ما هو معدل التفاعل؟
يشير معدل التفاعل (سرعة التفاعل) إلى السرعة التي يحدث بها التفاعل الكيميائي، ويتم قياسه عادة بالتغير في تركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات لكل وحدة زمنية. وهو يحدد مدى سرعة تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات ويتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة والتركيز ووجود المحفزات.
صيغة معدل التفاعل
يمكن استخدام المعادلة الافتراضية: \(\ce{A -> B}\) للتعبير عن الصيغة العامة لمعدل تفاعل كيميائي معين
\[\ce{Rate = \frac{- Δ[A]}{Δt} = \frac{Δ[B]}{Δt}}\]
حيث:
"Rate" هو معدل التفاعل.
Δ[A] و Δ[B] يمثل التغير في تركيز المادة المتفاعلة والناتجة (عادةً بالمول لكل لتر، M) على التوالي خلال فترة زمنية محددة. والإشارة السالبة (-) تدل على تناقص تركيز المادة المتفاعلة.
- Δt هو التغير في الزمن الذي يحدث خلاله تغير التركيز.
يمكن أن يكون الشكل الفعلي لمعادلة المعدل أكثر تعقيدًا ويعتمد على التفاعل المحدد. وقد تشتمل على مواد متفاعلة ومنتجات مختلفة مع معاملاتها ورتبها. يتم تحديد هذه المعادلات من خلال الملاحظات التجريبية والدراسات الحركية.
وحدات معدل التفاعل
وحدات معدل التفاعل هي مول لكل لتر في الثانية أو مول/لتر/ثانية .
ويمكن فهم ذلك من خلال النظر في تعريف معدل التفاعل، وهو التغير في تركيز المادة المتفاعلة أو المنتج مع مرور الوقت. يتم قياس التركيز بالمول لكل لتر، ويقاس الوقت بالثواني. ولذلك، فإن وحدات معدل التفاعل هي مول لكل لتر في الثانية.
على سبيل المثال، إذا انخفض تركيز المادة المتفاعلة بمقدار 0.1 مول/لتر في 10 ثوانٍ، فإن معدل التفاعل يكون 0.1 مول/لتر / 10 ثانية = 0.01 مول/لتر/ثانية.
يمكن أيضًا التعبير عن وحدات معدل التفاعل بطرق أخرى، مثل المولات لكل سنتيمتر مكعب في الثانية (mol/cm³/s) أو المولات لكل ديسيمتر مكعب في الثانية (mol/dm³/s). ومع ذلك، فإن mol/L/s هو نظام الوحدات الأكثر استخدامًا.
ومن المهم أن نلاحظ أن وحدات معدل التفاعل يمكن أن تختلف تبعا لنوع التفاعل قيد النظر. على سبيل المثال، يمكن التعبير عن معدل تفاعل تفاعل الطور الغازي بوحدات المول لكل سنتيمتر مكعب في الثانية، بينما يمكن التعبير عن معدل التفاعل لتفاعل طور المحلول بوحدات المول لكل لتر في الثانية.
فيما يلي بعض الأمثلة على معدلات التفاعل ووحداتها:
معدل تحلل بيروكسيد الهيدروجين هو 0.01 مول/لتر/ثانية.
معدل التفاعل بين الهيدروجين واليود هو 0.1 مول/سم3/ث.
معدل التفاعل بين ثيوكبريتات الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك هو 0.05 مول/dm³/s.
المتفاعلات
المواد المتفاعلة هي المواد أو المركبات التي تشارك في التفاعل الكيميائي. إنها المكونات الأولية للتفاعل الذي يخضع لتغيرات كيميائية ويتحول إلى منتجات. توجد المواد المتفاعلة على الجانب الأيسر من المعادلة الكيميائية، ويتم استهلاكها أثناء التفاعل حيث يتم تحويلها إلى مواد جديدة.
النواتج
المنتجات في سياق التفاعل الكيميائي هي المواد أو المركبات التي تتشكل نتيجة للتفاعل. وهي النتيجة النهائية للعملية الكيميائية، الناتجة عن التحول الكيميائي للمواد المتفاعلة. توجد المنتجات على الجانب الأيمن من المعادلة الكيميائية وتمثل ما يتم إنتاجه أو توليده أثناء التفاعل.
ثابت معدل التفاعل
يعد ثابت معدل التفاعل، والذي يُشار إليه غالبًا بالرمز "k"، عاملًا حاسمًا في الحركية الكيميائية. وهو ثابت التناسب الذي يظهر في قوانين المعدل أو معادلات المعدل للتفاعلات الكيميائية. يحدد ثابت المعدل العلاقة بين تركيز المواد المتفاعلة ومعدل التفاعل.
الشكل العام لقانون سرعة التفاعل الكيميائي هو:
\[Rate = K[A]^{x}[B]^{y}\]
في هذه المعادلة:
- "Rate" هو معدل التفاعل.
- "k" هو ثابت معدل التفاعل.
- "[A]" و"[B]" هما تركيزات المتفاعلات A وB.
- "x" و"y" هما ترتيب التفاعل بالنسبة إلى A وB، على التوالي.
تعتمد القيمة المحددة لثابت المعدل على التفاعل المعين، ويتم تحديدها تجريبيا. يمكن أن يتأثر بعوامل مثل درجة الحرارة ووجود المحفزات. ستختلف وحدات ثابت المعدل بناءً على الرتبة العامة للتفاعل، وهي مصممة لجعل معادلة المعدل متسقة الأبعاد.
| رتبة التفاعل | ثابت معدل التفاعل (k) | الوحدات |
|---|---|---|
| الرتبة-الأولى | k1 | 1/زمن (مثال, ثانية-1، دقيقة-1) |
| الرتبة-الثانية | k2 | 1/(تركيز*زمن) (مثال، لتر/(مول*ثانية)) |
| الرتبة-الصفرية | k0 | تركيز/زمن (مثال، مول/لتر*ثانية) |
| التفاعلات المعقدة | kc | وحدات مخصصة |
العوامل المؤثرة على معدل التفاعل
يمكن أن يتأثر معدل التفاعل الكيميائي بمجموعة متنوعة من العوامل. فيما يلي بعض العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدلات التفاعل:
1. تركيز المواد المتفاعلة:
تؤدي الزيادة في تركيز المواد المتفاعلة بشكل عام إلى ارتفاع معدل التفاعل. وذلك لأن هناك المزيد من الجزيئات أو الأيونات المتفاعلة المتاحة للتصادم والمشاركة في التفاعل.
2. درجة الحرارة:
توفر درجات الحرارة المرتفعة للجزيئات المتفاعلة طاقة حركية أكبر، مما يزيد من تكرار الاصطدامات وطاقتها. ونتيجة لذلك، تتم معظم التفاعلات بشكل أسرع عند درجات حرارة مرتفعة.
3. المحفزات:
المحفزات هي مواد تعمل على تسريع التفاعلات من خلال توفير مسار تفاعل بديل مع طاقة تنشيط أقل. أنها تزيد من معدلات التفاعل دون أن يتم استهلاكها في هذه العملية.
4. مساحة السطح:
في التفاعلات التي تتضمن مواد صلبة، يمكن أن تؤدي مساحة السطح الأكبر للمادة الصلبة إلى تفاعل أسرع. وذلك لأن هناك منطقة مكشوفة أكثر لتلامس المواد المتفاعلة.
5. الضغط (للغازات):
يمكن أن تؤدي زيادة ضغط المواد المتفاعلة الغازية إلى معدلات تفاعل أسرع، خاصة في تفاعلات الطور الغازي. الضغط العالي يعني المزيد من الاصطدامات المتكررة بين جزيئات الغاز.
6. طبيعة المواد المتفاعلة:
يمكن أن تؤثر الطبيعة الكيميائية للمواد المتفاعلة ووجود المجموعات الوظيفية على معدلات التفاعل. بعض المواد بطبيعتها أكثر تفاعلاً من غيرها.
7. المذيب:
يمكن أن يؤثر اختيار المذيب في التفاعل على المعدل، خاصة في التفاعلات التي تتضمن مواد مذابة. يمكن للمذيبات تثبيت أو زعزعة استقرار وسيط التفاعل.
8. وجود الضوء:
في التفاعلات الكيميائية الضوئية، يمكن أن يؤثر وجود الضوء بشكل كبير على معدل التفاعل من خلال توفير الطاقة للمواد المتفاعلة.
9. مساحة السطح الحفاز:
في الحفز غير المتجانس، يمكن أن تؤثر مساحة سطح المحفز على معدل التفاعلات التي تحدث على سطح المحفز.
10. التقليب أو التحريك:
يمكن أن يؤدي التحريك أو التحريك ميكانيكيًا لخليط التفاعل إلى تعزيز الخلط وزيادة معدل التصادمات بين الجزيئات المتفاعلة.
11. المثبطات:
يمكن لبعض المواد، المعروفة باسم المثبطات، إبطاء التفاعلات عن طريق التدخل في عملية التفاعل أو حجب المواقع النشطة في المواد الحفازة.
12. الإلكتروليتات:
وجود الإلكتروليتات يمكن أن يؤثر على معدل التفاعلات الأيونية من خلال التأثير على تركيز الأيونات ومعدل التبادل الأيوني.
تحدد هذه العوامل مجتمعة مدى سرعة أو بطء سير التفاعل الكيميائي. يمكن أن تختلف المجموعة المحددة من العوامل المؤثرة اعتمادًا على طبيعة التفاعل والظروف التي يحدث فيها.
العلاقة مع طاقة التنشيط
يرتبط معدل التفاعل الكيميائي ارتباطًا وثيقًا بطاقة التنشيط اللازمة لذلك التفاعل. طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للجزيئات المتفاعلة لتخضع للتحول الكيميائي وتصبح منتجات. وإليك العلاقة بين معدل التفاعل وطاقة التنشيط:
1. العلاقة المباشرة: مع زيادة طاقة التنشيط للتفاعل، ينخفض معدل التفاعل بشكل عام. وذلك لأن طاقة التنشيط الأعلى تعني أن هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة لبدء التفاعل، وبالتالي فإن عددًا أقل من الجزيئات المتفاعلة لديها طاقة كافية للتغلب على هذا الحاجز، مما يؤدي إلى تفاعل أبطأ.
2. العلاقة العكسية مع درجة الحرارة: تلعب درجة الحرارة دورًا حاسمًا في هذه العلاقة. عندما ترتفع درجة الحرارة، فإنها توفر المزيد من الطاقة الحركية للجزيئات المتفاعلة، مما يزيد من احتمال أن يكون لديها طاقة كافية لتجاوز حاجز طاقة التنشيط. ونتيجة لذلك، يؤدي ارتفاع درجات الحرارة عمومًا إلى معدلات تفاعل أسرع.
3. المحفزات: المحفزات هي مواد يمكنها خفض طاقة تنشيط التفاعل. وهي تفعل ذلك عن طريق توفير مسار تفاعل بديل مع طاقة تنشيط أقل، وبالتالي تسريع التفاعل. يمكن أن يؤدي وجود المحفز إلى زيادة معدل التفاعل بشكل كبير عن طريق تقليل حاجز الطاقة.
باختصار، يتأثر معدل التفاعل الكيميائي بطاقة التنشيط اللازمة لهذا التفاعل. تؤدي طاقة التنشيط المرتفعة بشكل عام إلى تفاعلات أبطأ، في حين أن طاقة التنشيط المنخفضة، والتي غالبًا ما يتم تسهيلها بواسطة المحفزات أو درجات الحرارة المرتفعة، تؤدي إلى تفاعلات أسرع.