التطور نحو التوازن: التقدم النهائي و الأعظمي، كسر التفاعل و ثابت التوازن

❓إشكالية: التحوّل المحدود يتوقّف، لكنّه لا يتوقّف عند أيّ نقطة. سنبحث عن العدد الذي يقول أين توقّف بالضبط، ثمّ عن العدد الذي يقول لماذا توقّف هناك.

نأخذ محلولا لحمض كلور الإيتانويك ونتابع تفاعله مع الماء. الماء بوفرة، فالمتفاعل المحدّ هو الحمض. نبني جدول التقدّم كالعادة، مع فرق واحد في العمود الأخير.

تكبير الصورة

نعيد التجربة نفسها على ثلاثة محاليل لحمض الإيثانويك، لا يختلف بينها إلّا التركيز الابتدائي. نقيس في كلّ مرّة تركيز شوارد الهيدرونيوم ونحسب النسبة النهائية للتقدّم.

🔍التحليل: النتيجة عكس ما ينتظره الحدس. المحلول الأكثر تركيزا يحتوي على شوارد هيدرونيوم أكثر — وهذا صحيح — لكنّ نسبة ما تشرّد من الحمض فيه أصغر. كلّما زدنا تمديد المحلول تشرّد الحمض أكثر.

حين نمذّج تحوّلا كيميائيا بتفاعل يحدث في اتّجاهين متعاكسين، تكون الحالة النهائية للجملة حالة توازن كيميائي.

تكبير الصورة

لوصف الجملة في أيّ لحظة، لا يكفي أن نعطي تركيزا واحدا: نحتاج مقدارا يجمع تراكيز الأفراد كلّها في عدد واحد. هذا المقدار هو كسر التفاعل.

نعتبر التفاعل العام الذي معادلته مكتوبة أدناه، حيث الحروف الصغيرة هي المعاملات الستوكيومترية.

النواتج في البسط والمتفاعلات في المقام، وكلّ تركيز مرفوع إلى معامله الستوكيومتري. كسر التفاعل يميّز الجملة وهي في حالة ما، ويبيّن مدى تقدّم التفاعل.

🧭الهدف: حساب كسر التفاعل عند التوازن لثلاثة محاليل لحمض الإيثانويك مختلفة التركيز، ومقارنة القيم الثلاث.

🧰الأدوات:

• جهاز قياس الناقلية وخليّة قياس
• ثلاثة بياشر تحمل محاليل لحمض الإيثانويك بتراكيز مختلفة
• ماء مقطّر لغسل الخليّة بين قياسين
• جدول قيم الناقلية النوعية المولية للشوارد

📌التجربة:

1. نحضّر ثلاثة محاليل لحمض الإيثانويك، يفوق تركيز كلّ واحد منها تركيزَ الذي قبله بعشر مرّات.
2. نقيس الناقلية النوعية لكلّ محلول، ونغسل الخليّة بين قياسين.
3. نستنتج من كلّ ناقلية التركيز النهائي لشوارد الهيدرونيوم.
4. نحسب من هذا التركيز كسر التفاعل عند التوازن، ونقارن القيم الثلاث.

تكبير الصورة

🔍الملاحظة: الجهاز يعطي ناقلية أكبر كلّما كان المحلول أكثر تركيزا. القيم الثلاث المقروءة هي 1,4 و 4,9 و 16,2 بوحدة مِلّي سيمنس على المتر.

🔍التحليل: الناقلية النوعية مجموع مساهمتَي الشاردتين الموجودتين في المحلول، وهما متساويتا التركيز لأنّهما تظهران معا في المعادلة.

التعليل: التركيزان متساويان لأنّ الشاردتين تُنتَجان بالعدد نفسه، فيمكن جمع الناقليتين الموليتين ووضع التركيز المشترك عاملا مشتركا.

المقام هو تركيز الحمض الذي لم يتشرّد: ما حُضّر ناقصَ ما تحوّل.

🔍التحليل: قارن هذا الجدول بجدول النسبة النهائية للتقدّم. النسبة انتقلت من ⁦36 %⁩ إلى ⁦4,1 %⁩، أي أنّها قُسمت على تسعة تقريبا، بينما بقي كسر التفاعل عند التوازن ثابتا تقريبا كما يبيّن العمود الأخير من الجدول، مهما كان التركيز الابتدائي. هنا يظهر مقدار جديد: عدد لا يتعلّق بالشروط الابتدائية.

نأخذ لترا واحدا من الماء النقيّ ونقيس فيه الـ pH، فنجد 7. وجود شوارد الهيدرونيوم في ماء لم نضف إليه شيئا يعني أنّ الماء يتفاعل مع نفسه: جزيء يعطي بروتونا لجزيء آخر.

🔍التحليل: نسبة تقدّم من رتبة جزء من المليار تعني أنّ جزيئا واحدا من بين نحو ثلاثمائة مليون جزيء ماء هو الذي تفكّك. ومع ذلك فهذه الكمّية الضئيلة هي التي تفرض الـ pH لكلّ المحاليل المائية — وهو موضوع الدرس الموالي.