14.6
يمثل التفاعل الكيميائي القابل للانعكاس عملية كيميائية تستمر في الاتجاهين الأمامي (من اليسار إلى اليمين) والعكس (من اليمين إلى اليسار). عندما تكون معدل…
التفاعل الكيميائي التعاكسي،هو تفاعل،تحوّل للمواد المتفاعلة إلى نواتج وتحول عكسي للنواتج إلى مواد متفاعلة،بشكل متزامن. يوضع سهم مزدوج بين المواد المتفاعلة وبين النواتج للدلالة على طبيعتها التعاكسية. عندما يتساوى معدل تشكيل النواتج،أو معدل سرعة التفاعل إلى الأمام،مع معدل تكوين المواد المتفاعلة،أو معدل سرعة التفاعل العكسي يتحقق التوازن الكيميائي.
التوازن الكيميائي في الواقع عملية ديناميكية. يبدو النظام بأكمله ساكنًا من الخارج-غير أنه على المستوى الجزيئي نشط جدًا. لنتأمل التفكك الحراري لخماسي كلوريد الفوسفور.
عند تسخينه داخل وعاء مغلق،يتفكك غاز خماسي كلوريد الفوسفور إلى مزيج من ثلاثي كلوريد الفوسفور وغاز الكلور في تفاعل تعاكسي. مع تواصل حدوث التفاعل،يقل تركيز خماسي كلوريد الفوسفور فيما يزداد تزداد كمية ثلاثي كلوريد الفوسفور وغاز الكلور. ونتيجة لذلك،فإنّمعدل التفاعل الأمامي ينخفض بينما معدل التفاعل العكسي يرتفع.
وأخيرًا،يتساوي معدل سرعتي التفاعل الأمامي و العكسي،ويحقق النظام توازنًا كيميائيًا. في هذه الحالة،فإن التركيزات النسبية لخماسي كلوريد الفوسفور،وثلاثي كلوريد الفوسفور،والكلور،لم تعد تتغير. مثل حالة التوازن هذه تسمى كذلك،توازنًا ديناميكيًا لأن كلا التفاعلين الأمامي والعكسي يتواصل حدوثهما ولكن بنفس معدل السرعة.
بما أن المواد المتفاعلة والنواتج تتشكل بنفس المعدلات التي تُستهلك بها،فإنّتركيزاتها تبقى ثابتة،وليس بالضرورة متساوية. يكون التوازن الكيميائي متجانسًا،إذا كانت جميع المواد المتفاعلة والنواتج في تفاعل تعاكسي معيّن في الحالة ذاتها إما الغازية وإما السائلة. أما في التوازن غير المتجانس،فتكون المواد المتفاعلة والنواتج في حالات مختلفة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a reversible chemical reaction?
A reversible chemical reaction is a process in which reactants convert to products and products simultaneously convert back to reactants. The double arrow notation signifies this reversible nature. In the thermal decomposition of phosphorus pentachloride, for example, gaseous PCl₅ decomposes into PCl₃ and Cl₂ while these products recombine to reform PCl₅, demonstrating how both forward and reverse reactions occur simultaneously.
Q2: How does chemical equilibrium become dynamic?
Chemical equilibrium is dynamic because both forward and reverse reactions continue occurring at equal rates. Although the system appears static from outside, molecular-level activity remains high. When the rate of product formation equals the rate of reactant formation, concentrations stabilize. Reactants and products form and are consumed simultaneously, maintaining constant but not necessarily equal concentrations.
Q3: Why do forward and reverse reaction rates eventually become equal?
As a reversible reaction proceeds, reactant concentration decreases, slowing the forward reaction rate. Simultaneously, product concentration increases, accelerating the reverse reaction rate. This continues until both rates match, achieving equilibrium. At this point, the rate of NO₂ formation equals its consumption rate, and N₂O₄ formation equals its consumption rate, stabilizing all concentrations.
Q4: What is the difference between homogeneous and heterogeneous equilibria?
A homogeneous equilibrium occurs when all reactants and products exist in the same phase—either gaseous or aqueous. A heterogeneous equilibrium involves reactants and products in two or more different phases. For example, the decomposition of N₂O₄ gas to NO₂ gas is homogeneous, while reactions involving solids and gases represent heterogeneous equilibria.
Q5: Why do concentrations remain constant at equilibrium?
At equilibrium, concentrations remain constant because reactants and products form at the same rates they are consumed. The forward reaction rate equals the reverse reaction rate, creating a balance. Although individual molecules continue reacting, the overall composition of the system does not change, making equilibrium a dynamic steady state rather than a static condition.
Q6: How does the concentration of reactants change during the approach to equilibrium?
Initially, reactant concentration is finite while product concentration is zero, so the forward reaction proceeds at a finite rate. As the reaction progresses, reactant concentration decreases while product concentration increases. This changing concentration affects reaction rates: the decreasing reactant concentration slows the forward reaction, while increasing product concentration speeds the reverse reaction until equilibrium is reached.
Q7: What happens to reaction rates when a system reaches equilibrium?
When a system reaches equilibrium, the forward and reverse reaction rates become equal. Although both reactions continue occurring, they proceed at identical rates, so no net change in concentrations occurs. This equal-rate condition defines the equilibrium state and explains why equilibrium concentrations from initial concentrations can be predicted using equilibrium expressions and constants.