التفاعلات الكيميائية واحدة من بين الأمور التي تعد أساس للعديد من العمليات و الصناعات المختلفة ، تلك التفاعلات التي تؤثر فيها عدد من العوامل المختلفة.
العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعلات الكيميائية
الحركية هي دراسة سرعة التفاعل الكيميائي ، و بعض التفاعلات الكيميائية سريعة ، في حين ان البعض الآخر بطيء ، و في بعض الأحيان يريد الكيميائيون تسريع وتيرة العمل البطيء وإبطاء التفاعل ، و هناك العديد من العوامل التي تؤثر على سرعة رد الفعل:
– طبيعة المواد المتفاعلة.
– حجم الجسيمات من المتفاعلات.
– تركيز المواد المتفاعلة.
– ضغط المتفاعلات الغازية.
– درجة الحرارة.
– المحفزات.
إذا كنت ترغب في إنتاج أكبر قدر ممكن من المنتج في أسرع وقت ممكن في تفاعل كيميائي ، يجب عليك أن تنظر في حركية التفاعل.
طبيعة المواد الكيميائية المتفاعلة
– من أجل حدوث تفاعل ، يجب أن يكون هناك تصادم بين المواد المتفاعلة في الموقع التفاعلي للجزيء ، كلما كانت الجزيئات المتفاعلة أكبر وأكثر تعقيدًا ، قلت فرصة الاصطدام في موقع التفاعل.
– في بعض الأحيان ، في الجزيئات المعقدة للغاية ، يتم حجب الموقع التفاعلي بالكامل من قبل أجزاء أخرى من الجزيء ، لذلك لا يحدث أي تفاعل. قد يكون هناك الكثير من الاصطدامات ، ولكن فقط تلك التي تحدث في موقع التفاعل لديها أي فرصة تؤدي إلى تفاعل كيميائي ، بشكل عام ، يكون معدل التفاعل أبطأ عندما تكون المواد المتفاعلة جزيئات كبيرة ومعقدة.
حجم الجسيمات من المواد الكيميائية المتفاعلة
رد الفعل يعتمد على الاصطدامات ، و كلما زادت مساحة السطح التي يمكن أن يحدث فيها تصادم ، كان رد الفعل أسرع ، يمكنك إجراء مباراة مشتعلة على قطعة كبيرة من الفحم ولن يحدث شيء ، و لكن إذا أخذت نفس قطعة الفحم هذه ، وطحنها جيدًا جدًا ، ورميتها في الهواء ، وضربت مباراة ، فستحصل على انفجار.
تركيز المواد الكيميائية المتفاعلة
– زيادة عدد الاصطدامات يسرع معدل التفاعل ، و كلما اصطدمت جزيئات أكثر تفاعلا ، كان رد الفعل أسرع ، على سبيل المثال ، جبيرة الخشب تحترق في الهواء الذي يحتوي على الأكسجين بنسبة 20 في المائة ، و لكن يحترق بكثير أسرع في الأكسجين النقي.
– في معظم الحالات البسيطة ، يزيد تركيز المواد المتفاعلة من سرعة التفاعل ، و مع ذلك إذا كان التفاعل معقدًا و لديه آلية معقدة (سلسلة من الخطوات في التفاعل) ، فقد لا يكون هذا هو الحال ، كما إن تحديد تأثير التركيز على معدل التفاعل يمكن أن يمنحك أدلة عن المفاعل المتورط في خطوة تحديد المعدل للآلية.
– يمكنك القيام بذلك عن طريق تشغيل رد الفعل بتركيزات مختلفة و مراقبة التأثير على معدل التفاعل ، على سبيل المثال إذا لم يكن لتغيير تركيز مفاعل واحد تأثير على معدل التفاعل ، فأنت تعلم أن المفاعل لا يشارك في أبطأ خطوة (خطوة تحديد المعدل) في الآلية.
ضغط المتفاعلات الغازية
إن ضغط المواد المتفاعلة الغازية له نفس تأثير التركيز ، كلما زاد الضغط المتفاعل ، كان معدل التفاعل أسرع ، و هذا يرجع إلى زيادة عدد الاصطدامات ، و لكن إذا كانت هناك آلية معقدة معنية ، فقد لا يكون لتغيير الضغط النتيجة المتوقعة.
كيف تؤثر درجة الحرارة على معدل التفاعل الكيميائي
زيادة درجة الحرارة تجعل الجزيئات تتحرك بشكل أسرع ، لذلك هناك فرصة متزايدة لأن تصطدم بعضها ببعض و تتفاعل ، لكن زيادة درجة الحرارة تزيد أيضًا من متوسط الطاقة الحركية للجزيئات ، و يوضح الشكل التالي مثالًا على كيفية تأثير زيادة درجة الحرارة على الطاقة الحركية للمتفاعلات و زيادة معدل التفاعل.
تأثير درجة الحرارة على الطاقة الحركية للمتفاعلات
– عند درجة حرارة معينة ، لا تتحرك جميع الجزيئات بنفس الطاقة الحركية ، و يتحرك عدد قليل من الجزيئات ببطء شديد (طاقة حركية منخفضة) ، بينما يتحرك عدد قليل منها بسرعة كبيرة (طاقة حركية عالية). الغالبية العظمى من الجزيئات موجودة في مكان ما بين هذين الطرفين.
– في الواقع ، درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات ، كما ترون في الشكل ، فإن زيادة درجة الحرارة تزيد من متوسط الطاقة الحركية للمتفاعلات ، مما يحول المنحنى بشكل أساسي إلى اليمين نحو طاقات حركية أعلى.
– لكن لاحظ أيضًا الحد الأدنى من الطاقة الحركية التي يحتاجها المتفاعلون لتوفير طاقة التنشيط (الطاقة اللازمة للحصول على رد فعل مستمر) أثناء التصادم. يجب أن تصطدم المواد المتفاعلة في موقع التفاعل ، لكن عليها أيضًا أن تنقل طاقة كافية لكسر الروابط حتى يمكن تكوين روابط جديدة. إذا لم يكن لدى المواد المتفاعلة طاقة كافية ، فلن يحدث تفاعل حتى إذا اصطدمت المواد المتفاعلة في موقع التفاعل.
كيف تزيد المحفزات معدل التفاعل الكيميائي
المحفزات هي مواد تزيد من معدل التفاعل دون تغيير نفسها في نهاية التفاعل ، أنها تزيد من معدل التفاعل عن طريق خفض طاقة التنشيط للتفاعل ، و في الشكل السابق ، إذا قمت بالانتقال إلى اليسار الذي يحتوي على الخط المنقط الذي يمثل الحد الأدنى من الطاقة الحركية اللازمة لتوفير طاقة التنشيط ، فستحصل كثير من الجزيئات على الحد الأدنى من الطاقة اللازمة ، وسيكون رد الفعل أسرع.
العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعلات الكيميائية
الحركية هي دراسة سرعة التفاعل الكيميائي ، و بعض التفاعلات الكيميائية سريعة ، في حين ان البعض الآخر بطيء ، و في بعض الأحيان يريد الكيميائيون تسريع وتيرة العمل البطيء وإبطاء التفاعل ، و هناك العديد من العوامل التي تؤثر على سرعة رد الفعل:
– طبيعة المواد المتفاعلة.
– حجم الجسيمات من المتفاعلات.
– تركيز المواد المتفاعلة.
– ضغط المتفاعلات الغازية.
– درجة الحرارة.
– المحفزات.
إذا كنت ترغب في إنتاج أكبر قدر ممكن من المنتج في أسرع وقت ممكن في تفاعل كيميائي ، يجب عليك أن تنظر في حركية التفاعل.
طبيعة المواد الكيميائية المتفاعلة
– من أجل حدوث تفاعل ، يجب أن يكون هناك تصادم بين المواد المتفاعلة في الموقع التفاعلي للجزيء ، كلما كانت الجزيئات المتفاعلة أكبر وأكثر تعقيدًا ، قلت فرصة الاصطدام في موقع التفاعل.
– في بعض الأحيان ، في الجزيئات المعقدة للغاية ، يتم حجب الموقع التفاعلي بالكامل من قبل أجزاء أخرى من الجزيء ، لذلك لا يحدث أي تفاعل. قد يكون هناك الكثير من الاصطدامات ، ولكن فقط تلك التي تحدث في موقع التفاعل لديها أي فرصة تؤدي إلى تفاعل كيميائي ، بشكل عام ، يكون معدل التفاعل أبطأ عندما تكون المواد المتفاعلة جزيئات كبيرة ومعقدة.
حجم الجسيمات من المواد الكيميائية المتفاعلة
رد الفعل يعتمد على الاصطدامات ، و كلما زادت مساحة السطح التي يمكن أن يحدث فيها تصادم ، كان رد الفعل أسرع ، يمكنك إجراء مباراة مشتعلة على قطعة كبيرة من الفحم ولن يحدث شيء ، و لكن إذا أخذت نفس قطعة الفحم هذه ، وطحنها جيدًا جدًا ، ورميتها في الهواء ، وضربت مباراة ، فستحصل على انفجار.
تركيز المواد الكيميائية المتفاعلة
– زيادة عدد الاصطدامات يسرع معدل التفاعل ، و كلما اصطدمت جزيئات أكثر تفاعلا ، كان رد الفعل أسرع ، على سبيل المثال ، جبيرة الخشب تحترق في الهواء الذي يحتوي على الأكسجين بنسبة 20 في المائة ، و لكن يحترق بكثير أسرع في الأكسجين النقي.
– في معظم الحالات البسيطة ، يزيد تركيز المواد المتفاعلة من سرعة التفاعل ، و مع ذلك إذا كان التفاعل معقدًا و لديه آلية معقدة (سلسلة من الخطوات في التفاعل) ، فقد لا يكون هذا هو الحال ، كما إن تحديد تأثير التركيز على معدل التفاعل يمكن أن يمنحك أدلة عن المفاعل المتورط في خطوة تحديد المعدل للآلية.
– يمكنك القيام بذلك عن طريق تشغيل رد الفعل بتركيزات مختلفة و مراقبة التأثير على معدل التفاعل ، على سبيل المثال إذا لم يكن لتغيير تركيز مفاعل واحد تأثير على معدل التفاعل ، فأنت تعلم أن المفاعل لا يشارك في أبطأ خطوة (خطوة تحديد المعدل) في الآلية.
ضغط المتفاعلات الغازية
إن ضغط المواد المتفاعلة الغازية له نفس تأثير التركيز ، كلما زاد الضغط المتفاعل ، كان معدل التفاعل أسرع ، و هذا يرجع إلى زيادة عدد الاصطدامات ، و لكن إذا كانت هناك آلية معقدة معنية ، فقد لا يكون لتغيير الضغط النتيجة المتوقعة.
كيف تؤثر درجة الحرارة على معدل التفاعل الكيميائي
زيادة درجة الحرارة تجعل الجزيئات تتحرك بشكل أسرع ، لذلك هناك فرصة متزايدة لأن تصطدم بعضها ببعض و تتفاعل ، لكن زيادة درجة الحرارة تزيد أيضًا من متوسط الطاقة الحركية للجزيئات ، و يوضح الشكل التالي مثالًا على كيفية تأثير زيادة درجة الحرارة على الطاقة الحركية للمتفاعلات و زيادة معدل التفاعل.
تأثير درجة الحرارة على الطاقة الحركية للمتفاعلات
– عند درجة حرارة معينة ، لا تتحرك جميع الجزيئات بنفس الطاقة الحركية ، و يتحرك عدد قليل من الجزيئات ببطء شديد (طاقة حركية منخفضة) ، بينما يتحرك عدد قليل منها بسرعة كبيرة (طاقة حركية عالية). الغالبية العظمى من الجزيئات موجودة في مكان ما بين هذين الطرفين.
– في الواقع ، درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات ، كما ترون في الشكل ، فإن زيادة درجة الحرارة تزيد من متوسط الطاقة الحركية للمتفاعلات ، مما يحول المنحنى بشكل أساسي إلى اليمين نحو طاقات حركية أعلى.
– لكن لاحظ أيضًا الحد الأدنى من الطاقة الحركية التي يحتاجها المتفاعلون لتوفير طاقة التنشيط (الطاقة اللازمة للحصول على رد فعل مستمر) أثناء التصادم. يجب أن تصطدم المواد المتفاعلة في موقع التفاعل ، لكن عليها أيضًا أن تنقل طاقة كافية لكسر الروابط حتى يمكن تكوين روابط جديدة. إذا لم يكن لدى المواد المتفاعلة طاقة كافية ، فلن يحدث تفاعل حتى إذا اصطدمت المواد المتفاعلة في موقع التفاعل.
كيف تزيد المحفزات معدل التفاعل الكيميائي
المحفزات هي مواد تزيد من معدل التفاعل دون تغيير نفسها في نهاية التفاعل ، أنها تزيد من معدل التفاعل عن طريق خفض طاقة التنشيط للتفاعل ، و في الشكل السابق ، إذا قمت بالانتقال إلى اليسار الذي يحتوي على الخط المنقط الذي يمثل الحد الأدنى من الطاقة الحركية اللازمة لتوفير طاقة التنشيط ، فستحصل كثير من الجزيئات على الحد الأدنى من الطاقة اللازمة ، وسيكون رد الفعل أسرع.
