ما هي نظرية التصادم؟
تستخدم نظرية التصادم (بالإنجليزية: Collision theory) للتنبؤ بمعدل التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الغازات، وتفترض هذه النظرية بأنّ التفاعل لا يحدث إلّا عند تصادم الذرات أو الجزيئات مع بعضها البعض، ولكي ينتج تغيرًا كيميائيًا بعد التصادم؛ يجب أن تمتلك جميع الذرات أو الجزيئات معًا بعد تصادمها مقدارًا معينًا من الطاقة الداخلية كحد أدنى مساويًا للطاقة اللازمة لتنشيط التفاعل، كما يجب توجيه الذرات المتصادمة لإعادة ترتيب الذرات والإلكترونات ليصبح معدل التفاعل الكيميائي مساويًا لتردد الاصطدامات الفعالة (سيتطرق له المقال لاحقًا)، وبما أنه لا يمكن قياس تردد الاصطدام إلا للمادة الغازية، فإن تطبيقات هذه النظرية مقتصرة فقط على الغازات.
وتؤكد النظرية بأنّ الجسيمات سواء كانت ذرات أو جزيئات تتصادم كثيرًا دون حدوث أي تفاعل أو تغير كيميائي، وذلك يدل على أن هناك عدة عوامل رئيسية يجب تواجدها لينجح حدوث التفاعل؛ أولًا يجب أن تتصادم الجزئيات مع بعضها البعض، ثانيًا يجب أن تمتلك طاقة كافية لتنشيط التفاعل، وثالثًا يجب أن تتحرك بالاتجاه الصحيح، وتؤكد هذه النظرية كذلك على أنّ هناك تصادم واحد فقط يحدث أو ينجح من تجمع 3 جزيئات في نفس الوقت من بين 1000 تصادم ثنائي، وأن حدوث تصادمات في أربعة اتجاهات غير ممكن أبدًا.
شرح نظرية التصادم
يعتمد معدل حدوث التفاعل الكيميائي في نظرية التصادم على معدل التصادم بين الجزيئات، فإذا تلامس الجزيء A مع الجزيء B بقوة كافية لكسر الروابط بين ذراتها، ويطلق على هذا التلامس في النظرية بالتصادم، وتتكرر التصادمات بين الجزيئات وفقًا لتركيز كل غاز، فإذا ضاعفنا تركيز غاز A أو غاز B، فإنّ تكرار التصادمات بين الغازين سيتضاعف أيضًا، ويبدأ التفاعل الفعال بين الغازين عند تصادمهما بسرعة كافية مع طاقة حركية كافية لكسر الروابط بين ذراتهما، وتُسمى هذه الطاقة التي تُنشط التفاعل بطاقة التنشيط التي من دونها لا يوجد تفاعل، فعلى سبيل المثال إذا اصطدمت كرتا بلياردو مع بعضها البعض سيرتد كل منهما عن الآخر دون حدوث أي تفاعل أو تغير كيميائي، ولكي تحدث تفاعل بينهما يجب أن تصادمهما بطاقة كافية لتنكسر الروابط الكيميائية فيهما وتشكل روابط جديدة، وللوصول إلى هذه الطاقة يجب زيادة درجة الحرارة، فوفقًا للنظرية الحركية للغازات فإنّ الطاقة الحركية لأي غاز تزداد بازدياد درجة الحرارة، أي أن العلاقة بينهما هي علاقة طردية، وتزيد درجة الحرارة من سرعة الوصول إلى طاقة التنشيط اللازمة لحدوث تفاعل عند الاصطدام.
تطور نظرية التصادم
طوّر كلًا من ماكس تراوتز (Max Trautz) ووليام لويس (William Lewis) نظرية التصادم ما بين عامي 1916-1918، وذلك لتفسير حدوث التفاعلات الكيميائية والوصول إلى رؤية وتفسيرات أفضل لهذه التفاعلات، وقد قاما بتطوير نظرية التصادم على أساس النظرية الحركية للغازات، التي توضح سلوك الغازات وحركة جزيئاتها أو ذراتها العشوائية داخلها باستمرار.
قد لعبت نظرية التصادم بعد تطورها دورًا كبيرًا في العالم وتسريع خطاه، خاصةً في جميع المجالات التي يرتبط وجودها بحدوث تفاعل كيميائي؛ مثل تعبئة مياه الشرب، أو صناعة زجاجات المياه، أو في مصانع السيارات، أو في قطاع تصنيع المعادن، أو في الزرع البيولوجي (Biological Implants) الصناعي، أو في أي مجال آخر مرتبط بالتفاعل الكيميائي الغازي.
التصادم الفعال وغير الفعال
توضح نظرية التصادم التفاعلات الكيميائية الناتجة من التصادمات الجزيئية وتفسر اختلاف سرعة التفاعلات ومعدلها بين التفاعلات الكيميائية، وتوضح النظرية كذلك العوامل المؤثرة على الاختلاف في معدل التفاعل، ووفقًا لنظرية التصادم فإنّ غالبية التصادمات لا تؤدي إلى حدوث تغيير كيميائي، ويُسمى عندئذ هذا التفاعل تفاعل غير فعال. وفيما يلي وصف للتفاعل بين أكسيد النيتريك (NO) والأوزون (O3):
لحدوث تصادم فعال يجب أن تصطدم ذرة النيتروجين في جزيء أكسيد النيتريك مع إحدى ذرات الأكسجين في جزيء الأوزون (O3)، ويجب أن يحدث التصادم بزاوية معينة، فإذا تصادما في اتجاه أو زاوية أخرى أو اصطدمت ذرة النيتروجين مع ذرتين أكسجين أو ذرة اكسجين مركزية فإنّ التصادم لن يؤدي إلى تفاعل، ويُصبح حينها التصادم غير فعال.
طاقة التنشيط هي الطاقة الكامنة التي تصل إليها المواد المتفاعلة في الجزيئات بعد تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة، وتختلف طاقة التنشيط وفقًا لطبيعة التفاعل الكيميائي، إذ هناك تفاعلات تتطلب طاقة تنشيط أعلى من غيرها، وأثناء الاصطدام تكون هذه الطاقة الكامنة في مستوى واحد لجميع المواد المتفاعلة، ولينجح حدوث تفاعل كيميائي بين المواد المتفاعلة مثل NO و O3 يجب أن تصل الطاقة الكامنة لديهم إلى مقدار أكبر من طاقة التنشيط التي يتطلبها التفاعل.
فإذا وصلت هذه المواد إلى طاقة كافية لبدء التفاعل فإنّها تنتج وسيطًا غير مستقر يُسمى مركب أو معقد نشط، وهي في الحقيقة مرحلة انتقال، بحيث يتحلل المركب النشط إلى منتجات للتفاعل لأنّ بنيته تكون غير مستقرة وسانحة لتكوين روابط جديدة، وبعد حدوث هذا التحلل تطلق طاقة كامنة في المنتجات أقل من الطاقة الكامنة في المواد المتفاعلة، وفي بعض الحالات يحدث العكس؛ أي يمتص التفاعل الطاقة لأنّ المنتجات تكون لديها طاقة أكبر من طاقة المواد المتفاعلة.
الخالصة
نظرية التصادم تنص على حدوث رد فعل بسيط بعد تصادم الجزيئات في الاتجاه الصحيح مع ضرورة امتلاكها قبل ذلك لطاقة كافية تتغلب فيها على طاقة التنشيط، وأنه يتشكل بعد التصادم روابط جديدة في حال حدوث تفاعل كيميائي، وهي نظرية مهمة تفسر تفاعل الغازات، ولها تطبيقات لا حصر لها في مجال الصناعة والطب غيرها.
