تعادل شیمیایی: نقطهای که همه چیز متوقف نمیشود!
تعادل شیمیایی چیست؟ از جادوی واکنشهای برگشتپذیر شروع کنیم
همهٔ واکنشهای شیمیایی یکطرفه نیستند. برخی میتوانند در هر دو جهت پیش بروند. به این واکنشها، واکنشهای برگشتپذیر5 میگوییم. یک مثال ساده، نوشابه است. وقتی در بطری نوشابه را باز میکنید، گاز کربن دیاکسید6 محلول در نوشابه از آن خارج میشود (تبدیل شدن به گاز). اما اگر در بطری را ببندید، مقداری از همان گاز دوباره در نوشابه حل میشود (تبدیل شدن به مادهٔ محلول). این دو فرآیند همیشه در حال رقابت هستند.
حالا تصور کنید یک ظرف دربسته داریم که در آن یک واکنش برگشتپذیر رخ میدهد. در ابتدا، غلظت واکنشدهندهها زیاد است و واکنش رفت7 (تولید محصولات) سریع اتفاق میافتد. با گذشت زمان، غلظت محصولات افزایش مییابد و واکنش برگشت8 (تبدیل محصولات به واکنشدهندهها) شروع میشود و سرعت آن زیاد میشود. سرانجام، لحظهای فرا میرسد که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر میشود. به این حالت، تعادل شیمیایی میگویند.
ثابت تعادل (K): عدد جادویی که وضعیت تعادل را نشان میدهد
چگونه میتوانیم تعادل را به صورت کمی و با اعداد توصیف کنیم؟ این کار با استفاده از ثابت تعادل (K) انجام میشود. برای یک واکنش کلی برگشتپذیر مانند:
ثابت تعادل از رابطهٔ زیر به دست میآید:
در این فرمول، حروف بزرگ نشاندهندهٔ مواد شیمیایی و حروف کوچک، ضرایب استوکیومتری10 آنها در معادله هستند. براکت [ ] نیز نشاندهندهٔ غلظت مولی هر ماده در حالت تعادل است. مقدار عددی ثابت تعادل (K) در دمای ثابت، همواره مقداری ثابت است و به ما میگوید واکنش در حالت تعادل به کدام سو تمایل دارد.
| مقدار K | تفسیر | مثال ساده |
|---|---|---|
| $ K \gg 1 $ (بسیار بزرگتر از ۱) | واکنش رفت بسیار مطلوب است. در حالت تعادل، غلظت محصولات بسیار بیشتر از واکنشدهندههاست. | سوختن کامل شمع در هوا |
| $ K \approx 1 $ (نزدیک به ۱) | واکنش در میانهٔ راه است. غلظت واکنشدهندهها و محصولات قابل مقایسه است. | تشکیل استرها در حضور آب (استریفیکاسیون11) |
| $ K \ll 1 $ (بسیار کوچکتر از ۱) | واکنش برگشت مطلوب است. در حالت تعادل، غلظت واکنشدهندهها بسیار بیشتر است. | حل شدن بسیار کم نمک نقره کلرید در آب |
اصل لو شاتلیه: پیشبینی رفتار سیستم در مقابل تغییر
اگر به سیستمی که در حالت تعادل است، فشاری وارد کنیم، سیستم چه واکنشی نشان میدهد؟ این سؤال را اصل لو شاتلیه12 پاسخ میدهد. طبق این اصل: «اگر به سیستمی در تعادل، تغییری اعمال شود، سیستم در جهتی واکنش نشان میدهد که اثر آن تغییر را تا حد ممکن کاهش دهد.»
| عامل تغییر | نحوهٔ تأثیر | مثال: واکنش تولید آمونیاک13$ N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 $ |
|---|---|---|
| افزایش غلظت یک ماده | تعادل به سمتی جابهجا میشود که آن ماده مصرف شود. | افزایش غلظت N_2 یا H_2، تعادل را به سمت تولید آمونیاک بیشتر جابهجا میکند. |
| افزایش فشار (برای واکنشهای گازی) | تعادل به سمتی جابهجا میشود که تعداد مولهای گاز کمتر شود. | در این واکنش، سمت چپ 4 مول و سمت راست 2 مول گاز دارد. افزایش فشار، تعادل را به سمت راست (تولید NH_3) میبرد. |
| افزایش دما | تعادل به سمتی جابهجا میشود که واکنش گرماگیر14 باشد. | واکنش تولید NH_3 گرماده15 است. پس افزایش دما، تعادل را به سمت چپ (تجزیهٔ NH_3) میبرد. |
| افزایش حجم یا کاهش فشار | تعادل به سمتی جابهجا میشود که تعداد مولهای گاز بیشتر شود. | کاهش فشار، تعادل را به سمت چپ (تجزیهٔ NH_3) میبرد. |
تعادل در اطراف ما: از گوارایی نوشابه تا تنفس ماهی
تعادل شیمیایی تنها در آزمایشگاه نیست، بلکه در بدن ما و محیط زندگیمان جاری است.
مثال ۱: تند یا کمگاز بودن نوشابه. همان طور که گفتیم، حل شدن گاز کربن دیاکسید در آب یک تعادل است: $ CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq) $. وقتی در بطری را باز میکنیم، فشار گاز بالای مایع کاهش مییابد. طبق اصل لو شاتلیه، تعادل به سمتی جابهجا میشود که فشار از دست رفته جبران شود، یعنی گاز بیشتری از محلول خارج شود. به همین دلیل نوشابه به مرور «بادش» میرود. اگر نوشابه را سرد کنیم، چون حل شدن CO_2 گرماده است، تعادل به سمت حل شدن بیشتر گاز میرود و نوشابه گازدارتر میماند.
مثال ۲: خون و اکسیژن. مولکول هموگلوبین16 در گلبول قرمز با اکسیژن یک تعادل برقرار میکند: $ Hb + O_2 \rightleftharpoons HbO_2 $. در ریهها که غلظت اکسیژن بالاست، تعادل به سمت تشکیل HbO_2 (اکسیهموگلوبین) میرود. در بافتهای بدن که غلظت اکسیژن پایین است، تعادل به سمت آزاد کردن اکسیژن جابهجا میشود. این یک سیستم انتقال هوشمند است!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر، هرگز! در حالت تعادل، سرعت واکنشهای رفت و برگشت برابر است، نه غلظت مواد. غلظت مواد در تعادل میتواند بسیار متفاوت باشد و این تفاوت توسط ثابت تعادل (K) تعیین میشود.
خیر. کاتالیزور تنها با کاهش انرژی فعالسازی، سرعت رسیدن به تعادل را افزایش میدهد. اما روی مقدار ثابت تعادل و نسبت نهایی غلظتها تأثیری ندارد. کاتالیزور مانند یک میانبر برای رسیدن به مقصد است، نه تغییر خود مقصد.
پاسخ به شرایط بستگی دارد. اگر حجم ظرف ثابت باشد، افزودن گاز بیاثر، غلظت مواد دخیل در واکنش را تغییر نمیدهد و بنابراین تعادل جابهجا نمیشود. اما اگر فشار کل ثابت نگه داشته شود (یعنی حجم ظرف افزایش یابد)، آنگاه غلظت مواد کاهش مییابد و ممکن است تعادل جابهجا شود.
پاورقی
1. تعادل شیمیایی (Chemical Equilibrium)
2. واکنشدهنده (Reactant)
3. محصول (Product)
4. ثابت تعادل (Equilibrium Constant)
5. واکنش برگشتپذیر (Reversible Reaction)
6. کربن دیاکسید (Carbon Dioxide)
7. واکنش رفت (Forward Reaction)
8. واکنش برگشت (Reverse Reaction)
9. تعادل پویا (Dynamic Equilibrium)
10. ضرایب استوکیومتری (Stoichiometric Coefficients)
11. استریفیکاسیون (Esterification)
12. اصل لو شاتلیه (Le Chatelier's Principle)
13. آمونیاک (Ammonia)
14. واکنش گرماگیر (Endothermic Reaction)
15. واکنش گرماده (Exothermic Reaction)
16. هموگلوبین (Hemoglobin)
17. کاتالیزور (Catalyst)
