سرعة التفاعل

سرعة التفاعل

تتفاوت التفاعلات في سرعتها ، فبعض التفاعلات سريع ، والبعض الآخر بطيء .
انفجار الديناميت من التفاعلات التي تحدث خلال أجزاء من الثانية ، بينما يمثل تفاعل تكون صدأ الحديد والذي يحدث خلال أيام أو أسابيع أو سنوات مثالاً على التفاعلات البطيئة .
فكر في أمثلة أخرى .
سرعة التفاعل
يهتم الصناعيون كثيراً بدراسة سرعة التفاعل لمعرفة كمية النواتج التي يمكن الحصول عليها من التفاعل خلال الساعة ، وهل هنالك إمكانية لزيادة سرعة التفاعل بالتحكم في ظروفه ، للحصول على أكبر كمية من النواتج في أقصر مدة .
تستخلص من المعادلة الكيميائية الكثير من المعلومات ولكنها لا تعطي فكرة عن سرعة التفاعل .
يتم تحديد سرعة التفاعل بطرق عملية .
قياس سرعة التفاعل :
انظر إلى معادلة تفاعل كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك .



كيف يمكن قياس سرعة هذا التفاعل ؟
ليس من السهولة قياس كمية إحدى المواد المتفاعلة أو الناتجة ، ولكن من السهولة قياس كمية الغاز الناتجة من التفاعل.
التجربة الآتية توضح ذلك :
تجربة 15 ـ 1 حجم الغاز المتصاعد (1)
رتب الجهاز المبين جانباً :
سجّل حجم الغاز المتجمع في المخبار كل (ثانية ) . ابدأ بالتسجيل بمجرد إغلاق السدادة .
سجل نتائجك في جدول كالتالي :

الزمن ( ث ) صفر 30
حجم الغاز المحصور ( سم) 3 صفر
ارسم منحنى بياني يمثل النتائج واضعاً الزمن على الإحداثي السيني وحجم الغازعلى الإحداثي الصادي.
سرعة التفاعل
قياس سرعة التفاعل :
تجربة 15 ـ 2 حجم الغاز المتصاعد (2)

رتب الجهاز المبين جانباً :
كرر الخطوات التي اجريتها في التجربة السابقة .
توقف عن التسجيل عندما تجمع 100 سم3 من الغاز .
سجل النتائج التي حصلت عليها في جدول ، ومثلها بيانياً .
تجربة 15 ـ 3 كتلة الغاز المتصاعد
رتب الجهاز المبين جانباً :
سجّل الكتلة كل 30 ثانية .
سجّل نتائجك في جدول كالتالي :
الزمن ( ث ) صفر 30
الكتلة ( غ )
النقص في الكتلة (غ) صفر
تحتوي بعض الموازين على زر لتصفير الميزان . اضغط علىالزر عند بدء التجربة ثم سجل قراءة الميزان كل 30 ثانية .
ارسم منحنى بياني يمثل نتائجك .
(مثل النقص في الكتلة على الإحداثي السيني ، والزمن على الإحداثي الصادي ) .
يمثل النقص في الكتلة كتلة الغاز المتصاعد .
المنحنيات البيانية وسرعة التفاعل :
هل شكل المنحنى الذي رسمت يشبه المنحنى المجاور ؟
يمكن استخدام المنحنى لقياس سرعة التفاعل عند أي زمن .
يخبرنا ميل المنحنى عن سرعة التفاعل .
كلما زاد ميل المنحنى زادت سرعة التفاعل .
انظر إلى المنحنى :
حدد الفترة التي يأخذ فيها التفاعل بالتباطؤ ؟
حدد الفترة التي توقف فيها التفاعل ؟
تأثير مساحة السطح :
هل سبق أن اشعلت موقد حطب ؟
في أي الحالتين يكون الإشتعال أسرع ، إذا كانت القطع صغيرة أم كبيرة ؟
القطع الصغيرة تحترق بسرعة أكبر من القطع الكبيرة ؟
العملية تشبه شواء حبّتي بطاطا ، الأولى مقطعة إلى شرائح رقيقة ، والأخرى سميكة .
شرائح أي الحبتين تشوى أسرع ؟
هل لمساحة سطح الشرائح أثر في سرعة الشواء ؟
تزداد مساحة سطح البطاطا بعد كل عملية تقطيع .
لننظر إلى أثر زيادة مساحة السطح في سرعة التفاعل من خلال التجربة التالية :
تجربة 15 ـ 4 أثر مساحة السطح في سرعة التفاعل
رتب الجهاز المبين جانباً :
استخدم خطوات التجربة ( 15 ـ 3 ) .
كرر التجربة مرتين ، استخدم في التجربة الأولى 5 غ من قطع الرخام صغيرة الحجم ، وفي الثانية 5 غ من قطع الرخام كبيرة الحجم.
أي قطع الرخام تمتلك مساحة سطح أكبر ؛ الصغيرة
أم الكبيرة؟
لماذا استخدمنا نفس الكمية من الرخام في التجربتين؟
مثل نتائج التجربتين على نفس المنحنى البياني .
استخدم نفس الإحداثيات التي استخدمتها في التجربة ( 15 ـ 3 ) .
أي المنحنيين له ميل وانحدار أكبر ؟
في أي الحالتين كان التفاعل أسرع ؟
ماذا حدث لسرعة التفاعل عند زيادة مساحة السطح ؟
بزيادة مساحة السطح تزداد سرعة التفاعل .

تأثير مساحة السطح :
نظرية التصادم
كما تعلم فالمواد مكونة من دقائق ، قد تكون هذه الدقائق ذرات أو جزيئات أو أيونات.
على هذه الدقائق أن تتصادم لنحصل على التفاعل الكيميائي ، وهذا ما يعرف بنظرية التصادم .
ماذا يحدث لسرعة التفاعل إذا زاد عدد التصادمات بين الدقائق ؟؟
بزيادة عدد التصادمات بين الدقائق تزداد سرعة التفاعل .
توضيح أثر مساحة السطح .
يتفاعل الحديد مع الأكسجين عند تسخينه في الجو .
ماذا يكون باعتقادك ؟؟
على هذه الدقائق أن تتصادم ليحدث التفاعل.
تجربة 15 ـ 5 ألعاب نارية
قارن ما يحدث عند تسخين كل من :
1. مسمار من الحديد 2. ليف من الحديد
3. برادة حديد
باستخدام ملقط ، قرّب مسمار الحديد من اللهب ، كرر ما قمت به باستخدام الليف .
ضع القليل من برادة الحديد في طرف ملعقة وقربها من اللهب .
رتب أشكال الحديد الثلاثة وفق زيادة مساحة السطح .
ما أثر مساحة السطح على سرعة التفاعل ؟
تأثير مساحة السطح :
فكر في عملية تسخين برادة الحديد .
لبرادة الحديد مساحة سطح كبيرة ، وهذا يعني أن عدد ذرات الحديد المعرضة للتفاعل مع الأكسجين يغدو كبيراً ، وبزيادة مساحة سطح الحديد يزداد عدد التصادمات بينها وبين الأكسجين فتزداد معه سرعة التفاعل .
قارن ذلك بتسخين المسمار .
لمسمار الحديد مساحة سطح صغيرة ، لذا فهو يتفاعل ببطء .
أثر التركيز :
انظر إلى التعليمات على صندوق مسحوق الغسيل المجاور.

مسحوق الغسيل يذوب في الماء في حوض الغسالة وينتج عن ذوبانه تكون محلول.
يحتوي مسحوق الغسيل على مواد تتفاعل مع الأوساخ وتعمل على إزالتها .
ماذا يحدث لتركيز المحلول عند إذابة مزيد من مسحوق الغسيل في ماء الغسيل ؟
إن زيادة كمية مسحوق الغسيل تعمل على زيادة تركيزه في المحلول ، مما يزيد من سرعة إزالة بقع الأوساخ .
تجربة 15 ـ 6 تأثير التركيز على سرعة التفاعل
في هذه التجربة عليك أن تغير تركيز الحمض في كل مرة .
ما العوامل الأخرى التي يجب تثبيتها ؟
ركب الجهاز المجاور :
احسب الزمن اللازم لجمع 20سم3 من الغاز .
سجّل النتائج التي حصلت عليها في جدول كالجدول أدناه :
حجم الحمض 10 20 30 40 50 تركيز أقل
( سم3 )
حجم الماء 40 30 20 10 صفر 
الزمن اللازم لجمع 20 سم3 من الغاز ( ث تركيز أكبر


أي التجارب انتجت تفاعلاً أسرع ؟
ماذا يحدث لسرعة التفاعل عند زيادة تركيز الحمض ؟
بزيادة التركيز تزداد سرعة التفاعل .


أثر التركيز :
توضيح أثر التركيز
يمكنك استخدام نظرية التصادم التي درستها سابقاً لتوضيح أثر التركيز في سرعة التفاعل .
عد إلى التجربة السابقة .
دقائق الحمض تتفاعل مع قطع الرخام عند تصادمها معها .
انظر إلى الشكل المجاور :
تتحرك دقائق الحمض بشكل عشوائي خلال الماء .
وبزيادة تركيز الحمض ، يزداد عدد دقائقه في نفس الحجم .
ولذلك تزداد عدد التصادمات بين دقائق الحمض وسطح قطعة الرخام ، وعليه تزداد سرعة التفاعل .
الأمر يشبه إلى حد كبير زيادة عدد الراقصين في حلبة الرقص فتزداد معه الفرصة لتصادمهم معاً .
التفاعلات الغازية
انظر إلى الشكل المجاور :
إذا كانت مقدمة المحقن مغلقة ، فكيف تزيد الضغط المسلط على الغاز ؟
تركيز أقل الزمن اللازم لجمع 20 سم3 من الغاز ( ث ) حجم الماء
( سم3 ) حجم الحمض
( سم3 )
40 10
 30 20
20 30
تركيز أكبر 10 40
صفر 50

أي التجارب انتجت تفاعلاً أسرع ؟
ماذا يحدث لسرعة التفاعل عند زيادة تركيز الحمض ؟
بزيادة التركيز تزداد سرعة التفاعل


أثر التركيز :
توضيح أثر التركيز
يمكنك استخدام نظرية التصادم التي درستها سابقاً لتوضيح أثر التركيز في سرعة التفاعل .
عد إلى التجربة السابقة .
دقائق الحمض تتفاعل مع قطع الرخام عند تصادمها معها .
نظر إلى الشكل المجاور :
تتحرك دقائق الحمض بشكل عشوائي خلالا الماء .
وبزيادة تركيز الحمض ، يزداد عدد دقائقه في نفس الحجم .
ولذلك تزداد عدد التصادمات بين دقائق الحمض وسطح قطعة الرخام ، وعليه تزداد سرعة التفاعل .
الأمر يشبه إلى حد كبير زيادة عدد الراقصين في حلبة الرقص فتزداد معه الفرصة لتصادمهم معاً .

التفاعلات الغازية
انظر إلى الشكل المجاور :
إذا كانت مقدمة المحقن مغلقة ، فكيف تزيد الضغط المسلط على الغاز ؟


بالضغط على مكبس المحقن يقل حجم الغاز مع بقاء عدد دقائقه ثابتاً .
وبعبارة أخرى يزداد تركيز الغاز .
لذلك :
تؤدي زيادة الضغط في التفاعلات الغاززية إلى زيادة سرعة التفاعل .
تأثير درجة الحرارة
لماذا تحفظ الأطعمة في الثلاجة ؟
بعض المواد الموجودة في الطعام تتفاعل مع أكسجين الجو.
هل سبق أن تذوقت طعم حليب منتهي الصلاحية ؟
إذا سبق أن فعلت ، فإنك بالتأكيد لاحظت الطعم الحمضي للحليب الفاسد !
الزيوت والدهون في العديد من الأطعمة تتحول إلى حموض إذا تركت معرضة للهواء .
إن تقليل درجة الحرارة في الثلاجة يبطيء من سرعة التفاعلات التي تؤدي إلى فساد الأطعمة .
انظر إلى التجربة الآتية التي توضح أثر درجة الحرارة في سرعة التفاعل .
تجربة 15 ـ 7 أثر درجة الحرارة في سرعة التفاعل
امزج حجمين متساويين من محلولي ثيوكبريتات الصوديوم وحمض الهيدروكلوريك في دورق .
يتعكر المحلول لتكون راسب من الكبريت عند حدوث التفاعل.
يمكن حساب الوقت اللازم لتعكر المحلول لمعرفة سرعة التفاعل .

سخن محتويات الدورق حسب درجات الحرارة الموضحة في الجدول ، وكما تلاحظ في الشكل المجاور ، وفي كل مرة سجل الزمن اللازم لإختفاء إشارة (  ) على الورقة.

استخدم في كل مرة 50 سم3 من محلول ثيوكبريتات الصوديوم و 5 سم3 من حمض الهيدروكلوريك مع التحريك .

سجل نتائج تجاربك في جدول كالتالي :
ما هي العوامل التي يجب تثبيتها عند عمل التجربة ؟
عند أي درجة حرارة تختفي إشارة (  ) أسرع ؟
هل تلاحظ أي انتظام في نتائجك بزيادة درجة الحرارة ؟
زمن اختفاء إشارة ( ) ثانية درجة الحرارة ( ْ س )
25
35
45
55

تأثير درجة الحرارة
تفسير أثر درجة الحرارة :
ماذا يحدث لحركة الدقائق عند زيادة درجة الحرارة ؟
تكتسب الدقائق طاقة عند رفع درجة حرارتها ، فتزداد سرعتها ، وتنتقل بسرعة أكبر في وعاء التفاعل فتزداد التصادمات بينها بنفس الزمن ولذلك تزداد سرعة التفاعل بزيادة درجة الحرارة .
ولكن ليس جميع التصادمات تؤدي إلى حدوث تفاعل ، ولكي تؤدي التصادمات إلى حدوث نواتج للتفاعل يجب أن تمتلك طاقة كافية لكي يكون التصادم مناسباً لإنتاج مواد جديدة ، على كل حال فإن زيادة درجة الحرارة تزيد من طاقة الدقائق ، ويزيد معه احتمال أن يؤدي التصادم إلى حدوث نواتج .
تسمى التصادمات التي تؤدي إلى حدوث نواتج بالتصادمات الفعّالة .
زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى زيادة :
1. عدد التصادمات بين دقائق المتفاعلات .
2. عدد التصادمات التي تؤدي إلى حدوث نواتج .

بزيادة درجة الحرارة تزداد عدد التصادمات الفعالة ، فتزداد سرعة التفاعل .
وإذا قمت بزيادة درجة الحرارة 10ْس ، فإنك تزيد سرعة التفاعل بمقدار الضعف !

مثال :
إليك بعض النتائج المحسوبة مسبقاً :
جميع العوامل في التجربة ثابتة باستثناء درجة الحرارة .
انظر إلى المنحنى المجاور :
لاحظ أنك لا تحصل على مزيد من النواتج في درجات الحرارة العالية ، أنت تحصل على نفس الكمية ،ولكن بشكل أسرع .
هل التفاعل أسرع في درجة 30 ْ س أم 40 ْ س ؟
كيف تعرف أي التفاعلين أسرع ؟
كيف يكون شكل المنحنى لو أجريت التجربة عند درجة 50 ْ س .
العوامل المساعدة :
العوامل المساعدة مواد تزيد من سرعة التفاعل الكيميائي ، وفي نهاية التفاعل تخرج دون أن يتغير تركيبها الكيميائي .

يمكن أن ترى فعل العامل المساعد من خلال التجربة التالية :
تجربة 15 ـ 8 تحلل فوق أكسيد الهيدروجين

صب محلول فوق أكسيد الهيدروجين في أنبوب اختبار كبير .
ماذا تشاهد داخل الأنبوب ؟
هل تكونت الفقاعات بسرعة ؟
ينتج غاز الأكسجين عند تحلل فوق أكسيد الهيدروجين .
قرّب لهب بالقرب من الأنبوب .
ماذا تشاهد ؟
والآن أضف كمية قليلة من أكسيد المنغنيز (IV) .
قرب اللهب مرة أخرى .
ماذا حدث لحظة إضافة أكسيد المنغنيز (IV)؟
ماذا حدث للهب


يعتبر أكسيد المنغنيز (IV) عاملاً مساعداً للتفاعل :



يعمل أكسيد المنغنيز (IV) عاملاً مساعداً لزيادة سرعة التفاعل .
لاحظ أن العامل المساعد لا يظهر في معادلة التفاعل ، ويكتب عادةً فوق السهم .
ـ كيف يمكن استرجاع أكسيد المنغنيز (IV) لاستخدامه مرةً أخرى بعد حدوث التفاعل ؟
( تلميح : أكسيد المنغنيز (IV) غير ذائب في الماء ) .

العوامل المساعدة :
كيف يعمل العامل المساعد :
تذكر منحنى الطاقة ، والذي يبين تغير الطاقة عند تفاعل المواد المتفاعلة .

ولكن قبل أن تتحول المتفاعلات إلى نواتج ، تحتاج إلى طاقة محددة لبدء التفاعل ، وهي الطاقة اللازمة لحدوث التصادم الفعال .
العملية تشبه إشعال غاز الموقد ، علينا أن نقرب عود ثقاب مشتعل لبدء عملية الإحتراق .
تسمى الطاقة اللازمة لبدء التفاعل بطاقة التنشيط .

العوامل المساعدة :
انظر إلى منحنى الطاقة المجاور :
العامل المساعد يخفض طاقة التنشيط .
العامل المساعد يسهل على الدقائق التفاعل .


يمكن تخيل العملية بأنها مسابقة للقفز عن الحواجز ، فكلما كان الحاجز أقصر زاد عدد المتسابقين الذين يمكنهم اجتيازه .
بوجود عامل مساعد تزداد عدد الدقائق التي تمتلك الطاقة اللازمة للتفاعل
تجربة 15 ـ 9 العوامل المساعدة

1. أي أكاسيد الفلزات زاد من سرعة تحلل فوق أكسيد الهيدروجين ؟

2. هل تؤثر كمية العامل المساعد على سرعة تحلل فوق أكسيد الهيدروجين ؟
كيف يمكن التحقق من إجابتك ؟
تجربة 15 ـ 10 المغنيسيوم والحمض
تعلم أن المغنيسيوم يتفاعل مع الحمض المخفف .
استخدم الأفكار التي طرحت في هذا الفصل للتحقق من العوامل التي تزيد من سرعة التفاعل .
كيف تتحقق من أثر التركيز ؟
كيف تتحقق من أثر درجة الحرارة ؟
كيف تتحقق من أثر مساحة السطح ؟
الخلاصة :

تزداد سرعة التفاعل بزيادة :
مساحة السطح .
التركيز ( أو ضغوط الغازات المتفاعلة ) .
درجة الحرارة .
تفسر نظرية التصادم أثر هذه العوامل على سرعة التفاعل .
عندما يزداد التصادم بين المتفاعلات تزداد سرعة التفاعل ، وتزداد عدد التصادمات بزيادة مساحة السطح والتركيز ودرجة الحرارة .
وبزيادة عدد التصادمات تزداد عدد التصادمات الفعالة .
يمكن زياد سرعة بعض التفاعلات باستخدام عامل مساعد .
يزيد العامل المساعد من سرعة التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط ، ولكن تركيبه الكيميائي لا يتغير مع انتهاء التفاعل .