مفاهيم حركية التفاعلات الكيميائية: سرعة، رتبة وجزيئية التفاعل

ما هي حركية التفاعلات الكيميائية؟

يقصد ب "حركية التفاعلات" المعدل الذي يتغير به السرعة خلال تفاعل معين، والعوامل التي تؤثر في هذا التغير مثل، الضغط ودرجة الحرارة ...إلخ.

تمثل الحركية الكيميائية جزءًا أساسيًا من علم الكيمياء يركز على فهم كيفية تغير التفاعلات الكيميائية بمرور الزمن. تعمل هذه المفاهيم على تسليط الضوء على سرعة وآليات حدوث التفاعلات، وتلعب دورًا حاسمًا في شرح تغيرات المواد وفهم التفاوتات في سرعتها.

في هذه المقالة، سنناقش مجموعة من المفاهيم الأساسية في حركية التفاعلات الكيميائية، والتي تشمل سرعة التفاعل ورتبته، بالإضافة إلى جزيئية التفاعل. سنسلط الضوء أيضًا على الطرائق التجريبية المستخدمة لقياس سرعة التفاعل وتفسير آلياتها. دعونا ننطلق في هذه الرحلة لاستكشاف أسرار الحركية الكيميائية وأهميتها في عالم الكيمياء.

كيف تحدث التفاعلات الكيميائية؟

التفاعلات الكيميائية تحدث عندما يتفاعل مجموعة من المواد الكيميائية لتكوين مواد جديدة بتركيبات مختلفة. هذه التفاعلات تتبع قوانين وقواعد محددة، وتتأثر بعوامل متعددة. لحدوث التفاعلات الكيميائية، يجب تحقق شروط معينة، والعوامل التي تؤثر في حدوث التفاعل تشمل:
التصادم بين الجزيئات: يجب أن تتصادم جزيئات المواد الكيميائية ببعضها البعض بطرق معينة وبقوة كافية لتحطم روابطها الكيميائية وتشكيل روابط جديدة.
طاقة التفاعل: التصادمات بحد ذاتها لا تكفي للتفاعل، بل يجب أن تكون الطاقة المتاحة كافية لتجاوز حاجز الطاقة (حاجز طاقة التنشيط) المطلوب لبدء التفاعل. يُمكن زيادة الطاقة المتاحة بزيادة درجة الحرارة أو استخدام عوامل كيميائية مساعدة.
ترتيب المواد الأولية: تعتمد سرعة التفاعل أيضًا على ترتيب المواد الكيميائية الأولية (الترتيب قبل بدء التفاعل) وكيفية ارتباط جزيئاتها ببعضها البعض. قد تكون بعض المواد أكثر استعدادًا للتفاعل من غيرها بسبب تركيبها وخصائصها الكيميائية.
تركيز المواد: تتأثر سرعة التفاعل بتركيز المواد المشاركة في التفاعل. زيادة تركيز بعض المواد يمكن أن تزيد من تصادماتها وبالتالي تسريع التفاعل.
وجود المحفزات: المحفزات هي المواد التي تزيد من سرعة التفاعل دون أن تتأثر بشكل دائم. تعمل المحفزات على تخفيض طاقة التنشيط وبالتالي تسريع التفاعل.
ظروف البيئة: ظروف البيئة مثل درجة الحرارة والضغط يمكن أن تؤثر بشكل كبير في سرعة وقوة التفاعلات الكيميائية.

سرعة التفاعل

سرعة التفاعل تُعبر عن معدل تغير تراكيب المواد الكيميائية في وحدة زمنية معينة أثناء حدوث التفاعل الكيميائي. يعني ذلك أنها تقيس مقدار التغير في تركيب المواد المشاركة في التفاعل خلال كل وحدة زمنية. سرعة التفاعل لها أهمية كبيرة في فهم وتحليل العمليات الكيميائية وتطبيقاتها المختلفة.

يعتبر ثابت معدل التفاعل من الجوانب المهمة التي تحدد معدل التفاعل. وتختلف وحدات قياسه حسب رتبة التفاعل.

اقرأ المقالة الكاملة عن معدل التفاعل

رتبة التفاعل وأمثلة توضيحية

رتبة التفاعل هي مصطلح يستخدم لوصف كيفية تأثير تغير تراكيز المواد المشاركة في التفاعل على سرعته. يُمكن أن يكون التفاعل ذو رتبة أولى، ثانية، ثالثة، وهكذا. سأقدم لك أمثلة توضيحية لكل من الرتب الأولى والثانية:

رتبة أولى:

في التفاعل ذو الرتبة الأولى، تتأثر سرعة التفاعل مباشرة بتغير تركيز واحد من المادة المشاركة في التفاعل. بمعنى آخر، إذا زاد تركيز المادة بمقدار واحد، ستزيد سرعة التفاعل بنسبة ثابتة. مثال على تفاعل ذو رتبة أولى هو تفكك هيدروكسيد الأمونيوم (NH₄OH) حيث يتفكك بمرور الزمن إلى غاز الأمونيا (NH₃) والماء (H₂O) بمعدل يعتمد على تركيز هيدروكسيد الأمونيوم.

رتبة ثانية:

في التفاعل ذو الرتبة الثانية، تتأثر سرعة التفاعل بتغير تركيز مادتين مشاركتين في التفاعل. إذا زاد تركيز إحدى المواد بمقدار واحد، فإن سرعة التفاعل ستزيد بنسبة تتناسب طردية مع تركيز المادة الأخرى. مثال على تفاعل ذو رتبة ثانية هو تفاعل تحلل ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) إلى أكسيد النيتروجين (NO) وأكسجين (O₂).

مثال توضيحي:

لنقم بتوضيح مفهوم رتبة التفاعل بالأمثلة التالية:

1. رتبة أولى: فرضاً أن لدينا تفاعل تحول أحادي مادي حيث يتفاعل مادة "A" لتكوين مادة "B" ويظهر التفاعل بالمعادلة: \(A \rightarrow B\). إذا كانت سرعة التفاعل تتبع رتبة أولى، فسرعة التفاعل ستكون متناسبة مع تركيز مادة "A". بمعنى آخر، كلما زاد تركيز مادة "A" بمقدار واحد، زادت سرعة تحولها إلى مادة "B" بنسبة ثابتة.
2. رتبة ثانية: فلنفترض أن لدينا تفاعل حيث يتفاعل مادتين، "X" و "Y"، لتكوين مادة "Z" ويكون التفاعل على النحو التالي: \(X + Y \rightarrow Z\). إذا كانت سرعة التفاعل تتبع رتبة ثانية، فسرعة التفاعل ستتناسب بشكل عكسي مع منتج تراكيز المادتين "X" و "Y". بمعنى آخر، كلما زاد تركيز إحدى المواد، سيقل تأثير زيادة التركيز الآخر على سرعة التفاعل.

جزيئية التفاعل

جزيئية التفاعل هي مفهوم في الكيمياء يتعلق بكيفية تصادم جزيئات المواد المشاركة في التفاعل وكيفية تأثير هذه التصادمات على سرعة التفاعل. تشير جزيئية التفاعل إلى أن تفاعلًا كيميائيًا لحدوثه بحاجة إلى أن تتصادم جزيئات المواد المشاركة بطاقة كافية وبزوايا وتوجيهات صحيحة.
أمثلة توضيحية:
تفاعل تشكيل الأمونيا: يُعد تفاعل النيتروجين والهيدروجين (\(\ce{N₂ + 3H₂ → 2NH₃}\)) مثالًا جيدًا على جزيئية التفاعل. يتطلب هذا التفاعل تصادم جزيء النيتروجين وثلاث جزيئات من الهيدروجين بطاقة كافية وبزوايا صحيحة لتشكيل الأمونيا (NH₃).

انحلال الماء: عندما يتحطم الماء إلى هيدروجين وأكسجين (\(\ce{2H₂O → 2H₂ + O₂}\))، يعتبر انحلال الماء مثالًا آخر على جزيئية التفاعل. يجب أن تتصادم جزيئات الماء بطاقة كافية وزاوية صحيحة لتكوين الهيدروجين والأكسجين.
اصطدامات جزيئية واحتمالية التفاعل: تتوقف سرعة التفاعل على تكرار واحتمالية التصادمات الجزيئية. في تفاعلات ذات سرعة منخفضة، قد يكون تصادم الجزيئات نادرًا، وبالتالي يستغرق وقتًا أطول لحدوث التفاعل. وعلى العكس، في تفاعلات ذات سرعة عالية، يحدث تصادم الجزيئات بشكل أكثر تكرارًا.
المحفزات: تعمل المحفزات على زيادة جزيئية التفاعل من خلال توفير طرق بديلة للتصادمات بين الجزيئات تسهم في تخفيض الطاقة المطلوبة لحدوث التفاعل. على سبيل المثال، في تفاعل هيدروجين البيروكسيد (H₂O₂) تحت تأثير محفز الكاتاليز (catalase)، يتم تسريع تفكك الهيدروجين البيروكسيد إلى الماء والأكسجين.
إن جزيئية التفاعل تُظهر أهمية الاصطدامات الجزيئية وطاقة التفاعل في تحديد سرعة حدوث التفاعلات الكيميائية.

اقرأ أيضا: التغير في المحتوى الحراري (الانثالبي): انثالبي التفاعلات الكيميائية

الطرق التجريبية لقياس سرعة التفاعل

تتضمن دراسة سرعة التفاعل تطبيق مجموعة متنوعة من الطرق التجريبية لقياس كيفية تغير المواد على مراحل زمنية وكيفية تقدير سرعة التفاعل. يساهم استخدام هذه الطرق في فهم آليات التفاعلات الكيميائية وتطبيقها في مجموعة متنوعة من المجالات.

طرق أخذ العينة

أخذ العينات من مزيج التفاعل:

تعتمد هذه الطريقة على أخذ عينات من مزيج التفاعل في فترات زمنية معينة وقياس تراكيز المواد المشاركة أو المنتجات. على سبيل المثال، لدراسة تفاعل تحلل الماء، يمكن أخذ عينات من المزيج على فترات متساوية وقياس تركيز الهيدروجين والأكسجين المتشكلين.

لنفترض أن لدينا تفاعل تحول أحادي مادي حيث يتفاعل مادة "A" لتكوين مادة "B": \[A \rightarrow B\] يمكن أخذ عينات من المزيج التفاعلي في أوقات معينة وقياس تركيز المادة "A" والمادة "B" باستخدام تقنيات التحليل الكمي. بمجرد قياس تراكيس المواد على مراحل زمنية مختلفة، يمكن استخدام هذه البيانات لحساب سرعة التفاعل باستخدام المعادلة الزمنية المناسبة.

طريقة الأنابيب الملحومة:

تتضمن هذه الطريقة استخدام أنابيب ملحومة تحتوي على مواد مشاركة في التفاعل. بالتحكم في سرعة المواد داخل الأنابيب، يمكن قياس تغير التراكيز على طول الأنابيب بشكل مستمر.

في هذه الطريقة، يمكن استخدام مجموعة من الأنابيب الملحومة التي تحتوي على مواد المفاعل. يتم ضخ المواد داخل الأنابيب وتتحرك عبرها بمعدل معين. يمكن قياس تراكيز المواد على طول الأنابيب باستمرار. على سبيل المثال، يمكن استخدام المعادلة التفاعلية للتحكم في سرعة تغير تركيز المادة المشاركة في التفاعل.

طرق القياسات المستمرة

قياس الناقلية الكهربائية:

تستند هذه الطريقة إلى قياس التغيرات في التوصيلية الكهربائية أثناء حدوث التفاعل. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مستشعرات كهربائية لقياس التغيرات في التوصيلية على مرور الزمن.

في تفاعل كيميائي ينتج تغيرات في توصيلية الكهربائية، يمكن استخدام المعادلات التالية لحساب سرعة التفاعل: \[v = \frac{\Delta Q}{Fk} \cdot dt\] حيث: \(v\) = سرعة التفاعل \(k\) = ثابت سرعة \(F\) = الثابت الكهربائي (الشحنة) \(\frac{dt}{dQ}\) = معدل تغير الشحنة مع مرور الوقت.

قياس الضغط:

يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس سرعة التفاعل عن طريق رصد التغيرات في الضغط. تعتمد هذه الطريقة على علاقة الضغط بتركيز المواد والمعدل الذي يؤدي إلى تغير الضغط.

يمكن استخدام المعادلة التالية لحساب سرعة التفاعل باستخدام قياسات الضغط: \[v = \frac{1}{\rho} \cdot \frac{dt}{dP}\] حيث: \(v\) = سرعة التفاعل \(\rho\) = الكثافة \(\frac{dt}{dP}\) = معدل تغير الضغط مع مرور الوقت.

الطريقة الاستقطابية:

تقوم هذه الطريقة على قياس تغيرات في استقطاب الضوء أثناء تفاعل كيميائي. تستند إلى العلاقة بين التغيرات في خصائص الضوء المستقطب وتركيز المواد.

تستند هذه الطريقة إلى قياس تغيرات في استقطاب الضوء أثناء تفاعل كيميائي. يمكن استخدام المعادلة الزمنية التالية لحساب سرعة التفاعل: \[v = \frac{\Delta I}{\epsilon \cdot l \cdot \Delta t}\] حيث: \(v\) = سرعة التفاعل \(\Delta I\) = التغير في شدة الإشارة (استقطاب الضوء) \(\epsilon\) = ثابت الاستقطابية \(l\) = طول المسار البصري للضوء \(\Delta t\) = الزمن اللازم لحدوث التفاعل

الطرق الطيفية:

تستند هذه الطرق إلى قياس التغيرات في خصائص الأمواج (مثل الضوء أو الإشعاع) أثناء تفاعل كيميائي. مثال على ذلك هو قياس تغيرات في الامتصاص اللوني أو التفريق الطيفي للأمواج.

يمكن استخدام المعادلة الاتية لحساب سرعة التفاعل: \[v = \frac{\Delta A}{\epsilon \cdot l \cdot \Delta t}\] حيث: \(v\) = سرعة التفاعل \(\Delta A\) = التغير في الامتصاص اللوني أو التفريق الطيفي \(\epsilon\) = ثابت الاستقطابية \(l\) = طول المسار البصري للضوء \(\Delta t\) = الزمن اللازم لحدوث التفاعل.

الطريقة الكمونية:

تستند هذه الطريقة إلى قياس سرعة تكوين منتجات التفاعل. يتم ذلك عن طريق تحليل العينات عند فترات زمنية معينة وقياس التغيرات في تراكيز المنتجات.

يمكن استخدام المعادلة الاتية: \[v = -\frac{1}{\nu} \cdot \frac{\Delta [A]}{\Delta t}\] حيث: \(v\) = سرعة التفاعل \(\nu\) = معامل التفاعل \(\Delta [A]\) = تغير التركيز للمادة المتفاعلة \(\Delta t\) = الزمن اللازم لحدوث التفاعل.

اقرأ أيضا: موازنة تفاعلات الأكسدة والاختزال بطريقة نصف التفاعل