العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي

2-2

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي

Factors Affecting Reaction Rates

الأهداف

• تحدد العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل.
• تفسر دور العوامل المحفزة.

مراجعة المفردات

التركيز: طريقة كمية لقياس كمية المذاب في كمية محددة من المذيب أو المحلول.

المفردات الجديدة

• المحفزات
• المثبطات

الفكرة الرئيسية

تؤثر عوامل كثيرة في سرعة التفاعل الكيميائي، منها: طبيعة المواد المتفاعلة، والتركيز، ودرجة الحرارة، ومساحة السطح، والمحفزات.

الربط مع الحياة

ترى، ما سرعة انتشار النار في غابة إذا كانت أشجارها متباعدة بعضها عن بعض، أو كان الخشب رطبًا؟ وبشكل مماثل، تعتمد سرعة التفاعل الكيميائي على عدة عوامل، منها تركيز المواد المتفاعلة، وخواصها الفيزيائية.

طبيعة المواد المتفاعلة

The Nature of Reactants

تتفاعل بعض المواد أسرع من غيرها. فمثلًا يتشابه فلزا النحاس والخارصين (الزنك) في خواصهما الفيزيائية؛ بسبب قرب موقعيهما في الجدول الدوري، ومع ذلك فهما يتفاعلان بسرعات مختلفة عند وضع كل منهما في كأس تحتوي على محلول نترات الفضة بالتركيز نفسه. فعند وضع شريط من النحاس في محلول نترات الفضة تركيزه 0.05 M كما في الشكل 2-7a، يتفاعل النحاس مع نترات الفضة ليكوّن فلز الفضة ومحلول نترات النحاس II. وعند وضع شريط من الخارصين في محلول نترات الفضة تركيزه 0.05 M كما في الشكل 2-7b، يتفاعل الخارصين مع محلول نترات الفضة ليكوّن فلز الفضة ومحلول نترات الخارصين. يمكنك ملاحظة التشابه في التفاعلين، ولكن عند مقارنة كمية الفضة المتكوّنة في كلتا الحالتين كما هو موضح في الشكل 2-7، يظهر أن كمية الفضة المتكوّنة من تفاعل الخارصين مع نترات الفضة أكبر من الكمية الناتجة عن تفاعل النحاس مع الكمية نفسها من نترات الفضة. كما أن تفاعل الخارصين مع نترات الفضة يحدث أسرع؛ لأن الخارصين أنشط كيميائيًا من النحاس.

الشكل 2-7

الخارصين أنشط من النحاس، لذلك يتفاعل مع نترات الفضة أسرع من تفاعل النحاس.

اكتب المعادلات الكيميائية الموزونة التي تمثل التفاعلات الظاهرة في الشكل.

تسمية الصورة المرتبطة بالفقرة:
الشكل_2-7_تفاعل_النحاس_والخارصين_مع_نترات_الفضة.png

===========================================================
=========

صور الصفحة:

• الشكل_2-8_تركيز_الأكسجين_واحتراق_الشمعة.png
• الشكل_2-9_مساحة_السطح_واحتراق_سلك_تنظيف_الأواني.png

الشكل 2-8

تشير شدة إضاءة اللهب المغطى في الزجاجة التي تحتوي تركيزًا أكبر من الأكسجين إلى زيادة سرعة التفاعل. لذا يُفسَّر الازدياد في سرعة التفاعل إلى الزيادة في تركيز الأكسجين.

يبلغ تركيز الأكسجين في الهواء حول الشمعة 20% تقريبًا.

تحترق الشمعة بسرعة أكبر؛ لأن الوعاء يحتوي على أكسجين تركيزه 100% تقريبًا.

المطويات

أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

التركيز

Concentration

من الطرق التي يستطيع الكيميائيون بها تغيير سرعة التفاعل تغيير تركيز المواد المتفاعلة. وكما تذكر فإن نظرية التصادم تنص على أنه يجب أن تتصادم الجسيمات حتى يحدث التفاعل، وكلما ازداد عدد الجسيمات ازداد عدد الاصطدامات. وهذا يشبه لعبة السيارات الكهربائية في مدينة الألعاب الترفيهية، فعندما يكون عدد السيارات كبيرًا في الحلبة يزداد عدد الاصطدامات. والشيء نفسه صحيح في التفاعلات الكيميائية؛ فعندما تتفاعل المادة A مع المادة B بتركيز معين تصطدم جزيئات كل من A و B لتكوين AB بسرعة محددة. ولكن ماذا يحدث إذا ازداد تركيز B؟ تزداد تصادمات جزيئات A مع جزيئات B؛ وذلك لازدياد عدد جزيئات B. لذا يؤدي ازدياد عدد الاصطدامات إلى زيادة سرعة التفاعل الكيميائي.

ماذا قرأت؟ توقع ماذا يحدث لسرعة التفاعل إذا زاد تركيز المادة A؟

تأمل التفاعلات الموضحة في الشكل 2-8، حيث تحترق الشمعتان. ولكن كيف يمكن مقارنة الشمعة في الصورة اليمنى بالشمعة في الصورة اليسرى التي وضعت داخل زجاجة تحتوي على 100% أكسجين تقريبًا، وهذا يشكل خمسة أضعاف تركيز الأكسجين في الهواء الجوي؟ بالاعتماد على نظرية التصادم، كلما زاد تركيز الأكسجين زاد عدد الاصطدامات بين جزيئات الشمع وجزيئات الأكسجين. ونتيجة لذلك تزداد سرعة التفاعل، وينتج لهب شديد الإضاءة.

مساحة السطح

Surface Area

إذا تأملت التفاعل في الشكل 2-9 فستلاحظ أن المسمار الساخن يتوهج عند وجود الأكسجين، كما في الشكل 2-9a، بينما تشتعل كتلة سلك تنظيف الأواني المعدنية بشدة في الشكل 2-9b؛ حيث تعمل زيادة مساحة سطح التفاعل على زيادة سرعة التفاعل؛ بسبب زيادة عدد الاصطدامات بين الجسيمات المتفاعلة.

الشكل 2-9

توفر مساحة سطح سلك تنظيف الأواني المعدنية الكبيرة عددًا أكبر من الاصطدامات بين الأكسجين والفلز.

تسمية الصور المرتبطة بالفقرات:

• الشكل_2-8_تركيز_الأكسجين_واحتراق_الشمعة.png
• الشكل_2-9_مساحة_السطح_واحتراق_سلك_تنظيف_الأواني.png

===========================================================
=========

صور الصفحة:

• تجربة_عملية_سرعة_التفاعل_QR.png
• تجربة_عملية_مساحة_السطح_وسرعة_التفاعل_QR.png
• الشكل_2-10_درجة_الحرارة_وسرعة_التفاعل_وطاقة_الجسيمات.png

درجة الحرارة

Temperature

تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة سرعة التفاعل الكيميائي. فأنت تعلم مثلًا أن التفاعلات التي تسبب تلف الأطعمة تكون أسرع كثيرًا عند درجة حرارة الغرفة منها عند وضع الأطعمة في الثلاجة. يوضح الرسم البياني في الشكل 2-10 أن زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 K تؤدي إلى مضاعفة سرعة التفاعل تقريبًا. فكيف يمكن لزيادة طفيفة في درجة الحرارة أن يكون لها هذا التأثير الكبير؟

إن زيادة درجة حرارة المادة يزيد من متوسط الطاقة الحركية للجسيمات التي تتكون منها المادة، وهذا السبب يجعل الجسيمات تتحرك على نحو أكبر عند درجات الحرارة المرتفعة مما عليه الحال عند درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك لا تفسر هذه الحقيقة وحدها الزيادة في سرعة التفاعل مع ارتفاع درجة الحرارة. ولفهم أفضل للعلاقة بين تغير سرعة التفاعل مع ارتفاع درجة الحرارة، تتضح في الرسم البياني في الشكل 2-10، الذي يقارن بين أعداد الجسيمات التي لها الطاقة الكافية للتفاعل عند درجات الحرارة T1 و T2، حيث T2 أكبر من T1. ويمثل الخط المتقطع طاقة التنشيط Ea للتفاعل. وتمثل المنطقة المظللة تحت كل منحنى عدد الاصطدامات التي لها طاقة مساوية أو أكبر من طاقة التنشيط. كيف يمكن المقارنة بين المناطق المظللة؟ عدد الاصطدامات العالية الطاقة عند درجة الحرارة العالية T2 أكبر كثيرًا من عدد الاصطدامات عند درجة الحرارة المنخفضة T1؛ لذلك كلما كانت درجة الحرارة أعلى كان عدد الاصطدامات التي ينتج عنها تفاعل أكبر.

اختبار الرسم البياني

حدد السرعة النسبية للتفاعل عند درجة حرارة 325 K.

تجربة عملية

سرعة التفاعل

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

تجربة عملية

مساحة السطح وسرعة التفاعل

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

الشكل 2-10

يؤدي الارتفاع في درجة الحرارة إلى زيادة الطاقة الحركية للجسيمات، وبالتالي زيادة عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة التنشيط، وهذا يؤدي إلى زيادة عدد الاصطدامات وزيادة سرعة التفاعل. إضافة إلى ذلك، فإن للكثير من الاصطدامات طاقة كافية للتغلب على طاقة التنشيط؛ لذا تؤدي إلى التفاعل.

تسمية الصور المرتبطة بالفقرات:

• تجربة_عملية_سرعة_التفاعل_QR.png
• تجربة_عملية_مساحة_السطح_وسرعة_التفاعل_QR.png
• الشكل_2-10_درجة_الحرارة_وسرعة_التفاعل_وطاقة_الجسيمات.png

============================================================
=========

صور الصفحة:

• تجربة_دراسة_العلاقة_بين_سرعة_التفاعل_ودرجة_الحرارة.png

تجربة

دراسة العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة

ما تأثير درجة الحرارة في التفاعل الكيميائي؟

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• جزئ قرصًا من الأقراص الفوارة إلى أربع قطع متساوية.
• استعمل الميزان لقياس كتلة قطعة واحدة منها. ضع 50 mL من الماء عند درجة حرارة الغرفة (25°C تقريبًا) في كأس زجاجية سعتها 250 mL. استعمل مقياس حرارة لقياس درجة حرارة الماء.
• ضع قطعة القرص الفوار في الماء، وسجل الوقت لحظة ملامستها للماء، ولحظة ذوبانها تمامًا، باستعمال ساعة إيقاف أو ساعة يد بها عقرب ثوان.
• كرر الخطوتين 3 و 4، لكن في هذه المرة سخن الماء تدريجيًا على سخان كهربائي حتى تصل درجة حرارته إلى 50°C، وحافظ على درجة حرارة الماء عند هذه الدرجة طوال وقت التفاعل.

التحليل

• حدد الكتلة الابتدائية، والكتلة النهائية، والزمن الابتدائي t1 والزمن النهائي t2 لكل محاولة.
• احسب سرعة التفاعل من خلال إيجاد كتلة المادة المتفاعلة المستهلكة لكل محاولة في الثانية الواحدة.
• صف العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة لهذا التفاعل.
• توقع سرعة التفاعل لو تم إجراؤه عند درجة حرارة 40°C، وفسر الأسس التي اعتمدت عليها في توقعك. وللتأكد من توقعك كرر التجربة عند 40°C باستعمال قطعة أخرى من القرص الفوار.
• قوّم مدى دقة وصحة توقعك لسرعة التفاعل عند 40°C، مقارنة بالقيمة المقيسة لسرعة التفاعل.

المحفزات والمثبطات

Catalysts and Inhibitors

يؤثر كل من درجة الحرارة وتركيز المواد المتفاعلة في سرعة التفاعل. إلا أن زيادة درجة الحرارة ليست دائمًا أفضل طريقة عملية لتسريع التفاعل الكيميائي. فإذا أردت مثلًا زيادة سرعة تحلل الجلوكوز في الخلية الحية فلن يكون الحل في زيادة درجة الحرارة أو زيادة تركيز المواد المتفاعلة؛ لأن ذلك قد يضر بالخلية أو يقتلها. ولكن هناك نوعان من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل، هما:

المحفزات: لا تحدث كثير من التفاعلات الكيميائية في المخلوقات الحية بالسرعة الكافية للمحافظة على الحياة عند درجات الحرارة الطبيعية لولا وجود الإنزيمات التي خلقها الله تعالى. فالإنزيم نوع من أنواع المحفزات التي تعمل على زيادة سرعة التفاعل الكيميائي دون أن تستهلك في التفاعل. وتستعمل المحفزات على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية لإنتاج كمية أكبر من المنتج بسرعة كبيرة، مما يقلل من تكلفته. ولكن لا يزيد المحفز من عدد النواتج، ولا يعد ضمن المواد المتفاعلة أو الناتجة عن التفاعل، لذا لا يتم تضمينه في المعادلات الكيميائية.

المثبطات: يسمى النوع الآخر من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل المثبطات. وخلافًا للمحفز الذي يزيد سرعة التفاعل، تعمل المثبطات على إبطاء سرعة التفاعل. كما تحول بعض المثبطات دون حدوث التفاعل على الإطلاق.

تسمية الصورة المرتبطة بالفقرة:
تجربة_دراسة_العلاقة_بين_سرعة_التفاعل_ودرجة_الحرارة.png

============================================================
=========

صور الصفحة:

• الشكل_2-11_تأثير_المحفز_في_طاقة_تنشيط_التفاعل.png
• الشكل_2-12_طاقة_التنشيط_وحاجز_القفز_للحصان.png
• تقويم_2-2_العوامل_المؤثرة_في_سرعة_التفاعل_الكيميائي.png

الشكل 2-11

يبين الشكل أن طاقة تنشيط التفاعل المحفز أقل من طاقة تنشيط التفاعل غير المحفز. لذا ينتج التفاعل المحفز النواتج بسرعة أكبر من التفاعل غير المحفز.

اختبار الرسم البياني

حدد من الرسم كيف أثر استعمال العامل المحفز في الطاقة المنطلقة من التفاعل؟

الشكل 2-12

طاقة تنشيط أعلى تعني أنه يجب أن يكون للجسيمات طاقة أعلى لكي تتفاعل؛ فالحصان والفارس يحتاجان إلى القليل من الطاقة للقفز فوق حاجز منخفض، بينما يحتاجان إلى مزيد من السرعة والطاقة لاجتياز الحاجز المرتفع.

يبين الرسم البياني في الشكل 2-11 مخطط الطاقة لتفاعل كيميائي طارد للطاقة، ويمثل الخط الأحمر مسار التفاعل دون وجود أي محفز، في حين يمثل الخط الأزرق سير التفاعل مع وجود المحفز. لاحظ أن طاقة التنشيط للتفاعل المحفز أقل كثيرًا من طاقة التنشيط في التفاعل غير المحفز. يمكنك اعتبار طاقة التنشيط في التفاعل عقبة يجب تخطيها، كما هو مبين في الشكل 2-12. ففي هذا السياق يحتاج الحصان والفارس مثلًا طاقة أقل كثيرًا لاجتياز الحاجز المنخفض، مقارنة بالطاقة اللازمة للقفز فوق الحاجز المرتفع.

تعمل المثبطات بطرائق متنوعة؛ فبعضها يغلق المسارات المنخفضة الطاقة، لذا تزيد طاقة التنشيط للتفاعل، وتعمل مثبطات أخرى على التفاعل مع المحفز، فتدمره أو تمنعه من أداء وظيفته. وفي أحيان أخرى، كما في التفاعلات الحيوية، ترتبط المثبطات مع الإنزيمات التي تحفز التفاعل، فتمنع حدوثه. أما في صناعة الأغذية فتسمى المثبطات المواد الحافظة، أو المواد المضادة للأكسدة. وتعد بعض المواد الحافظة آمنة للأكل، وتعطي فترة صلاحية أطول للغذاء.

التقويم 2-2

الخلاصة

• تتضمن العوامل الرئيسة التي تؤثر في سرعة التفاعل طبيعة المواد المتفاعلة، والتركيز، ومساحة السطح، والحرارة، والمحفزات.
• تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة سرعة التفاعل؛ وذلك بزيادة عدد الاصطدامات التي تشكل المعقد المنشط.
• تزيد المحفزات من سرعة التفاعل الكيميائي بتقليل طاقة التنشيط.

• الفكرة الرئيسية: وضح سبب سرعة تفاعل فلز الماغنسيوم مع حمض الهيدروكلوريك HCl مقارنة بالحديد.

• فسر تأثير التركيز في سرعة التفاعل حسب نظرية التصادم.

• قارن بين المحفزات والمثبطات.

• صف تأثير طحن إحدى المواد الداخلة في التفاعل على شكل مسحوق بدلًا من وضعها قطعة واحدة في سرعة التفاعل.

• استنتج إذا كانت زيادة درجة حرارة التفاعل بمقدار 10 K تؤدي إلى تضاعف سرعة التفاعل، فماذا تتوقع أن يكون أثر زيادة درجة الحرارة بمقدار 20 K؟

• ابحث في كيفية استعمال المحفزات في الصناعة، أو الزراعة، أو في معالجة التربة الملوثة، أو النفايات، أو الماء الملوث. اكتب تقريرًا قصيرًا يلخص النتائج التي حصلت عليها حول دور المحفزات في أحد هذه التطبيقات.

تسمية الصور المرتبطة بالفقرات:

• الشكل_2-11_تأثير_المحفز_في_طاقة_تنشيط_التفاعل.png
• الشكل_2-12_طاقة_التنشيط_وحاجز_القفز_للحصان.png
• تقويم_2-2_العوامل_المؤثرة_في_سرعة_التفاعل_الكيميائي.png