שיווי משקל כימי


שיווי משקל כימי

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

לדוגמה: הגוף שומר על שיווי משקל של לחץ הדם. אם לחץ הדם עולה מסיבה כלשהי, הגוף נוטה להורידו למצב הנורמלי; וכן להפך.
כך הדבר לגבי רמת החומציות בגוף, למשל בפה, ולגבי רמת הסוכר בדם.

בפרק זה נדון בשיווי משקל שחל בתהליכים כימיים.

מובן שגם כאן ההסבר העומד מאחורי העובדה שמערכת אחת תגיע לשיווי משקל ותהליך אחר לא יגיע לשיווי משקל הוא הסבר אנרגטי, אשר קשור לשינוי האנטרופיה הכולל של היקום. אך בפרק זה לא נרחיב אודות מצבים אלה, ונדון רק במערכות שמגיעות לשיווי משקל, מבלי לקבוע או להיות מסוגלים לקבוע זאת על פי שינויי אנרגיה.

אם כן, 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 לדוגמה הזאת:
ניקח סיר המכיל מים בטמפרטורת החדר. הסיר לא מלא לגמרי במים.
נכסה את הסיר במכסה, ונתייחס אליו כאל מערכת 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 ובמשך כל זמן החימום?
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).

אלו תגובות מתרחשות בכלי במצב הזה כבר לפני תהליך החימום?
אם נבדוק את כמות אדי המים ואת כמות המים הנוזליים, נגלה שכל עוד שומרים על טמפרטורה קבועה, הכמויות אינן משתנות. אמנם בכלי יש כל הזמן מולקולות מים במצב נוזלי שהופכות לאדי מים, אולם באותו פרק זמן גם אותו מספר מולקולות של אדי מים משנות מצבן לנוזלי או חוזרות למצב נוזל.
כך שמבחינה חיצונית, אין שינוי בריכוז אדי המים ובכמות המים במצב צבירה נוזלי שבכלי (נזכיר כי מדובר במערכת סגורה).

מה קרה במשך זמן החימום?
כולנו יודעים שכאשר מחממים מים בסיר סגור ומרימים את המכסה, גל של אדי מים עולה מן הסיר, וכן יש טיפות מים שנמצאות בתחתית המכסה.

איך נוצרו אדים ואיך הגיעו המים לתחתית המכסה?

בשלב הראשון, כשמתחילים לחמם, מספרן של 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.

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

למה נוצרו הטיפות בתחתית הסיר?

כאשר מולקולות המים במצב גז התנגשו זו בזו ובדפנות הכלי, הן איבדו חלק מהאנרגיה שלהן (כמו כדורי ביליארד). בשלב מסוים בשל התנגשותן בדפנות הכלי, לא נותרה להן די אנרגיה לצורך התנתקות מדפנות הכלי, והן נשארו שם. כך נאספו מולקולה ועוד מולקולה, עד שנוצרה הטיפה.

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

ניתן לכתוב זאת מבחינה כימית באופן הזה:

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

 

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

מה מאפיין את מצב שיווי המשקל?

מבחינה מאקרוסקופית, כל הגדלים המדידים, כגון: ריכוזי החומרים, צבע המערכת, מוליכות חשמלית, pH, לחץ המערכת (כשמדובר בחומרים גזיים) נשארים קבועים ואינם משתנים.

מבחינה מיקרוסקופית, חלקיקי המגיבים מגיבים ביניהם ונוצרות גם התנגשויות פוריות, וחלקיקי המגיבים הופכים לתוצרים;
ואילו חלקיקי התוצרים מתנגשים ביניהם ונוצרות גם התנגשויות פוריות, וחלקיקי התוצרים 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 בשיווי משקל דינאמי: על אף שאין שינוי חיצוני, הנראה לעין או הנמדד, מתרחשות שתי התגובות ההפוכות זו לזו באותו הקצב.

אם במערכת כזו, שבה המגיבים הופכים לתוצרים ואילו התוצרים (המשמשים בעצמם כסוג של מגיבים) הופכים בחזרה למגיבים, איך נדע, בניסוח התהליך, אלו מהם יש לרשום בצד שמאל של הניסוח (בתור אלה שהגדרנו עד עתה 'המגיבים'), ואלו מהם יירשמו בצד ימין של התהליך (בתור אלה שהגדרנו עד עתה 'התוצרים')?

אפשרות אחת היא שהתהליך יהיה כבר מנוסח לנו.
אם התהליך אינו מנוסח, ננסח כך:
חומר/ים שריכוזו/ריכוזם ילך וירד, עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, יקראו מגיבים ויופיעו בצד שמאל של ניסוח התהליך;
ואילו חומר/ים שריכוזו/ריכוזם יעלה, עד שהמערכת תגיע לשיווי משקל, יקראו תוצרים ויופיעו בניסוח התהליך בצד ימין.

לדוגמה, לכלי הוכנסו החומרים האלה בריכוזים הבאים:
חומר A בריכוז 2M וחומר 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 נרשום בניסוח התהליך בצד שמאל (דהיינו במגיבים), כי ריכוזו ירד עד שהמערכת הגיעה לשיווי משקל, ואילו את חומר B נרשום בצד ימין (דהיינו בתוצרים), כי ריכוזו עלה עד שהמערכת הגיעה לשיווי משקל.
וכמובן, במצב שיווי משקל, ריכוז כל מרכיב ממרכיבי המערכת קבוע ולא משתנה.

נראה כעת מספר דוגמאות של תיאורים גרפיים ותיאורים מילוליים, שמתוך הנתון בהם נוכל לנסח את התהליך המתאר אותם כן נראה דוגמאות הפוכות, לכך ובהן, מתוך תהליך נתון ומנוסח, נוכל לבצע תיאור גרפי המתאר את שקורה 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