في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف ونفسِّر تأثير درجة الحرارة والتركيز على معدَّلات التفاعُلات الكيميائية.
تُعرَف سرعة حدوث التفاعُل الكيميائي بمعدَّل التفاعُل. عادةً ما يَصِف معدَّل التفاعُل كيفية تغيُّر بعض المتغيِّرات خلال فترة معيَّنة من الزمن. ثمَّة طريقة شائعة لقياس معدَّل التفاعُل الكيميائي، وهي قياس مدى التغيُّر في تركيزات المتفاعِلات والنواتج خلال فترة معيَّنة من الزمن.
تعريف: معدَّل التفاعُل
يقيس معدَّل التفاعُل مدى تغيُّر تركيز المتفاعِل أو الناتج لكلِّ وحدة زمن.
يُمكن أن يتأثَّر معدَّل التفاعُل الكيميائي بعدَّة عوامل. بتغيير بعضٍ من هذه العوامل، يُمكن زيادة معدَّل التفاعُل أو تقليله.
وتتضمَّن العوامل التي تؤثِّر على معدَّل التفاعُل مساحة السطح، ودرجة الحرارة، والتركيز، وإضافة العوامل الحفَّازة. سنركِّز في هذا الشارح على درجة الحرارة والتركيز.
لكي يتفاعَل جسيمان، لا بدَّ أن يتصادما أولًا. هذا بالإضافة إلى أن الجسيمين يجب أن يحتويا على مقدار معيَّن من الطاقة عند تصادمهما.
ومن شأن أيِّ عامل يُمكنه زيادة تردُّد التصادمات، أو طاقة الجسيمين، أن يزيد معدَّل التفاعُل.
مثال ١: تحديد صندوق الجسيمات الذي يحتوي على أكبر عدد من التصادمات
تُمثِّل الصناديق الآتية تفاعُلًا كيميائيًّا بين الجُسيمات الحمراء والجُسيمات الزرقاء. في أيِّ صندوق يكون عدد التصادمات أكبر؟
الحل
تَحدُث التفاعُلات الكيميائية عندما تتصادَم الجسيمات بعضها ببعض. وعليه كلما زاد عدد التصادمات التي تَحدُث، زادت احتمالية حدوث التفاعُل وزادت سرعة معدَّل التفاعُل.
ثمَّة عدَّة عوامل يُمكنها التأثير على معدَّل التفاعُل. ولكن يُمكننا أن نلاحِظ، من السؤال والشكل، أن لدينا أربعة صناديق يحتوي كلٌّ منها على عدد مختلف من الجسيمات. وحجم الصناديق متساوٍ في جميع الحالات.
وإذا كانت الجسيمات تتحرَّك عشوائيًّا، فكلما زاد عدد الجسيمات في الصندوق، زادت احتمالية حدوث التصادمات.
يُمكننا أن نلاحِظ من الشكل أن الصندوق أ يحتوي على أكبر عدد من الجسيمات. إذن من المرجح أن يكون عدد التصادمات الأكبر في الصندوق أ.
إذن الإجابة هي الصندوق أ.
إحدى طُرق زيادة عدد التصادمات زيادة درجة الحرارة. كلما زادت درجة الحرارة، اكتَسبت الجسيمات طاقة، وتحرَّكت بسرعة أكبر. وكلما زادت سرعة تحرُّك الجسيمات، زادت احتمالية تصادم بعضها ببعض.
في الشكل الآتي، كلما كان السهم أكبر، كانت سرعة تحرُّك الجسيم أكبر. وعند درجات الحرارة المرتفعة، تَكتسب الجسيمات المزيد من الطاقة، وعليه تكون الأسهم أكبر.
يُمكن توضيح تأثير درجة الحرارة على معدَّل التفاعُل بسهولة في تجربة معملية. في هذه التجربة، يُوضَع قرص فوَّار في دورق يحتوي على ماء ساخن، ويُوضَع قرص فوَّار آخَر في دورق آخَر يحتوي على ماء بارد.
يتفاعَل القرص الفوَّار مع الماء لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون. إعداد التجربة موضَّح في الشكل الآتي.
من خلال قياس حجم الغاز الناتِج من كلٍّ من التجربتين، يُمكن تحديد معدَّلَيِ التفاعُلين والمقارنة بينهما.
ونتائج هذه التجربة موضَّحة في التمثيل البياني الآتي:
عند درجة الحرارة الأعلى، تَكتسب الجسيمات مزيدًا من الطاقة، وتتحرَّك بسرعة أكبر. الأمر الذي يزيد من عدد التصادمات بين الجسيمات، ويزيد أيضًا من معدَّل التفاعُل.
يزيد معدَّل التفاعُل الأسرع من حجم الغاز الناتِج عند بداية التفاعُل، الأمر الذي يَنتُج عنه خطٌّ أكثر انحدارًا على التمثيل البياني. ولكن بما أن كتلتَيِ القرص الفوَّار والماء تظلَّان ثابتتين، ستظلُّ كمية الغاز الناتِج هي نفسها.
مثال ٢: علاقة درجة الحرارة بتردُّد التصادمات بين الجزيئات
يحتوي كلُّ صندوق من الصناديق الآتية على نفس العدد من الجزيئات المتفاعِلة. سُخِّنت الصناديق لدرجات حرارة مختلفة. أيُّ صندوق سيكون به أكبر تردُّد للتصادمات بين الجزيئات؟
الحل
لكي يتفاعَل جزيئان متفاعِلان، لا بدَّ أن يتصادما. وثمَّة عدَّة عوامل يُمكنها أن تزيد من عدد التصادمات بين الجزيئات المتفاعِلة. ودرجة الحرارة إحداها.
نعلم من مُعطَيات السؤال أن كلَّ صندوق يحتوي على العدد نفسه من الجزيئات المتفاعِلة، وعليه لن يتأثَّر تردُّد التصادمات باختلاف عدد الجزيئات. ولكن درجة حرارة كلِّ صندوق مختلفة عن درجات حرارة الصناديق الأخرى، وعليه سيكون المؤثِّر الرئيسي على تردُّد التصادمات هو اختلاف درجات الحرارة.
كلما زادت درجة الحرارة، اكتَسبت الجزيئات طاقةً، وتحرَّكت بسرعة أكبر. وكلما زادت سرعة تحرُّك الجزيئات، زاد احتمال تصادمها، وزاد تردُّد التصادمات.
إذن كلما زادت درجة الحرارة، زاد تردُّد التصادمات بين الجزيئات. بالنظر إلى الشكل، يُمكننا أن نلاحِظ أن الصندوق الذي له درجة الحرارة الأعلى هو الصندوق د. وعليه فإن الإجابة هي الصندوق د.
تُعَدُّ درجة الحرارة عاملًا مُهِمًّا للغاية للتحكُّم في معدَّل التفاعُلات في الطعام. فوضْع الطعام في مكانٍ باردٍ، الثلاجة أو المجمدة على سبيل المثال، يُبطِّئ من التفاعُلات الكيميائية التي تُسبِّب فساد الطعام. ونتيجة لذلك، يُمكن حفظ الطعام لمدَّة أطول.
وعادة ما تُستخدَم درجات الحرارة المرتفعة عند طهْي الطعام. حيث تَزيد درجة الحرارة المرتفعة من معدَّل التفاعُل، وتُساعِد في طهْي الطعام بسرعة أكبر، وإنضاجه بالكامل.
يُمكن شرح تأثير التركيز على معدَّل التفاعُل من خلال تناول تردُّد التصادمات.
تخيَّل حدوث تفاعُل بين الجسيمات الأرجوانية A والجسيمات الخضراء B، الموضَّحة في الشكل الآتي.
إذا ازداد تركيز B، فسيزداد عدد جسيمات B. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.
أيْ إن زيادة عدد الجسيمات ستَنتُج عنه زيادة في عدد التصادمات. وسيتسبَّب عدد التصادمات الأكبر في زيادة معدَّل التفاعُل.
ويُمكن توضيح تأثير التركيز على معدَّل التفاعُل باستخدام التفاعُل بين الليف السلكي والأكسجين.
يُمكن أن يُحرَق الليف السلكي، الذي يُعرَف أيضًا باسم الصوف الفولاذي، في وجود الأكسجين. ولكن تتغيَّر سرعة وشدَّة هذا التفاعُل بتغيُّر تركيز الأكسجين.
عند حرْق الليف السلكي على موقد بنسن، فإنه يحترق في الهواء. وتبلغ نسبة الأكسجين في الهواء ؛ أيْ تركيزه من متوسط إلى منخفض. وعليه يكون معدَّل التفاعُل منخفِضًا إلى حدٍّ ما، ويحترق الليف السلكي ببطء نسبيًّا.
ولكن عند حرْق الليف السلكي في وجود أكسجين نقي، يكون التفاعُل أسرع وأشدَّ بكثير. حيث إن تركيز الأكسجين النقي هو ؛ أيْ أعلى بكثير من الهواء. وتؤدِّي زيادة تركيز الأكسجين إلى زيادة معدَّل التفاعُل، ويَنتُج عنها تفاعل أكثر نشاطًا وسرعة.
هاتان التجربتان موضَّحتان في الصورة الآتية.
مثال ٣: تفسير اختلاف معدَّلات الاحتراق في الهواء مقارنة بالأكسجين النقي
لماذا يكون احتراق الألومنيوم في الهواء أبطأ منه في الأكسجين النقي؟
- لأن درجة حرارة الأكسجين في الهواء تكون أكبر منها في الأكسجين النقي.
- لأن درجة حرارة الأكسجين النقي تكون أكبر منها في الهواء.
- لأن تركيز الأكسجين في الهواء يكون أقلَّ منه في الأكسجين النقي.
- لأن تركيز الأكسجين في الهواء يكون أكبر منه في الأكسجين النقي.
الحل
تُشير عملية الاحتراق عادة إلى تفاعُل المادة مع الأكسجين. في هذه الحالة، يتفاعَل الألومنيوم مع الأكسجين في ظرفين مختلفين.
في الأغلب يَحدُث احتراق الألومنيوم في الهواء باستخدام موقد بنسن. يحتوي الهواء عادة على نسبة من الأكسجين، وهي كمية قليلة نسبيًّا من الأكسجين.
ولكن تتضمَّن حالة احتراق الألومنيوم في أكسجين نقي ظروفًا تكون نسبة الأكسجين فيها . يُمكننا أن نلاحِظ أن الفرق بين الاحتراق في الهواء والاحتراق في أكسجين نقي هي كمية الأكسجين، أو تركيزه.
وبناءً على ذلك، يُمكننا استنتاج أن الاختلاف في معدَّل الاحتراق يرجع إلى اختلاف تركيز الأكسجين. إذن الإجابة قد تكون الخيار ج أو الخيار د.
يُمكن أن يؤثِّر التركيز على معدَّل التفاعُل من خلال تغيير عدد الجزيئات المتفاعِلة. كلما زاد عدد الجزيئات المتفاعِلة، زاد عدد التصادمات التي ستَحدُث بينها، وزادت سرعة معدَّل التفاعُل.
إذن كلما زاد التركيز، زاد معدَّل التفاعُل.
وعليه يكون احتراق الألومنيوم في الهواء أبطأ؛ لأن تركيز الأكسجين فيه أقلُّ منه في الأكسجين النقي. هذه العبارة تتطابق مع الخيار ج، وعليه فإن الإجابة هي الخيار ج.
ثمَّة تجربة أخرى توضِّح تأثير التركيز على معدَّل التفاعُل، وهي تفاعُل المغنيسيوم مع حمض الهيدروكلوريك.
في هذه التجربة، دورق مخروطي يحتوي على حمض هيدروكلوريك مخفَّف، ودورق آخَر يحتوي على حمض هيدروكلوريك مركَّز. تُوضَع في كلِّ دورق مخروطي قطعة متطابقة من المغنيسيوم لها الحجم والكتلة أنفسهما.
المعادلة الكيميائية للتفاعُل بين المغنيسيوم وحمض الهيدروكلوريك هي:
إذن من خلال قياس حجم غاز الهيدروجين الناتِج بمرور الزمن، يُمكن تحديد أيُّ تغيُّر يَحدُث في معدَّل التفاعُل.
إعداد هذه التجربة موضَّح في الصورة الآتية:
من خلال رسم تمثيل بياني لحجم غاز الهيدروجين الناتِج مقابل الزمن، يُمكن تحديد معدَّلات التفاعُل لكلِّ تجربة. يوضِّح التمثيل البياني الآتي معدَّل التفاعُل لحمض الهيدروكلوريك المخفَّف وحمض الهيدروكلوريك المركَّز:
يوضِّح التمثيل البياني أن حجمًا أكبر من غاز الهيدروجين يَنتُج خلال فترة زمنية قصيرة عندما يُستخدَم حمض الهيدروكلوريك المركَّز. وهذا يوضِّح أن معدَّل التفاعُل يزيد بزيادة التركيز.
فكلما زاد تركيز حمض الهيدروكلوريك، زاد عدد جسيمات الحمض. ونتيجة لذلك، يَحدُث عدد أكبر من التصادمات بين جسيمات الحمض وجسيمات المغنيسيوم، وعليه يزداد معدَّل التفاعُل.
مثال ٤: ترتيب تجارب ذات تركيزات مختلفة طبقًا لمعدَّلات تفاعُلها
يُجرِي أحد الكيميائيين سلسلةً من التجارب لتحديد تأثير التركيز على معدَّل التفاعُل. يَصبُّ الكيميائي كميات متساوية من حمض الهيدروكلوريك بتركيزات مختلفة في أربعة أنابيب اختبار، ثم يَضَع قطعة متطابقة من شريط المغنيسيوم في كلِّ أنبوب اختبار. إعداد التجربة موضَّح فيما يأتي.
ما الترتيب المحتمل، من الأبطأ إلى الأسرع، لمعدَّل التفاعُل للتجارب الأربع؟
- ج، أ، ب، د
- ج، د، ب، أ
- أ، ج، د، ب
- ب، ج، أ، د
- د، ج، أ، ب
الحل
ثمَّة عدَّة عوامل يُمكن أن تؤثِّر على معدَّل التفاعُل. وهذا يتضمَّن التركيز ومساحة السطح. في التجربة، حُفِظ حجم حمض الهيدروكلوريك المُستخدَم كما هو. واستُخدِمت أيضًا قطعة متطابقة من المغنيسيوم؛ أيْ حُفِظت مساحة السطح والكتلة كما هما أيضًا.
والعامل الوحيد الذي يتغيَّر هو تركيز حمض الهيدروكلوريك. والتركيز الأكبر في التجربة د والتركيز الأقلُّ في التجربة ب.
ولكي يَحدُث تفاعُل، يجب أن تتصادم الجزيئات المتفاعِلة بعضها ببعض. وتؤدِّي زيادة عدد التصادمات إلى زيادة معدَّل التفاعُل.
عند زيادة التركيز، يزيد عدد جسيمات الحمض الموجودة في المحلول. وسيَنتُج عن عدد جسيمات الحمض الأكبر عدد أكبر من التصادمات، ومن ثَمَّ معدَّل تفاعُل أسرع.
إذا ازداد معدَّل التفاعُل بزيادة التركيز، فسيُناظِر ترتيب معدَّل التفاعُل من الأبطأ إلى الأسرع ترتيب التركيز من الأقلِّ إلى الأعلى.
إذن ترتيب معدَّلات التفاعُلات من الأبطأ إلى الأسرع هو ب، ج، أ، د، الذي يناظر خيار الإجابة د. إذن الإجابة الصحيحة لهذا السؤال هي د.
مثال ٥: تحديد مجموعة الظروف التي تُعطي معدَّل التفاعُل الأكبر
في مجموعة من التجارب، غيَّر أحد الطلاب التركيز ودرجة الحرارة. الظروف الخاصَّة بكلِّ تجربة موضَّحة في الشكل الآتي. في أيِّ دورق مخروطي على الأرجح يكون أعلى معدَّل للتفاعُل؟
الحل
يتأثَّر معدَّل التفاعُل بكلٍّ من درجة الحرارة والتركيز. ولكي يَحدُث تفاعُل، يجب أن تتصادم الجزيئات المتفاعِلة بعضها ببعض. ومِن شأنِ أيِّ عاملٍ يزيد من عدد التصادمات أن يزيد أيضًا من معدَّل التفاعُل.
كلما زادت درجة الحرارة، تَكتسب الجسيمات المزيد من الطاقة، وتتمكَّن من الحركة بسرعة أكبر. ونتيجة لذلك، تزداد احتمالية حدوث عدد أكبر من التصادمات ومعدَّل تفاعُل أسرع. وعليه يَزيد معدَّل التفاعُل بزيادة درجة الحرارة.
وكلما زاد التركيز، زاد عدد الجسيمات المتفاعِلة. وبزيادة عدد الجسيمات، تزداد احتمالية حدوث عدد أكبر من التصادمات ومعدَّل تفاعُل أسرع. إذن يَزيد معدَّل التفاعُل بزيادة التركيز.
من العبارتين السابقتين، يُمكننا استنتاج أن معدَّل التفاعُل من المرجَّح أن يَصِل لأعلى قيمة له عندما يكون كلٌّ من درجة الحرارة والتركيز عند أعلى قيمتين لهما.
في الشكل السابق، يُمكننا أن نلاحِظ أن أعلى درجة حرارة هي ٥٠°س، وأعلى تركيز هو مولان/لتر، اللذان يتحقَّقان في التجربة ج.
إذن من المحتمل أن يكون معدَّل التفاعُل الأكبر في التجربة ج.
النقاط الرئيسية
- يَقيس معدَّل التفاعُل مدى تغيُّر تركيز المتفاعِل أو الناتِج لكلِّ وحدة زمن.
- لكي يَحدُث تفاعُل كيميائي، يجب أن تتصادم الجسيمات المتفاعِلة بعضها ببعض.
- بوجهٍ عامٍّ، كلما زاد عدد التصادمات بين الجسيمات المتفاعِلة، زاد معدَّل التفاعُل.
- عندما تَزيد درجة الحرارة، تَكتسب الجسيمات المزيد من الطاقة ويَزيد عدد التصادمات، وهو ما يتسبَّب في زيادة معدَّل التفاعُل.
- يُمكن ملاحَظة تأثير درجة الحرارة على معدَّل التفاعُل بطريقة تجريبية من خلال تفاعُل الأقراص الفوَّارة مع الماء وقياس حجم الغاز الناتِج.
- بزيادة التركيز، يَزيد عدد الجسيمات. ومن ثَمَّ يزيد عدد التصادمات؛ ومن ثَمَّ يَزيد معدَّل التفاعُل.
- يكون احتراق موادَّ مثل الليف السلكي في الأكسجين النقي أسرع منه في الهواء؛ لأن تركيز الأكسجين في الهواء يكون أقلَّ.
- يُمكن ملاحَظة تأثير التركيز على معدَّل التفاعُل بطريقة تجريبية من خلال تفاعُل المغنيسيوم مع تركيزات مختلفة من حمض الهيدروكلوريك وقياس حجم الغاز الناتِج.
