تعريف نظرية التصادم

نظرية التصادم هي نظرية تستخدم من أجل التنبؤ بمعدلات التفاعلات الكيميائية خاصة بالنسبة للغازات؛ فـ

العلاقة بين نظرية التصادم وسرعة التفاعل

،

تعتمد على فرض أنه من أجل حدوث تفاعل فمن الضروري أن تتجمع الأنواع المتفاعلة من الذرات أو الجزيئات معاً ، وتتصادم مع بعضها البعض .
وعلى الرغم من ذلك، لا تحدث جميع الاصطدامات تغيراً كيميائياً ، لن يكون التصادم فعال في إحداث تغيير كيميائي ، إلا إذا امتلكت الأنواع مجتمعة حد أدنى معين من الطاقة الداخلية ، ويساوي طاقة التنشيط للتفاعل . [1]
تقوم نظرية الاصطدام بشرح سبب حدوث التفاعلات المختلفة بمعدلات مختلفة ، وتقدم العديد من الطرق من أجل تغيير معدل التفاعل ، حيث أن نظرية التفاعل تنص على أنه من أجل حدوث تفاعل كيميائي ، يجب أن تتصادم الجسيمات المتفاعلة مع بعضها البعض . [2]
وفقًا لنظرية الاصطدام ، “يُفترض أن تكون جزيئات المواد المتفاعلة كريات صلبة ويفترض أن التفاعلات تحدث فقط عندما تتصادم هذه الكرات (الجزيئات) مع بعضها البعض ، ولذلك كان من المهم تحديد عدد التصادمات التي تحدث من أجل تكوين منتجات حتى نتمكن من الحصول على صورة واضحة للتفاعل ، ومن هنا جاء مصطلح تكرار الاصطدام .
يمكن فهم تردد الاصطدام على أنه عدد الاصطدامات في الثانية لكل وحدة حجم من خليط التفاعل. يُشار إليه عمومًا بواسطة Z.

مثال على ذلك التفاعل الأولي ثنائي الجزيء التالي:

P + Q → المنتج

الآن وفقًا لنظرية الاصطدام ، يمكن إعطاء معدل التفاعل أعلاه من خلال:

السعر = ZPQe − EaRT…………. (1)

أين:

ZPQ = تردد تصادم المواد المتفاعلة P و Q

Ea = طاقة التنشيط

R = ثابت الغاز العالمي

T = درجة الحرارة في المقياس المطلق

أحد العوامل الأخرى التي أثرت بشكل كبير على معدلات التفاعلات الكيميائية هي طاقة التنشيط (Ea) ، وتم إعطاء مصطلح طاقة التنشيط بواسطة Arrhenius ، وهو الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تمتلكها المواد المتفاعلة من أجل تكوين منتج أثناء تفاعل كيميائي . [4]

تطبيق نظرية التصادم اثناء التفاعل الكيميائي

لابد من أن يحدث تصادم للجزيئات كي تتفاعل ؛ فمن أجل بدء التفاعل بشكل فعال ، وصحيح لابد أن تكون التصادمات نشطة بشكل كافي ، وهي الطاقة الحركية من أجل كسر الروابط الكيميائية ، حيث تعرف تلك الطاقة بطاقة التنشيط .

عند ارتفاع درجة الحرارة نجد أن الجزيئات تتحرك بشكل سريع ، وتصطدم بقوة كبير ؛ فذلك يعمل على زيادة احتمالية كسر الرابطة أثناء الاصطدام ، وتعتبر طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تتصادم بها المواد المتفاعلة من أجل حدوث التفاعل .

تعمل

نظرية التصادم

على توفير شرح نوعي للتفاعلات الكيميائية ، وكذلك معدلات حدوثها ، حيث أنه من المبادئ الأساسية لنظرية الاصطدام ، أنه لكي يحدث التفاعل يجب أن تتصادم الجزيئات ، وتعتبر هذه القاعدة أساسية لأى تحليل لآلية رد فعل عادية .

يعتبر التوجه الجزيئي والاصطدامات الفعالة إذا اصطدم جزيئين بطاقة تنشيط كافية ؛ فليس هناك ما يضمن نجاح التصادم في الواقع تشرح نظرية الاصطدام أنه ليس كل تصادم ناجح ، حتى إذا كانت الجزيئات تتحرك بطريقة كافية .

تحتاج الجزيئات إلى الاصطدام بالاتجاه الصحيح ، بحيث تصطف الذرات المناسبة مع بعضها البعض ، ويمكن أن تتكسر الروابط ، ويعيد تشكيلها بالطريقة اللازمة ؛ فعلى سبيل المثال في تفاعل الطور الغازي لأكسيد ثنائي النيتروجين مع أكسيد النيتريك ؛ فيجب أن تصل نهايى الأكسجين لأكسيد النيتروز إلى نهاية النيتروجين لأكسيد النيتروجين . [3]

ما هي طاقة التفعيل

هي عبارة عن طاقة التنشيط التي تُعد الحد الأدنى من الطاقة التي تحتاج إليها الجسيمات المتفاعلة في أي تفاعل معين لحدوث التفاعل الكيميائي ، إذا لم يحدث اصطدام الجسيمات بطاقة كافية من أجل تزويد طاقة التنشيط ؛ فإنها ببساطة لا تتفاعل ، حيث يجب توفير طاقة التنشيط قبل حدوث التفاعل .

من أجل بدأ أي تفاعل كيميائي يجب كسر الروابط الكيميائية في المواد المتفاعلة ، وذلك الأمر يحتاج إلى طاقة ، حيث أن الطاقة اللازمة لبد التفاعل تعرف باسم طاقة التنشيط ، وفي بعض الأحيان تكون طاقة التنشيط منخفضة ، بحيث يمكن أن يبدأ التفاعل في درجة حرارة الغرفة دون تسخين . [4]

معادلة أرهينيوس

تشير معادلة أرهينيوس إلى أن جميع الجزيئات التي لديها طاقة أكبر من ، أو تساوي طاقة التنشيط سوف تتصادم من أجل تكوين منتجات ، ولكن ذلك الأفتراض لم يكن صحيح بالنسبة لكل ردود الفعل ، حيث تم ملاحظة قدر كبير من الانحراف في التفاعلات التي تنطوى على العديد من الجزيئات المعقدة .

بعض الجزيئات التي لديها طاقة كافية ، وهي طاقة التنشيط لم تتصادم من أجل تكوين المنتج ، فقد عدد قليل منهم كون تصادمات فعالة ، وتلك التصادمات أدت إلى تكوين المنتجات ، وجد العلماء أن الطاقة الحركية للجزيئات ليست الوحيدة التي يمكنها أن تحكم التفاعل .

وتوصلوا إلى أن الجزيئات التي لديها طاقة التنشيط ، والتوجيه المناسب خلال الاصطدام هي الوحيدة التي يمكنها تشكيل المنتجات ؛ فطاقة التنشيط والتوجيه بشكل صحيح للجزيئات المتفاعلة معاً ، يمكنهم تحديد حالة التصادم الذي سوف ينتج عنه تكوين منتجات تعتبر بمثابة تصادم التفاعل . [4]

نظرية التصادم وتأثيرها على خصائص الروابط الكيميائية

للروابط الكيميائية بعض خصائص النوابض الكيميائية ، حيث أنها :

تعتمد طاقتها المحتملة على مدى شدها أو ضغطها .
يمكن أن توصف كل رابطة من ذرة إلى ذرة من خلال مخطط طاقة كامنة يمكنه توضيح كيف يتم تغيير طاقتها مع طولها .
عند امتصاص الرابطة للطاقة ، أما عن طريق التسخين ، أو من خلال التصادم ، يتم رفعها إلى حالة اهتزازية بكمية أعلى . [5]

نظرية التصادم في التفاعلات أحادية الجزيء

تبدأ العمليات أحادية الجزيء بالتصادم أيضاً ، منذ عام 1921 لم يستطع الكيميائيون فهم دور الاصطدامات في العمليات أحادية الجزيء ، حيث اتضح أن آليات مثل تلك التفاعلات تعتبر معقدة للغاية ، وإنها في ضغوط منخفضة بشكل كبير ، توصف تلك التفاعلات بشكل صحيح بأنها جزيئية كاذبة . [5]

المعايير اللازمة قبل حدوث تفاعل ثنائي الجزيء

يجب أن يكون تردد الاصطدام أكبر من عامل التردد للتفاعل .
يجب حدوث التصادم في الاتجاه الصحيح .
لابد من حدوث تصادم بين المتفاعلات .
يجب أن تكون طاقة الاصطدام أكبر من طاقة التنشيط للتفاعل . [5]

كيف سيؤثر التغيير المعطى على معدل التفاعل الأولي

زيادة في حجم أحد المواد المتفاعلة في تفاعل ثنائي الجزيء .
زيادة في تركيز المادة المتفاعلة .
زيادة في درجة الحرارة .
زيادة طاقة التنشيط للتفاعل .

معدل التصادم وتأثيره

فلكي يحدث التفاعل الكيميائي الأولي يجب التغلب على عتبة الطاقة المعروفة بطاقة التنشيط ، ويجب أيضاً أن يكون للأنواع المتفاعلة الاتجاه المكاني الصحيح ، حيث تقدم نظرية الاصطدام تفسير نوعي للتفاعلات الكيميائية ؛ فيجب أن تؤثر العوامل التي تزيد من معدل التفاعل على واحد على الأقل مما يلي :

كم مرة تحدث الاصطدامات .
التصادمات الأكثر فعالية التي تحدث مع طاقة كافية .
تصادمات أكثر فعالية من حيث الاصطدامات التي تحدث مع الاتجاه الصحيح .
الاصطدامات المتكررة التي تحدث بمعدل أسرع . [5]