التوازن الكيميائي

ما هو التوازن الكيميائي؟

التوازن الكيميائي هو حالة في سياق تفاعل كيميائي قابل للانعكاس، حيث لا يحدث أي تغيير صاف في كميات المواد المتفاعلة والمنتجات. التوازن الكيميائي هو حالة التفاعل العكسي، حيث يكون معدل التفاعل الأمامي مساويًا لمعدل التفاعل العكسي، بينما يكون التفاعل في حالة توازن، يكون تركيز المواد المتفاعلة والنواتج ثابتًا.

التفاعل الكيميائي القابل للانعكاس هو تفاعل تتفاعل فيه المنتجات بمجرد تكوينها لإنتاج المواد المتفاعلة الأصلية، وفي حالة التوازن يستمر التفاعلان المتعارضان بمعدلات أو سرعات متساوية، وبالتالي لا يوجد تغيير صاف في كميات المواد المعنية. في هذه المرحلة، يمكن اعتبار رد الفعل مكتملاً على سبيل المثال: بالنسبة لبعض ظروف التفاعل المحددة، تمّ تحقيق أقصى تحويل للمواد المتفاعلة إلى منتجات.

أمثلة على التوازن الكيميائي

هناك العديد من الأمثلة على التوازن الكيميائي، أحد الأمثلة على ذلك هو زجاجة من المشروبات الغازية، حيث يوجد في الزجاجة ثاني أكسيد الكربون (CO2) مذاب في السائل، كما يوجد أيضًا غاز ثاني أكسيد الكربون في الفراغ بين السائل والغطاء. وهناك حركة ثابتة لثاني أكسيد الكربون من السائل إلى الطور الغازي، ومن الطور الغازي إلى السائل، ومع ذلك إذا نظرت إلى الزجاجة لا يبدو أن هناك أي تغيير.

بدون توازن كيميائي، لن تكون الحياة كما نعرفها ممكنة. مثال آخر على التوازن في حياتنا اليومية يحدث داخل أجسادنا، حيث إن الهيموغلوبين هو جزيء ضخم ينقل الأكسجين حول أجسامنا، بدونها لن ننجو. كما يجب أن يكون الهيموجلوبين قادرًا على امتصاص الأكسجين، ولكن أيضًا ولإطلاقه، يتم ذلك من خلال تغييرات في التوازن الكيميائي لهذا التفاعل في أماكن مختلفة من أجسامنا.

تنقل خلايا الدم الحمراء الأكسجين إلى الأنسجة حتى تتمكن من العمل. وفي غياب الأكسجين، لا تستطيع الخلايا القيام بمسؤولياتها البيوكيميائية، حيث ينتقل الأكسجين إلى الخلايا المرتبطة بالهيموجلوبين، وهو بروتين موجود في الخلايا الحمراء. وفي حالات التسمم بأول أكسيد الكربون، يرتبط ثاني أكسيد الكربون بقوة أكبر بالهيموغلوبين، وملحق بلوكين الأكسجين ويقلل من كمية الأكسجين التي تصل إلى الخلايا. كما يشمل العلاج أن يتنفس المريض الأكسجين النقي ليحل محله أول أكسيد الكربون. 

شروط التوازن الكيميائي وأنواعه

قد يكون من المغري الاعتقاد أنّه بمجرد الوصول إلى التوازن الكيميائي يتوقف رد الفعل، إن التوازن الكيميائي هو عملية ديناميكية. حيث تستمر التفاعلات الأمامية والعكسية في الحدوث حتى بعد الوصول إلى التوازن. ومع ذلك نظرًا لأنّ معدلات التفاعلات هي نفسها، فلا يوجد تغيير في التركيزات النسبية للمواد المتفاعلة والنواتج للتفاعل الذي يكون في حالة توازن. 

شروط التوازن الكيميائي

• يجب إغلاق النظام، ممّا يعني أنّه لا يمكن لأي مواد دخول النظام أو الخروج منه.

• التوازن هو عملية ديناميكية. على الرغم من أننا لا نرى ردود الفعل بالضرورة، يحدث كل من الأمام والخلف.

• يجب أن تكون معدلات ردود الفعل الأمامية والعكسية متساوية. لا يجب أن تكون كمية المواد المتفاعلة والمنتجات متساوية. ومع ذلك، بعد تحقيق التوازن، ستكون كميات المواد المتفاعلة والنواتج ثابتة.

• يشير وصف التوازن في هذا المفهوم في المقام الأول إلى التوازن بين المواد المتفاعلة والمنتجات في تفاعل كيميائي.

تشمل أنواع التوازن الأخرى توازن الطور وتوازن المحلول، يحدث توازن الطور عندما تكون المادة في حالة توازن بين حالتين، على سبيل المثال: يصل دورق الماء المسدود إلى التوازن عندما يكون معدل التبخر مساويًا لمعدل التكثيف، حيث يحدث توازن المحلول عندما تكون المادة الصلبة في محلول مشبع. وفي هذه المرحلة، يكون معدل الانحلال مساويًا لمعدل إعادة التبلور. على الرغم من أنّ هذه كلها أنواع مختلفة من التحولات، فإنّ معظم القواعد المتعلقة بالتوازن تنطبق على أي موقف تحدث فيه العملية بشكل عكسي.

ما هي العوامل التي تؤثر على التوازن الكيميائي؟

وفقًا لمبدأ (Le-Chatelier)، إذا كان هناك أي تغيير في العوامل التي تؤثر على ظروف التوازن، فسيقوم النظام بمقاومة أو تقليل تأثير التحول الكلي. ينطبق هذا المبدأ على كل من التوازن الكيميائي والفيزيائي، وهناك العديد من العوامل مثل درجة الحرارة والضغط وتركيز النظام التي تؤثر على التوازن:

• التغيير في التركيز: يتم تخفيف تركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات المضافة عن طريق التفاعل الذي يستهلك المادة المضافة، كما يتم تخفيف تركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات المزالة عن طريق التفاعل الذي يكون في الاتجاه الذي يغذي المادة التي تمت إزالتها، وعندما يتغير تركيز المادة المتفاعلة أو المنتج، يحدث تغيير في تركيبة الخليط في التوازن الكيميائي.

• التغيير في الضغط: يحدث التغيير في الضغط بسبب التغيير في الحجم، وإذا كان هناك تغيير في الضغط، فقد يؤثر ذلك على التفاعل الغازي، حيث أنّ العدد الإجمالي للمواد المتفاعلة والمنتجات الغازية مختلف الآن. وفقًا لمبدأ (Le Chatelier)، في حالة التوازن الكيميائي غير المتجانس، يمكن تجاهل تغيير الضغط في كل من السوائل والمواد الصلبة لأنّ الحجم مستقل عن الضغط.

• التغيير في درجة الحرارة: يعتمد تأثير درجة الحرارة على التوازن الكيميائي على علامة ΔH للتفاعل، ويتبع مبدأ (Le-Chatelier)، ومع زيادة درجة الحرارة، ينخفض ​​ثابت التوازن لتفاعل طارد للحرارة. في تفاعل ماص للحرارة، يزداد ثابت التوازن مع زيادة درجة الحرارة. إلى جانب ثابت التوازن، يتأثر معدل التفاعل أيضًا بالتغير في درجة الحرارة. وفقًا لمبدأ (Le Chatelier)، يتحول التوازن نحو الجانب المتفاعل عندما تزداد درجة الحرارة في حالة التفاعلات الطاردة للحرارة، وبالنسبة للتفاعلات الماصة للحرارة، يتحول التوازن نحو جانب المنتج مع زيادة درجة الحرارة.

لا يؤثر المحفز على التوازن الكيميائي، حيث إنّه يسرع فقط رد الفعل، وفي الواقع، يعمل المحفز بالتساوي على تسريع التفاعل الأمامي، وكذلك التفاعل العكسي. ينتج عن هذا التفاعل الوصول إلى توازنه بشكل أسرع، كما ستكون نفس الكمية من المواد المتفاعلة والمنتجات موجودة عند التوازن في تفاعل محفز أو غير محفز. إنّ وجود عامل حافز يسهل فقط التفاعل للمضي قدمًا من خلال حالة انتقال منخفضة الطاقة للمواد المتفاعلة إلى المنتجات.

كما أنه عندما يضاف غاز خامل إلى حجم ثابت، فإنّه لن يشارك في التفاعل، وبالتالي سيكون التوان متوازي وغير مضطري، إذا كان الغاز المضاف عبارة عن مادة متفاعلة أو منتج متضمن في التفاعل، فإنّ حاصل التفاعل سيتغير.