خارج‌قسمت واکنش و جهت تعادل؛ با مقایسه Q و K چه چیزی پیش‌بینی می‌کنیم؟

Q ترکیب فعلی مخلوط را توصیف می‌کند

برای واکنش کلی aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g)، خارج‌قسمت غلظتی را به صورت Qc = [C]ᶜ[D]ᵈ ÷ ([A]ᵃ[B]ᵇ) می‌نویسیم. غلظت‌های داخل این عبارت، غلظت‌های همان لحظه‌اند؛ ممکن است مخلوط تازه آماده شده باشد، مدتی از واکنش گذشته باشد یا سامانه پس از یک تغییر هنوز به تعادل تازه نرسیده باشد.

ضرایب معادله موازنه‌شده به توان تبدیل می‌شوند، فرآورده‌ها در صورت و واکنش‌دهنده‌ها در مخرج قرار می‌گیرند. اگر داده‌ها فشار جزئی گازها باشند، Qp را با همان الگو و با فشار جزئی می‌سازیم. نوع Q باید با نوع ثابت تعادل مورد مقایسه سازگار باشد؛ Qc را با Kc و Qp را با Kp مقایسه کن.

• ابتدا معادله را موازنه کن
• غلظت یا فشار فعلی مواد را در Q قرار بده
• ضرایب استوکیومتری، توان‌های عبارت Q هستند
• Qc با Kc و Qp با Kp مقایسه می‌شود

عبارت Q و K شکل یکسان اما کاربرد متفاوت دارند

عبارت جبری Qc دقیقاً همان آرایش عبارت Kc را دارد؛ تفاوت در زمان برداشت داده‌هاست. در Kc فقط غلظت‌های تعادلی قرار می‌گیرند، اما در Qc می‌توان غلظت‌های هر لحظه را گذاشت. بنابراین Q با پیشرفت واکنش تغییر می‌کند، در حالی که K برای یک واکنش معین فقط با دما تغییر می‌کند.

اگر داده‌های یک مخلوط را در عبارت قرار دهیم و Q برابر K شود، آن داده‌ها با حالت تعادل سازگارند. برابرشدن Q و K به معنی برابرشدن غلظت همه مواد نیست؛ فقط نسبت ویژه‌ای که معادله واکنش تعیین کرده، به مقدار تعادلی رسیده است. همچنین بزرگ‌بودن K به تنهایی سرعت رسیدن به تعادل را نشان نمی‌دهد؛ K درباره ترکیب تعادلی است، نه تندی واکنش.

• Q از داده‌های فعلی ساخته می‌شود
• K از داده‌های تعادلی به دست می‌آید
• در دمای ثابت K تغییر نمی‌کند، اما Q می‌تواند تغییر کند
• Q = K الزاماً به معنی غلظت‌های برابر نیست

مقایسه Q و K جهت تغییر خالص را مشخص می‌کند

اگر Q < K باشد، نسبت فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها از نسبت تعادلی کوچک‌تر است. سامانه برای افزایش Q در جهت رفت تغییر می‌کند: مقداری از واکنش‌دهنده‌ها مصرف و فرآورده‌ها ساخته می‌شوند تا Q به K برسد. در نمودار غلظت–زمان نیز پس از این تشخیص، انتظار کاهش غلظت واکنش‌دهنده و افزایش غلظت فرآورده را داریم.

اگر Q > K باشد، فرآورده‌ها نسبت به حالت تعادل بیش از اندازه حضور دارند؛ واکنش خالص در جهت برگشت پیش می‌رود، فرآورده‌ها مصرف و واکنش‌دهنده‌ها ساخته می‌شوند. اگر Q = K باشد، مخلوط در تعادل شیمیایی است و تغییر خالص غلظت‌ها نداریم؛ البته واکنش‌های رفت و برگشت در مقیاس ذره‌ای همچنان با سرعت برابر ادامه دارند.

• Q < K: جهت خالص رفت و افزایش Q
• Q > K: جهت خالص برگشت و کاهش Q
• Q = K: تعادل پویا و نبود تغییر خالص
• سامانه در هر حالت به سوی برابرشدن Q و K می‌رود

جامد و مایع خالص را وارد عبارت نکن

در تعادل‌های ناهمگن، غلظت مؤثر جامد خالص و مایع خالص در دمای ثابت تغییر معناداری ندارد و اثر آن در مقدار ثابت تعادل منظور شده است. برای نمونه در CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)، عبارت فشار تنها Qp = P(CO₂) است؛ مقدار جامدهای CaCO₃ و CaO در Qp نوشته نمی‌شود.

حذف جامد از عبارت به معنی بی‌اهمیت‌بودن حضور آن نیست. اگر یکی از فازهای جامد لازم کاملاً تمام شود، توصیف تعادل باید دوباره بررسی شود. همچنین گونه حل‌شده در آب با نماد aq حذف نمی‌شود؛ برای نمونه یون‌های یک نمک کم‌محلول در عبارت Qc حضور دارند، هرچند خود جامد نمک وارد عبارت نمی‌شود.

• جامد خالص و مایع خالص از عبارت Q و K حذف می‌شوند
• گازها و گونه‌های محلول در عبارت حضور دارند
• نماد aq به معنی حذف ماده نیست
• ضریب ماده حذف‌شده نیز جایی در عبارت نوشته نمی‌شود

مثال حل‌شده: جهت تغییر مخلوط HI را پیدا کن

در دمایی معین برای واکنش H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)، مقدار Kc = 50 است. در یک لحظه [H₂] = 0.20 M، [I₂] = 0.20 M و [HI] = 1.00 M اندازه‌گیری می‌شود. ابتدا از روی ضرایب می‌نویسیم Qc = [HI]² ÷ ([H₂][I₂]).

جای‌گذاری می‌دهد Qc = (1.00)² ÷ (0.20 × 0.20) = 25. چون 25 < 50 است، مخلوط هنوز فرآورده کمتری از نسبت تعادلی دارد و واکنش خالص در جهت رفت پیش می‌رود. بنابراین تا رسیدن به تعادل، [H₂] و [I₂] کاهش و [HI] افزایش می‌یابد؛ لازم نیست برای تشخیص جهت، غلظت‌های نهایی را حساب کنیم.

تغییر ناگهانی را ابتدا در Q و سپس در پاسخ سامانه دنبال کن

فرض کن سامانه‌ای در تعادل است، پس Q = K. اگر در حجم و دمای ثابت مقداری فرآورده به آن بیفزاییم، صورت عبارت فوراً بزرگ و Q > K می‌شود؛ سامانه در جهت برگشت پاسخ می‌دهد. اگر واکنش‌دهنده افزوده شود، مخرج بزرگ، Q < K و جهت خالص رفت می‌شود. این تحلیل، بیان عددی اصل لوشاتلیه است.

در تغییر حجم یک تعادل گازی، همه غلظت‌ها یا فشارهای جزئی می‌توانند هم‌زمان عوض شوند و باید توان‌های عبارت را نیز در نظر گرفت. حدس‌زدن از روی یک ماده کافی نیست. دما حالت ویژه‌ای دارد: تغییر دما علاوه بر Q می‌تواند مقدار K را نیز تغییر دهد؛ پس قاعده‌های ساده افزودن ماده را بدون توجه به گرماده یا گرماگیر بودن واکنش به دما تعمیم نده. کاتالیزگر نیز Q و K را تغییر نمی‌دهد و فقط رسیدن به تعادل را سریع‌تر می‌کند.

• افزودن فرآورده معمولاً Q را افزایش می‌دهد
• افزودن واکنش‌دهنده معمولاً Q را کاهش می‌دهد
• برای تغییر حجم، کل عبارت و توان‌ها را بررسی کن
• تغییر دما می‌تواند K را تغییر دهد
• کاتالیزگر مقدار Q، K و جایگاه تعادل را عوض نمی‌کند

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: برای واکنش N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g) در دمایی معین Kc = 0.20 است. اگر [N₂O₄] = 0.50 M و [NO₂] = 0.20 M باشد، جهت تغییر را تعیین کن. عبارت درست Qc = [NO₂]² ÷ [N₂O₄] است؛ پس Qc = (0.20)² ÷ 0.50 = 0.08.

چون 0.08 < 0.20 است، واکنش خالص در جهت رفت پیش می‌رود: N₂O₄ مصرف و NO₂ تولید می‌شود. مسیر مطمئن این است که معادله را موازنه کنی، عبارت را پیش از عددگذاری بنویسی، مواد جامد و مایع خالص را حذف کنی، Q و K هم‌نوع را مقایسه کنی و در پایان تغییر هر ماده را با جهت انتخاب‌شده تطبیق بدهی.

• توان ۲ برای NO₂ را فراموش نکن
• واحد و نوع داده‌ها را با K سازگار نگه دار
• از Q فقط جهت تغییر را نتیجه بگیر، نه سرعت را
• برای یافتن مقدارهای تعادلی به محاسبه جداگانه نیاز است
• پاسخ را با تغییر مورد انتظار صورت و مخرج Q کنترل کن