سرعة التفاعلات الكيميائية
الفكرة العامة : لكل تفاعل كيميائي سرعة محددة يمكن زيادتها او ابطاؤها بتغير ظروف التفاعل
تجربة استهلالية
1 - ضع 10ml من فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 في دورق زجاجي ( سجل ملاحظاتك في جدول الملاحظات )
2 -اضف g0.1 من خميرة الخبيز الى فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 مع التحريك ( سجل ملاحظاتك في جدول الملاحظات )
المشاهدة : ظهور فقاعات في الخطوة (2) ولم تظهر في الخطوة (1)
الاستنتاج : سرعة تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 في الخطوة (2) اسرع من الخطوة (1)
1-1 نظرية التصادم و سرعة التفاعل الكيميائي
نلاحظ من التجربة الاستهلالية : ان تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين H2O2 يمكن ان يكون سريعا او بطيئا ولكن مصطلح (سريع) ، (بطئ) غير دقيق لذلك يجب التعبير عن سرعة الأشياء المتحركة بالتغير الكمي خلال وحدة الزمن كما يلي من ملاحظة الصورتين التاليتين :
عموما يعرف متوسط السرعة لحدث ما او عملية محددة: بالتغير الكمي خلال زمن محدد
سرعة التفاعل الكيميائي : هو التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن حيث التركيز المولاري يعبر عنه بوحدة (mol/L (M ويعبر عنه بالأقواس [ ]
مثال : التركيز المولاري لـ NO2 تكتب [ NO2 ]
وتكون وحدة قياس سرعة التفاعل
من المعروف في أي تفاعل كيميائي يقل تركيز المتفاعلات ويزداد تركيز النواتج مع مرور الوقت
تتحول المواد المتفاعلة مع مرور الزمن إلى مواد ناتجة
و يمكن التعبير عن سرعة التفاعل الكيميائي
بالتغير في عدد مولات المواد المتفاعلة
أو الناتجة خلال فترة محددة من الزمن
مثال : من خلال تفاعل بين غاز اول أكسيد الكربون مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين عند درجة حرارة اكبر من k 500
CO (g) + NO2(g) → CO2 (g) + NO (g)
أولا : حساب متوسط سرعة التفاعل من خلال التغير في تركيز احد النواتج المتكونة مثل [ NO ] خلال فترة زمنية
بدأت من t1، وانتهت عند t2 كما يلي :
ملحوظة :- تكون سرعة تكون المواد الناتجة دائما قيمة موجبة (علل) لأن مع مرور الوقت يزداد تركيز النواتج
ثانيا : حساب متوسط سرعة التفاعل من خلال التغير في تركيز احد المتفاعلات مثل [ CO ] خلال فترة زمنية بدأت من t1، وانتهت عند t2 كما يلي :
ملحوظة : نجد ان قيمة سرعة التفاعل سالبة ألن تركيز [ CO ] يستهلك ويقل مع مرور الزمن
ولكن يجب ان تكون سرعة التفاعل دائما موجبة لذلك نضع إشارة سالبة كما يلي :
مسألة : حساب متوسط سرعة التفاعل
مسألة تدريبية:
استعمل البيانات الموجدة في الجدول أدناه لحساب متوسط سرعة التفاعل :
1. احسب متوسط سرعة التفاعل معبرا عنه بعدد مولات H2 المستهلكة لكل لتر في كل ثانية
2. احسب متوسط سرعة التفاعل معبرا عنه بعدد مولات CL2 المستهلكة لكل لتر في كل ثانية
3. تحفيز إذا علمت أن متوسط سرعة التفاعل لحمض الهيدروكلوريك HCL الناتج هو 0.050 mol/L.s فما تركيز HCL الذي يتكون بعد مرور s4.00؟
الإجابات:
نظرية التصادم
في التفاعل الكيميائي يجب ان تتصادم المواد المتفاعلة لتكوين النواتج .......... انظر الشكل التوضيحي التالي:
في التفاعلات الكيميائية يجب أن تتصادم الجسيمات بكمية كافية من الطاقة لكي يحدث تفاعل
مثال :-عند تفاعل غاز اول أكسيد الكربون CO مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين NO2 عند درجة حرارة اكبر من ◦500
تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لإنتاج المواد الناتجة ونجد ان عدد قليل من هذه التصادمات يكون نواتج بينما يفشل عدد كبير من هذا التصادمات في انتاج النواتج .... لماذا؟
لأن من شروط حدوث التصادم الفعال ( الذي يؤدي الى حدوث تفاعل وتكوين النواتج المطلوبة )
1 - الاتجاه المناسب ( الصحيح )
حيث يجب ان تتلامس الذرات المتفاعلة بشكل مناسب لتكوين النواتج لتكوين النواتج المطلوبة
2 - الطاقة الكافية
حيث لابد ان تتوفر الطاقة الكافية للحصول على القوة الكافية للتصادم لتكوين المعقد المنشط وبالتالي تكوين النواتج
ما هو المعقد المنشط ؟
مثال :-
CO (g) + NO2(g) → CO2 (g) + NO (g)
عندما يكون اتجاه التصادم مناسبا (صحيحا) يجب ان تتوفر طاقة كافية (طاقة تنشيط) ( Ea ) حتى تنتقل ذرة اكسجين من جزئ NO2 الى جزئ CO
وعندئذ يمر التفاعل الكيميائي بمرحلة انتقالية غير مستقرة ملن تجمع الذرات يحدث خلالها كسر الروابط وتكون روابط جديدة تسمى (المعقد المنشط) ونتيجة لذلك إما تتكون النواتج او تنكسر الروابط وتكون المواد المتفاعلة مرة أخرى
المعقد المنشط :
● مرحلة انتقالية قصيرة غير مستقرة من تجمع الذرات يحدث خلالها تكسير الروابط وتكون روابط جديدة
● مجموعة من الذرات فترة بقائها معا قصيرة جدا قد ينتج عنها النواتج او قد تعود الى صورة المتفاعلات
طاقة التنشيط : (Ea)
● الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتحويل المتفاعلات الى معقد منشط
● الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل الكيميائي
معلومات هامة جدا
1 - عندما تكون طاقة التنشيط ( Ea ) عالية
معنى ذلك ان عدد التصادمات التي لها طاقة كافية لتكوين المعقد المنشط قليل (التصادمات الفعالة عددها قليل) وبالتالي تكون سرعة التفاعل بطيئة
2 - عندما تكون طاقة التنشيط ( Ea ) منخفضة
معنى ذلك ان عدد التصادمات التي لها طاقة كافية لتكوين المعقد المنشط كبير (التصادمات الفعالة عددها كبير) وبالتالي تكون سرعة التفاعل سريعة
مخططات الطاقة
مخطط الرسم البياني التالي يوضح مسار الطاقة لتفاعل طارد للحرارة وفيه تكون محتوى طاقة النواتج أقل من محتوى طاقة المتفاعلات لذلك تنطلق طاقة من هذا التفاعل = الفرق بين محتوى طاقة النواتج – محتوى طاقة المتفاعلات تسمى التغير في المحتوى الحراري ( ΔH ) او تسمى طاقة التفاعل
نلاحظ ان طاقة المعقد المنشط دائما أعلى من طاقة المتفاعلات وأيضا دائما أعلى من طاقة النواتج ويكون مكانه في قمة مسار الطاقة كما موضح بالشكل البياني
من الرسم البياني يمكن حساب طاقة التنشيط Ea = طاقة المعقد المنشط - طاقة المتفاعلات
اذا كان التفاعل انعكاسي يمكن حساب طاقة التنشيط ( في الاتجاه العكسي) 'Ea = طاقة المعقد المنشط - طاقة النواتج