- معدل سرعة التفاعلات الكيميائية يُشير إلى التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو النواتج بمرور الزمن، أي أنه يعبر عن سرعة تكوّن النواتج أثناء حدوث التفاعل الكيميائي.
- كلما ارتفع تركيز النواتج، انخفض تركيز المواد المتفاعلة، والعكس صحيح، وهذا يخضع لقانون معدل السرعة الذي يحدد العلاقة بين المواد المتفاعلة والناتجة في التفاعل الكيميائي.
- توجد عدة عوامل تتحكم في سرعة التفاعل الكيميائي مثل درجة الحرارة، التي تؤثر على طاقة الجزيئات وزيادة التصادمات الفعالة، بالإضافة إلى الضغط الذي يمكن أن يؤثر على توزيع الجزيئات، وتركيز المواد المتفاعلة الذي يلعب دورًا أساسيًا في تحديد احتمالية حدوث التصادمات بين الجزيئات، وكذلك طبيعة المواد الداخلة في التفاعل ومدى قدرتها على التفاعل بسرعة.
وفي هذا المقال نستعرض بشكل مفصل مفهوم سرعة التفاعلات الكيميائية مع تحليل العوامل التي تتحكم في معدل التفاعل وتأثيرها على تكوين النواتج النهائية.
مفهوم سرعة التفاعلات الكيميائية
يُقصَد بسُرعة التفاعل الكيميائي أو مُعدّل التفاعل المعدّل الذي يتمّ فيه انخفاض تركيز إحدى المواد المُتفاعلة أو زيادة تركيز إحدى المواد الناتجة خلال فترة زمنيّة مُحدّدة.
على سبيل المثال في التفاعل (H2 + I2 → 2HI) يُلاحَظ أن تركيز يود الهيدروجين HI يزداد بينما ينخفض تركيز كل من اليود والهيدروجين اللّذَين شاركا في التفاعل وذلك نظرًا لأن التفاعل الكيميائي مع مرور الوقت يؤدي إلى تناقص كميّة المواد المُتفاعِلة ممّا يتسبّب في انخفاض سرعة التفاعل بينما تزداد كميّة المواد الناتجة.
النظام القانوني لسرعة التفاعل
يعتمد قانون التفاعل الكيميائي على معدل تغير تركيز المواد المتفاعلة مع مرور الزمن حيث ينخفض تركيز المواد المتفاعلة تدريجيًا بينما يزداد تركيز المواد الناتجة لكن العامل المؤثر على سرعة التفاعل هو فقط تركيز المواد المتفاعلة دون غيرها أي أن تركيز المواد الناتجة لا يؤثر على سرعة التفاعل فالقانون الذي يحدد السرعة يبين العلاقة بين معدل التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة حيث يمكن التعبير عنه بالمعادلة الكيميائية التالية: A+B → C.
- معدل التفاعل = التغير في التركيز / التغير في الزمن.
- معدل تفاعل المادة A = مقدار التغير في تركيز A / مقدار التغير في الزمن.
- معدل تفاعل المادة B = مقدار التغير في تركيز B / مقدار التغير في الزمن.
- معدل تفاعل المادة C = مقدار التغير في تركيز C / مقدار التغير في الزمن.
- معدل التفاعل = التغير في تركيز المادة A / الزمن = التغير في تركيز المادة B / الزمن = التغير في تركيز المادة C / الزمن.
تطبيق عملي على معدل سرعة التفاعل
عند دراسة تفاعل أكسيد الأمونيا 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O نجد أن معدل تكوّن N2 يساوي 0.27 مول لكل لتر في الثانية أما بالنسبة لمعدل تكوين H2O فيتم حسابه من خلال مقارنة التغير في تركيز الماء بتغير تركيز النيتروجين وفق العلاقة الرياضية 6/2 × [N2] مما يعطي النتيجة 3 × 0.27 = 0.81 مول لكل لتر في الثانية.
العناصر المؤثرة على وتيرة التفاعل الكيميائي
تتأثر سرعة التفاعل الكيميائي بعدة عوامل حيث تعمل بعض العوامل على زيادة معدل التفاعل من خلال تعزيز فرص تصادم الجزيئات بينما بعض العوامل الأخرى قد تعمل على تقليل هذا التصادم مما يؤدي إلى إبطاء التفاعل ويمكن توضيح هذه العوامل فيما يلي:
- درجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة الحرارة زادت سرعة التفاعل لأن زيادة الحرارة تعني ارتفاع الطاقة الحركية للجزيئات مما يساهم في زيادة حدة التصادمات بين الجزيئات خلال فترة زمنية قصيرة.
- وهناك قاعدة عامة في الكيمياء تنص على أن سرعة التفاعل تتضاعف تقريبًا عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية إلا أن بعض المواد قد تتأثر بدرجات حرارة معينة مما يؤدي إلى بطء التفاعل أو حتى توقفه تمامًا.
- الضغط: زيادة الضغط تؤدي إلى تقارب الجزيئات المتفاعلة من بعضها البعض مما يعزز فرص تصادمها بشكل أكبر وبالتالي يساهم في تسريع التفاعل الكيميائي ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في التفاعلات الغازية حيث يُساهم الضغط المرتفع في زيادة تركيز الجزيئات المتفاعلة ويزيد من احتمالية حدوث التفاعل.
- تركيز المواد المتفاعلة: ارتفاع تركيز المواد المتفاعلة يؤدي إلى زيادة معدل التفاعل حيث تزداد كثافة الجزيئات المتفاعلة في الوسط مما يرفع من احتمالية حدوث تصادمات فعالة تؤدي إلى تكوين النواتج فعلى سبيل المثال إذا قمنا بحرق قطعة فحم في بيئة تحتوي على أكسجين بتركيز 15% فإن التفاعل سيكون أبطأ بالمقارنة مع حرقها في الهواء الطلق الذي يحتوي على نسبة أكسجين أعلى.
- طبيعة المواد المتفاعلة: خصائص المواد المتفاعلة تلعب دورًا أساسياً في تحديد سرعة التفاعل الكيميائي حيث تؤثر طبيعة الروابط الكيميائية بين الجزيئات في كفاءة التفاعل كما أن الحالة الفيزيائية للمادة، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية، تؤثر على سرعة التفاعل، فمثلاً عند تعريض قطعة حديد للهواء فإن عملية التفاعل تتم بصورة أبطأ مقارنة بالصوديوم وذلك لأن الصوديوم أكثر تفاعلية نظرًا لخصائصه الكيميائية.
- مساحة السطح: كلما زادت مساحة السطح المعرضة للتفاعل زادت سرعة التفاعل وذلك لأن زيادة المساحة السطحية ترفع من عدد الجزيئات المتاحة للتفاعل مما يزيد من احتمالية التصادم الفعال على سبيل المثال إذا حاولنا إحراق قطعة فحم كبيرة باستخدام عود ثقاب قد لا تشتعل بسرعة ولكن عند تفتيتها إلى أجزاء صغيرة فإنها تحترق خلال مدة أقصر بسبب زيادة المساحة السطحية المتاحة للتفاعل.
- المواد المحفزة:تساهم المحفزات في تسريع التفاعلات الكيميائية من خلال تقليل طاقة التنشيط المطلوبة لانطلاق التفاعل حيث تعمل المحفزات على تسهيل عمليات التصادم بين الجزيئات وتغيير طريقة التفاعل دون أن تتأثر أو تُستهلك أثناء العملية مما يسرّع من إتمام التفاعل.
- الدمج:تحريك وخلط المواد المتفاعلة يعزز من معدل التفاعل من خلال توزيع الجزيئات بشكل متجانس، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة فرص التصادم بينها وعكس ذلك، فإن عدم تحريك المواد يؤدي إلى تأخير العملية بسبب عدم توزيع الجزيئات بطريقة تساعد على التفاعل الفعّال.
- الضوء:بعض التفاعلات الكيميائية تتأثر بالضوء حيث يعمل الضوء على تنشيط بعض الجزيئات ورفع طاقتها مما يحفّز عملية التفاعل وهذا التأثير يكون أقوى عند استخدام الأشعة فوق البنفسجية والتي تمتلك طاقة عالية قادرة على كسر الروابط الكيميائية لمواد محددة مثلما يحدث عند تحلل مادة البوليسترين عند تعرّضها للضوء.
