نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي

2-1
نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي
Collision Theory and Reaction Rate

الأهداف

• تحسب متوسط سرعة التفاعل الكيميائي من بيانات التجربة.
• تربط بين سرعة التفاعل الكيميائي والتصادمات بين جسيمات المواد المتفاعلة.

مراجعة المفردات
الطاقة: القدرة على بذل شغل أو إنتاج حرارة. وتكون الطاقة في صورة طاقة وضع أو طاقة حركة.

المفردات الجديدة

• سرعة التفاعل الكيميائي
• نظرية التصادم
• المعقد المنشط
• طاقة التنشيط

الفكرة الرئيسية
نظرية التصادم هي المفتاح لفهم الاختلاف في سرعة التفاعلات.

الربط مع الحياة
أيهما أسرع: الذهاب إلى المدرسة سيرًا على الأقدام، أم ركوب الحافلة، أم السيارة؟ إن تحديد سرعة وصول شخص إلى المدرسة لا يختلف كثيرًا عن حساب سرعة التفاعل الكيميائي؛ ففي الحالتين تقوم بقياس التغير الناتج خلال الزمن.

التعبير عن سرعة التفاعل Expressing Reaction Rates
اكتشفت في التجربة الاستهلالية أن تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين يمكن أن يكون تفاعلًا سريعًا أو بطيئًا. فالمصطلحان (سريع وبطيء) مصطلحان غير دقيقين؛ إذ يجب أن يكون تعبيرنا أكثر دقة وتحديدًا.

فكر في كيفية التعبير عن سرعة أو متوسط سرعة الأشياء المتحركة. فمثلًا، يبين عداد السرعة في الشكل 2-1 أن سيارة السباق تتحرك بسرعة مقدارها 100 Km/h، ويمكن التعبير عن سرعة العداء في مضمار السباق بوحدة m/s. وعمومًا يعرف متوسط السرعة لحدث ما أو عملية محددة بالتغير الكمي خلال زمن محدد. ولاشتقاق العلاقة الرياضية نستعمل الرمز دلتا (Δ) قبل الكمية (quantity) لنشير إلى التغير في هذه الكمية، كما في المعادلة الآتية:

متوسط السرعة = Δquantity / Δt

متوسط السرعة = التغير في كمية المواد المتفاعلة أو الناتجة / التغير في الزمن Δt

[صورة: الشكل_2-1_عداد_السرعة_وسرعة_العداء.png]
الشكل 2-1
يبين عداد السرعة في سيارة السباق السرعة بوحدة Km/h أو ميل لكل ساعة (M/h)، وكلاهما يعني التغير في المسافة في وحدة الزمن. وقد تقاس سرعة العداء بوحدة m/s.

===========================================================
============================================================

[صورة: الشكل_2-2_تحول_المواد_المتفاعلة_إلى_نواتج_مع_مرور_الزمن.png]
الشكل 2-2
تتحول المواد المتفاعلة مع مرور الزمن إلى مواد ناتجة. ويمكن التعبير عن سرعة التفاعل الكيميائي بالتغير في عدد مولات المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال فترة محددة من الزمن.
احسب سرعة التغير لكل فترة من الزمن.

يبين الشكل 2-2 عملية تحول المواد المتفاعلة إلى مواد ناتجة مع مرور الزمن. لاحظ أن كمية المواد المتفاعلة تقل بينما تزداد المواد الناتجة. فإذا علمت التغير في كميات النواتج أو المتفاعلات مع مرور الزمن أمكنك حساب متوسط سرعة التفاعل. وفي الغالب يحتاج الكيميائيون إلى معرفة التغير في التركيز المولاري M لمادة متفاعلة أو ناتجة خلال التفاعل. ولذلك جاء تعريف سرعة التفاعل الكيميائي بأنه التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن، ويعبر عنها بوحدة mol/L.s، وتسمى الأقواس التي تكون حول الصيغة الجزيئية للمواد التركيز المولاري. فمثلًا [NO2] تمثل التركيز المولاري لـ NO2.

يمكن تحديد سرعة التفاعل الكيميائي بشكل عملي عن طريق حساب تركيز المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة عن التفاعل الكيميائي، بينما لا يمكن حساب سرعة التفاعل من المعادلات الموزونة.

لنفترض أنك ترغب في التعبير عن متوسط سرعة التفاعل الآتي خلال فترة زمنية بدأت عند t1 وانتهت عند t2:

CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g)

من خلال التفاعل السابق تكون قيمة سرعة تكون المواد الناتجة موجبة. ويمكن التعبير عن حساب سرعة تكون NO كما يأتي:

Rate = Δ[NO] / Δt = ([NO]t2 - [NO]t1) / (t2 - t1)

ولنفترض على سبيل المثال أن تركيز NO هو 0.000 M عندما كان t1 = 0.0 s، وقد أصبح تركيزه 0.010 M بعد ثانيتين من بداية التفاعل، فما متوسط سرعة التفاعل بوحدة عدد مولات NO الناتجة لكل لتر في الثانية؟

Rate = (0.010 M - 0.000 M) / (2.00 s - 0.00 s)
Rate = 0.010 M / 2.00 s = 0.0050 mol/L.s

لاحظ كيفية اشتقاق الوحدة:
M/s = mol/L × 1/s = mol/L.s

[صورة: مربع_المفردات_التركيز.png]
المفردات الأكاديمية
Concentration التركيز
الاستعمال العلمي: كمية المذاب في كمية محددة من المذيب أو المحلول. وتقول مثلًا: إن تركيز المحلول هو 6 mol/L.
الاستعمال الشائع: تركيز الانتباه على هدف أو غرض واحد. وتقول مثلًا: اقتصر تركيز الجمهور على الأداء فقط.

============================================================
============================================================

كما يمكنك تحديد سرعة التفاعل بمعرفة متوسط استهلاك CO كما في العلاقة الآتية:

Rate = - Δ[CO] / Δt = - ([CO]t2 - [CO]t1) / (t2 - t1)

هل تتوقع أن تكون قيمة سرعة التفاعل السابق سالبة أم موجبة؟ في هذه الحالة تكون القيمة سالبة؛ لأنها تعني أن تركيز CO قد صار أقل. ولكن يجب أن تكون سرعة التفاعل دائمًا موجبة. لذلك يضاف إلى المعادلة إشارة سالبة في موضع حساب سرعة التفاعل بناء على مقدار استهلاك المواد المتفاعلة. وبذلك تكون معادلة حساب سرعة استهلاك المواد المتفاعلة هي:

[صورة: معادلة_متوسط_سرعة_التفاعل.png]
معادلة متوسط سرعة التفاعل
Rate = - Δ[reactants] / Δt
حيث تمثل Δ[reactants] التغير في تركيز المواد المتفاعلة.
وتمثل Δt تغير الزمن t2 - t1.

[صورة: مثال_2-1_حساب_متوسط_سرعة_التفاعل.png]
مثال 2-1
حساب متوسط سرعة التفاعل
إذا علمت أن تركيز كلوريد البيوتيل C4H9Cl في بداية تفاعله مع الماء 0.22 M ثم أصبح 0.100 M بعد مرور 4.00 s على التفاعل، احسب متوسط سرعة التفاعل خلال هذه الفترة بوحدة mol/L.s.

1 تحليل المسألة
لقد أعطيت التركيز والزمن الابتدائيين والنهائيين C4H9Cl، لذا يمكنك حساب متوسط سرعة التفاعل الكيميائي باستعمال التغير في تركيز كلوريد البيوتان خلال أربع ثوان.

المعطيات:
t1 = 0.00 s
t2 = 4.00 s
[C4H9Cl]t1 = 0.220 mol/L
[C4H9Cl]t2 = 0.100 mol/L

المطلوب:
Rate = ? mol/L.s

2 حساب المطلوب
اكتب معادلة متوسط سرعة التفاعل.
عوّض عن الزمن والتركيزين الابتدائي والنهائي.
احسب الناتج بوحدة mol/L.s.

Rate = - ([C4H9Cl]t2 - [C4H9Cl]t1) / (t2 - t1)
Rate = - (0.100 M - 0.220 M) / (4.00 s - 0.00 s)
Rate = - (-0.120 mol/L) / 4.00 s = 0.0300 mol/L.s

3 تقويم الإجابة
متوسط سرعة التفاعل 0.0300 mol/L.s، وهي قيمة مناسبة اعتمادًا على الكمية الموجودة في بداية التفاعل ونهايته.

============================================================
===================================================

مسائل تدريبية
استعمل البيانات الموجودة في الجدول أدناه لحساب متوسط سرعة التفاعل:

بيانات التجربة للتفاعل: H2 + Cl2 → 2HCl

| الزمن s | [H2] | [Cl2] | [HCl] |
|---|---:|---:|---:|
| 0.00 | 0.030 | 0.050 | 0.000 |
| 4.00 | 0.020 | 0.040 | — |

• احسب متوسط سرعة التفاعل معبرًا عنه بعدد مولات H2 المستهلكة لكل لتر في كل ثانية.
• احسب متوسط سرعة التفاعل معبرًا عنه بعدد مولات Cl2 المستهلكة لكل لتر في كل ثانية.
• تحفيز: إذا علمت أن متوسط سرعة التفاعل لحمض الهيدروكلوريك HCl الناتج هو 0.050 mol/L.s، فما تركيز [HCl] الذي يتكون بعد مرور 4.00 s؟

نظرية التصادم Collision Theory
في التفاعل الكيميائي يجب أن تصطدم جزيئات المواد المتفاعلة لتكوين النواتج. يمثل الشكل 2-3 التفاعل بين جزيئات A2 وB2 لتكوين مركب AB. ويجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة معًا لتكوين جزيئات AB. لذا يوضح هذا الشكل نظرية التصادم التي تنص على وجوب تصادم الذرات والأيونات والجزيئات بعضها ببعض لكي يتم التفاعل.

ماذا قرأت؟ توقع لماذا يجب حدوث اصطدامات بين الجسيمات لحدوث التفاعل.

لاحظ تفاعل غاز أول أكسيد الكربون CO مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين NO2 الذي يحدث عند درجة حرارة أعلى من 500 K، والموضح بالمعادلة:

CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g)

تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وغاز أول أكسيد النيتروجين. وعند حساب عدد الاصطدامات بين الجزيئات في كل ثانية تكون النتيجة كبيرة، إلا أن عددًا قليلًا فقط من هذه الاصطدامات ينتج نواتج.

[صورة: الشكل_2-3_تصادم_الجسيمات_لتكوين_AB.png]
الشكل 2-3
في التفاعلات الكيميائية يجب أن تتصادم الجسيمات بكمية كافية من الطاقة لكي يحدث تفاعل.

===========================================================
============================================================

[صورة: الشكل_2-4_احتمالات_اتجاهات_التصادم_بين_CO_NO2.png]
الشكل 2-4
يبين الشكل أربعة احتمالات مختلفة لاتجاهات التصادم لجميع جزيئات CO وNO2. لا تؤدي الاصطدامات في كل من الحالتين a وb إلى حدوث تفاعل؛ لأن الجزيئات لا تستطيع تكوين روابط. أما تصادم الجزيئات في الحالتين c وd فهو في اتجاه مناسب لحدوث التفاعل، وعلى الرغم من أن تصادم الجزيئات في الاتجاه المناسب إلا أن طاقتها غير كافية لحدوث تفاعل.

اتجاه التصادم وتكوين المعقد المنشط
لماذا تنشئ معظم الاصطدامات تكوين نواتج؟ ما العوامل الأخرى التي يجب أخذها في الحسبان؟

يوضح الشكلان 2-4a و2-4b الإجابة المحتملة عن هذا السؤال؛ فلكي يؤدي الاصطدام إلى حدوث تفاعل يجب أن ترتبط ذرة الكربون من جزيء CO مع ذرة الأكسجين من جزيء NO2 في لحظة الاصطدام، وهذه هي الطريقة الوحيدة لتكوين رابطة مؤقتة. أما الاصطدامات الموضحة في الشكلين 2-4a و2-4b فلا تؤدي إلى حدوث تفاعل؛ لأن الجزيئات تصطدم بشكل غير مناسب؛ حيث لا تلامس ذرة الكربون ذرة الأكسجين في لحظة التصادم، وقد ترتد الجزيئات دون تكوين روابط.

ولكن عندما يكون اتجاه الجزيئات مناسبًا في أثناء التصادم، كما في الشكل 2-4c، يحدث التفاعل، وتنتقل ذرة أكسجين من جزيء NO2 مع جزيء CO، وعندما يحدث ذلك تكون جسيمات عمرها قصير تسمى المعقد المنشط Activated Complex. وتسمى هذه المرحلة الحالة الانتقالية، وهي حالة غير مستقرة من تجمع الذرات يحدث خلالها تكسير الروابط وتكوين روابط جديدة. ونتيجة لذلك قد يؤدي المعقد المنشط إلى تكوين المواد الناتجة، أو يتكسر لتكوين المواد المتفاعلة مرة أخرى.

طاقة التنشيط وسرعة التفاعل
لا يؤدي التصادم في الشكل 2-4d إلى تفاعل لعدم توافر طاقة كافية لحدوث التفاعل، لذلك لا يحدث تفاعل بين جزيئات CO وNO2 على الرغم من تصادمهما في الاتجاه الصحيح. إذن حتى تتفاعل الجزيئات المتفاعلة واللازم لتكوين المعقد المنشط ولإحداث التفاعل طاقة التنشيط Activation energy (Ea).

============================================================
============================================================

[صورة: الجدول_2-1_فروض_نظرية_التصادم_وشروط_التصادم_الفعال.png]
الجدول 2-1

فروض نظرية التصادم

• يجب أن تصطدم ذرات أو أيونات أو جزيئات المواد المتفاعلة.
• ليس من الضروري أن يؤدي كل تصادم بين الذرات أو الأيونات أو الجزيئات إلى حدوث تفاعل.

شروط التصادم الفعال أو المثمر

• يجب أن تصطدم المواد المتفاعلة في الاتجاه الصحيح.
• يجب أن تصطدم المواد المتفاعلة بطاقة كافية لتكوين المعقد المنشط.

يلخص الجدول 2-1 الظروف الواجب توافرها لحدوث التفاعل. فعندما تكون قيمة Ea عالية فهذا يعني أن عددًا قليلًا من الاصطدامات له طاقة كافية لتكوين المعقد المنشط؛ ولذا تكون سرعة التفاعل بطيئة. أما إذا كانت قيمة Ea منخفضة فهذا يعني أن هناك عددًا كبيرًا من الاصطدامات التي طاقتها كافية لحدوث التفاعل، لذا يكون التفاعل أسرع. فكر في هذه العلاقة من خلال شخص يقوم بدفع عربة ثقيلة إلى قمة تل؛ فإذا كان التل مرتفعًا فسيحتاج الشخص إلى طاقة كبيرة لدفع العربة نحو القمة، كما أنه سيستغرق وقتًا طويلًا للوصول إلى قمة التل. أما إذا كان التل منخفضًا فسوف يحتاج إلى كمية أقل من الطاقة اللازمة لدفع العربة إلى قمة التل، إضافة إلى قدرته على إنجاز المهمة في وقت أسرع.

يبين الشكل 2-5 مخطط الطاقة لتفاعل أول أكسيد الكربون مع ثاني أكسيد النيتروجين. هل يختلف مخطط الطاقة هذا عن استخدامه سابقًا في فصل الطاقة والتغيرات الكيميائية؟ ولماذا؟ يبين هذا المخطط طاقة التنشيط للتفاعل التي تعد حاجزًا أمام حدوث التفاعل. لذلك يجب أن تتغلب المواد المتفاعلة عليه لتكوين مواد ناتجة. وفي هذه الحالة تصادم جزيئات CO وNO2 مع وجود كمية كافية من الطاقة؛ فتتغلب على هذا الحاجز، وتكون طاقة النواتج أقل من طاقة المواد المتفاعلة. وتسمى التفاعلات التي تفقد طاقة التفاعلات الطاردة للحرارة.

[صورة: الشكل_2-5_مخطط_طاقة_تفاعل_طارد_للحرارة_CO_NO2.png]
الشكل 2-5
عندما يحدث تفاعل طارد للحرارة تصطدم الجزيئات التي لها طاقة كافية لتكوين المعقد المنشط، وينطلق طاقة، وتكون نواتج ذات محتوى طاقة أقل من المواد المتفاعلة.

اختبار الرسم البياني
فسر كيف يمكنك أن تعرف من خلال الرسم ما إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة.

============================================================
============================================================

[صورة: الشكل_2-6_مخطط_طاقة_التفاعل_العكسي_الماص_للحرارة.png]
الشكل 2-6
تكون طاقة جزيئات المواد المتفاعلة في التفاعل العكسي الماص للحرارة أقل من طاقة النواتج. ولكي يحدث التفاعل يجب أن تصطدم المواد المتفاعلة للتغلب على طاقة التنشيط، وتكون نواتج ذات طاقة عالية.

اختبار الرسم البياني
قارن بين طاقتي التنشيط للتفاعلين الأمامي والعكسي؟

تعد عملية التحول بين المواد المتفاعلة والناتجة لبعض التفاعلات عمليات انعكاسية. ويبين الشكل 2-6 التفاعل العكسي الماص للطاقة بين CO2 وNO لإعادة إنتاج CO وNO2. ويكون مستوى طاقة المتفاعلات في هذا التفاعل أدنى من مستوى طاقة النواتج؛ لذلك يجب التغلب على طاقة التنشيط لإعادة إنتاج CO وNO2، وهذا يحتاج إلى طاقة عالية أكبر من طاقة التفاعل الأمامي. وإذا حدث هذا التفاعل العكسي وأنتج CO وNO2 فسيكون مستوى طاقتها أعلى.

[صورة: مختبر_حل_المشكلات_تفسير_البيانات_سرعة_تحلل_N2O5.png]
مختبر حل المشكلات
تفسير البيانات

كيف تتغير سرعة التحلل خلال الزمن؟
يتحلل مركب خامس أكسيد ثنائي النيتروجين N2O5 في الهواء وفقًا للمعادلة الآتية:

2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g)

ويمكن تحديد سرعة التركيز في أي وقت من خلال معرفة سرعة التحلل.

التحليل
يبين الجدول المقابل النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها عند قياس تركيز N2O5 خلال فترة زمنية محددة عند الضغط الجوي العادي، ودرجة حرارة 45°C.

| الزمن (min) | [N2O5] |
|---:|---:|
| 0 | 0.01756 |
| 20.0 | 0.00933 |
| 40.0 | 0.00531 |
| 60.0 | 0.00295 |
| 80.0 | 0.00167 |
| 100.0 | 0.00094 |

التفكير الناقد

• احسب متوسط سرعة التفاعل خلال كل فترة زمنية: (0-20 min)، (40-60 min)، (80-100 min). عبر عن سرعة التفاعل في كل فترة زمنية، ويوجد قيمة موجبة، وبوحدة mol/L.s من N2O5.
• احسب سرعة تكون NO2 الناتجة لكل لتر في الثانية لكل فترة زمنية محسوبة، واستعمل المعادلة الكيميائية لتفسير العلاقة بين السرعات المحسوبة في هذا السؤال، وتلك المحسوبة في السؤال 1.
• فسر البيانات والنتائج التي توصلت إليها، ثم استعملها في وصف كيفية تغير سرعة تحلل N2O5 خلال الزمن.
• طبق نظرية التصادم لتفسير سبب تغير سرعة التفاعل.

===========================================================
============================================================

[صورة: التقويم_2-1_نظرية_التصادم_وسرعة_التفاعل_الكيميائي.png]
التقويم 2-1

الخلاصة

• يعبر عن سرعة التفاعل الكيميائي بمعدل التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن.
• غالبًا ما تحسب سرعة التفاعل الكيميائي معبرًا عنها بوحدة mol/L.s.
• لا بد من تصادم الجسيمات لحدوث التفاعل.

• الفكرة الرئيسية: جد العلاقة بين نظرية التصادم وسرعة التفاعل.
• فسر علام تدل سرعة التفاعل لتفاعل كيميائي محدد؟
• قارن بين تركيز المواد المتفاعلة والمواد الناتجة خلال فترة التفاعل (على افتراض عدم إضافة أي مادة جديدة).
• فسر لماذا يعتمد متوسط سرعة التفاعل على طول الفترة الزمنية اللازمة لحدوث التفاعل؟
• صف العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي.
• لخص ماذا يحدث خلال فترة تكون المعقد المنشط القصيرة؟
• طبق نظرية التصادم لتفسر لماذا لا تؤدي الاصطدامات بين جسيمات التفاعل دائمًا إلى تفاعل؟
• احسب متوسط سرعة التفاعل بين جزيئات A وB إذا تغير تركيز A من 1.00 M إلى 0.50 M خلال 2.00 s.

انتهى التفريغ.