كيف يمكن زيادة سرعة التفاعل الكيميائي

تعريف التفاعل الكيميائي

تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تنشأ أو تنكسر الروابط الكيميائية بين الذرات، وتسمى المواد التي يتفاعلون بها المواد المتفاعلة، وتعرف المواد التي يتم إنتاجها في نهاية التفاعل بالمنتجات. ويتم رسم سهم بين المواد المتفاعلة والمنتجات للإشارة إلى اتجاه التفاعل الكيميائي، على الرغم من أن التفاعل الكيميائي ليس دائما طريقا أحادي الاتجاه. تحدث التفاعلات الكيميائية في كل مكان، وعلى الرغم من أننا نربطها أحيانا بالبيئة المعقمة لأنبوب الاختبار، إلا أن المختبر ليس شيئا بعيدا عن الواقع. يؤدي العدد الهائل من التحولات إلى إنتاج مجموعة مذهلة وغير مفهومة تقريبا من المواد الجديدة، وتغيرات الطاقة التي تحدث في عالمنا كل ثانية من كل يوم .

في الطبيعة، يمكن أن تكون التفاعلات الكيميائية أقل تحكما بكثير مما يلاحظ في المختبر، وأحيانا تكون أكثر فوضوية. تحدث هذه التفاعلات بشكل عام، سواء أردنا ذلك أم لا، سواء كانت حرائقا تجتاح الغابات أو عملية بطيئة لصدأ الحديد في وجود الأكسجين والماء على مدار سنوات، أو الطريقة الدقيقة التي ينضج بها الفاكهة على الشجرة. إنها عملية تحويل مجموعة من المواد الكيميائية (المتفاعلات) إلى مجموعة أخرى من المواد (المنتجات)، وهذا ما يعرف بالتفاعل الكيميائي. وعند الحديث عن التفاعل الكيميائي، يجب ألا نغفل الحديث عن نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي .

أنواع التفاعلات الكيميائية

وهناك أنواع مختلفة من التفاعلات الكيميائية منها :

• تفاعل تركيبي .
• تفاعل الاستبدال الفردي .
• رد فعل الاستبدال المزدوج .
• رد فعل التحلل .
• تفاعل الاحتراق .

تستخدم قوانين سرعة التفاعل الكيميائي لقياس معدل التفاعل .

كيف يمكن زيادة سرعة التفاعل الكيميائي

بالرغم من أن تفاعل المواد الكيميائية المتفاعلة يلعب دورا مهما في تحديد سرعة التفاعلات الكيميائية، إلا أن هناك عوامل أخرى عديدة يمكن التحكم بها لتسريع أو إبطاء التفاعلات الكيميائية. ومن الممكن أن تكون هذه التفاعلات الكيميائية قابلة للانعكاس، وعليه يجب فهم تأثير العوامل المختلفة والتحكم بها لتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية. ويعد فهم سرعة التفاعل الكيميائي أمرا مهما جدا لتحقيق الكفاءة الاقتصادية في عمليات الصناعة الكيميائية  .

العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل الكيميائي

تختلف معدلات استهلاك المواد المتفاعلة وتشكيل المنتجات خلال التفاعلات الكيميائية بشكل كبير. يمكن تعيين خمسة عوامل تؤثر في معدلات التفاعلات الكيميائية، وهي: الطبيعة الكيميائية للمواد المتفاعلة، حالة التقسيم (كتلة كبيرة مقابل العديد من الجسيمات الصغيرة) للمواد المتفاعلة، درجة حرارة المواد المتفاعلة، تركيز المواد المتفاعلة ووجود عامل مساعد.

“تحدث التفاعلات الكيميائية بمعدلات مختلفة على نطاق واسع، وقد تستمر لفترات زمنية تتراوح بين جزء من الثانية وأيام أو سنوات .

سنتناول بعض العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعل بالتفصيل في السطور التالية .

الطبيعة الكيميائية للمواد المتفاعلة

معدل التفاعل يعتمد على طبيعة المواد المشاركة، قد يكون للتفاعلات التي تبدو متشابهة معدلات مختلفة في ظل نفس الظروف، اعتمادا على هوية المتفاعلات. فعلى سبيل المثال، عندما تتعرض قطع صغيرة من فلزات الحديد والصوديوم للهواء، يتفاعل الصوديوم تماما مع الهواء طوال الليل، في حين أن الحديد بالكاد يتأثر. تتفاعل المعادن النشطة مثل الكالسيوم والصوديوم مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين وقاعدة، ومع ذلك، يتفاعل الكالسيوم بمعدل معتدل، بينما يتفاعل الصوديوم بسرعة كبيرة بحيث يكون التفاعل شبه متفجر .

حالة التقسيم الفرعي للمتفاعلات

باستثناء المواد الموجودة في الحالة الغازية أو في المحلول، يحدث التفاعل عند الحدود أو السطح البيني بين مرحلتين. ثم، يعتمد معدل التفاعل بين المرحلتين بشكل كبير على التلامس السطحي بينهما. المادة الصلبة المقسمة بدقة تحتوي على مساحة سطح متاحة للتفاعل أكبر من مساحة قطعة واحدة كبيرة من نفس المادة. وبالتالي، يتفاعل السائل بسرعة أكبر مع المادة الصلبة المقسمة بدقة أكثر من تفاعل قطعة كبيرة من نفس المادة الصلبة. على سبيل المثال، تتفاعل قطعة الحديد الكبيرة ببطء مع الأحماض، بينما يتفاعل الحديد المقسم جيدا بسرعة أكبر. تحترق القطع الصغيرة بسرعة، ويحترق غبار المنشار بشكل متفجر .

درجة حرارة المتفاعلات

تحدث التفاعلات الكيميائية عادة بشكل أسرع في درجات حرارة أعلى يمكن أن يفسد الطعام بسرعة عند تركه على طاولة المطبخ ، ومع ذلك، فإن درجة الحرارة المنخفضة داخل الثلاجة تبطئ هذه العملية بحيث يظل الطعام نفسه طازجًا لعدة أيام ، نستخدم موقدًا ، أو طبقًا ساخنًا في المختبر لزيادة سرعة التفاعلات التي تسير ببطء في درجات الحرارة العادية ، في كثير من الحالات ، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية فقط إلى ضعف معدل التفاعل في نظام متجانس .

تراكيز المتفاعلات

معدلات العديد من التفاعلات تعتمد على تركيزات المواد المتفاعلة ، تزداد المعدلات عادة عندما يزداد تركيز مادة ، أو أكثر من المواد المتفاعلة على سبيل المثال ، كربونات الكالسيوم يتدهور نتيجة تفاعله مع ثاني أكسيد الكبريت الملوث ، معدل هذا التفاعل يعتمد على كمية ثاني أكسيد الكبريت في الهواء كأكسيد حمضي، يتحد ثاني أكسيد الكبريت مع بخار الماء في الهواء لإنتاج حامض الكبريتيك في جو ملوث ، حيث يكون تركيز ثاني أكسيد الكبريت مرتفعًا ، تتدهور كربونات الكالسيوم بسرعة أكبر من الهواء الأقل تلوثًا وبالمثل ، فإن الفسفور يحترق بسرعة أكبر في جو من الأكسجين النقي منه في الهواء ، وهو حوالي 20٪ أكسجين فقط .

وجود محفز

عندما يتم سكب رغوة محلول بيروكسيد الهيدروجين على جرح مفتوح، يعمل المواد الموجودة في الأنسجة المكشوفة كمحفزات، مما يزيد من سرعة تحلل بيروكسيد الهيدروجين. ومع ذلك، إذا لم تكن هناك محفزات متوفرة (مثل الحالة عند وجود البيروكسيد في زجاجة في خزانة الأدوية)، فقد يستغرق التحلل الكامل شهورا. يعرف المحفز بأنه المادة التي تزيد من سرعة التفاعل الكيميائي عن طريق تخفيض طاقة التنشيط المطلوبة، دون أن تستهلك ذاتها في الردة الكيميائية. ويعرف طاقة التنشيط بأنها الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لحدوث التفاعل الكيميائي في الاتجاه المطلوب. يزيد المحفز من سرعة التفاعل عن طريق توفير مسار بديل أو آلية لتسهيل سير التفاعل .