فيديو الدرس: العوامل المؤثرة على معدل التفاعل الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نستخدم نظرية التصادم لفهم كيف تؤثر بعض العوامل على معدل التفاعل أو سرعته. وعلى وجه التحديد، سندرس كيف يتأثر معدل التفاعل بتغير التركيز أو الضغط أو مساحة السطح. لنبدأ بتذكر ما تنص عليه نظرية التصادم بإيجاز.

غالبًا ما يفهم معدل التفاعل الكيميائي بالاستعانة بنظرية التصادم. تنص نظرية التصادم على أن الجسيمات المتفاعلة، سواء أكانت ذرات أو جزيئات أو أيونات، تحتاج إلى التصادم أولًا بعضها ببعض لكي تتفاعل، علمًا بأنه لا تسفر جميع التصادمات عن تفاعل. ثانيًا، يلزم توفر حد أدنى من الطاقة عند التصادم كي تتفاعل الجسيمات بعضها مع بعض. ويسمى هذا الحد الأدنى من الطاقة بطاقة التنشيط. وثالثًا، يجب توجيه الجسيمات أو وضعها بطريقة مناسبة تحفز التفاعل.

في الأشكال الثلاثة الموضحة، تتصادم جميع الجسيمات بعضها ببعض. في الشكل الأول، الجسيمات موجهة بصورة صحيحة، ولكنها ليست كذلك في الشكلين الثاني والثالث. إذا لم تتصادم الجسيمات الموجودة في الشكل بقدر كاف من الطاقة، فلن تتفاعل. وفي حالة حدوث تصادم باستخدام الحد الأدنى من الطاقة اللازمة، أو طاقة التنشيط، فستنكسر الروابط وتتكون روابط جديدة. نسمي هذا تصادمًا فعالًا. والتصادم الفعال هو تصادم ينتج عنه تفاعل لأنه استوفى جميع الشروط الثلاثة للتفاعل. والآن بعد أن تذكرنا نظرية التصادم، فلنلق نظرة على العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل الكيميائي.

توجد خمسة عوامل أساسية تؤثر على معدل التفاعل أو سرعته، وهي: درجة حرارة الأنواع المتفاعلة، وتركيز المتفاعلات الذي نستخدمه عادة مع المتفاعلات التي يتفاعل بعضها مع بعض في محلول ما، وضغط المتفاعلات الذي عادة ما نتحدث عنه عندما تتفاعل الغازات معًا، ومساحة السطح التي نتحدث عنها عندما يكون أحد المتفاعلات في الحالة الصلبة، والعوامل الحفازة. تجدر هنا الإشارة إلى أن معدل التفاعل أو سرعته تعتمد على تردد التصادمات.

تردد التصادمات يختلف عن عدد التصادمات. تردد التصادمات هو عدد التصادمات لكل وحدة زمن، أو لكل ثانية كما نشير إليه عادة. إذن، عندما نتحدث عن عوامل تؤدي إلى زيادة معدل التفاعل أو تقليله، فإننا نتحدث عن تأثر تردد التصادمات، وليس تأثر عدد التصادمات. في هذا الفيديو، سنركز على الكيفية التي يؤثر بها التركيز، والضغط، ومساحة السطح على تردد التصادمات، ومن ثم على معدل التفاعل. وقبل أن نتعمق في هذا الموضوع، دعونا نذكر سريعًا كيف تؤثر درجة الحرارة والعوامل الحفازة على معدل التفاعل.

فيما يخص درجة الحرارة، تتناسب درجة الحرارة طرديًّا مع الطاقة الحركية. فكلما ارتفعت درجة حرارة الجسيمات المتفاعلة، زادت الطاقة الحركية التي تكتسبها، وزادت سرعة تحركها، وزادت قوة التصادمات. سيؤدي ذلك إلى زيادة تردد التصادمات؛ ما يزيد بدوره من عدد التصادمات الفعالة الذي يزيد معدل التفاعل أو يجعل التفاعل يحدث بسرعة أكبر. لنلق نظرة على العوامل الحفازة بإيجاز. يؤدي وجود عامل حفاز مناسب إلى خفض طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل؛ ومن ثم فهو يساعد في زيادة عدد التصادمات الفعالة، وبالتالي يزيد من سرعة التفاعل.

استعرضنا بإيجاز شديد درجة الحرارة والعامل الحفاز، ولكن دعونا نركز على الموضوع الرئيس لهذا الدرس وهو: التركيز، والضغط، ومساحة السطح.

سنبدأ بالتركيز. يؤثر تغيير تركيز المتفاعلات على سرعة حدوث التفاعل. ويمكننا تعريف التركيز بعدة طرق. فهو كمية المادة، التي يشار إليها عادة بالمذاب، في مقدار محدد من المذيب، أو المحلول، أو الفراغ. لنستعرض تركيزًا منخفضًا وتركيزًا مرتفعًا لجسيمات مذاب في سائل. عندما نتطرق إلى مسألة الضغط، سنتناول مقدار المادة في حيز محدد، وهنا سنستعرض المحاليل فقط.

لقد بسطنا تعريف التركيز. في حالة التركيز المنخفض، تكون هناك كمية صغيرة من المذاب بالنسبة إلى الحجم الكلي للمذيب أو المحلول. في حالة التركيز المرتفع، تكون هناك كمية كبيرة من المذاب بالنسبة إلى الحجم الكلي للمذيب أو المحلول. تتحرك الجسيمات في المحلول بشكل عشوائي دائمًا. وبالنسبة إلى المحلول المنخفض التركيز، يكون هناك تصادمات ذات تردد منخفض. وسيسفر عدد قليل فقط من هذه التصادمات عن حدوث تصادم فعال ليتكون الناتج. لقد رسمنا الناتج هنا في صورة كرات ملونة بالكامل كي نميزه بسهولة. نلاحظ أن تردد التصادمات الفعالة في محلول منخفض التركيز يكون منخفضًا. وهذا يجعل معدل التفاعل بطيئًا.

لكن في المحلول المرتفع التركيز، ونظرًا لوجود عدد أكبر من الجسيمات في المحلول، فإنها تكون أقرب بعضها إلى بعض ويكون احتمال تصادمها أعلى أثناء تحركها عشوائيًّا. ويوجد تردد تصادم أعلى نسبيًّا. بعض هذه التصادمات سيكون فعالًا؛ ومن ثم سيكون هناك تردد تصادم فعال أعلى نسبيًّا. ويؤدي هذا إلى معدل تفاعل أعلى نسبيًّا. ويمكننا تلخيص كل ذلك بأن نقول إن «زيادة تركيز المواد المتفاعلة في المحلول تؤدي إلى زيادة معدل التفاعل».

والآن، لنلق نظرة على الكيفية التي يؤثر بها تغير الضغط على معدل التفاعل. عندما نتحدث عن الضغط في معدلات التفاعل، فإننا نشير عادة إلى جسيمات الغاز تحديدًا. التعريف الصحيح للضغط يرتبط بالقوة التي تبذلها الغازات على سطح ما لكل وحدة مساحة. ولكن يمكننا التفكير فيه باعتباره مشابهًا للتركيز، أي مقدار جسيمات الغاز في حيز معين. إذا وضعنا العدد نفسه من جسيمات الغازات المتفاعلة في وعائين مختلفي الحجم، أحدهما كبير الحجم والآخر أصغر حجمًا، فسيكون ضغط جسيمات الغاز في الوعاء الكبير منخفضًا. وسيكون ضغط جسيمات الغاز في الوعاء الأصغر حجمًا أعلى نسبيًّا.

مرة أخرى، السبب في ذلك هو وجود كمية متساوية من جسيمات الغاز في كل وعاء، ولكن حجم الوعائين مختلف. في الشكل الأول، كثافة جسيمات الغاز أقل. وتتوفر مساحة أكبر للحركة. وفي الشكل الثاني، جسيمات الغاز أكثر كثافة وتتوفر مساحة أقل للحركة. تتحرك الجسيمات عشوائيًّا باستمرار، وسيتصادم بعضها ببعض. في النظام المنخفض الضغط، سيكون تردد التصادم منخفضًا وسيتصادم بعض هذه الجسيمات فقط تصادمًا فعالًا، كما هو موضح بالدوائر الملونة. بعبارة أخرى، الضغط المنخفض ينتج عنه معدل تفاعل بطيء.

بالنسبة إلى الوعاء صغير الحجم الذي يحتوي على نفس القدر من الجسيمات، سيكون تردد التصادم أعلى نسبيًّا. تزيد احتمالية تصادم الجسيمات بعضها ببعض بسبب صغر حجم الحيز الذي يمكنها التحرك فيه. بعض هذه التصادمات سينتج عنها تصادمات فعالة. وعند هذا الضغط المرتفع، يوجد تردد أعلى نسبيًّا للتصادم الفعال؛ ما يعني معدل تفاعل أسرع أو أعلى. كي نلخص كل هذا نقول إنه كلما زاد الضغط، زادت سرعة حدوث التفاعل. إذا اعتبرنا أن الجسم المظلل باللون الأسود أعلى الشكل هو مكبس ودفعناه لأسفل ليصبح الحجم صغيرًا في الشكل الثاني، فسيزداد الضغط. هذا الفعل المحدد المتمثل في زيادة الضغط سيزيد من سرعة حدوث التفاعل.

ثمة مثال محدد لحالة واقعية يكون فيها الضغط المرتفع للغازات غير مرغوب فيه، بل وخطيرًا أيضًا، وهو في مجال التعدين. فعندما يصل مستوى غاز الميثان أو ضغط الميثان في المناجم إلى مستوى معين، فقد يشتعل إذا كان هناك مصدر للحرارة، أو يؤدي إلى حدوث انفجار. وهذا يشكل خطرًا حقيقيًّا على عمال المناجم. لذا يجب مراقبة ضغط غاز الميثان، أو ما يمكننا تسميته بتركيز الميثان، بعناية للتأكد من سلامة العمال. نعلم الآن كيف يؤثر تغير التركيز أو تغير الضغط على معدل التفاعل. ماذا عن تغير مساحة سطح متفاعل صلب؟

هل تساءلت يومًا عن السبب الذي يجعل الحطب يشتعل أسرع بكثير من قطع الأخشاب الكبيرة؟ إلى جانب الجفاف والزيوت القابلة للاشتعال في الحطب مقارنة بالخشب، الإجابة هي مساحة السطح. فالحطب له مساحة سطح كبيرة معرضة للأكسجين الجوي؛ ما يعني أنه سيحترق بسرعة أكبر من قطعة الخشب لأنه يتفاعل مع الأكسجين في الهواء. يمكن تعريف مساحة السطح على أنها المساحة الكلية لجميع أسطح المادة الصلبة. للتبسيط، في حالة المكعب، تساوي مساحة سطحه العدد ستة مضروبًا في الطول في العرض لكل ضلع. نستخدم العدد ستة لأن هناك ستة أضلاع في المكعب. لنتخيل إذن أن هذا المكعب قطعة معدنية تتفاعل مع الأكسجين في الهواء. ولنفترض أن الطول أربع وحدات، والعرض أربع وحدات لأن هذا مكعب.

سنحصل إذن على ستة مضروبًا في أربعة في أربعة؛ ما يعطينا مساحة سطح كلية لهذا المكعب تساوي 96 وحدة مربعة. تخيل بعد ذلك أننا قطعنا هذه القطعة المعدنية إلى أجزاء أصغر، كما هو موضح في الشكل. سنحصل في النهاية على أربعة مكعبات صغيرة في الجزء العلوي وأربعة مكعبات صغيرة في الجزء السفلي. طول وعرض كل ضلع من المكعبات الصغيرة يساوي وحدتين. بعد ذلك، إذا حسبنا مساحة السطح الكلية لجميع المكعبات الأصغر الثمانية، فسنحصل على ثمانية؛ لأن هناك ثمانية مكعبات، مضروبًا في ستة، وهو عدد الأضلاع الستة في كل مكعب، مضروبًا في اثنين في اثنين بين قوسين، وهما طول أضلاع كل مكعب وعرضها؛ ما يعطينا مساحة سطح كلية تساوي 192 وحدة مربعة للمكعبات الثمانية كلها.

وهكذا أدى تقطيع المكعب المعدني إلى قطع أصغر إلى زيادة مساحة السطح زيادة كبيرة. بعبارة أخرى، الأجزاء الصغيرة التي لها الحجم نفسه تنتج عنها مساحة سطح أكبر. دعونا نتأكد من أن الحجم الكلي للمكعب الكبير والمكعبات الصغيرة متساو. يمكننا حساب حجم المكعب الكبير من خلال ضرب الطول في العرض في الارتفاع، وسنفعل الشيء نفسه مع المكعبات الأصغر، ولكن هذه المرة سنضرب في ثمانية نظرًا لوجود ثمانية مكعبات صغيرة إجمالًا. بالنسبة إلى المكعب الكبير، نضرب أربعة في أربعة في أربعة، وبالنسبة للمكعبات الصغيرة، نضرب اثنين في اثنين في اثنين في ثمانية. وسنحصل على الحجم الكلي نفسه عند إجراء العمليتين الحسابيتين. وهذا منطقي. فنحن لم نفقد أي جزء من المعدن الأصلي ولم نضف إليه. وإنما قسمنا القطعة الكبيرة إلى أجزاء أصغر فحسب.

لذا يمكننا تعديل ما كتب هنا لنقول إن الأجزاء الأصغر التي لها الحجم الكلي نفسه تعطي مساحة سطح أكبر. لكن كيف يؤثر هذا كله على معدل التفاعل؟ إذا أخذنا القطعة المعدنية نفسها مرة أخرى، وقطعناها إلى نصفين وفتحناها، وتجاهلنا النصف الأمامي وألقينا نظرة أقرب على النصف الخلفي، فسنتمكن من التمييز بين جسيمات السطح ذات اللون البرتقالي والجسيمات الداخلية ذات اللون الأزرق. جميع جسيمات السطح متاحة ومعرضة للتفاعل بسرعة وسهولة مع الجسيمات الأخرى التي تتلامس معها، على سبيل المثال، تتفاعل جزيئات الأكسجين في الهواء مع جسيمات سطح المعدن.

لن تتمكن الجسيمات الداخلية من التفاعل لفترة مؤقتة بينما ما تزال مغطاة بجسيمات السطح. ومن ثم، يعتمد معدل التفاعل بشكل أساسي على هذه الجسيمات المعرضة للتفاعل والمتاحة له. لذا فمن المنطقي أن الأجزاء الأصغر من المادة تعطي مساحة سطح أكبر؛ ومن ثم يكون المزيد من جسيمات السطح معرضًا للتفاعل مع متفاعل آخر. وهذا بدوره يعطي معدل تفاعل أسرع. لتلخيص كل ذلك نقول إن زيادة مساحة سطح مادة صلبة من خلال تكسيرها أو تقطيعها إلى أجزاء أصغر تزيد من معدل التفاعل. في الحياة الواقعية، لا توجد جميع المتفاعلات الصلبة في صورة مكعبات مرتبة أو قد لا يمكن تقسيمها إلى مكعبات منظمة كما هو الحال مع المعادن.

على سبيل المثال، عند تخزين الكبريت في وعاء، عادة ما يكون كتلًا كبيرة. هذه الكتل الكبيرة لها مساحة سطح منخفضة. ومن خلال طحن الكتل باستخدام هاون ومدقة، تتحول المادة الصلبة إلى مسحوق. قطع المسحوق الصغيرة للغاية لها مساحة سطح كلية كبيرة؛ ما يعد مثاليًّا لحدوث تفاعل سريع. يجدر بنا ذكر أن تغيير مساحة السطح لمركب متكتل لا يؤثر على الطاقة التي يحدث بها التفاعل، وإنما معدل حدوثه فقط.

من الأمثلة الواقعية على أحد الأخطار المحتملة لمادة ذات مساحة سطح مرتفعة جدًّا المساحيق الدقيقة المنقولة في الهواء والتي تنطلق من مطاحن الدقيق. هذه الجسيمات صغيرة جدًّا ولها مساحة سطح كبيرة للغاية. إذا تعرضت هذه الجسيمات لدرجة حرارة مرتفعة أو زودت بشحنات كهروستاتيكية، فقد تتعرض لتفاعل سريع مع الأكسجين في الهواء. وقد تشتعل، بل وتتسبب في حدوث انفجارات.

لنلخص الآن كل ما تعلمناه. علمنا أن العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل أو سرعته تشمل درجة الحرارة، والتركيز، والضغط، ومساحة السطح، والعوامل الحفازة. على وجه التحديد، تناولنا التركيز والضغط ومساحة السطح بشيء من التفصيل.

رأينا أن زيادة تركيز مادة مذابة في محلول أو زيادة ضغط الغازات في وعاء أو زيادة مساحة سطح مادة متفاعلة صلبة بتقسيمها إلى أجزاء أصغر، تزيد من تردد التصادمات، أي عدد الجسيمات المتفاعلة التي يتصادم بعضها ببعض في الثانية الواحدة؛ ما يزيد بدوره من تردد التصادمات الفعالة، أي عدد التصادمات الناجحة التي ينتج عنها تفاعل في الثانية. وهذا يؤدي إلى زيادة معدل التفاعل، أي زيادة سرعته.

وبالمثل، يؤدي انخفاض التركيز أو الضغط أو مساحة السطح إلى انخفاض معدل التفاعل أو سرعته.