادل أيونات H3O+ ( القليلة ) المضافة مع أيونات OH− من المحلول مكونة الماء ضعيف التأين ، ويتوير الاتزان فتتأين جزيئات أخرى من الأمونيا لتعويض النقص في OH− ويبقى تركيز OH− وقيمة pH ثابتتين .
* ـ إضافة قليل من قاعدة إلى المزيج :
تستقبل أيونات OH− (القليلة) المضافة بروتوناً من أيونات NH4+ (الكثيرة) في المحلول مكونة الأمونيا وجزيئات
الماء ضعيف التأين NH4+ + OH− → NH3 + H2O )(aq) ) ويبقى تركيزOH− وقيمة pH ثابتتين .
أهمية المحاليل المنظمة : من أهم ما تقوم به المحاليل المنظمة المحافظة على ثبات pH في الدم (7.5 -7.3 ) ، لأن عدم ثبات pH للدم يؤدي إلى اضطرابات في وظائف الجسم العادية .
ثابت تأين الماء : يتأين الماء ذاتياً حسب المعادلة H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH−(aq)
وقد وجد عملياً أن تراكيز الأيونات منخفضة ( كل 10 ملايين لتر من الماء يتفكك منها 1 مول أي 18g أي أن [H+]=[OH−]= 1×10-7 مول/لتر)
وتعبير ثابت الاتزان يشتق من المعادلة : Kw = [H3O+] [OH− ] = 1.0 × 10−14