في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف معدل التفاعل الكيميائي، ونوضِّح تأثير نوع المتفاعل ومساحة السطح على هذا المعدل.
تحدث التفاعلات الكيميائية طوال الوقت. يمكن ملاحظة بعض التفاعلات الكيميائية أثناء حدوثها، أما التفاعلات الأخرى فهي إما سريعة جدًّا وإما بطيئة جدًّا، لدرجة أنه لا يمكن ملاحظتها مباشرة. أسقِطْ قطعة من المغنيسيوم في كأس زجاجية تحتوي على حمض الهيدروكلوريك، وسيحدث تفاعلًا كيميائيًّا. يمكننا متابعة التفاعل الكيميائي ومشاهدته أثناء حدوثه خلال الثواني و الدقائق.
لكن، اترك قطعة من الحديد في الهواء وستصدأ ببطء. تحدث عملية الصدأ الكيميائية على مدار أسابيع، أو شهور، أو سنوات. وتحدث تفاعلات كيميائية أخرى بسرعة كبيرة جدًّا. أَشعِل عود ثقاب وسترى أن التفاعل الكيميائي الذي ينتج عنه اللهب يحدث لحظيًّا تقريبًا.
يوضِّح الجدول الآتي أمثلة لتفاعلات كيميائية تحدث على فترات زمنية مختلفة.
| التفاعل الكيميائي | الفترة الزمنية للتفاعل |
|---|---|
| الاحتراق | سريع جدًّا |
| تفاعل المغنيسيوم مع الماء | سريع |
| صدأ الحديد | بطيء |
| التجوية الكيميائية للصخور | بطيء جدًّا |
مثال ١: اختيار التفاعل الكيميائي المحتمل حدوثه في فترة زمنية معيَّنة
يوضِّح الخط الزمني الكيميائي الآتي أمثلة للتفاعلات الكيميائية المختلفة التي تحدث عبر نطاق من الفترات الزمنية. أيُّ التفاعلات الآتية يُحتمَل حدوثه عند النقطة س.
- طهي الطعام
- تفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك
- إشعال عود ثقاب
- تفاعل الفلزات القلوية مع الماء
- التجوية الكيميائية للصخور
الحل
من هذا الشكل، يمكننا أن نرى أن النقطة س تُشير إلى تفاعل يحدث على مدى زمني بطيء جدًّا. وعلى الرغم من أن الشكل لم يوضِّح أي تفاصيل حول مدى بطء التفاعل بالضبط، فإنه يمكننا استنتاج أن التفاعل أبطأ من صدأ الحديد.
تحدث العديد من التفاعلات الكيميائية أثناء طهي الطعام؛ ولكننا نعرف أن أغلب الأطعمة يمكن طهيها خلال دقائق أو ساعات؛ أي إنه من غير المحتمل أن يكون طهي الطعام أبطأ من صدأ الحديد.
الخيارات الثلاثة التالية توضِّح جميعها تفاعلات كيميائية سريعة. يتفاعل الحديد بسرعة مع حمض الهيدروكلوريك، كما أن إشعال عود الثقاب يُحدِث تفاعلًا كيميائيًّا سريعًا جدًّا يَنتج عنه لهب، وكذلك إسقاط فلزات قلوية في الماء يَنتج عنه تفاعل عنيف وانفجاري.
أما التجوية الكيميائية للصخور، فهي عملية بطيئة تستغرق سنوات؛ ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ).
أثناء التفاعل الكيميائي، تتحوَّل المتفاعلات إلى نواتج. وبحدوث التفاعل، تتناقص تركيزات المتفاعلات. ويؤدِّي تكوين النواتج إلى زيادة تركيز النواتج.
وتُعَد ملاحظة التغيُّر في تركيزات المتفاعلات والنواتج طريقة لمتابعة عملية التفاعل. انظر التفاعل الكيميائي الآتي:
أثناء التفاعل الكيميائي، يتناقص تركيز وتركيز نتيجة تفاعلهما معًا. ولكن تركيز يتزايد؛ نتيجة تَكَوُّنه أثناء التفاعل.
يوضِّح التمثيل البياني الآتي كيفية تغيُّر تركيز وتركيز أثناء التفاعل. المحور الأفقي يمثِّل الزمن، ويُعطى عادةً بوحدة الثانية. والمحور الرأسي يمثِّل تركيز وتركيز ، ويُعطى عادةً بوحدة المول لكل لتر.
النقطة التي لا تتغيَّر عندها تركيزات المتفاعل والناتج تخبرنا أن التفاعل قد انتهى. من التمثيل البياني السابق، نرى أن تركيز الناتج يصل إلى أقصى قيمة له عند ٥٠ ثانية. وعند هذا الزمن، يكون تركيز المتفاعل صفرًا؛ ومن ثَمَّ فقد استُخدم كاملًا.
مثال ٢: تحديد الزمن المستغرق لإكمال تفاعل باستخدام التمثيل البياني
يوضِّح التمثيل البياني الآتي تركيز غاز الأكسجين الناتج خلال التفاعل الكيميائي الآتي: ما المدة الزمنية التي يستغرقها التفاعل ليصبح تامًّا؟
- ٩٠ ثانية
- ١٢٠ ثانية
- ١٠٠ ثانية
- ٨٠ ثانية
- ٢٠ ثانية
الحل
يوضِّح التمثيل البياني كيفية تغيُّر تركيز غاز الأكسجين أثناء تفكُّك بيروكسيد الهيدروجين (). بدأ الأكسجين بتركيز صفر، باعتباره ناتجًا للتفاعل، ثم أخذ في الزيادة.
عند نهاية التفاعل، سيثبت تركيز الأكسجين ولن يتغيَّر. يمكننا أن نلاحظ من التمثيل البياني أن أقصى قيمة للتركيز يصل إليها غاز الأكسجين هي ١٫٠٠ مول لكل لتر.
يصل تركيز غاز الأكسجين إلى القيمة ١٫٠٠ مول لكل لتر عند زمن ٩٠ ثانية. ومن ثَمَّ، فإن التفاعل يستغرق ٩٠ ثانية حتى يصل إلى نهايته. يمكن استخدام هذا الاستنتاج لتحديد أن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.
تُعرَف سرعة حدوث التفاعل الكيميائي بمعدل التفاعل. وعادةً ما يَصِف معدل التفاعل كيفية تغيُّر متغيِّر ما خلال معدل زمني معيَّن. قد يكون هذا التغيُّر في الحجم أو الكتلة لكل ثانية أو لكل دقيقة.
لكن القياس الشائع لمعدل التفاعل هو التغيُّر في التركيز خلال الزمن.
تعريف: معدل التفاعل
يقيس معدل التفاعل مدى تغيُّر تركيز المتفاعل أو الناتج لكل وحدة زمن.
عند إضافة هيدروكسيد الصوديوم إلى كبريتات النحاس الزرقاء، يحدث تفاعل كيميائي. وأثناء التفاعل، يُصبح المحلول عديم اللون نتيجة تكوين كبريتات الصوديوم. بالإضافة إلى ذلك، يتكوَّن أيضًا راسب أزرق من هيدروكسيد النحاس. ويظهر هذا في الصورة الآتية.
بقياس الزمن المستغرَق لتحوُّل المحلول إلى عديم اللون، أو الزمن المستغرَق لظهور هيدروكسيد النحاس، يمكننا قياس معدل التفاعل.
يمكن أن يتأثَّر معدل التفاعل بعدة عوامل. وتغيير هذه العوامل من شأنه أن يزيد أو يُنقِص من معدل التفاعل. فيما يلي بعض العوامل التي تؤثِّر على معدل التفاعل:
- طبيعة المتفاعلات
- مساحة السطح
- التركيز
- درجة الحرارة
- العوامل الحفَّازة
سنركِّز في هذا الشارح على طبيعة المتفاعلات ومساحة السطح.
من المهم أن نلاحظ أن تغيير هذه العوامل لا يغيِّر التركيزات النهائية للنواتج. ولكن تغيير هذه العوامل سيغيِّر الزمن المستغرَق للوصول إلى هذه التركيزات النهائية.
مثال ٣: تحديد أفضل عبارة تُعرِّف معدل التفاعل الكيميائي
أيُّ العبارات الآتية تُعرِّف معدل التفاعل الكيميائي تعريفًا صحيحًا؟
- قياس التغيُّر في تركيز المتفاعلات أو النواتج لكل وحدة زمن
- الفرق في الكتلة بين المتفاعلات والنواتج
- التركيز النهائي للنواتج بعد التفاعل الكيميائي
- السرعة التي يجب أن تتحرَّك بها الجسيمات لكي تتصادم بنجاح
- الزمن الذي تكون فيه تركيزات النواتج والمتفاعِلات متساوية
الحل
يُعطينا معدل التفاعل معلومات عن مدى سرعة حدوث تفاعل كيميائي. وهناك عدة طرق يمكننا بها قياس معدل التفاعل ووصفه؛ ولكن أغلب هذه الطرق تتضمَّن التغيُّرات التي تحدث على كمية ما خلال فترة زمنية ما.
من بين العبارات الخمس المُعطاة، نلاحظ أن العبارات (أ) و(د) و(هـ) تتضمَّن كلمات مثل السرعة أو الزمن في وصفها. إذن من المحتمل أن تكون العبارة الصحيحة هي إحدى هذه العبارات.
ولكن العبارة (أ) فقط هي التي تَصِف كيفية تغيُّر شيء ما لكل وحدة زمن. وهو في هذه الحالة، التغيُّر في تركيز المتفاعلات أو النواتج لكل وحدة زمن.
وهذا وصف جيد لمعدل التفاعل؛ حيث يقل تركيز المتفاعل أثناء حدوث التفاعل. وعلى العكس من ذلك، يزيد تركيز الناتج نتيجة تَكَوُّنه أثناء التفاعل.
ومن ثَمَّ، فإن العبارة التي تُعرِّف معدل التفاعل الكيميائي تعريفًا صحيحًا هي (أ).
من الممكن أن تؤثِّر طبيعة المتفاعلات على معدل التفاعل. ويُقصد بطبيعة المتفاعلات إذا ما كان المتفاعل أيونيًا أو جزيئًا تساهميًّا.
غالبًا ما تكون التفاعلات الكيميائية التي تتضمَّن متفاعلات أيونية أسرع بكثير من تلك التي تتضمَّن متفاعلات مترابطة تساهميًّا. يمكن أن تتفكَّك المتفاعلات الأيونية إلى أيونات يمكنها أن تتفاعل سريعًا. أما الجزيئات التساهمية، فهي تتطلَّب كسر الروابط القديمة وتكوين روابط جديدة للدخول في تفاعل كيميائي، وهذا يستغرق زمنًا أطول من التفاعل بين الأيونات.
وبهذا، يكون التفاعل بين المركبات الأيونية مثل كلوريد الصوديوم ونيترات الفضة أسرع بكثير من التفاعل بين غاز الأكسجين وأول أكسيد الكربون:
ثمة عامل آخر من شأنه التأثير على معدل التفاعل، وهو مساحة سطح المتفاعلات.
هيا نفكِّر في التفاعل الذي يحدث بين المتفاعلين و. في الصور الآتية، تمثِّله الدوائر البنفسجية، و تمثِّله الدوائر الخضراء.
في الصورة الأولى، هو كتلة كبيرة صلبة. وهنا، تكون مساحة سطح صغيرة. في البداية، كان بإمكان جزيئات أن تتفاعل مع الجسيمات الخارجية فقط من . ولكن بمجرد أن تفاعلت الجسيمات الخارجية من ، ظهرت الجسيمات الداخلية.
ولكن، إذا قُطِعت نفس الكتلة من إلى قطع أصغر، فإن مساحة السطح ستزيد. وتوضِّح الصورة الآتية أنه يوجد الآن جسيمات أكثر من يمكنها أن تتفاعل مع جزيئات . ونتيجةً لذلك، سيزداد معدل التفاعل.
يمكن زيادة مساحة سطح أكثر من ذلك بتقسيمه إلى قطع أصغر، كما يظهر في الصورة الآتية. والآن، يُوجَد عدد أكبر من جسيمات المتفاعل يمكنها أن تتفاعل مع .
سيزيد معدل التفاعل مرة أخرى ليصبح الأسرع من بين التجارب الثلاث.
إذن زيادة مساحة السطح تزيد من معدل التفاعل.
مثال ٤: تحديد الترتيب الصحيح لمعدلات التفاعل لتفاعلات مختلفة
يوضِّح الشكل الآتي أربعة تفاعلات مختلفة لعيِّنة من فلز مع حمض. أيٌّ من الآتي يُتوقَّع أن يكون ترتيب معدل التفاعل للتفاعلات الأربعة من الأبطأ إلى الأسرع؟ افترض أن الكتلة الكلية للفلز وتركيز الحمض ودرجة الحرارة هي نفسها لجميع التفاعلات.
- (أ)، (ج)، (ب)، (د)
- (د)، (ب)، (ج)، (أ)
- (ج)، (ب)، (أ)، (د)
- (ب)، (د)، (ج)، (أ)
- (د)، (أ)، (ج)، (ب)
الحل
توضِّح كل كأس زجاجية تفاعلًا يحدث بين فلز وحمض. وقد تم إخبارنا أن الكتلة الكلية المستخدَمة من الفلز في التفاعلات الأربعة متساوية. ومع ذلك، يمكننا ملاحظة أن كل كأس زجاجية تحوي عددًا مختلفًا من قطع الفلز. بعبارة أخرى، تختلف مساحة سطح الفلز في كل كأس زجاجية.
يمكن أن يتأثَّر معدل التفاعل بمساحة السطح. وعادةً كلما كانت مساحة السطح أكبر، كان معدل التفاعل أسرع.
مساحة السطح الكبيرة تعني أن جزء الفلز المعرَّض للتفاعل أكبر. أما إذا كان الفلز عبارة عن قطعة واحدة، فإن مساحة السطح تكون صغيرة، ولا يمكن للذرات الداخلية أن تتفاعل إلا بعد أن تتفاعل الذرات الخارجية.
وبالنظر إلى كل كأس زجاجية، يمكننا أن نلاحظ أن الفلز في الكأس (د) له أكبر مساحة سطح، يليه (ب)، ثم (ج)، وأخيرًا (أ).
إذن نتوقَّع أن يكون معدل التفاعل أسرع في (د) ثم (ب) ثم (ج) ثم (أ). لكن السؤال يطلب منا ترتيب معدلات التفاعل من الأبطأ إلى الأسرع. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ): (أ)، (ج)، (ب)، (د).
يمكن توضيح تأثير مساحة السطح على معدل التفاعل من خلال تفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك. بتفاعل الحديد مع حمض الهيدروكلوريك، وقياس كمية الغاز الناتجة خلال فترة زمنية معيَّنة، يمكننا تحديد المعدل النسبي للتفاعل.
ويمكن إجراء التجربة كما هو موضَّح في الآتي. في التجربة، نملأ دورقين مخروطيين بتركيزين متساويين من حمض الهيدروكلوريك. نضع شريطًا حديديًّا في أحد الدورقين المخروطيين، ونضع في الدورق الآخر بُرداة حديد. نُجري التفاعلين عند نفس درجة الحرارة. نستخدم محقنة الغاز لقياس كمية غاز الهيدروجين الناتجة أثناء تفاعل بُرادة الحديد أو شريط الحديد مع حمض الهيدروكلوريك.
المعادلة الكيميائية للتفاعل هي:
في كل تجربة، يمكن قياس حجم الغاز كل ٥ ثوانٍ ثم رسم البيانات على تمثيل بياني. يوضِّح التمثيل البياني الآتي نتائج التجربتين.
في التمثيل البياني، يمكننا ملاحظة أن الكمية النهائية الناتجة من الغاز واحدة في التفاعلين. ولكن هذه الكمية من الغاز أُنتجت بسرعة أكبر في حالة استخدام بُرادة الحديد. إذن معدل التفاعل أسرع في التفاعل المستخدَم فيه بُرادة الحديد.
وهذا الاستنتاج ليس مفاجئًا. مساحة سطح بُرادة الحديد أكبر بكثير من شريط الحديد. وكلما كانت مساحة السطح أكبر، كان معدل التفاعل أسرع.
مثال ٥: تحديد أكبر مساحة سطح لمادة صلبة في تفاعل من التمثيل البياني
في إحدى التجارب، أضاف طالب عيِّنة من مادة صلبة إلى محلول؛ وهو ما أدى إلى حدوث تفاعل كيميائي. كرَّر الطالب التجربة خمس مرات، ولكنه غيَّر مساحة سطح المادة الصلبة. يوضِّح التمثيل البياني الآتي كيف تغيَّر تركيز أحد النواتج مع مرور الزمن في كل تجربة. في أي تجربة كانت مساحة سطح المادة الصلبة هي الأكبر؟
الحل
يتأثَّر معدل التفاعل الكيميائي بتغيُّر مساحة سطح المتفاعل. ولكن التركيز النهائي للناتج لا يتغيَّر. يمكننا أن نلاحظ من التمثيل البياني أنه في جميع التجارب الخمس كان التركيز النهائي للناتج ١٫٥٠ مول لكل لتر.
نلاحظ من التمثيل البياني أن معدل التفاعل الأسرع يناظر خطًّا أكثر حدةً. والخط الأكثر حدةً يعني أنه يمكن الوصول إلى التركيز النهائي للناتج في وقت أقصر بكثير. ومن ثَمَّ، يمكننا أن نلاحظ من التمثيل البياني أن الخط (ب) يناظر أسرع معدل تفاعل، والخط (د) يناظر أبطأ معدل تفاعل.
بعد ذلك، علينا تحديد كيف يتأثَّر معدل التفاعل بمساحة السطح. كلما زادت مساحة السطح، زاد عدد الجزيئات المعرَّضة للتفاعل؛ ومن ثَمَّ، كان معدل التفاعل أسرع.
أما إذا كانت مساحة السطح صغيرة، فلا يمكن للجزيئات الداخلية أن تتفاعل إلا بعد أن تتفاعل الجزيئات الخارجية. ونتيجةً لذلك، يصبح معدل التفاعل أبطأ.
عرفنا الآن أن معدل التفاعل يكون أسرع عندما تكون مساحة السطح أكبر. حدَّدنا أيضًا من التمثيل البياني أن أسرع معدل تفاعل يناظر الخط (ب).
ومن ثَمَّ، فإن أكبر مساحة سطح للمادة الصلبة كانت في التجربة (ب).
النقاط الرئيسية
- يمكن أن تحدث التفاعلات الكيميائية خلال نطاقات زمنية مختلفة.
- أثناء التفاعل الكيميائي، يقل تركيز المتفاعلات، ويزيد تركيز النواتج.
- تُعرَف سرعة حدوث التفاعل الكيميائي بمعدل التفاعل.
- يمكن تعريف معدل التفاعل الكيميائي بأنه التغيُّر في تركيز المتفاعلات أو النواتج لكل وحدة زمن.
- يمكن أن يتأثَّر معدل التفاعل بطبيعة المتفاعلات، ومساحة السطح، ودرجة الحرارة، والتركيز، والعوامل الحفازة.
- بوجهٍ عام، معدل تفاعل المركبات الأيونية أسرع من المركبات المترابطة تساهميًّا.
- كلما زادت مساحة السطح، زاد معدل التفاعل.
