كيف تطبق نظرية التصادم

تعريف نظرية التصادم

• نظرية التصادم هي نظرية تستخدم للتنبؤ بمعدلات التفاعلات الكيميائية، خاصة بالنسبة للغازات، حيث تعتمد العلاقة بين نظرية التصادم وسرعة التفاعل على فرضية أنه من الضروري تجمع الأنواع المتفاعلة من الذرات أو الجزيئات معا وتصادمها مع بعضها البعض لحدوث التفاعل .
• وعلى الرغم من ذلك، فإن ليس جميع التصادمات تسبب تغييراً كيميائياً، حيث لا يمكن للتصادم أن يؤدي إلى تغيير كيميائي ما لم يتوفر للأنواع مستوى معين من الطاقة الداخلية، ويكون تساوي طاقة التنشيط للتفاعل .
• تشرح نظرية الاصطدام سبب حدوث التفاعلات المختلفة بمعدلات مختلفة، وتقدم العديد من الطرق لتغيير معدل التفاعل، حيث تنص نظرية التفاعل على أنه يجب على الجسيمات المتفاعلة التصادم مع بعضها البعض من أجل حدوث تفاعل كيميائي .
• وفقًا لنظرية الاصطدام ، “يُفترض أن تكون جزيئات المواد المتفاعلة كريات صلبة ويفترض أن التفاعلات تحدث فقط عندما تتصادم هذه الكرات (الجزيئات) مع بعضها البعض ، ولذلك كان من المهم تحديد عدد التصادمات التي تحدث من أجل تكوين منتجات حتى نتمكن من الحصول على صورة واضحة للتفاعل ، ومن هنا جاء مصطلح تكرار الاصطدام .
• يمكن فهم تردد الاصطدام على أنه عدد الاصطدامات في الثانية لكل وحدة حجم من خليط التفاعل، ويُرمز عادة إليه بالحرف Z.

مثال على ذلك التفاعل الأولي ثنائي الجزيء التالي:

P + Q → المنتج

وفقًا لنظرية التصادم الآن، يمكن زيادة معدل التفاعل عن طريق:

السعر = ZPQe − EaRT…………. (1)

أين:

ZPQ = تردد تصادم المواد المتفاعلة P و Q

Ea = طاقة التنشيط

R = ثابت الغاز العالمي

T = درجة الحرارة في المقياس المطلق

• طاقة التنشيط (Ea) هي عامل آخر أثر بشكل كبير على معدلات التفاعلات الكيميائية، وقد أطلق عليها Arrhenius، وهي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تتوفر في المواد المتفاعلة لتكوين المنتجات خلال تفاعل كيميائي .

تطبيق نظرية التصادم اثناء التفاعل الكيميائي

يجب أن يحدث تصادم بين الجزيئات حتى تتفاعل، ولبدء التفاعل بشكل فعال يجب أن تكون التصادمات نشطة بما فيه الكفاية وهذه النشاط تأتي من طاقة الحركة التي تساعد على كسر الروابط الكيميائية، وتعرف هذه الطاقة بـ”طاقة التنشيط .

– عندما يرتفع مستوى الحرارة، يتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتصطدم بقوة، مما يزيد من احتمالية كسر الرابطة أثناء الاصطدام. وتعتبر طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تتصادم بها المواد المتفاعلة لحدوث التفاعل .

يستخدم نظرية التصادم لتوضيح التفاعلات الكيميائية ومعدلات حدوثها، حيث تقوم على مفهوم أساسي يفيد بأن الجزيئات يجب أن تتصادم لحدوث التفاعل، وهو أساسي لفهم آلية التفاعلات الكيميائية العادية .

تُعَدّ التوجه الجزيئي والاصطدامات الفعّالة هي العناصر الرئيسية لنجاح التصادم إذا اصطدم جزيئان بطاقة تنشيط كافية، حيث لا يضمن كل تصادم النجاح في الواقع، وتوضح نظرية الاصطدام أنه ليس كل تصادم ناجح، حتى إذا كانتتحرك الجزيئات بطريقة كافية .

تحتاج الجزيئات إلى الاصطدام بالاتجاه الصحيح ، بحيث تصطف الذرات المناسبة مع بعضها البعض ، ويمكن أن تتكسر الروابط ، ويعيد تشكيلها بالطريقة اللازمة ؛ فعلى سبيل المثال في تفاعل الطور الغازي لأكسيد ثنائي النيتروجين مع أكسيد النيتريك ؛ فيجب أن تصل نهايى الأكسجين لأكسيد النيتروز إلى نهاية النيتروجين لأكسيد النيتروجين .

ما هي طاقة التفعيل

هي عبارة عن طاقة التنشيط التي تُعد الحد الأدنى من الطاقة التي تحتاج إليها الجسيمات المتفاعلة في أي تفاعل معين لحدوث التفاعل الكيميائي ، إذا لم يحدث اصطدام الجسيمات بطاقة كافية من أجل تزويد طاقة التنشيط ؛ فإنها ببساطة لا تتفاعل ، حيث يجب توفير طاقة التنشيط قبل حدوث التفاعل .

لبدء أي تفاعل كيميائي، يجب كسر الروابط الكيميائية في المواد المتفاعلة، وهذا يتطلب طاقة، ويُعرف هذا الطاقة بطاقة التنشيط، وفي بعض الأحيان تكون طاقة التنشيط منخفضة بما يكفي ليبدأ التفاعل في درجة حرارة الغرفة دون تسخين .

معادلة أرهينيوس

تشير معادلة أرهينيوس إلى أن جميع الجزيئات التي تمتلك طاقة أكبر من أو تساوي طاقة التنشيط ستتصادم من أجل تكوين المنتجات، ولكن هذا الافتراض غير صحيح بالنسبة لجميع ردود الفعل، حيث يوجد انحراف كبير في التفاعلات التي تنطوي على العديد من الجزيئات المعقدة .

قليل من الجزيئات التي تمتلك طاقة التنشيط الكافية لتفاعلها لم تتصادم بشكل كافٍ لتكوين المنتج، بينما بعض التصادمات فعالة وأدت إلى تكوين المنتججات، وقد اكتشف العلماء أن الطاقة الحركية للجزيئات ليست العامل الوحيد الذي يحكم التفاعل .

وجد الباحثون أن الجزيئات التي تمتلك طاقة التنشيط وتتجه بشكل صحيح خلال الاصطدام هي الوحيدة التي يمكن أن تشكل المنتجات. وبفضل طاقة التنشيط والتوجيه الصحيح للجزيئات المتفاعلة معًا، يمكن لهذه الجزيئات تحديد حالة التصادم التي ستؤدي إلى تكوين المنتجات المطلوبة من التفاعل الجزيئات المتفاعلة .

نظرية التصادم وتأثيرها على خصائص الروابط الكيميائية

للروابط الكيميائية بعض خصائص النوابض الكيميائية ، حيث أنها :

• تعتمد طاقتها المحتملة على شدتها أو ضغطها .
• يمكن وصف كل رابطة من حبة الذرة إلى أخرى باستخدام مخطط الطاقة الكامنة، الذي يوضح كيفية تغيير طاقتها مع طولها .
• عندما تمتص الجزيئات الطاقة عن طريق التسخين أو الاصطدام، يتم رفعها إلى حالة اهتزازية أعلى .

نظرية التصادم في التفاعلات أحادية الجزيء

تبدأ عمليات التفاعل أحادية الجزيء بالتصادم أيضاً، ومنذ العام 1921 لم يتمكن الكيميائيون من فهم دور التصادمات في هذه العمليات. حيث أصبح واضحًا أن آليات مثل هذه التفاعلات معقدة للغاية، وأنها تحدث عند ضغوط منخفضة بشكل كبير. وتصف هذه التفاعلات بشكل صحيح بأنها جزيئية كاذبة .

المعايير اللازمة قبل حدوث تفاعل ثنائي الجزيء

• يجب أن يكون تردد الاصطدام أكبر من عامل التردد للتفاعل .
• يجب حدوث التصادم في الاتجاه الصحيح .
• لابد من حدوث تصادم بين المتفاعلات .
• – ينبغي أن تتمتع طاقة الاصطدام بقيمة أكبر من طاقة التنشيط للتفاعل .

كيف سيؤثر التغيير المعطى على معدل التفاعل الأولي

• يتم زيادة حجم إحدى المواد المتفاعلة في تفاعل ثنائي الجزيء .
• زيادة في تركيز المادة المتفاعلة .
• زيادة في درجة الحرارة .
• زيادة طاقة التنشيط للتفاعل .

معدل التصادم وتأثيره

فلكي يحدث التفاعل الكيميائي الأولي يجب التغلب على عتبة الطاقة المعروفة بطاقة التنشيط ،  ويجب أيضاً أن يكون للأنواع المتفاعلة الاتجاه المكاني الصحيح ، حيث تقدم نظرية الاصطدام تفسير نوعي للتفاعلات الكيميائية ؛ فيجب أن تؤثر العوامل التي تزيد من معدل التفاعل على واحد على الأقل مما يلي :

• كم مرة تحدث الاصطدامات .
• التصادمات الأكثر فعالية هي تلك التي تحدث بطاقة كافية .
• تتميز التصادمات التي تحدث مع الاتجاه الصحيح بفعالية أكبر من التصادمات الأخرى .
• الاصطدامات المتكررة التي تحدث بمعدل أسرع .