اثر غلظت: تغییر تعادل شیمیایی بر اثر تغییر مقدار مواد واکنشدهنده
تعادل شیمیایی چیست؟ مروری بر مفاهیم پایه
بسیاری از واکنشهای شیمیایی برگشتپذیر هستند؛ یعنی هم زمان با تولید فرآوردهها از واکنشدهندهها، واکنش عکس نیز رخ میدهد. در یک ظرف بسته، زمانی که سرعت واکنش رفت و برگشت برابر شود، سیستم به تعادل شیمیایی میرسد. در این حالت، غلظت مواد واکنشدهنده و فرآورده در طول زمان ثابت میماند، اما واکنشها متوقف نمیشوند. این یک تعادل پویا است. برای درک بهتر، یک کلاس درس را تصور کنید که تعداد دانشآموزانی که وارد میشوند با تعداد آنهایی که خارج میشوند برابر است؛ تعداد کل دانشآموزان حاضر ثابت میماند، اما دانشآموزان دائماً در حال جابجایی هستند.
وضعیت تعادل توسط یک کمیت به نام ثابت تعادل (Kc) توصیف میشود. برای واکنش عمومی: aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت تعادل برابر است با:
در این فرمول، [A] نشاندهنده غلظت مولی ماده A در حالت تعادل است. نکته مهم این است که مقدار Kc تنها به دما بستگی دارد و با تغییر غلظت مواد تغییر نمیکند.
اصل لوشاتلیه و نقش کلیدی غلظت
اگر یک سیستم در حال تعادل را تحت تأثیر قرار دهیم (برای مثال با تغییر غلظت، دما یا فشار)، سیستم به گونهای واکنش نشان میدهد که اثر آن تغییر را خنثی کند. این اصل که توسط شیمیدان فرانسوی، هانری لوشاتلیه1 ارائه شد، پیشبینی میکند که اگر به یک سیستم در حال تعادل، مقدار بیشتری از یک ماده (واکنشدهنده یا فرآورده) اضافه کنیم، تعادل در جهتی جابجا میشود که آن ماده اضافی را مصرف کند. به طور مشابه، اگر مادهای را از سیستم حذف کنیم، تعادل در جهت تولید آن ماده جابجا میشود.
مثال روزمره فرض کنید در یک مهمانی، تعداد مهمانها (واکنشدهنده) و تعداد ساندویچها (فرآورده) در تعادل است. اگر تعدادی مهمان جدید (واکنشدهنده بیشتر) وارد شوند، برای برقراری تعادل جدید، ساندویچهای بیشتری (فرآورده) باید تولید شود. در مقابل، اگر چند ساندویچ (فرآورده) توسط افراد خورده شود، تعادل با تبدیل مهمانها به ساندویچ جبران میشود.
تأثیر افزایش و کاهش واکنشدهندهها و فرآوردهها
تأثیر تغییر غلظت بر روی یک سیستم تعادلی را با جزئیات بیشتری بررسی میکنیم. واکنش زیر را در نظر بگیرید: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$
- افزایش غلظت واکنشدهنده (N2 یا H2): سیستم برای مقابله با این تغییر، واکنشدهندههای اضافی را با یکدیگر ترکیب کرده و آمونیاک (NH3) بیشتری تولید میکند. بنابراین تعادل به سمت راست (تولید فرآورده) جابجا میشود.
- کاهش غلظت واکنشدهنده (N2 یا H2): در این حالت، سیستم تلاش میکند کمبود واکنشدهنده را جبران کند. برای این کار، مقداری از آمونیاک تجزیه شده و به نیتروژن و هیدروژن تبدیل میشود. بنابراین تعادل به سمت چپ (تولید واکنشدهنده) جابجا میشود.
- افزایش غلظت فرآورده (NH3): با افزایش آمونیاک، سیستم برای کاهش غلظت آن، بخشی از آمونیاک را به نیتروژن و هیدروژن تجزیه میکند. در نتیجه تعادل به سمت چپ (واکنشدهندهها) جابجا میشود.
- کاهش غلظت فرآورده (NH3): اگر آمونیاک را از محیط واکنش خارج کنیم (مثلاً با میعان آن)، سیستم با تولید آمونیاک بیشتر از نیتروژن و هیدروژن، این کاهش را جبران میکند. بنابراین تعادل به سمت راست (فرآوردهها) جابجا میشود.
در عمل، برای افزایش بازده یک محصول در صنایع شیمیایی، معمولاً یکی از واکنشدهندهها را به مقدار اضافی به کار میبرند یا محصول را به طور مداوم از محیط خارج میکنند تا تعادل همواره به سمت تولید محصول مطلوب جابجا شود.
تأثیر تغییر غلظت بر سیستم تعادلی واکنش:
| تغییر اعمال شده | واکنش سیستم | جهت جابجایی تعادل | مثال در واکنش N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 |
|---|---|---|---|
| افزایش [N2] یا [H2] | مصرف واکنشدهنده اضافی | به سمت راست | تولید بیشتر NH3 |
| کاهش [N2] یا [H2] | تولید واکنشدهنده | به سمت چپ | تجزیه NH3 به N2 و H2 |
| افزایش [NH3] | مصرف فرآورده اضافی | به سمت چپ | تجزیه NH3 به N2 و H2 |
| کاهش [NH3] | تولید فرآورده | به سمت راست | تولید بیشتر NH3 از N2 و H2 |
کاربرد عملی: افزایش بازده در فرآیند هابر
فرآیند هابر3 برای تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن، یکی از مهمترین نمونههای صنعتی کاربرد اصل لوشاتلیه است. آمونیاک ماده اولیه اصلی برای تولید کودهای شیمیایی است. همانطور که دیدیم، واکنش $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ گرمازا است. برای افزایش بازده آمونیاک در صنعت، دو کار اصلی انجام میشود که مستقیماً به بحث غلظت مربوط میشود:
- استفاده از مواد اولیه اضافی: معمولاً هیدروژن گرانتر از نیتروژن است، بنابراین برای استفاده حداکثری از هیدروژن، نیتروژن را به مقدار اضافی به راکتور تزریق میکنند تا تعادل تا حد امکان به سمت تولید آمونیاک جابجا شود.
- خروج مداوم محصول: با سرد کردن مخلوط گازها، آمونیاک به صورت مایع جدا شده و از محیط واکنش خارج میشود. با کاهش غلظت آمونیاک، طبق اصل لوشاتلیه، تعادل برای جبران این کاهش، به سمت تولید آمونیاک بیشتر (راست) جابجا میشود.
این دو راهکار ساده اما هوشمندانه، امکان تولید انبوه آمونیاک را با صرفه اقتصادی بالا فراهم کردهاند.
چالشهای مفهومی
❓ آیا تغییر غلظت میتواند مقدار ثابت تعادل (Kc) را تغییر دهد؟
خیر. ثابت تعادل تنها به دما وابسته است. تغییر غلظت مواد در یک سیستم، تعادل را جابجا میکند تا سیستم به حالت تعادل جدیدی برسد، اما در این حالت جدید، نسبت غلظتها (که در فرمول ثابت تعادل قرار میگیرند) مجدداً برابر با همان Kc قبلی خواهد بود.
❓ اگر به یک سیستم در حال تعادل، ماده بی اثر (مثل گاز نجیب) اضافه کنیم، چه اتفاقی میافتد؟
این موضوع به شرایط واکنش بستگی دارد. اگر حجم ظرف ثابت باشد، اضافه کردن گاز بی اثر باعث افزایش فشار کلی میشود، اما غلظت مواد واکنشدهنده و فرآورده تغییر نمیکند، بنابراین تعادل جابجا نمیشود. اما اگر فشار کل را ثابت نگه داریم (با افزایش حجم)، غلظت همه مواد کاهش یافته و تعادل به سمتی جابجا میشود که تعداد مولهای گازی بیشتری دارد.
❓ تفاوت بین اثر کاتالیزور و اثر تغییر غلظت بر تعادل چیست؟
کاتالیزور با کاهش انرژی فعالسازی، سرعت هر دو واکنش رفت و برگشت را به یک میزان افزایش میدهد. بنابراین کاتالیزور زمان رسیدن به تعادل را کاهش میدهد، اما هرگز موقعیت تعادل را جابجا نمیکند و بر غلظت نهایی مواد تأثیری ندارد. این در حالی است که تغییر غلظت، موقعیت تعادل را تغییر میدهد.
اثر غلظت بر تعادل شیمیایی یکی از مهمترین و کاربردیترین مفاهیم در شیمی است. بر اساس اصل لوشاتلیه، یک سیستم در حال تعادل با تغییر غلظت مواد، در جهتی حرکت میکند که اثر آن تغییر را خنثی کند. افزایش غلظت واکنشدهنده یا کاهش غلظت فرآورده، تعادل را به سمت تولید محصول بیشتر جابجا میکند. این اصل پایه و اساس بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند تولید آمونیاک است و به ما امکان میدهد بازده واکنشهای شیمیایی را کنترل و بهینه کنیم. درک این مفهوم به ما نشان میدهد که چگونه با دستکاری شرایط، میتوانیم واکنشها را در مسیر دلخواه هدایت کنیم.
پاورقی
1 اصل لوشاتلیه (Le Chatelier's Principle): اصلی در شیمی فیزیک که بیان میکند اگر به سیستمی در حال تعادل، تنشی (تغییر غلظت، دما، فشار) وارد شود، سیستم برای کاهش آن تنش، در جهتی حرکت میکند که تعادل جدیدی برقرار شود.
2 ثابت تعادل (Equilibrium Constant - Kc): مقداری بدون واحد که نسبت غلظتهای مولی فرآوردهها به واکنشدهندهها را در دمای معین، هر کدام به توان ضریب استوکیومتریشان، در حالت تعادل نشان میدهد.
3 فرآیند هابر (Haber Process): فرآیند صنعتی تثبیت نیتروژن هوا برای تولید آمونیاک که توسط شیمیدان آلمانی، فریتس هابر، ابداع شد.
