جابجایی تعادل: تغییر وضعیت تعادل شیمیایی بر اثر تغییر شرایط
تعادل شیمیایی چیست؟
تعادل شیمیایی حالتی است که در آن، سرعت واکنش رفت (تبدیل مواد اولیه به فرآورده) با سرعت واکنش برگشت (تبدیل فرآورده به مواد اولیه) برابر میشود. در این وضعیت، غلظت همه مواد واکنشدهنده و فرآورده در طول زمان ثابت میماند، اگرچه واکنشها هنوز در حال انجام هستند. به این نوع تعادل، تعادل دینامیکی2 میگویند. برای نشان دادن یک واکنش تعادلی، از فلش دوطرفه ⇌ استفاده میکنیم. به عنوان مثال، واکنش تشکیل آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن که به فرآیند هابر3 معروف است:
$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$
در این معادله، $(g)$ نشاندهنده حالت گازی مواد است.
اصل لوشاتلیه: قانون حاکم بر جابجایی تعادل
اگر به یک سیستم در حال تعادل، تغییری اعمال کنیم (مانند تغییر غلظت، فشار، حجم یا دما)، سیستم بهگونهای واکنش نشان میدهد که اثر آن تغییر را خنثی کند. این قانون که توسط شیمیدان فرانسوی، هانری لوشاتلیه4 ارائه شد، به ما امکان میدهد جهت جابجایی تعادل را پیشبینی کنیم. به زبان ساده، اگر فشار را افزایش دهیم، تعادل به سمتی جابجا میشود که تعداد مولهای گازی کمتری تولید کند تا فشار کاهش یابد. اگر دما را بالا ببریم، تعادل به سمت واکنش گرماگیر جابجا میشود تا گرمای اضافی جذب شود.
تأثیر تغییر غلظت بر جابجایی تعادل
یکی از سادهترین راههای جابجایی تعادل، تغییر غلظت مواد واکنشدهنده یا فرآورده است.
- افزایش غلظت یک ماده: اگر غلظت یک ماده واکنشدهنده را افزایش دهیم، تعادل به سمت فرآوردهها جابجا میشود تا مقدار اضافی آن ماده مصرف شود. به طور مشابه، افزایش غلظت فرآورده، تعادل را به سمت واکنشدهندهها جابجا میکند.
- کاهش غلظت یک ماده: اگر غلظت یک ماده را کاهش دهیم (مثلاً با خارج کردن آن از محیط)، تعادل به سمتی جابجا میشود که آن ماده دوباره تولید شود. کاهش غلظت واکنشدهنده، تعادل را به سمت واکنشدهندهها و کاهش غلظت فرآورده، تعادل را به سمت فرآوردهها جابجا میکند.
مثال عینی: محلول زردرنگ کرومات پتاسیم ($K_2CrO_4$) را در نظر بگیرید که با اسید واکنش داده و به دیکرومات نارنجی ($K_2Cr_2O_7$) تبدیل میشود. واکنش تعادلی زیر برقرار است:
$2CrO_4^{2-}(aq) + 2H^+ \rightleftharpoons Cr_2O_7^{2-}(aq) + H_2O(l)$
اگر به این محلول، چند قطره اسید (افزایش غلظت $H^+$) اضافه کنیم، رنگ محلول از زرد به نارنجی تغییر میکند که نشاندهنده جابجایی تعادل به سمت تولید دیکرومات است. برعکس، با افزودن باز (که $H^+$ را مصرف میکند و غلظت آن را کاهش میدهد)، رنگ محلول دوباره به زرد برمیگردد.
| نوع تغییر | جهت جابجایی تعادل | مثال (واکنش هابر) |
|---|---|---|
| افزایش $N_2$ یا $H_2$ | به سمت فرآورده ($NH_3$) | تولید آمونیاک بیشتر |
| کاهش $NH_3$ (خارج کردن از محیط) | به سمت فرآورده ($NH_3$) | تولید آمونیاک بیشتر |
| افزایش $NH_3$ | به سمت واکنشدهنده ($N_2$ و $H_2$) | تجزیه آمونیاک |
تأثیر تغییر فشار و حجم بر تعادل (برای مواد گازی)
تغییر فشار و حجم تنها زمانی بر تعادل تأثیر میگذارد که واکنش شامل مواد گازی باشد و تعداد مولهای گازی در دو طرف واکنش متفاوت باشد.
- افزایش فشار (کاهش حجم): سیستم به سمتی جابجا میشود که تعداد مولهای گازی کمتری داشته باشد. این کار باعث کاهش فشار میشود.
- کاهش فشار (افزایش حجم): سیستم به سمتی جابجا میشود که تعداد مولهای گازی بیشتری داشته باشد. این کار باعث افزایش فشار میشود.
در واکنش هابر، در سمت چپ واکنش $1 + 3 = 4$ مول گاز و در سمت راست $2$ مول گاز داریم. بنابراین، افزایش فشار (کاهش حجم) تعادل را به سمت راست (تولید آمونیاک) جابجا میکند.
اگر تعداد مولهای گازی در دو طرف واکنش برابر باشد، تغییر فشار تأثیری بر جایگاه تعادل نخواهد داشت. برای مثال، در واکنش $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$، تعداد مولهای گازی در دو طرف برابر ($2$ مول) است.
نقش دما در جابجایی تعادل و گرماگیر یا گرمازا بودن واکنش
دما تنها عاملی است که علاوه بر جابجایی تعادل، مقدار ثابت تعادل5 ($K_c$ یا $K_p$) را نیز تغییر میدهد.
- افزایش دما: تعادل در جهت واکنش گرماگیر (جذب کننده گرما) جابجا میشود تا گرمای اضافی جذب شود.
- کاهش دما: تعادل در جهت واکنش گرمازا (تولید کننده گرما) جابجا میشود تا کمبود گرما جبران شود.
واکنش هابر یک واکنش گرمازا است (تولید آمونیاک با آزاد شدن گرما همراه است). بنابراین، با افزایش دما، تعادل به سمت چپ (واکنشدهندهها) جابجا میشود که گرماگیر است. به همین دلیل، در فرآیند هابر برای تولید بیشتر آمونیاک، دما را خیلی بالا نمیبرند، هرچند که افزایش دما سرعت واکنش را زیاد میکند. این یک تناقض صنعتی است که باید بهینهسازی شود.
کاربرد عملی: بهینهسازی فرآیندهای صنعتی
درک مفهوم جابجایی تعادل برای بهینهسازی فرآیندهای صنعتی حیاتی است. در فرآیند هابر برای تولید آمونیاک، مهندسان شیمی با اعمال همزمان شرایط مختلف، سعی در بیشینه کردن بازده تولید دارند.
- فشار بالا: برای جابجایی تعادل به سمت تولید آمونیاک (چون تعداد مولها کم میشود).
- دمای بهینه (نه خیلی بالا): اگرچه دمای پایین تعادل را به سمت محصول (گرمازا) جابجا میکند، اما سرعت واکنش را بسیار کم میکند. بنابراین از دمای نسبتاً بالا (حدود 400-450 درجه سانتیگراد) و کاتالیزگر برای رسیدن به سرعت مناسب استفاده میشود.
- خارج کردن مداوم آمونیاک: با کاهش غلظت فرآورده، تعادل دائماً به سمت تولید محصول جابجا میشود.
چالشهای مفهومی
خیر، کاتالیزگر سرعت هر دو واکنش رفت و برگشت را به یک اندازه افزایش میدهد. بنابراین، تعادل سریعتر برقرار میشود، اما جایگاه تعادل (غلظتهای نهایی مواد) تغییر نمیکند و ثابت تعادل نیز بدون تغییر میماند.
در این حالت، تغییر حجم (یا فشار) تأثیری بر جایگاه تعادل ندارد. زیرا با تغییر حجم، غلظت همه مواد گازی به یک نسبت تغییر میکند و سیستم در همان وضعیت تعادل قبلی باقی میماند. برای مثال، واکنش $CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g)$ که در آن تعداد مولهای گازی در دو طرف برابر ($2$) است.
خیر. اگر تغییر اعمال شده شامل مواد جامد یا مایع خالص باشد که غلظت آنها در طول واکنش ثابت فرض میشود، تأثیری بر جایگاه تعادل ندارد. همچنین، اگر تغییر فشار در واکنشهایی با تعداد مولهای گازی مساوی اعمال شود، تعادل جابجا نمیشود.
پاورقی
1 لوشاتلیه (Le Chatelier): شیمیدان فرانسوی که اصلی را بیان کرد بر اساس آن، یک سیستم در حال تعادل در برابر تغییرات واکنش نشان میدهد تا اثر آن تغییر را خنثی کند.
2 تعادل دینامیکی (Dynamic Equilibrium): حالتی در یک واکنش برگشتپذیر که در آن سرعت واکنش رفت و برگشت برابر بوده و غلظت مواد ثابت میماند، اما واکنشها در سطح مولکولی همچنان در حال انجام هستند.
3 فرآیند هابر (Haber Process): فرآیند صنعتی تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن در شرایط فشار و دمای بالا و در حضور کاتالیزگر.
4 هانری لوشاتلیه (Henry Le Chatelier): (1850-1936) شیمیدان و مهندس فرانسوی.
5 ثابت تعادل (Equilibrium Constant): مقداری که نسبت غلظت مواد فرآورده به واکنشدهنده را در حالت تعادل و در یک دمای مشخص نشان میدهد.
6 معادله وانتهاف (Van 't Hoff Equation): معادلهای که رابطه بین تغییرات ثابت تعادل یک واکنش شیمیایی را با تغییرات دما توصیف میکند.
