تعادل شیمیائی

همانطور که قبلاً در بخش مقدمه اشاره شد، تعادل مادی یکی از انواع تعادل است که هنگام برقراری این تعادل با وجود امکان جریان ماده از یک شکل به شکل دیگر یا از یک فاز به فاز دیگر، انتقال خالص ماده وجود ندارد. برقراری تعادل مادی نیازمند برابری پتانسیل های شیمیائی () است . در صورت برابر نبودن پتانسیل های شیمیائی، ماده از فرم یا فرمها یا از نقطه یا نقاط با بالاتر به نقطه یا نقاط یا فرم یا فرمها با پائین تر جریان می یابد. در برخی موارد جریان خالص ماده از فرم (ها) یا نقطه (ها) با بالاتر به فرم (ها) یا نقطه ( ها) با پائین تر منجر به کاهش فرم (ها) یا نقطه (ها) با بالاتر و افزایش فرم (ها) یا نقطه (ها) با پائین تر میشود، بطوریکه در نهایت پتانسیل های شیمیائی تمام نقطه (ها) یا فرم (ها) با هم برابر می شوند و در نتیجه تعادل مادی برقرار میشود و جریان خالص ماده از یک فرم به فرم دیگر یا از یک نقطه به نقطه دیگر متوقف میشود. اما در برخی موارد دیگر، جریان خالص ماده منجر به تغییر پتانسیل های شیمیائی نمیشود و به تبع آن برابری پتانسیل های شیمیائی و برقراری تعادل مادی رخ نمیدهد. تحت این شرایط جریان خالص ماده تا زمانی که نقطه (ها) یا فرم (ها) با پتانسیل های شیمیائی بالاتر بطور کامل از بین رود، وجود خواهد داشت.

در مورد عوامل تاثیر گذار بر پتانسیل شیمیائی و نحوه تاثیر آنها بعداً در بخش تعادل شیمیائی و ترمودینامیک (پیشرفته) بحث خواهیم کرد. در اینجا به صورت خلاصه اشاره ای می کنیم. در مورد مواد محلول و گازها معمولاً با افزایش غلظت، پتانسیل شیمیائی ماده حل شونده یا جزء گازی شکل افزایش می یابد و با کاهش غلظت، پتانسیل شیمیائی کاهش می یابد. در مورد مواد جامد یا مایع خالص پتانسیل شیمیائی تحت تاثیر افزایش یا کاهش مقدار ماده جامد یا مایع خالص قرار نمی گیرد.بعنوان مثال برای بحث های بالا تبدیل مایع آب خالص به یخ خالص در فشار 1 atm و دمای دلخواه t و حل شدن ید جامد در آب را در دما و فشار C25 و 1 atm در نظر می گیریم. در مورد تبدیل مایع آب خالص به یخ خالص در فشار 1 atm و دمای دلخواه t بایستی این نکته را در نظر داشت که پتانسیل شیمیائی دو فاز موجود ( فاز آب مایع خالص و فاز یخ خالص) تحت تاثیر جابجائی ماده بین دو فاز قرار نمی گیرد. بنابراین سه حالت پیش خواهد آمد: درصورتیکه پتانسیل شیمیائی آب مایع خالص بیشتر از یخ خالص باشد ( این مطلب در دماهای کمتر از C 0در فشار 1 atm صادق است)، تمام آب مایع یخ نخواهد بست. درصورتیکه پتانسیل شیمیائی یخ خالص از آب مایع خالص بیشتر باشد ( این مطلب در دماهای بزرگتر از C 0در فشار 1 atm صادق است)، تمام یخ آب خواهد شد. در صورتیکه پتانسیل شیمیائی آب مایع خالص و یخ خالص با هم برابر باشند ( این مطلب در دمای برابر C 0در فشار 1 atm صادق است)، تعادل مادی برقرار است و جریان خالص ماده ( آب) از یک فرم به فرم دیگر ( از آب به یخ یا بالعکس) مادامیکه تغییری در سیستم ( مثل دادن یا گرفتن گرما) اعمال نشود، نخواهیم داشت. در مورد حل شدن ید جامد در آب بایستی این نکته را در نظر داشت که پتانسیل شیمیائی ید جامد خالص تحت تاثیر مقدار ید قرار نمی گیرد، در حالیکه پتانسیل شیمیائی ید محلول در آب با افزایش غلظت ید حل شده افزایش می یابد. تحت این شرایط ید از فاز جامد به فاز محلول یا بالعکس جابجا می شود تا زمانیکه پتانسیل شیمیائی ید در دو فاز با هم برابر شود و تعادل مادی برقرار شود. بعنوان مثال در صورتیکه مقداری ید جامد خالص در ظرف محتوی آب خالص مایع بریزیم، در ابتدا بعلت کمتر بودن پتانسیل شیمیائی ید در محلول از پتانسیل شیمیائی ید جامد، انتقال خالص ید از فاز جامد به فاز محلول یا همان حل شدن ید جامد در آب را خواهیم داشت. به علت حل شدن ید جامد و افزایش غلظت ید حل شده، پتانسیل شیمیائی ید حل شده افزایش خواهد یافت. درصورتیکه مقدار ید جامد اضافه شده کم بوده باشد، تمام ید جامد در آب حل خواهد شد، بدون آنکه پتانسیل شیمیائی ید حل شده به پتانسیل شیمیائی ید جامد برسد و محلول توانائی حل کردن مقدار ید جامد بیشتری همچنان خواهد داشت. درصورتیکه مقدار ید جامد اضافه شده زیاد بوده باشد، مقداری از ید جامد در محلول حل خواهد شد، به طوریکه به علت افزایش غلظت ید حل شده و به تبع آن پتانسیل شیمیائی ید حل شده، پتانسیل شیمیائی ید حل شده به پتانسیل شیمیائی ید جامد برسد. تحت این شرایط پتانسیل شیمیائی ید در دو فاز جامد و حل شده ( محلول) با هم برابر خواهند بود و انتقال خالص ید از فاز جامد به فاز محلول یا بالعکس متوقف خواهد شد و حتی با اضافه کردن ید جامد بیشتر شاهد حل شدن ید جامد در محلول نخواهیم بود. بنابراین غلظت ید در محلول اشباع ید در آب همان غلظتی است که منجر به تساوی پتانسیل های شیمیائی ید جامد و ید محلول و در نتیجه برقراری تعادل مادی می شود.

در اغلب واکنشها با مواد حل شده یا مواد گازی شکل سر و کار داریم . بنابراین در اغلب واکنشها تغییر غلظت ها نقش مهمی در مساوی شدن پتانسیل های شیمیائی و برقراری تعادل مادی دارد. در چنین واکنشهایی که تعادلی نامیده می شوند، مواد اولیه و محصولات بهم تبدیل می شوند و غلظت ها کم و زیاد می شوند تا زمانیکه غلظت ها به غلظت های تعادلی برسند . در غلظت های تعادلی، برابری پتانسیل های شیمیائی و برقراری تعادل مادی و در نتیجه عدم جابجائی خالص ماده و عدم تغییر غلظت ها را داریم.

واکنشهای شیمیایی تعادلی را با فلش دو طرفه () بین مواد اولیه و محصولات نمایش می دهیم. در مقابل واکنشهای تعادلی، واکنشهای غیرتعادلی یا یکطرفه را داریم. در چنین واکنشهایی جابجایی ماده کمکی به برابری پتانسیل های شیمیائی مواد اولیه و محصولات نمی کند و در نهایت یکی از آنها از بین خواهد رفت و تنها یکی باقی خواهد ماند. از واکنشهای غیرتعادلی معمول می توان به واکنشهایی که تنها شامل مواد جامد یا مایع خالص به عنوان مواد اولیه و محصولات هستند، اشاره کرد. بعنوان مثال واکنش حل شدن ید جامد در آب یک واکنش تعادلی است، در حالیکه واکنش تبدیل یخ خالص به آب خالص یک واکنش تعادلی نیست. برای واکنشهای تعادلی، همانطور که بعداً در بخش "تعادل شیمیائی و ترمودینامیک (پیشرفته)" اثبات خواهیم نمود، غلظت های تعادلی در رابطه ای به نام رابطه ثابت تعادل صدق می کنند. در ادامه با رابطه ثابت تعادل آشنا می شویم.

 

 

 

 

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||