العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي
الاتزان الكيميائي (بالإنجليزية: Chemical equilibrium) هي حالة تحدث في التفاعلات القابلة للانعكاس، وفيها لا يحدث أي تغيرات في تركيز المواد المتفاعلة والناتجة، وعند وصول التفاعل الكيميائي إلى نقطة الاتزان الكيميائي تكون سرعة التفاعل الكيميائي متساوية سواء أكان من جهة المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة، ويعتمد وصول التفاعل إلى الاتزان الكيميائي على مجموعة من العوامل المختلفة.
وقد تم وصف العوامل التي تؤثر على الاتزان الكيميائي في قانون كيميائي يُسمى مبدأ لو شاتيلير (Le Chatelier's principle)، وفي ما يلي توضيح لهذه العوامل وتأثيرها:
تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة
يُعدّ كل من تركيز المواد المتفاعلة والمواد الناتجة من العوامل المؤثرة على الاتزان الكيميائي، وذلك وفقًا لمبدأ لو شاتيلير، فتغير تركيز مادة ما في التفاعل الكيميائي، سيحول التفاعل الكيميائي بالاتجاه المناسب لتحقيق التوازن في التفاعل، فزيادة تركيز المواد المتفاعلة مثلًا سيدفع التفاعل باتجاه المواد الناتجة، وذلك بهدف زيادة تركيز المواد الناتجة، وعند انخفاض تركيز المواد المتفاعلة، سيتجه التفاعل نحوها -المواد المتفاعلة- لزيادة تركيزها.
أمّا عند زيادة تركيز المواد الناتجة، فسيتم استخدام المواد الناتجة أكثر مما يدفع التفاعل باتجاه المواد المتفاعلة وزيادتها، وذلك يزيد من حدوث التفاعل العكسي، وفي حالة انخفاض تركيز المواد الناتجة سيتجه التفاعل باتجاه تكوين المزيد من هذه المواد مما يدفع التفاعل باتجاه المواد الناتجة، وهذا يحفز حدوث التفاعل الأمامي، كما وتجدر الإشارة إلى أنّ ثابت الإتزان الكيميائي لا يختلف باختلاف تراكيز المواد الناتجة أو المتفاعلة.
ومن الأمثلة على تأثير تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة على الاتزان الكيميائي ما يأتي:
N2 3H2 ------>
فعند زيادة تركيز أي من N2 أو H2، سيتجه التفاعل لتكوين المزيد من NH3، أمّا عند زيادة تركيز NH3 سيتجه التفاعل إلى تكوين المزيد من المواد المتفاعلة، مع بقاء ثابت الاتزان كما هو.
الضغط والحجم
في البداية قبل الحديث عن تأثير الضغط على الاتزان الكيميائي، لا بد من الإشارة إلى أنّ الضغط لا يؤثر على تراكيز المواد في الحالة الصلبة أو السائلة أو المحلول، إلا أنّه يؤثر على تراكيزها وهي في الحالة الغازية فقط، كما وتكون العلاقة بين الضغط والحجم علاقة عكسية وذلك وفقًا لقانون الضغط المثالي، فإذا زاد الضغط انخفض الحجم والعكس صحيح، لذلك عند فهم تأثير الضغط على الاتزان يُفهم تأثير الحجم عليه.
ولفهم تأثير الضغط على الاتزان، يجب فهم علاقة حجم المواد المتفاعلة والمواد الناتجة مع عدد المولات، إذ وفقًا لقانون أفوجادرو، فإنّ عدد المولات يتناسب طرديًا مع حجم الغاز، ويؤثر الضغط دائمًا على الجانب الذي يحتوي على حجم أكبر، مما يدفع الاتزان من هذا الجانب إلى الجانب الآخر، فعلى سبيل المثال هذه المعادلة:
N2(g) 3H2(g) ----->
ففي هذه المعادلة تحتوي المواد المتفاعلة على 4 مولات والمواد الناتجة على مولين، لذلك عند زيادة الضغط سيتم التأثير على المواد المتفاعلة ودفع التفاعل باتجاه المواد الناتجة، وفي حال انخفاض الضغط سيدفع التفاعل إلى المواد المتفاعلة التي تحتوي على عدد أكبر من المولاتوتجدر الإشارة إلى أنه في حال كان عدد المولات في المواد المتفاعلة والناتجة متساوي لن يكون للضغط تأثير على الاتزان الكيميائي.
درجة الحرارة
تقسم التفاعلات الكيميائية اعتمادًا على دور الحرارة في حدوثها إلى تفاعلات طاردة للطاقة، وهي التفاعلات التي تتطلق طاقة مع المواد الناتجة عند حدوثها، والتفاعلات الماصة للطاقة، وهي التفاعلات التي تحتاج إلى طاقة مع المواد المتفاعلة حتى تحدث، لذلك، فإنّ تغير درجة حرارة النظام يؤثر على ثابت الاتزان الكيميائي.
ويختلف هذا التأثير اعتمادًا على التغير الحادث في درجات الحرارة، ويمكن تلخيص تأثير تغير درجة الحرارة على الاتزان الكيميائي من خلال معرفة طبيعة التفاعل إذا كان ماص أو طارد للحرارة، وبناءً على ذلك، تكون الحرارة من المواد المتفاعلة في التفاعلات الماصة للحرارة، ومن المواد الناتجة في التفاعلات الطاردة للحرارة.
لذلك، تُعدّ زيادة درجة الحرارة في التفاعلات الطاردة للحرارة كزيادة المواد الناتجة، مما يشكل ضغط على التفاعل، وهذا يدفع التفاعل باتجاه تحويل المواد الناتجة إلى مواد متفاعلة من جديد، والعكس صحيح في التفاعلات الماصة للطاقة، فزيادة الحرارة يعمل كزيادة في المواد المتفاعلة مما يدفع التفاعل نحو إنتاج المزيد من المواد الناتجة، وفيما يلي إليك الأمثلة التوضيحية:
- heat N2O4 ---->
- 2NO2 ------ heat N2O4 أي زيادة الحرارة في هذا التفاعل تدفع التفاعل نحو المواد المتفاعلة لزيادة تركيزها.
ويمكن تلخيص تأثير درجات الحرارة على الاتزان الكيميائي من خلال الجدول الآتي:
| العامل المؤثر | نوع التفاعل | تجاه الاتزان | ثابت الاتزان |
| زيادة درجة الحرارة | التفاعل الطارد للحرارة | باتجاه المواد المتفاعلة | يقل |
| التفاعل الماص للحرارة | باتجاه المواد الناتجة | يزيد |
| نقصان درجة الحرارة | التفاعل الطارد للحرارة | باتجاه المواد الناتجة | يزيد |
| التفاعل الماص للحرارة | باتجاه المواد المتفاعلة | يقل |
المادة المحفِزة
المادة المحفزة (Catalyst) هي أي مادة تزيد من سرعة حدوث التفاعل الكيميائي دون أن تُستهلك خلاله، وعمومًا تعمل هذه المادة عن طريق التفاعل مع المواد المتفاعلة لتكوين مادة وسيطة تملك قابلية أكبر للتفاعل مع بعضها البعض أو مع مواد أخرى متفاعلة، ويختلف نوع هذا التفاعل من مواد إلى أخرى لذلك فإنّ المواد المحفزة تساعد على تسريع التفاعل عن طريق خفض طاقة التنشيط التي يحتاجها التفاعل لكي يحدث.
أمّا فيما يتعلق بتأثير المادة المحفزة على الاتزان الكيميائي، فإن هذه المادة تخفض طاقة التنشيط التي يحتاجها التفاعل الأمامي والتفاعل العكسي بنفس القدر، لذلك، هذا لن يؤثر على الاتزان الكيميائي أو عامل الاتزان، وبناءً على ذلك، فإنّ المادة المحفزة ليس لها تأثير على نظام الاتزان الكيميائي.
ملخص المقال
الاتزان الكيميائي هو حالة تحدث في التفاعلات القابلة للانعكاس، وفيه يستمر التفاعل بالحدوث بسرعة متساوية في جهة المواد المتفاعلة وجهة المواد الناتجة، مع بقاء تركيز المواد المتفاعلة والناتجة ثابتًا، ويعتمد الاتزان الكيميائي للتفاعل على مجموعة من العوامل تم تلخيصها في مبدأ لو شاتيلير، وهي تركيز المواد المتفاعلة والناتجة والحرارة والضغط والحجم، أمّا في ما يتعلق بتأثير المواد المحفزة فليس لها تأثير على نظام الاتزان الكيميائي.
