واکنش برگشت پذیر چیست؟ – به زبان ساده + تعریف و تفاوت با واکنش تعادلی

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم – حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی در فرادرس

در واکنش‌های برگشت‌پذیر، واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها به طور کامل مصرف می‌شوند. هرکدام از این مواد با روندی تکرارپذیر تولید و مصرف می‌شوند. در این واکنش‌ها میزان انرژی صرف شده در یک سمت با میزان انرژی تولید شده در سمت دیگر برابر است. برای مثال اگر واکنش گرماگیر باشد، واکنش برگشت آن گرماده است و بالعکس. در واکنش‌های برگشت‌پذیر، اگر با شکستن پیوند‌های واکنش‌دهنده‌ها، پیوند‌های جدیدی برای تولید مولکول‌های فرآورده تشکیل شود و انرژی آزاد شود، آن انرژی برای شکستن پیوند‌های فرآورده و تولید پیوند برای تولید مولکول‌های واکنش‌دهنده صرف می‌شود.

معادله واکنش برگشت پذیر — معادله واکنش برگشت‌پذیر

تا سال 1803، تصور می‌شد که همه واکنش‌های شیمیایی غیرقابل برگشت هستند، تا اینکه شیمیدان فرانسوی، کلود برتوله «Claude Louis Berthollet»، مفهوم واکنش‌های برگشت‌پذیر را معرفی کرد. او ابتدا مشاهده کرد که سدیم کربنات و کلسیم کلرید با هم واکنش داده و کلسیم کربنات و سدیم کلرید تولید می‌کنند. اما پس از مشاهده تشکیل سدیم کربنات در اطراف لبه‌های محلول‌های نمکی، متوجه شد که مقدار زیادی نمک در آب در حال تبخیر با کلسیم کربنات واکنش داده و سدیم کربنات تشکیل می‌دهد، که نشان‌دهنده وقوع واکنش معکوس بود.

اگر یک واکنش برگشت‌پذیر در یک ظرف بسته انجام بگیرد، به تعادلی پویا می‌رسد. بدین معنی که پس از گذشت مدت زمان مشخص، سرعت واکنش رفت و سرعت واکنش برگشت با یکدیگر برابر خواهد شد.

معادلات واکنش برای واکنش برگشت‌پذیر

واکنش‌های شیمیایی با معادله واکنش شیمیایی نشان داده می‌شوند که شامل نماد عناصر، ضرایب استوکیومتری، زیروند‌ها و فلش (جهت) واکنش است. واکنش‌ها عموما با یک فلش از جهت واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها (چپ به راست) نشان داده می‌شوند.

برای مشخص کردن یک واکنش برگشت‌پذیر، نماد «فلش دوطرفه» استفاده می‌شود. این نماد به معنی این است که یک واکنش از چپ به راست واکنش‌دهنده‌ها ار به فرآورده‌ها و واکنش دیگر از راست به چپ، فرآورده‌ها را به واکنش‌دهنده‌ها تبدیل می‌کند.

یکی از مثال‌های فرآیند‌های برگشت‌پذیر، واکنش هابر برای تولید آمونیاک است. در این واکنش از ترکیب نیتروژن و هیدروژن آمونیاک تولید شده و در جهت برگشت نیز آمونیاک، هیدروژن و نیتروژن را تولید میکند. معادله این واکنش به شکل زیر نوشته می‌شود.

$A + B \rightleftharpoons C + D$

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

واکنش‌های شیمیایی از لحاظ سینتیکی به دو دسته برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر تقسیم می‌شوند. این واکنش‌ها از لحاظ پایداری فرآورده‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. در واکنش‌های برگشت‌پذیر، فرآورده‌های واکنش می‌توانند با یکدیگر ترکیب شده و دوباره واکنش‌دهنده‌ها را تولید کنند. برای فهم این موضوع که واکنش برگشت پذیر چیست و تشخیص آن باید با مفاهیمی مانند ساختار اتم، واکنش‌های شیمیایی، توزیع الکترون، ساختار لوییس و ... آشنا شوید. برای آشناهایی با این مفاهیم پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم فرادرس، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازند.

برای دسترسی به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم، روی عکس کلیک کنید.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزشی فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در رابطه با واکنش‌های برگشت‌پذیر دسترسی داشته باشید.

واکنش برگشت‌ناپذیر چیست؟

واکنش‌های برگشت‌ناپذیر واکنش‌هایی هستند که پس از ترکیب واکنش‌دهنده‌ها و اتمام آن‌ها برای تولید فرآورده، واکنش متوقف می‌شود. این واکنش‌ها به صورت خودبه‌خود و بدون صرف انرژی اضافه در جهت برگشت انجام نمی‌شوند. در این واکنش‌ها تمامی واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده تبدیل می‌شوند و تنها در یک جهت پیش می‌روند. این واکنش‌ها با یک فلش از جهت چپ به راست « $\rightarrow$ » نشان داده می‌شوند.

فیلم آموزش واکنش‌ های برگشت‌ پذیر و برگشت ناپذیر + معادله (رایگان) در فرادرس

یکی از اصول پایه شیمی این است که واکنش‌دهنده‌ها با یکدیگر ترکیب شوند و فرآورده‌ها را به وجود آورند. این واکنش‌های تک جهته با نام واکنش‌های برگشت‌ناپذیر شناخته می‌شوند. در این واکنش‌ها مولکولهای مواد فرآورده نمی‌توانند به مولکول‌های واکنش‌دهنده تبدیل شوند. واکنش‌های برگشت‌ناپذیر مانند فرآیند پخت نان هستند و مواد تشکیل‌دهنده با یکدیگر ترکیب شده و پخته می‌شوند اما نان پخته شده را نمی‌توان به آرد، اب و سایر ترکیبات تبدیل کرد.

یکی از مثال‌های واکنش برگشت‌ناپذیر سوختن است. فرآیند‌های سوختن به فرآیند ترکیب مواد با گاز اکسیژن گفته می‌شود که طی آن نور و حرارت زیادی آزاد می‌شود و قابل برگشت نیستند. برای مثال در فرآیند سوخت هیدروکربن‌ها، کربن دی اکسید و آب تولید می‌شود. به دلیل اینکه کربن دی اکسید و آب فرآورده‌هایی پایدار هستند، با یکدیگر واکنش نمی‌دهند و نمیتوان از آن‌ها واکنش‌دهنده‌ها را به وجود آورد. معادله کلی واکنش‌های سوختن به شکل زیر است.

$C_xH_y + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

سیستم واکنش برگشت پذیر چیست؟

در واکنش‌های برگش پذیر، واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها به طور کامل مصرف می‌شوند. اگر یک واکنش برگشت‌پذیر با دو واکنش‌دهنده و فرآورده داشته باشیم، می‌توان آن را با معادله واکنش زیر نشان داد.

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

این معادله واکنش در واقع از ترکیب دو واکنش رفت و برگشت تشکیل شده است. این واکنشها در ادامه به صورت جداگانه نوشته شده است.

$A + B \rightarrow C+D$

$C + D \rightarrow A+B$

این دو واکنش به شکلی همزمان در حال انجام هستند. به این معنا که واکنش‌دهنده‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا فرآورده را تشکیل دهند و فرآورده‌ها همزمان با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا واکنش‌دهنده‌ها را تشکیل دهند. پس از تشکیل فرآورده‌ها، پیوند‌های بین این مواد شکسته شده و مولکول‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند. انجام شدن همزمان این واکنش‌ها انرژی لازم را برای شکستن پیوند تمامی مواد فرآورده و واکنش‌دهنده تولید می‌کند.

در ادامه مثالی از یک واکنش برای توضیح این که واکنش برگشت پذیر چیست ارائه می‌دهیم. واکنش تبدیل مولکول‌های دی نیتروژن تترا اکسید به مولکول‌های نتیروژن دی اکسید یک واکنش برگشت‌پذیر است. در تصاویر زیر مشاهده می‌کنید که واکنش برگشت‌پذیر کلی از ترکیب هر دو واکنش رفت و برگشت تشکیل شده و همه‌ی مولکول‌های فرآورده و واکنش‌دهنده به طور همزمان در واکنش شرکت می‌کنند. باید توجه داشت که نسبت حضور هریک از این مواد در هر مقطع از واکنش به عوامل مختلفی بستگی دارد.

تشخیص واکنش برگشت‌ناپذیر

اگر یکی از مواد فرآورده به‌محض تولید شدن از محیط واکنش خارج شود، واکنش دیگر نمی‌تواند در جهت عکس انجام شود. این مسئله باعث می‌شود که واکنش از نوع برگشت‌ناپذیر باشد. در اصطلاح این واکنش‌ها به سمت کامل شدن پیش می‌روند. این واکنش‌ها سه نوع فرآورده دارند که با مشاهده آن‌ها می‌توان نتیجه گرفت واکنش برگشت‌ناپذیر است. این موارد رسوب انحلال ناپذیر، گاز یا یک ترکیب مولکولی پایدار مانند آب هستند. در ادامه این موارد با مثال توصیح داده شده‌اند.

تشکیل رسوب

به مثال زیر توجه کنید. در واکنش زیر، رسوب کلرید نقره تشکیل شده است.

$\ce{AgNO_3} \left( aq \right) + \ce{NaCl} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ce{AgCl} \left( s \right)\nonumber$

رسوب کلرید نقره تولید شده در این واکنش قابل انحلال نیست و به عبارتی از محیط واکنش خارج شده است و واکنش نمی‌تواند در جهت برگشت انجام شود.

تولید گاز

در واکنش‌هایی که گاز به عنوان فرآورده واکنش تولید می‌شود، احتمال خارج شدن گاز از محیط واکنش بسیار زیاد است و واکنش نمی‌تواند در جهت برگشت پیش برود. برای مثال به واکنش منیزیم و اسید کلریدریک توجه کنید.

$\ce{Mg} \left( s \right) + 2 \ce{HCl} \left( aq \right) \rightarrow \ce{MgCl_2} \left( aq \right) + \ce{H_2} \left( g \right)\nonumber$

در این واکنش گاز هیدروژن تولید شده از ظرف واکنش به صورت حباب خارج می‌شود و دیگر هیدروژن کافی برای انجام واکنش برگشت وجود نخواهد داست.

تولید آب

واکنش‌هایی که آب را به عنوان فرآورده تولید می‌کنند اندکی پیچیده تر هستند. برای مثال به واکنش زیر توجه کنید.

$\ce{HCl} \left( aq \right) + \ce{NaOH} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NaCl} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber$

در محلول این واکنش، واکنش‌دهنده‌های اسید کلریدریک و سدیم هیدروکسید به طور کامل تفکیک می‌شوند و همچنین سدیم کلراید نیز کاملا به یون‌های سدیم و کلر تفکیک می‌شود. آب به صورت یک تعادل از یون‌های هیدروژن و هیدروکسید در محیط واکنش وجود دارد و ثابت تفکیک برای آن برابر با $1 \times 10^{-14}$ است. در نتیجه غلظت یون هیدروژن موجود در واکنش داده شده برابر با $1 \times 10^{-7} \: \text{M}$ خواهد بود که مقدار خیلی کمی دارد. به این علت میزان غلظت یون‌های آب برای ترکیب شدن با یون‌های موجود در فرآورده‌ها و تشکیل دوباره فرآورده‌ها ممکن نیست و واکنش برگشت‌ناپذیر خواهد بود.

مثال واکش برگشت‌ناپذیر

با توجه به نشانه‌هایی که برای تشخیص واکنش‌های برگشت‌ناپذیر بیان شد، می‌توانیم چند گروه از انواع واکنش‌های شیمیایی را به عنوان واکنش‌های برگشت‌ناپذیر معرفی کنیم. این واکنش‌ها شامل فرآیند‌های انحلال، مخلوط شدن، واکنش‌های رسوبی، سوختن و ... هستند. در ادامه چند مورد از واکنش‌های برگشت‌ناپذیر نام برده شده‌اند.

فرآیند سوختن (احتراق)
زنگ زدن آهن
پخت نان (تخمیر)
فتوسنتز
هضم غذا
تجزیه آب اکسیژنه
تولید نمک
پلیمریزاسیون پلاستیک‌ها
تجزیه آمونیوم نیترات
واکنش‌های اسید و باز قوی
تولید ترکیبات یونی

برای مثال فرآیند‌های سوختن فرآیند‌های شیمیایی هستند که در آن‌ها یک ترکیب با شدت و سرعت با اکسیژن واکنش می‌دهد. این فرآیند‌ها در اغلب موارد انرژی حرارتی زیادی تولید می‌کنند. این انرژی آزاد شده از محیط واکنش خارج شده و فرآورده‌ها ترکیباتی بسیار پایدار هستند که نمی‌توانند با یکدیگر واکنش دهند و واکنش‌دهنده‌ها را تولید کنند. یکی از از فرآورده‌های این واکنش‌ها آب است که ترکیب پایداری است و با ترکیباتی که از نظر شیمیایی فعال نیستند وارد واکنش نمی‌شود. در فرآیند‌های سوختن هیدروکربن‌ها، یکی دیگر از فرآورده‌های واکنش کربن دی‌اکسید است که به صورت گاز از محیط واکنش خارج شده و دیگر در واکنش برگشت شرکت نمی‌کند. برای مثال واکنش سوختن متان در فرمول شیمیایی زیر مشخص شده است.

${CH_4 + 2O_2\rightarrow CO_2 + 2H_2O}$

مثال واکنش برگشت‌پذیر

در قسمت‌های قبلی آموختیم تفاوت واکنش برگشت‌ناپذیر و واکنش برگشت پذیر چیست. یکی از مهم‌ترین واکنش‌ها برگشت‌پذیر که در طبیعت رخ می‌دهد، مربوط به هموگلوبین خون است. هموگلوبین با مهاجرت در سرتاسر بدن، اکسیژن را به اندام‌های مختلف رسانده و کربن دی اکسید را دریافت کرده و به شش‌ها می‌رساند. سلول‌های قرمز خون اکسیژن را به اندام‌های مختلف می‌رسانند. در غیاب اکسیژن، سلول‌ها نمی‌توانند مسئولیت‌های بیولوژیکی خود را انجام دهند. اکسیژن به سلول‌های متصل به پروتئین هموگلوبین می‌روند و از این طریق در بدن جا‌به‌جا می‌شوند.

برای شناخت بهتر این موضوع که واکنش برگشت پذیر چیست، به مثال‌های زیر توجه کنید.

واکنش کربنیک اسید و آب

از دیگر مثال‌های واکنش‌های برگشت‌پذیر می‌توان به واکنش‌های اسید‌ها و باز‌های ضعیف اشاره کرد. این واکنش‌ها می‌توانند به صورت برگشت‌پذیر انجام شوند. برای مثال واکنش کربنیک اسید و آب به شکل زیر است.

$\text{H}_2\text{CO}_3 (l) + \text{H}_2\text{O} (l) \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- (aq) + \text{H}_3\text{O}^+ (aq)$

در این واکنش یون‌های هیدرونیوم و هیدروژن کربنات تولید شده می‌توانند دوباره با یکدیگر ترکیب شده و مولکول‌های آب و کربنیک اسید را تولید کنند.

واکنش گاز هیدروژن و گاز ید

واکنش تولید گاز هیدروژن یدید از واکنش‌های برگشت‌پذیر است که می‌تواند در جهت برگشت هم پیش برود. معادله شیمیایی این واکنش به شکل زیر است.

$\mathrm{H}_2 \mathrm{(g)} + \mathrm{I}_2 \mathrm{(g)} \rightleftharpoons 2 \mathrm{HI} \mathrm{(g)}$

واکنش تجزیه آمونیوم کلراید

واکنش تولید گاز آمونیاک و اسید کلریدریک از تجزیه آمونیوم کلراید نیز یک واکنش برگشت‌پذیر است. با اینکه واکنش‌دهنده این واکنش در حالت جامد است، این واکنش در جهت برگشت نیز انجام می‌شود.

بخار سفید رنگ در تصویر بالا درواقع ذرات خیلی ریز آمونیوم کلراید هستند که حاصل از ترکیب دوباره گاز آمونیاک و اسید کلریدریک بی‌رنگ هستند.

واکنش تجزیه کلسیم کربنات

در این واکنش نیز مانند واکنش قبل یک ماده جامد شرکت می‌کند. فرمول معادله شیمیایی واکنش به شکل زیر است.

$\mathrm{CaCO}_3 \mathrm{(s)} \rightleftharpoons \mathrm{CaO} \mathrm{(s)} + \mathrm{CO}_2 \mathrm{(g)}$

در این واکنش کلسیم کربنات به کلسیم اکسید و گاز کربن دی اکسید تبدیل می‌شود. در صورت انجام شدن واکنش در ظرف بسته و خارج نشدن کربن دی اکسید تولید شده، واکنش می‌تواند در جهت برگشت نیز انجام شود. کلسیم کربنات ساختاری براق و محکم‌تر دارد و کلسیم اکسید، ساختاری شکننده‌تر و کدر‌تر دارد.

واکنش تولید آمونیاک

یکی دیگر از واکنش‌های برگشت‌پذیر مهم، فرآیند تولید آمونیاک از دو گاز نیتروژن و هیدروژن است. به این واکنش، فرآیند هابر گفته می‌شود. معادله واکنش این فرآیند به شکل زیر است.

$\mathrm{N}_2 \mathrm{(g)} + 3 \mathrm{H}_2 \mathrm{(g)} \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3 \mathrm{(g)}$

در این واکنش تمامی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها در حالت گاز هستند. در صورت انجام شدن واکنش در ظرف بسته و خارج نشدن گاز‌ها، آمونیاک می‌تواند در جهت برگشت تجزیه شده و گاز‌های نیتروژن و آمونیاک دوباره تولید شوند. در واقع یکی از مشکلات فرآیند هابر این است که بازده پایینی دارد و با استفاده از برگشت‌پذیر بودن واکنش با فراهم کردن شرایط واکنش، می‌توان بازده این واکنش را بسیار بالا برد.

آمونیاک و فرآیند هابر — از صفر تا صد

واکنش تجزیه اوزون

یکی از مهم‌ترین واکنش‌های برگشت‌پذیری که در طبیعت اتفاق می‌افتد، واکنش تولید و تجزیه اوزون است. این گاز که در لایه استراتوسفر جو زمین به وسیله اشعه فرابنفش تولید می‌شود، پس از مدت زمانی می‌تواند تجزیه شود. طی این فرآیندها از ترکیب یک اتم اکسیژن با یک مولکول اکسیژن اوزون تشکیل می‌شود. به دلیل ناپایداری مولکول اوزون، این ماده دوباره به اتم رایکال اکسیژن (اکسیژن با ۷ الکترون ظرفیت) و مولکول اکسیژن گازی تجزیه می‌شود. فرمول معادله این واکنش به شکل زیر است.

$2 \mathrm{O}_3 \rightleftharpoons 3 \mathrm{O}_2$

در تصویر زیر چرخه واکنش برگشت‌پذیر اوزون در اتمسفر نمایش داده شده است.

چرخه اوزون (برای مشاهده تصویر در اندازه بزرگ‌تر روی آن کلیک کنید.)

اوزون — از صفر تا صد

انرژی در واکنش های برگشت‌پذیر

اگر یک واکنش برگشت‌پذیر در یک جهت گرماده باشد، در جهت دیگر گرماگیر است. میزان انرژی که به صورت‌های مختلف گرما، نور و ... در واکنش صرف یا دریافت می‌شود در هر دو جهت واکنش با یکدیگر برابر است. برای مثال در واکنش سولفات مس ۲ آبه به سولفات مس بدون آب می‌توانیم این تغییر انرژی را ببینیم. سولفات مس ۲ آبه (آبی‌رنگ) اگر حرارت ببیند، با جذب گرما، مولکول‌های آب خود را از دست می‌دهد و به سولفات مس بدون آب (بی‌رنگ) تبدیل می‌شود. معادله واکنش این فرآیند به شکل زیر است.

$\text{CuSO}_4 \cdot 5 \text{H}_2\text{O}(s) \rightleftharpoons \text{CuSO}_4(s) + 5 \text{H}_2\text{O}(l)$

این واکنش در جهت رفت گرما‌گیر است. به مرور زمان با سرد شدن سولفات مس بدون آب، این ماده دوباره مولکول‌های آب محیط را دریافت کرده و در جهت برگشت پیش می‌رود. واکنش بالا در جهت برگشت گرماده است. تصویر زیر لوله آزمایش حاوی سولفات مس آبدار و خشک را نشان می‌دهد.

پس یکی از راه‌های تشخیص اینکه واکنش برگشت پذیر چیست، بررسی انرژی تبادل شده در واکنش است.

واکنش های برگشت‌پذیر و تعادلی

در قسمت‌های قبل آموختیم واکنش برگشت پذیر چیست. تمامی واکنش‌ها نمی‌توانند برگشت‌پذیر باشند. اما آن واکنش‌هایی که برگشت‌پذیر هستند در هر دو جهت رفت و برگشت به طور همزمان حرکت می‌کنند. این بدان معنا است که واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها تبدیل می‌شوند و به طور همزمان فرآورده‌ها نیز واکنش‌دهنده‌ها را تولید می‌کنند. این واکنش‌ها بسته به نوعی که معادله واکنش نوشته می‌شود با نام‌های واکنش‌ها رفت و برگشت شناخته می‌شوند.

تفاوت واکنش‌های برگشت‌پذیر و تعادلی در سرعت واکنش‌های رفت و برگشت است. سرعت کلی واکنش‌های رفت و برگشت نشان می‌دهد که واکنش به صورت کلی در چه جهتی بیشتر پیش می‌رود. هنگامی که سرعت واکنش‌های رفت و برگشت با یکدیگر برابر می‌شود، گفته می‌شود که واکنش به تعادل رسیده است. در نقطه تعادل به نظر می‌رسد که واکنش متوقف شده باشد اما در حقیقت واکنش درحال انجام است و به همین علت به آن تعادل پویا می‌گویند.

بر خلاف واکنش‌های برگشت‌ناپذیر، واکنش‌های برگشت‌پذیر می‌توانند به تعادل برسند. در این واکنش‌ها، فرآیند شیمیایی در هر دوجهت انجام می‌شود. اگر سرعت واکنش رفت و سرعت واکنش برگشت با یکدیگر برابر باشند واکنش به تعادل رسیده است. برای مثال اگر در ظرفی آب داشته باشیم و به همان میزان و سرعتی که از یک طرف به آن آب اضافه می‌کنیم، از طرف دیگر آن را خارج کنیم آب داخل ظرف یک مقدار مشخص باقی می‌ماند.

واکنش برگشت پذیر چیست؟

تعادل شیمیایی — از صفر تا صد

اصل لوشاتلیه

در قسمت قبلی بیان کردیم که اگر سرعت واکنش‌های رفت و برگشت در واکنش‌های برگشت‌پذیر برابر شود، آن واکنش در حالت تعادل قرار دارد.

این تعادل پویا است به این معنی که واکنش‌ها از حرکت نمی‌ایستند و به طور مداوم و با سرعتی برابر و به طور همزمان در حال انجام شدن هستند. در سیستم‌های تعادلی قانونی به نام قانون لوشاتلیه وجود دارد. این قانون بیان می‌کند که در سیستم‌های تعادلی اگر عاملی تعادل را بهم بزند، واکنش در جهت رفع آن و رسیدن به تعادلی جدید حرکت می‌کند. این عوامل برهم زننده تعادل در واکنش‌های شیمیایی می‌توانند تغییر فشار، تغییر دما یا تغییر غلظت باشند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس اثر هریک از این موارد را بر تعادل واکنش‌های برگشت‌پذیر بررسی می‌کنیم.

اصل لوشاتلیه — به زبان ساده

فیلم آموزش سینتیک واکنش های همگن در مهندسی واکنش های شیمیایی (رایگان) در فرادرس

اثر غلظت

یکی از عواملی که می‌تواند در واکنش‌های شیمیایی تغییر کند، غلظت واکنش هنده‌ها و فرآورده‌ها است. اصل لوشاتلیه بیان می‌کند اگر غلظت مواد واکنش‌دهنده تغییر کند، واکنش در جهت مصرف غلظت واکنش‌دهنده، یعنی مصرف واکنش‌دهنده‌ها و تولید فرآورده‌ها پیش می‌رود تا دوباره به تعادل برسد. به بیان دیگر، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود.

این تغییر در واکنش زیر نشان داده شده است.

$A + 2B \rightleftharpoons C + D$

در واکنش بالا اگر غلظت واکنش‌دهنده A را افزایش دهیم، تعادل واکنش به هم میخورد و واکنش به سمت فرآورده‌ها پیش میرود تا مقادیر غلظت A کاهش یافته و واکنش دوباره به تعادل برسد.

به همین شکل اگر غلظت واکنش‌دهنده B کاهش یابد، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود تا فرآورده‌ها با یکدیگر ترکیب شده و مقادیر بیشتری از واکنش‌دهنده‌ها تولید شود و غلظت کم شده جبران شود. بدین ترتیب واکنش دوباره به تعادل می‌رسد.

تغییر فشار

اثر تغییر فشار تنها به واکنش‌های برگشت‌پذیری مربوط می‌شود که حداقل یکی از واکنش‌دهنده‌ها یا فرآورده‌های آن در حالت گازی باشد. اثر تغییر فشار تنها در حالت گازی ماده محسوس است و بر مواد مایع و جامد اثر چندانی ندارد. مشابه قبل اکر واکنشی را به شکل زیر داشته باشیم و فشار را افزایش دهیم، واکنش باید در جهت کاهش فشار پیش برود تا تعادل دوباره برقرار شود.

$A + 2B \rightleftharpoons C + D$

برای بررسی اثر تغییر فشار باید به تعداد مول واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها توجه کنیم. در واکنش بالا ۳ مول (مولکول) گاز در سمت چپ معادله و دو مول در سمت راست وجود دارد. این بدان معنی است که فشار مولکول‌های گاز در سمت چپ معادله (واکنش‌دهنده‌ها) بیشتر افزایش می‌یابد. پس با افزایش فشار، معادله باید در جهت مصرف واکنش‌دهنده‌ها (در جهت رفت) پیش برود تا افزایش فشار جبران شود.

برای درک بهتر این که اثر فشار بر واکنش برگشت پذیر چیست، به مثال زیر توجه کنید.

در واکنش بالا در سمت واکنش‌دهنده‌ها ۴ مول گاز و در سمت فرآورده‌ها ۲ مول گاز وجود دارد. پس با افزایش فشار، واکنش به سمت مول گاز کمتر (فرآورده‌ها) پیش می‌رود.

به همین ترتیب با کاهش فشار باید واکنش در جهتی پیشرفت کند که فشار افزایش یابد (از راست به چپ) پس با ترکیب فرآورده‌های واکنش، واکنش‌دهنده‌های بیشتری تولید شده، فشار گاز‌های تولید شده افزایش می‌یابد و کاهش فشار واکنش جبران می‌شود.

اثر تغییر دما

برای برررسی اثر تغییر دما باید بررسی کنیم واکنش در چه جهتی گرماگیر است و در چه جهتی گرماده است. واکنش‌های گرماگیر برای انجام شدن نیاز به انرژی حرارتی دارند و واکنش‌های گرماده، انرژی حرارتی را به عنوان یکی از فرآورده‌های واکنش آزاد می‌کنند. به واکنش زیر دقت کنید.

$A + 2B \rightarrow C +D \;\;\; \Delta H = -250 kj mol ^{-1}$

در نگارش واکنش‌ها ممکن است آنتالپی واکنش مانند واکنش بالا با علامتی همراه مقدار آن نمایش داده شود. علامت منفی آنتالپی نشان‌دهنده گرماده بودن واکنش و علامت مثبت آن نشان‌دهنده گرماگیر بودن واکنش است. در این مثال اگر دما افزایش یابد، واکنش باید در جهت مصرف انرژی حرارتی (مصرف فرآورده‌ها) حرکت کند. به همین ترتیب اگر دمای واکنش کاهش یابد، واکنش باید در جهت تولید انرژی حرارتی پیش برود تا اثر کاهش دما خنثی شود. پس در اثر کاهش دما واکنش‌دهنده‌ها بیشتر مصرف می‌شوند تا گرما به همراه فرآورده‌ها آزاد شود.

برای نمایش انرژی حرارتی واکنش‌ها دو روش دیگر نیز وجود دارد. در روش اول، انرژی حرارتی ممکن است با علامت دلتا ( $\Delta$ ) در یک سمت واکنش نشان داده شود. اگر علامت دلتا در سمت واکنش‌دهنده‌ها نوشه شود یعنی واکنش‌دهنده‌ها گرما را مصرف می‌کنند تا به فرآورده‌ها تبدیل شوند. به همین ترتیب اگر علامت دلتا در سمت فرآورده‌های واکنش نوشته شود یعنی انرژی حرارتی همراه فرآورده‌ها تولید شده و واکنش گرماده است. در مثال زیر این شیوه نمایش مشخص شده است.

در نمایش دیگر واکنش‌ها، انرژی حرارتی با علامت ( $\Delta$ ) روی فلش جهت واکنش نوشته می‌شود. این روش نمایش تنها در واکنش‌های یک طرفه (برگشت‌ناپذیر) کاربرد دارد. وجود علامت دلتا روی جهت واکنش، نشان‌دهنده این است که واکنش برای انجام شدن نیاز به انرژی حرارتی دارد (گرماگیر است)

اثر کاتالیست

افزودن کاتالیزور هیچ نقشی در تعادل واکنش ندارد و اصل لوشاتلیه برای آن کاربردی ندارد. این مسئله به این دلیل است که کاتالیزور سرعت واکنش‌های رفت و برگشت را به یک اندازه و همزمان زیاد می‌کند. در نتیجه نمی‌تواند اثری بر تعادل واکنش بگذارد.

تنها اثری که کاتالیزور می‌تواند در تعادل واکنش بگذارد این است که سیستم را زودتر به تعادل برساند. قابل توجه است که تمامی واکنش‌ها به سرعت به تعادل نمی‌رسند و ممکن است این فرآیند مدت زمان زیادی را صرف کند و کاتالیزور به رسیدن به این تعادل کمک کند.

انواع تعادل شیمیایی

در قسمت‌های قبلی اموختیم تعادل در واکنش برگشت پذیر چیست. مواد شرکت‌کننده در واکنش‌های شیمیایی ممکن است در فازهای مختلف ماده (جامد، مایع یا گاز) باشند. تعادل‌های شیمیایی بر اساس حالت مواد شرکت‌کننده در واکنش به دو دسته تعادل همگن و تعادل ناهمگن تقسیم می‌شوند. در ادامه این موارد را بررسی می‌کنیم.

برای یادگیری بیشتر درباره سینتیک واکنش‌های شیمیایی و تعادلی می‌توانید فیلم آموزشی آموزش مهندسی واکنش های شیمیایی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

تعادل همگن

تعادل همگن (هموژن) تعادلی است که در آن تمامی مواد شرکت‌کننده در واکنش از یک نوع فاز باشند. برای مثال همگی گاز یا مایع باشند. در بیشتر موارد فاز انتخابی این واکنش‌ها توسط فاز حلال مشخص می‌شود. برای مثال واکنش سنتز متانول از کربن مونوکسید و هیدروژن، یک واکنش تعادلی همگن است.

فیلم آموزش واکنش های تعادلی شیمیایی در ترمودینامیک (رایگان) در فرادرس

معادله این واکنش به شکل زیر است.

$CO (g)+ 2H_2 (g) \rightleftharpoons CH_3OH (g)$

تعادل ناهمگن

تعادل ناهمگن (هتروژن) تعادلی است که در آن نوع فاز مواد متفاوت است. برای مثال تولید محلول سرب (II) یدید، یک واکنش تعادلی ناهمگن است. معادله این واکنش به شکل زیر است.

$PbI_{2 (s)} \rightleftharpoons Pb^{+2}_{(aq)} + 2I^-_{(aq)}$

ثابت تعادل

در قسمت قبلی توضیح دادیم که در واکنش‌های تعادلی سرعت واکنش رفت و برگشت با یکدیگر برابر خواهد بود. در این واکنش‌ها عبارتی به نام ثابت تعادل بیان می‌شود که میزان نسبت غلظت فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها را در واکنش تعادلی مشخص می‌کند. برای درک این پارامتر به واکنش فرضی تعادلی زیر توجه کنید.

$a \ce{A} + b \ce{B} \rightleftharpoons c \ce{C} + d \ce{D}\nonumber$

با برابر بودن سرعت واکنش رفت و برگشت در واکنش تعادلی، میزان غلظت مواد واکنش‌دهنده و فرآورده ثابت خواهد ماند. ثابت تعادل $\left( K_\text{eq} \right)$ برابر با نسبت ریاضی غلظت فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها است. هر غلظت در این معادله به توان ضریب استوکیومتری آن در معادله واکنش شیمیایی می‌رسد. برای معادله بالا، ثابت تعادل به روش زیر به دست می‌آید.

$K_\text{eq} = \frac{\left[ \ce{C} \right]^c \left[ \ce{D} \right]^d}{\left[ \ce{A} \right]^a \left[ \ce{B} \right]^b}\nonumber$

علامت‌های براکت در معادله بالا نشان‌دهنده غلظت اجزای مختلف است و بر حسب مول بر لیتر بیان می‌شود. مقدار تجربی ثابت تعادل برای هر واکنشی به وسیله آزمایش تجربی به دست می‌آید. این پارامتر به عوامل دما و فشار وابسته است زیرا همانطور که در بخش قبل بررسی کردیم، تغییر این عوامل می‌تواند بر تعادل واکنش تاثیر بگذارد.

مقادیر غلظت در این معادله ثابت خواهند بود. به همیت علت، در شرایط دما و فشار ثابت، عبارت ثابت تعادل مقدار ثابتی خواهد داشت و تغییر نمی‌کند.

ثابت تعادل چیست ؟ — از صفر تا صد + فرمول ها

فیلم آموزش آزمایشگاه شیمی عمومی – به زبان ساده در فرادرس

بررسی اصل لوشاتلیه در واکنش ها

در قسمت‌های قبل آموختیم اثر تعییرات بر تعادل واکنش برگشت پذیر چیست. در ادامه اصل لوشاتلیه را برای دو واکنش واقعی بررسی خواهیم کرد و اثر تغییر شرایط واکنش را بر تعادل آن‌ها توضیح خواهیم داد. در این واکنش‌ها، انجام واکنش با تغییر رنگ‌هایی واضح اتفاق می‌افتد و می‌توان به تعادل رسیدن واکنش‌ها را به وسیله تغییر رنگ آن‌ها تشخیص داد.

واکنش کبالت (II) کلرید هیدراته و خشک

گاهی وقت‌ها برخی از مواد می‌توانند در ساختار مولکولی خود مولکول‌های آب را به دام بیاندازند و آبدار شوند. در اصطلاح به این مواد «هیدارته» گفته می‌شود. یون کبالت (II) در مجاورت آب یون $\text{Co(H}_2\text{O)}_6^{2+}$ آبدار به رنگ صورتی و در مجاورت یون کلرید یون $\text{CoCl}_4^{2-}$ آبی‌رنگ را پدید می‌آورد. این دو یون به شکل همزمان در تعادل در واکنش زیر شرکت می‌کنند و رنگ‌ ترکیبات آن‌ها قابل تشخیص است.

آبی $\text{Co(H}_2\text{O)}_6^{2+} (aq) + 4\text{Cl}^- (aq) \rightleftharpoons 6\text{H}_2\text{O} (l)+ \text{CoCl}_4^{2-} (aq)$ صورتی

رنگ ترکیبات کبالت هگزاهیدرات و تتراکلرید کبالت

این واکنش گرماگیر است. در صورت افزایش دما تعادل واکنش برهم می‌خورد. همچنین، افزودن یون کلر نیز بر غلظت واکنش‌دهنده‌ها و تعادل واکنش اثر خواهد داشت.

با افزودن یون کلر به محلول، غلظت واکنش‌دهنده‌ها افزایش یافته و واکنش به سمت فرآورده‌ها پیش خواهد رفت و محلول آبی‌رنگ می‌شود.
کاهش دمای واکنش باعث تغییر تعادل به سمت واکنش‌ رفت شده و رنگ محلول صورتی می‌شود.

واکنش آهن (III) نیترات و پتاسیم تیوسیانات

یکی دیگر از واکنش‌های برگشت‌پذیر که انجام آن با تغییر رنگ محلول مشخص است، واکنش نیترات آهن (III) با پتاسیم تیوسیانات است. دو ترکیبی که مسئول تولید رنگ در این واکنش هستند یون‌های آهن ۳ بار مثبت و فروتیوسیانات هستند. معادله واکنش این فرآیند در زیر نوشته شده است. در این واکنش یون آهن محلول را به رنگ زرد و فروتیوسیانات محلول را به رنگ قرمز تبدیل می‌کند.

زرد $\mathrm{Fe}^{3+} \mathrm{(aq)} + \mathrm{SCN}^{-} \mathrm{(aq)} \rightleftharpoons \mathrm{Fe(SCN)}^{2+} \mathrm{(aq)}$ قرمز

این واکنش تعادلی با تغییر غلظت یون سیانید مختل می‌شود. همچنین تغییر دما نیز تعادل این واکنش را بر هم می‌زند.

افزودن یون سیانید به محلول واکنش را به طرف رفت پیش می‌برد و محلول به قرمز تغییر می‌کند.
این واکنش یک واکنش گرماده است و افزایش دما باعث تغییر تعادل به سمت واکنش برگشت شده و رنگ محلول به زرد تغییر می‌کند.

شرایط برقراری تعادل

در قسمت‌های قبل اشاره کردیم که واکنش‌ها هنگام رسیدن به تعادل، از حرکت نمی‌ایستند و تعادلی پویا دارند. به این معنا که واکنش‌های رفت و برگشت به طور همزمان و با سرعتی برابر انجام می‌شوند. انجام گرفتن واکنش‌های رفت و برگشت حتی بعد از رسیدن به تعادل نیز ادامه خواهد داشت. با این وجود به دلیل اینکه سرعت این واکنش‌ها با یکدیگر برابر است، تغییر جدیدی در غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها اتفاق نمی‌افتد. شرایط و ویژگی‌های یک واکنش تعادلی در ادامه نام برده شده است.

سیستم واکنش تعادلی باید بسته باشد. به این معنا که هیچ ماده ای‌ نمی‌تواند از واکنش خارج یا به آن وارد شود.
تعادل شیمیایی یک فرآیند پویا است. با وجود این‌که انجام واکنش در تعادل با چشم قابل تشخیص نیست، واکنش رفت و برگشت در حال انجام هستند.
سرعت واکنش‌های رفت و برگشت در تعادل برابر است.
مقدار واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها لزوما برابر نیست. هرچند بعد از رسیدن به تعادل، مقدار واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها مقداری ثابت خواهد داشت.

معنی ارائه شده برای تعادل در این قسمت، تنها برای تعادل بین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها در واکنش شیمیایی بیان می‌شود. تعادل می‌تواند انواع دیگری مانند تعادل فازی و تعادل محلول داشته باشد. تعادل فازی هنگامی اتفاق می‌افتد که یک ماده بین دو فاز در تعادل باشد. برای مثال آب و بخار آب در یک ظرف بسته در صورت برابر بودن سرعت تبخیر و میعان، در تعادل فازی هستند. تعادل محلولی هنگامی اتفاق می‌افتد که یک ماده جامد در یک محلول سیر شده وجود داشته باشد. در این نقطه سرعت انحلال و تبلور مجدد ماده برابر می‌شود. با اینکه این تعادل‌ها با تعادل بیان شده در این مبحث متفاوت هستند، بیشتر قوانین موجود در تعادل شیمیایی برای این تعادل‌ها نیز برقرار است.

پیش بینی جهت واکنش برگشت‌پذیر

حال که اموختیم تعادل واکنش برگشت پذیر چیست، باید تغییر جهت این واکنش‌ها را پیش بینی کنیم. جهت واکنش‌های تعادلی و برگشت‌پذیر با استفاده از مفاهیم ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش انجام می‌شود. در ادامه به توضیح هریک از این موارد می‌پردازیم.

ثابت تعادل

قبلا اشاره کردیم که در بررسی مفاهیم مربوط به واکنش‌های برگشت‌پذیر و تعادلی، مفهومی به نام عبارت ثابت تعادل بیان می‌شود. ثابت تعادل یک واکنش شیمیایی روابط بین واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها را در واکنش تعادلی بیان می‌کند. برای یک واکنش با فرمول شیمیایی زیر عبارت ثابت تعادل نسبتی از غلظت واکنش‌دهنده‌ها را به فرآورده‌ها مشخص می‌کند.

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

در این واکنش عبارت ثابت تعادل که با نماد $K_\text{c}$ نشان داده می‌شود به روش زیر محاسبه می‌شود.

$K_\text c = \dfrac{[\text{C]}^\text{c} \text{[D]}^\text d}{[\text A]^\text a [\text B]^\text b}$

در معادله بالا براکت‌ها نشان دهنده غلظت موارد مشخص شده هستند. حروف کوچک در توان آن‌ها در واقع ضرایب استوکیومتری این مواد هستند. غلظت در این رابطه معمولا بر حسب مولاریته بیان می‌شود. ثابت تعادل همچنین با استفاده از میزان واکنش‌پذیری مواد و فشار جزئی آن‌ها نیز می‌تواند بیان شود. مقادیر ثابت تعادل با این متغیر‌ها متفاوت خواهد بود. ثابت تعادل واکنش‌های همگن در فاز گاز معمولا با استفاده از فشار تعیین می‌شود. برای مثال در یک واکنش تعادلی همگن به شکل زیر، عبارت ثابت تعادل با استفاده از فشار‌های جزئی این مواد تعیین می‌شود.

$aA_{(g)} + bB_{(g)} \rightleftharpoons gG_{(g)} + hH_{(g)}$

عبارت ثابت تعادل برای این واکنش از روش زیر به دست می‌آید. حروف بزرگ نشان‌دهنده نام ماده و حروف کوچک ضرایب استوکیومتری آن‌ها است. P در فرمول بالا نشان‌دهنده فشار جزئی گاز‌ها است.

$K_p= \dfrac{p^g_G \, p^h_H}{ p^a_A \,p^b_B}$

خارج قسمت واکنش

یکی دیگر از پارامتر‌هایی که برای واکنش‌های شیمیایی بیان می‌شود، خارج قسمت واکنش است. خارج قسمت واکنش مقدار عددی نسبت فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها در هر نقطه‌ی واکنش است. مقدار این پارامتر در تمامی نقاط واکنش بجز نقطه تعادل، با ثابت تعادل متفاوت است. عبارت خارج قسمت واکنش با حرف Q نشان داده می‌شود. فرمول محاسبه این پارامتر برای یک واکنش به شکل زیر خواهد بود.

$aA + bB\rightleftharpoons gG + hH$

$Q = \dfrac{[G]^g[H]^h}{[A]^a[B]^b}$

با مقایسه مقادیر ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش می‌توان بررسی کرد که یک واکنش به تعادل رسیده است یا خیر. در زمانی که واکنش به تعادل می‌رسد مقدار ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش با یکدیگر برابر خواهد بود.

با استفاده از مفاهیمی که درباره واکنش‌‌های برگشت‌پذیر و تعادل آن‌ها اموختیم، می‌توانیم جهت پیشرفت این واکنشها را به روش‌های زیر تعیین کنیم.

اگر سرعت واکنش رفت بزرگ‌تر از سرعت واکنش برگشت باشد، تعداد واکنش‌دهنده‌های بیشتری به فرآورده تبدیل می‌شوند و واکنش در جهت رفت پیش می‌رود. در این شرایط $Q < K$ است.
اگر سرعت واکنش برگشت بیشتر باشد، فرآورده‌های بیش‌تری به واکنش‌دهنده تبدیل شده و واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود. در این شرایط $Q > K$ است.
اگر سرعت واکنش رفت و برگشت برابر باشد، میزان فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌های تولید شده برابر بوده و واکنش به طور همزمان در هر دوجهت پیش می‌رود. در این شرایط $Q = K$ است.

خارج قسمت واکنش — به زبان ساده