تغییر تعادل شیمیایی بر اثر تغییر دما: از تئوری تا آزمایش
بررسی نقش دما در جابهجایی تعادل، پیشبینی جهت واکنش با اصل لوشاتلیه و وابستگی آن به گرماده یا گرماگیر بودن فرآیند
در این مقاله با زبانی ساده میآموزیم که چطور افزایش یا کاهش دمای یک محیط میتواند تعادل شیمیایی را بر هم بزند. با کمک اصل لوشاتلیه، جهت جدید واکنش را پیشبینی کرده و با مثالهای علمی، تأثیر دما بر ثابت تعادل ($K_c$ و $K_p$) را بررسی میکنیم. نقش آنتالپی1 و دمای محیط در واکنشهای صنعتی مانند تولید آمونیاک (فرایند هابر2) نیز بخشی از این گفتار خواهد بود.
اصل لوشاتلیه و نقش دما در واکنشها
در علم شیمی، تعادل شیمیایی حالتی است که در آن سرعت واکنش رفت و برگشت برابر شده و غلظت مواد واکنشدهنده و فرآورده در طول زمان ثابت میماند. اما این تعادل میتواند تحت تأثیر عواملی مانند دما، فشار و غلظت قرار گیرد.
بر اساس اصل لوشاتلیه3، اگر به یک سامانهٔ در حال تعادل، تنشی (مانند تغییر دما) وارد شود، سامانه طوری واکنش نشان میدهد که اثر آن تنش را خنثی کند. به زبان سادهتر:
- واکنش گرماده$(\Delta H \lt 0)$ با افزایش دما، به سمت واکنشدهندهها (جهت گرماگیر) جابهجا میشود.
- واکنش گرماگیر$(\Delta H \gt 0)$ با افزایش دما، به سمت فرآوردهها (جهت گرماده) جابهجا میشود.
مثال روزمره: اگر یک بطری نوشابه گازدار را در دمای اتاق باز کنید، گاز $CO_2$ به شدت خارج میشود. اما اگر همان نوشابه را در یخچال سرد کرده باشید، با باز کردن در بطری، گاز کمتری خارج میشود. زیرا انحلال $CO_2$ در آب یک فرایند گرماده است و سرما به نفع انحلال بیشتر عمل میکند.
تأثیر دما بر ثابت تعادل ($K$)
برخلاف تغییر غلظت یا فشار که تنها موقعیت تعادل را تغییر میدهد، تغییر دما سبب تغییر در مقدار عددی ثابت تعادل4 میشود. رابطهٔ کمی این تغییر توسط معادلهٔ وانتهوف5 توصیف میشود:
$\ln \left( \frac{K_2}{K_1} \right) = -\frac{\Delta H}{R} \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right)$
- $K_1$ و $K_2$ : ثابتهای تعادل در دماهای $T_1$ و $T_2$
- $\Delta H$ : تغییر آنتالپی واکنش (بر حسب ژول بر مول)
- $R$ : ثابت جهانی گازها $(8.314 \ J/mol\cdot K)$
از این معادله نتیجه میشود:
- اگر واکنش گرماگیر باشد ($\Delta H \gt 0$)، افزایش دما ($T_2 \gt T_1$) باعث میشود $K_2 \gt K_1$، یعنی تعادل به سمت فرآوردهها جابهجا میشود.
- اگر واکنش گرماده باشد ($\Delta H \lt 0$)، افزایش دما باعث کاهش $K$ و جابهجایی تعادل به سمت واکنشدهندهها میشود.
فرمول نویسی: در تمام فرمولهای این مقاله، دقت کنید که از اعداد فارسی و حروف لاتین استفاده شده تا در محیط راستبهچپ دچار بههمریختگی نشویم.
مثال عینی: واکنش تشکیل آمونیاک (فرایند هابر)
واکنش هابر یکی از مهمترین فرآیندهای صنعتی برای تولید آمونیاک است:
$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) \quad \Delta H = -92 \ kJ/mol$
این واکنش به شدت گرماده است. بر اساس اصل لوشاتلیه:
- اگر دما را افزایش دهیم، تعادل به سمت چپ (مواد اولیه) جابهجا شده و بازده تولید آمونیاک کاهش مییابد.
- اگر دما را کاهش دهیم، تعادل به سمت راست (تولید آمونیاک) جابهجا میشود.
جدول مقایسه: اثر دما بر انواع واکنشها
| نوع واکنش | نشانه $\Delta H$ | اثر افزایش دما | اثر کاهش دما |
|---|---|---|---|
| گرماده | $\Delta H \lt 0$ | رفتن به سمت چپ | رفتن به سمت راست |
| گرماگیر | $\Delta H \gt 0$ | رفتن به سمت راست | رفتن به سمت چپ |
چالشهای مفهومی
❓ چرا افزایش دما همیشه به معنای افزایش سرعت واکنش است، ولی الزاماً به افزایش فرآورده منجر نمیشود؟
افزایش دما سرعت هر دو واکنش رفت و برگشت را زیاد میکند، اما این افزایش برای واکنش گرماگیر بیشتر است. بنابراین جهت خالص حرکت، به سمت واکنش گرماگیر خواهد بود. اگر واکنش رفت گرماده باشد، افزایش دما در نهایت باعث کاهش فرآورده میشود.
❓ آیا تغییر دما بر مقدار $K_c$ تأثیر میگذارد یا فقط موقعیت تعادل را تغییر میدهد؟
تغییر دما بر خلاف سایر عوامل، مقدار عددی ثابت تعادل را تغییر میدهد. در واقع با تغییر دما، یک سامانهٔ تعادلی جدید با $K$ جدید تعریف میشود.
❓ در واکنشهای با $\Delta H = 0$، تغییر دما چه اثری دارد؟
اگر تغییر آنتالپی واکنش صفر باشد (واکنشهای بدون گرماگیری یا گرمادهی)، تغییر دما هیچ اثری بر تعادل ندارد و $K$ ثابت میماند. چنین واکنشهایی نادر هستند.
جمعبندی: دما یک عامل کلیدی در کنترل تعادل شیمیایی است. با دانستن علامت $\Delta H$ میتوان جهت جابهجایی تعادل را با اصل لوشاتلیه پیشبینی کرد. افزایش دما همیشه به نفع واکنش گرماگیر و کاهش دما همیشه به نفع واکنش گرماده است. این دانش در صنایع شیمیایی برای بهینهسازی بازده محصولات حیاتی است.
پاورقی
1 آنتالپی (Enthalpy): مقدار گرمای مبادله شده در یک واکنش شیمیایی در فشار ثابت که با نماد $H$ و تغییرات آن با $\Delta H$ نشان داده میشود.
2 فرایند هابر (Haber Process): روش صنعتی تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن در دما و فشار بالا و در حضور کاتالیزور.
3 اصل لوشاتلیه (Le Chatelier's Principle): اصلی در شیمی که بیان میکند اگر به یک سامانه در حال تعادل تنشی وارد شود، سامانه طوری عمل میکند تا اثر تنش را کاهش دهد.
4 ثابت تعادل (Equilibrium Constant): نسبت غلظتهای فرآوردهها به واکنشدهندهها در حالت تعادل که با توان ضرایب استوکیومتری آنها مشخص میشود.
5 معادله وانتهوف (Van 't Hoff Equation): رابطهای ریاضی که وابستگی ثابت تعادل به دما را بر حسب آنتالپی واکنش توصیف میکند.
