שיווי משקל כימי


שיווי משקל כימי

שיווי משקל הוא מצב המאפיין מערכות כימיות או ביולוגיות או פיזיקליות .

לדוגמא: הגוף שומר על שיווי משקל של לחץ הדם. אם לחץ הדם עולה מסיבה כלשהי, הגוף נוטה להורידו למצב הנורמלי ולהיפך.
אותו הדבר לגבי רמת החומציות בגוף למשל בפה או רמת הסוכר בדם.

בפרק זה נדון בשיווי משקל שחל בתהליכים כימיים.

כמובן שגם כאן ההסבר העומד מאחורי העובדה שמערכת אחת תגיע לשיווי משקל ותהליך אחר לא יגיע למצב שיווי משקל, הוא הסבר אנרגטי הקשור לשינוי האנטרופיה הכולל של היקום. אך בפרק זה לא נרחיב בהקשר לכך, ונדון רק במערכות שמגיעות לשיווי משקל, מבלי לקבוע או להיות מסוגלים לקבוע זאת על פי שינויי אנרגיה.

אז מה היא מערכת כימית הנמצאת בשיווי משקל ?

מערכת כימית הנמצאת בשיווי משקל, היא מערכת כימית שבה מתרחשות בו זמנית גם התגובה הישירה וגם התגובה ההפוכה באותו הקצב (באותה המהירות).

נתייחס לדוגמא הבאה:
ניקח סיר המכיל מים בטמפרטורת החדר הסיר לא מלא עד הסוף במים.
את הסיר נכסה במכסה ונתייחס למערכת כמערכת סגורה (מערכת שלא מאפשרת מעבר חומר עם הסביבה).
נחמם את המים שבסיר עד לטמפרטורת הרתיחה של המים ונמשיך לספק אנרגיה למים (נשמור על טמפרטורה זו).

מה קורה בסיר מהרגע שבו התחלנו לחמם ולאורך כל זמן החימום?
אז בסיר יש לנו מים במצב צבירה נוזלי . אבל האם בסיר יש גם מים במצב גז?
התשובה היא כן. החלל בין המים למכסה מכיל אויר ובין המולקולות הנמצאות באוויר יש גם אדי מים (לחות).

איזה תגובות מתרחשות בכלי במצב הזה עוד לפני תהליך החימום ?
אם נבדוק את כמות אדי המים וכמות המים הנוזליים נגלה שכל עוד שומרים על טמפרטורה קבועה הכמויות לא משתנות. אבל, בכלי יש כל הזמן מולקולות מים במצב נוזלי שהופכות לאדי מים, אולם באותו פרק זמן גם אותו מספר מולקולות של אדי מים הופכות למצב נוזלי.
כך שמבחינה חיצונית, אין שינוי בריכוז אדי המים ובכמות המים במצב צבירה נוזלי שבכלי (נזכיר מדובר במערכת סגורה ).

מה קרה במשך זמן החימום ?
כולנו יודעים שמחממים מים בסיר סגור ומרימים את המכסה יוצא גל של אדי מים כלפי מעלה וכן יש טיפות מים שנמצאות בתחתית המכסה.

איך נוצרו אדים ואיך המים הגיעו לתחתית המכסה?

כשמתחילים לחמם, בשלב הראשון מספר מולקולות המים הנמצאות במצב נוזלי והופכות לאדי מים גדול ממספר מולקולות אדי המים שהופכות למים נוזליים. אבל כשמתייצבים על טמפרטורה כלשהי (במקרה זה 100ºC), מגיעים למצב בו מספר מולקולות המים במצב נוזל שהופכות למים במצב גז שווה למספר מולקולות המים במצב גז שהופכות למים במצב נוזל.

מה שקרה במהלך החימום (בזמן הוספת האנרגיה למולקולות המים), הוא שמספר מולקולות המים שעברו מנוזל לגז היה גדול ממספר מולקולות המים שהפכו מגז לנוזל ולכן כמות אדי המים הלכה וגדלה בשלב הזה. ככל שמספר מולקולות הגז הלך וגדל, הסיכוי שיתרחש התהליך ההפוך שבו מים במצב גז הופכים מגז לנוזל גם הולך וגדל, ובשלב מסוים משתווה מהירות התהליכים.

אז למה נוצרו הטיפות בתחתית הסיר?

כשמולקולות המים במצב גז התנגשו זו בזו ובדפנות הכלי הם איבדו חלק מהאנרגיה שלהם (כמו כדורי ביליארד), ובשלב מסוים בהתנגשותם בדפנות הכלי אין להם מספק אנרגיה מלהתנתק מדפנות הכלי והם נשארות שם. כך עוד מולקולה ועוד מולקולה עד שנוצרת הטיפה.

כאמור, במצב שיווי משקל מתרחשות שתי התגובות ההפוכות זו לזו באותו הקצב ולמתבונן מבחוץ נראה כאילו ולא קורה כלום במערכת .

ניתן לכתוב זאת מבחינה כימית באופן הבא :

{ H }_{ 2 }{ O }_{ (l) }\leftrightarrows { H }_{ 2 }{ O }_{ (g) }

 

החץ הכפול מסמן מערכת שבה יכולות להתרחש שתי התגובות ההפוכות זו לזו. וכאמור, אם הן מתרחשות באותו הקצב (אותה המהירות) אז המערכת נמצאת במצב שיווי משקל כימי.

מה מאפיין את מצב שיווי המשקל?

מבחינה מאקרוסקופית כל הגדלים המדידים כמו: ריכוזי החומרים, צבע המערכת, מוליכות חשמלית, pH, לחץ המערכת (שמדובר בחומרים גזיים) נשארים קבועים ולא משתנים.

מבחינה מיקרוסקופית חלקיקי המגיבים, מגיבים ביניהם ונוצרות גם התנגשויות פוריות והם הופכים לתוצרים.
ואילו חלקיקי התוצרים, מתנגשים ביניהם ונוצרות גם התנגשויות פוריות והם הופכים למגיבים.

אבל קצב שני התהליכים הישיר וההפוך שווים זה לזה (מהירות התגובה הישירה שווה למהירות התגובה ההפוכה) ולכן מבחינה חיצונית (מאקרוסקופית) אין שינוי נראה לעין.

אנו אומרים על המערכת במצב הזה שהיא נמצאת במצב שיווי משקל דינאמי. למרות שאין שינוי חיצוני הנראה לעין או נמדד, מתרחשות שתי התגובות ההפיכות זו לזו באותו הקצב.

אם במערכת המגיבים הופכים לתוצרים ואילו התוצרים (משמשים בעצמם כסוג של מגיבים) הופכים בחזרה למגיבים, אז איך נדע בניסוח התהליך את מי לרשום בצד שמאל של הניסוח (כמי שקראנו לו עד היום המגיב)? ומי ירשם בצד ימין של התהליך (מי שקראנו לו עד היום התוצר)?

אפשרות אחת היא שהתהליך יהיה כבר מנוסח לנו.
אבל אם התהליך לא מנוסח אז:
החומר/ים שריכוזו/ריכוזם ילך וירד, עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, יקראו המגיבים ויופיעו בצד שמאל של ניסוח התהליך.
ואילו החומר/ים שריכוזו/ריכוזם יעלה, עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, יקראו התוצרים ויופיעו בניסוח התהליך בצד ימין .

לדוגמא לכלי הוכנסו החומרים הבאים בריכוזים הבאים :
חומר A בריכוז 2M ואילו חומר B בריכוז 1M.
כשהמערכת הגיעה לשיווי משקל ריכוז חומר A היה 1M ואילו ריכוז חומר B היה 2M (בכלי לא היו חומרים נוספים).
על פי הנתונים הללו, ניתן לקבוע שאת חומר A ננסח בתהליך בצד שמאל (דהיינו במגיבים) כי ריכוזו ירד עד שהמערכת הגיעה לשיווי משקל, ואילו את חומר B ננסח בצד ימין ( דהיינו בתוצרים ) כי ריכוזו עלה עד שהמערכת הגיעה לשיווי משקל.
ובמצב שיווי משקל כמובן ריכוז כל מרכיבי המערכת קבועים ולא משתנים.

נראה כעת מספר דוגמאות של תיאורים גרפיים ותיאורים מילוליים, שמתוך הנתון בהם נוכל לנסח את התהליך המתאר אותם. וכן דוגמאות הפוכות לכך שבהם מתוך תהליך נתון ומנוסח, נוכל לבצע תיאור גרפי המתאר מה קורה למערכת, מרגע הכנסת החומרים השונים לכלי ועד שהמערכת מגיעה לשיווי משקל.

המשך התוכן בעמוד זה למנויים בלבד

אם הינך מנוי/ה אנא הכנס שם משתמש וסיסמא!

לרכישת מנוי לחץ כאן