در یک تعادل پویا، واکنش رفت و برگشت متوقف نشدهاند؛ بلکه سرعت آنها برابر است و در نتیجه غلظت مواد در مقیاس ما ثابت میماند. اگر دما، فشار یا غلظت یکی از مواد را تغییر دهیم، سامانه برای رسیدن به تعادل تازه واکنش نشان میدهد. اصل لوشاتلیه ابزاری کیفی برای پیشبینی همین پاسخ است، به شرط آنکه هر عامل را با منطق درست بررسی کنیم.
تعادل پویا را درست تصور کن
در یک واکنش برگشتپذیر، ابتدا معمولاً سرعت واکنش رفت بیشتر است. با مصرف واکنشدهندهها و تشکیل فرآوردهها، سرعت رفت کاهش و سرعت برگشت افزایش مییابد تا سرانجام دو سرعت برابر شوند. در این وضعیت، مقدار مواد لزوماً با هم برابر نیست؛ فقط غلظت هر ماده در دمای ثابت، بدون دخالت بیرونی، ثابت میماند.
اصل لوشاتلیه میگوید اگر به یک سامانه در حال تعادل تغییری تحمیل شود، تعادل در جهتی جابهجا میشود که اثر آن تغییر را تا حدی کاهش دهد. جابهجایی به راست یعنی واکنش رفت بیشتر انجام میشود و فرآورده بیشتری شکل میگیرد؛ جابهجایی به چپ یعنی واکنش برگشت تقویت میشود.
- تعادل شیمیایی ایستا نیست؛ هر دو واکنش ادامه دارند
- در تعادل، سرعت رفت و برگشت برابر است نه غلظت مواد
- جابهجایی تعادل تا برقراری یک تعادل تازه ادامه مییابد
اثر تغییر غلظت را پیشبینی کن
با افزودن یک ماده، سامانه در جهتی جابهجا میشود که آن ماده را مصرف کند. با کمکردن یک ماده نیز تعادل به سمتی میرود که بخشی از آن را دوباره بسازد. برای نمونه در تعادل N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)، افزودن H₂ یا خارجکردن NH₃ باعث جابهجایی تعادل به راست میشود.
جامد خالص در عبارت ثابت تعادل وارد نمیشود و تغییر مقدار آن، تا وقتی مقداری از جامد در سامانه وجود دارد، جهت تعادل را تغییر نمیدهد. پس نباید قانون افزودن و مصرفشدن را بدون توجه به حالت فیزیکی مواد به همه اجزای معادله تعمیم دهیم.
فشار و حجم را فقط برای مواد گازی بسنج
در دمای ثابت، کاهش حجم ظرف فشار گازها را افزایش میدهد. تعادل برای کاهش این فشار به سمتی جابهجا میشود که مجموع ضرایب استوکیومتری مواد گازی کمتر باشد. افزایش حجم و کاهش فشار، جهت دارای مولهای گازی بیشتر را تقویت میکند.
اگر تعداد مولهای گازی دو طرف برابر باشد، تغییر حجم تعادل را جابهجا نمیکند. همچنین ضرایب جامدها و مایعهای خالص را در شمارش مولهای گازی وارد نکن. افزودن گاز بیاثر در حجم ثابت نیز فشار جزئی مواد واکنشدهنده را تغییر نمیدهد و جهت تعادل را عوض نمیکند.
- ضرایب مواد گازی دو طرف را جمع کن
- کاهش حجم: حرکت به سوی مول گازی کمتر
- افزایش حجم: حرکت به سوی مول گازی بیشتر
- برابری مولهای گازی: بدون جابهجایی تعادل
گرما را مانند یک جزء واکنش تحلیل کن
اثر دما با غلظت و فشار تفاوت مهمی دارد: برای تشخیص جهت باید گرماگیر یا گرمادهبودن واکنش را بدانیم. در واکنش گرماده میتوان گرما را در سمت فرآوردهها نوشت؛ پس افزایش دما مانند افزودن فرآورده است و تعادل را به چپ میبرد. در واکنش گرماگیر، گرما در سمت واکنشدهندهها قرار میگیرد و افزایش دما تعادل را به راست جابهجا میکند.
ثابت تعادل فقط با دما تغییر میکند. تغییر غلظت یا فشار میتواند ترکیب مخلوط تعادلی را عوض کند، اما در دمای ثابت مقدار ثابت تعادل را تغییر نمیدهد. برای واکنش گرماده، افزایش دما مقدار ثابت تعادل را کاهش میدهد؛ برای واکنش گرماگیر نتیجه برعکس است.
مثال حلشده: افزایش بازده تولید آمونیاک
تعادل N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) را در نظر بگیر که واکنش رفت آن گرماده است. اگر حجم ظرف کاهش یابد، سمت چپ چهار مول گازی و سمت راست دو مول گازی دارد؛ بنابراین تعادل به راست جابهجا میشود و مقدار تعادلی آمونیاک افزایش مییابد.
اگر دما افزایش پیدا کند، چون گرما در سمت فرآوردههاست، تعادل برای مصرف اثر گرمای افزوده به چپ میرود و مقدار تعادلی NH₃ کاهش مییابد. خارجکردن آمونیاک نیز تعادل را به راست میبرد. افزودن کاتالیزگر اما مقدار تعادلی آمونیاک را عوض نمیکند؛ فقط با کاهش انرژی فعالسازی واکنش رفت و برگشت، سامانه را زودتر به همان تعادل میرساند.
نکات کلیدی و خطاهای رایج
برای حل هر پرسش، نخست معادله موازنهشده، حالت فیزیکی مواد و گرماده یا گرماگیر بودن واکنش را مشخص کن. سپس فقط عامل تغییرکرده را بررسی کن و در پایان بگو تعادل به کدام سمت میرود و مقدار ماده مورد سؤال چه تغییری میکند.
- برابرشدن سرعتها را با برابرشدن غلظتها اشتباه نگیر
- اثر فشار را تنها با شمارش ضرایب مواد گازی تعیین کن
- کاتالیزگر تعادل را جابهجا و ثابت تعادل را تغییر نمیدهد
- فقط تغییر دما مقدار ثابت تعادل را تغییر میدهد
- افزایش مقدار یک جامد خالص، در حضور همان جامد، تعادل را جابهجا نمیکند
مسیر عملی تحلیل تعادل این است: عامل تغییر را مشخص کن، برای فشار فقط مولهای گازی و برای دما جایگاه گرما را ببین، جهت مصرف اثر تغییر را تعیین کن و سپس پیامد آن را برای ماده خواستهشده بنویس.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.