سرعة التفاعلات الكيميائية
الدرس ٢: سرعة التفاعلات الكيميائية
في هذا الدرس
الأهداف
- تصف سرعة التفاعل الكيميائي، وتحدد كيفية قياسها.
- تعرف كيف تسرع أو تبطئ التفاعلات الكيميائية.
الأهمية
من المفيد أحيانًا تسريع التفاعلات البناء المرغوب فيها، وإبطاء التفاعلات الهدامة غير المرغوب فيها.
مراجعة المفردات
حالة المادة: خاصية فيزيائية تعتمد على درجة الحرارة والضغط، وتظهر بأربعة أشكال: صلبة، وسائلة، وغازية، وبلازما.
العامل المحفز المساعد: مادة تسرع التفاعل الكيميائي، لكنها لا تتغير ولا تستهلك.
المفردات الجديدة
- طاقة التنشيط
- سرعة التفاعل
- التركيز
- المثبطات
- الإنزيمات
تفاوت السرعة
تنفجر الألعاب النارية سريعًا، بينما تتغير ألوان التحف النحاسية القديمة إلى اللون الأسود ببطء، وتختلف صلابة صفار البيض عند طهيه مدة دقيقتين عن طهيه خمس دقائق.
ويجب أن تحدد بدقة المدة اللازمة لوضع صبغة الشعر المطلوبة على الشعر لتحصل على اللون الذي تريده. تلاحظ من الأمثلة السابقة أن التفاعلات الكيميائية شائعة في حياتك، وكيف أن الزمن عامل مؤثر فيها.
يوضح الشكل ١١ أن التفاعلات الكيميائية لا تحدث جميعها بالسرعة نفسها.
ليست كل التفاعلات الكيميائية تحدث تلقائيًا؛ فبعض التفاعلات تحدث كما هو ملاحظ في الحياة اليومية بشكل غير تلقائي، ومنها التفاعلات التي تحصل في احتراق شريط مغنيسيوم، واشتغال المعطي أو الفحم.
وفي المقابل نجد أن هناك تفاعلات أخرى تحدث تلقائيًا دون تدخل منك. وستعرف في هذا الدرس العوامل التي تسرع التفاعلات الكيميائية أو تبطئها.
الشكل ١١
تختلف سرعة التفاعلات الكيميائية كثيرًا؛ فالألعاب النارية مثلًا تنفجر في ثوانٍ، بينما تغير لون طلاء الوعاء النحاسي إلى اللون الأسود بسرعة بطيئة جدًا.
الصورة المستخرجة:
01_تفاوت_السرعة_وسرعة_التفاعلات_الكيميائية.png
طاقة التنشيط - بدء التفاعل
يلزم أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة بعضها ببعض قبل أن يبدأ التفاعل. ويبدو هذا الشرط منطقيًا؛ ألا تكون روابط كيميائية جديدة يتطلب أن تكون الذرات قريبة بعضها من بعض.
بل ينبغي أيضًا أن يكون التصادم بين الجزيئات قويًا بدرجة كافية وبطاقة محددة وإلا فلن يحدث التفاعل.
ولكن لماذا مثل هذا الشرط؟
لتكوين روابط جديدة في النواتج يجب كسر الروابط الكيميائية في المتفاعلات، ولما كان تكسير الروابط الكيميائية يحتاج إلى طاقة محددة، فإنه يجب توافر قدر معين، أي حد أدنى، من الطاقة كي يبدأ أي تفاعل كيميائي.
وتسمى هذه الطاقة طاقة تنشيط Activation energy التفاعل.
ماذا قرأت؟
ما المصطلح الذي يعبر عن الحد الأدنى من الطاقة التي تلزم لبدء التفاعل؟
الإجابة: طاقة التنشيط.
ماذا عن التفاعلات الطاردة للطاقة؟ هل هناك طاقة تنشيط لهذه التفاعلات أيضًا؟ نعم، على الرغم من أن هذه التفاعلات تحرر طاقة إلا أنها تحتاج أيضًا إلى طاقة لتبدأ.
ويعد احتراق الجازولين مثالًا على التفاعلات التي تحتاج إلى طاقة لتبدأ. فإذا انسكب بعض الوقود من غير قصد عند تعبئة خزان الوقود ينتشر هذا الوقود في وقت قصير، ولكنه لا يشتعل ولا يحترق في السيارة في ذلك السبب هو أن الوقود يحتاج إلى طاقة لكي يبدأ الاحتراق.
ولهذا نجد في محطات الوقود لوحات تمنع التدخين، وتلزم السائق بإطفاء محرك السيارة، وعدم استعمال أجهزة الجوال.
ومن الأمثلة على ذلك أيضًا الشعلة الأولمبية المستخدمة في كل دورة من دورات الألعاب الأولمبية. يحتوي الموقد الخاص بالألعاب الأولمبية على مواد شديدة الاشتعال لا تشتعل بفعل الرياح الشديدة أو الأمطار، ومع ذلك فإن هذه المواد لا تشتعل من تلقاء نفسها.
الشكل ١٢
يحتاج معظم أنواع الوقود إلى طاقة لكي يشتعل. وشعلة الألعاب الأولمبية تزود الموقد بالطاقة اللازمة لإشعاله.
العلم عبر المواقع الإلكترونية
الشعلة الأولمبية:
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للبحث عن معلومات حول الشعلة الأولمبية.
نشاط:
هل في كل دورة ألعاب أولمبية تقوم الدولة المضيفة بوضع شعلة جديدة للأولمبياد، دون مراحل إنتاج هذه الشعلة، ونوع الوقود المستخدم فيها؟
الصورة المستخرجة:
02_طاقة_التنشيط_لبدء_التفاعل.png
سرعة التفاعل
تقاس الكثير من العمليات الفيزيائية بمعيار السرعة، الذي يشير إلى مدى التغير الحاصل لشيء ما في فترة زمنية محددة.
فعلى سبيل المثال، تقاس سرعتك وأنت تجري أو تركب دراجة هوائية بمقدار المسافة التي تقطعها مقسومة على الزمن الذي تستغرقه لقطع تلك المسافة.
وللتفاعل الكيميائي سرعة أيضًا، وهي تشير إلى مدى سرعة حدوث التفاعل منذ بدئه.
ولإيجاد سرعة التفاعل Rate of reaction عليك أن تجد سرعة استهلاك أحد المتفاعلات، أو سرعة تكون أحد النواتج.
انظر الشكل ١٣، ولاحظ أن كلا القياسين يدلك على كمية التغير الحاصل للمادة خلال فترة زمنية محددة.
ماذا قرأت؟
ما الذي يمكنك قياسه لتحديد سرعة التفاعل؟
الإجابة:
يمكن قياس سرعة استهلاك أحد المتفاعلات، أو سرعة تكون أحد النواتج.
نجد أحيانًا أن سرعة التفاعل ضرورية جدًا في بعض الصناعات؛ لأنه كلما كان تكون المنتج أسرع كانت التكلفة أقل.
وعلى أي حال، فإن سرعة التفاعل تكون أحيانًا غير مرغوبة، ومنها التفاعل الذي يؤدي إلى فساد الفواكه، فكلما كان التفاعل بطيئًا كانت الفواكه صالحة للأكل فترة أطول.
فما الظروف التي تتحكم في سرعة التفاعل؟ وكيف يمكن لسرعة التفاعل أن تتغير؟
الشكل ١٣
كمية الشمع المنصهر على أطراف هذه الشمعة تعطي فكرة عن سرعة التفاعل.
الحرارة تغير السرعة
كما تعلم، عندما تفسد الفاكهة يوضعها في الثلاجة، كما ترى في الشكل ١٤.
فساد الفاكهة ينتج عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية، ولكن خفض درجات حرارة الفواكه يبطئ من سرعة التفاعلات.
الشكل ١٤
تقطف الطماطم أحيانًا خضراء اللون ثم تحفظ في الثلاجة لكي تكون ناضجة عند تسليمها لمحال الخضار.
الصورة المستخرجة:
03_سرعة_التفاعل_وتأثير_الحرارة.png
أثر درجات الحرارة في سرعة التفاعل
تتحلل اللحوم والأسماك بسرعة أكبر بارتفاع درجات الحرارة، منتجة بذلك مواد سامة تؤدي إلى الإصابة بالأمراض عند تناولها.
ويمكن إبطاء عملية تحلل المواد الغذائية بحفظها في أماكن باردة كالثلاجات.
كما أن البكتيريا تنمو وتتكاثر أسرع بارتفاع درجة الحرارة، ويحتوي البيض غير المطهو على مقدار كبير من أحد أنواع البكتيريا التي يصعب قتلها؛ ولذلك فالبيض المسلوق والمطهو جيدًا أكثر أمانًا من البيض غير المطهو جيدًا.
تزداد سرعة معظم التفاعلات الكيميائية بارتفاع درجات الحرارة، ويرجع السبب في ذلك إلى أن الجزيئات والذرات في حركة مستمرة، وتزداد سرعتها بارتفاع درجات الحرارة.
كما هو موضح في الشكل ١٥، إن الجزيئات السريعة يصطدم بعضها ببعض مرات أكثر وبطاقة أكبر من الجزيئات البطيئة، ولذلك توفر هذه التصادمات ما يكفي من الطاقة لكسر الروابط، وهو ما يدعى طاقة التنشيط.
تعمل درجة الحرارة المرتفعة داخل الفرن على تسريع التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى إنضاج العجين وتحويله إلى كعكة إسفنجية متماسكة صلبة.
وفي المقابل يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى تقليل سرعة الكثير من التفاعلات. فإذا خفضت درجة حرارة الفرن فإن الكعكة لن تنضج بصورة جيدة.
الشكل ١٥
تكون تصادمات الجزيئات في درجات الحرارة المرتفعة أكثر منها في درجات الحرارة المنخفضة.
أثر التركيز في سرعة التفاعل
كلما كانت ذرات عناصر المواد المتفاعلة وجزيئاتها قريبة بعضها من بعض كانت فرص التصادم بينها أكبر، فتكون سرعة التفاعل أكبر.
انظر الشكل ١٦، ويشبه ذلك ما يحدث للناس في الأماكن المزدحمة جدًا؛ حيث يزداد احتمال اصطدام بعضهم ببعض مقارنة بالأماكن غير المزدحمة.
وتسمى كمية المادة المذابة الموجودة في حجم معين تركيز Concentration المادة.
وكلما زاد التركيز زاد عدد جسيمات المادة في وحدة الحجم.
الشكل ١٦
يتصادم الناس ببعضهم غالبًا في الازدحامات، وكذلك يحدث للجزيئات.
كلما قل التركيز قلت فرصة التصادم.
كلما زاد التركيز زادت فرصة التصادم.
الصورة المستخرجة:
04_أثر_درجة_الحرارة_والتركيز_في_سرعة_التفاعل.png
أثر مساحة السطح في سرعة التفاعل
تؤثر مساحة سطح المادة المتفاعلة المكشوفة أيضًا في سرعة حدوث التفاعل.
وهو ما نلاحظه في رحلاتنا إلى البر عند إشعال النار؛ فنحن نبدأ بإشعال الأعصاب الرفيعة الجافة أو القطع الصغيرة من الخشب؛ لأن إشعالها أسهل من إشعال قطع الخشب الكبيرة.
إن الذرات أو الجزيئات التي تكون في الطبقة الخارجية للمادة المتفاعلة هي وحدها القادرة على لمس المواد المتفاعلة الأخرى والتفاعل معها.
يبين الشكل ١٧-أ كيف أن معظم ذرات الحديد تكون في الداخل ولا تتفاعل، بينما يبين الشكل ١٧-ب أن الكثير من ذرات المتفاعلات مكشوفة لذرات الأكسجين ويمكن أن تتفاعل معها.
الشكل ١٧
ذرات الحديد الموجودة في الجائز الفلزي لا تتفاعل بسرعة مع الأكسجين.
وتزداد سرعة التفاعل في سلك الأواني بزيادة عدد ذرات الحديد المعرضة للأكسجين.
تجربة: تحديد المثبطات
الخطوات
- انظر إلى محتويات علب رقائق الذرة وعلب البسكويت.
- اكتب قائمة بالمواد الحافظة الموجودة على الملصق، فهذه المواد المثبطة للتفاعل.
- قارن بين تاريخ انتهائها وتاريخ إنتاجها لتقدر مدة صلاحيتها.
التحليل
- ما مدة صلاحية هذه المواد؟
- لماذا يكون من الضروري إطالة مدة صلاحية مثل هذه المواد؟
إبطاء التفاعلات
بعض التفاعلات في حياتنا يسير بسرعة كصدأ الطعام والهواء اللذين يتعرضان للتلف أو فقدان فاعليتهما بسبب كثير من التفاعلات الكيميائية.
ولكن لحسن الحظ أن هذه التفاعلات يمكن إبطاؤها باستخدام المثبطات.
المثبطات Inhibitor مواد تؤدي إلى إبطاء التفاعل الكيميائي؛ أي إنها تجعل عملية تكوين كمية محددة من المادة الناتجة تأخذ وقتًا أطول، وقد يؤدي بعضها إلى توقف التفاعل تمامًا.
فمثلًا يحتوي الكثير من المواد الغذائية، منها رقائق الذرة، على مركبات هيدروكسي تولوين BHT، وهو يؤدي إلى إبطاء فساد المواد الغذائية، وإلى إطالة مدة صلاحيتها.
الشكل ١٨
يوجد المثبط BHT في الكثير من رقائق الذرة.
الصورة المستخرجة:
05_أثر_مساحة_السطح_وإبطاء_التفاعلات.png
تسريع التفاعلات
هل من الممكن تسريع التفاعل الكيميائي؟ نعم، بإضافة عامل مساعد محفز Catalyst، وهو عبارة عن مادة تسرع التفاعل الكيميائي، ولا يظهر في المعادلة الكيميائية؛ لأنه لا يتغير ولا يستهلك.
لذا فإن التفاعلات التي يستخدم فيها العامل المساعد أسرع من التفاعلات التي ليس فيها عامل مساعد.
أما النواتج وكمياتها فتكون هي نفسها في التفاعلين.
ماذا قرأت؟
ما دور العامل المساعد في التفاعل الكيميائي؟
الإجابة:
يعمل العامل المساعد على توفير سطح مناسب يساعد المواد المتفاعلة على الالتقاء والتصادم، مما يزيد من سرعة التفاعل.
وفي بعض الحالات تزيد المحفزات من سرعة التفاعل من خلال تخفيض طاقة التنشيط اللازمة لبدء التفاعل.
الربط مع البيئة
التنفس الصحي:
في إطار اهتمامها بحماية الهواء من التلوث، تطالب الكثير من الدول المتقدمة والنامية بخفض الانبعاثات الصادرة عن عوادم السيارات من الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون.
وقد احتاج صانعو السيارات إلى تطوير تقنية جديدة توافق مع هذه المعايير، فأدت جهودهم إلى البدء في إنتاج المحفزات المحولة.
الصورة المستخرجة:
06_تسريع_التفاعلات_والعامل_المساعد.png
العوامل المحفزة المحولة
تستخدم المحفزات في عوادم السيارات، والحافلات، والشاحنات على شكل شبكة لها سطح فاعل من خلالها.
المحفز الذي يكون على هيئة حبيبات دقيقة بفلز البلاتينيوم أو الروديوم، وتعمل المحفزات على تسريع الاحتراق غير المكتمل للمواد الضارة مثل أول أكسيد الكربون ليحولها إلى مواد أقل ضررًا كثاني أكسيد الكربون.
وبالمثل تتحول الهيدروكربونات إلى ثاني أكسيد الكربون وماء.
والهدف من هذه التفاعلات هو تنقية الهواء، كما في الشكل ١٩.
الشكل ١٩
تساعد المحفزات المحولة على إتمام عملية احتراق الوقود؛ فتحصر غازات العادم الساخنة على سطح الحبيبات المغلفة بالفلز، وتتحول الهيدروكربونات وأول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.
الإنزيمات المتخصصة
للمحفزات النشطة أهمية كبيرة في آلاف التفاعلات التي تحدث في جسم الإنسان. وتسمى هذه المحفزات الإنزيمات Enzymes.
وهي جزيئات من البروتينات الكبيرة تسرع التفاعلات اللازمة لكي تعمل خلايا جسمك بشكل صحيح.
وهي تساعد الجسم أيضًا على تحويل الطعام إلى طاقة، وبناء أنسجة العظام والعضلات، وتحويل الطاقة الزائدة إلى الدهون، وإنتاج إنزيمات أخرى.
تكون سرعة هذه التفاعلات المعقدة بطيئة جدًا، وبدون هذه الإنزيمات قد لا تحدث على الإطلاق.
فالإنزيمات تمكن الجسم من القيام بأعماله الحيوية، كما أن الإنزيمات متخصصة؛ فكل نوع من التفاعلات التي تحدث في الجسم إنزيم خاص به.
استخدامات أخرى
تعمل الإنزيمات خارج الجسم أيضًا، ومنها الإنزيمات البروتينية المتخصصة في تفاعلات البروتين.
فهي تكسر جزيئات البروتينات الكبيرة المعقدة، فطري اللحم يسرع التفاعل في اللحوم.
كما توجد إنزيمات بروتينية تعمل على كسر البروتين في اللحوم، وتجعلها طرية أكثر.
كما أنها موجودة أيضًا في محلول تنظيف العدسات اللاصقة؛ إذ تعمل على كسر جزيئات البروتين التي تفرزها العين، والتي تتجمع على العدسات اللاصقة وتجعل الرؤية ضبابية.
الشكل ٢٠
تعمل الإنزيمات الموجودة في طري اللحم على كسر البروتينات، فتجعلها طرية أكثر.
الصورة المستخرجة:
07_العوامل_المحفزة_المحولة_والإنزيمات.png
مراجعة الدرس ٢
الخلاصة
التفاعلات الكيميائية
- لكي تتكون روابط جديدة في النواتج يجب كسر الروابط في المتفاعلات، وهذه تتطلب طاقة.
- طاقة التنشيط هي أقل كمية من الطاقة المطلوبة لبدء التفاعل.
سرعة التفاعل
- تدل سرعة استهلاك المتفاعلات أو سرعة تكون النواتج على سرعة التفاعل.
- تؤثر درجة الحرارة والتركيز ومساحة السطح في سرعة التفاعل.
المثبطات والمحفزات
- تبطئ المثبطات من سرعة التفاعل، بينما تزيد المحفزات سرعة التفاعل.
- الإنزيمات محفزات تزيد أو تقلل من سرعة التفاعل في خلايا جسمك.
اختبر نفسك
- صف: كيف تقاس سرعة التفاعل؟
- فسر: في المعادلة العامة:
A + B + طاقة → C
ما أثر زيادة الحرارة في سرعة التفاعل؟
- أ. زيادة درجة الحرارة.
- ب. تقليل تركيز المتفاعلات.
- صف: كيف تعمل المحفزات على زيادة سرعة التفاعل؟
- التفكير الناقد: فسر لماذا يمكن تخزين علب صلصة المكرونة لأسابيع على الرف إذا كانت مغلقة، بينما يجب حفظها في الثلاجة مباشرة بعد فتحها.
تطبيق الرياضيات
- حل المعادلة بخطوتين وأوجد تغيير معدل سرعة تفاعل كيميائي بمعدل ٢ جم كل ٥ ثوانٍ، ما الوقت الذي يلزم لينتج هذا التفاعل ٥٠ جم من المادة نفسها؟
الصورة المستخرجة:
08_مراجعة_الدرس_الخلاصة_واختبر_نفسك.png
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.