العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي - الكيمياء2-2 - ثاني ثانوي

www.icm.edu.sa 4-2 الأهداف العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي تصف العوامل المتعددة التي Factors Affecting Chemical Equilibrium تؤثر في الاتزان الكيميائي. تفسر كيف يطبق مبدأ لوتشاتلييه على أنظمة في حالة اتزان. مراجعة المفردات سرعة التفاعل التغير في تركيز متفاعل أو ناتج في وحدة الفكرة الرئيسة عندما تطرأ تغييرات على نظام متزن يزاح إلى موضع اتزان جديد. الربط مع الحياة عندما يتساوى الطلب على منتج ما مع المعروض من هذا المنتج يبقى السعر ثابتا. أما إذا زاد الطلب على المنتج فإن سعر المنتج سوف يزيد. ويصبح السعر ثابتا مرة أخرى عندما يصل العرض والطلب إلى حالة اتزان وهذا يشبه تصرف الأنظمة في حالة الاتزان. مبدأ لوتشا تلييه Le Châtelier's Principle الزمن. ويحسب عادةً بوحدة افترض أن غازي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون من النواتج الجانبية لعملية صناعية. وأن مول لكل لتر في الثانية. الكيميائيين في الشركة يعتقدون أنه يمكن دمج الغازين لإنتاج وقود الميثان CH. فعند وضع كل المفردات الجديدة مبدا لوتشاتلييه من غاز أول أكسيد الكربون CO وغاز الهيدروجين H في وعاء مغلق عند درجة حراره 1200K، يصل التفاعل الطارد للحرارة (206.5 - AH إلى حالة الاتزان. CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) AH-206.5 kJ 0.30000 M 0.10000 M 0.05900 M 0.02000 M Keq = = [CH][H20] _ (0.05900) (0.02000) = 3.933 (0.30000) (0.10000) 3 [CO][H2]³ ولأن تركيز الميثان mol /L 0.0590 قليل جدا فإنه لا يمكن استعماله عمليا. فهل يمكن لعلماء الكيمياء التحكم في موضع الاتزان للحصول على كمية أكبر من الميثان ؟ يشبه هذا عداء يركض على آلة المشي، كما في الشكل ،10-4، فإذا زاد العداء سرعة الآلة فإن عليه زيادة سرعته للعودة إلى حالة الاتزان. 000. 006 وزارة التعليم Mini377 Education 2073-1445 الشكل 10-4 يزيد العداء من سرعة آلة المشي تدريجيا، لذا عليه عند كل زيادة أن يزيد سرعة ركضه ليحقق اتزانه على الآلة مرة أخرى وبشكل مماثل يمكن لعالم الكيمياء تغيير ظروف التفاعل عند الاتزان لزيادة كمية النواتج

تجربة عملية المطويات . في عام 1888م اكتشف العالم الفرنسي هنري لويس لوتشاتلييه Le chatielier أن هناك طرائق أضف معلومات من هذا للتحكم في الاتزان لجعل التفاعل أكثر إنتاجا. وقد طرح ما يسمى الآن مبدأ لوتشاتلييه: إذا بذل جهد القسم إلى مطويتك. على نظام في حالة اتزان فإن ذلك يؤدي إلى إزاحة النظام في اتجاه يخفف أثر هذا الجهد. والجهد هو أي تغيير يؤثر في اتزان نظام معين. تطبيق مبدأ لوتشاتليه Applying Le Châtelier's Principle التفاعلات الانعكاسية ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة كيف يمكن للكيميائي الصناعي تطبيق مبدأ لوتشاتلييه لزيادة إنتاج الميثان؟ إنه يحتاج إلى تعديل أي من العوامل التي من شأنها أن تؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو النواتج في التفاعل. عين الإثرائية التغير في التركيز يؤثر تغيير تراكيز النواتج أو المتفاعلات في الاتزان؛ إذ تنص نظرية التصادم على أن الجسيمات يجب أن تتصادم حتى تتفاعل، وأن عدد التصادمات بين جسيمات المواد المتفاعلة يعتمد على تركيزها. إذن من الممكن أن يغير الكيميائي الاتزان بتغيير التراكيز. إضافة مواد متفاعلة إذا أضيفت كمية من أول أكسيد الكربون إلى وعاء التفاعل وزادت تركيزه من 100.300 إلى 1.00 ، فسيؤدي ذلك إلى زيادة عدد التصادمات الفعالة بين جزيئات غاز أول أكسيد الكربون CO وجزيئات غاز الهيدروجين ، ويؤثر ذلك في اتزان التفاعل؛ إذ تزيد سرعة التفاعل الأمامي، كما هو موضح من السهم الأطول الذي يشير نحو اليمين في معادلة التفاعل . CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) مع الوقت، تقل سرعة التفاعل الأمامي مع انخفاض تركيز كل من CO و H، وفي الوقت نفسه تزداد سرعة التفاعل العكسي مع إنتاج المزيد من CH و H2O حتى يصل التفاعل إلى موضع اتزان جديد (موضع 2). CO(g) + 3H2(g) = CH4(g) + H2O(g) 0.99254 M 0.07762 M 0.06648 M 0.02746 M Keq= = = 3.933 (0.06648) (0.02746) [CH4][H2O] (0.99254) (0.07762)³ [CO][H2]3 لاحظ أن قيمة Key لا تتغير، وأن موضع الاتزان الجديد قد حقق النتائج المرجوة، حيث زاد تركيز الميثان. ويبين الجدول 2-1 ملخصا لنتائج هذه التجربة. هل كان يمكنك توقع هذه النتيجة باستعمال مبدأ لوتشاتلييه؟ نعم، يعتبر مبدأ لوتشاتلييه زيادة تركيز CO جهدًا مبذولاً على الاتزان، فيستجيب نظام الاتزان لهذا الجهد باستهلاك CO بسرعة أكبر. وتسمى هذه الاستجابة إزاحة نحو اليمين، وإنتاج المزيد من CH و HO. لذا تؤدي أي زيادة في تركيز أي من المتفاعلات إلى الإزاحة نحو اليمين وزيادة النواتج. الجدول 2-4 عند الاتزان للتفاعل ( 2 ) + (CO (g) + 3H2(g HO] . (M) [CH]eq (M) .... 8.933 0.02000 0.05900 [H2]eq (M) 0.10000 [CO] eq (M) موضع الاتزان 0.30000 1 التعليم 0.02746 0.06648 0.07762 0.99254 2 Ministry of Education 378 2023-1445

إزالة النواتج افترض أنه بدل زيادة أي من المتفاعلات قرر الكيميائي إزالة الماء H2O الناتج عن التفاعل بإضافة مجفف - مادة تمتص الماء - إلى وعاء التفاعل. وفق مبدأ لوتشاتلييه ماذا يمكن أن يحدث للاتزان استجابة لنقصان تركيز الماء؟ سوف تتم إزاحة الاتزان نحو الاتجاه الذي يزيد من تركيز الماء مرة أخرى. وهذا يعني إزاحة الاتزان نحو اليمين وتكوين المزيد من النواتج. فكر كيف تبقى رفوف المتاجر مملوءة بالمنتجات كما في الشكل 11-4. عندما يشتري الزبائن المواد فإن أحد الموظفين يعوض تناقص المنتجات على الرفوف. وبشكل مشابه يعيد تفاعل الاتزان الماء الذي تمت إزالته؛ حيث يزيد إنتاج الماء لتعويض النقص في أي نظام متزن تؤدي إزالة أي كمية من أي من النواتج إلى إزاحة الاتزان نحو الجهة اليمنى، وإنتاج المزيد من النواتج . إضافة النواتج يمكن أيضًا إزاحة موضع الاتزان نحو اليسار في اتجاه المتفاعلات؛ الشكل 11-4 يعرف التاجر إذ يتوقع مبدأ لوتشاتلييه أنه إذا تمت إضافة أحد النواتج إلى تفاعل في حالة اتزان فإن المواد الموجودة في متجره كل حين ذلك يؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو اليسار، ومن ثم تخفيف الجهد بتحويل النواتج ولذلك عندما يقل المخزون فإنه إلى متفاعلات. كما أنه إذا تم إزالة أحد المتفاعلات فسوف يحدث إزاحة مشابهة نحو يعوضه. اليسار لتتوقع أثر جهد ما على الاتزان باستعمال مبدأ لوتشاتلييه، ارجع إلى معادلة فسر هذا التشبيه في ضوء التفاعل. يلخص الشكل 12-4 تأثير تغيير التراكيز في الاتزان. ماذا قرأت ؟ صف اتجاه الاتزان عند إزالة مادة متفاعلة. التغير في الحجم والضغط انظر إلى تفاعل تكوين الميثان الموضح بالمعادلة الكيميائية: CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H₂O(g) هل يمكن دفع التفاعل لتكوين المزيد من الميثان عن طريق تغير حجم وعاء التفاعل؟ افترض أن حجم الوعاء يمكن تغييره عن طريق مكبس ، كما هو موضح في الشكل 13-4، إذا تم تحريك المكبس إلى أسفل يقل حجم الوعاء. حيث إن تقليل الحجم عند درجة حرارة ثابتة يزيد الضغط. إذن يمثل هذا الضغط الزائد جهدًا مبذولاً على التفاعل المتزن. كيف يستجيب الاتزان لهذا التغيير في الضغط ؟ وكيف يخفف من هذا التغيير ؟ CO(g) + 3H2(g)=CH(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H2(g) CH(g) + H₂O(g) 0 اتجاه الاتزان نحو اليمين إضافة مادة متفاعلة (CO 3 اتجاه الاتزان نحو اليسار CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H₂O(g) مبدأ لوتشاتلييه. الشكل 12-4 تعمل إضافة أو إزالة إحدى النواتج أو إحدى المتفاعلات على إزاحة الاتزان نحو الاتجاه الذي يخفف الجهد. إزالة مادة متفاعلة لاحظ الأسهم غير المتساوية التي تدل على اتجاه الإزاحة صفى كيف يتم إزاحة الاتر انا ذا أضيفت كمية من H أو أزيلت كمية من CH. وزارة التعليم Mini79 Education 2073-1445 CO(g) + 3H2(g) CH(g) + H₂O(g) إضافة ناتج H₂O إزالة ناتج CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + O(g) 2

الشكل 13-4 في التفاعل بين CO و H عند درجة حرارة ثابتة فإن تغيير حجم الوعاء يغير تراكيز الغازات المتفاعلة والناتجة، كما تؤدي زيادة الضغط إلى إزاحة الاتزان نحو اليمين، ومن ثم زيادة كمية النواتج قارن بين عدد جزيئات الناتج في الصورة اليمنى وعددها في الجهة اليسرى. CO H2O CH التفاعل بين CO وH ضغط المكبس إلى أسفل يتكون المزيد من جزيئات في حالة اتزان يقلل حجم الوعاء ويزيد النواتج نتيجة اختلاف حجم الوعاء والضغط، مما يخفف الضغط. من الجهد على النظام. تجربة عملية الاتزان يعتمد الضغط المبذول بواسطة الغاز المثالي على عدد جسيمات الغاز التي تتصادم مع جدران الوعاء. كلما زاد عدد جسيمات الغاز في الوعاء ازداد الضغط كما أنه إذا زاد عدد جسيمات ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة الغاز في درجة حرارة ثابتة زاد ضغط الغاز، وإذا قل عدد جسيمات الغاز قل الضغط. كيف تطبق العلاقة بين عدد جسيمات الغاز والضغط على تفاعل تكوين غاز الميثان؟ عين الإثرائية عدد مولات المتفاعلات مقابل عدد مولات النواتج قارن بين عدد مولات المتفاعلات الغازية في المعادلة بعدد مولات النواتج الغازية. يتم استهلاك أربعة مولات من المتفاعلات الغازية لتكوين مولين من النواتج الغازية؛ حيث يقل العدد الكلي مولين. إذا طبقت مبدأ لوتشاتلييه أمكنك ملاحظة أن الاتزان يخفف الجهد الواقع عليه من زيادة الضغط في الاتجاه نحو اليمين حيث عدد المولات الأقل. يوضح الشكل 13-4 أن هذه الإزاحة تقلل عدد المولات الكلي للغاز، لذا يقل الضغط داخل وعاء التفاعل، رغم أن الإزاحة نحو اليمين لا تقلل الضغط إلى قيمته الأصلية، إلا أنها تعطي التأثير المطلوب، وهو تكون المزيد من الميثان. يؤدي تغيير حجم ( وضغط ) نظام في حالة اتزان إلى إزاحة الاتزان فقط إذا كان عدد مولات المتفاعلات الغازية تختلف عن عدد مولات النواتج الغازية. أما إذا تساوت أعداد مولات الغازات على طرفي المعادلة فإن تغيير الحجم والضغط لا يؤثران في الاتزان. تغير درجة الحرارة أي تغيير في درجات الحرارة يغير موضع وثابت الاتزان. تذكر أن معظم التفاعلات الكيميائية إما ماصة للحرارة أو طاردة لها. فمثلاً يحظى تفاعل تكوين الميثان بـ AH سالبة، وهذا يعني أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة والتفاعل العكسي ماص للحرارة. CO(g) +3H2(g) CH4(g) + H2O(g) AH = -206.5 kJ في هذه الحالة يمكن اعتبار الحرارة ناتجا في التفاعل الأمامي ومتفاعلاً في التفاعل العكس حرارة + (CO (g) + H2(g) = CHE + H2(g وزارة التعليم 380 Ministry of Education 2023-1445

الحرارة وموضع الاتزان إذا أضيفت كمية من الحرارة إلى نظام متزن فإن الاتزان - وفقا لمبدأ لوتشاتلييه - يتجه نحو الاتجاه الذي تستهلك فيه الحرارة. لذا يزاح الاتزان نحو اليسار، ويقلل من تركيز الميثان CH. أما خفض درجة الحرارة فيؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو اليمين؛ لأن التفاعل الأمامي ينتج طاقة ويقلل من الجهد، لذا تنتج كمية أكبر من الميثان. درجة الحرارة و Ken ينتج عن أي تغيير في درجة الحرارة تغير في Key، وكلما زادت قيمة Key كان الناتج في خليط الاتزان أكبر. ولذلك فإنه في تفاعل إنتاج الميثان تزداد Kea عندما تنخفض درجة الحرارة، وتنخفض قيمة Kon عند ارتفاع درجة الحرارة. التحول بين رابع أكسيد ثنائي النيتروجين 0,N، وثاني أكسيد النيتروجين NO2 يستجيب للتغيرات في درجة الحرارة بشكل ملحوظ. ويمكن وصف هذا الاتزان الماص للحرارة في المعادلة الآتية: N2O4(g) 2NO2(g) AH° = 55.3 kJ 0 N غاز لا لون له، و NO غاز بني اللون. يوضح الشكل 14-4 لون مزيج الاتزان، عندما يبرد في حمام ماء بارد يصبح لونه أخف مقارنة بلونه عندما يسخن المزيج في حمام ماء ساخن عند إزالة الحرارة بالتبريد يزاح الاتزان نحو اليسار، وينتج المزيد من غاز لا لون له NO . أما عند إضافة الحرارة فيزاح الاتزان نحو اليمين وينتج المزيد من غازي NO البني اللون. يوضح الشكل 15-4 تأثير الشكل 14-4 يزاح الاتزان في التسخين والتبريد في التفاعلات التي درستها. العوامل المحفزة والاتزان تختلف كمية النواتج المتكونة في التفاعل عند تغير التركيز أو الحجم أو الحرارة. هل يمكن للعامل المحفّز أن يؤثر هو الآخر في تركيز النواتج ؟ يعمل العامل المحفّز على زيادة سرعة التفاعل بالتساوي في كلا اتجاه التفاعل الماص للحرارة نحو اليمين، وهذا من شأنه أن يزيد من إنتاج NO لونه بني غامق) ، بينما يصبح لون مزيج التفاعل أخف عند وضعه في حمام الماء البارد لأن الاتجاهين، ولهذا يصل التفاعل مع وجود العامل المحفز أسرع إلى حالة الاتزان، دون تغير كمية النواتج المتكونة. الاتزان يزاح في اتجاه التفاعل الطارد للحرارة نحو اليسار؛ إذ يزداد تحول NO إلى NO الذي لا لون له. تفاعل طارد للحرارة يزاح الاتزان نحو اليسار 3 CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H₂O(g) + الشكل 15-4 عند رفع درجة حرارة التفاعل الطارد للحرارة بين C0 و H، ينزاح الاتزان نحو اليسار (معادلة 1)، وعند خفض درجة الحرارة ينزاح الاتزان نحو اليمين (معادلة 2)، والعكس صحيح للتفاعل الماص للحرارة بین NO و N,O ( المعادلتين 3 و4). رفع درجة الحرارة حرارة خفض درجة الحرارة حرارة ) يزاح الاتزان نحو اليمين تفاعل ماص للحرارة يزاح الاتزان نحو اليمين 200 N20) 2NO + حرارة رفع درجة الحرارة يزاح الاتزان نحو اليسار +N₂O()2 NO2(g) CO(g) + 3H2(g) → CH₁(g) + H₂O(g) + وزارة التعليم Mining Education 2073-1445

تحرية التغير في موضع الاتزان كيف يعمل الاتزان على تعديل وضعه عند حدوث تغير في 6. ضع أنبوب الاختبار في حمام ماء بارد ورش عليه حالة الاتزان؟ الخطوات BEER E بعض ملح المائدة، وسجل لون المحلول في أنبوب الاختبار. 1 املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية. 7. ضع أنبوب الاختبار في حمام ماء ساخن، واستعمل 2 ضع حوالي 2m من محلول كلوريد الكوبلت CoCl II الثرمومتر غير الزئبقي لقياس درجة الحرارة التي يجب الذي تركيزه 0.1M في أنبوب اختبار. سجل لون المحلول. أن تكون C 70 على الأقل، وسجل لون المحلول 3 أضف حوالي 3mL من حمض الهيدروكلوريك HCI المركز إلى أنبوب الاختبار، سجل لون المحلول تحذير HCl يحرق الجلد والملابس. 4. أضف كمية كافية من الماء إلى أنبوب الاختبار حتى يتغير لون المحلول، وسجل اللون الناتج التحليل 1. فسر استعمل معادلة التفاعل أدناه لتفسير ملاحظاتك حول اللون في الخطوات 24 Co(H2O) 2 + 4CI = CoCl2 + 6H20 أزرق أرجواني 2 صف كيف يزاح الاتزان عند إضافة طاقة أو إزالتها؟ 5 أضف قرابة 2m من محلول كلوريد الكوبلت II 3 فسر من ملاحظاتك حول اللون في الخطوات 0.1M إلى أنبوب اختبار آخر. وأضف HCI المركز (6 و 7) ما إذا كان التفاعل ماصا للحرارة أم طاردًا - تدريجيا ( نقطة واحدة كل مرة) بحذر، إلى أن يتحول لون المحلول إلى البنفسجي. إذا أصبح لون المحلول أزرق فأضف الماء حتى يتحول إلى اللون البنفسجي. للحرارة؟ 382 وزارة التعليم Ministry of Education 7073-1445

التقويم 2-4 الخلاصة 13. الفكرة الرئيسة فسر كيف يستجيب النظام في حالة الاتزان للجهد؟ واذكر العوامل التي تؤثر في نظام متزن مبدأ لوتشاتلييه يصف كيفية إزاحة الاتزان عند الاستجابة لجهد أو 14. فسر كيف يؤثر تقليل حجم وعاء التفاعل في كل نظام اتزان مما يأتي؟ تغيير. عند إزاحة الاتزان استجابة إلى 2SO2(g) + O2(g) = 2SO3(g).a 2HCl(g).b H2(g) + Cl2(g) تغير التركيز أو الحجم يتغير موضع 15. قرر ما إذا كان رفع درجة الحرارة أو خفضها ينتج المزيد من CH CHO في الاتزان، ولكن Ken يبقى ثابتاً، أما معادلة الاتزان الآتية: التغير في درجة الحرارة فيغير موضع الاتزان وقيمة Key. AH = -151 k C2H2(g) + H2O(g) = CH3CHO(g) 16. وضح يظهر الجدول تراكيز مادتين A و B في خليطي تفاعل، يتفاعلان حسب المعادلة 2A B و 200 = .Keq. هل المزيجان عند موضعي اتزان مختلفين؟ التركيز mol/l [B] [A] تفاعل 0.0200 0.0100 1 0.400 0.0500 2 17. صمم خريطة مفاهيمية توضح طرائق تطبيق مبدأ لوتشاتلييه لزيادة النواتج في نظام اتزان وزيادة المتفاعلات في النظام نفسه. وزارة التعليم Mining Education 7073-1445