حركية كيميائية

نحن نعلم أن صدأ الحديد هو تفاعل كيميائي. لا يحدث ذلك بسرعة. يحدث صدأ الحديد ببطء. ومع ذلك، فإن حرق البنزين هو رد فعل سريع. هل تساءلت يومًا لماذا تحدث بعض ردود الفعل بسرعة بينما يستغرق البعض الآخر ساعات أو أيامًا؟. يمكن العثور على الإجابة في مفهوم معدل التفاعل.

يشير معدل التفاعل إلى السرعة التي يحدث بها التفاعل الكيميائي. يتم قياس معدل التفاعل عادة عن طريق مراقبة التغيرات في تركيز المتفاعلات أو المنتجات بمرور الوقت. كلما كان معدل التفاعل أسرع، كلما كان الوقت المستغرق لحدوث التفاعل أقصر. إذا كان معدل التفاعل أبطأ، فسوف يستغرق التفاعل وقتًا أطول حتى يكتمل.

يمكن التعبير عن معدل التفاعل الكيميائي على أنه التغير في تركيز المادة المشاركة في التفاعل مقسومًا على الفترة الزمنية التي يحدث خلالها التغير في التركيز. تعتمد وحدات معدلات التفاعل على التفاعل المحدد الذي تتم دراسته. في التفاعل الكيميائي، ينخفض تركيز المواد المتفاعلة مع مرور الوقت. يرتفع تركيز المنتجات مع مرور الوقت.

دعونا نفكر في تفاعل كيميائي يتفاعل فيه المتفاعل أ مع المتفاعل ب لتكوين المنتج ج. مع مرور الوقت سوف تنخفض تركيزات المتفاعل A والمتفاعل B. يتم التعبير عن معدل هذا التفاعل المعين من حيث المتفاعل A على النحو التالي: −Δ[A]/Δt. Δيمثل مفهوم التغيير. الإشارة السالبة ترجع إلى حقيقة أن تركيز المواد المتفاعلة يتناقص بمرور الوقت.

يتم التعبير عن المعدل من حيث المتفاعل B على النحو التالي −Δ[B]/Δt. الإشارة السالبة هنا هي بسبب انخفاض تركيز المتفاعل B. يمكن التعبير عن المعدل من حيث المنتج C على النحو التالي: Δ[C]/Δt. لا يوجد علامة سلبية هنا. ويرجع ذلك إلى أن تركيز المنتجات يتزايد مع مرور الوقت.

لحساب معدل التفاعل الكيميائي، يجب عليك تحديد التغير في تركيز المتفاعل أو الناتج خلال فترة زمنية محددة. لنفترض أن التركيز الأولي للمتفاعل يتم التعبير عنه على النحو التالي [A]₁. يتم التعبير عن التركيز النهائي للمتفاعل على النحو التالي [A]₂. وبالتالي فإن التغير في التركيز سيكون مساويًا للتركيز النهائي ناقص التركيز الأولي. يتم التعبير عن الوقت الأولي على النحو التالي t₁. يتم التعبير عن الوقت النهائي على النحو التالي t₂. الفاصل الزمني يساوي الوقت النهائي مطروحًا منه الوقت الأولي.

لحساب معدل التفاعل، أولاً نطرح التركيز النهائي للمتفاعل من التركيز الأولي للمتفاعل للحصول على التغير في تركيز المتفاعل. وبنفس الطريقة، اطرح الوقت النهائي من الوقت الأولي لتحديد الفاصل الزمني. وأخيرا، قسّم التغير في تركيز المادة المتفاعلة على الفترة الزمنية للحصول على معدل التفاعل.

دعونا نفكر في مثال لحساب معدل التفاعل الكيميائي. لنفترض أن لدينا تفاعلًا حيث يكون التركيز الأولي للمتفاعل A هو 0.1M. التركيز النهائي للمتفاعل أ هو 0.05M. الوقت الأولي هو 0 ثانية والوقت النهائي هو 30 ثانية.

أولاً، نحتاج إلى حساب التغير في تركيز المتفاعل A والفترة الزمنية. التغير في تركيز المتفاعل أ هو -0.05M. الفترة الزمنية المحسوبة هي 30 ثانية. الآن سوف نقوم بتقسيم التغير في التركيز على الفترة الزمنية. وأخيرًا يتم حساب معدل التفاعل 0.00167M/s. تشير العلامة السالبة إلى أنه يتم استهلاك المواد المتفاعلة. وهذا يدل على أن 00167Mيتم استهلاك كمية من المتفاعل A كل ثانية أثناء هذا التفاعل.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل الكيميائي. وسنناقش هذه العوامل بشكل مختصر. يلعب تركيز المواد المتفاعلة دورًا مهمًا في تحديد معدل التفاعل. مع زيادة تركيز المواد المتفاعلة، تزداد وتيرة الاصطدامات الناجحة بين الجسيمات. إن العدد الأكبر من الاصطدامات الناجحة بين جزيئات المواد المتفاعلة يعني تحويل المزيد من المواد المتفاعلة إلى منتجات في وقت أقل. وهذا يؤدي إلى معدل أعلى للتفاعل.

تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على معدل التفاعل. عندما ترتفع درجة الحرارة، تزداد أيضًا الطاقة الحركية للجسيمات. ويؤدي هذا إلى حدوث تصادمات أكثر تواترا ونشاطا. إن الاصطدامات الأكثر تكرارًا وطاقة تعني أن المتفاعلات ستتحول إلى منتجات بشكل أسرع. لذلك، فإن درجة الحرارة المرتفعة تؤدي عمومًا إلى معدل تفاعل أعلى.

في التفاعلات التي تتضمن متفاعلات صلبة، تلعب مساحة سطح المادة الصلبة دورًا في معدل التفاعل. من خلال زيادة مساحة سطح المتفاعل الصلب، يتم تعريض المزيد من الجسيمات. يؤدي هذا إلى توفير مساحة أكبر لتصادم جزيئات المواد المتفاعلة من الطور الآخر مثل الغاز أو السائل. تعمل هذه المساحة السطحية المتزايدة على تعزيز فرص الاصطدامات الناجحة وتؤدي إلى معدل رد فعل أعلى.

المحفزات هي مواد تعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية دون أن تستهلك أو تتغير بشكل دائم في العملية. تعمل المحفزات عن طريق توفير مسار تفاعل بديل يتطلب طاقة تنشيط أقل مقارنة بالتفاعل غير المحفز. طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحدوث تفاعل كيميائي. من خلال خفض طاقة التنشيط، تمكن المحفزات جزيئات المتفاعلات من التغلب على حاجز الطاقة بسهولة أكبر والمضي قدمًا في تكوين المنتجات.

المحفزات المتجانسة هي محفزات تكون في نفس الطور مثل المتفاعلات في التفاعل. عادة، يتم استخدام المحفزات المتجانسة في التفاعلات التي تحدث في المحاليل أو الغازات. من الأمثلة على المحفز المتجانس هو استخدام الأحماض أو القواعد في تفاعلات كيميائية معينة. على سبيل المثال، يمكن لحامض الكبريتيك أن يعمل كمحفز في تفاعل الأسترة. في هذا التفاعل يساعد حمض الكبريتيك على تحويل الكحول وحمض الكربوكسيل إلى إستر وماء. حمض الكبريتيك والكحول وحمض الكربوكسيل جميعهم في نفس الطور السائل.

المحفزات غير المتجانسة هي محفزات توجد في طور مختلف عن المتفاعلات. عادةً ما تكون المحفزات غير المتجانسة عبارة عن مواد صلبة تسهل التفاعلات التي تشمل الغازات أو السوائل. من الأمثلة على المحفزات غير المتجانسة البلاتين الذي يستخدم في المحولات الحفازة في السيارات. يحتوي المحول الحفاز على بنية تشبه قرص العسل مطلية بالبلاتين. يساعد محفز البلاتين على تحويل غازات العادم الضارة، مثل أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين، إلى مواد أقل ضرراً مثل ثاني أكسيد الكربون وغاز النيتروجين والماء.