الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على تطبيق مبدأ لوشاتلييه للتنبؤ باتجاه انزياح الاتزان عند تغيّر التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة.
شرح الدرس
ينص مبدأ لوشاتلييه على أنه إذا تعرض نظام في حالة اتزان لتغيّر في أحد الظروف (التركيز، الضغط/الحجم، درجة الحرارة)، فإن النظام يستجيب بالانزياح في الاتجاه الذي يقاوم (يُقلل من أثر) هذا التغيّر، للوصول إلى حالة اتزان جديدة.
تغيّر التركيز: زيادة تركيز مادة معينة (متفاعل أو ناتج) تدفع الاتزان للانزياح في الاتجاه الذي يستهلك هذه الزيادة.
تغيّر الضغط/الحجم (للتفاعلات الغازية فقط): زيادة الضغط (تقليل الحجم) تدفع الاتزان للانزياح نحو الجانب الذي يحتوي على عدد مولات غازية أقل؛ وتقليل الضغط (زيادة الحجم) يدفعه نحو الجانب ذي عدد المولات الغازية الأكبر.
تغيّر درجة الحرارة: زيادة درجة الحرارة تدفع الاتزان للانزياح في الاتجاه الماص للحرارة (الطارد للحرارة)؛ فإذا كان التفاعل الأمامي طارداً للحرارة، فإن رفع درجة الحرارة يدفع الاتزان نحو التفاعل العكسي (الماص للحرارة).
هام: لا يؤثر الحفّاز على موضع الاتزان إطلاقاً (لا يُغيّر Kc ولا نسب التراكيز النهائية)؛ فهو فقط يُسرّع الوصول لحالة الاتزان (يزيد سرعتي التفاعلين الأمامي والعكسي بنفس النسبة).
أسئلة تدريبية
1. للتفاعل N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g)، إذا زِيد تركيز غاز N₂ في نظام متزن، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الأمام (تكوين المزيد من NH₃)؛ لأن النظام يستجيب لزيادة تركيز N₂ (أحد المتفاعلات) بمحاولة استهلاك هذه الزيادة، وهذا يحدث بدفع التفاعل الأمامي.
2. للتفاعل نفسه N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g)، إذا زِيد الضغط الكلي على النظام (بتقليل الحجم)، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الأمام (تكوين المزيد من NH₃)؛ لأن جانب النواتج له 2 مول غاز فقط، بينما جانب المتفاعلات له 4 مول غاز (1+3)؛ وزيادة الضغط تدفع الاتزان نحو الجانب ذي عدد المولات الغازية الأقل، وهو جانب النواتج هنا.
3. تفاعل تكوين الأمونيا (N₂+3H₂⇌2NH₃) طارد للحرارة في الاتجاه الأمامي. إذا رُفعت درجة حرارة النظام المتزن، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الخلف (نحو تكوين المزيد من N₂ وH₂)؛ لأن رفع درجة الحرارة يدفع الاتزان نحو الاتجاه الماص للحرارة، وبما أن التفاعل الأمامي طارد للحرارة، فإن التفاعل العكسي هو الماص للحرارة.
4. للتفاعل الغازي 2SO₂(g)+O₂(g)⇌2SO₃(g)، إذا قلّ الضغط الكلي على النظام (بزيادة الحجم)، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الخلف (تكوين المزيد من SO₂ وO₂)؛ لأن جانب المتفاعلات له 3 مول غاز (2+1)، بينما جانب النواتج له 2 مول غاز فقط؛ وتقليل الضغط يدفع الاتزان نحو الجانب ذي عدد المولات الغازية الأكبر، وهو جانب المتفاعلات هنا.
5. هل يُغيّر إضافة حفّاز إلى نظام متزن من قيمة ثابت الاتزان Kc لهذا النظام؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
لا، لا يُغيّر الحفّاز من قيمة Kc إطلاقاً؛ لأن الحفّاز يزيد من سرعتي التفاعلين الأمامي والعكسي بنفس النسبة تماماً، فيُسرّع فقط الوصول لنفس حالة الاتزان (نفس التراكيز النهائية ونفس Kc)، دون أن يُغيّر موضع الاتزان نفسه.
6. للتفاعل H₂(g)+I₂(g)⇌2HI(g) (عدد مولات غازية متساوٍ على الجانبين: 2 مول لكل جانب)، إذا زِيد الضغط الكلي على النظام، ماذا يُتوقع أن يحدث لموضع الاتزان؟
عرض الإجابة
لا يُتوقع أي انزياح ملحوظ في موضع الاتزان؛ لأن عدد المولات الغازية متساوٍ تماماً على جانبي المعادلة (2 مول لكل جانب)، فتغيّر الضغط لا يُفضّل أياً من الاتجاهين على الآخر.
7. للتفاعل الطارد للحرارة CO(g)+3H₂(g)⇌CH₄(g)+H₂O(g)، إذا خُفضت درجة حرارة النظام المتزن، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الأمام (تكوين المزيد من CH₄ وH₂O)؛ لأن خفض درجة الحرارة يدفع الاتزان نحو الاتجاه الطارد للحرارة، وهو التفاعل الأمامي هنا.
8. للتفاعل N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g)، إذا أُزيل جزء من غاز NH₃ الناتج من النظام المتزن (مثلاً بإذابته أو تكثيفه)، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الأمام (تكوين المزيد من NH₃ لتعويض ما أُزيل)؛ لأن النظام يستجيب لنقصان تركيز أحد النواتج بمحاولة تعويض هذا النقصان، وهذا يحدث بدفع التفاعل الأمامي لإنتاج المزيد منه.
9. لماذا لا يؤثر تغيّر الضغط (أو الحجم) على موضع الاتزان في تفاعل لا يشمل أي مواد غازية على الإطلاق (كتفاعل بين محلولين سائلين فقط)؟
عرض الإجابة
لأن تأثير تغيّر الضغط على موضع الاتزان يعتمد أساساً على الفرق في عدد المولات الغازية بين جانبي التفاعل؛ فإذا لم تكن هناك أي مواد غازية أصلاً (تفاعل بين سوائل أو محاليل فقط)، فإن تغيّر الضغط الخارجي لا يُحدث أي فرق ملحوظ في حجوم أو تراكيز المواد المتفاعلة، فلا يُفضّل أي اتجاه على الآخر.
10. نظام متزن للتفاعل 2NO₂(g)⇌N₂O₄(g) (تفاعل طارد للحرارة في الاتجاه الأمامي). إذا رُفعت درجة الحرارة مع تقليل الحجم (زيادة الضغط) في آن واحد، هل يتفق تأثيرا هذين التغييرين على اتجاه الانزياح، أم يتعارضان؟
عرض الإجابة
يتعارضان جزئياً: رفع درجة الحرارة يدفع الاتزان نحو الخلف (الاتجاه الماص للحرارة، أي تكوين المزيد من NO₂)؛ بينما زيادة الضغط تدفع الاتزان نحو الأمام (الجانب ذو عدد المولات الغازية الأقل، وهو N₂O₄ بمول واحد مقابل 2 مول لـNO₂)؛ فالاتجاه الصافي النهائي يعتمد على أي من هذين التأثيرين أقوى فعلياً في هذه الظروف المحددة.
11. للتفاعل الماص للحرارة في الاتجاه الأمامي: CaCO₃(s)⇌CaO(s)+CO₂(g)، إذا زِيد الضغط على النظام المتزن، في أي اتجاه ينزاح الاتزان؟ (اعتبر فقط المادة الغازية في حساب عدد المولات الغازية على كل جانب)
عرض الإجابة
ينزاح الاتزان نحو الخلف (تكوين المزيد من CaCO₃)؛ لأن جانب النواتج يحتوي على مول واحد من الغاز (CO₂) بينما جانب المتفاعلات لا يحتوي على أي غاز (صفر مول غازي، لأن CaCO₃ صلب)؛ وزيادة الضغط تدفع الاتزان نحو الجانب ذي عدد المولات الغازية الأقل، وهو جانب المتفاعلات هنا (صفر مقابل واحد).
12. لماذا يُعد فهم مبدأ لوشاتلييه بالغ الأهمية عملياً في الصناعة الكيميائية (كعملية هابر لتصنيع الأمونيا)؟
عرض الإجابة
لأنه يسمح للمهندسين الكيميائيين بالتنبؤ بأفضل الظروف العملية (ضغط، درجة حرارة، تركيز) لتحقيق أكبر إنتاجية ممكنة من الناتج المرغوب (كالأمونيا)، من خلال اختيار الظروف التي تدفع الاتزان قدر الإمكان نحو جانب النواتج، مع موازنة ذلك عملياً مع اعتبارات أخرى كسرعة التفاعل والتكلفة الاقتصادية.