عوامل موثر بر تعادل شیمیایی – به زبان ساده

تعادل شیمیایی زمانی رخ می‌دهد که در یک واکنش شیمیایی برگشت‌پذیر، سرعت واکنش‌های رفت و برگشت با هم برابر می‌شود. تغییر دادن غلظت مواد، دما،‌ فشار،‌ افزودن کاتالیزور یا ساختار ذاتی مواد می‌تواند این تعادل را بر هم بزند. تعادل بر هم خورده شده با پیشرفت واکنش در یکی از جهت‌های رفت یا برگشت جبران شده و تعادل جدیدی تشکیل می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم عوامل موثر بر تعادل شیمیایی چیست.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم منظور از عوامل موثر بر تعادل شیمیایی چیست. سپس مفاهیم تعادل در واکنش شیمیایی و اصل لوشاتلیه را مرور می‌کنیم. در ادامه، با مفاهیم ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش و محاسبه آن‌ها آشنا می‌شویم و می‌آموزیم چگونه با استفاده از این موارد، جهت تغییر تعادل را پیش‌بینی کنیم. در نهایت اثر تغییر فشار و حجم کل را بر تعادل بررسی کرده و دلیل اهمیت تعادل شیمیایی را می‌آموزیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید عوامل موثر بر تعادل شیمیایی چیست.

عوامل موثر بر تعادل شیمیایی

عوامل موثر بر تعادل شیمیایی، عواملی مانند غلظت مواد، دما، فشار، کاتالیزگر و طبیعت مواد هستند که با تغییر آن‌ها، تعادل واکنش نیز تغییر می‌کند. در ادامه، عوامل موثر بر تعادل شیمیایی آورده شده است.

• تغییر غلظت
• تغییر دما
• تغییر فشار (واکنش‌های شامل گاز)
• افزون کاتالیزگر
• خاصیت مواد

اثر هر یک از این موارد بر تعادل شیمیایی، به عوامل مختلفی مانند ذات واکنش، مقدار انرژی ترمودینامیکی آن، حالت مواد موجود در واکنش و ... بستگی دارد. برای مثال،‌ در واکنش‌های گرماده، اثر دما بر تعادل متفاوت از واکنش‌های گرماگیر است. اثر این عوامل بر تعادل شیمیایی در ادامه به صورت خلاصه آورده شده است.

برای درک بهتر اثر این عوامل بر تعادل شیمیایی، ابتدا بهتر است مروری بر مفهوم تعادل شیمیایی و واکنش تعادلی داشته باشیم.

تعادل در واکنش شیمیایی

در قسمت قبل آموختیم عوامل موثر بر تعادل شیمیایی چه مواردی هستند. واکنش‌های شیمیایی از مواد واکنش‌دهنده و فرآورده‌ها تشکیل شده‌اند. در واقع، واکنش‌دهنده‌ها با هم واکنش می‌دهند و فرآورده‌ها را تولید می‌کنند. اگر واکنش برگشت ناپذیر باشد، پس از تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها واکنش متوقف می‌شود. اما اگر واکنش برگشت پذیر باشد، فرآورده‌های واکنش می‌توانند با هم ترکیب شده و واکنش‌دهنده‌ها را تولید کنند.

در واکنش‌های برگشت پذیر، در صورت وجود شرایط مناسب، سرعت واکنش رفت (تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها) با سرعت واکنش برگشت ( تبدیل فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها) می‌تواند با هم برابر شود. به پدیده برابر شدن این دو سرعت، تعادل واکنش شیمیایی گفته می‌شود. در واقع در واکنش تعادلی، غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها تغییر نمی‌کند و سرعت واکنش رفت و برگشت صفر نیست بلکه برارب است.

طبق معادله سرعت، سرعت واکنش تعادلی با استفاده از معادله زیر تعیین می‌شود. این سرعت‌ها در تعادل شیمیایی ثابت است و تغییر نمی‌کند. اگر عاملی در واکنش تغییر کرده و این تعادل بر هم بخورد، طبق اصل لوشاتلیه، واکنش در جهت پیدا کردن یک تعادل جدید پیش می‌رود.

$$\text{R} = k[A]^m[B]^n$$

یادگیری شیمی دوازدهم با فرادرس

برای درک بهتر عوامل موثر بر تعادل شیمیایی، ابتدا نیاز است با مواردی چون مفهوم واکنش شیمیایی، واکنش برگشت پذیر، گرمای واکنش، قانون گازها، حالت مواد و سرعت واکنش آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دوازدهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این موارد می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه عوامل موثر بر تعادل شیمیایی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم و گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس

اصل لوشاتلیه چیست؟

اصل لوشاتلیه بیان می‌کند که هر تغییری در هر یک از اجزای یک تعادل شیمیایی، تعادل را در جهتی جابه‌جا می‌کنند تا تغییر ایجاد شده رفع شود. این اصل برای پیش‌بینی تغییرات کیفی در یک تعادل شیمیایی در یک سامانه تعادلی بسیار کاربردی است. تعادل‌های فیزیکی و شیمیایی هر دو تحت این اصل بررسی و پیش‌بینی می‌شوند.

عواملی مانند دما، فشار و غلظت در سیستم‌های تعادلی همگی عواملی هستند که می‌توانند بر تعادل اثر بگذارنند. در ادامه، نحوه اثر هر یک از این عوامل بر تعادل را با مثال‌های عینی بررسی می‌کنیم.

اثر غلظت بر تعادل شیمیایی

غلظت و تغییر آن یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر تعادل شیمیایی است. اگر غلظت هر یک از مواد واکنش‌دهنده یا فرآورده در یک واکنش تعادلی تغییر کند، تعادل واکنش در جهتی پیش می‌رود تا تغییر غلظت انجام شده را جبران کند. این اثر را می‌توان به شکل‌های زیر توضیح داد.

• در اثر افزایش غلظت واکنش‌دهنده‌ها، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود.
• در اثر افزایش غلظت فرآورده‌ها، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود.
• در اثر کاهش غلظت واکنش‌دهنده‌ها، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود.
• در اثر کاهش غلظت فرآرده‌ها، واکنش در جهت رفت پیش می‌ورود.

در تمامی چهار احتمال بالا، واکنش در جهتی پیش می‌رود که کاهش یا افزایش غلظت به وجود آمده را جبران کند. برای درک بهتر این اثر، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

در واکنش زیر، با افزایش غلظت هیدروژن، تعادل به چه سمتی جابه‌جا می‌شود؟

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$

پاسخ

اگر در این واکنش، مقدار غلظت هیدروژن زیاد شود، تعادل جابه‌جا می‌شود. ابتدا باید بررسی کنیم هیدروژن در سمت فرآورده‌ها قرار گرفته است یا در سمت واکنش‌دهنده‌ها. سپس تشخیص دهیم که واکنش باید در چه جهتی پیش برود تا تغییر ایجاد شده جبران شود و غلظت هیدروژنِ اضافه شده، کم شود.

هیدروژن در سمت واکنش‌دهنده‌ها قرار دارد و با افزایش غلظت آن واکنش باید در جهت رفت پیش برود تا به تعادل جدیدی برسیم. پس تعادل به راست (در جهت رفت) جابه‌جا می‌شود.

مثال ۲

در واکنش مثال قبل، با کاهش غلظت آمونیاک، واکنش در چه جهتی پیش می‌رود؟

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$

پاسخ

آمونیاک در سمت فرآورده‌ها قرار دارد. اگر غلظت آمونیاک کم شود، واکنش باید در جهتی پیش برود تا این غلظت افزایش یافته و تغییر ایجاد شده جبران شود. بنابراین واکنش در جهت رفت (به سمت راست) پیش می‌رود تا آمونیاک بیشتری تولید شود.

اثر دما بر تعادل شیمیایی

دما و تغییر آن در بیشتر موارد یکی از عوامل موثر بر واکنش‌های شیمیایی گرماگیر و گرماده است. بر اساس قانون لوشاتلیه، اگر دمای یک سامانه تعادلی افزایش یابد، واکنش در جهت کاهش دما اگر دما کاهش یابد واکنش در جهت افزایش دما پیش می‌رود. جهت دقیق پیشرفت واکنش پس از تغییر دما، به گرماده یا گرماگیر بودن واکنش بستگی دارد. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری روش تشخیص واکنش گرماده و گرماگیر، مطلب تشخیص واکنش گرماده و گرماگیر مجله فرادرس را مطالعه کنید.

در واکنش گرماده، گرما در نتیجه واکنش و همراه فرآورده‌ها تولید می‌شود. در واکنش گرماگیر، گرما توسط واکنش‌دهنده‌ها مصرف می‌شود. بنابراین، در واکنش گرماده، گرما در سمت فرآورده‌ها قرار دارد و در واکنش گرماگیر، گرما در سمت واکنش‌دهنده‌ها قرار دارد. اثر دما بر تعادل شیمیایی را می‌توان به شکل زیر توضیح داد.

• در اثر افزایش دما در واکنش گرماگیر، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود.
• در اثر کاهش دما در واکنش گرماگیر، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود.
• در اثر افزایش دما در واکنش گرماده، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود.
• در اثر کاهش دما در واکنش گرماده، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود.

این روند تاثیر دما بر واکنش را بر اساس علامت آنتالپی واکنش نیز می‌توان بررسی کرد. در واکنش‌های گرماگیر، علامت آنتالپی واکنش مثبت و در واکنش‌های گرماده، علامت آنتالپی واکنش منفی است. بنابراین، با کاهش دما ثابت تعادل واکنش گرماده کاهش پیدا کرده و ثابت تعادل واکنش گرماگیر افزایش پیدا می‌کند. این موارد در تصویر زیر به صورت خلاصه نشان داده شده است.

برای درک بهتر اثر دما بر تعادل شیمیایی، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

به واکنش زیر دقت کنید. در صورت افزایش دمای واکنش، تعادل چه تغییری می‌کند؟

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) + 92\ \text{kJ}$$

پاسخ

در واکنش شیمیایی بالا، مقدار گرما در سمت فرآورده‌ها نوشته شده است. این بدین معنی است که این واکنش گرماده است و گرما به عنوان یکی از فرآورده‌های واکنش تولید می‌شود. با افزایش دمای واکنش، تعادل به سمتی پیش می‌رود که دمای افزوده شده را مصرف کند. در نتیجه، واکنش به سمت برگشت پیش رفته و تعادل به سمت چپ جابه‌جا می‌شود.

مثال ۲

به واکنش زیر دقت کنید. در صورت افزایش دمای واکنش، تعادل چه تغییری می‌کند؟

$$N_2O_4(g) + 58\ \text{kJ} \rightleftharpoons 2NO_2(g)$$

پاسخ

در این واکنش، مقدار گرما در سمت واکنش‌دهنده‌ها نوشته شده است. این بدین معناست که واکنش گرماگیر بوده و گرما به عنوان یک واکنش‌دهنده مصرف می‌شود. در صورت افزایش دما، تعادل به سمتی پیش می‌رود تا گرمای افزوده شده را مصرف کند. در نتیجه واکنش در سمت رفت پیش رفته و تعادل به راست جابه‌جا می‌شود.

اثر فشار بر تعادل شیمیایی

تغییر فشار در واکنش‌هایی که تمامی اجزای آن در فاز مایع یا محلول و جامد هستند، تاثیر بسزایی بر تعادل ندارد. اما در واکنش‌هایی که حداقل یکی از اجزای آن در فاز گاز هستند، تغییر فشار از مهم‌ترین عوامل موثر بر تعادل شیمیایی است. در این واکنش‌ها، تعداد مول‌های گاز موجود در سمت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها باید برای پیش‌بینی جهت تغییر تعادل، بررسی شود. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر تمامی عوامل موثر بر تعادل و اصل لوشاتلیه، فیلم آموزش واکنش‌های ناهمگن و تعادل‌های شیمیایی فرادرس که لینک آن در ادامه اورده شده است را مشاهده کنید.

اگر تعداد مول گاز در سمت فرآورده بیشتر باشد، کاهش فشار باعث پیشرفت واکنش در جهت رفت می‌شود و افزایش فشار باعث پیشرفت واکنش در جهت برگشت می‌شود. عکس این موضوع نیز صحیح است. اثر فشار بر تعادل شیمیایی را می‌توان به صورت زیر توضیح داد:

• در اثر افزایش فشار، واکنش به سمت تعداد مول گاز کمتر پیش می‌رود.
• در اثر کاهش فشار، واکنش به سمت تعداد مول گاز بیشتر پیش می‌رود.

برای درک بهتر این موضوع، به واکنش زیر دقت کنید.

$$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$$

اگر در این واکنش فشار افزایش پیدا کند، تعادل به سمت تعداد مول کمتر گاز (کاهش فشار اعمال شده) حرکت خواهد کرد. در این واکنش در سمت واکنش‌دهنده‌ها، ۳ مول گاز و در سمت فرآورده‌ها ۲ مول گاز وجود دارد. در نتیجه، تعادل به سمت راست (تولید فرآورده‌ها) پیش خواهد رفت. برای درک بهتر این موضوع به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

در واکنش زیر، اگر فشار موجود بر محیط واکنش افزایش یابد، تعادل شیمیایی چه تغییری می‌کند؟

$$NH_4Cl(s) \rightleftharpoons NH_3(g) + HCl(g)$$

پاسخ:

در این واکنش، در سمت واکنش‌دهنده‌ها تنها یک ماده جامد و در سمت فرآورده‌ها ۲ مول ماده گازی داریم. در نتیجه، در صورت افزایش فشار، تعادل به سمت تعداد مول گازی کمتر یعنی سمت واکنش‌دهنده‌ها حرکت خواهد کرد. در نتیجه، تعادل به چپ جابه‌جا می‌شود.

مثال ۲

در واکنش زیر، اگر فشار موجود در واکنش کاهش یابد، تعادل چه تغییری می‌کند؟

$$2HI(g) \rightleftharpoons H_2(g) + I_2(g)$$

پاسخ:

در این واکنش، ۲ مول ماده گازی در سمت واکنش‌دهنده‌ها و ۲ مول ماده گازی در سمت فرآورده‌ها وجود دارد. در نتیجه، تعداد مول‌های گاز در دو سمت واکنش برابر بوده و با کاهش یا افزایش فشار، مکان تعادل واکنش تغییری نمی‌کند و بر هم نمی‌خورد.

اثر کاتالیزور بر تعادل شیمیایی

کاتالیزگر سرعت واکنش را زیاد می‌کند اما تعادل را تغییر نداده و بر مقدار ثابت تعادل اثری نمی‌گذارد. کاتالیزگر ماده‌ای است که خود در واکنش شیمیایی شرکت نمی‌کند اما می‌تواند سرعت انجام واکنش را با کاهش انرژی فعال‌سازی، افزایش دهد. اثر کاتالیزگر در افزایش سرعت واکنش رفت و برگشت به صورت همزمان اتفاق می‌افتد.

بنابراین، کاتالیزگر می‌تواند سرعت رسیدن به نقطه تعادل واکنش را افزایش دهد. اما از آنجا که کاتالیزگر خود در واکنش شرکت نمی‌کند، اثری بر جابه‌جایی نقطه تعادل واکنش ندارد. برای مثال، کاتالیزور آهن در واکنش فرآیند‌هابر مقدار سرعت تشکیل آمونیاک را افزایش می‌دهد اما اثری بر بازده نهایی واکنش ندارد. در واقع، کاتالیزگر سرعت انجام واکنش رفت و برگشت را به یک اندازه زیاد می‌کند. اثر کاتالیزگر بر میزان انرژی و واکنش در نمودار زیر نمایش داده شده است.

در این نمودار، حروف نوشته شده به معنای زیر هستند:

• $$E_{af}$$: انرژی فعالسازی
• Catalyst: کاتالیزگر
• R: واکنش‌دهنده
• P: فرآورده

اثر خواص مواد بر تعادل شیمیایی

خواص مواد و حالت فیزیکی آن‌ها می‌تواند بر تعادل واکنش اثر بگذارد. برای مثال، مواد گازی نسبت به تغییر فشار در واکنش حساس‌تر از مواد مایع و جامد هستند. همچنین، موادی که به شدت واکنش‌پذیر هستند یا موادی با ساختار مولکولی خاص و متفاوت، می‌توانند تعادل واکنش را جابجا کنند و بر سرعت واکنش نیز اثر بگذارند.

ثابت تعادل و خارج قسمت واکنش

ثابت تعادل یک رابطه ریاضی است که غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها را در حالت تعادل به یکدیگر مرتبط می‌کند. این مقدار، نسبت غلظت فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها را در تعادل نشان می‌دهد که هر کدام به توان ضرایب استوکیومتری خود رسیده‌اند. برای یک واکنش کلی به فرم زیر، ثابت تعادل بدین صورت تعریف می‌شود:

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

$$\mathit {K}_c = { \frac {\left [ C \right ]^c \left [ D \right ]^d} {\left [ A \right ]^a \left [ B \right ]^b} }$$

در این عبارت، پارامترها به صورت زیر تعریف می‌شوند. همچنین، اگر ثابت تعادل از ۱ بزرگ‌تر باشد، نشان می‌دهد که در حالت تعادل، تشکیل فرآورده‌ها غالب است. اگر ثابت تعادل از ۱ کوچکتر باشد، نشان می‌دهد که در حالت تعادل، واکنش‌دهنده‌ها غالب هستند.

• $$K_c$$: ثابت تعادل
• $$[C]^c [ D ]^d$$: غلظت تعادلی فرآورده‌ها
• $$[ A ]^a [ B ]^b$$: غلظت تعادلی واکنش‌دهنده‌ها
• حروف انگلیسی کوچک: ضرایب استوکیومتری مواد

ثابت تعادل واکنش های گازی

در واکنش‌های فازی گازی، ثابت تعادل می‌تواند بر اساس فشار جزئی مواد نیز تعریف شود. مقدار ثابت تعادل نشان می‌دهد که در حالت تعادل، واکنش بیشتر به سمت فرآورده‌ها یا واکنش‌دهنده‌ها متمایل است. ثابت تعادل به دما وابسته است و با تغییر دما، مقدار آن نیز تغییر می‌کند. ثابت تعادل در واکنش‌های گازی به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

$$\mathit {K}_p = { \frac {\left ( P_C \right )^c \left ( P_D \right )^d} {\left (P_A \right )^a \left ( P_B \right )^b} }$$

در این عبارت، پارامترها به صورت زیر تعریف می‌شوند.

• $${K}_p$$: ثابت تعادل بر حسب فشارهای جزئی
• $$P_A, P_B, P_C, P_D$$: فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها در حالت تعادل

خارج قسمت واکنش

خارج قسمت واکنش یک عبارت ریاضی مشابه ثابت تعادل است، با این تفاوت که نسبت غلظت‌ها یا فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها را در هر لحظه از پیشرفت واکنش و نه فقط در حالت تعادل توصیف می‌کند.

برای یک واکنش کلی به فرم زیر، خارج قسمت واکنش به صورت زیر تعریف می‌شود:

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

$$\mathit {Q}_c = { \frac {\left [ C \right ]^c \left [ D \right ]^d} {\left [ A \right ]^a \left [ B \right ]^b} }$$

در این عبارت، پارامترها به صورت زیر تعریف می‌شوند.

• Q: خارج‌قسمت واکنش بر حسب غلظت‌ها
• $${\left [ C \right ]^c \left [ D \right ]^d} {\left [ A \right ]^a \left [ B \right ]^b}$$: غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها را در هر لحظه از زمان نشان می‌دهد، نه لزوما در حالت تعادل

این عبارت مانند ثابت تعادل برای واکنش‌های گازی نیز،‌ به شکل زیر تعریف می‌شود.

$$\mathit {Q}_p = { \frac {\left ( P_C \right )^c \left ( P_D \right )^d} {\left (P_A \right )^a \left ( P_B \right )^b} }$$

در این عبارت، پارامترها به صورت زیر تعریف می‌شوند.

• $${Q}_p$$: خارج‌قسمت واکنش بر حسب فشارهای جزئی
• $$P_A, P_B, P_C, P_D$$: فشارهای جزئی واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها

استفاده از خارج قسمت واکنش برای پیش بینی تعادل

برای پیش‌بینی جهت پیشرفت یک واکنش، خارج‌قسمت واکنش شاخصی قابل‌اعتماد است که مسیر حرکت سیستم به سوی تعادل را به‌ روشنی نشان می‌دهد و امکان پیش‌بینی نتیجه نهایی را فراهم می‌کند.

• (Q=K) اگر سیستم در تعادل باشد: هیچ تغییر خالصی در غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها رخ نمی‌دهد. در این حالت مقدار Q با مقدار K برابر است.
• (Q<K) اگر غلظت واکنش‌دهنده‌ها نسبت به فرآورده‌ها بیشتر باشد: سیستم در تعادل نیست و واکنش برای رسیدن به تعادل به سمت راست، یعنی به‌سوی تشکیل فرآورده‌ها، جابه‌جا می‌شود.
• (Q>K) اگر غلظت فرآورده‌ها نسبت به واکنش‌دهنده‌ها بیشتر باشد: سیستم در تعادل نیست و واکنش برای برقراری تعادل به سمت چپ، یعنی به‌سوی واکنش‌دهنده‌ها، حرکت می‌کند.

شیمیدانان می‌توانند با تغییر غلظت واکنش‌دهنده‌ها یا فرآورده‌ها، جهت واکنش را به‌صورت هدفمند کنترل کنند، زیرا سیستم همواره تمایل دارد به حالت تعادل برسد. خارج‌قسمت واکنش ابزاری کاربردی برای پیش‌بینی جهتی است که واکنش برای دستیابی به تعادل طی می‌کند.

در حالی که مقدار ثابت تعادل در یک دمای مشخص ثابت است، خارج‌قسمت واکنش در طول پیشرفت واکنش تغییر می‌کند تا در نهایت، هنگام برقراری تعادل، با مقدار ثابت تعادل برابر شود. با مقایسه این دو مقدار می‌توان وضعیت فعلی مخلوط واکنش را نسبت به جایگاه تعادل به‌خوبی ارزیابی کرد.

مثال پیش بینی تعادل با خارج قسمت واکنش

برای درک بهتر آنچه در قسمت قبل آموختیم، واکنش زیر را در نظر بگیرید.

$$N_{2(g)}+3H_{2(g)} \rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$$

مقدار ثابت تعادل برای این واکنش در دمای ۵۴۰ کلوین برابر با ۰٫۰۰۲۱۴ است. تحت شرایط تعادل واکنش، فشار جزئی آمونیاک برابر با ۰٫۴۵۴ اتمسفر و فشار جزئی هیدروژن برابر با ۲٫۳۱۹ اتمسفر و فشار جزئی نیتروژن برابر با ۰٫۷۷۳ اتمسفر است. اگر در این شرایط، یک اتمسفر به فشار هیدروژن افزوده شود، تعادل باید به سمت مصرف فشار افزوده شده یعنی سمت فرآورده‌ها پیش برود. این مسئله را با استفاده از خارج قسمت واکنش بررسی می‌کنیم.

خارج قسمت واکنش به شکل زیر محاسبه می‌شود.

$$Q_p=\dfrac{(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})(P_{H_2})^3}=\dfrac{(0.454)^2}{(0.773)(2.319+1.00)^3}=7.29 \times 10^{-3}$$

بنابر این مقدار خارج قسمت واکنش از مقدار ثابت تعادل کمتر است و واکنش به سمت فرآورده‌ها پیش می‌رود.

اثر فشار و حجم کلی بر تعادل شیمیایی

به دلیل تراکم‌ناپذیری مایعات، تغییر فشار بالای یک محلول مایع،‌ اثر کمی بر مواد محلول در آن را دارد. همچنین، تغییر در فشار خارجی اثر بسیار ناچیزی بر سیستم‌های تعادلی شامل مایعات و جامدات را دارد.

در مقابل، در واکنش‌هایی که شامل مواد گازی هستند، به دلیل تراکم‌پذیری گازها، غلظت به شدت با تغییر حجم و فشار تغییر می‌کند. وابستگی غلظت گاز به فشار و حجم را با استفاده از قانون گاز ایده آل می‌توان به شکل زیر نمایش داد.

$$C=\dfrac{n}{V}=\dfrac{P}{RT}$$

بدین ترتیب، غلظت مواد گازی واکنش‌دهنده یا فرآورده به صورت مستقیم با فشار وارد شده و به شکل عکس با حجم کلی در ارتباط است. بنابراین، مکان تعادل در سیستم‌های حاوی مواد گازی، نسبت به تغییرات حجم، فشار و دما حساس است. برای درک بهتر این موارد، به واکنش زیر دقت کنید.

$$N_2O_4 \rightleftharpoons 2 NO_2$$

مقدار ثابت تعادل و خارج قسمت در زمان تعادل این واکنش به شکل زیر نوشته می‌شود.

$$Q = K = \dfrac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}$$

اگر مقدار حجم کلی نصف شود، غلظت مواد ۲ برابر می‌شود. بنابراین خارج قسمت جدید به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

$$Q=\dfrac{(2[NO_2]_i)^2}{2[N_2O_4]_i}=\dfrac{4([NO_2]_i)^2}{2[N_2O_4]_i}=2K$$

به دلیل بزرگتر بودن مقدار خارج قسمت واکنش از ثابت تعادل، تعادل بر هم خورده و واکنش به سمت واکنش‌دهنده‌ها پیش می‌رود تا کاهش حجم اعمال شده را جبران کند و به تعادل جدیدی برسد.

اهمیت تعادل شیمیایی

درک تعادل شیمیایی برای بهینه‌سازی بسیاری از فرایندهای طبیعی و صنعتی ضروری است. برای درک بهتر اهمیت این پدیده، مثال‌هایی از تعادل شیمیایی در زندگی واقعی در ادامه آورده شده است.

• تنفس و انتقال اکسیژن: اتصال هموگلوبین به اکسیژن در خون بر پایه تعادل میان هموگلوبین اکسیژن‌دار و بدون اکسیژن انجام می‌شود. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{Hb + O_2 \rightleftharpoons HbO_2}$$

• واکنش‌های اسید و باز: سامانه‌های بافری در بدن، مانند بافر بی‌کربنات خون، از طریق تعادل میان اسید ضعیف و باز مزدوج آن، pH را تنظیم می‌کنند. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$$

• فتوسنتز: در گیاهان، تعادل میان کربن دی اکسید آب و گلوکز نقش اساسی در فرایند فتوسنتز دارد. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{6CO_2 + 6H_2O \rightleftharpoons C_6H_{12}O_6 + 6O_2}$$

• تولید آمونیاک (فرایند‌هابر): یکی از مهم‌ترین کاربردهای صنعتی تعادل شیمیایی در تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن است. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$$

• یونش آب: تعادل میان مولکول‌های آب و یون‌های هیدرونیوم و هیدروکسید در بسیاری از فرایندهای شیمیایی و زیستی اهمیت دارد. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-}$$

• سامانه کربنات در اقیانوس‌ها: تعادل میان کربن دی اکسید محلول، اسید کربنیک و یون‌های بی‌کربنات و کربنات، pH اقیانوس و ذخیره کربن را تنظیم می‌کند. واکنش تعادلی این پدیده به شکل زیر است.

$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^- \rightleftharpoons 2H^+ + CO_3^{2-}}$$

• تاخوردگی پروتئین‌ها: شکل‌گیری ساختار فعال پروتئین‌ها نتیجه تعادل میان حالت‌های مختلف مولکولی آن‌ها است.
• اتصال دارو به گیرنده‌ها: عملکرد بسیاری از داروها به تعادل میان دارو و گیرنده‌های زیستی وابسته است.
• انحلال گازها در مایعات: قانون هنری تعادل میان گاز حل‌شده در مایع و گاز موجود در فاز گازی مانند اکسیژن یا کربن دی اکسید در آب را توصیف می‌کند.
• سلول‌های الکتروشیمیایی: در باتری‌ها و پیل‌های سوختی، تولید برق بر اساس تعادل میان واکنش‌های اکسایش و کاهش انجام می‌شود.

آزمون عوامل موثر بر تعادل شیمیایی

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم عوامل موثر بر تعادل شیمیایی چه مورادی هستند. برای درک بهتر آنچه در این مطلب آموختید، به سوالات زیر پاسخ دهید. در نهایت پس از پاسخگویی به تمامی سوالات، می‌توانید با کلیک بر روی گزینه «دریافت نتیجه آزمون» تعداد پاسخ‌های صحیح خود را مشاهده کنید.