قوانين سرعة التفاعل الكيميائي
قوانين سرعة التفاعل الكيميائي
عند دراسة تفاعل كيميائي، يجب مراعاة الخصائص الكيميائية للمواد المتفاعلة، والظروف التي يحدث بها التفاعل، والعوامل المؤثرة في سرعته، ووفقا لقانون التأثير الجماعي، فإن معدل التفاعل الكيميائي يعتمد عند درجة حرارة ثابتة فقط على تراكيز المواد التي تؤثر عليه .
تؤثر المواد المؤثرة على معدل التفاعل عادةً واحدة أو أكثر من المواد المتفاعلة، ولكن قد تشمل أحيانًا المنتجات أيضًا. ومن الممكن أيضًا أن تؤثر المحفزات التي لا تظهر في المعادلة الكيميائية المتوازنة الشاملة على معدل التفاعل .
يمكن تحديد قانون المعدل تجريبيًا، ويمكن استخدامه للتنبؤ بالعلاقة بين معدل التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة .
تعريف سرعة التفاعل الكيميائي
تعد سرعة التفاعل مهمة في الصناعات الكيميائية والحياة اليومية؛ لأنها تقيس مدى سرعة حدوث التفاعل، ويمكننا قياس سرعة التفاعل بأن كلما زادت سرعة التفاعل، زادت سرعة تصنيع كميات كبيرة من المنتجات المطلوبة .
تقل كمية المواد المتفاعلة بمرور الوقت وتزداد كمية المنتجات، وبالتالي يمكننا تحديد سرعة التفاعل عن طريق قياس معدل استخدام المواد المتفاعلة أو معدل إنتاج المنتجات، ويؤدي ذلك إلى تحديد سرعة التفاعل .
ويمكن تعريف سرعة التفاعل على أنها كمية المواد المتفاعلة التي تتحول إلى منتجات تكونت في كل وحدة زمنية. بعض التغييرات الملائمة التي يمكن ملاحظتها وتسمح لنا بقياس معدل استخدام المواد المتفاعلة أو معدل إنتاج المنتجات هي التغيير في الكتلة أثناء التفاعل، على سبيل المثال بسبب تغير الحالة من السائل إلى الغاز، وأيضا تغيير حجم الهواء في حجرة التفاعل .
تحدث بعض التفاعلات الكيميائية بسرعة كبيرة مثل ترسيب كلوريد الفضة ، يحدث مباشرة بعد خلط المحاليل المائية من نترات الفضة وكلوريد الصوديوم ، ومن جانب آخر تكون بعض التفاعلات بطيئة للغاية ، مثل صدأ الحديد في وجود الهواء والرطوبة ، وبعض التفاعلات الكيميائية ليست بطيئة أو سريعة ، ولكنها تحدث بمعدل معتدل .
العوامل المؤثرة في التفاعل الكيميائي
تحدث التفاعلات الكيميائية عند تصادم جزيئان متفاعلان بشكل فعال ، ولكل منهما الحد الأدنى من الطاقة والتوجيه الصحيح ، حيث أن تركيز المادة المتفاعلة ، والحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة ، ومساحة السطح ودرجة الحرارة ووجود المحفز ، وتلك هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل التفاعل ، وسوف نوضحها في السطور التالية :
- زيادة تركيز المادة المتفاعلة يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل، ويحدث ذلك بسبب تركيز عال للمادة المتفاعلة، مما يؤدي إلى حدوث المزيد من التصادمات في فترة زمنية محددة، وتوضح هذه النظرية سرعة التفاعل الكيميائي .
- يتعلق معدل التفاعل بالحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة ومساحة السطح، حيث توجد الجزيئات المتفاعلة في مراحل مختلفة، كما هو الحال في الخليط الغير متجانس، ولذلك فإن معدل التفاعل سيكون محدودًا بمساحة سطح الأطوار المتلامسة .
- تزيد الزيادة في درجة الحرارة من معدل التفاعل، إذ ترفع متوسط الطاقة الحركية لجزيئات المادة المتفاعلة، مما يجعل النسبة الأكبر من تلك الجزيئات تحصل على الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحدوث تصادم فعال .
- تشير هذه الجملة إلى وجود عامل مساعد ومحفز في بعض التفاعلات الكيميائية، وهي مادة تسرع التفاعل دون استهلاكها، وتوفر مسارًا تفاعليًا بديلاً للحصول على المنتجات، وتعتبر ضرورية للعديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية .
قوانين سرعة التفاعل من الرتبة الأولى
تستخدم قوانين سرعة التفاعل عمومًا لوصف ما يحدث على المستوى الجزيئي خلال التفاعل. وتستخدم قوانين المعدل المتكامل لتحديد ترتيب التفاعل وثابت المعدل من القياسات التجريبية. والمعادلة التفاضلية هي التي تصف الخصائص الحركية من الدرجة الأولى .
توضح تلك القوانين كيفية زيادة سرعة التفاعل، حيث يعتمد تفاعل الدرجة الأولى على تركيز مادة متفاعلة واحدة فقط، ويشار إلى هذا التفاعل أحيانا باسم تفاعل من الدرجة الأولى لأنه تفاعل أحادي الجزيء .
بينما يمكن أن تكون المواد المتفاعلة الأخرى موجودة، فإن كل منها سيكون من الترتيب الصفري، حيث لا تؤثر تركيزات هذه المواد المتفاعلة على المعدل، وبالتالي يتبع قانون معدل التفاعل الأولي الذي يكون منالدرجة الأولى .
تقرير تجربة تأثير التركيز في سرعة التفاعل الكيميائي
عند التعامل مع التركيز وتأثيره على معدلات التفاعل، عادةً ما نكون مهتمين بالحلول، ولكن جميع الرسوم البيانية والحجج والتفسيرات وما إلى ذلك يمكن أن تنطبق بالتساوي على مزيج من الغازات .
إذا قمت بزيادة تركيز المادة المتفاعلة ؛ فسوف يكون هناك المزيد من المادة الكيميائية الموجودة ، والمزيد من الجسيمات المتفاعلة التي تتحرك معاً ، والتي تسمح بحدوث المزيد من الاصطدامات ، وبالتالي يزداد معدل التفاعل الكيميائي ؛ فكلما زاد تركيز المواد المتفاعلة كان معدل التفاعل أسرع .
بتقليل حجم الجسيمات المتفاعلة، تزيد الأسطح المتاحة لحدوث التصادمات، حيث يتسارع التفاعل كلما تم تصغير حجم الجسيمات .
تحدث التفاعلات الكيميائية بسرعات مختلفة، حيث تكمنمؤشرات التفاعلات في تغير لون المواد، وتكوين الرواسب، وإطلاق الغازات، أو تغير في الطاقة يمكن اكتشافه، وتكون بعض التفاعلات بطيئة جدًا، في حين تكون بعضها الآخر سريعًا جدًا كحدوث انفجار مفاجئ .
كما أن درجة الحرارة ، والتركيز وحجم الجسيمات ، واستخدام المحفز هم العوامل الأساسية التي تؤثر على معدل التفاعل الكيمائي ؛ فنجد أن زيادة درجة حرارة التفاعل تحدث مع زيادة معدل التفاعل ، حيث أن في درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن أن تصطدم الجسيمات كثيراً ، وبطاقة كبيرة مما يجعل التفاعل يتم بسرعة أكبر .
تتحرك الجسيمات ببطء أكبر في درجات الحرارة المنخفضة بالمقارنة بتلك الموجودة في درجات حرارة عالية، وبالتالي تكون معدلات التفاعلات عند درجات حرارة أعلى هي أسرع من التفاعلات التي تحدث عند درجات حرارة منخفضة .