(آخرین درس در این مجموعه. ای کاش این مجموعه را تا زمانی که مدرسه برای اکثر مردم شروع می شد انجام می دادم، اما در ابتدا فکر می کردم که می توانم اصول Gen Chem را در 6 پست پوشش دهم و آن به رشد خود ادامه داد – برنامه ریزی اشتباه در عمل. )

تعادل شیمیایی

در شیمی، واکنش‌های برگشت‌ناپذیر همه مطبوعات را به خود جذب می‌کنند: آتش‌سوزی‌ها و انفجارهای آشنا که به خوبی در یوتیوب نمایش داده می‌شوند. مسئله این است که همه واکنش ها به پایان نمی رسد. گاهی اوقات، محصولات یک واکنش می توانند با هم واکنش نشان دهند و بازسازی کند مواد اولیه، در نتیجه راه اندازی a برگشت پذیر واکنش. اینها انواع واکنش هایی هستند که در اطراف ما در حال انجام هستند و آنقدر غیرقابل توصیف هستند که هرگز متوجه آن نمی شویم. در هر لحظه، تعداد حیرت‌انگیز پروتون در کک رژیمی من (pH 3.39) با مولکول‌های آب مبادله می‌شود، اما از آنجایی که هیچ تغییر خالصی وجود ندارد، این فرآیند عملاً نامرئی است.

برای آخرین موضوع در “از ژن شیمی تا ارگ شیمی”، ما در مورد تعادل شیمیایی صحبت خواهیم کرد، که نقش یک بزرگ موضوع در شیمی آلی بسیاری از واکنش‌هایی که در مورد آنها خواهید آموخت، واکنش‌های تعادلی هستند، و این مفهوم فراتر از واکنش‌های شیمیایی به تعدادی کامل از فرآیندها گسترش می‌یابد، مانند نحوه اتصال بسترها به آنزیم‌ها و حتی اینکه چگونه مولکول‌ها ساختار سه بعدی خود را به طور برگشت‌پذیر تغییر می‌دهند.

بنابراین تعادل شیمیایی چیست؟ چرا مهم است؟ این که بگوییم تعادل شیمیایی داریم یعنی چه؟

بیایید با اصول اولیه شروع کنیم:

• یک تعادل شیمیایی تنها در شرایطی می تواند رخ دهد که یک تعادل قابل توجه وجود داشته باشد معکوس واکنش.
• هنگامی که تعادل شیمیایی برقرار می شود، در طول زمان تغییری در غلظت واکنش دهنده ها و محصولات ایجاد نمی شود.
• در حالت تعادل، دلتای G فرآیند برابر با صفر است. هیچ نیروی محرکی وجود ندارد.

احتمالاً مهم‌ترین راه برای آشنایی شما با تعادل در Gen Chem از طریق واکنش‌های اسید-باز است. واکنش اسید هیدروکلریک اسید قوی (HCl) با آب H3O(+) تولید می کند که در اصل یک واکنش برگشت ناپذیر است. در مقابل، اسید استیک ضعیف (CH3COOH) با H2O واکنش می دهد و H3O(+) و CH3COO(-) می دهد. اما واکنش معکوس نیز می تواند رخ دهد.

توجه به این نکته ضروری است قدرت نسبی اسیدها با مقدار این ثابت تعادل اندازه گیری می شود. این معیار بسیار مفیدی به نام pKa را در اختیار ما قرار می دهد که برابر است با لاگ منفی Ka برای این واکنش. pKa یک راه عالی برای مقایسه اسیدیته نسبی مولکول های مختلف است. با افزایش اسیدیته مولکول ها، این تعادل بیشتر و بیشتر به سمت راست پیش می رود. نتیجه این است که اسیدهای قوی pKas پایینی دارند (همانطور که اسیدهای قوی حل شده در آب منجر به pH پایین می شوند) و اسیدهای ضعیف pKas بالایی دارند. ]

احتمالاً به آن فکر نمی‌کنید، اما واکنش‌های شیمیایی در حالت تعادل همیشه در اطراف شما به روش‌های ظریفی عمل می‌کنند که حتی متوجه آن نمی‌شوید. به عنوان مثال، در داخل هر یک از قوطی های داخل دستگاه پاپ نزدیک شما، تعادل بین آب و دی اکسید کربن (فشار) حل شده در محلول برقرار شده است که اسید کربنیک را تشکیل می دهد. در همان زمان، مولکول‌های اسید کربنیک در حال تفکیک هستند تا دی اکسید کربن و آب را فراهم کنند.

تغییر خالص در غلظت دی اکسید کربن، آب و اسید کربنیک: صفر

برای تعیین Δ G می توان از ثابت تعادل استفاده کرد.

در حالت تعادل هیچ نیروی محرکی وجود ندارد. Δ G برای واکنش صفر است. یک رابطه عددی واقعا مفید بین ثابت تعادل و Δ G وجود دارد که معادله ایزوترم انرژی آزاد گیبس نامیده می شود که می توانیم برای حل Δ G (اگر ثابت تعادل را بدانیم) یا ثابت تعادل (اگر Δ G را بدانیم) استفاده کنیم. .

معادله گیبس: Δ G = –RT lnK

در کلاس شیمی آلی خود، نمونه‌های زیادی از واکنش‌های برگشت‌پذیر را خواهید دید که منجر به مخلوط می‌شوند. [One specific example is in the study of conformations, which are the three dimensional states of molecules formed through the reversible rotation of bonds]. به این صورت است که از معادله برای محاسبه Δ G استفاده می کنید، اگر K را بدانید:

حتی می‌توانید این معادله را به شکل گرافیکی وصل کنید تا رابطه را ببینید (اگر می‌توانید مهارت‌های بد اکسل را ببخشید)

ببینید قسمت ابتدایی آن منحنی چقدر شیب دار است! بسیار شگفت انگیز است که چقدر تفاوت انرژی برای واکنشی که ترکیبی 9:1 از محصولات را به شما می دهد، کم است. وقتی به آن فکر می کنید، 5.4 کیلوژول بر مول خیلی زیاد نیست – برای مثال، آن را با قدرت پیوند CH مقایسه کنید که 430 کیلوژول بر مول است. برای اینکه یک واکنش نسبت 99:1 را به شما بدهد، تفاوت باید فقط 11.4 کیلوژول بر مول باشد.

اصل Lé Châtelier

در اینجا مفهوم کلیدی نهایی در مورد تعادل است. شیمی آلی یک علم عملی است. ما اغلب درگیر تبدیل یک ترکیب به ترکیب دیگر هستیم. ما اغلب می خواهیم واکنش معکوس را خاموش کنیم تا بازده محصول خود را بهبود بخشیم.

ما اغلب می‌توانیم راهی پیدا کنیم که تعادل را دستکاری کنیم تا محصولاتی را که می‌خواهیم به ما ارائه کنیم. شما اغلب این توصیف را می شنوید واکنش را به جلو سوق می دهد. این کار با حذف یکی از محصولات جانبی واکنش رو به جلو انجام می شود، بنابراین از وقوع واکنش معکوس جلوگیری می شود.

در اینجا یک مثال است. درمان یک آلدهید با یک آمین ترکیبی به نام an تولید می کند ایمینه و همچنین یک مولکول آب. این واکنش برگشت پذیر است. آب می تواند با ایمین واکنش نشان دهد و محصول را به ما برگرداند.

نکته کلیدی اینجاست. اگر بتوانید راهی برای حذف آب در اینجا پیدا کنید، اساساً k2 را خاموش می کنید (واکنش معکوس). با واکنش کلی چه خواهد کرد؟ خواهد شد در جهت جلو (راست) ادامه دهید تا تعادل دوباره برقرار شود. که هرگز نیست، زیرا ما ماده خشک کن را اضافه کرده ایم. نتیجه: یک محصول، به جای مخلوط.

عملاً حذف آب به روش های مختلفی انجام می شود که یکی از آنها از طریق افزودن یک ماده (به نام a خشک کننده) که به صورت برگشت ناپذیر با آب واکنش داده و در نتیجه آن را از معادله حذف می کند. سولفات منیزیم (MgSO4) تنها یک مثال است – یک هیدرات تشکیل می دهد.

نام این مفهوم باید برای شما آشنا باشد: به آن اصل Le Chatelier می گویند.

شما با نمونه‌های زیادی از اصل Le Chatelier در شیمی آلی مواجه خواهید شد، زیرا با واکنش‌های برگشت‌پذیر زیادی مواجه خواهید شد (برخی در Org 1، اما بسیاری در Org 2).

خط پایین: اگر یک واکنش و محصولات آن را درک می کنید، می توانید شرایطی را انتخاب کنید که امکان حذف محصولات را فراهم می کند که در نتیجه از برقراری تعادل جلوگیری می کند و واکنش را به سمت محصولات مورد نظر شما هدایت می کند.

این آخرین درس در “از ژن شیمی تا شیمی آلی” است! امیدوارم با انتقال از دوره محاسباتی که Gen Chem به قلمرو کیفی تر شیمی آلی است، آن را منبع و راهنمای مفیدی بیابید. در پست بعدی جمع بندی می کنم.

پست بعدی – از ژنرال شیمی تا شیمی آلی، قسمت 14 – جمع بندی!!!!