العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعلات الكيميائية:
لقد وجد من نتائج التجارب العملية أن أهم العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعل هي كالتالي:
- طبيعة المواد المتفاعلة.
- تركيز المواد المتفاعلة.
- درجة الحرارة.
- وجود الحافز.
1. طبيعة المواد المتفاعلة:
تختلف سرعة التفاعل الكيميائي باختلاف المواد المتفاعلة واختلاف الوسط الذي يجرى فيه التفاعل، وعملياً وجد أن طبيعة المواد المتفاعلة تؤثر تأثيراً واضحاً في سرعة التفاعل ولعل هذا يتضح من المثال التالي:
اختزال أيونات البرمنجنات MnO-4 بواسطة أيونات الحديدوز في الوسط الحامضي
Fe +2 → Fe+3 + Mn+2 + MnO-4
تتم بسرعة ويلاحظ ذلك من اختفاء لون البرمنجنات مما يدل على إن التفاعل سريع بينما اختزال نفس الأيونات بواسطة حمض الاكساليك في الوسط الحامضي يتم على مهل مما يدل على أن التفاعل بطئ.
2H2C2O4 + 6H+ → 2H2O + 4CO2 + 2Mn+2 + 2MnO-4
2. تركيز المواد المتفاعلة:
لوحظ أنه عندما يكون تركيز المواد المتفاعلة كبيراً وذلك عند بداية التفاعل تكون سرعة التفاعل كبيرة وبمرور الوقت يقل تركيز المواد المتفاعلة وتنخفض معه سرعة التفاعل.
عموماً العلاقة بين تركيز المواد المتفاعلة وسرعة التفاعل ليست بالعلاقة السهلة حيث تؤدي الزيادة في تركيز إحدى المواد المتفاعلة إلى زيادة سرعة التفاعل وقد تؤدي إلى نقصانها كما في التفاعلات العكسية وقد لا يحدث أي تغيير في السرعة وأحياناً قد تؤدي إلى تسمم التفاعل ولاسيما في التفاعلات غير المتجانسة.
3. درجة الحرارة:
أغلب التفاعلات الكيميائية تزداد سرعتها بارتفاع درجة الحرارة في التفاعل والعكس صحيح سواء كان التفاعل طارداً للحرارة Exothermic أو ماصاً للحرارة Endothermic، ولذلك عند دراسة حركية التفاعلات الكيميائية لأغلب التفاعلات الكيميائية يجب أن يتم ذلك باستخدام حمام ذي درجة حرارة ثابتة (Thermostatic unit).
وعموماً فإن سرعة كثير من التفاعلات الكيمائية التي تجرى بالقرب من درجة حرارة الغرفة تتضاعف أو تزيد إلى ثلاثة أمثالها كلما ارتفعت درجة الحرارة بمقدار 10 درجة مئوية، وقد اقترح أرهينوس Arrheinus العلاقة:
K = A e-∆H/RT (2)
حيث K هي ثابت سرعة التفاعل، A هو ثابت أرهينوس، ∆H هي حرارة التنشيط ويمكن وضع هذه العلاقة على الصورة:
ln K = ln A - ∆H/RT
log K = log A - ∆H/2.303 RT
ويمكن تبعاً لمعادلة أرهينيوس الحصول على خط مستقيم عند رسم لوغاريتم ثابت السرعة log K مقابل درجة الحرارة المطلقة 1/T ميله يساوي -∆H / 2.303R
أما عند إجراء التفاعل عند درجتي حرارتين فقط T2 , T1 فإن المعادلة السابقة تؤول إلى:
log K1 = -∆H/2.303RT1 + log A
log K2 = -∆H/2.303RT2 + log A وعليه فإن
log K2 – logK1= - ∆H/2.303R [1/T2 – 1/T1]
logK2/K1 = + ∆H/2.303R [T2-T1/T2T1] (4)
مثال: إذا كانت طاقة التنشيط ∆H= 24000 سعر لكل جزئ جرامي، أوجدي نسبة التغير في سرعة التفاعل عند ارتفاع درجة الحرارة من 27ەم إلى127 ەم؟
الحل:
log K2/K1 = 24000/2.303x2 [400-300/400x300] = 4.3421
K2/K2 = 2.199x+1004
أي أن زيادة درجة الحرارة تنتج عنها زيادة في ثابت سرعة التفاعل أي زيادة سرعة التفاعل، فزيادة درجة الحرارة بمقدار 100ەم زادت سرعة التفاعل بنسبة 2x104 مرة، وسبب هذه الزيادة الكبيرة في سرعة التفاعل أنه بزيادة درجة الحرارة يزداد عدد الجزيئات النشطة التي تشترك في التفاعل.
4. وجود الحافز:
الحوافز عبارة عن مواد لها خاصية تنشيط التفاعل الكيميائي وزيادة سرعته دون أن تتغير كيميائياً(حفز موجب ) ودورها هو الإسراع في إتمام التفاعل عن طريق مسالك تكون الطاقة التنشيطية اللازمة لها أقل بكثير من الطاقة التنشيطية اللازمة لإتمام التفاعل بدون الحافز, وقد يقوم عامل الحفز في بعض الأحيان بخفض سرعة التفاعل الكيميائي ويسمى في هذه الحالة مثبط للتفاعل (حفز سالب). وهناك أنواع كثيرة مختلفة من الحوافز، كما تختلف الطريقة التي يعمل بها ولاسيما من ناحية تكوين المركب المتوسط. وقد يكون الحافز مادة غازية أو سائلة أو صلبة أو قد يكون ذاتياً.
ومن دراسة سرعة التفاعل الكيميائي ومعرفة أثر العوامل المذكورة يمكن معرفة الكثير من تفاصيل الخطوات التي يتم بها تحويل المواد المتفاعلة إلى مواد ناتجة.
ولما كان وجود الحوافز يضاعف من سرعة التفاعل بمقدار عشرات الأضعاف وقد يكون الحافز سطح مادة صلبة كجدار إناء التفاعل. لذلك يمكن تقسيم التفاعلات الكيميائية من وجهة نظر حركية التفاعلات إلى:
أ. تفاعلات متجانسة Homogeneous Reactions
ب. تفاعلات غير متجانسة Heterogeneous Reactions
والتفاعل المتجانس: هو الذي يحدث كلياً في طور واحد (One Phase) بينما التفاعل غير المتجانس: هو الذي يحدث جزئياً على الأقل في أكثر من طور واحد.
وأغلب التفاعلات غير المتجانسة العادية تكون لها سرعة تفاعل تعتمد على مساحة السطح التي يتعرض لها خليط المواد المتفاعلة وهذا السطح يمكن أن يكون الجدار الداخلي لإناء التفاعل أو يمكن أن يكون المادة الصلبة الحافزة. لذلك عند دراسة حركية التفاعل لابد من التأكد من تأثير جدارة الإناء في سرعة التفاعل في أي مرحلة من مراحل التفاعل، ويمكن ذلك في حالة كون جدار الإناء من الزجاج فتضاف كرات زجاجية صغيرة أو أنابيب شعرية رقيقة يحدث على سرعة التفاعل. فإذا كان التفاعل متجانساً فلن تتأثر سرعته، أما إذا كان التفاعل غير متجانس فإن سرعته تتأثر بزيادة السطح المعرض.
التسميات
كيمياء