اعتمد لوشاتيليه في وضعه لمبدئه الكيميائي والذي يحمل اسمه على ملاحظة العوامل المؤثرة على التفاعل الكيميائي، وينص على: “إذا حدث اضطراب في التوازن نتيجة تغيير ظروف تفاعل كيميائي متوازن، فإنّ هذا التوازن سيتغيّر حتى يقاوم التغيير الحاصل ويُعيد للتفاعل توازنهُ، فإذا حدث تغير في أي من الضغط، أو درجة الحرارة، أو كمية المواد الداخلة أو الناتجة عن التفاعل، فسيتحرك التوازن في الاتجاه المعاكس للتغيير ليعوّض عن حدوثه”.

قبل أن أخوض في غمار تفصيل هذا المبدأ، عليّ أن أتحدث عن واضع هذا المبدأ ونسب كل الفضل إليه في وضع مبدأ فسّر الكثير وأفاد القطاع الصناعي من خلال معرفة كيفية زيادة الإنتاج، فمن هو لوشاتيليه؟

هو هنري لويس لوشاتيليه، فرنسي الجنسية، اشتهر بوضعهِ لمبدأ لوشاتيليه الذي جعل التنبؤ بالتغيرات التي يمكن أن تحدث على تفاعل كيميائي بسبب تغيير في ظروف التفاعل أمرًا ممكنًا، توصل إلى مبدأه هذا في عام 1884م، عندما استطاع تحديد كيف يمكن للتفاعلات الكيميائية أن تُحافظ على توازنها واستقرارها في ظل أي تغيير يطرأ عليها، موضحًا أن التوازن يتوجه باتجاه تقليل التغيرات الظرفية، ثمّ طوّر معادلات تصف الانتظام في التوازن.

ولكن، هل قفز في بالك أن تسأل ما هو التوازن الكيميائي؟ وفي أي التفاعلات يطبق مبدأ لوشاتيليه؟ حسنًا، التوازن الكيميائي هو حالة يصل إليها التفاعل الكيميائي بحيث يكون هناك استقرار واتزان بين كمية المواد الداخلة إلى التفاعل وكمية المواد الناتجة، مبدأ لوشاتيليه يُطبق في في حالة التفاعلات العكوسة، في هذا النوع من التفاعلات، تُعيد المواد الناتجة تفاعلها مع بعضها لإعادة تشكيل المواد الداخلة في التفاعل، عندما يصل الطرفان إلى حالة من التوازن.

يستمر التفاعل بين المواد الناتجة والداخلة إلى التفاعل بسرعات ومعدلات متساوية بحيث تكون كميات المواد الداخلة مساوية لكميات المواد الناتجة.

الآن سأفترض تغيرات في ظروف تفاعل وما سيطرأ على مستوى توازن التفاعل (تطبيق لمبدأ لوشاتيليه):

أولًا: تغير في التركيز:

سآخذ هذا التفاعل كمثال عن تفاعل كيميائي متوازن بين أربعة عناصر

تطبيق مبدأ لوشاتيليه

  •   في حال زيادة تركيز العنصر A:

سيتغير اتجاه التوازن باتجاه اليمين (من اليسار نحو اليمين) ليحدث مزيد من التفاعل بين A و B ليواجه الزيادة الحاصلة، وبالتالي إنتاج المزيد من نواتج التفاعل، أي أن التوازن سيتحرك باتجاه مُعاكس للتغيّر. هذه الطريقة مهمة وخاصة إن كنا نريد زيادة إنتاج D وC حيث أن العنصر B غالي الثمن والعنصر A متوفر بكثرة ورخيص.

  • في حال نقص تركيز العنصر A:

سيتحرك التفاعل نحو اليسار (من اليمين نحو اليسار) أي أنّ مزيدًا من العنصرين C وD  سيتفاعلان لمجابهة النقص الحاصل بالعنصر A وزيادة كميتهُ للوصول مجددًا إلى حالة التوازن.

الأمر سيان في حال إنقاص أيٍّ من C أو D، فإن التفاعل سيتحرك باتجاه اليمين للتعويض عن النقص، ويستمر التفاعل بذلك الإتجاه مع استمرار النقص حتى يتحول في النهاية إلى تفاعل باتجاه واحد وهو نحو اليمين.

ثانيًا: تغيّر في الضغط:

التغير في توازن التفاعل بسبب تغيّر في الضغط يحدث فقط في حالة تفاعل غازي عكوس

مبدأ لوشاتيليه

زيادة الضغط سيدفع بالتفاعل إلى التحرك بالاتجاه المُعاكس للزيادة وبالتالي خفض الضغط. علميًا، يزداد الضغط مع ازدياد حركة جزيئات الغاز واصطداماتها بجدران الوعاء الحاوي لها. بمعنى آخر، زيادة الجزيئات وزيادة الاصطدامات يؤدي إلى زيادة الضغط، وبالتالي فإن التفاعل سيتحرك باتجاه بحيث يقل عدد الجزيئات وبالتالي خفض الضغط.

في المثال أعلاه، نرى على يسار التفاعل ثلاث جزيئات، وعلى يمينهُ جزيئين، من خلال تحرك التفاعل من اليسار نحو اليمين نقلل من الجزيئات على اليسار والمُسببة لارتفاع الضغط ونزيد من الجزيئات على اليمين حتى نصل إلى التوازن المطلوب.

انخفاض الضغط يُحرك التفاعل باتجاه إنتاج المزيد من الجزيئات وبالتالي زيادة الضغط في ذلك الجانب من التفاعل، ففي المثال السابق، إن انخفض الضغط على اليسار، سيتحرك التفاعل بذلك الاتجاه لزيادة الضغط هناك من خلال إنتاج المزيد من الجزيئات الموجودة على ذلك الطرف، وفي حال كان عدد الجزيئات متساوي على الطرفين، فلا يمكن للتفاعل أن يتحرك بأي اتجاه كان لمواجهة ارتفاع الضغط.

ثالثًا: تغيّر في الحرارة:

سأفترض أنّ تفاعلي التالي ناشر للحرارة، أي أنّ الحرارة من نواتج التفاعل:

مبدأ لوشاتيليه

عندما يتفاعل A مع B ينتج C وD بالإضافة إلى حرارة هي ذاتها التي يمتصها التفاعل بين C و D لإعادة إنتاج A وB. هذه الحرارة موجودة في حالة التوازن، وعندما أزيد الحرارة بما يفوق حرارة التوازن فإن نواتج التفاعل ستمتص الحرارة الزائدة وتتفاعل مع بعضها لتعطي مجددًا المواد الداخلة في التفاعل في محاولة لتخفيض الحرارة الدخيلة على التفاعل؛ وبالتالي إعادة الحرارة للوضع التوازني.

أي سيتحرك التفاعل من اليمين نحو اليسار، وينعكس الأمر في حال انخفاض الحرارة الناتجة عن التفاعل، إذ سيتحرك التفاعل من اليسار نحو اليمين لينتج مزيدًا من C وD ومزيدًا من الحرارة.

إضافة وسيط لا يغير من اتجاه التفاعل، وتأثيرهُ ينحصر بزيادة سرعة التفاعل الكيميائي، ذلك لأنّ التفاعلات الكيميائية لا تُعطي نتائجها بسرعة، فقد يمضي عليها وقت طويل قبل بلوغ النتيجة النهائية للتفاعل، فلتسريع التفاعل بطريقة مدروسة ولتوفير الوقت، تتم إضافة وسيط.

أكمل القراءة

قوانين الكيمياء متعددة ولكل منها مكتشفها ومبدأها وطريقة عملها ومنها مبدأ لوشاتيليه.

نص مبدأ لوشاتيليه:

إذا خضع نظام كيميائي ما متوازن إلى أي تغير في درجة الحرارة، أو التركيز، أو الضغط، للمواد الداخلة أو الخارجة في التفاعل يسعى النظام بالتحرك للاتجاه الذي يقلل من تأثيرات هذا التغيير وإعادة الثبات والتوازن للتفاعل مرة ثانية. ويعتبر مبدأ لوشاتيليه غير مخصص فقط للتفاعلات الكيميائية، بل يشمل الفيزيائية حيث يمكن تطبيقه على اتزان جسم صلب مع مصهوره، أو لاتزان سائل مع بخاره، أو مثلًا الاتزان بين الكبريت المعيني والكبريت المنشوري، وذلك ما يسمى الاتزان بين الأشكال المتآصلة.

نبذة حول مبدأ لوشاتيليه:

وضع مبدأ لوشاتيليه كيميائي فرنسي اسمه “هنري لويس لوشاتيليه”، وهو مهندس كيميائي بحث كثيرًا عن موضوع الاتزان الكيميائي ونفذ الكثير من التجارب على الأنظمة الكيميائية بتغيير شروطها حتّى وصل إلى مبدأ سمّاه باسمه في عام 1884. ثم بعد ذلك درس تأثير التغييرات من حرارة وضغط وتركيز على النظام في عام 1888.

العوامل التي تؤثر في الاتزان:

التركيز:

  • إذا قمنا بزيادة تركيز المواد المتفاعلة، أو الناتجة جميعها فلن يتغير أي شيء في ثابت التوازن ويبقى التفاعل مستقرًا.
  • عند زيادة تركيز أحد المواد المتفاعلة يؤدي لنقص في تركيز المادة الأخرى وتزيد المواد الناتجة مما يسبب خلل في التوازن الكيميائي، لذلك يتجه التفاعل نحو اليمين لزيادة تركيز المادة المتفاعلة الأُخرى التي نقصت.
  • يتأثر التفاعل بالتغيير الإفرادي بالتركيز لأحد المواد المتفاعلة أو الناتجة فقط.
  • لا تؤثر على ثابت التوازن Kc.

درجة الحرارة:

  1. في التفاعلات الماصة للحرارة عند زيادة درجة الحرارة يتجه التفاعل إلى الجهة التي يمتص فيها الحرارة و بذلك ترتفع قيمة ثابت الاتزان Kc.
  2. في التفاعلات الطاردة للحرارة رفع درجة الحرارة تعمل على زيادة عدد التصادمات، وهذا يؤثر على سرعة التفاعل وبالتالي تزيد طاقة التصادم، وبالتالي يتجه نحو الجهة التي يمتص فيها الحرارة.
  3. يتأثر ثابت التوازن Kc.

الضغط:

  1. عند زيادة الضغط، أو بمعنى آخر تقليل حجم الإناء يتجه التفاعل نحو الحجم الأقل أي نحو عدد المولات الأقل.
  2. عند إنقاص الضغط، أو زيادة حجم الإناء يتجه التفاعل نحو الحجم الأكبر وبالتالي نحو عدد المولات الأكثر.
  3. يؤثر الضغط على تفاعلات الغازات بصورة كبيرة ولكن تأثيره على تفاعلات المحاليل طفيف جدًا فهي لا تتأثر كثيرًا بالضغط.
  4. لا تؤثر على ثابت التوازن Kc.

ملاحظة قيمة:

  • عند إضافة محفز، أو وسيط، أو منشط للتفاعل لا يعد ذلك من العوامل المؤثرة وبالتالي لا يتغير ثابت توازن التفاعل Kc.
  • عند إضافة غاز خامل للتفاعل يؤدي لزيادة الضغط الكلي، ولكن ذلك لا يؤثر على استقرار التفاعل وعلى ثابت التوازن Kc.

وبالتالي عند إجراء أي تفاعل كيميائي أصبح بالإمكان معرفة خلل اتزانه وإعادته متوازنًا عبر مبدأ لوشاتيليه.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو مبدأ لوشاتيليه"؟