نواجه باستمرار تفاعلات كيميائية مختلفة. إن احتراق الغاز الطبيعي ، وصدأ الحديد ، وتحمض الحليب ، كلها أمور بعيدة كل البعد عن جميع العمليات التي تمت دراستها بالتفصيل في دورة الكيمياء المدرسية.
تستغرق بعض التفاعلات أجزاء من الثواني ، بينما تستغرق بعض التفاعلات أيامًا أو أسابيع.
دعونا نحاول تحديد اعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة والتركيز وعوامل أخرى. في المعيار التعليمي الجديد ، يتم تخصيص حد أدنى من وقت الدراسة لهذه المسألة. في اختبارات اختبار الحالة الموحدة ، هناك مهام تتعلق باعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة والتركيز وحتى مهام الحساب المقدمة. يواجه العديد من طلاب المدارس الثانوية صعوبات معينة في العثور على إجابات لهذه الأسئلة ، لذلك سنقوم بتحليل هذا الموضوع بالتفصيل.
صلة المشكلة قيد الدراسة
المعلومات حول معدل التفاعل ذات أهمية عملية وعلمية كبيرة. على سبيل المثال ، في إنتاج معين من المواد والمنتجات من معينتعتمد القيمة بشكل مباشر على أداء المعدات ، تكلفة البضائع.
تصنيف التفاعلات المستمرة
هناك علاقة مباشرة بين حالة تجميع المكونات الأولية والمنتجات التي تشكلت أثناء العملية الكيميائية: تفاعلات غير متجانسة.
عادة ما يُفهم النظام في الكيمياء على أنه مادة أو مزيج منها
النظام المتجانس هو نظام يتكون من مرحلة واحدة (نفس حالة التجميع). على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر مزيجًا من الغازات ، وعدة سوائل مختلفة.
غير المتجانس هو نظام تكون فيه المواد المتفاعلة في شكل غازات وسوائل ومواد صلبة وغازات.
لا يعتمد فقط معدل التفاعل على درجة الحرارة ، ولكن أيضًا على المرحلة التي يتم فيها استخدام المكونات المشاركة في التفاعل الذي تم تحليله.
التركيب المتجانس يتميز بتدفق العملية في جميع أنحاء الحجم ، مما يحسن جودته بشكل كبير.
إذا كانت المواد الأولية في حالات طور مختلفة ، في هذه الحالة ، يتم ملاحظة الحد الأقصى من التفاعل عند حدود المرحلة. على سبيل المثال ، عندما يتم إذابة معدن نشط في حمض ، يتم ملاحظة تكوين منتج (ملح) فقط على سطح التلامس.
علاقة رياضية بين سرعة العملية وعوامل مختلفة
كيف تبدو معادلة معدل التفاعل الكيميائي مقابل درجة الحرارة؟ بالنسبة لعملية متجانسة ، يتم تحديد المعدل بالمقدارمادة تتفاعل أو تتشكل أثناء تفاعل في حجم النظام لكل وحدة زمنية.
بالنسبة لعملية غير متجانسة ، يتم تحديد المعدل من خلال كمية المادة التي تتفاعل أو تنتج في العملية لكل وحدة مساحة لفترة زمنية دنيا.
العوامل المؤثرة في معدل التفاعل الكيميائي
طبيعة المواد المتفاعلة هي أحد أسباب اختلاف معدلات العمليات. على سبيل المثال ، تشكل الفلزات القلوية قلويات بالماء عند درجة حرارة الغرفة ، ويصاحب العملية تطور مكثف للهيدروجين الغازي. المعادن النبيلة (الذهب ، البلاتين ، الفضة) ليست قادرة على مثل هذه العمليات سواء في درجة حرارة الغرفة أو عند تسخينها.
طبيعة المتفاعلات هي عامل يؤخذ في الاعتبار في الصناعة الكيميائية من أجل زيادة ربحية الإنتاج.
تم الكشف عن العلاقة بين تركيز الكواشف وسرعة التفاعل الكيميائي. كلما زاد ارتفاعها ، كلما تصطدم عدد أكبر من الجسيمات ، وبالتالي ، ستستمر العملية بشكل أسرع.
يصف قانون عمل الكتل في شكل رياضي علاقة تناسبية مباشرة بين تركيز المواد الأولية وسرعة العملية.
تمت صياغته في منتصف القرن التاسع عشر بواسطة الكيميائي الروسي ن. ن. بيكيتوف. لكل عملية ، يتم تحديد ثابت التفاعل ، والذي لا يرتبط بدرجة الحرارة أو التركيز أو طبيعة المواد المتفاعلة.
للتسريع تفاعل يحتوي على مادة صلبة ، تحتاج إلى طحنها إلى مسحوق.
في هذه الحالة تزداد مساحة السطح مما يؤثر بشكل إيجابي على سرعة العملية. بالنسبة لوقود الديزل ، يتم استخدام نظام حقن خاص ، مما يؤدي إلى زيادة معدل احتراق خليط الهيدروكربونات بشكل ملحوظ عند ملامسته للهواء.
تدفئة
تفسر النظرية الحركية الجزيئية اعتماد معدل التفاعل الكيميائي على درجة الحرارة. يسمح لك بحساب عدد التصادمات بين جزيئات الكواشف في ظل ظروف معينة. مسلحين بهذه المعلومات ، في ظل الظروف العادية ، يجب أن تستمر جميع العمليات على الفور.
لكن إذا أخذنا في الاعتبار مثالًا محددًا لاعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة ، فقد اتضح أنه من أجل التفاعل ، من الضروري أولاً كسر الروابط الكيميائية بين الذرات من أجل تكوين مواد جديدة منها. هذا يتطلب كمية كبيرة من الطاقة. ما هو اعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة؟ تحدد طاقة التنشيط إمكانية تمزق الجزيئات ، وتميز واقع العمليات. وحداتها kJ / mol.
إذا كانت الطاقة غير كافية ، فإن التصادم سيكون غير فعال ، لذلك لا يترافق مع تكوين جزيء جديد.
تمثيل رسومي
يمكن تمثيل اعتماد معدل التفاعل الكيميائي على درجة الحرارة بيانياً. عند التسخين يزداد عدد الاصطدامات بين الجسيمات مما يساهم في تسريع التفاعل.
كيف يبدو معدل التفاعل مقابل الرسم البياني لدرجة الحرارة؟ يتم رسم طاقة الجزيئات أفقيًا ، ويشار رأسياً إلى عدد الجسيمات ذات احتياطي الطاقة العالي. الرسم البياني هو منحنى يمكن استخدامه للحكم على سرعة تفاعل معين.
كلما زاد فرق الطاقة عن المتوسط ، كلما ابتعدت نقطة المنحنى عن الحد الأقصى ، ونسبة أقل من الجزيئات لديها مثل هذا الاحتياطي من الطاقة.
جوانب مهمة
هل يمكن كتابة معادلة لاعتماد ثابت معدل التفاعل على درجة الحرارة؟ تنعكس زيادتها في زيادة سرعة العملية. يتميز هذا الاعتماد بقيمة معينة ، تسمى معامل درجة الحرارة لمعدل العملية.
لأي تفاعل ، تم الكشف عن اعتماد ثابت معدل التفاعل على درجة الحرارة. إذا زادت بمقدار 10 درجات ، تزداد سرعة العملية بمقدار 2-4 مرات.
يمكن تمثيل الاعتماد على معدل التفاعلات المتجانسة على درجة الحرارة في شكل رياضي.
بالنسبة لمعظم التفاعلات في درجة حرارة الغرفة ، يكون المعامل في النطاق من 2 إلى 4. على سبيل المثال ، مع معامل درجة حرارة 2.9 ، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 100 درجة إلى تسريع العملية بنحو 50000 مرة.
يمكن تفسير اعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة بسهولة من خلال القيمة المختلفة لطاقة التنشيط. لها قيمة دنيا أثناء العمليات الأيونية ، والتي يتم تحديدها فقط من خلال تفاعل الكاتيونات والأنيونات. تشهد تجارب عديدة على حدوث مثل هذه التفاعلات بشكل فوري.
عندما تكون طاقة التنشيط عالية ، فإن عددًا قليلاً فقط من الاصطدامات بين الجسيمات سيؤدي إلى تنفيذ التفاعل. بمتوسط طاقة تنشيط ، سوف تتفاعل المواد المتفاعلة بسرعة متوسطة.
التخصيصات التي تعتمد على اعتماد معدل التفاعل على التركيز ودرجة الحرارة لا تؤخذ في الاعتبار إلا في مستوى التعليم العالي ، مما يتسبب في كثير من الأحيان في صعوبات خطيرة للأطفال.
قياس سرعة العملية
تلك العمليات التي تتطلب طاقة تنشيط كبيرة تتضمن كسرًا أوليًا أو إضعافًا للروابط بين الذرات في المواد الأصلية. في هذه الحالة ، ينتقلون إلى حالة وسيطة معينة تسمى المركب النشط. إنها حالة غير مستقرة ، تتحلل بسرعة إلى نواتج تفاعل ، وتكون العملية مصحوبة بإطلاق طاقة إضافية.
في أبسط أشكاله ، المركب النشط هو تكوين الذرات ذات الروابط القديمة الضعيفة.
مثبطات ومحفزات
دعونا نحلل اعتماد معدل التفاعل الأنزيمي على درجة الحرارة المتوسطة. هذه المواد بمثابة مسرعاتعملية
هم أنفسهم ليسوا مشاركين في التفاعل ، ولم يتغير عددهم بعد الانتهاء من العملية. إذا زادت المحفزات من معدل التفاعل ، فإن المثبطات ، على العكس من ذلك ، تبطئ هذه العملية.
جوهر هذا هو تكوين مركبات وسيطة ، ونتيجة لذلك لوحظ تغيير في سرعة العملية.
الخلاصة
تحدث تفاعلات كيميائية مختلفة كل دقيقة في العالم. كيف يمكن تحديد اعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة؟ معادلة أرهينيوس هي تفسير رياضي للعلاقة بين ثابت المعدل ودرجة الحرارة. إنه يعطي فكرة عن قيم طاقة التنشيط التي عندها يمكن تدمير أو إضعاف الروابط بين الذرات في الجزيئات ، وتوزيع الجسيمات في مواد كيميائية جديدة.
بفضل النظرية الحركية الجزيئية ، من الممكن التنبؤ باحتمالية التفاعلات بين المكونات الأولية ، لحساب معدل العملية. من بين تلك العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل ، ذات الأهمية الخاصة التغيير في مؤشر درجة الحرارة ، النسبة المئوية لتركيز المواد المتفاعلة ، مساحة سطح التلامس ، وجود محفز (مثبط) ، وكذلك طبيعة المكونات المتفاعلة
