يستعرض هذا الدرس فرضيات نظرية التصادم، ومفهوم المعقد المنشط وطاقة التنشيط، مع تحليل أثر التركيز والحرارة والعوامل المساعدة على سير التفاعل الكيميائي.
آخر تحديث:
تفسر نظرية التصادم تفاوت سرعات التفاعلات الكيميائية بناءً على حركة الجسيمات وتصادمها. لكي يحدث التفاعل، لا يكفي مجرد التلامس بين الجسيمات، بل يجب أن تتحقق شروط محددة تجعل التصادم 'فعالاً'.
التصادم الفعال: هو التصادم الذي يؤدي إلى تكوين نواتج، ويتطلب شرطين: الاتجاه الصحيح للجسيمات، وامتلاك الحد الأدنى من الطاقة (طاقة التنشيط).
شروط التصادم الفعال:
في أسئلة الوزارة، عند رسم المعقد المنشط لتفاعل مثل ، ارسم الجزيئين متقابلين بحيث تكون ذرات A قريبة من بعضها وذرات B قريبة من بعضها، مع وضع خطوط منقطة لتمثيل الروابط التي تتكسر وتتكون.
ترتبط سرعة التفاعل بقيمة طاقة التنشيط ()؛ فكلما كانت منخفضة، زاد عدد الجسيمات التي تمتلكها، مما يزيد من سرعة التفاعل. يتم تمثيل هذه العلاقة عبر منحنيات الطاقة التي توضح المحتوى الحراري للمتفاعلات والنواتج.
المحتوى الحراري: يرمز لطاقة المواد المتفاعلة بـ وطاقة المواد الناتجة بـ . الفرق بينهما يسمى التغير في المحتوى الحراري .
القوانين الأساسية لحسابات الطاقة:
يخطئ الطلاب أحياناً في إشارة . تذكر: في التفاعل الطارد تكون الإشارة سالبة ()، وفي التفاعل الماص تكون الإشارة موجبة ().
تعتمد سرعة التفاعل على عدد التصادمات الفعالة في وحدة الزمن.
تخيل مساحة سطح المواد المتفاعلة مثل قطعة سكر مكعبة مقابل سكر مطحون؛ السكر المطحون يذوب أسرع لأن مساحة التلامس مع الماء أكبر بكثير.
يمكن التحكم بهذه السرعة من خلال خمسة عوامل رئيسية: 1.
انتبه: درجة الحرارة هي العامل الوحيد الذي يغير 'متوسط الطاقة الحركية' للجسيمات، بينما العامل المساعد هو الوحيد الذي يغير 'قيمة طاقة التنشيط' .
طبيعة المواد المتفاعلة: تعتمد على النشاط الكيميائي للمادة (مثلاً الصوديوم أسرع تفاعلاً من المغنيسيوم).
2.
تركيز المواد المتفاعلة: زيادة التركيز تعني زيادة عدد الجسيمات في وحدة الحجم، مما يزيد من فرص التصادم.
3.
مساحة سطح المواد المتفاعلة: في المواد الصلبة، تزداد السرعة بزيادة مساحة السطح المعرض للتفاعل (مثل برادة الحديد مقابل قطعة حديد).
4.
درجة الحرارة: تزيد من متوسط الطاقة الحركية للجسيمات، فيزداد عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة تساوي أو تزيد عن .
5.
العامل المساعد: مادة تسرع التفاعل دون أن تستهلك.
يعمل العامل المساعد على توفير مسار بديل للتفاعل يتطلب طاقة تنشيط أقل. هذا يؤدي إلى زيادة عدد الجسيمات القادرة على التفاعل في الظروف نفسها.
الإنزيمات: الإنزيمات هي عوامل مساعدة حيوية في أجسام الكائنات الحية، تعمل على تسريع التفاعلات الحيوية بفعالية عالية جداً في درجات حرارة الجسم.
تأثيرات العامل المساعد على قيم الطاقة:
الهدف: استقصاء أثر التركيز ودرجة الحرارة والعامل المساعد على سرعة التفاعل.
تطبيقات عملية لملاحظة أثر التركيز والحرارة والعامل المساعد.
المواد: حمض HCl بتركيزين (1M, 0.1M)، خارصين Zn، محلول نشا، محلول يود، ، فوق أكسيد الهيدروجين .
الخطوات والاستنتاجات:
تدريب مهم: بعد هذا القسم، راجع أمثلة 17–19.
علاقة تصف سرعة التفاعل الكيميائي وتراكيز المواد المتفاعلة؛ مرفوعة لأسس محددة يجري التوصل إليها بالتجربة العملية.
الأس المرفوع تركيز المادة المتفاعلة إليه في قانون سرعة التفاعل، وتبيّن أثر تغير تركيز المادة المتفاعلة في سرعة التفاعل.
مجموع رتب المواد المتفاعلة (x + y) في قانون سرعة التفاعل.
ثابت التناسب في قانون سرعة التفاعل، ويعتمد على درجة الحرارة، ولكل تفاعل ثابت سرعة k محدد تختلف قيمته عن الآخر.
طريقة تُستعمل في تحديد رتبة التفاعل عن طريق مقارنة السرعات الابتدائية للتفاعل بتغير تركيز المواد المتفاعلة، إذ تُقاس سرعة التفاعل الابتدائية في اللحظة التي تُخلط فيها المواد المتفاعلة ذات التراكيز المعلومة.
تفاعل يكون فيه تركيز المادة المتفاعلة مرفوعاً للأس صفر، مما يعني أن تغير تركيز المادة لا يؤثر في سرعة التفاعل.
تفاعل يكون فيه تركيز المادة المتفاعلة مرفوعاً للأس (1)، حيث تتناسب سرعة التفاعل طردياً مع تركيز المادة المتفاعلة.
فسّر حدوث التفاعل الكيميائي وفق نظرية التصادم، ثم اذكر شرطي التصادم الفعال ونتيجة غياب كل شرط.
تفسر نظرية التصادم حدوث التفاعل بأن جسيمات المواد المتفاعلة يجب أن تتصادم. ولا يكون التصادم فعالا إلا إذا امتلكت الجسيمات طاقة لا تقل عن طاقة التنشيط، وكان اتجاه التصادم مناسبا لإعادة ترتيب الذرات وتكسير روابط وتكوين روابط جديدة. إذا نقصت الطاقة ترتد الجسيمات ولا يتكون المعقد المنشط، وإذا كان الاتجاه غير صحيح لا يؤدي التصادم إلى إعادة ترتيب الذرات حتى لو امتلكت الجسيمات طاقة كبيرة.
في مثال ، كيف تقرر أي اتجاه للتصادم فعال؟ علل إجابتك دون الاعتماد على شكل مرسوم.
الاتجاه الفعال هو الذي يسمح بإعادة ترتيب الذرات لتكوين و. لا يكفي التلامس لأن التصادم قد يعيد الجزيئات كما كانت إذا لم تواجه الذرات بعضها بالترتيب المناسب. معيار الحكم هو أن يؤدي الاتجاه إلى نقل ذرة أكسجين من الأوزون إلى وتكوين مع بقاء ، مع امتلاك طاقة كافية.
عرّف المعقد المنشط، وبيّن كيف يمثل في التفاعل العام .
المعقد المنشط حالة انتقالية غير مستقرة من تجمع الذرات، يبدأ فيها كسر الروابط القديمة وتكوين الروابط الجديدة، وتمتلك أعلى طاقة في مسار التفاعل. في تبدأ روابط في الكسر، وتبدأ رابطتا و في التكون، لذلك يمثل بروابط جزئية أو متقطعة. لا يعد مادة مستقرة لأنه يوجد لحظة قصيرة ثم يتحول إلى نواتج أو يعود إلى متفاعلات.
قارن بين ثلاثة تصادمات: تصادم باتجاه صحيح وطاقة كافية، تصادم باتجاه صحيح وطاقة غير كافية، وتصادم بطاقة كافية واتجاه غير صحيح.
التصادم الفعال هو الذي يجمع الاتجاه الصحيح والطاقة الكافية، فيؤدي إلى تكوين النواتج. أما التصادم باتجاه صحيح وطاقة غير كافية فلا تتكون فيه حالة انتقالية ناجحة وترتد الجسيمات دون تفاعل. وأما التصادم بطاقة كافية واتجاه غير صحيح فلا يحدث فيه ترتيب الذرات المطلوب، لذلك لا تتكون النواتج. فالطاقة وحدها لا تكفي؛ يجب أن يكون الاتجاه مناسبا أيضا.
اكتب علاقات منحنى الطاقة للتفاعل الأمامي والعكسي والتغير في المحتوى الحراري، ثم بيّن دلالة إشارة .
، و. كما أن ، ويمكن حسابها أيضا من . إذا كانت موجبة فالتفاعل ماص وتكون طاقة النواتج أعلى من المتفاعلات، وإذا كانت سالبة فالتفاعل طارد وتكون طاقة النواتج أقل.
بطاقات مهمة
تفسر حدوث التفاعل بأن جسيمات المتفاعلات يجب أن تتصادم، لكن التصادم لا يكون فعالا إلا بطاقة كافية واتجاه صحيح.
تصادم يمتلك طاقة كافية ويحدث في اتجاه صحيح، فيؤدي إلى تكسير روابط وتكوين روابط جديدة.
أن تمتلك الجسيمات طاقة لا تقل عن طاقة التنشيط، وأن يكون اتجاه التصادم مناسبا لإعادة ترتيب الذرات.
لا يحدث ترتيب الذرات المطلوب ولا تتكون النواتج، حتى إذا كانت الطاقة كبيرة.
لا تستطيع الجسيمات تكوين المعقد المنشط بنجاح، فترتد ولا يحدث التفاعل.
الاتجاه الصحيح هو الذي يعيد ترتيب الذرات لتنتقل ذرة أكسجين إلى فيتكون ويبقى .
حالة انتقالية غير مستقرة، تبدأ فيها الروابط القديمة بالكسر والروابط الجديدة بالتكون، ولها أعلى طاقة في مسار التفاعل.
روابط تكون في طور الكسر، وروابط و في طور التكون؛ لذلك ترسم بروابط جزئية أو متقطعة.
الحد الأدنى من الطاقة الحركية اللازمة للجسيمات المتصادمة لتكوين المعقد المنشط وبدء التفاعل.
كلما انخفضت زاد عدد الجسيمات التي تمتلك الطاقة الكافية، فتزداد التصادمات الفعالة وتزداد السرعة.
نصائح للمراجعة