حاصل التفاعل

في الديناميكا الحرارية الكيميائية ، حاصل التفاعل (${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }}$أو فقط${\displaystyle Q}$[ ^{1 ] هو كمية لا} بُعدية تُستخدم لقياس النسب النسبية للمواد الناتجة والمتفاعلة في خليط تفاعل ذي قياسات كيميائية محددة عند لحظة زمنية معينة. رياضيًا، يُعرَّف بأنه نسبة نشاط ( أو تركيز مولي) المواد الناتجة إلى نشاط (أو تركيز مولي ) المواد المتفاعلة في التفاعل الكيميائي، مع الأخذ في الاعتبار معاملات القياس الكيميائي للتفاعل كأساس للتركيزات. في حالة الاتزان، يكون حاصل التفاعل ثابتًا مع مرور الوقت ويساوي ثابت الاتزان .

تفاعل كيميائي عام يكون فيه${\displaystyle \alpha }$عدد مولات المتفاعل A و${\displaystyle \beta }$تتفاعل مولات من المتفاعل B لإنتاج${\displaystyle \rho }$عدد مولات المنتج R و${\displaystyle \sigma }$يمكن كتابة عدد مولات المنتج S على النحو التالي:

${\displaystyle {\ce {\it {\alpha \,{\rm {A{}+{\it {\beta \,{\rm {B{}<=>{\it {\rho \,{\rm {R{}+{\it {\sigma \,{\rm {S{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$.

يُكتب التفاعل على شكل معادلة اتزان، على الرغم من أنه في كثير من الحالات، قد يبدو أن جميع المتفاعلات على أحد جانبي المعادلة قد تحولت إلى الجانب الآخر. عند تحضير أي خليط أولي من A وB وR وS، والسماح للتفاعل بالاستمرار (سواء في الاتجاه الأمامي أو العكسي)، فإن حاصل التفاعل${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }}$، كدالة للزمن${\displaystyle t}$، يتم تعريفها على النحو التالي ^{[ 2 ]}

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }(t)={\frac {\{\mathrm {R} \}_{t}^{\rho }\{\mathrm {S} \}_{t}^{\sigma }}{\{\mathrm {A} \}_{t}^{\alpha }\{\mathrm {B} \}_{t}^{\beta }}},}$

أين${\displaystyle \{\mathrm {X} \}_{t}}$يشير إلى النشاط اللحظي ^{[ 3 ]} لنوع ما${\displaystyle \mathrm {X} }$في ذلك الوقت${\displaystyle t}$التعريف العام الموجز هو

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }(t)=\prod _{j}[a_{j}(t)]^{\nu _{j}},}$

أين${\displaystyle \textstyle \prod _{j}}$يشير إلى المنتج عبر جميع${\displaystyle j}$المتغيرات المفهرسة،${\displaystyle a_{j}(t)}$هو نشاط الأنواع${\displaystyle j}$في ذلك الوقت${\displaystyle t}$، و${\displaystyle \nu _{j}}$هو العدد القياسي (معامل القياس القياسي مضروبًا في +1 للمنتجات و -1 للمواد الأولية).

مع تقدم التفاعل بمرور الوقت، تتغير أنشطة الأنواع الكيميائية، وبالتالي حاصل التفاعل، بطريقة تقلل من الطاقة الحرة للنظام الكيميائي. ويتحكم في اتجاه هذا التغير طاقة جيبس ​​الحرة للتفاعل من خلال العلاقة التالية:

${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G=RT\ln {\frac {Q_{\mathrm {r} }}{K}}}$،

حيث K ثابت مستقل عن التركيب الأولي، يُعرف بثابت الاتزان . يسير التفاعل في الاتجاه الأمامي (نحو قيم أكبر لـ${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }}$) متى${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G<0}$أو في الاتجاه المعاكس (نحو قيم أصغر من${\displaystyle Q_{r}}$) متى${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G>0}$في النهاية، عندما يصل خليط التفاعل إلى حالة التوازن الكيميائي، تقترب فعالية المكونات (وبالتالي حاصل التفاعل) من قيم ثابتة. يُعرَّف ثابت التوازن بأنه القيمة التقاربية التي يقترب منها حاصل التفاعل.

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }\to K\;\;{\text{and}}\;\;\Delta _{\mathrm {r} }G\to 0\quad (t\to \infty )}$.

يعتمد النطاق الزمني لهذه العملية على ثوابت سرعة التفاعلات الأمامية والعكسية. من حيث المبدأ، يتم الوصول إلى حالة التوازن بشكل تقاربي عند${\displaystyle t\to \infty }$; عملياً، يعتبر أن التوازن قد تحقق، بمعنى عملي، عندما لا تتغير تركيزات الأنواع المتوازنة بشكل ملحوظ فيما يتعلق بالأجهزة والأساليب التحليلية المستخدمة.

إذا تم تهيئة خليط التفاعل بحيث تكون جميع مكوناته ذات نشاط يساوي واحدًا، أي في حالاتها القياسية ، فإن

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }=1\;\;{\text{and}}\;\;\Delta _{\mathrm {r} }G=\Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=-RT\ln K\quad (t=0)}$.

هذه الكمية،${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }}$وتسمى طاقة جيبس ​​الحرة القياسية للتفاعل . ^{[ 4 ]}

جميع التفاعلات، بغض النظر عن مدى ملاءمتها، هي عمليات توازن، على الرغم من أنه من الناحية العملية، إذا لم يتم الكشف عن أي مادة أولية بعد نقطة معينة بواسطة تقنية تحليلية معينة، يقال إن التفاعل قد وصل إلى الاكتمال.

في الكيمياء الحيوية، يُشار غالبًا إلى حاصل التفاعل بنسبة فعل الكتلة ويرمز لها بالرمز${\displaystyle \Gamma }$.

يمكن استخدام حاصل التفاعل للتنبؤ باتجاه ومدى التفاعل الكيميائي المتوازن. عند التوازن، يكون حاصل التفاعل (${\displaystyle Q}$) يساوي ثابت الاتزان (${\displaystyle K}$) للتفاعل، حيث${\displaystyle Q=K}$. لو${\displaystyle Q>K}$، يُفضَّل تكوين المواد المتفاعلة. وذلك لأن نسبة البسط إلى المقام في${\displaystyle Q}$أكبر من ذلك الخاص بـ${\displaystyle K}$مما يشير إلى وجود نواتج أكثر مما هو عليه عند حالة التوازن. وبما أن مبدأ لو شاتيليه ينص على أن الأنظمة تميل نحو التوازن، فإن التوازن يتحول في الاتجاه المعاكس لصالح تكوين النواتج. وبالمثل، عندما${\displaystyle Q<K}$^{[ 5 ]} ، يتم تفضيل تكوين المنتجات ويسير التفاعل في الاتجاه الأمامي.

دروس تعليمية حول حاصل التفاعل

• الدرس التعليمي الأول، مؤرشف بتاريخ 22 يوليو 2011 في أرشيف الإنترنت ^{[ 1 ]} ، لم يعد متاحًا اعتبارًا من نوفمبر 2023
• الدرس الثاني ^{[ 2 ]}
• الدرس الثالث ^{[ 3 ]}