تعريف سرعة التفاعل

في الكيمياء يتم صنع الكثير من التفاعلات الكيميائية، وفي تلك التفاعلات هناك ما يُعرف بسرعة التفاعل، ومن الجدير بالذكر أن سرعة التفاعل للتفاعل الكيميائي المُحدد عبارة عن مدى التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو التغيير في تركيز العناصر لكل وحدة زمنية، ومن الممكن أن يتم تعريف سرعة التفاعل الكيميائي على أنها التغير في تركيز المادة مقسومة على الفترة الزمنية التي يتم في خلالها ملاحظة ذلك التغيير. [1]

ما هي العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة

ينتج عن زيادة تركيز المواد المتفاعلة بصورة عامة تزايد في معدل التفاعل، وهذا وفقًا لوجود الكثير من الجزيئات أو الأيونات التي تتفاعل من أجل تشكيل نواتج التفاعل، وهذا يكون صحيحًا بصورة خاصة حينما تكون التركيزات قليلة وبالتالي تتفاعل القليل من الجزيئات أو الأيونات، وعندما يكون مستوى التركيزات عاليًا بالفعل، ففي الغالب ما يتم الوصول إلى درجة بحيث يكون لزيادة التركيز تأثير قليل على سرعة التفاعل، وحينما يتم تضمين الكثير من المواد المتفاعلة، فإن زيادة تركيز أحدها قد لا يؤثر على سرعة التفاعل في حال لم يتوفر عدد كافٍ من المتفاعلات الأخرى، وبصورة عامة، يُمكن القول أن التركيز هو عامل واحد فقط يؤثر على سرعة التفاعل، والعلاقة بينهما عادة ليست بسيطة أو خطية.

وسرعة التفاعل بصورة عامة تختلف بشكل مباشر باختلاف التغيرات في تركيز المواد المتفاعلة، وحينما يزداد تركيز كافة المواد المتفاعلة، تتفاعل المزيد من الجزيئات أو الأيونات من أجل تكوين مركبات جديدة، كما أن معدل التفاعل يزداد، وعندما يحدث انخفاض في تركيز المادة المتفاعلة، فإنه يوجد أعداد أقل من هذا الجزيء أو الأيون، وبالتالي يكون هناك انخفاض في سرعة التفاعل، وفي بعض الحالات الخاصة مثل التركيزات العالية للتفاعلات التحفيزية أو لمتفاعل واحد، من الممكن ألا يؤثر تغيير تركيز المواد المتفاعلة على سرعة التفاعل.

أما في التفاعلات الكيميائية النموذجية، تتفاعل العديد من المواد من أجل تشكيل مواد جديدة، ومن الممكن أن يتم تجميع المواد معًا في هيئة غاز أو سائل أو حتى في محلول، وتؤثر كمية كل مادة متفاعلة على مدى سرعة استمرار التفاعل، وفي الغالب ما يكون هناك ما يكفي من مادة متفاعلة واحدة، كما أن سرعة التفاعل تعتمد على المواد المتفاعلة الأخرى التي توجد، وفي بعض الأوقات، قد تعتمد سرعة التفاعل على تركيز كافة المواد المتفاعلة، وفي البعض الآخر توجد محفزات تساهم في

تحديد

سرعة التفاعل، وبناءً على الموقف المحدد، من الممكن ألا يكون لتغيير تركيز أحد المتفاعلات أي تأثير في سرعة التفاعل.

وعلى سبيل المثال، في التفاعل الناتج ما بين

المغنيسيوم

وحمض الهيدروكلوريك، يتم إدخال المغنيسيوم على أنه مادة صلبة في حين يكون حمض الهيدروكلوريك على هيئة محلول، ويتفاعل الحمض في الغالب مع ذرات المغنيسيوم من المعدن، وحينما يتآكل المعدن، يظل التفاعل مستمرًا، وعندما يكون هناك المزيد من حمض الهيدروكلوريك في المحلول ويكون التركيز أعلى، فإن المزيد من أيونات حمض الهيدروكلوريك تتآكل في المعدن ويصبح التفاعل أسرع.

وبالمثل، حينما يحدث تفاعل بين كربونات الكالسيوم وحمض الهيدروكلوريك، فإن ارتفاع تركيز الحمض يسرع من سرعة التفاعل ما دام أن هناك ما يكفي من كربونات الكالسيوم، ومن الجدير بالذكر أن كربونات الكالسيوم عبارة عن مسحوق أبيض يختلط بالمياه لكنه لا يذوب، وحينما يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك، فإنه يُكون مادة كلوريد الكالسيوم القابلة للذوبان ويخرج ثاني أكسيد الكربون، كما أن زيادة تركيز كربونات الكالسيوم عندما يكون هناك الكثير بالفعل في المحلول لن يكون له أي تأثير على سرعة التفاعل. [2]

العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعل

إن

العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل الكيميائي

أربعة عوامل رئيسية، وهي التي قد يكون لها تأثير كبير على سرعة التفاعل الكيميائي، وفي التالي توضيح تلك العوامل:

تركيز المادة المتفاعلة

في الغالب ما يترتب على زيادة تركيز مادة متفاعلة واحدة أو أكثر من مادة زيادة سرعة التفاعل، وذلك يحدث لأن التركيز المرتفع للمادة المتفاعلة سوف يؤدي إلى المزيد من الاصطدامات لذلك المتفاعل في فترة زمنية مُعينة.

الحالة الفيزيائية للمواد المتفاعلة ومساحة السطح

في حال كانت الجزيئات المتفاعلة موجودة في مراحل متباينة، كما يكون الحال في مزيج غير متجانس، فإن سرعة التفاعل سوف تكون محدودة بمساحة سطح المراحل المتلامسة، فعلى سبيل المثال، إذا تم مزج مادة متفاعلة فلز صلب ومتفاعل غازي، فإن الجزيئات التي توجد على سطح المعدن فقط هي التي تقدر على التصادم مع جزيئات الغاز، ولذا، فإن زيادة مساحة سطح المعدن من خلال سحقه بصورة مسطحة أو تقطيعه إلى الكثير من القطع سوف يزيد من سرعة تفاعله.

درجة الحرارة

في الغالب ما تُزيد الزيادة في درجات الحرارة من سرعة التفاعل، وهذا سوف يؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة متوسط الطاقات الحركية الخاصة بجزيئات المادة المتفاعلة، ولذا، سوف يكون لنسبة أكبر من الجزيئات الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتصادم الفعال.

وجود محفز

إن المحفزات عبارة عن مواد تقوم بزيادة سرعة التفاعل عن طريق المشاركة فيه دون أن يتم استهلاكها، كما تعمل المحفزات على توفير مسار تفاعل بديل من أجل الحصول على النواتج، وأحيانًا تكون تلك المحفزات ضرورية في الكثير من التفاعلات الكيميائية الحيوية. [3]

تزداد سرعة التفاعل بارتفاع درجة الحرارة بسبب زيادة

إن ارتفاع درجة الحرارة يُعتبر من

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل

، وينبغي معرفة أن الارتفاع في درجات الحرارة يزيد دائمًا من سرعة التفاعل

وهذا بسبب الزيادة الضخمة والغير متناسبة في عدد تصادمات الطاقة العالية بين الجزيئات

، ومن الجدير بالذكر أن درجة الحرارة تكون في الواقع مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجزيئات المتحركة، وتلك الجزيئات المتحركة تميل إلى البقاء في الحركة إلى أن يتم تطبيق قوة خارجية عليها، وحينما يتم مزج جزيئات متفاعلة مختلفة معًا، يكون لديها فرص أكبر بكثير من أجل التصادم مع بعضها البعض، وفي حال ارتفعت درجات الحرارة، فإن الطاقات الحركية تزداد لكافة المواد المتفاعلة بحيث يكون هناك الكثير من الاصطدامات في الثانية، وسوف يؤدي جزء أكبر منها إلى تفاعل كيميائي، وبالتالي تزيد السرعة بصورة عامة مع زيادة درجة الحرارة. [4]

رتبة التفاعل

من الممكن أن يتم تعريف رتبة التفاعل الكيميائي على أنها مجموع قوة تركيز المواد المتفاعلة في

تعبير

قانون المعدل، وهذا هو ما يُعرف بترتيب التفاعل الكيميائي، وقد تكون التفاعلات تفاعل من الدرجات الأولى، أو تفاعل من الدرجات الثانية، أو تفاعل زائف من الدرجة الأولى، وهكذا، وذلك يعتمد على تركيز المواد المتفاعلة، ومن الجدير بالذكر أن رتبة التفاعل هي قيمة تجريبية، وهذا يدل على أنها معلمة محددة تجريبيًا، ومن الممكن أن يكون لها قيمة كسرية كذلك.