שיווי משקל כימי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

שיווי משקל כימי הוא שלב בתגובה כימית שבו לא חל יותר שינוי בריכוזם של המגיבים והתוצרים המשתתפים בתגובה.

למרות הרושם הנוצר בדרך כלל, מעטות יחסית התגובות הכימיות שהן חד צדדיות. רוב התגובות הכימיות מתרחשות לא רק מהמגיבים לתוצרים, אלא גם להיפך. מכאן סימנו של החץ המצביע לשני הכיוונים ומסמל תגובה בשיווי משקל. בתגובות שיווי משקל, עם תחילת התגובה (שלב הכנסת המגיבים הראשוניים למערכת) מתרחשת בעיקר התגובה המנוסחת כרגיל משמאל לימין בנוסחה הכימית (תגובה ישירה), אך כאשר קיימים גם תוצרים במערכת הם עשויים להגיב בינם לבין עצמם וליצור את המגיבים (תגובה הפוכה).

כאשר נוצר מצב שבו מהירות התגובה הישירה שווה למהירות התגובה ההפוכה ניתן להגיד שהמערכת הגיעה לשיווי משקל כימי, שבו אין יותר שינוי בריכוז מרכיבי המערכת. אין משמעות הדבר שהתגובות מפסיקות להתרחש, אלא שהן אינן משפיעות יותר על המערכת. מצב זה נקרא שיווי משקל דינמי.

בתגובה כללית בין מגיבים A ו-B ליצירת תוצר C ותוצר D, הנרשמת בצורה

כאשר המערכת נמצאת בשיווי משקל, מהירות התגובה (לאמור, כמות התגובות בפרק זמן נתון) שווה עבור התגובה בין A ל-B (התגובה הישירה) ועבור התגובה בין C ל-D (התגובה ההפוכה).

שיווי משקל כימי עשוי להיווצר גם בין פאזות שונות של אותו חומר.

שיווי המשקל הכימי מתרחש בנקודה שבה קיים שיווי משקל תרמודינמי: פונקציית האנרגיה של המגיבים והתוצרים זהה, לכן החומר אדיש לגבי היותו במצב זה או אחר. כלומר, לאף תגובה אין אנרגיה חופשית ולכן אף תגובה אינה מתרחשת.

שיווי משקל כימי אינו מתרחש רק בין מולקולות גז. הוא מתרחש גם בין אטומי מתכת כלשהי ליונים טעונים שלה. בעת חיבור, בעזרת "גשר מלח" (חומר המכיל יונים שונים), של תא ובו נחושת מוצקה טבולה ביונים של נחושת לתא שבו מתכת כסף מוצקה הטבולה ביונים של כסף, יווצר תא חשמלי. חיבור למערכת של נורה או מד זרם, יראה שנוצר זרם במערכת. הזרם יתאפס כאשר המערכת תגיע לשיווי משקל כימי. גם לתא האלקטרוכימי שנוצר ניתן להפריע לאחר שהוא מגיע לשיווי משקל כימי, וכתוצאה ליצור מתח חשמלי מחדש. תופעה זו קרויה בספרות המדעית "שיווי-משקל של חמצון-חיזור".

[עריכה] קבוע שיווי המשקל

כאשר המערכת נתונה בשיווי משקל ניתן למצוא את קבוע שיווי המשקל על ידי הנוסחה הבאה: מכפלת ריכוז כל תוצר בחזקת המקדם הסטוכיומטרי שלו חלקי מכפלת ריכוז כל מגיב בחזקת המקדם הסטוכיומטרי שלו. כך לכל תגובת שיווי משקל קבוע משלה. קבוע שיווי המשקל משתנה בהתאם לטמפרטורה - בחום גבוה יותר או נמוך יותר המערכת תתאזן באופן שונה.

[עריכה] דרכים לשליטה בתגובה הכימית

דוגמה לתגובה של שיווי משקל כימי היא תגובה בין מולקולות דו-אטומיות, גז המימן H הדו-אטומי, המתנגש במולקולות דו-אטומיות של גז החנקן N. בתהליך ההתנגשות יכולים לקרות שני דברים: אטום של מימן יפרד מהמולקולה שלו ויקשר לאטום חנקן שנפרד מהמולקולה שלו כתוצאה ממהתנגשות, או שהאטומים יפרדו מהמולקולות שלהם ויחזרו למצב הקודם. החומר הנוצר מהתנגשות בין מולקולות דו-אטומיות של מימן וחנקן הוא גז האמוניה. במהלך התגובה מולקולות האמוניה, המכילות אטום חנקן ושלושה אטומי מימן, מתנגשות גם הן בשכנותיהן. כתוצאה, האמוניה מתחילה להתפרק מחדש למרכיביה. בתהליך של שיווי משקל, מספר המולקולות של האמוניה שמתפרקות ליחידת זמן שווה למספר המולקולות של האמוניה הנוצרות באותה יחידת זמן.

מערכות בשיווי משקל הן מערכות שקל מאוד לעשות עליהן מניפולציה. על ידי שינוי החום במיכל התגובה, הלחץ, או ריכוז התוצרים, ניתן לתכנן את התגובה כך שתיתן יותר תוצר. למשל, תגובה אקסותרמית היא תגובה שפולטת חום. אם התגובה של יצירת האמוניה היא אקסותרמית אז קירור מיכל התגובה יגרום ליצירה של כמות גדולה יותר של אמוניה.

שינוי שמבוצע במערכת הנמצאת בשיווי-משקל יגרום לה לתגובה נגדית. למשל אם מקררים את מיכל התגובה - המערכת תשאף ליצור חום. אם כיוון התגובה כלפי התוצרים יצור חום זו תהיה התגובה המועדפת, ואילו אם כיוון התגובה כלפי המגיבים יצור חום זו תהיה התגובה שתתרחש. עקרון זה ידוע בשם עקרון לה שטליה, על שם הכימאי הצרפתי שגילה אותו.

עוד שתי דוגמאות לעקרון לה שטליה הן שינוי הלחץ ושינוי הריכוז:

• שינוי לחץ: התוצר דחוס יותר, האטומים נדחסים כשנוצרת מולקולה חדשה. אם נגביר את הלחץ במיכל התגובה של יצירת האמוניה המערכת תשאף ליצור יותר אמוניה כדי להוריד את הלחץ. מארבעה מולים של מימן וחנקן נוצרים שני מולים של אמוניה.
• שינוי בריכוז: לאחר שהמערכת הגיעה לשיווי משקל ניתן להוציא את האמוניה מהמיכל. ניתן לעשות זאת על ידי קירור, תוך ניצול הבדלים בנקודת הרתיחה של החומרים המשתתפים בתהליך. האמוניה תהיה נוזלית בעוד שהמימן והחנקן ישארו גזים. כעת לפי עקרון לה-שטליה המערכת תשאף להגדיל את ריכוז התוצר מאחר והפחתנו אותנו. משמע: תיווצר לנו עוד אמוניה.

[עריכה] חשיבות בתעשייה

הידע הנצבר בתחום שיווי המשקל הכימי הודות לאנרי לה שטלייה והעקרון שניסח, וכן כימאים נוספים, תרם תרומה חשובה לתעשייה. ניתנו לתעשייה שלוש דרגות חופש על מנת להגביר את התפוקה: טמפרטורה, לחץ וריכוז.

בעיה חשובה שנוצרה עקב עקרון שיווי המשקל היא כדלקמן: נניח ויש לנו תגובה אקסותרמית (פולטת חום). ככל שנקרר את מיכל התגובה המערכת תפעל נגדנו להגברת החום ותייצר עוד תוצרים. אלא, שקירור מאט את מספר ההתנגשויות והקשרים הנוצרים בפרק זמן, כך שקירור המיכל יביא בסופו לכמות סופית גדולה יותר של תוצר אבל התגובה תארך זמן ארוך. לכן בתעשייה מתחשבים בבעיה זאת ומשלבים חום גבוה יחסית עם לחץ גבוה וכדומה.

דרך נוספת לחסוך בזמן ולהגדיל את התפוקה היא לבצע מיחזור. דוגמה: בסופו של תהליך היווצרות האמוניה מוציאים אותה מן המיכל, שבו נותרו מולקולות גז של חנקן ומימן, שאותן שואבים ומעבירים למיכלים המאחסנים חנקן ומימן במצב גזי.