تعادل شیمیایی زمانی حاصل می شود که سرعت واکنش رو به جلو با سرعت واکنش رو به عقب برابر باشد. به عبارت دیگر، وضعیت سیستمی است که غلظت واکنش دهنده ها و محصولات ثابت است، یعنی با گذشت زمان تغییر نمی کنند.

همه سیستم های دینامیکی، از جمله سیستم های شیمیایی، تمایل دارند در نقاط تعادل خاصی تحت شرایط خاصی قرار گیرند. وارد کردن تنش به یک سیستم در حالت تعادل باعث می شود که سیستم تعادل خود را برای خنثی کردن تنش تغییر دهد و تعادل جدیدی را در نقطه دیگری به دست آورد.

به عنوان مثال، آب جاری تمایل دارد از یک نقطه مرتفع به پایین ترین سطح ممکن که در یک زمین معین در تعادل است، برود. شما همچنین می توانید آن را چیزی شبیه به یک ماشین سطح ساده در نظر بگیرید که تکیه گاه را بسته به بارهای دو طرف اهرم جابجا می کند.

تعادل شیمیایی چیست؟

تعادل شیمیایی زمانی است که قابل برگشت باشد واکنش شیمیایی مقدار واکنش دهنده ها یا محصولات را تغییر نمی دهد. اما، در حالی که غلظت واکنش دهنده ها و محصولات در هنگام رسیدن به تعادل ثابت است، این بدان معنا نیست که آنها برابر هستند.

تمام واکنش های شیمیایی تحت شرایط خاصی از نظر فنی برگشت پذیر هستند. با این حال، وقتی صحبت از شرایط استاندارد می شود، واکنش های شیمیایی برگشت پذیر واکنش هایی هستند که در آن محصولات به محض تشکیل، واکنش دهنده های اصلی را تولید می کنند.

سرعت دو واکنش متضاد پس از رسیدن به نقطه تعادل ثابت است. این بدان معناست که هیچ مقدار اضافی واکنش دهنده یا محصول تولید نمی شود. در نقطه تعادل، واکنش کامل در نظر گرفته می شود زیرا حداکثر مقدار ممکن از واکنش دهنده ها به یک محصول جدید تبدیل می شود.

تعادل شیمیایی تنها به واکنش های شیمیایی که در آن پیوندها شکسته و ایجاد می شوند و منجر به تشکیل محصولات جدید می شود، اشاره نمی کند. همچنین می تواند به وضعیت پایدار یک ماده خاص اشاره داشته باشد. در واقع، شما می توانید بسیاری را پیدا کنید نمونه هایی از تعادل شیمیایی در زندگی روزمره که احتمالاً قبلاً به آن توجه نکرده اید.

چند مثال از تعادل شیمیایی چیست؟

یکی از رایج ترین نمونه های تعادل شیمیایی در الف است قوطی نوشابه گازدار. نوشابه ها به دلیل دی اکسید کربن محبوس شده در داخل قوطی تحت فشار هستند. از آنجایی که بیشتر مولکول‌های دی‌اکسید کربن در مایع حل می‌شوند، در ابتدا حباب‌هایی در نوشیدنی مشاهده نمی‌کنید – اما زمانی که قوطی را باز کنید، گاز به سرعت از بالای آن خارج می‌شود.

تا زمانی که قوطی محکم بسته باشد، دی اکسید کربن گازی و مایع با یکدیگر در تعادل هستند. حرکت ثابت دی اکسید کربن از فاز مایع به گاز و بالعکس، پیوسته اما در تعادل است. تا زمانی که قوطی را تکان ندهید یا باز نکنید، نمی توانید هیچ تغییری را مشاهده کنید. این تعادل شیمیایی را می توان به صورت یک معادله شیمیایی متعادل نوشت:

CO_{2 (گرم)}+H₂O_(ل) ⇌ اچ₂CO_{3 (ق)}

به طور مشابه، بسیاری از عملکردهای بیولوژیکی بدون تعادل پویا امکان پذیر نیستند، که بهترین نمونه آن در بدن ما یافت می شود، یعنی هموگلوبین در خون ما. هموگلوبین مسئول انتقال اکسیژن به قسمت های مختلف بدن ما است. بدون تعادل شیمیایی در هموگلوبین، ما نمی‌توانیم زنده بمانیم. این درشت مولکول از نظر جذب و آزادسازی اکسیژنی که حمل می کند در تعادل است. با این معادله شیمیایی نشان داده می شود:

هموگلوبین (aq) + 4O₂(g) ⇌ هموگلوبین (O₂) 4 (ق)

4Fe + 6H₂O + 3O₂ ← 4Fe(OH)₃

تفاوت بین تعادل استاتیک و دینامیک چیست؟

همانطور که قبلا ذکر شد، تمام واکنش های شیمیایی تحت شرایط خاص از نظر فنی برگشت پذیر هستند. با این حال، بسیاری از واکنش های شیمیایی به دلیل آنتروپی بالا عملا غیر قابل برگشت هستند. به عنوان مثال، یک مسابقه ایمنی که به طور کامل سوزانده شده است عملاً غیرممکن است که دوباره کنار هم قرار گیرند، حتی اگر تمام اتم ها و انرژی در یک سیستم بسته وجود داشته باشد. این به عنوان تعادل ایستا شناخته می شود.

تعادل استاتیک شیمیایی حالتی از سیستمی است که در آن واکنش شیمیایی به طور کامل متوقف شده است. سرعت واکنش صفر است و هیچ حرکتی بین واکنش دهنده ها و محصولات وجود ندارد. در اینجا کلید است تفاوت بین تعادل ایستا و تعادل دینامیکی:

اصل Le Chatelier چیست؟

تمام سیستم هایی که در حالت تعادل دینامیکی قرار دارند، تنها تا زمانی پایدار هستند که فاکتورها در یک محدوده نسبتاً پایدار حفظ شوند. در مورد، واکنش بین نیتروژن و هیدروژن برای تشکیل آمونیاک:

ن₂(g) + 3H₂(g) ⇔ 2NH₃(g)

برای ایجاد این واکنش، فشاری بین 2100-3600 psi و دمای بین 300-550 درجه سانتیگراد مورد نیاز است. تحت این شرایط، گاز آمونیاک تجزیه می شود به اجزای تشکیل دهنده آن بنابراین، واکنش های رو به جلو و عقب در تعادل هستند.

در این مثال و موارد مشابه دیگر، اصل لو شاتلیه قابل مشاهده و اعمال است. این اصل بیان می کند که در یک سیستم شیمیایی در تعادل، تغییرات در یک یا چند عامل یا شرایط منجر به تغییر قابل پیش بینی در واکنش ها برای رسیدن به یک حالت تعادل جدید می شود.

عواملی که می توانند حالت تعادل را تغییر دهند عبارتند از:

• درجه حرارت
• فشار
• تمرکز
• جلد

به عنوان مثال، واکنش خنثی سازی گرمازا زیر بین یک باز و یک اسید را در نظر بگیرید:

NaOH + HCl → H₂O + NaCl + انرژی

در شرایط عادی، هیدروکسید سدیم به راحتی با کلرید هیدروژن واکنش می دهد و آب و کلرید سدیم (نمک خوراکی) را بدون نیاز به انرژی ورودی یا کاتالیزور تشکیل می دهد. این واکنش گرمازا است و مقدار قابل توجهی گرما تولید می کند. با این حال، واکنش معکوس به راحتی رخ نمی دهد.

پیوند یونی بین سدیم و کلر بسیار قوی است و نمک را بسیار پایدار می کند. به طور مشابه، پیوند کووالانسی بین هیدروژن و اکسیژن در یک مولکول آب نیز قوی است. برای جدا کردن هیدروژن از اکسیژن و شکستن پیوند یونی در مولکول های نمک، به مقدار قابل توجهی انرژی ورودی به شکل جریان الکتریکی نیاز دارید.

در یک واکنش گرمازا، افزودن انرژی به سمت راست معادله، تعادل را به سمت چپ تغییر می‌دهد. برعکس، در یک واکنش گرماگیر، افزودن گرما یا سایر اشکال انرژی به واکنش دهنده، تعادل را به سمت راست معادله تغییر می دهد.

نحوه محاسبه ثابت تعادل

واکنش های شیمیایی برگشت پذیر در تعادل دینامیکی خاص است ثابت های تعادل. شکل تعمیم یافته واکنش های شیمیایی برگشت پذیر را می توان به صورت زیر نوشت:

در همین حال، ثابت تعادل برای هر واکنش را می توان به صورت زیر نوشت:

در اینجا، A و B نشان دهنده واکنش دهنده ها، و C و D نشان دهنده محصولات هستند. در همین حال، w، x، y و z نشان دهنده ضرایب واکنش دهنده ها و محصولات هستند. ثابت معادله (K_معادله) نشان دهنده ثابت غلظت است که می توان آن را به صورت K نوشت_ج. اگرچه واحدها بر حسب مول در لیتر (mol/L) هستند، K بدون واحد است زیرا فقط یک نسبت است. ارزش K_ج بینشی در مورد غلظت های متناسب واکنش دهنده ها و محصولات در شرایط ایده آل ارائه می دهد:

• اگر مقدار K_ج ~ 1000 یا بیشتر است، محصولات به نسبت بیشتر از واکنش دهنده ها در حالت تعادل هستند
• اگر مقدار K_ج 0.001 ~ یا کمتر است، واکنش دهنده ها نسبتاً بزرگتر از محصولات هستند
• اگر مقدار K_ج بین 0.001 و 1000 است، مقدار واکنش دهنده ها و محصولات تقریباً یکسان است

تغییر هر یک از پارامترهای شرایط ایده آل، مانند دما و فشار، حالت تعادل را به سمت چپ یا راست معادله تغییر می دهد.