3.2: تعادل شیمیایی
- Page ID
- 216281
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- ماهیت سیستم های تعادل را توصیف کنید
- ماهیت دینامیکی یک تعادل شیمیایی را توضیح دهید
- مقدار ثابت تعادل را به خواص سیستم شیمیایی مرتبط کنید
قرارداد نوشتن معادلات شیمیایی شامل قرار دادن فرمول های واکنش دهنده در سمت چپ فلش واکنش و فرمول های محصول در سمت راست است. با این قرارداد و تعاریف «واکنش دهنده» و «محصول»، یک معادله شیمیایی واکنش مورد نظر را به صورت حرکت از چپ به راست نشان می دهد. با این حال، واکنش های برگشت پذیر ممکن است در هر دو جهت جلو (چپ به راست) و معکوس (راست به چپ) ادامه یابد. هنگامی که سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس برابر است، غلظت واکنش دهنده و گونه های محصول در طول زمان ثابت می ماند و سیستم در تعادل است. غلظت نسبی واکنش دهنده ها و محصولات در سیستم های تعادل بسیار متفاوت است. برخی از سیستم ها بیشتر حاوی محصولات در حالت تعادل هستند، برخی بیشتر حاوی واکنش دهنده ها و برخی حاوی مقادیر قابل توجهی از هر دو هستند.
شکل مفاهیم تعادل اساسی را با استفاده از تجزیه برگشت پذیر تتروکسید دی نیتروژن بی رنگ برای تولید دی اکسید نیتروژن قهوه ای \(\PageIndex{1}\) نشان می دهد، یک واکنش ابتدایی توصیف شده توسط معادله:
\[N_2 O_4(g) \rightleftharpoons 2 NO_2(g) \nonumber \]
توجه داشته باشید که یک فلش دوتایی ویژه برای تأکید بر ماهیت برگشت پذیر واکنش استفاده می شود.
برای این فرآیند ابتدایی، قوانین نرخ برای واکنش های رو به جلو و معکوس ممکن است به طور مستقیم از استوکیومتری واکنش حاصل شود:
\ [\ begin {تراز شده}
&\ متن {نرخ} _f=k_f\ چپ [N_2 O_4\ راست]\\\ [4pt]
&\ text {نرخ} _r=k_r\ چپ [NO_2\ راست] ^2\ پایان {تراز شده}\nشماره\]
با شروع واکنش (t = 0)، غلظت واکنش دهنده N 2 O 4 محدود است و محصول NO 2 صفر است، بنابراین واکنش رو به جلو با سرعت محدود ادامه می یابد در حالی که سرعت واکنش معکوس صفر است. با گذشت زمان، N 2 O 4 مصرف می شود و غلظت آن کاهش می یابد، در حالی که NO 2 تولید می شود و غلظت آن افزایش می یابد (شکل\(\PageIndex{1b}\)). غلظت کاهشی واکنش دهنده سرعت واکنش رو به جلو را کند می کند و افزایش غلظت محصول سرعت واکنش معکوس را سرعت می بخشد (شکل\(\PageIndex{1c}\)). این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که سرعت واکنش رو به جلو و معکوس برابر شود، در این زمان واکنش به تعادل رسیده است، همانطور که با غلظت ثابت واکنش دهنده ها و محصولات آن مشخص می شود (مناطق سایه دار شکل \(\PageIndex{1b}\) و شکل\(\PageIndex{1c}\)). مهم است که تاکید کنیم که تعادل شیمیایی پویا است؛ واکنش در تعادل «متوقف» نشده است، اما در جهت رو به جلو و معکوس با همان سرعت پیش می رود. این طبیعت پویا برای درک رفتار تعادلی ضروری است، همانطور که در این فصل و فصل های بعدی متن مورد بحث قرار گرفته است.
تغییرات فیزیکی، مانند انتقال فاز، نیز برگشت پذیر هستند و ممکن است تعادل ایجاد کنند. این مفهوم در فصل دیگری از این متن از طریق بحث در مورد فشار بخار یک فاز چگال (مایع یا جامد) مطرح شد. به عنوان یک مثال، تبخیر برم را در نظر بگیرید:
\[\ce{Br2(l) <=> Br2(g)} \nonumber \]
هنگامی که برم مایع به یک ظرف خالی اضافه می شود و ظرف مهر و موم می شود، فرآیند رو به جلو نشان داده شده در بالا (تبخیر) آغاز می شود و تا زمانی که سطح در معرض مایع و دمای آن ثابت بماند، با سرعت تقریباً ثابت ادامه می یابد. با افزایش مقادیر برم گازی تولید می شود، سرعت فرآیند معکوس (تراکم) افزایش می یابد تا زمانی که با سرعت تبخیر برابر شود و تعادل برقرار شود. عکسی که این تعادل انتقال فاز را نشان می دهد در شکل ارائه شده است\(\PageIndex{3}\).