فيديو الدرس: معدلات التفاعلات العلوم

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على معدل التفاعل الكيميائي أو سرعة حدوثه. سنصف معدل التفاعل، ونتعرف على كيفية قياسه، ونفهم العوامل التي تؤثر عليه.

أثناء أي تفاعل كيميائي، تتحول مادة أو مواد، تسمى المتفاعلات، إلى مواد جديدة، تسمى النواتج. على سبيل المثال، يتفاعل غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين لتكوين مادة جديدة تمامًا، وهي الماء. التفاعلات الكيميائية تحدث طوال الوقت من حولنا. هناك تفاعل احتراق يحدث في السيارات. حيث يحترق الوقود لكي تعمل المركبة. كما يوجد الكثير من التفاعلات الكيميائية التي تدخل في صنع الأطعمة، مثل «تفاعل ميلارد»، وهو التفاعل المسئول عن تغير لون الخبز والأطعمة الأخرى إلى اللون البني.

للتفاعلات الكيميائية دور أيضًا في ظهور بقع بيضاء على الأقمشة وصدأ الفلزات وتكوين الألماس. وتحدث التفاعلات الكيميائية أيضًا طوال الوقت داخل أجسامنا. إذ تقوم خلايا الجسم بالتنفس الخلوي باستمرار، وهو ما يحول الجلوكوز إلى طاقة. لا تحدث كل هذه التفاعلات الكيميائية بنفس السرعة. بعض التفاعلات تحدث بشكل أسرع من أن نقيس الزمن المستغرق لوقوعها باستخدام ساعة إيقاف. وبعض التفاعلات تستغرق دقائق أو ساعات لكي تكتمل. وهناك تفاعلات تستغرق أيامًا أو حتى أسابيع لكي تكتمل. وبعض التفاعلات تكون أبطأ وتستغرق مئات السنين لكي تكتمل. وبما أن التفاعلات الكيميائية تحدث عبر نطاق من الفترات الزمنية، فإننا نرغب في قياس سرعتها. ولفعل ذلك، علينا فهم ما يحدث للمتفاعلات والنواتج أثناء التفاعل الكيميائي.

سنفترض أن لدينا تفاعلًا كيميائيًّا يتحد فيه متفاعلان لتكوين ناتج. سنضع المتفاعلات في كأس زجاجية. يمكننا التعبير عن الكمية الأولية للمتفاعلات بدلالة التركيز، الذي عادة ما يكون بوحدة المول لكل لتر. في البداية، لن يكون لدينا أي ناتج لأنه لم يتكون أي شيء بعد. ولكن جسيمات المتفاعلات ستبدأ في التصادم ببعضها، مما يكون الناتج. يتزايد تركيز الناتج؛ وذلك بسبب تكون النواتج. وفي الوقت نفسه، يتناقص تركيز المتفاعلات وذلك لاستهلاكها أثناء التفاعل. وفي النهاية، يتوقف تركيز النواتج عن التغير مع مرور الوقت. وعندما يحدث هذا، ينتهي التفاعل. يمكننا ملاحظة أن هذا التفاعل استغرق نحو 50 ثانية.

إننا نرغب في إيجاد طريقة لقياس سرعة هذا التفاعل الكيميائي. سنقيس سرعة التفاعل مثلما نقيس سرعة السيارة. إننا نحدد سرعة السيارة بقياس التغير في المسافة خلال وحدة زمنية. وبالمثل، تمثل سرعة التفاعل الكيميائي تغيرًا في شيء ما خلال وحدة زمنية. لكن الشيء الذي يتغير أثناء التفاعل الكيميائي ليس المسافة، بل كمية النواتج والمتفاعلات. ويمكن أن تكون هذه الكمية كتلة أو حجمًا أو قياسًا آخر. لكن القياس الأكثر شيوعًا هو على الأرجح التركيز، مثلما رأينا في هذا التمثيل البياني. إذن، سرعة التفاعل الكيميائي، التي نطلق عليها معدل التفاعل، هي التغير في تركيز المتفاعلات والنواتج خلال وحدة زمنية.

يمكننا قياس معدل التفاعل من خلال قياس تلاشي المتفاعل أو تكون الناتج بمرور الوقت. لنفترض أن لدينا محلولًا من كبريتات النحاس، الذي يتميز بلونه الأزرق الساطع. وأننا أضفنا بعض هيدروكسيد الصوديوم إلى كبريتات النحاس. بعد فترة زمنية، يصبح المحلول عديم اللون وتتكون مادة صلبة في قاع الكأس الزجاجية، وهي هيدروكسيد النحاس. هناك طريقتان لقياس معدل هذا التفاعل، لأن المتفاعل -وهو كبريتات النحاس- له لون، في حين أن الناتج عديم اللون. يمكننا قياس تلاشي المتفاعل بسهولة من خلال قياس الفترة الزمنية التي استغرقها المحلول ليصبح عديم اللون. يمكننا أيضًا قياس معدل التفاعل من خلال تحديد كمية هيدروكسيد النحاس المتكونة بعد فترة زمنية محددة.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل، مثل طبيعة المتفاعلات ومساحة سطح المتفاعلات وتركيز المتفاعلات ودرجة حرارة التفاعل واستخدام العوامل الحفازة. في هذا الفيديو، سنركز على تأثير طبيعة المتفاعلات ومساحة السطح على معدل التفاعل. سنبدأ بتناول طبيعة المتفاعلات. وهي تشير تحديدًا إلى نوع الترابط في المركب، الذي يؤثر على معدل التفاعل. المركبات التي تحتوي على ترابط أيوني، مثل كلوريد الصوديوم، يمكنها أن تتأين إلى أيونات موجبة الشحنة وأيونات سالبة الشحنة. هذه الأيونات يمكنها أن تتفاعل سريعًا. يمكننا مقارنة ذلك بالتفاعلات بين المركبات التي تحتوي على ترابط تساهمي، مثل الهيدروجين والأكسجين. هنا، يجب تكسير الروابط بين ذرات وجزيئات المتفاعلات، بحيث يمكن تكوين روابط بين ذرات النواتج.

يستغرق تكوين الروابط وتكسيرها وقتًا أطول. لذا، غالبًا ما تكون التفاعلات بين المركبات المترابطة تساهميًّا أبطأ بكثير من التفاعلات بين المركبات التي تحتوي على ترابط أيوني. تؤثر مساحة السطح أيضًا على معدل التفاعل. في أي مادة صلبة، لا يحدث تفاعل سوى للجسيمات الموجودة على سطح المادة. إذ لا يمكن أن تتفاعل الجسيمات الموجودة في منتصف المادة الصلبة إلا بعد تفاعل الجسيمات الموجودة على السطح. لنفترض أن لدينا عينتين تحتويان على نفس الكمية من المادة الصلبة. إحدى العينتين هي عبارة عن قطعة واحدة من المادة الصلبة، في حين أن العينة الأخرى مقسمة إلى قطع أصغر. عندما تكون المادة الصلبة مقسمة إلى قطع أصغر، تكون مساحة سطحها أكبر ويصبح هناك جسيمات ظاهرة ومعرضة للتفاعل أكثر مما لو كانت المادة الصلبة قطعة واحدة كبيرة. ومن ثم، يحدث التفاعل بسرعة أكبر عندما تكون المادة الصلبة مقسمة إلى قطع أصغر. بعبارة أخرى، كلما زادت مساحة السطح، زادت سرعة التفاعل.

يمكننا أن نلاحظ هذا في تجربة برادة الحديد. في هذه التجربة، لدينا دورقان. سنضع في أحدهما شريطًا من الحديد. وفي الآخر، سنضع نفس كتلة الحديد، ولكن في صورة برادة حديد. وسنضع كمية من حمض الهيدروكلوريك في كل دورق ونغلقهما بسدادة. يتفاعل الحديد وحمض الهيدروكلوريك لتكوين كلوريد الحديد والهيدروجين. الهيدروجين غاز. وعند تكوينه، تنطلق فقاعات في الدورق. يمكننا تجميع غاز الهيدروجين في محقنة غاز. ويمكننا تمثيل حجم غاز الهيدروجين الناتج مع مرور الوقت. بالنسبة إلى كل من برادة الحديد وشريط الحديد، يمكننا ملاحظة أن الدورقين ينتجان نفس الكمية من غاز الهيدروجين. وهذا منطقي بما أننا بدأنا بنفس كتلة الحديد في كل دورق.

بالمقارنة بين الخطين، نجد أنهما يصلان إلى أقصى كمية من غاز الهيدروجين عند زمنين مختلفين. ونجد أن الدورق الذي يحتوي على البرادة وصل إلى أقصى كمية أسرع بكثير من الدورق الذي يحتوي على الشريط. وعليه، فإن التفاعل قد حدث في الدورق الذي يحتوي على البرادة بمعدل أسرع من الدورق الذي يحتوي على الشريط. وبهذا، نكون قد تعرفنا على معدل التفاعل. دعونا الآن نحل بعض المسائل قبل أن نختتم هذا الفيديو.

أي العبارات الآتية تعرف معدل التفاعل الكيميائي تعريفًا صحيحًا؟ (أ) قياس التغير في تركيز المتفاعلات أو النواتج خلال وحدة زمنية. (ب) الفرق في الكتلة بين المتفاعلات والنواتج. (ج) التركيز النهائي للنواتج بعد التفاعل الكيميائي. (د) السرعة التي يجب أن تتحرك بها الجسيمات لكي تتصادم بنجاح. (هـ) الزمن الذي تكون فيه تركيزات النواتج والمتفاعلات متساوية.

حسنًا، يوضح لنا معدل التفاعل الكيميائي سرعة التفاعل، بعبارة أخرى يوضح لنا إذا ما كان التفاعل سريعًا أو بطيئًا. لتعريف هذه الكمية، علينا أن نعرف أن المعدل بوجه عام هو التغير في كمية ما خلال وحدة زمنية. على سبيل المثال، معدل حركة السيارة أو سرعتها هو التغير في المسافة خلال وحدة زمنية. لكن خلال التفاعل الكيميائي، المسافة ليست هي التي تتغير. ما يتغير هو كمية المتفاعلات والنواتج. مع مرور الوقت، تتناقص كمية المتفاعلات نتيجة لاستهلاكها أثناء التفاعل. وفي الوقت نفسه، تتزايد كمية النواتج نتيجة لتكونها. يمكننا قياس هذه الكمية من خلال قياس الحجم أو الكتلة أو التركيز. لكن القياس الأكثر شيوعًا هو على الأرجح تركيز المتفاعلات والنواتج. في ضوء ما تحدثنا عنه، يبدو أن الخيار (أ) هو أفضل تعريف لمعدل التفاعل الكيميائي؛ أي قياس التغير في تركيز المتفاعلات أو النواتج خلال وحدة زمنية.

يوضح التمثيل البياني الآتي تركيز غاز الأكسجين الناتج خلال التفاعل الكيميائي الآتي: جزيئان من ‪H2O2‬‏ يتفاعلان لتكوين جزيئين من ‪H2O‬‏ زائد جزيء من ‪O2‬‏. ما المدة الزمنية التي يستغرقها التفاعل حتى يكتمل؟ (أ) 90 ثانية، (ب) 120 ثانية، (ج) 80 ثانية، (د) 100 ثانية، (هـ) 20 ثانية.

في التفاعل الذي لدينا في هذا السؤال، يتفكك بيروكسيد الهيدروجين ليكون الماء وغاز الأكسجين. تم تمثيل تركيز غاز الأكسجين بيانيًّا مع مرور الوقت. علينا تحديد المدة الزمنية التي يستغرقها هذا التفاعل حتى يكتمل. في بداية التفاعل، كان تركيز الأكسجين يساوي صفرًا لأنه لم ينتج غاز أكسجين بعد. بعد ذلك، يزيد التركيز تدريجيًّا حتى يتوقف التركيز عن التغير عندما يصل إلى قيمة تساوي مولًا واحدًا لكل لتر. عندما يتوقف تركيز المتفاعلات والنواتج عن التغير، فهذا يعني أن التفاعل قد اكتمل. يوضح التمثيل البياني أن تركيز الأكسجين توقف عن التغير بعد 90 ثانية. إذن، الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة. استغرق هذا التفاعل 90 ثانية حتى يكتمل.

في إحدى التجارب، أضاف طالب عينة من مادة صلبة إلى محلول؛ مما أدى إلى حدوث تفاعل كيميائي. كرر الطالب التجربة خمس مرات، ولكنه غير مساحة سطح المادة الصلبة. يوضح التمثيل البياني الآتي كيف تغير تركيز أحد النواتج مع مرور الوقت في كل تجربة. في أي تجربة كانت مساحة سطح المادة الصلبة هي الأكبر؟

في التجربة التي لدينا في هذا السؤال، أضيفت مادة صلبة إلى محلول ما وتفاعلت المادة الصلبة. مثل تركيز ناتج هذا التفاعل بيانيًّا مع مرور الوقت. يمثل كل خط من الخطوط الموضحة على هذا التمثيل البياني نفس التفاعل مع نفس كتلة المادة الصلبة. الاختلاف الوحيد هنا هو مساحة سطح المادة الصلبة. علينا تحديد أي من هذه الخطوط يمثل التجربة التي كانت فيها مساحة سطح المادة الصلبة هي الأكبر. في أي مادة صلبة لا يمكن أن تتفاعل سوى الجسيمات الموجودة على السطح. وإذا زادت مساحة السطح، فسيظهر عدد أكبر من جسيمات المادة الصلبة وتصبح معرضة للتفاعل. هذا يعني أن التفاعل يحدث بسرعة أكبر إذا كانت مساحة السطح أكبر. ومن ثم، فإن التجربة التي تكون فيها مساحة سطح المادة الصلبة هي الأكبر ستكون أيضًا التجربة التي يحدث فيها التفاعل الأسرع.

وبالنظر إلى هذا التمثيل البياني، يمكننا ملاحظة أن كل خط يصل إلى نفس القيمة القصوى لتركيز الناتج؛ وهي نحو 1.5 مول لكل لتر. لكن كل خط استغرق فترة زمنية مختلفة للوصول إلى 1.5 مول لكل لتر. لقد وصل الخط الأحمر أولًا. واستغرق الخط الوردي أطول وقت للوصول. بعبارة أخرى، الخط الأحمر يمثل التجربة التي حدث فيها التفاعل الأسرع، والخط الوردي يمثل التجربة التي حدث فيها التفاعل الأبطأ. وكما قلنا، التفاعل الأسرع يناظر مساحة السطح الأكبر. إذن، يمثل الخط الأحمر التجربة التي كانت فيها مساحة سطح المادة الصلبة هي الأكبر؛ أي أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة.

والآن، سنختتم هذا الفيديو بأهم النقاط التي وردت به. تحدث التفاعلات الكيميائية في نطاق من الفترات الزمنية. أثناء التفاعل الكيميائي، تقل تركيزات المتفاعلات مع مرور الوقت، في حين تزداد تركيزات النواتج مع مرور الوقت. معدل التفاعل الكيميائي هو التغير في تركيز المتفاعلات والنواتج خلال وحدة زمنية. يتأثر معدل التفاعل الكيميائي بطبيعة المتفاعلات ومساحة السطح وتركيز المتفاعلات ودرجة حرارة التفاعل والعوامل الحفازة.