حركية كيميائية

نحن نعلم أن معدل التفاعل يعتمد على تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة. ولكن لماذا يؤثر التغير في التركيز ودرجة الحرارة على معدل التفاعل؟. للإجابة على هذا السؤال، دعونا نفهم نظرية الاصطدام. تنص نظرية التصادم على أنه لكي يحدث تفاعل يجب أن تصطدم الجسيمات المتفاعلة مع بعضها البعض. يجب أن تتصادم الجسيمات في الاتجاه الصحيح. يؤدي هذا التصادم إلى تكوين المنتجات.

في سياق نظرية الاصطدام، تمثل الجسيمات الذرات أو الجزيئات أو الأيونات التي تشارك في تفاعل كيميائي. تظل هذه الجسيمات في حركة دائمة بسبب طاقتها الحركية. وعندما تتحرك، فإنها تمتلك القدرة على الاصطدام بجسيمات أخرى موجودة في خليط التفاعل. تؤكد نظرية الاصطدام أن الاصطدامات بين هذه الجسيمات ضرورية لحدوث التفاعل.

ومع ذلك، ليس كل التصادمات تؤدي إلى رد فعل. يجب أن يستوفي الاصطدام شرطين حاسمين. هذه الظروف توفر الطاقة الكافية والتوجيه السليم. يجب أن تمتلك الجسيمات المتصادمة طاقة حركية كافية للتغلب على حاجز طاقة التنشيط. تشير طاقة التنشيط إلى الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحدوث التفاعل. إنه بمثابة نوع من العوائق التي يجب على الجسيمات التغلب عليها لبدء التفاعل.

عندما تكون طاقة الجسيمات المتصادمة أقل من القيمة التي تشير إليها عتبة طاقة التنشيط، فإن الجسيمات غير قادرة على تعطيل الروابط الموجودة في جزيئات المتفاعلة. وبدلاً من ذلك، ترتد الجسيمات ببساطة عن بعضها البعض بسبب القوى المتنافرة بينها. ويعتبر هذا النوع من الاصطدام غير فعال في بدء التفاعل. وذلك لأن الطاقة اللازمة لكسر الروابط المتفاعلة وبدء تكوين روابط جديدة لم يتم الوصول إليها.

عندما تصطدم الجسيمات بطاقة أكبر من أو تساوي طاقة التنشيط، يمكن كسر الروابط المتفاعلة. ويؤدي هذا إلى تكوين روابط جديدة وتوليد المنتجات. يُطلق على مثل هذا الاصطدام اسم الاصطدام الفعال.

لكي يحدث تفاعل كيميائي، يجب على الجسيمات المتفاعلة ليس فقط أن تصطدم بطاقة كافية ولكن أيضًا في الاتجاه المكاني الصحيح. يعد هذا التوجيه الصحيح ضروريًا لحدوث عمليات إعادة الترتيب الذرية أو الجزيئية اللازمة. أثناء الاصطدام بين جسيمات المواد المتفاعلة، تنتقل الطاقة من جسيم إلى آخر. يمكن أن يؤدي نقل الطاقة هذا إلى كسر وتكوين روابط لإنشاء المنتجات المطلوبة. ومع ذلك، لكي تحدث هذه العمليات بنجاح، يجب أن يكون للجسيمات المتفاعلة محاذاة مناسبة.

إذا اصطدمت الجسيمات في اتجاه غير صحيح، فإن إعادة ترتيب الذرات أو الجزيئات اللازمة لا يمكن أن تحدث بكفاءة. قد لا يتم استغلال الطاقة المنقولة أثناء الاصطدام بشكل فعال لكسر الروابط المتفاعلة وتشكيل روابط جديدة. ونتيجة لذلك، يتم إعاقة رد الفعل. يصبح تشكيل المنتجات أقل احتمالا.

يشير تردد الاصطدام إلى عدد الاصطدامات التي تحدث لكل وحدة زمنية في التفاعل الكيميائي. معدل الاصطدام يتناسب طرديا مع معدل رد الفعل. إن ارتفاع معدل الاصطدام يعني معدل رد فعل أسرع. إذا كان معدل الاصطدام صغيرًا، فسيكون معدل رد الفعل بطيئًا.

يعتمد تردد الاصطدام على تركيز الجسيمات المتفاعلة. إن التركيز الأعلى لجزيئات المواد المتفاعلة يعني وجود عدد أكبر من الجزيئات لكل وحدة حجم متاحة للتصادمات. ونتيجة لذلك، ترتفع فرص الاصطدامات. وهذا يؤدي إلى ارتفاع معدل الاصطدام.

تؤثر أيضًا السرعات المتوسطة للجسيمات المتفاعلة على تردد الاصطدام. مع ارتفاع السرعات المتوسطة للجسيمات، ترتفع أيضًا فرص اصطدامها بجسيمات أخرى. ويؤدي هذا إلى زيادة معدل الاصطدام. علاوة على ذلك، فإن سرعة الجسيم ترتبط ارتباطًا مباشرًا بطاقته الحركية. الطاقة الحركية هي مقياس لطاقة حركة الجسيم. لذلك فإن الجسيم ذو السرعة العالية سيكون له طاقة حركية عالية. وهذا يعني أن الجسيم يمكنه التغلب على طاقة التنشيط لتحقيق تصادم ناجح.

قانون المعدل هو معادلة رياضية تصف العلاقة بين معدل التفاعل الكيميائي وتركيزات المواد المتفاعلة فيه. إنه يمثل كيفية تأثير تركيزات المواد المتفاعلة على معدل تكوين المنتجات أو استهلاك المواد المتفاعلة. فكر في التفاعل الذي لدينا فيه المتفاعل A والمتفاعل B. تتفاعل هذه المتفاعلات لتكوين المنتج المتفاعل C. يتم توضيح الشكل العام لمعادلة قانون المعدل.

في المعادلة المعطاة، يمثل المعدل معدل التفاعل، وهو التغير في تركيز المتفاعل أو الناتج لكل وحدة زمنية. يمثل الحرف A الموجود بين قوسين مربعين تركيز المادة المتفاعلة A. يمثل الحرف B الموجود بين قوسين مربعين تركيز المادة المتفاعلة B. يُسمى الرمز K ثابت المعدل. إنه ثابت التناسب الذي يعتمد على عوامل مثل درجة الحرارة، والمحفزات، وآلية التفاعل. فهو مستقل عن تركيزات المواد المتفاعلة.

تمثل الأسس x وy في معادلة قانون المعدل أوامر التفاعل بالنسبة للمتفاعل A والمتفاعل B، على التوالي. يشير ترتيب التفاعل إلى حساسية معدل التفاعل للتغيرات في تركيز متفاعل معين. يمكن أن يكون 0، موجبًا، سالبًا وربما كسريًا. إذا كان ترتيب التفاعل للمتفاعل يساوي 0 فإن المتفاعل يسمى متفاعل من الدرجة صفر. وهذا يعني أن تركيز هذا المتفاعل لا يؤثر على سرعة التفاعل. المعدل لا يعتمد على تركيز المتفاعل المعين. يتم توضيح معادلة قانون المعدل للمتفاعل من الدرجة صفر.

إذا كان ترتيب التفاعل للمتفاعل يساوي واحدًا، فإن المتفاعل يسمى متفاعلًا من الدرجة الأولى. يشير إلى أن معدل التفاعل يتناسب طرديًا مع تركيز ذلك المتفاعل. إن مضاعفة تركيز المواد المتفاعلة من الدرجة الأولى يؤدي إلى مضاعفة معدل التفاعل. يتم توضيح معادلة قانون المعدل للمتفاعل من الدرجة الأولى.

إذا كان ترتيب التفاعل للمتفاعل هو اثنين، فإن المتفاعل يسمى متفاعل من الدرجة الثانية. ويشير إلى أن معدل التفاعل يتناسب مع مربع تركيز ذلك المتفاعل. إن مضاعفة تركيز المواد المتفاعلة من الدرجة الثانية سيؤدي إلى زيادة معدل التفاعل بمقدار أربعة أضعاف. يتم توضيح معادلة قانون المعدل للمتفاعل من الدرجة الثانية.