تعريف حالة الاستقرار في الكيمياء: الثبات والوسيط والاتزان

الخلاصة السريعة

ثبات التركيز لا يعني أن التحولات أو مرور المادة قد توقفا.

• في حالة تدفق مستقرة تكون التراكيز مستقلة عن الزمن؛ الاتزان يخص تساوي معدلي المسارين الأمامي والعكسي. ^[1][2]
• في نموذج افتراضي بحجم ثابت: d[I]/dt = J − k[I]، مع J = 0.006 mol L⁻¹ s⁻¹ و k = 0.30 s⁻¹؛ التركيز المستقر I* = 0.020 mol/L.
• إذا بدأ التركيز صفرًا في النموذج نفسه، يصل عند 10 s إلى نحو 0.0190 mol/L، وليس إلى الحد المستقر تمامًا.
• تقريب الحالة المستقرة للوسيط يهمل تغيره الصغير مقارنة بتغير المتفاعل والناتج؛ لا يفرض ثباته الأبدي أو توقف إنتاجه واستهلاكه. ^[1]

حالة مستقرة أم اتزان أم وسيط؟

يعرف IUPAC حالة التدفق المستقرة بثبات التراكيز زمنيًا. ^[1] في الاتزان الديناميكي تتساوى سرعتا التفاعل الأمامي والعكسي، وتستمر التحولات. ^[2]

الوسيط نوع يتكون في خطوة ثم يستهلك في أخرى، فلا يظهر كناتج نهائي في المعادلة الإجمالية. ^[3] هذا وصف لدوره، وليس وعدًا بأن تركيزه ثابت.

اسأل أولًا عما يقيسه السؤال: تركيزًا مع الزمن، أم سرعتين متعاكستين، أم مادة بين خطوتين؟ تشابه كلمة «ثابت» لا يجعل الحالات وصفًا واحدًا.

ميزان أصلي للإنتاج والاستهلاك

نعرف نموذجًا افتراضيًا بحجم ثابت: معدل إنتاج I الخارجي J ثابت، ومعدل استهلاكه k[I]، مع k ثابت. إذن d[I]/dt = J − k[I]. اخترنا نموذجًا حسابيًا، لا آلية مادة مسماة.

نضع J = 0.006 mol L⁻¹ s⁻¹ و k = 0.30 s⁻¹. عند الميزان المستقر: I* = J/k = 0.020 mol/L. الإنتاج والاستهلاك كلاهما 0.006، رغم أن الفرق بينهما صفر.

من بداية [I](0) = 0، يحل التعبير [I](t) = 0.020(1 − e^(−0.30t)) النموذج مع t بالثواني. عند 10 s نحصل على 0.0190043 mol/L تقريبًا؛ ومعدل التغير حينئذ نحو 0.000299 mol L⁻¹ s⁻¹، ما زال موجبًا.

يقترب المنحنى من الحد، ولا نضع صفرًا لمعدل التغير منذ البداية. تحقّق بالتعويض في الميزان قبل تسمية نقطة زمنية «مستقرة تمامًا».

ماذا يعني تقريب الحالة المستقرة للوسيط؟

في حركية الوسيط منخفض التركيز، توضع مشتقته صفرًا في التقريب لإزالته من معادلات السرعة. المقصود أن تغيره المطلق أصغر كثيرًا من تغير المتفاعل والناتج؛ قد يتغير تركيزه معهما. ^[1]

هذا التقريب يختلف عن تثبيت مصدر J في مثالنا. إذا تغير المصدر، فلا تنقل حدنا 0.020 إلى نظام جديد دون إعادة الميزان.

في اختبار ملاءمة تقريب، راجع مرحلة البداية وما إذا كان الوسيط يتراكم سريعًا. تسمية النوع «وسيطًا» وحدها لا تبرر حذف مشتقته؛ المطلوب مقارنة تغيره بغيره. ^[1]

للمتابعة في موضوع قريب، اقرأ: الاتزان الكيميائي: تساوي السرعات ومقارنة Q مع K.