فيديو الدرس: معدل التفاعل الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف معدل التفاعل الكيميائي، ونوضح تأثير عوامل مثل درجة الحرارة على معدل التفاعل وسبب ذلك.

تبدأ جميع التفاعلات الكيميائية بالمتفاعلات وتنتهي بالنواتج. وتتضمن جميع التفاعلات الكيميائية حدوث بعض التغيرات على الأقل في الروابط الكيميائية ومواضع الذرات والأيونات والإلكترونات والنوى. ويعتمد العالم الحديث على عدد ضخم من التفاعلات الكيميائية التي تحدث بالفعل. ولكن ما لا يقل أهمية عن ذلك هو معدل هذه التفاعلات.

وفي بعض الأحيان، يمكن حدوث تفاعل معين ولكننا لا نريده بالضرورة أن يحدث. على سبيل المثال، من الأفضل أن يكون معدل حدوث الصدأ بطيئًا للغاية لأننا نريد الحفاظ على قطع الحديد لأن قوتها تمكننا من عمل أشياء مفيدة للغاية. على الصعيد الآخر، تستخدم أجسامنا الإنزيمات لتكسير السموم بسرعة مذهلة. وإذا لم تتكسر هذه السموم بالسرعة الكافية، قد نمرض بشدة أو حتى نموت. ولكن لحسن الحظ، يمكننا الاعتماد على الكيمياء والوثوق بها في بعض الجوانب.

عندما تتحول المتفاعلات إلى نواتج، يمكننا أن نرى تغيرًا في العديد من الأمور، ويمكننا قياس المزيد. ولكن بعض هذه الأمور أكثر إفادة من البعض الآخر. على سبيل المثال، إذا أردنا قياس مدى سرعة تناولك كمية من البطاطس المقلية، يمكننا أن نفعل ذلك ببضع طرق. أسهل طريقة هي أن نحسب الزمن الذي تستغرقه لتناول الكمية بالكامل. أو يمكننا التعبير عن ذلك بحساب عدد حبات البطاطس التي تناولناها في الزمن نفسه. وبعد ذلك يمكننا تبسيط هذا العدد لنرى الزمن الذي يستغرقه تناول حبة بطاطس واحدة في المتوسط. كما يمكننا عمل ذلك بطريقة أخرى وهي تحديد الكمية التي تناولناها ومعرفة الكمية التي تناولناها في الثانية.

عندما نحسب معدلات مثل هذه ونبسطها، فإننا نحسب متوسط المعدل؛ الذي يساوي تغير الكتلة أو الكمية مقسومًا على الزمن المستغرق. وبإمكاننا استخدام متوسط المعدل هذا لمقارنة وجبة بأخرى. وهنا، يمكننا رسم مخطط يعبر عن كيفية تغير الكمية بمرور الزمن. ويمكننا عمل الأمر نفسه مع الكتلة، رغم أنها لا تتطابق بالضرورة لأن كتلة البطاطس تختلف من حبة لأخرى. ولكن في كلتا الطريقتين، فإن التغيرات التي تطرأ على الكمية والكتلة تبدو طريقة جيدة لإيجاد المعدل. بدلًا من ذلك، بإمكاننا محاولة قياس اختفاء الرائحة بمرور الزمن، أو حتى التقاط صور للطبق ورؤية كمية اللون الأصفر التي كانت فيه. بل بإمكاننا أن نجرب تقييم إلى أي مدى لا نزال نشعر بالجوع.

بعض هذه المعايير مفيد للغاية، وسوف يمكننا من إجراء مقارنة كمية بين وجبة وأخرى. ولكن البعض الآخر صعب الاستخدام بعض الشيء، ويتسبب في مشكلات قد تكون صعبة أو حتى مستحيلة الحل. قد يكون من المفيد ألا نعتمد على شيء شخصي كالإحساس بالجوع، أو صعب القياس مثل الرائحة. ولهذا سنرى أنه يجري التعبير عن معدلات التفاعل في أغلب الأحيان باعتبارها تغيرات تطرأ على الكتلة بمرور الزمن، أو تغيرات تطرأ على الكمية بمرور الزمن. بعض التفاعلات الكيميائية قد يكون بطيئًا بشكل كبير؛ مثل تحول المادة العضوية إلى فحم أو نفط. أو قد تكون سريعة بالقدر الكافي كي نلاحظه بمعدل معقول؛ مثل احتراق شمعة. أو قد تكون سريعة للغاية كالانفجار؛ مثل انفجار بالون هيدروجين. ولكن ما الذي نعنيه حقًّا عندما نتحدث عن معدل تفاعل معين؟

دعونا نتخيل أننا نحرق بعض الفحم. في الظروف المثلى، فإن تفاعل الفحم والأكسجين في الهواء ينتج ثاني أكسيد الكربون. ويمكننا إيجاد معدل هذا التفاعل بملاحظة التغيرات التي تطرأ على الكتلة أو الكمية. وفي هذه الحالة، فإننا نرى نقصًا في كمية الفحم بمعدل ثلاثة جرامات كل ثانية. إن كان الوضع كذلك، فإننا سوف نستهلك ثمانية جرامات من الأكسجين كل ثانية أيضًا، ولكنني لن أخوض في هذه الحسابات في هذا الفيديو. بدلًا من ذلك، سوف نستعرض كيفية ارتباط الأرقام أحدها بالآخر.

إن كان التفاعل يعمل بشكل ممتاز، ويمكننا القياس بدقة، فإننا سوف نقيس أيضًا أن التفاعل كان ينتج 11 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون كل ثانية. يذكرنا قانون حفظ الكتلة بأن كتلة النظام المغلق لا يمكن أن تتغير إذا كنا نتعامل فقط مع التفاعلات الكيميائية. لذا من المنطقي أن يكون معدل انخفاض كتلة المتفاعلات مساويًا لمعدل ارتفاع كتلة النواتج. والآن، ماذا عن الكمية بالمول؟ هنا، ولغرض التبسيط، سوف أفترض أن الفحم كربون نقي، وسوف أستخدم الكتل المولية للعناصر لأحدد الكميات بالمول.

ثلاثة جرامات من الكربون تكافئ 0.25 مول من الكربون. لذا، إذا كنا نستهلك ثلاثة جرامات من الكربون كل ثانية، فإننا نستهلك 0.25 مول من الكربون كل ثانية. ثمانية جرامات من جزيئات ‪O2‬‏ تكافئ أيضًا 0.25 مول من جزيئات ‪O2‬‏. ولذا فإن استهلاك ثمانية جرامات من ‪O2‬‏ كل ثانية يكافئ استهلاك 0.25 مول من ‪O2‬‏ كل ثانية. وبإمكاننا عمل الشيء نفسه لناتج ثاني أكسيد الكربون لدينا، وإثبات أن إنتاج 11 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون كل ثانية يكافئ إنتاج 0.25 مول من ثاني أكسيد الكربون كل ثانية. استخدام الكمية بدلًا من الكتلة له مزايا معينة لأن بإمكاننا ربط معدل الإنتاج أو الاستهلاك لمكون ما بمعامل التكافؤ الخاص به والنسب المولارية لمواد أخرى.

بإمكاننا التعبير عن النسب أو المعدلات على هذا النحو، مع الانتباه لما إذا كانت النسبة سالبة؛ بمعنى أننا نستهلك، أو موجبة؛ بمعنى أننا ننتج. ولكن جرت العادة على التعبير عن معامل التكافؤ في صورة نسبة وحسب. وتذكر أن معدلات المتفاعلات سوف تكون سالبة، ومعدلات النواتج سوف تكون موجبة. في هذه الحالة، يبدو من المفيد أكثر التعبير عن المعدلات بالمول لكل ثانية. ولكن في مجال الصناعة، التعبير عن الكتلة مقابل الزمن يكون مفيدًا بدرجة أكبر في كثير من الأحيان. بإمكاننا أيضًا أن نجري تفاعلًا مماثلًا؛ حيث نحرق الفحم بشكل غير كاف لينتج أول أكسيد الكربون بدلًا من ثاني أكسيد الكربون. إذا حدث ذلك على النحو المخطط له، فسوف نحتاج إلى كمية مضاعفة من الكربون مقارنة بما سبق إذا كنا نستخدم كمية الأكسجين نفسها.

كما هي الحال مع التفاعلات المنتظمة التي تكتمل، إن حصلنا على مكون بمعدل معين، بإمكاننا اعتباره المادة المتفاعلة المحددة. نحن نستهلك هنا فقط ثمانية جرامات من الأكسجين كل ثانية. وهذا يعني أننا سنستخدم ستة جرامات من الكربون كل ثانية. إذن فإننا سوف ننتج 14 جرامًا من أول أكسيد الكربون كل ثانية. وإن حولنا معدلات الكتلة إلى معدلات مولية، فإن هذا ما سنحصل عليه. وإن نظرت عن كثب، فسوف تتمكن من رؤية نمط ما. بإمكاننا أن نرى أن معدل استهلاكنا لمتفاعل أو إنتاج ناتج يتناسب مع الحسابات التكافئية الخاصة به. وهذا منطقي نظرًا لأننا إن استخدمنا مقدارًا مضاعفًا من الكربون في كل تفاعل، فإننا سوف نستهلك الكربون بسرعة مضاعفة.

لكن كل هذا يتوقف على ما يمكننا قياسه، وما نفهمه بحق عما يحدث، وكيف يمكننا استخدام هذه المعرفة لصالحنا. السؤال الأول الذي نحتاج للإجابة عنه بشأن التفاعلات ومعدل التفاعل هو: لماذا تحدث التفاعلات في المقام الأول؟ تنص نظرية التصادم على أن التفاعلات سوف تحدث فقط عندما تصطدم الجسيمات أحدها بالآخر. وإن لم تتلامس الجسيمات، فلا يمكنها التفاعل على الإطلاق. ولكن ليس كل تصادم يؤدي إلى تفاعل ناجح. ففي الواقع، الهواء من حولنا مليء بجسيمات تتصادم ولا يتفاعل أحدها مع الآخر. المكون الضروري الآخر هو أن تكون هناك طاقة كافية في التصادم كي تتفكك الروابط ويعاد ترتيب الجسيمات.

ولكن حتى إذا تمتع التصادم بالقدر الملائم من الطاقة فإن التفاعل قد لا ينجح؛ لأن الجسيمات غير مرتبة بشكل ملائم. وإذا لم تكن موجهة في الاتجاه الصحيح، لن تتحول الطاقة إلى تفكك الروابط الصحيحة. وهذا يعني أنه عندما تتصادم الجسيمات بالقدر الكافي من الطاقة وفي الاتجاه الصحيح فقط يحدث التفاعل. نطلق على أقل قدر لازم من الطاقة لحدوث التفاعل اسم طاقة التنشيط. ورغم أنها لا تقاس بهذه الطريقة، فإن بإمكاننا التفكير في طاقة التنشيط باعتبارها الطاقة اللازمة لتفكك الروابط الصحيحة التي تتيح تكون روابط جديدة في النواتج. بعد أن عرفت هذه المعلومات، لنر كيف يمكننا استخدامها بتغيير معدلات التفاعل.

تقترح نظرية التصادم أن اختلاف بعض الأمور يؤدي إلى جعل التفاعل أسرع. فإذا أمكننا إيجاد طريقة لجعل التصادم يحدث بصورة متكررة أكثر، ينبغي أن يكون التفاعل أسرع. وإن أمكننا إيجاد طريقة لزيادة طاقة هذه التصادمات، فإن نسبة التصادمات الناجحة سوف تزداد. وهكذا فإن معدل التفاعل سوف يرتفع. وأخيرًا، إذا وجدنا طريقة لتقليل طاقة التنشيط، فسنزيد عندئذ من معدل التصادمات الناجحة. في هذا الفيديو، سوف أستعرض تأثير درجة الحرارة على معدل التفاعل، ولكنني سوف أخبركم ببعض الأمور الأخرى.

سنتناول المثال النموذجي للغاز. إن سخنا الغاز، فإن جسيماته سوف تتحرك بسرعة أكبر. وكلما تحركت الجسيمات أسرع، فإنها تتصادم أكثر. ونظرًا لأنها تتحرك أسرع، فإن تصادمها سيكون أكثر قوة. إن فعلنا العكس وخفضنا درجة حرارة النظام، فإن الجسيمات سوف تتحرك ببطء أكبر. وهذا سيؤدي إلى تقليل معدل التصادمات ذات الطاقة الأقل. ورغم أننا عادة ما نعرض هذا السيناريو مع الغازات، فإن تسخين المواد الصلبة والسائلة سوف يزيد أيضًا معدل تفاعلها. لذا بشكل عام، رفع درجة الحرارة سوف يزيد معدل التفاعل من خلال توفير تصادمات أكثر تتمتع بطاقة أعلى.

وبينما لن نخوض في آليات ذلك الأمر في هذا الفيديو، إليك بعض الحقائق الأخرى التي بإمكانك تغييرها لتزيد معدل التفاعل. بالنسبة للتفاعلات التي تتضمن غازًا واحدًا على الأقل، فإن زيادة ضغط الغاز سوف تزيد عدد التصادمات وتزيد معدل التفاعل. ونرى التأثير نفسه مع المواد المذابة في محلول. فإذا زدنا تركيزها، سوف يزداد معدل التفاعل. وكلما زادت كميتها، حدثت تصادمات أكثر. وبالنسبة للتفاعلات التي تتضمن مواد صلبة، من الأفضل أن يكون لدينا كثير من الأجزاء الصغيرة بمساحة سطح كبيرة بدلًا من أن توجد لدينا قطعة واحدة كبيرة بمساحة سطح صغيرة. لأنه كلما ازدادت مساحة السطح، زاد معدل حدوث التصادم على السطح وزاد معدل التفاعل.

هناك بعض الظروف التي يفيد فيها هذا الأمر مع السوائل أيضًا. وآخر شيء سنجربه هو إضافة عامل حفاز. العوامل الحفازة هي مواد كيميائية معينة تستخدم في تفاعلات معينة، وإذا أضيفت، فسوف تساعد في توفير طريق بديل للتفاعل يحتاج إلى قدر أقل من طاقة التنشيط. يتفاعل العامل الحفاز، ولكن بحلول وقت انتهاء التفاعل، يعاد توليده. ولذا نرى المتفاعلات نفسها والنواتج نفسها بشكل عام. قبل أن ننتقل إلى حل بعض التدريبات، لنلق نظرة سريعة على وحدات معدل التفاعل التي قد تراها، ونعرف كيفية التحويل فيما بينها.

بالنسبة للكتلة، أكثر الوحدات شيوعًا هي: الجرامات، والكيلوجرامات. ‏1000 جرام يساوي كيلوجرامًا واحدًا. يمكنك أن تتذكر ذلك بتذكر أن حرف ‪k‬‏ في ‪kg‬‏ يشير إلى عشرة أس ثلاثة أو 1000 مرة. لذلك لكي نحول قيمة ما بالجرامات إلى ما يساويها بالكيلوجرامات، فإننا نضرب في كيلوجرام واحد لكل 1000 جرام. ولكي نفعل العكس، فإننا ببساطة نضرب في 1000 جرام لكل كيلوجرام. ويمكننا استخدام الأساليب نفسها عندما نحول بين نسب بالجرامات لكل ثانية ونسب بالكيلوجرامات لكل ثانية. الجزء الأصعب قليلًا في التحويل هو الزمن بين وحدات الثواني والدقائق والساعات؛ لأنه يكون في مقام الكسر.

نحن نعرف أن 60 ثانية تساوي دقيقة واحدة، و 60 دقيقة تساوي ساعة واحدة، ولذا فإن 3600 ثانية تساوي أيضًا ساعة واحدة. لنتخيل أن لدينا نسبة بالجرامات لكل ثانية. لكي نحدد ما يساويها بالجرامات لكل دقيقة، فإننا نضرب في 60 ثانية لكل دقيقة. ونحن نحتاج لوحدة الثانية في مقام أحد الكسرين وفي بسط الكسر الآخر لكي يتم إلغاؤهما معًا. نحصل على قيمة أكبر 60 مرة من وحدات الجرام لكل دقيقة. وهذا منطقي لأننا إذا كنا نصنع شيئًا من جرامات عديدة كل ثانية، فإننا سننتج المزيد منه كل دقيقة.

لذا، للتحويل بين لكل ثانية ولكل دقيقة، فإننا نضرب في 60 ثانية للدقيقة الواحدة أو في دقيقة واحدة لكل 60 ثانية. وللتحويل بين لكل دقيقة ولكل ساعة، فإننا نضرب في 60 دقيقة لكل ساعة أو في ساعة واحدة لكل 60 دقيقة. وإن أردنا التحويل بين لكل ساعة ولكل ثانية في خطوة واحدة، فإننا نضرب في ساعة واحدة لكل 3600 ثانية أو في 3600 ثانية لكل ساعة.

لنأخذ على سبيل المثال تحويل 3.6 كيلوجرامات لكل ساعة إلى ما يساويها بالجرامات لكل ثانية. الخطوة الأولى، بإمكاننا تحويل الكيلوجرامات لكل ساعة إلى جرامات لكل ساعة بالضرب في 1000 جرام لكل كيلوجرام. وهذا يعطينا 3600 جرام لكل ساعة. بعد ذلك بإمكاننا التحويل إلى جرامات لكل ثانية بالضرب في ساعة واحدة لكل 3600 ثانية، وهو ما يعطينا جرامًا واحدًا لكل ثانية. والآن، حان الوقت لبعض التدريب.

عند تفاعل فائض من حمض الهيدروكلوريك مع كربونات الكالسيوم، ينتج ثاني أكسيد الكربون. إذا استهلك مقدار خمسة جرامات من كربونات الكالسيوم خلال ثلاث دقائق و 20 ثانية، فما متوسط معدل التفاعل؟

حمض الهيدروكلوريك، ورمزه ‪HCl‬‏، هو حمض بالطبع. وبإمكاننا أن نرى أن كربونات الكالسيوم، ورمزها ‪CaCO3‬‏، كربونات. ما قد يتبادر إلى أذهاننا هو التفاعل التقليدي بين حمض وكربونات المنتج ملحًا، وثاني أكسيد الكربون وماء. وبالفعل، يخبرنا السؤال أن ثاني أكسيد الكربون هو أحد النواتج. ليست خطوة ضرورية للإجابة عن السؤال، ولكنني سأكتب المعادلة الكيميائية. لدينا هنا ‪HCl‬‏ يتفاعل مع كربونات الكالسيوم الصلب. وقد افترضت أنه صلب لأن كربونات الكالسيوم لا تذوب في الماء. النواتج التي نحصل عليها هي: ملح قابل للذوبان، وكلوريد الكالسيوم، وغاز ‪CO2‬‏، و‪H2O‬‏ في صورته السائلة. وسوف نحتاج إلى اثنين ‪HCl‬‏ لوزن المعادلة.

يخبرنا السؤال أيضًا أننا نستهلك خمسة جرامات من كربونات الكالسيوم خلال ثلاث دقائق و 20 ثانية. مهمتنا هي استخدام هذه المعلومة لحساب متوسط معدل التفاعل. عندما نتعامل مع الكتل، فإن متوسط معدل التفاعل الخاص بنا يساوي التغير في الكتلة مقسومًا على الزمن المستغرق. ولكن الزمن معطى على صورة مزيج من الوحدات بين الدقائق والثواني. لذا علينا تحويل كل ذلك إلى دقائق أو تحويله كله إلى ثوان. سأحول الزمن كله إلى ثوان.

هناك 60 ثانية في الدقيقة الواحدة، ولذا فإن الزمن المستغرق يساوي ثلاث دقائق مضروبة في 60 ثانية لكل دقيقة زائد 20 ثانية، وهو ما يساوي 180 ثانية زائد 20 ثانية أي 200 ثانية. ولذا فإن متوسط المعدل الخاص بكربونات الكالسيوم هو خمسة جرامات على 200 ثانية، أي 0.025 جرام من كربونات الكالسيوم لكل ثانية.

والآن، لنلق نظرة على النقاط الأساسية. معدل التفاعل هو ببساطة المعدل الذي تحتاج إليه المتفاعلات لكي تتحول إلى نواتج. عادة ما يقاس معدل التفاعل بالكتلة خلال الزمن؛ على سبيل المثال جرام لكل ثانية، أو بالكمية خلال الزمن؛ على سبيل المثال مول لكل ثانية. وإحدى أبسط الطرق التي يمكننا من خلالها إيجاد معدل التفاعل هي قياس متوسط المعدل؛ وهو التغير في كتلة أو كمية متفاعل أو ناتج مقسومًا على الزمن المستغرق. ومعدلات التفاعل تتأثر بشكل عام بالتغيرات في درجة الحرارة، وبالضغط، والتركيز، ومساحة السطح، ووجود عامل حفاز.