تعادل های فیزیکی و تغییرات سرعت واکنش تا رسیدن به تعادل

در این مطلب تعادل های فیزیکی را با ذکر چند مثال معرفی کرده و تغییرات غلظت مواد و سرعت واکنش های رفت و برگشت را تا لحظه برقراری تعادل بررسی خواهیم کرد.

تعادل فیزیکی:

تعادل فیزیکی هنگامی برقرار می شود که فرمول شیمیایی مواد موجود در طرفین تعادل یکسان بوده و تنها تفاوت در حالت فیزیکی آنها باشد. از این نظر تغییر حالت های فیزیکی یک ماده (تبخیر، میعان، ذوب، انجماد، تصعید یا فرازش، چگالش)، نمونه ای از تعادل های فیزیکی است.

تمرین: فیزیکی یا شیمیایی بودن تعادل زیر را مشخص کنید.

این تعادل شیمیایی است. اگرچه تغییر حالت فیزیکی از مایع به گاز صورت گرفته اما با شکستن پیوند کووالانسی Br-Br در مولکول Br₂ و تشکیل دو رادیکال برم همراه است.

بررسی سرعت واکنش های رفت و برگشت ضمن برقراری تعادل فیزیکی H₂O_(l) ⇌ H₂ O_(g)

همان طور که مشاهده می کنید در شکل یک فقط عمل تبخیر انجام می شود، بعد از مدتی مقداری بخار آب تولید شده و آنچه که در شکل دو می بینیم اتفاق می افتد. در این شکل بیشتر فلش ها رو به بالا هستند (فلش های قرمز رنگ) که نشان می دهد عمل تبخیر بیشتر انجام می شود و تعدادی فلش رو به پایین (فلش های آبی رنگ) نشان دهنده انجام فرایند میعان هستند. اما در اینجا هنوز سرعت تبخیر و میعان برابر نشده است. شکل سوم لحظه برقراری تعادل را نشان می دهد که در آن سرعت تبخیر و میعان با هم برابر است.

پیرامون این شکل به نکات زیر توجه فرمایید:

برای برابر شدن سرعت تبخیر با سرعت میعان، وجود درپوش شیشه ای الزامی است. زیرا سامانه های تعادلی باید بسته باشند و همانطور که در مقاله قبل گفته شد یک سامانه تعادلی نباید با محیط پیرامون خود مبادله جرم داشته باشد.
در شکل سوم که تعادل برقرار شده خواص ماکروسکوپی از جمله فشار بخار آب به مقدار ثابتی رسیده است.
ثابت ماندن فشار بخار آب به معنای توقف تبخیر و میعان نیست زیرا تعادل ها دینامیک یا پویا هستند و بعد از برقراری تعادل فرایندهای میکروسکوپی رفت و برگشت همچنان در حال انجام است.
سرعت فرایند رفت (یعنی عمل تبخیر) به غلظت H₂O_(l) بستگی دارد. از آنجایی که غلظت H₂O_(l) مانند سایر مایعات خالص عددی ثابت است پس سرعت فرایند رفت نیز ثابت می باشد. نمودار تغییرات سرعت تبخیر و سرعت میعان به این شکل است:

تغییرات سرعت واکنش های رفت و برگشت تا رسیدن به تعادل:

برای بررسی چگونگی برقراری تعادل از یک دستگاه فرضی به نام سرعت سنج استفاده می شود. این سرعت سنج می تواند واکنش های رفت و برگشت را به صورت صفر، آهسته (S)، متوسط (M) و سریع (F) نشان دهد.

همان طور که در شکل می بینید در لحظه شروع واکنش سرعت واکنش رفت زیاد و سرعت واکنش برگشت صفر است. این امر به خاطر این است که در ابتدا غلظت واکنش دهنده ها بالا بوده و هیچ فراورده ای تولید نشده است. چند لحظه بعد از شروع واکنش به تدریج از غلظت واکنش دهنده ها کاسته شده، لذا سرعت واکنش رفت کم می شود و به دلیل تولید مقداری فراورده سرعت واکنش برگشت زیاد می شود. در هنگام تعادل، سرعت واکنش رفت و برگشت با هم برابر است و هر دو در یک حالت، مثلا در حالت متوسط (M) قرار دارند. البته این برابری هر جای دیگری مثلا بین M و F یا بین M و S هم می تواند باشد.

نکته: اگر به یاد داشته باشید در فصل قبل گفتیم بعد از برقراری تعادل، شیب منحنی های غلظت – زمان که در واقع همان سرعت واکنش است صفر می شود. به خاطر داشته باشید منحنی های غلظت – زمان، سرعت واکنش ها را در مقیاس ماکروسکوپی نشان می دهند.چون سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر است، در یک زمان معین، هر ماده هر چقدر که مصرف می شود به همان اندازه نیز تولید می گردد به همین دلیل در مقیاس ماکروسکوپی متوجه تغییری نمی شویم؛ اما واقعیت این است که بعد از برقراری تعادل واکنش های میکروسکوپی رفت و برگشت دایما انجام می شوند یعنی سرعت فرایندهای میکروسکوپی برابر صفر نیست.