Анализ химического равновесия и принципа Ле Шателье

المهمة 4

السؤال: يرجع التفاعل المباشر للتفاعل المتوازن التالي:
\(N_{2(g)} + O_{2(g)} \rightleftharpoons 2NO_{(g)}\) \(\Delta H < 0\)

الخيارات:
A. زيادة كمية NO
B. نقصان الضغط الكلي
C. زيادة درجة الحرارة
D. زيادة كمية \(N_2\)

الشرح:

هذا التفاعل هو تفاعل طارد للحرارة (لأن \(\Delta H < 0\)). وفقًا لمبدأ لوشاتلييه:

1. زيادة كمية NO (الخيار A): زيادة تركيز النواتج يؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو المتفاعلات (التفاعل العكسي).
2. نقصان الضغط الكلي (الخيار B): في هذا التفاعل، عدد مولات الغازات المتفاعلة (1 مول \(N_2\) + 1 مول \(O_2\) = 2 مول) يساوي عدد مولات الغازات الناتجة (2 مول NO). لذلك، فإن تغيير الضغط الكلي لن يؤثر على موضع الاتزان.
3. زيادة درجة الحرارة (الخيار C): بما أن التفاعل المباشر طارد للحرارة، فإن زيادة درجة الحرارة ستؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو المتفاعلات (التفاعل العكسي) لامتصاص الحرارة الزائدة.
4. زيادة كمية \(N_2\) (الخيار D): زيادة تركيز أحد المتفاعلات يؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو النواتج (التفاعل المباشر).

الإجابة:
لذلك، فإن زيادة كمية \(N_2\) (أو \(O_2\)) هي التي تدفع التفاعل نحو اليمين (التفاعل المباشر).

الإجابة النهائية: D

المهمة 4

السؤال: يرجع التفاعل المباشر للتفاعل المتوازن التالي:
\(N_{2(g)} + O_{2(g)} \rightleftharpoons 2NO_{(g)}\) \(\Delta H < 0\)

الخيارات:
A. زيادة كمية NO
B. نقصان الضغط الكلي
C. زيادة درجة الحرارة
D. زيادة كمية \(N_2\)

الشرح:

يهدف هذا السؤال إلى تطبيق مبدأ لوشاتلييه على تفاعل متوازن. مبدأ لوشاتلييه ينص على أنه إذا تعرض نظام في حالة اتزان لتغير في الظروف (مثل التركيز، الضغط، أو درجة الحرارة)، فإن النظام سيعمل على معادلة هذا التغير عن طريق إزاحة موضع الاتزان.

لنحلل كل خيار:

1. زيادة كمية NO (الخيار A):

   • \(NO\) هو أحد نواتج التفاعل.
   • وفقًا لمبدأ لوشاتلييه، زيادة تركيز أحد النواتج يؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو المتفاعلات (التفاعل العكسي) لتقليل تركيز الناتج الزائد.
   • لذلك، زيادة كمية \(NO\) ستجعل التفاعل يتجه نحو اليسار (تكوين \(N_2\) و \(O_2\)).

2. نقصان الضغط الكلي (الخيار B):

   • لتقييم تأثير الضغط، نحتاج إلى مقارنة عدد مولات الغازات على جانبي المعادلة.
   • المتفاعلات: 1 مول \(N_2\) + 1 مول \(O_2\) = 2 مول غاز.
   • النواتج: 2 مول \(NO\) غاز.
   • بما أن عدد مولات الغازات متساوٍ على جانبي المعادلة (2 مول متفاعلات = 2 مول نواتج)، فإن تغيير الضغط الكلي لن يؤثر على موضع الاتزان.

3. زيادة درجة الحرارة (الخيار C):

   • المعطى أن \(\Delta H < 0\)، مما يعني أن التفاعل المباشر (من اليسار إلى اليمين) هو تفاعل طارد للحرارة.
   • التفاعل العكسي (من اليمين إلى اليسار) هو تفاعل ماص للحرارة.
   • وفقًا لمبدأ لوشاتلييه، زيادة درجة الحرارة (إضافة حرارة) ستؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو التفاعل الماص للحرارة (التفاعل العكسي) لامتصاص الحرارة الزائدة.
   • لذلك، زيادة درجة الحرارة ستجعل التفاعل يتجه نحو اليسار.

4. زيادة كمية \(N_2\) (الخيار D):

   • \(N_2\) هو أحد المتفاعلات.
   • وفقًا لمبدأ لوشاتلييه، زيادة تركيز أحد المتفاعلات يؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو النواتج (التفاعل المباشر) لاستهلاك المادة المضافة.
   • لذلك، زيادة كمية \(N_2\) ستجعل التفاعل يتجه نحو اليمين (تكوين \(NO\)).

السؤال يطلب أي خيار "يرجع التفاعل المباشر" أي يدفع الاتزان نحو تكوين النواتج. بناءً على التحليل أعلاه، فإن زيادة كمية أحد المتفاعلات (\(N_2\) أو \(O_2\)) هي التي تدفع التفاعل نحو اليمين.

الإجابة النهائية: D

العلاقة بين إشارة التغير في المحتوى الحراري (ΔH) وتأثير درجة الحرارة على الاتزان

تُعد إشارة التغير في المحتوى الحراري (\(\Delta H\)) مؤشرًا حيويًا لتحديد ما إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة أم ماصًا لها، وهذا بدوره يؤثر بشكل مباشر على موضع الاتزان عند تغيير درجة الحرارة، وذلك وفقًا لمبدأ لوشاتلييه.

1. التفاعل الطارد للحرارة (\(\Delta H < 0\)):

• التعريف: في التفاعل الطارد للحرارة، يتم إطلاق طاقة حرارية إلى الوسط المحيط أثناء تكوين النواتج. يمكن تمثيل الحرارة كأحد نواتج التفاعل.
• المعادلة العامة: المتفاعلات \(\rightleftharpoons\) النواتج + حرارة
• تأثير زيادة درجة الحرارة: عند زيادة درجة الحرارة، فإننا نضيف حرارة إلى النظام. وفقًا لمبدأ لوشاتلييه، سيميل النظام إلى معادلة هذا التغير عن طريق استهلاك الحرارة الزائدة. لذلك، سيزاح الاتزان نحو المتفاعلات (التفاعل العكسي)، مما يؤدي إلى انخفاض تركيز النواتج وزيادة تركيز المتفاعلات.
• تأثير خفض درجة الحرارة: عند خفض درجة الحرارة، فإننا نزيل الحرارة من النظام. سيميل النظام إلى تعويض هذا النقص عن طريق إنتاج المزيد من الحرارة. لذلك، سيزاح الاتزان نحو النواتج (التفاعل المباشر)، مما يؤدي إلى زيادة تركيز النواتج.
• مثال: تفاعل تكوين الأمونيا (عملية هابر):
  \(N_{2(g)} + 3H_{2(g)} \rightleftharpoons 2NH_{3(g)}\) \(\Delta H = -92 \text{ kJ/mol}\)
  في هذا التفاعل، زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى إزاحة الاتزان نحو اليسار (تكوين \(N_2\) و \(H_2\))، بينما خفض درجة الحرارة (مع مراعاة العوامل الأخرى) يساعد على زيادة إنتاج \(NH_3\).

2. التفاعل الماص للحرارة (\(\Delta H > 0\)):

• التعريف: في التفاعل الماص للحرارة، يتم امتصاص طاقة حرارية من الوسط المحيط أثناء تكوين النواتج. يمكن تمثيل الحرارة كأحد متفاعلات التفاعل.
• المعادلة العامة: المتفاعلات + حرارة \(\rightleftharpoons\) النواتج
• تأثير زيادة درجة الحرارة: عند زيادة درجة الحرارة، فإننا نضيف حرارة إلى النظام. سيميل النظام إلى استهلاك هذه الحرارة الزائدة عن طريق تفضيل التفاعل الذي يمتص الحرارة. لذلك، سيزاح الاتزان نحو النواتج (التفاعل المباشر)، مما يؤدي إلى زيادة تركيز النواتج.
• تأثير خفض درجة الحرارة: عند خفض درجة الحرارة، فإننا نزيل الحرارة من النظام. سيميل النظام إلى إنتاج المزيد من الحرارة عن طريق تفضيل التفاعل الذي يطلق الحرارة (التفاعل العكسي). لذلك، سيزاح الاتزان نحو المتفاعلات، مما يؤدي إلى انخفاض تركيز النواتج.
• مثال: تفكك كربونات الكالسيوم:
  \(CaCO_{3(s)} \rightleftharpoons CaO_{(s)} + CO_{2(g)}\) \(\Delta H = +178 \text{ kJ/mol}\)
  في هذا التفاعل، زيادة درجة الحرارة تساعد على تفكك \(CaCO_3\) إلى \(CaO\) و \(CO_2\) (إزاحة الاتزان نحو اليمين). خفض درجة الحرارة يؤدي إلى تكون \(CaCO_3\) مرة أخرى (إزاحة الاتزان نحو اليسار).

خلاصة:

• التفاعلات الطاردة للحرارة (\(\Delta H < 0\)): زيادة الحرارة تدفع الاتزان نحو المتفاعلات، وخفض الحرارة يدفع الاتزان نحو النواتج.
• التفاعلات الماصة للحرارة (\(\Delta H > 0\)): زيادة الحرارة تدفع الاتزان نحو النواتج، وخفض الحرارة يدفع الاتزان نحو المتفاعلات.