الأسبوع 10 · الباب الثالث «الاتزان الكيميائي» (١): مقدمة الباب والاتزان الفيزيائي (التبخر والتكثف) والتفاعلات التامة والعكسية والاتزان الكيميائي حالة ديناميكية ومعدل التفاعل وما يتوقف عليه وطبيعة المواد المتفاعلة · 3 دروس
1
الاتزان في وعاء مغلق: التبخر والتكثف
Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 53–58
الهدفاشرح كيف يصل التبخر والتكثف إلى معدلين متساويين في وعاء مغلق، وما معنى الضغط البخاري المشبع.
كلمات جديدة
الاتزان الديناميكي · حالة يستمر فيها تغيّران متعاكسان بمعدلين متساويين فلا يبدو أن شيئًا يتغيرالتبخر والتكثف · تحوّل الماء السائل إلى بخار، وتحوّل البخار إلى سائلالضغط البخاري المشبع · أكبر ضغط بخار يمكن أن يعطيه سائل في وعاء مغلق عند درجة حرارة معينة
الشرح
نظام الاتزان يبدو ساكنًا لكنه مزدحم بالحركة من الداخل. ضع قليلًا من الماء السائل في وعاء مغلق واتركه عند درجة حرارة ثابتة. تهرب الجزيئات عند السطح إلى الحيز الذي فوقه: هذا هو التبخر. وتصطدم جزيئات البخار بالسطح وتبقى فيه: هذا هو التكثف. في البداية لا يوجد بخار فيكون التبخر أسرع. ومع تراكم البخار يعود عدد أكبر من الجزيئات فيزداد معدل التكثف. وبعد قليل يتساوى المعدلان. بعد ذلك تبقى كمية السائل وضغط البخار ثابتين مع أن التغيّرين مستمران. هذا اتزان ديناميكي، وضغط البخار حينئذ هو الضغط البخاري المشبع، أي أكبر ضغط بخار عند تلك الدرجة. وهو اتزان فيزيائي لأن مادة جديدة لا تتكوّن. ويجب أن يكون الوعاء مغلقًا: ففي طبق مفتوح يهرب البخار ولا يلحق به التكثف ويجف الماء.
أمثلة محلولة
الدقيقة
0
1
2
3
4
5
التبخر
10
10
10
10
10
10
التكثف
0
4
7
9
10
10
اقرأ الجدول. هذه معدلات مخترعة بوحدات مفتعلة في الدقيقة. يبقى التبخر عند 10. ويبدأ التكثف من 0 ويرتفع: 4 و7 و9 و10 و10. يتساوى المعدلان أول مرة عند الدقيقة 4. وبعد ذلك يبقى كلاهما عند 10 فيثبت ضغط البخار مع أن الجزيئات ما زالت تعبر السطح في الاتجاهين.
مفتوح أم مغلق؟ وعاء ماء مفتوح على طاولة يجف خلال أيام، أما الماء في برطمان مغلق بالحجم نفسه فلا يختفي. في الوعاء المفتوح يبتعد البخار إلى الغرفة فلا يستطيع التكثف أن يساوي التبخر. وفي البرطمان المغلق يبقى البخار ويتساوى المعدلان ويثبت مستوى السائل.
لماذا «مشبع»؟ عند درجة حرارة ثابتة لا يستطيع البخار فوق السائل أن يزداد كثافة، لأن البخار الزائد يتكثف بالسرعة التي يتبخر بها السائل. والضغط عند هذه النقطة هو الضغط البخاري المشبع. وعند درجة ثابتة أخرى يحدث الاتزان عند ضغط آخر، لذلك تُذكر القيمة عند درجة حرارة معينة. ولا نستخدم هنا رسوم الكتاب ولا مثال الوعاء المسخَّن: نرسم رسمنا ولا نذكر خطوة تسخين.
نشاط الفصل
مراقبة البرطمان المغلق، مع شخص بالغ. صُبّ نحو 1 cm من ماء الصنبور البارد في علبة بلاستيكية شفافة وأغلق الغطاء جيدًا. علّم مستوى الماء من الخارج بقلم. ضع بجانبها علبة ثانية مفتوحة بالكمية نفسها. اتركهما على حافة نافذة بعيدًا عن المدافئ وليس في فرن أبدًا. بعد يوم انظر إلى غطاء العلبة المغلقة بحثًا عن قطرات وقارن المستويين. شاهد ماذا يحدث؛ القطرات هي تكثف، والعلبة المغلقة تفقد ماءً أقل. اكتب جملة تفسّر الفرق باستخدام كلمتي التبخر والتكثف.
تدرّب
1
في وعاء مغلق فيه ماء عند درجة حرارة ثابتة، ماذا يصح على معدلي التبخر والتكثف عند الاتزان؟
هما متساويان، فيبقى مستوى السائل وضغط البخار ثابتين.
2
لماذا يجف وعاء الماء إذا كان مفتوحًا ولا يجف إذا كان مغلقًا؟
في الوعاء المفتوح يهرب البخار فلا يلحق التكثف بالتبخر؛ وفي الوعاء المغلق يتكوّن اتزان.
3
لماذا يُذكر الضغط البخاري المشبع دائمًا عند درجة حرارة محددة؟
لأن الاتزان، ومن ثم أكبر ضغط بخار، يختلف باختلاف درجة الحرارة.
4
هل اتزان الماء ⇌ البخار كيميائي أم فيزيائي؟ اذكر السبب.
فيزيائي، لأن مادة جديدة لا تتكوّن؛ تتغير حالة الماء فقط.
