معدل سرعة التفاعلات

2011 الطاقة و التفاعلات

گريس گوپر

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

تعتمد سرعة حدوث التفاعلات على المواد المستخدمة فيها، بالإضافة إلى عوامل أخرى يمكن التحكم بها، مثل درجة الحرارة والتركيز.

تتفكك الروابط بين الذرّات في جميع التفاعلات الكيميائية وتتكوّن روابط جديدة، وعلى سبيل المثال أثناء عملية احتراق غاز الميثان (CH4) في الأكسجين (O2)، تتفكك الروابط بين ذرّات الكربون والهيدروجين والأكسجين، وتتكوّن روابط جديدة كالتالي:

عندما تتغير الروابط، تتحرك الإلكترونات بين مدارات في الطبقات الخارجية للذرّات. ويحدث ذلك فقط عندما تكون الجزيئات أو الذرّات قريبة جداً من بعضها البعض، كما يحدث عند تصادمها ببعضها.

معدل سرعة التفاعلات

تصطدم الجزيئات بشكل متكرر مع بعضها عندما يكون تركيزها عالياً، والمقصود بذلك عندما يتوافر عدد كبير من الجزيئات بحجم محدد؛ لذلك، تحظى المتفاعلات ذات التركيز العالي بفرصة أكبر للتصادم فيما بينها ومن ثم التفاعل مع بعضها، وإذا تضمن التفاعل متفاعلين وكان تركيز أحدهما مضاعفاً، يصبح معدل سرعة التفاعل مضاعفاً أيضاً، لكن إذا كان تركيز كلا المتفاعلين

مضاعفاً، فإن معدل سرعة التفاعل يزيد أربع مرات. وبصورة مماثلة، فإن زيادة كثافة المتفاعلات الغازية عن طريق ضغطها تساعد التفاعل عادة على الحدوث بسرعة.

وعندما تكون درجة حرارة الغرفة 77 درجة فهرنهايت (25 درجة مئوية)، ويكون ضغط الهواء طبيعياً، ينتقل جزيء الأكسجين بمعدل سرعة تبلغ 3 ملايين من البوصة (7.3 مليون من السنتيمتر) قبل التصادم، ويبلغ معدل تصادماته (6.6 مليار) مرة في الثانية الواحدة. وإذا ضاعفنا الضغط، فإن سرعته سوف ترتفع بمعدل نصف المسافة بين التصادمات، ويصبح معدل التصادم مضاعفاً. إذا كانت درجة حرارة الغاز أكثر ارتفاعاً، تتحرك جزيئاته بسرعة أكبر. كما أن زيادة سرعة الجزيئات تجعل التفاعل أكثر سرعة لسببين، أولهما: كلما كانت سرعة الجزيئات أعلى، زادت فرص تصادمها، لكن مساهمة ذلك بمعدل سرعة التفاعلات قليل جداً. وإذا جرى رفع درجة حرارة الغاز (تحت الضغط الجوي) من (77 درجة فهرنهايت) إلى (95 درجة فهرنهايت) أي: (35 درجة مئوية)، تزيد سرعة التصادم بمعدل (2 بالمائة في الثانية). أما العامل الثاني الأكثر أهمية، فهو أنه عند تصادم الجزيئات بسرعات أكبر، يزيد احتمال التفاعل فيما بينها.

كما تكتسب الجزيئات مزيداً من الطاقة اللازمة لتفكيك الروابط وبناء روابط جديدة، بدلاً من الاكتفاء بالارتداد عن بعضها. من جهة أخرى، هناك انتشار في سرعة الجزيئات عند كافة درجات الحرارة، من البطء الشديد إلى السرعات الكبيرة، كما أن هناك دائماً بعض الجزيئات فقط التي تتحرك بسرعة تكفي لتفاعلها لدى تصادمها ببعضها، حتى عند درجات الحرارة المنخفضة. أحد العوامل الأخرى التي تؤثر على معدل سرعة التفاعلات هو مدى سهولة اختلاط المتفاعلات. فإذا كانت كل المتفاعلات عبارة عن سوائل أو غازات، فإن اختلاطها يكون سهلاً. أما إذا كان أحدها جسماً صلباً، فلابد من سحقه إلى قطع صغيرة من أجل زيادة مساحة سطوحه المعرضة للمتفاعلات الأخرى. فتفاعل قطع الجسم الصلب الكبيرة يكون أكثر بطئاً من المواد نفسها المطحونة على شكل مسحوق؛ لذلك يميل الكيميائيون غالباً إلى استخدام المواد الكيميائية المسحوقة بدلاً من قطع البلورات الكبيرة. في النهاية، إن إضافة المحفِّزات إلى التفاعل يمكن

أن تسرّع التفاعل، والمواد المحفِّزة هي عبارة عن مواد تساعد على تغيير معدل سرعة التفاعل الكيميائي، لكنها لا تُستهلك خلال عملية التفاعل.