سرعة التفاعلات الكيميائية

كيف نرى سرعة التفاعل في المختبر؟

كيف أستدل على حدوث تفاعل كيميائي؟

أكتب معادلة كيميائية موزونة للتفاعل الكيميائي.

أستنتج التغير في حجم غاز ⁦CO₂⁩ خلال التفاعل الكيميائي مع الزمن.

• أوضح مفهوم سرعة التفاعل الكيميائي وأعطي أمثلة عليه.
• أحسب سرعة التفاعل لمادة متفاعلة أو ناتجة بمعرفة تغير التركيز مع الزمن.
• أحسب سرعة التفاعل المتوسطة والسرعة الابتدائية واللحظية من الرسم البياني.

لماذا تختلف سرعات التفاعلات؟

تقاس سرعة التفاعل الكيميائي من التجربة العملية بتغيّر كميات المواد المتفاعلة أو الناتجة بمرور الزمن.

• الكيمياء الحركية فرع يدرس التغيّر في سرعة التفاعلات الكيميائية والعوامل المؤثرة فيها.
• توصف التفاعلات بأنها سريعة أو بطيئة تبعًا للزمن المستغرق في حدوثها.
• يعتمد هذا الزمن على خصائص المواد المتفاعلة وظروف التفاعل.

• تتفاوت سرعات التفاعلات من تفاعل لآخر، وفي التفاعل نفسه أثناء حدوثه، تبعًا لعوامل منها:
• التركيز.
• درجة الحرارة.
• مساحة السطح المعرّض للتفاعل.

• من حيث الزمن المستغرق في حدوثها:
• سريعة: تحدث بسرعة كبيرة خلال مدة زمنية قصيرة، مثل تفاعلات محاليل الحموض والقواعد وتفاعلات الاحتراق (الشكل 1).
• أطول زمنًا: مثل صدأ الحديد.
• ملايين السنين: مثل تكوّن الفحم الحجري والنفط.

فكيف نُعبّر عن سرعة التفاعل، وكيف نقيسها؟

ما تعريف سرعة التفاعل الكيميائي؟

• تتغيّر كميّات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة بمرور الزمن.
• كمية المادة الناتجة تزداد، وكمية المادة المتفاعلة تقلّ (الشكل 2).

• يُعبَّر عن كمية المادة المتفاعلة أو الناتجة بدلالة التغيّر في الكتلة أو الحجم أو التركيز المولاري.

• غالبًا ما يجري حساب سرعة التفاعل بدلالة التغيّر في التركيز المولاري لمادة متفاعلة أو مادة ناتجة.

• وبذلك يمكن تعريف سرعة التفاعل الكيميائي Rate of Chemical Reaction (R):

• يُعبَّر عنها بالمعادلة الرياضية الآتية:

• يشير الرمز $\Delta$ إلى التغيّر.

فكيف نحسبها من نتائج التجربة؟

كيف تُحسب سرعة استهلاك مادة متفاعلة؟

• تُحسب سرعة التفاعل من التجربة العملية بدلالة نقصان تركيز إحدى المواد المتفاعلة، أو زيادة تركيز إحدى المواد الناتجة خلال مدة زمنية محدّدة.
• الشكل (3) يوضّح نقصان تركيز مادة متفاعلة وزيادة تركيز مادة ناتجة بمرور الزمن.

• في التفاعل العام الآتي:
• $a\text{A} + b\text{B} \rightarrow c\text{C} + d\text{D}$
• الرموز $a, b, c, d$ تمثّل عدد مولات (معاملات) المواد المتفاعلة والناتجة في المعادلة الموزونة.
• يمكن حساب سرعة التفاعل بمعرفة سرعة استهلاك (اختفاء) إحدى المواد المتفاعلة مثل ⁦A⁩ أو ⁦B⁩.
• يُعبَّر عن سرعة استهلاك ⁦A⁩ كما يأتي:

• تركيز المادة المتفاعلة ⁦A⁩ عند الزمن $t_2$ هو $[A]_2$، وعند الزمن $t_1$ هو $[A]_1$.
• المادة المتفاعلة تُستهلك بمرور الزمن، فيكون $[A]_2$ أقلّ من $[A]_1$، وينتج عن الطرح قيمة سالبة تدلّ على تناقص التركيز.
• سرعة التفاعل لا تكون سالبة؛ لذلك تُكتب الإشارة السالبة في القانون ليكون الناتج موجبًا.
• يُعبَّر عن وحدة سرعة التفاعل بـ $\text{M/s}$ أو $M.s^{-1}$.

ما العلاقة بين سرعة الاستهلاك وسرعة التكوين؟

• سرعة تكوين (إنتاج) مادة ناتجة مثل ⁦C⁩ أو ⁦D⁩ تُحسب كما يأتي:

• قيمة $\Delta[C]$ موجبة لأن تركيز المادة الناتجة يزداد بمرور الزمن، فيكون $[C]_2$ أكبر من $[C]_1$.
• توجد علاقة بين سرعة استهلاك ⁦A⁩ وسرعة تكوين ⁦C⁩ اعتمادًا على معاملاتهما في المعادلة الموزونة:

• اعتمادًا على المعادلة الموزونة العامة يُعبَّر عن العلاقة بين سرعة استهلاك المواد المتفاعلة وسرعة تكوين المواد الناتجة بدلالة التغيّر في التراكيز في مدة زمنية محدّدة:

كيف أكتب العلاقة بين السرعات وأحلّ منها؟

1. المعاملات: حدّد معامل كل مادة من المعادلة الموزونة.
2. الإشارة: اكتب المتفاعلة بإشارة سالبة (نقصان التركيز)، والناتجة بإشارة موجبة.
3. القسمة: اقسم التغيّر في تركيز كل مادة على الزمن ثم على معاملها.
4. المساواة: ساوِ بين الحدود كلها، ثم عوّض سرعة المادة المعطاة.

يتفاعل غاز الهيدروجين ⁦H₂⁩ مع غاز النيتروجين ⁦N₂⁩ لإنتاج الأمونيا ⁦NH₃⁩ وفق المعادلة:

$3\text{H}_2\text{(g)} + \text{N}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{NH}_3\text{(g)}$ أحسب سرعة استهلاك غاز الهيدروجين، علمًا أنّ سرعة إنتاج الأمونيا $0.16\ \text{M/s}$.

ماذا تعني السرعة المتوسطة؟

• يمكن حساب سرعة التفاعل عن طريق رسم بياني يسمّى منحنى السرعة، يُبيّن التغيّر في كمية مادة متفاعلة أو ناتجة خلال مدة زمنية معيّنة.

• تكون سرعة التفاعل أكبر ما يمكن لحظة بدايته، ثم تقلّ كلّما استُهلكت المواد المتفاعلة أكثر فأكثر.
• بمرور الزمن تزداد كمية غاز الهيدروجين الناتج.
• يمكن حساب السرعة المتوسطة Mean Rate (S):

• في تفاعل ⁦Mg⁩ مع ⁦HCl⁩ نقسم التغيّر الكلّيّ في حجم غاز ⁦H₂⁩ الناتج على الزمن المستغرق في ذلك.
• يبيّن الشكل (4) أنّ الحجم النهائيّ للغاز الناتج يثبت عند $120\ \text{cm}^3$ بعد $50\ \text{s}$، مشيرًا إلى انتهاء التفاعل.

• $\Delta V$ هو التغيّر في حجم الغاز الناتج، و$\Delta t$ هو التغيّر في الزمن.

أوضّح المقصود بالسرعة المتوسطة للتفاعل.

ما سرعة التفاعل لحظة بدايته؟

• يمكن استخدام منحنى سرعة التفاعل للمغنيسيوم مع حمض ⁦HCl (⁩الشكل 5) لحساب سرعة التفاعل الابتدائية Initial Rate:

• تساوي هذه السرعة ميل المماس $G$ عند النقطة التي تمثّل كمية المادة المتفاعلة أو الناتجة عند الزمن صفر:

• $\Delta Y$ هو التغيّر في حجم الغاز الناتج، و$\Delta X$ هو التغيّر في الزمن.
• من المنحنى في الشكل (5) تُحسب السرعة الابتدائية لتكوّن غاز ⁦H₂⁩:

كيف نحسب السرعة عند لحظة محدّدة؟

• وتُحسب السرعة اللحظية ⁦Instantaneous Rate⁩ عن طريق:
• رسم منحنى يُمثّل التغيّر في كميّة مادة متفاعلة أو ناتجة مقابل الزمن.
• رسم مماسّ للمنحنى عند النقطة المقابلة للزمن عند تلك اللحظة.
• حساب الميل عندها، حيث يُمثّل السرعة اللحظية.

• لحساب سرعة تكوّن غاز ⁦H₂⁩ عند زمن $30\ \text{s}$ نرسم مماسًّا للمنحنى عند النقطة المقابلة للزمن $30\ \text{s}$ كما في الشكل (6)، ثم نحسب ميله:

لماذا تكون سرعة تكوّن غاز ⁦H₂⁩ عند الزمن $30\ \text{s}$ أقلّ من سرعته الابتدائية؟

بالرجوع إلى الشكل (6)، أحسب السرعة اللحظية لتكوّن غاز ⁦H₂⁩ عند زمن $10\ \text{s}$.

كيف نحسب السرعة في فترة زمنية معيّنة؟

• يمكن حساب سرعة التفاعل بتغيّر تركيز إحدى المواد المتفاعلة أو الناتجة في فترات زمنية محدّدة.
• فمثلًا: عند تحلّل غاز خامس أكسيد ثنائيّ النيتروجين ⁦N₂O₅⁩ لإنتاج غاز ⁦NO₂⁩ وغاز ⁦O₂⁩ وفق المعادلة الآتية:
• $2\text{N}_2\text{O}_5\text{(g)} \rightarrow 4\text{NO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)}$
• يمكن حساب سرعة إنتاج غاز ⁦O₂⁩ خلال فترات زمنية كما في الشكل (7) المستند على البيانات الآتية:

• لحساب سرعة إنتاج غاز الأكسجين خلال المدة الزمنية $(1200 - 600)\ \text{s}$ نعرف التغيّر في تركيز غاز الأكسجين في هذه المدة:

• $R = \frac{\Delta[\text{O}_2]}{\Delta t} = \frac{0.0036 - 0.0021}{1200 - 600}$
• $R = \frac{0.0015\ \text{M}}{600\ \text{s}} = 2.5 \times 10^{-6}\ \text{M/s}$

• بالطريقة نفسها في المدة الزمنية $(4800 - 4200)\ \text{s}$:

• $R = \frac{0.0075 - 0.0072}{600\ \text{s}}$
• $R = \frac{0.0003\ \text{M}}{600\ \text{s}} = 5 \times 10^{-7}\ \text{M/s}$

أحسب سرعة إنتاج غاز الأكسجين خلال المدة الزمنية من $3000$ إلى $4800$ ثانية.

كيف نقرأ الجدول ونحسب السرعة؟

يتفاعل غاز الهيدروجين ⁦H₂⁩ مع غاز النيتروجين ⁦N₂⁩؛ لإنتاج غاز الأمونيا ⁦NH₃⁩، وفق المعادلة الآتية:

$3\text{H}_2\text{(g)} + \text{N}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{NH}_3\text{(g)}$ أحسب سرعة تكوّن الأمونيا ⁦NH₃⁩، علمًا أنّ تركيز الأمونيا تغيّر من $0.2\ \text{M}$ إلى $0.6\ \text{M}$ خلال فترة زمنية $15\ \text{s}$.