شارح الدرس: العوامل المؤثِّرة على معدَّل التفاعل الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتوقَّع ونوضِّح تأثير التغيُّرات في التركيز والضغط ومساحة السطح على معدل التفاعل باستخدام نظرية التصادم.

يَصِف معدل التفاعل سرعة تحوُّل المتفاعلات إلى نواتج أثناء التفاعل الكيميائي. يمكن أن تكون التفاعلات الكيميائية بطيئة للغاية، ويمكن أن تكون سريعة للغاية. ويمكن للفلزات أن تتأكسد ببطء إذا تُرِكت في العراء، كما يمكن أن تَنتج عنها نواتج غازية بمجرد غمسها في الأحماض تقريبًا. وعادةً ما يصعب كثيرًا توقُّع معدل التفاعل؛ لأنه يعتمد على العديد من العوامل المختلفة، مثل درجة الحرارة والضغط.

تنص نظرية التصادم على أن التفاعل الكيميائي لا يمكن أن يحدث إلا إذا اصطدم جسيمان متفاعلان بطاقة تكفي للتغلُّب على حاجز طاقة التنشيط. وسينخفض معدل التفاعل كثيرًا إذا لم يتكرَّر حدوث التصادم، أو إذا كانت طاقة التصادم غير كافية للتغلُّب على حاجز طاقة التنشيط. يوضِّح الشكل الآتي كيف أن التفاعلات الكيميائية تُستحث فقط خلال عمليات التصادم الفعالة بين الجسيمات.

يمكن استخدام نظرية التصادم لفهم كيفية تأثير درجة الحرارة على معدل التفاعل. وتؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة سرعة الجسيمات المتفاعلة؛ ومن ثَمَّ، زيادة طاقتها. وكلما زادت سرعة الجسيمات وطاقتها، زاد عدد التصادمات فيما بينها وزادت قوتها. ويزيد معدل التفاعل إذا زادت درجة الحرارة بسبب زيادة عدد التصادمات بين الجسيمات المتفاعلة وزيادة طاقتها؛ الأمر الذي يؤدي إلى زيادة قدرة الجسيمات على التغلُّب على حاجز طاقة التنشيط وتحوُّل الجسيمات المتفاعلة إلى نواتج بمعدل أسرع.

يمكننا توسيع نطاق تطبيق نظرية التصادم ليشمل اكتشاف العلاقة بين معدل التفاعل والخواص الفيزيائية الأخرى، مثل الضغط وتركيزات المتفاعلات ومساحة سطح المتفاعلات.

من المهم أن نذكر عند هذه النقطة أن معدل التفاعل يتأثَّر أيضًا بالعوامل الحفَّازة. تميل الجزيئات إلى التفاعل بمعدل أسرع في وجود عامل حفَّاز إيجابي؛ فبإمكان العامل الحفَّاز إضعاف حاجز طاقة التنشيط. ويزيد عدد الجزيئات المتفاعلة التي تتحوَّل إلى نواتج عند تفاعلها مع عامل حفَّاز إيجابي. كما يتأثَّر معدل التفاعل بخواص الترابط بين الجزيئات المتفاعلة. يمكن أن تتفاعل المركبات الأيونية بمعدل أسرع من المركبات المترابطة تساهميًّا. ويتأثَّر معدل التفاعل أيضًا بالضوء وطاقة التأين القوية. فالطاقة الكهرومغناطيسية يمكنها أن تؤثِّر على الروابط الكيميائية، ويمكنها أن تؤدي إلى تحوُّل الجسيمات إلى نواتج بمعدل أسرع. توجد عدة عوامل يمكنها أن تؤثِّر على معدل التفاعل الكيميائي، لن يتناول هذا الشارح سوى بعضٍ منها.

ثمة علاقة طردية بين الضغط ومعدل التفاعل؛ فالضغط يحدِّد الفراغات بين الجسيمات المتفاعلة. فوجود الجسيمات في وعاء تفاعل عالي الضغط يجعلها قريبة للغاية بعضها من بعض، فيزيد عدد التصادمات فيما بينها. أما وجود الجسيمات في وعاء منخفض الضغط، فيجعلها متباعدة للغاية، ما يقلِّل من عدد التصادمات فيما بينها. ويزيد عدد المرات التي تتغلب فيها الجسيمات على حاجز طاقة التنشيط إذا وُضِعت في وعاء تفاعل عالي الضغط.

توضِّح الصورة الآتية أنه كلما زاد الضغط في الوعاء، قلَّت الفراغات التي تفصل بين جسيمات الغاز المتفاعلة. يمثِّل اللون الأزرق أحد نوعَي جسيمات الغاز المتفاعلة، ويمثِّل اللون الأحمر النوع الآخر من الجسيمات المتفاعلة. أما جدران الوعاء، فممثَّلة بخط أسود سميك.

يمكن أيضًا الاستعانة بنظرية التصادم لفهم كيفية تأثير قيم مساحة السطح على معدلات التفاعل. لا يمكن للجسيمات أن تتفاعل وتنتج عنها جزيئات إلا إذا تصادمت فيما بينها. وقد يزيد عدد التفاعلات الكيميائية إذا كانت مساحة السطح لأحد المتفاعلات المعرَّضة للمتفاعل الآخر كبيرة. تزيد قدرة الجسيمات المتفاعلة على التغلُّب على حاجز طاقة التنشيط عندما ينكشف المزيد من أسطح المتفاعلات بعضها لبعض.

توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن زيادة معدل التفاعل عن طريق زيادة مساحة سطح جزيئات أحد المتفاعلات. توضِّح الصورة كيف يمكن أن يحدث المزيد من التصادمات بين النوعين المختلفين للجسيمات عندما تتكسَّر كتلة الجسيمات الزرقاء إلى أجزاء أصغر.

مثال ٢: تحديد النظام ذي مساحة السطح الكلية الكبرى

مجموعات الأشكال الآتية لها نفس الحجم الكلي. أيٌّ منها له أكبر مساحة سطح كلية؟

الحل

يطلب منا السؤال المقارنة بين مجموعات مختلفة من الأشكال وإيجاد المجموعة التي لها أكبر مساحة سطح كلية.

إحدى طرق حل هذه المسألة هي حساب مساحة سطح كل شكل على حدة وجمعها، لكن من السهل حل هذه المسألة بطريقة بديهية. يمكنك الاطلاع على شرح لطريقة الحساب المباشر أسفل هذا المثال.

أما الطريقة البديهية فتتضمَّن المقارنة بين الأرقام لمعرفة أيٌّ منها له مساحة سطح كلية أكبر أو أقل. على سبيل المثال، عند مقارنة الشكل (ب) (المكعب) بالشكل (أ) (متوازي المستطيلات)، يمكننا ملاحظة أن جميع الأوجه الخارجية للشكل (أ) مماثلة لجميع الأوجه الخارجية للشكل (ب)، لكن مع إضافة وجهين في المنتصف. إذن مساحة سطح الشكل (أ) أكبر من مساحة سطح الشكل (ب).

يمكننا اتباع منطق مشابه لتوضيح أن الشكل (د) (متوازيات المستطيلات الأربعة) له مساحة سطح أكبر من الشكل (أ).

وأخيرًا، الشكل (ج) (المكعبات الثمانية) هو نفس الشكل (د)، مع وجود قطع رأسية إضافية تؤدي إلى زيادة مساحة السطح. إذن الشكل (ج) له أكبر مساحة سطح من بين الأشكال الموضَّحة.

رغم ذلك، فإن حساب مساحة السطح الكلية لكل شكل على حدة طريقة صحيحة أيضًا، لكنها تستغرق وقتًا طويلًا. فعلينا أولًا تحديد مساحة سطح كل وجه مكشوف مربع أو مستطيل من نوع واحد. ثم علينا حساب مساحة سطح كل وجه مكشوف مربع أو مستطيل من نوع مختلف، كما علينا أن نضرب الكثير من هذه القيم ونجمعها معًا. بالنسبة إلى الشكل (أ)، علينا تحديد مساحة سطح نوعين مختلفين من الأوجه؛ حيث توجد أوجه مربعة وأخرى مستطيلة. علينا بعد ذلك ضرب هذين العددين في أربعة أو ثمانية، ثم نجمع الحدين الناتجين عن حاصل الضرب معًا. هذه العمليات الحسابية موضَّحة في الآتي:

(ب):

(أ):

(د):

(ج):

تُشير الطريقة البديهية وطريقة الحساب المباشر إلى أن الاختيار (ج) هو الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.

يمكن أيضًا الاستعانة بنظرية التصادم للتعرُّف على كيفية تأثير قيم التركيز على معدلات التفاعل. فكلما زاد تركيز أحد الجسيمات المتفاعلة أو جميعها، زاد عدد التصادمات فيما بينها. وكلما قلَّ تركيز أحد الجسيمات المتفاعلة أو جميعها، قلَّ عدد التصادمات فيما بينها. وتزيد قدرة الجسيمات المتفاعلة على التغلُّب على حاجز طاقة التنشيط كلما زاد تركيز واحد من الجسيمات المتفاعلة على الأقل؛ حيث يؤدي هذا إلى زيادة عدد التصادمات الفعالة.

من ذلك يمكننا فهم سبب ذوبان الزنك ببطء في أحد محاليل حمض الهيدروكلوريك، وبمعدل أسرع في محلول آخر من محاليل حمض الهيدروكلوريك. تزيد سرعة التفاعل الكيميائي كلما زاد تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول؛ ذلك بسبب زيادة عدد التصادمات بين أيونات الهيدروجين والزنك في أي إطار زمني معيَّن. ومن ثَمَّ، يزيد عدد المرات التي تتغلَّب فيها الجسيمات المتفاعلة للزنك والهيدروجين على حاجز طاقة التنشيط.

مثال ٣: تحديد مجموعة قيم درجة الحرارة والتركيز ومساحة السطح التي تقلِّل معدل التفاعل

في أيِّ الأشكال الآتية يكون معدل التفاعل أبطأ؟

الحل

يطلب منا هذا السؤال تحديد التفاعل الذي يحدث بمعدل أبطأ. يقدِّم السؤال معلومات عن تركيز الجسيمات المتفاعلة، ودرجة حرارتها، ومساحة سطحها. علينا اختيار الشكل الذي يُشير إلى أقل معدل تفاعل. من السهل التفكير في خواص مثل التركيز ودرجة الحرارة كلٌّ على حدة بدلًا من التفكير فيها جميعًا في الوقت نفسه.

تنص نظرية التصادم على أن معدلات التفاعل تنخفض بانخفاض تركيز الجزيئات المتفاعلة. نستخدم هذه العبارة لاستبعاد الاختيارات التي تتضمَّن المحاليل التي يبلغ تركيزها 2.0 M من محلول حمض الهيدروكلوريك () والتركيز على الاختيارات التي تتضمَّن حمض الهيدروكلوريك الذي يبلغ تركيزه 0.5 M.

تنص نظرية التصادم على أن معدلات التفاعل تنخفض بانخفاض درجة الحرارة. يمكننا استخدام هذه العبارة لاستبعاد الاختيارات التي تتضمَّن درجة حرارة محلول الهيدروكلوريك التي تبلغ ، ونركِّز على الخيارات التي تتضمَّن درجة حرارة محلول الهيدروكلوريك التي تبلغ .

تنص نظرية التصادم على أن معدلات التفاعل تنخفض كلما قلَّت مساحة السطح المعرَّضة للتصادمات بين الجسيمات المتفاعلة. فمساحة سطح الكتل أقل من مساحة سطح المسحوق، وهذا يعني أن علينا التركيز على الاختيارات التي تتضمَّن كتل كربونات المغنيسيوم.

إذن الاختيار (ب) يمثِّل أقل معدل تفاعل؛ لأنه يتضمَّن محلول حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.5 M، وبدرجة حرارة ، ويتفاعل مع كتل من كربونات المغنيسيوم.

تتناسب العديد من الخواص الفيزيائية مع معدل التفاعل، أو تكون بينها علاقة طردية. ينخفض معدل التفاعل إلى النصف عندما ينخفض الضغط إلى النصف، ويتضاعف معدل التفاعل عندما تتضاعف مساحة سطح التفاعل. كما ينخفض معدل التفاعل بمقدار 10 عندما ينخفض تركيز الجسيمات المتفاعلة بمقدار 10.

يمكن تطبيق نظرية التصادم عند إجراء التفاعلات الكيميائية لجعلها أكثر أمانًا وتجنُّب الأخطار الصناعية. فمن الممكن أن تحدث انفجارات غبارية في المصانع التي تتعامل مع مواد قابلة للاشتعال مثل الفحم والدقيق. وقد يكون تفاعل المواد القابلة للاشتعال انفجاريًّا إذا تحوَّلت إلى غبار محمول جوًّا؛ لأن المواد القابلة للاشتعال لها مساحة سطح كلية كبيرة ويمكنها أن تتفاعل بمعدل سريع للغاية.

تنص نظرية التصادم على أنه يمكن الحد من المخاطر الناتجة عن الانفجار الغباري إذا قلَّ عدد التصادمات الفعالة بين الجسميات القابلة للاشتعال. كما يمكن تقليل عدد التفاعلات الانفجارية عن طريق التأكد من تهوية المكان بشكل صحيح؛ لأن الرياح تتسبَّب في إبعاد الجسيمات القابلة للاشتعال بعضها عن بعض. كما يمكن تقليل عدد التفاعلات الانفجارية عن طريق التأكد من احتواء الهواء على كمية كبيرة من بخار الماء. لا يمكن للجسيمات القابلة للاشتعال أن تتفاعل إذا تصادمت مع جزيئات الماء التي تتخلَّلها.

يمكن استخدام نظرية التصادم لفهم وتقليل مخاطر حدوث انفجارات خطيرة في المناجم الموجودة تحت الأرض. ينتج غاز الميثان عن عمليات طبيعية تحدث على مدار ملايين السنين، ويمكن أن يتركَّز أحيانًا في جيوب صغيرة في مكان ما في باطن الأرض. على عمال المناجم أن يحذروا من جيوب غاز الميثان المركَّزة هذه؛ لأنها قد تتفاعل انفجاريًّا إذا حدث واشتعلت بسبب شرارة، أو حال تعرُّضها للهب مكشوف. تنص نظرية التصادم على أن خطر حدوث تفاعل انفجاري يرتبط ارتباطًا مباشرًا بتركيز جزيئات الميثان المتفجِّرة في الجيوب الغازية في باطن الأرض. يمكن أن يقل خطر حدوث تفاعل انفجاري إلى حد كبير إذا اتخذ عمال المناجم بعض الإجراءات الوقائية وعثروا على طرق مناسبة لتقليل تركيز جزيئات الميثان الغازية في الهواء.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.