أثر إضافة أو إزالة المفاعلات في التوازن الكيميائي

فهم التوازن الكيميائي

(أ) التوازن الكيميائي هو حالة دينامية تحدث فيها ردود الفعل الأمامية والعكسية بنفس المعدل، مما يؤدي إلى تركيزات ثابتة من المتفاعلات والمنتجات بمرور الزمن، وهذا التوازن ليس ثابتاً - مليكولات باستمرار، ولكن التركيزات الصافية لا تزال دون تغيير، كما أن حالة التوازن توصف بواقعية + بثابتة التوازن (ك) التي هي نسبة تركيزات المنتجات (المعادلة إلى درجة حرارة عالية من الكفاءة)

K = [C]]c][[D]]d]] /[A]]a]

وهذا المقياس الثابت يوفر مقياسا كميا لمدى التفاعل، كما أن منتجات كبيرة من منتجات K، بينما ترد ردود فعل من جانب شركة K صغيرة، فهما لكيفية تأثير التغييرات الخارجية على هذا التوازن هو أمر أساسي لمراقبة ردود الفعل الكيميائية في كل من البحث والصناعة.

Le Châtelier’s Principle

أما مبدأ " لي شاتلييه " ، الذي صاغه الكيميائي الفرنسي هنري لويس لو شاتيليه في عام ١٨٨٤، فينص على أنه عندما يخضع نظام في التوازن لتغيير في التركيز أو درجة الحرارة أو الضغط )للغازات(، فإن النظام سيحول موقعه إلى عكس جزئيا التغيير وإعادة التوازن، وهذا المبدأ أداة نوعية تنبئ باتجاه التحول.

  • Adding a reactant:] The system will shift to consume the added reactant, favoring the forward reaction and producing more products.
  • Removing a reactant:] The system will shift to replace the removed reactant, favoring the reverse reaction and producing more reactants from products.

والفكرة الأساسية هي أن التوازن " مسؤولون " لتخفيف الضغط الذي يفرضه تغير التركيز، وهذا السلوك يمكن التنبؤ به ومعالجته، مما يجعله حجر الزاوية في تصميم العمليات الكيميائية، وللاطلاع على مزيد من القراءة، انظر Le Châtelier’s Principle on LibreTexts.]

أثر المفاعلات المضافة

وعندما يُدخل قدر إضافي من التفاعلات أو أكثر إلى خليط توازني، يتناقص مقتبس رد الفعل مؤقتاً (إذا كانت المادة المضافة متفاعلة) أو زيادات (إذا أضيفت مادة إلى المنتج، ولكن هنا نركز على المتفاعلات) ومن أجل رد فعل على التوازن، يُحدث الأثر الضارب من نوع Kwardk) بعض المنتجات الصافية من حيث إن المادة المخففة في التعبير عن الكمية ترتفع.

مثال: أمونيا ستينثيسيس (عملية هابر)

(أ) أن يكون التفاعل الصناعي للأمونيا: N2(g) +3H((g)

مثال: هيدروجين إيودايد

Another traditional example: H2(g) + I2 (g) ⁇ 2HI(g). If additional H2

For a more quantitative treatment of the reaction quotient and equilibrium shifts, refer to the Khan Academy tutorial on the reaction quotient.

أثر المفاعلات المنقولة

وعلى العكس من ذلك، إذا أزيل رد الفعل من نظام في التوازن، فإن تركيز هذا النوع من الأنواع ينخفض، مما يجعل رد الفعل يقتبس من التردد Q ⁇ K (بما أن المرشّح يصبح أصغر)، ومن أجل إعادة التوازن، يتحول النظام إلى اليسار، ويفضل رد الفعل العكسي: ستستهلك المنتجات لتجديد ردود الفعل المفقودة، ونتيجة لذلك انخفاض صافي في تركيز المنتجات وبقائها.

مثال: نضوب الهيدروجين في أمونيا

e Returning to the Haber process: if hydrogen gas (H2) is selectively removed from the reactor (e.g., via a membrane or because it is consumed in another side reaction), the equilibrium shifts to the left. Ammonia (NH)(3)

مثال: نسبة المفاعلات في عملية الهابر

In practice, the Haber process uses an excess of N2] relative to the stoichiometric 1:3 ratio. If one deliberately reduces the N]2]]]]]], the system will shift to produce more N2 from NH6

الاعتبارات الكمية: التركيز الرجعي

ويمكن التنبؤ باتجاه ونطاق التحول عند إضافة أو إزالة ردود الفعل باستخدام مقتبس رد الفعل (Q). وفي أي لحظة، يمكن التنبؤ بـ Q = [نتائج] ]/[المفاعلات] [ ] مقارنة الكمية مع K tells us:

  • If Q Q K: the forward reaction is favored (system shifts right).
  • إذا كان رد الفعل العكسي مفضّل (تبدل النظام باليسار).
  • إذا كان Q = K: النظام في التوازن.

وعندما نضيف رد فعل، يزداد تركيزه، مما يجعل القاسم أكبر (بما أنه يظهر في قاسم التعبير الرباعي عن ذلك المتفاعل)، وهكذا يصبح Q أصغر من K، مما يؤدي إلى تحول صحيح، وعندما نزيل رد الفعل، ينخفض القاسم، يصبح Q أكبر من K، ويتحول النظام إلى اليسار.

التطبيقات العالمية الحقيقية

التركيب الصناعي للمواد الكيميائية

التحكم في تركيزات الترددات ضرورية لتحقيق أقصى قدر من الغلة في العديد من العمليات الكيميائية، ويعتمد [التحكُّم في المادة 5] [التحكُّم في المادة 5] على إعادة التدوير المستمر، وإزالة المنتجات غير المربوطة إلى المادة 4.

Environmental Chemistry and Equilibrium Control

Understanding equilibrium shifts is also important in environmental chemistry. For example, the dissolution of CO2[FLT:] in oceans involves the equilibrium: CO2[FLT:]([drT:]

النظم الكيميائية الحيوية

وفي الكائنات الحية، كثيرا ما تعمل ردود الفعل التي تصيب الأنزيمات المسببة للعضلات بالقرب من التوازن، وتنظم بشدة تركيزات المصانع الفرعية لتسير اتجاه الممرات الأيضية، وعلى سبيل المثال، في الممر اللامعي، يخضع تحويل مادة غاز الغدد الصماء إلى فوسفات كبريتية متطورة في الهواء الطلق للسيطرة على التركيزات النسبية لهذه المادة.

الآثار العملية في المختبر

ويتلاعب الكيميائيون بتركيزات تفاعلية في كثير من الأحيان لدفع ردود الفعل إلى الإنجاز أو إلى دراسة آليات الرد، وعلى سبيل المثال، في رد فعل مخفف (حامض الكبريتيك + ماء) مما يضيف فائضاً إما عن الحمض أو الكحول يتحول إلى التعادل إلى الحق أو زيادة غلة المحترم.() وعلى العكس من ذلك، فإن إزالة المياه (استخدام جهاز ديني - ستارك) المعروف أيضاً.

موجز المفاهيم الرئيسية

  • Adding reactants] shifts equilibrium toward products (forward reaction favoured), increasing product concentration.
  • Removing reactants] shifts equilibrium toward reactants (reverse reaction favored), declining product concentration and increasing remaining reactant levels.
  • ويُتوقع اتجاه التحول بمقارنة مع اقتباس رد الفعل (Q) مع ثبات التوازن (K).
  • وتطبق هذه المبادئ في العمليات الصناعية (عملية البحـر، وعملية الاتصال، وعملية الاستوالد)، والتنظيم البيئي، والمسارات الكيميائية الحيوية، والتوليف المختبري.
  • ومبدأ " لي شاتيلير " هو الدليل النوعي، في حين أن العلاقة بين Q/K توفر أداة كمية لحساب وظائف التوازن الجديدة.

(ج) إن استخلاص أثر تغيرات التركيز المتفاعلة على وضع التوازن يخول الكيميائيين تصميم ردود فعل فعالة، وتحقيق أقصى قدر من الغلة، وفهم النظم الكيميائية الطبيعية والصناعية، ولزيادة الاستكشاف، يتشاورون مع الموارد الموثوقة مثل Encyclopædia Britannica’s entry on Le Châtelier’s principle.]