التعليم

بحث عن سرعة التفاعلات الكيميائية

بحث عن سرعة التفاعلات الكيميائية

إن سرعة التفاعلات الكيميائية والتي يُطلق عليها معدل سرعة التفاعل هي السرعة التي من خلالها يتقدم ويجري التفاعل الكيميائي، حيث يتم التعبير عنها في الغالب بأنها تركيز المواد الناتجة أو تركيز المواد المتفاعلة في وحدة الزمن، إذ ينص القانون المتعلق بها على حدوث التغيرات في تركيز المواد المتفاعلة بمرور الوقت فيقل تركيزها في حين أن تركيز المواد الناتجة يزداد مع سير التفاعل، ومن الجدير بالذكر أن سرعة التفاعل تتغير بتغير تركيز المواد المتفاعلة فقط فلا علاقة لها بالمواد الناتجة، وفيما يلي سوف نذكر المزيد من المعلومات عنها.

قانون معدل سرعة التفاعل

يتم التعبير عن قانون سرعة التفاعل الكيميائي والذي يُعرف بكمية المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة في وحدة الزمن كالآتي:

سرعة التفاعل= ثابت التفاعل × تركيز المواد المتفاعلة مرفوعة لقوة رتبة التفاعل، وتكون الرموز الكيميائية للقانون هي ((n)^[B] + (m)^[A]) × r = k حيث تشير إلى:

rمعدل سرعة التفاعل الكيميائي (مول/ لتر.ث)
kثابت سرعة التفاعل الكيميائي (تعتمد وحدة قياسه على وحدة رتبة التفاعل)
الرتبة 0 : مول.(لتر^-1).(ث^-1)
الرتبة 1 : ث^-1
الرتبة 2 : (مول^-1).لتر.(ث^-1)
[A]تركيز المادة المتفاعلة A (مول/ لتر)
[B]تركيز المادة المتفاعلة B (مول/ لتر)
mرتبة المادة المتفاعلة A
nرتبة المادة المتفاعلة B

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل

هناك مجموعة من العوامل تؤثر على معدل التفاعل الكيميائي أي السرعة حيث يؤدي بعدها إلى زيادة هذا المعدل بسبب قيامها بزيادة التصادمات بين الجزيئات، في حين أن البعض الأخرى يقلل منه، فمن أبرز هذه العوامل ما يلي:

تركيز المواد المتفاعلة

  • عندما يزداد تركيز المواد المتفاعلة فإن هذا الأمر يؤدي إلى زيادة التصادمات الفعّالة في وحدة الزمن.
  • حيث يترتب على هذا الأمر زيادة معدل التفاعل.
  • ومن الجدير بالذكر أن ارتباط زيادة تركيز المواد الناتجة يتعلق بانخفاض معدل التفاعل.

وجود المواد المحفزة أو المسرعة

  • تقوم المحفزات أي المواد المسّرعة مثل الإنزيمات بتقليل الطاقة التي تعمل على تنشيط التفاعل الكيميائي وهو ما يعمل على زيادة معدل التفاعل.
  • ويتم هذا الأمر عبر زيادة معدل التصادمات بين المواد المتفاعلة إلى جانب زيادة فعاليتها حيث يؤدي ذلك إلى تقليل الترابط الموجود بين جزيئات المواد المتفاعلة أو ربما يمنحها كثافة إلكترونية لكي يبلغ التفاعل مرحلة الاتزان بسرعة كبيرة.
  • ويُجدر بالإشارة إلى أن معدل التفاعل يتغير في هذه الحالة أي يقل بسبب العوامل الكيميائية الأخرى مثل:
    • درجة حموضة المحاليل الكيميائية.
    • الجزيئات الكيميائية المتنافسة مع المواد المتفاعلة.
    • تغير الاتجاه.
    • الكثافة الإلكترونية.
    • الترابط.

المزج

  • عند مزج المواد المتفاعلة سويًا فإن معدل التفاعل الكيميائي يزداد.
  • وذلك لأن المزج يعمل على زيادة قدرة هذه المواد على التفاعل.

الضغط

  • يتم تحسين احتمالية تفاعل المواد المتفاعلة سويًا عند زيادة الضغط في التفاعل وهو ما يؤدي إلى زيادة معدل التفاعل.
  • فإن عامل الضغط يعد من أهم العوامل في التفاعلات التي يوجد به غازات على عكس تفاعلات المواد السائلة والصلبة إذ لا يعد حينها هامًا.

درجة الحرارة

  • يؤدي ارتفاع درجة الحرارة في الغالب إلى زيادة معدل التفاعل.
  • وذلك لأن ارتفاع الحرارة يعمل على زيادة معدل الطاقة الحركية لجزئيات المادة وهو ما يساهم في زيادة التصادمات بينها في وحدة الزمن.
  • كما أن معدل التفاعل لبعض التفاعلات الكيميائية وليس كلها يتضاعف بسهولة عند زيادة درجة الحرارة بنحو 10 درجات مئوية علمًا بأنه يعود إلى التباطؤ عند بلوغ درجة الحرارة لدرجة معينة.

طبيعة وسط التفاعل

  • يلعب وسط التفاعل دورًا كبيرًا في التأثير على معدل التفاعل الكيميائي.
  • حيث إن معدل التفاعل الكيميائي يختلف إذا كان الوسط صلبًا أو سائلًا أو مائيًا أو غازيًا أو قطبيًا أو غير قطبي أو عضويًا.
  • كما أنه يتأثر أيضًا بكل من حجم وشكل المواد المتفاعلة لا سيما إن كانت صلبة.
  • فضلًا عن ذلك فهو يتأثر بمساحة السطح بالنسبة لكل من المواد الصلبة والمواد السائلة.

أمثلة على قانون سرعة التفاعل

تتمثل الخطوات التي تساعد على حساب سرعة التفاعل فيما يلي:

حساب رتبة التفاعل

  • يتم منح بيانات التفاعل لعدة تجارب، ففي حالة إن كان هناك مادتين متفاعلتين فإنه يتم اختبار التجربتين اللتين يحدث خلالهما تغيرًا في التركيز الأولي للمادة الأولى، في حين أن التركيز الأولى يبقي ثابتًا للمادة الثانية حتى يُلغى تركيز المادة الثانية وبالتالي يتم إيجاد تركيز المادة الأولى.
  • ويحدث ذلك من خلال قسمة سرعة تفاعل التجربة الأولى على سرعة التفاعل لدى التجربة الثانية وفقًا للمعادلة:
    • ((y)^[A] × (x)^[B] × r1 = K) ÷ ((y)^[A] × (x)^[B] × r2 = K)
  • ففي حالة إن كانت القيمة ثابتة في التجربتين لتركيز المادة A فهنا يتم إلغاء قيمة تركيزها ثم يتم إيجاد قيمة الرتبة x والمعبرة عن رتبة المادة B.
  • علمًا بأنه إن كان هناك رغبة لإيجاد رتبة المادة A أي الرتبة y، فإنه ينبغي اختيار تجربتين يكون فيهما تركيز المادة B ثاتبًا.

حساب الرتبة الكلية للتفاعل

  • يتم حساب الرتبة الكلية من خلال إيجاد مجموع رتب المواد المتفاعلة.
  • الرتبة الكلية = x + y.

حساب قيمة ثابت التفاعل

  • يُحتسب قيمة ثابت التفاعل عقب إيجاد قيم رتب جميع المواد المتفاعلة وفي حالة إن كانت قيمة سرعة التفاعل معرفة.
  • حيث يكون قانون حساب قيمة ثابت التفاعل:
    • (y)^[A] × (x)^[B] × r= K.
  • علمًا بأنه ينبغي ترتيب المعادلة لتسهيل حلها إلى (y)^[A] × (x)^[B] × K = r.

حساب سرعة التفاعل

  • عقب إيجاد ثابت التفاعل ورتب المواد المتفاعلة بالكامل فإنه يكمن تطبيق قانون سرعة التفاعل بسهولة وإيجاد قيمته.

أمثلة على قانون سرعة التفاعل

حتى يتم معرفة كيفية تطبيق قانون سرعة التفاعل لإيجاد معدل التفاعل فإننا فيما يلي سوف نشير إلى مجموعة من الأمثلة البسيطة:

حساب رتبة التفاعل الكلية

في الجدول الآتي 3 تجارب تم إجرائهم على تفاعل ما، فما هي الرتبة الكلية للتفاعل الكيميائي الذي حدث؟

رقم التجربةتركيز المادة A (مول/ لتر)تركيز المادة B (مول/ لتر)سرعة التفاعل (مول/ لتر.ث)
10.30.31.4×10^3-
20.60.32.8×10^3-
30.30.62.8×10^3-
  • حتى يتم إيجاد رتبة المادة A فإننا سوف نقوم بقسمة سرعة التفاعل في التجربة الأولى والثانية، وذلك لكون تركيز المادة B فيهما ثابتًا، حيث يتم تطبيق القانون الآتي:
    • ((y)^[A] × (x)^[B] × r1 = K) ÷ ((y)^[A] × (x)^[B] × r2 = K)
    • (y)^[0.3] × (x)^[0.3] × 1.4×10^3- = K ÷ (y)^[0.6] × (x)^[0.3] × 2.8×10^3- = K
    • حيث إن y^0.5 = 0.5، أي أن y=1 ، فهنا تكون رتبة تفاعل المادة (A) = 1.
  • أما لتحديد رتبة تفاعل المادة B فسوف نقوم بقيمة سرعة تفاعل التجربة الأولى مع الثالثة لأن تركيز المادة A فيهما ثابتًا كالآتي:
    • ((y)^[A] × (x)^[B] × r1 = K) ÷ ((y)^[A] × (x)^[B] × r2 = K)
    • (y)^[0.3] × (x)^[0.3] × 1.4×10^3- = K ÷ (y)^[0.3] × (x)^[0.6] × 2.8×10^3- = K
    • حيث إن x^0.5 = 0.5، أي أن x=1، فهنا تكون رتبة تفاعل المادة (B) = 1.
  • إذ تكون الرتبة الكلية للتفاعل = y + x أي تساوي 2.

حساب سرعة التفاعل

في حالة إن كانت قيمة ثابت سرعة التفاعل = 1.5 × 10^4- ث^1- ، وكان تركيز المادة A يساوي 0.1 مول/ لتر فما هي سرعة التفاعل؟

  • يتبين من السؤال أن وحدة ثابت التفاعل = ث^1- ، وتركيز المادة A = 0.1.
  • حيث ينبغي كتابة المعطيات كالآتي:
    • (K)= 1.5 × 10^4- ث^1.
    • [A]= 0.1 مول/ لتر.
    • (y)= 1.
  • ثم كتابة قانون سرعة التفاعل ولكن لمادة واحدة (m)^[A]) × r = k.
  • وبالتعويض في القانون:
    • (1)^[0.1] × -r= 1.5 × 10^4
    • -r = 0.15 × 10^4
  • أي أن سرعة التفاعل للمادة (A) = 0.15 × 10^4- مول/ لتر.ث.

حساب ثابت التفاعل

أوجد سرعة ثابت سرعة التفاعل وكذلك الوحدة إن كانت سرعة التفاعل = 1.2 × 10^3- مول/لتر.ث، في حين أن تركيز المادة (A) = 0.01 مول/ لتر، وتركيز المادة (B) = 0.01 مول/لتر، ورتبة تفاعل المادة (A) = 1، بينما رتبة تفاعل المادة (B) = 2.

  • يتم تطبيق قانون ثابت التفاعل وهو (y)^[A] × (x)^[B] × K = r.
    • ((1)^[0.01] × (2)^[0.01]) / -K = 1.2×10^3.
    • K = 1.2×10^3.
  • حيث إن ثابت سرعة التفاعل = 1.2×10^3.
  • ويتم حساب رتبة التفاعل كالآتي:
    • الرتبة الكلية = x + y
    • الرتبة الكلية = 1 + 2 = 3.
  • وبتطبيق قانون الوحدة : (وحدة التركيز)^(1-س) × وحدة الزمن^1- علمًا س = 3.
    • القانون: (مول/لتر)^(1-3) × ث^1- = لتر²/مول².ث.
  • أي أن الوحدة = لتر²/مول².ث.

الاتزان الكيميائي

الاتزان الكيميائي هو عبارة عن حالة ديناميكية تحدث عندما يتساوى معدل التفاعل العكسي مع معدل التفاعل الأمامي، حيث يترتب على ذلك الأمر عدم التغيير في تراكيز المواد المتفاعلة ولا حتى الناتجة، فمن خصائص النظام الكيميائي عند الوصول إلى حالة الاتزان ما يلي:

  • يكون النظام الكيميائي مغلقًا أي لا يسمح بخروج أو دخول المواد منه وإليه.
  • يحدث التوازن بين التفاعل الأمامي والعكسي.
  • ليس من اللازم أن تكون كمية المواد المتفاعلة مساوية لكمية المواد الناتجة حيث تصبح الكميات ثابتة بعد تحقيق التوازن بصفة عامة.
زر الذهاب إلى الأعلى