وقتی یک واکنش برگشتپذیر به تعادل میرسد، واکنش متوقف نشده است؛ سرعت رفت و برگشت برابر شده و غلظت مواد در مقیاس ماکروسکوپی ثابت مانده است. ثابت تعادل Kc این وضعیت را به زبان عددی توصیف میکند. برای کار با آن باید بدانیم کدام گونهها در عبارت تعادل وارد میشوند، ضریبهای واکنش چه نقشی دارند و دادههای مسئله غلظت ابتداییاند یا تعادلی. در این مقاله عبارت Kc را برای تعادلهای همگن و ناهمگن مینویسیم، یک نمونه عددی را مرحلهبهمرحله حل میکنیم و معنای مقدار ثابت تعادل را بدون برداشتهای نادرست بررسی میکنیم.
تعادل پویا و ثابت تعادل را از هم تفکیک کن
در یک ظرف بسته، واکنش برگشتپذیر میتواند همزمان در دو جهت پیش برود. در آغاز معمولاً سرعت واکنش رفت بیشتر است؛ با مصرف واکنشدهندهها و ساختهشدن فرآوردهها، سرعت رفت کاهش و سرعت برگشت افزایش مییابد تا دو سرعت برابر شوند. این حالت را تعادل پویا مینامیم.
ثابتماندن غلظتها در تعادل به معنی برابرشدن غلظت واکنشدهنده و فرآورده یا متوقفشدن واکنش نیست. نسبت معینی از غلظتهای تعادلی، در یک دمای مشخص، مقدار ثابتی میدهد که برای عبارتهای مبتنی بر غلظت مولی با Kc نشان داده میشود. مقدار Kc به واکنش نوشتهشده و دما وابسته است.
- در تعادل، سرعت واکنش رفت و برگشت برابر است
- غلظت هر ماده ثابت میماند، اما الزاماً با غلظت مواد دیگر برابر نیست
- برای یک واکنش معین، Kc در دمای ثابت مقدار معینی دارد
- غلظتهای داخل عبارت Kc باید غلظت تعادلی باشند
عبارت Kc را از روی معادله موازنهشده بنویس
برای واکنش کلی aA + bB ⇌ cC + dD، اگر همه گونهها اجازه ورود به عبارت را داشته باشند، مینویسیم Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ ÷ ([A]ᵃ[B]ᵇ). فرآوردهها در صورت و واکنشدهندهها در مخرج قرار میگیرند و هر ضریب استوکیومتری به توان غلظت همان گونه تبدیل میشود.
پیش از نوشتن عبارت، معادله را موازنه کن؛ تغییر ضریبها عبارت و مقدار عددی ثابت را تغییر میدهد. برای نمونه در تعادل N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)، عبارت درست Kc = [NH₃]² ÷ ([N₂][H₂]³) است. زیروند فرمول شیمیایی، مانند عدد ۲ در N₂، توان عبارت نیست؛ توان از ضریب جلوی ماده میآید.
- ابتدا معادله واکنش را موازنه کن
- غلظت فرآوردهها را در صورت قرار بده
- غلظت واکنشدهندهها را در مخرج قرار بده
- ضریب هر گونه را به صورت توان بنویس
- کروشه نشاندهنده غلظت مولی در حالت تعادل است
جامد خالص و مایع خالص را در عبارت وارد نکن
در تعادل ناهمگن، غلظت مؤثر یک جامد خالص یا مایع خالص در دمای ثابت تغییر نمیکند و اثر آن در خود مقدار ثابت تعادل منظور شده است؛ بنابراین این مواد در عبارت Kc نوشته نمیشوند. گازها و گونههای حلشده در محلول، در چارچوب مسئلههای دبیرستانی، در عبارت حضور دارند.
برای تعادل CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)، عبارت Kc فقط برابر [CO₂] است و CaCO₃ و CaO وارد آن نمیشوند. حذف جامد از عبارت به معنی بیاهمیتبودن حضور آن نیست؛ برای برقرارماندن این تعادل باید فازهای لازم موجود باشند، اما زیادکردن مقدار یک جامد خالص تا وقتی مقداری از همان فاز وجود دارد، مقدار Kc را تغییر نمیدهد.
- گونه گازی: در عبارت Kc وارد میشود
- گونه حلشده با نماد aq: در عبارت Kc وارد میشود
- جامد خالص با نماد s: حذف میشود
- مایع خالص با نماد l: حذف میشود
- حذف یک فاز خالص را با حذف ضریب آن از معادله اشتباه نگیر
داده ابتدایی را مستقیم جای غلظت تعادلی نگذار
اگر صورت سؤال غلظتهای تعادلی را داده باشد، آنها را مستقیماً در عبارت Kc قرار میدهیم. اما غلظت ابتدایی مربوط به پیش از برقراری تعادل است و معمولاً در اثر پیشرفت واکنش تغییر میکند. در این حالت باید تغییر غلظتها را با ضرایب واکنش مرتبط کنیم و ابتدا غلظت تعادلی را به دست آوریم.
برای واکنش A ⇌ 2B، اگر غلظت ابتدایی A برابر 0.50 M و B صفر باشد و تا رسیدن به تعادل 0.10 M از A مصرف شود، در تعادل [A] = 0.40 M و به علت نسبت ضرایب، [B] = 0.20 M است. سپس میتوان Kc = [B]²/[A] را محاسبه کرد. جدول «ابتدایی، تغییر، تعادل» راهی منظم برای جلوگیری از اشتباه میان این سه نوع داده است.
- ابتدایی: پیش از پیشرفت واکنش
- تغییر: متناسب با ضرایب استوکیومتری
- تعادلی: مقدار ابتدایی بهعلاوه یا منهای تغییر
- فقط سطر تعادل را در عبارت Kc جایگذاری کن
مثال حلشده: Kc تعادل تولید آمونیاک را حساب کن
در دمایی معین، برای تعادل N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)، غلظتهای تعادلی برابر [N₂] = 0.20 M، [H₂] = 0.30 M و [NH₃] = 0.60 M است. عبارت تعادل را مینویسیم: Kc = [NH₃]² ÷ ([N₂][H₂]³).
با جایگذاری دادهها داریم Kc = (0.60)² ÷ ((0.20)(0.30)³). توان سوم هیدروژن برابر 0.027 و مخرج برابر 0.0054 است؛ در نتیجه Kc = 0.36 ÷ 0.0054 ≈ 66.7. برای کنترل، هر سه عدد باید غلظت تعادلی باشند و توانهای ۲ و ۳ نیز دقیقاً از ضرایب معادله آمده باشند.
بزرگی Kc را درست تفسیر کن
اگر Kc بسیار بزرگتر از یک باشد، در مخلوط تعادلی صورت کسر نسبت به مخرج غالب است و میگوییم تعادل به سمت فرآوردهها متمایل است. اگر Kc بسیار کوچکتر از یک باشد، واکنشدهندهها غالباند. مقدار نزدیک یک نشان میدهد هیچ سمت معادله برتری بسیار بزرگی ندارد؛ البته مقدار دقیق غلظت هر ماده به توانها و شرایط آغازین نیز وابسته است.
Kc بزرگ به معنی سریعبودن واکنش نیست. سرعت رسیدن به تعادل موضوع سینتیک است، در حالی که Kc جایگاه تعادل را بیان میکند. کاتالیزگر سرعت هر دو جهت را افزایش میدهد و زمان رسیدن به تعادل را کم میکند، اما در دمای ثابت مقدار Kc و ترکیب نهایی تعادلی را تغییر نمیدهد. تغییر غلظت یا فشار میتواند وضعیت سامانه را جابهجا کند، ولی مقدار Kc فقط با تغییر دما عوض میشود.
- Kc بسیار بزرگ: غلبه نسبی فرآوردهها در تعادل
- Kc بسیار کوچک: غلبه نسبی واکنشدهندهها در تعادل
- Kc درباره سرعت واکنش داوری نمیکند
- کاتالیزگر Kc را تغییر نمیدهد
- در یک واکنش مشخص، تغییر دما میتواند Kc را تغییر دهد
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: برای تعادل H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)، در دمای معین غلظتهای تعادلی [H₂] = 0.20 M، [I₂] = 0.20 M و [HI] = 0.80 M است. مقدار Kc را بیاب. عبارت برابر Kc = [HI]² ÷ ([H₂][I₂]) است؛ بنابراین Kc = (0.80)² ÷ ((0.20)(0.20)) = 0.64 ÷ 0.04 = 16.
پاسخ ۱۶ نشان میدهد در این شرایط تعادلی، عبارت مربوط به فرآورده نسبت به واکنشدهندهها بزرگتر است؛ اما از این عدد بهتنهایی نمیتوان سرعت واکنش را نتیجه گرفت. هنگام حل، یک بار حالت فیزیکی مواد، یک بار ضرایب و توانها و یک بار تعادلیبودن غلظتها را کنترل کن.
- معادله موازنهشده مبنای عبارت تعادل است
- فازهای خالص جامد و مایع در Kc نمیآیند
- ضریبها توان غلظتها هستند
- داده ابتدایی را با داده تعادلی اشتباه نگیر
- تفسیر Kc را به جایگاه تعادل محدود کن، نه سرعت آن
برای حل مسئلههای Kc این مسیر را اجرا کن: معادله را موازنه و حالت فیزیکی مواد را مشخص کن، جامد و مایع خالص را کنار بگذار، فرآوردهها را در صورت و واکنشدهندهها را در مخرج بنویس، ضرایب را به توان تبدیل کن و فقط غلظتهای تعادلی را جایگذاری کن. در پایان از بزرگی Kc درباره تمایل نسبی تعادل نتیجه بگیر و آن را با سرعت واکنش اشتباه نکن.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.