العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل الكيميائي

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي

• تركيز المادة المتفاعلة
• درجة الحرارة
• المحفزات
• الحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة ومساحة السطح
• الضغط

 تختلف معدلات التفاعل بشكل كبير في مجموعة واسعة من الأوقات، وتعرف هذه الاختلافات بحركية أو سرعة التفاعل. تدرس سرعة التفاعلات الكيميائية وتشير إلى معدل حدوث التفاعلات. يمكن لبعض التفاعلات أن تحدث بسرعة هائلة مثل انفجار الألعاب النارية، في حين يمكن أن تكون بعض التفاعلات بطيئة لعدة سنوات مثل صدأ الأسلاك الشائكة المعرضة لعوامل الطقس. يتم قياس سرعة التفاعل وتحديدها بناء على ما يسبب زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية مثل المتفجرات وما يسبب بطئها مثل الأسلاك الحديدية

ما الذي يسبب زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية

هناك أربعة عوامل رئيسية يمكن أن تؤثر على معدل أي تفاعل كيميائي وتؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل الكيميائي، وهي كالتالي:

 عادةً ما يؤدي زيادة تركيز أحد المواد المتفاعلة إلى زيادة معدل التفاعل، حيث ينشأ ذلك من ازدياد عدد التصادمات بين المواد المتفاعلة في فترة زمنية محددة بسبب التركيز العالي لتلك المادة المتفاعلة.

 الحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة ومساحة السطح : في حالة وجود جزيئات متفاعلة في مراحل مختلفة، مثل حالة الخليط غير المتجانس، فإن معدل التفاعل سيكون مقتصرا على مساحة التلامس بين المراحل. على سبيل المثال، إذا تم خلط مادة متفاعلة من فلز صلب ومادة متفاعلة غازية، فإن الجزيئات الموجودة على سطح المعدن فقط لها القدرة على التصادم مع جزيئات الغاز. لذلك، فإن زيادة مساحة سطح المعدن، سواء بسحقه بشكل مسطح أو تقطيعه إلى أجزاء عدة، ستزيد من معدل التفاعل.

 تؤدي زيادة درجة الحرارة عادةً إلى زيادة معدل التفاعل، حيث ترفع زيادة درجة الحرارة متوسط الطاقة الحركية لجزيئات المادة المتفاعلة. وبالتالي، يكون لنسبة أكبر من الجزيئات الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتصادم الفعال.

تسرع المحفزات التفاعلات الكيميائية، ولا يتطلب الأمر سوى كميات صغيرة جدًا من المحفزات لتغيير جذري في معدل التفاعل، حيث يتم استخدام مسار مختلف عند وجود المحفزات بشكل أساسي، ويخفض طاقة التنشيط المطلوبة لحدوث التفاعل.

 : “الضغط هو أحد العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل، لأن الذرات أو الجزيئات الموجودة في الغاز منتشرة جدا، ولكي تتفاعل المواد الكيميائية، يجب أن يتم تصادم جزيئاتهما. من خلال زيادة الضغط، تضغط الجزيئات معا مما يزيد من تكرار الاصطدامات بينها، ويمكنك بسهولة زيادة الضغط عن طريق تقليل حجم وعاء التفاعل الذي يحتوي على الغازات.

نظرية الاصطدام وسرعة التفاعل الكيميائي

لفهم حركية التفاعلات الكيميائية والعوامل التي تؤثر على الخواص المتعلقة بسرعتها، يجب أن ندرس أولا ما يحدث على المستوى الجزيئي أثناء التفاعل. ووفقا لنظرية الاصطدام في التفاعل، تحدث التفاعلات عندما تتصادم جزيئات المادة المتفاعلة بفعالية. ولكي يحدث تصادم فعال، يجب توجيه جزيئات المادة المتفاعلة بشكل صحيح في الفضاء لتسهيل كسر الروابط وتشكيلها وإعادة ترتيب الذرات التي تؤدي إلى تكوين جزيئات المنتج .

يوضح هذا الشكل التصورات المختلفة للاصطدام، حيث يُمثِّل هذا التصور نوعًا من الاصطدامات غير الفعالة والفعالة بناءً على توجه الجزيئات.

من بين قوانين اصطدامات التفاعل الكيميائي، يجب أن تمتلك الجزيئات الحد الأدنى من الطاقة الحركية لحدوث اصطدام فعال أثناء التصادم الجزيئي. تختلف هذه الطاقة من تفاعل إلى آخر وتعرف بطاقة التنشيط (Ea). وبالتالي، يعتمد معدل التفاعل على طاقة التنشيط. وبناء على ذلك، فإن طاقة التنشيط الأعلى تعني أن عددا أقل من الجزيئات سيمتلك طاقة كافية لتحقيق اصطدام فعال.

العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي

ترتبط طاقة التنشيط لتفاعل كيميائي بشكل وثيق بمعدله. كلما زادت طاقة التنشيط، زاد بطء التفاعل الكيميائي. يحدث ذلك لأن الجزيئات يمكنها إكمال التفاعل فقط عندما تصل إلى قمة حاجز طاقة التنشيط. وكلما ارتفع الحاجز، قل عدد الجزيئات التي تمتلك طاقة كافية لتجاوزه في أي وقت. لماذا تمتلك بعض الجزيئات طاقة أكبر من غيرها؟
يحتوي العديد من التفاعلات على طاقات تنشيط عالية بحيث لا يستمر التفاعل في الأساس بدون إدخال طاقة، ومثال على ذلك هو احتراق وقود مثل البروبان الذي يطلق طاقة، ولكن معدل التفاعل يكون فعليًا صفرًا عند درجة حرارة الغرفة.

لنكون واضحين، هذا الأمر جيد، ولكن لن يكون رائعا إذا اشتعلت عبوات البروبان تلقائيا على الرف، ولكن بمجرد توفير شرارة بما يكفي للحصول على بعض الجزيئات فوق حاجز طاقة التنشيط، تتفاعل تلك الجزيئات وتطلق الطاقة، وتساعد الطاقة المنبعثة على تجاوز حاجز طاقة الوقود الآخر، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل.

يكون في معظم التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا مثل احتراق الهيدروكربون ، طاقة التنشيط عالية جدًا بحيث لا يمكن أن تستمر التفاعلات بشكل كبير في درجة الحرارة المحيطة ، في البداية ، هذا يبدو وكأنه مشكلة ، ولكن بعد كل شيء ، لا يمكنك إشعال شرارة داخل الخلية دون التسبب في ضرر.

من الحسن حظنا أنه يمكن تخفيض طاقة التنشيط للتفاعل، وبالتالي زيادة معدل التفاعل، ويُعرف هذا العملية باسم تسريع التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة للتفاعل، ويُطلق على العامل الذي يستخدم لتخفيض طاقة التنشيط المحفز، ويُطلق على المحفزات البيولوجية اسم الأنزيمات.

ثابت سرعة التفاعل يتغير بتغير

لا تتغير ثوابات التوازن إذا تم تغيير تركيز المواد الموجودة في التوازن، ولكن الشيء الوحيد الذي يؤثر على ثوابت التوازن هو تغيير درجة الحرارة.

يمكن أن يتغير موضع التوازن إذا قمت بتغيير تركيز أي شيء في الخليط، وفقًا لمبدأ “لو شاتيلييه”، يتحرك موضع التوازن بطريقة تميل إلى العودة إلى الوضع الأصلي بعد التغيير الذي أجريته. لذلك، فلنفترض أن لديك توازنًا بين أربعة مواد، أ، ب، ج، د.

: “وفقًا لمبدأ “لو شاتيليه”، يمكن أن يتم نقل موضع التوازن إلى اليمين لزيادة التركيز مرة أخرى إذا تم تقليل تركيز C، على سبيل المثال.