معدل التفاعل الكيميائي
يُعرف معدل التفاعل بأنه السرعة التي يجري فيها التفاعل الكيميائي، ويتم التعبير عنه من خلال تركيز المواد الناتجة التي تكونت خلال مدة زمنية معينة، أو المواد المُتفاعلة التي استهلكت خلال مدّة زمنية معينة، كما يمكن تعريفه بأنه كمية المواد المُتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن، ويتم التعبير عنه كما يأتي:
- معدل استهلاك المواد المُتفاعلة: -Δ [ المواد المُتفاعلة] ÷ Δ ز.
- معدل تكوُّن المواد الناتجة: Δ [المواد الناتجة] ÷ Δ ز.
ملاحظة: يستخدم القانونين لقياس معدل التفاعل، ويتصلان بالتفاعلات الكيميائية الموزونة (المتعادلة).
قانون سرعة التفاعل الكيميائي
يُمكن حساب سرعة التفاعل الكيميائي اعتمادًا على القانون الآتي:
سرعة التفاعل= ثابت التفاعل × تركيز المواد المتفاعلة مرفوعة لقوة رتبة التفاعل
وبالرموز: ((n)^[B] (m)^[A]) × r = k
إذ إنّ:
- r: يرمز إلى معدل سرعة التفاعل الكيميائي وتُقاس بوحدة (مول/لتر.ث).
- k: يرمز إلى ثابت سرعة التفاعل، وتعتمد وحدته على وحدة رتبة التفاعل.
- [A]: يرمز إلى تركيز المادة المتفاعلة A، وتُقاس بوحدة (مول/لتر).
- [B]: يرمز إلى تركيز المادة المتفاعلة B، وتُقاس بوحدة (مول/لتر).
- m: يرمز إلى رتبة المادة المتفاعلة A.
- n: يرمز إلى رتبة المادة المتفاعلة B.
حساب رتبة التفاعل
تعتمد رتبة التفاعل الكيميائي على تركيز المادة المتفاعلة وتُحدّد تجريبيًا، فقد تكون عددًا صحيحًا أو كسريًا أو صفريًا، أي أن تركيز المادة المتفاعلة لا يؤثر على قيمة سرعة التفاعل الكيميائي، حيث يمكن أن يكون التفاعل من الدرجة الأولى أو تفاعل من الدرجة الثانية وهكذا، ومعرفة قيمة رتبة التفاعل مهمة في حساب معدل سرعة التفاعل الكيميائي.
ويوجد عدة طرق لحساب رتبة التفاعل الكيميائي منها؛ طريقة التفاضل، وهي طريقة لتحديد رتبة التفاعل الكيميائي وفقًا للجدول الآتي الذي يمثل المعادلة A B⟶P:
| رقم التجربة | [A] | [B] | r |
| 1 | 0.1 | 0.1 | 3-^10×1 |
| 2 | 0.2 | 0.1 | 3-^10×1 |
| 3 | 0.1 | 0.2 | 3-^10×2 |
ولإيجاد رتبة التفاعل الكيميائي يجب أولاً كتابة القانون العام لسرعة التفاعل في المعادلة السابقة، ومن ثم تحديد قانون السرعة (r =k× [A]m [B]n) للمواد المتفاعلة في التجربة الثانية والثالثة، كالآتي:
- قانون السرعة للتجربة الأولى: .. (1)
- قانون السرعة للتجربة الثالثة: .. (3)
- ومن خلال قسمة المعادلة (3) على المعادلة (1) تُلغى قيمة (k) باعتبارها قيمة ثابتة وكذلك قيمة .
- تبقّى من ناتج القسمة ؛ إذًا قيمة n=1.
- تطبيق نفس الخطوات على التجربة الأولى والثانية لإيجاد قيمة m والتي تساوي صفرًا.
حساب سرعة التفاعل الكيميائي
يمكن حساب سرعة التفاعل الكيميائي من خلال القانون العام لمعدل السرعة على النحو الآتي:
مثال توضيحي: في المعادلة يجب إيجاد سرعة التفاعل الكيميائي إذا كانت قيمة k تساوي 1.14 × 10^-2 وتركيز H2O يساوي (2.04)
الحل:
- تحديد رتبة التفاعل في البداية، والتي تساوي 1 أي أن التفاعل من الدرجة الأولى.
- تطبيق قانون سرعة التفاعل الكيميائي للمادة المتفاعلة H2O:
-
العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل
يتأثر معدل التفاعل الكيميائي بعدة عوامل، والذي يزداد عند وجود العوامل التي تزيد من التَّصادمات بين الجزيئات، ويقل بوجود العوامل التي تقلل منها، ومن هذه العوامل ما يأتي:
يؤدي زيادة تركيز المواد المُتفاعلة إلى المزيد من التصادمات الفعالة خلال وحدة الزمن، مما يزيد من معدل التفاعل، وينتج عن ذلك أيضاً ارتباط زيادة تركيز المواد الناتجة بانخفاض معدل التفاعل.
يترافق ارتفاع درجات الحرارة بزيادة معدل التفاعل عادةً، حيث يزيد ارتفاع الحرارة من معدل الطاقة الحركية لجزيئات المادة ، وبالتالي زيادة التصادمات بينها خلال وحدة الزمن، كما قد وُجِد أن معدل التفاعل لأغلب التفاعلات الكيميائية ( ليس جميعها) يتضاعف عند زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، ولكنه قد يتباطئ بوصول درجة الحرارة إلى درجة معينة.
يتأثر معدل التفاعل الكيميائي بالوسط الذي يحدث فيه، حيث يختلف معدل التفاعل إذا كان الوسط سائلًا، أو صلبًا، أو غازيًا، أو مائيًا، أو عضويًا، أو قطبيًا، أو غير قطبي، كما يتأثر معدل التفاعل بشكل وحجم المواد المتفاعلة إذا كانت صلبةً، بالإضافة إلى مساحة السطح بالنسبة للمواد السائلة والصلبة.
يؤدي زيادة الضغط في التفاعل إلى تحسين احتمالية تفاعل المواد المتفاعلة معًا، وبالتالي زيادة معدل التفاعل، ويعدّ هذا العامل مهمّاً في التفاعلات التي تحتوي غازات، على عكس تفاعلات المواد الصلبة والسائلة، حيث لا يعتبر حينها عاملاً مهمّاً.
يزيد معدل التفاعل الكيميائي نتيجة مزج المواد المتفاعلة معًا؛ حيث يُساعد على زيادة قدرتها على التفاعل.
- وجود المواد المحفِّزة أو المسّرعة
تعمل المحفزات (بالإنجليزية: Catalysts) كالإنزيمات مثلًا على تقليل طاقة تنشيط التفاعل الكيميائي وزيادة معدل التفاعل، وذلك من خلال زيادة معدل التصادمات بين المواد المتفاعلة، وزيادة فعاليتها، وبالتالي تقليل الترابط بين جزيئات المواد المتفاعلة أو منح كثافة إلكترونية لها ليصل التفاعل إلى الإتزان بسرعة أكبر، بالإضافة إلى وجود تأثير للعوامل كيميائية الأخرى مثل درجة حموضة المحاليل الكيميائية التي تغيِّر معدل التفاعل، وبعض الجزيئات الكيميائية التي تتنافس مع المواد المتفاعلة، أو تغيِّر الاتجاه أو الكثافة الالكترونية أو الترابط أو غيرها، وبالتالي تقلِّل معدل التفاعل.
الاتزان الكيميائي
يُعرَف الاتزان الكيميائي بأنه الحالة الديناميكية التي يتساوى فيها معدل التفاعل الأمامي مع معدل التفاعل العكسي، أي لا يوجد تغيير صافٍ في تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة، و هناك العديد من العوامل التي تؤثر في الاتزان الكيميائي ، وفيما يأتي بعض خصائص وشروط النظام الكيميائي أثناء حالة الاتزان:
- يجب أن يكون النظام مغلقاً، أي أنّه لا تخرج منه أي مواد، ولا تدخل إليه أي مواد أخرى.
- التوازن هو عملية ديناميكية يحدث فيها التفاعل الأمامي والعكسي.
- يتساوى معدل التفاعل الأمامي مع معدل التفاعل العكسي.
- ليس بالضرورة أن تتساوى كمية المواد المتفاعلة والناتجة، ولكن الكميات تبقى ثابتة بعد تحقيق حالة التوازن.
