مفهوم تعادل شیمیایی و ثابت تعادل

تعادل شیمیایی

تعادل شیمیایی در واکنش‌های برگشت‌پذیر زمانی رخ می‌دهد که سرعت واکنش رفت و برگشت برابر شود. این امر منجر به ثابت ماندن غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها می‌شود، در حالی که واکنش در سطح میکروسکوپی همچنان ادامه دارد (تعادل دینامیک).

شرایط لازم برای تعادل شیمیایی:

• واکنش باید در یک محیط بسته انجام شود (عدم تبادل ماده با محیط).
• سرعت واکنش رفت و برگشت باید با هم برابر باشد.

خواص ماکروسکوپی در تعادل:

خواص قابل مشاهده و اندازه‌گیری مانند رنگ، غلظت و فشار ثابت می‌مانند.

ثابت تعادل (K)

ثابت تعادل معیاری کمی برای سنجش پیشرفت واکنش تعادلی است.

فرمول کلی:

برای واکنش فرضی $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$: $$K = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$$

• تنها غلظت مواد محلول و گازی در محاسبه K وارد می‌شوند.
• غلظت مواد جامد و مایع خالص ثابت در نظر گرفته شده و در محاسبه K لحاظ نمی‌شوند.
• مقدار K فقط با تغییر دما تغییر می‌کند.

ثابت یونش اسید (K_A)

• معیاری برای سنجش قدرت اسیدها است.
• هرچه K_A بزرگتر باشد، اسید قوی‌تر است.
• برای اسیدهای قوی، K_A بسیار بزرگ است و معمولاً محاسبه نمی‌شود.

قدرت اسیدی در مقابل خاصیت اسیدی

• قدرت اسیدی: به میزان یونش اسید (درجه یونش یا K_A) بستگی دارد.
• خاصیت اسیدی: به غلظت یون هیدرونیوم ($H_3O^+$) در محلول بستگی دارد.

مثال‌ها:

• HCl قوی‌تر از جوهر لیمو است.
• در غلظت‌های برابر، HCl خاصیت اسیدی بیشتری نسبت به آب لیمو دارد.

فرمول‌های تستی (برای تمرین)

• $K_a = \frac{m \alpha^2}{1 - \alpha}$ (رابطه بین $K_a$، درجه یونش $\alpha$ و غلظت اولیه $m$)
• در صورت کوچک بودن $\alpha$ (کمتر از 0.05): $K_a \approx m \alpha^2$ و $\alpha \approx \sqrt{\frac{K_a}{m}}$
• $K_a = \frac{[H_3O^+]^2}{m - [H_3O^+]}$

نکات مهم:

• درجه یونش با افزایش غلظت محلول کاهش می‌یابد.
• ثابت یونش اسید فقط با دما تغییر می‌کند، اما درجه یونش با تغییر غلظت تغییر می‌کند.
• سرعت واکنش اسید با فلزات با قدرت اسیدی نسبت مستقیم دارد.
• رسانایی محلول‌های اسیدی با قدرت اسیدی نسبت مستقیم دارد.
• pH کمتر نشان‌دهنده اسید قوی‌تر است.

آب و ثابت یونش آب (K_w)

• آب خالص رسانایی الکتریکی ضعیفی دارد زیرا مقدار کمی یون $H^+$ و $OH^-$ تولید می‌کند.
• $K_w = [H^+][OH^-] = 10^{-14}$ (در دمای 25 درجه سانتی‌گراد).

سوالات مطرح شده:

• محاسبه ثابت تعادل برای تجزیه آمونیاک.
• محاسبه غلظت $NO$ با داشتن $K$ و غلظت $N_2$.
• محاسبه ثابت تعادل برای واکنش $CO$ و $H_2O$.
• محاسبه حجم ظرف واکنش با داشتن درصد تجزیه $NOCl$.
• مقایسه غلظت یون هیدرونیوم در باران اسیدی و باران معمولی.