سرعة التفاعل والعوامل المؤثرة فيه

             مقدمة

م            الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على سيد المرسلين، سيدنا محمد وعلى صحبه أجمعين ، لقد خصصت هذا البحث لدراسة سرعة التفاعل الكيميائي     نظرا لأهميته في التحكم في التفاعلات وفي صناعة المواد الكيميائية التي تسهم في التقدم لبني البشر آملا من الله ان يوفقني في إتمام هذا الغية

المنشودة.

تمهيد
     حين دراسة تفاعل كيميائي فإننا نكون مهتمين ببعض النواحي التي نريد من  ورائها  الحصول على مادة معينة أو التخلص من  أخرى ، لذلك كثيرا ما نكتفي عند دراسة التفاعلات الكيميائية بمعرفة المواد المتفاعلة (الحالة الأولية) والنواتج (الحالة  النهائية) . 
   ولكن إذا أردنا أن تكون دراستنا لتفاعل ما كاملة فيجب علينا أن نبحث  عن شروط حدوثه ، وأن البحث عن هذه الشروط يقودنا إلى دراسة مبادئ عديدة في  الكيمياء العامة مثل حرارة التفاعل الكيميائي وسرعته والآلية التي تتم بها هذه  التفاعلات ... الخ .

   المتطلبات المسبقة

 مفهوم السرعة (لجسم متحرك باتجاه معين) ، ومعدل السرعة ، والسرعة
 اللحظية ، المول ، التركيز (مول / لتر) . المعادلة موزونة .

أجب عن الأسئلة التالية : 

1)  قطع جسم في الثانية الأولى من حركته (80) م ، وفي الثانيتين
الثانية والثالثة قطع ما مجموعة (220) م ، وفي الثانية الرابعة) 160 (م ،
وفي الثانية الخامسة( 4) م وتوقف بعدها عن الحركة .
المطلوب :

   أ- حساب المسافة التي قطعها الجسم .
   ب- متوسط سرعته خلال الفترة التي تحرك فيها .

  2) وعاء يحتوي على) 4.8 ) مول من غاز الميثان ، إذا كان حجم
الوعاء(3)       ليتر فما تركيز CH₄ ؟

  3) زِن المعادلات التالية :

  أ- NO_(g) + CO_(g)  ¦   CO_2(g) + N_2(g)

  ب-    N_2(g) + H_2(g)¦    NH_3(g)

  جـ -CH_4(g) + O_2(g)¦ Co_2(g) + H₂O_(g)i.

ما معنى سرعة التفاعل الكيميائي ؟

لمعرفة المقصود بمفهوم سرعة التفاعل لندرس البيانات التالية التي حصلنا عليها من قياس تركيز CO عند الدرجة 400 ْس .

CO _(g)+ NO_2(g)  ¦  CO_2(g) + NO_(g)  

وقد بدأت الدراسة المخبرية للتفاعل بمزج CO مع NO₂ بحيث كان
[CO] = [NO₂] = 10 ^-1 مول / ليتر . الرمز [ ] يستعمل للدلالة على التركيز .

 

1- ماذا يحدث لتركيز CO بمرور الزمن ؟
2-ما المادة الأخرى التي ينقص تركيزها  بمرور  الزمن ؟
3-ما المواد التي يزداد تركيزها بمرورالزمن ؟
4-  فسر لماذا يزداد تركيز هذه المواد ؟
5- ما مقدار التغير (يؤخذ بقيمته المطلقة) في تركيز CO بعد مرور 10ثوان
على
    بدء التفاعل ؟
6 - ما معدل استهلاك CO في الثواني العشر الأولى ؟
7- ما مقدار القيمة المطلقة للتغير في تركيز CO   بعد مرور 20 ثانية ؟
8- ما معدل استهلاك CO في الفترة بين الثانية (10) والثانية (20) ؟
9- نسمي معدل التغير في تركيز CO . أي التغبر في وحدة الزمن باسم سرعة التفاعل الكيميائي
           
10- اكتب ثلاث علاقات أخرى يمكن لأي واحدة منها أن تعبرعن سرعة
التفاعل المعطى ؟
11 - ماذا يحدث لسرعة التفاعل كلما نقص تركيز CO ؟
           لاحظ ذلك من معدل السرعة في الفترات التالية :
       أ- من صفر إلى 10 ثوان .
       ب- من 10ثوان إلى 20 ثانية .
       جـ- من 20 ثانية إلى 30 ثانية .
       د- من 40 ثانية إلى 100 ثانية .  

السرعة اللحظية للتفاعل 

 وهي سرعة التفاعل في لحظة ما ، مثلاً في حالة التفاعل ، المطلوب تحديد سرعة التفاعل عند الثانية 35 .  لحساب سرعة التفاعل عند هذه الثانية نرسم الخط البياني لتركيز CO مقابل الزمن ، ثم نرسم مماسا للخط البياني الناتج عند الثانية 35 ، إن ميل المماس يساوي السرعة عند تلك الثانية

  سؤال1 :
  احسب سرعة التفاعل (اعتماد على الرسم البياني)

 عند : أ- الثانية العاشرة .             ب- الثانية الأربعين .

العلاقة بين عدد مولات المواد الناتجة والمتفاعلة :

   التفاعل  CO_(g) + NO_2(g)   ®   CO_2(g) + NO_(g)

 المعادلة موزونة ، ولذلك فإنه كلما تفاعل مول من CO ينتج مول من CO₂  وكلما نتج مول من NO ينتج مول من CO₂ ويستهلك مول من NO₂ وآخر من CO .

 ولكن لو درسنا التفاعل N_2(g)+ 3H_2(g) ® 2NH_3(g)

إن عدد المولات في هذا التفاعل غير متساو ، إن ملخص المعادلة هو التالي :   يتفاعل مول واحد من N₂ مع ثلاث مولات من H₂ وينتج من ذلك مولان من
غاز الأمونيا .
في هذه الحالة إن معدل سرعة استهلاك N₂ 
       

 
سؤال2 :

  في التفاعل الآتي :

C₂H_4(g) + 3O_2(g)  ®    2CO_2(g) + 2H₂O_(g)

إذا كان معدل سرعة استهلاك O₂ = 0.45 مول / لتر . ث المطلوب : 
   أ- معدل سرعة استهلاك C₂H₄ .
  ب- معدل سرعة إنتاج CO₂ .
  جـ- معدل سرعة إنتاج H₂O .

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل 
   إن سرعة التفاعل الكيميائي تعتمد على أربعة عوامل هي :
  1) نوع المواد المتفاعلة والناتجة : وهذا العامل يتعلق بخواص المواد في كل تفاعل.
  2) درجة الحرارة .
  3) التراكيز .
  4) العوامل المساعدة " العوامل الحفازة " .

    قانون سرعة التفاعل ورتبة التفاعل

  إن موضوع السرعة الكيميائية هو من الموضوعات الشائكة في الكيمياء ، فلا  يوجد علاقة عامة واحدة أو حتى مجموعة علاقات يمكن بواسطتها حساب سرع  التفاعلات المختلفة . تكتشف قوانين سرع التفاعلات الكيميائية المختلفة تجريبياً ، وهذا إجراء طبيعي في مجموعة العلوم الطبيعية فهي علوم قائمة على التجربة .

  لنفرض التفاعل

 A_(g) + 2B_(g)   ¦   3C_(g) + D _(g)i  

  من الدراسة التجريبية جمعنا البيانات التالية للاختبارات :

 لاحظ الاختبارات 1 ، 2 ، 3 إن تركيز A فيها ثابت ، بينما تضاعف تركيز B مرتين في الاختبار الثاني وثلاث مرات في الاختبار  3  . لاحظ السرعة لقد تضاعفت مرتين في الاختبار الثاني ، وثلاث مرات في الاختبار الثالث ، إن هذا يدل على أن سرعة التفاعل تتناسب مع تركيزB  .

لاحظ الاختبارات 1 ، 4 ، 5 إن تركيز B فيها ثابت ، بينما تضاعف تركيز A ، وعند مضاعفة التركيز في الاختبار4 زادت السرعة أربع مرات ، وفي الاختبار5   تضاعف تركيز A ثلاث مرات وزادت السرعة تسع مرات ،إن هذا معناه أن السرعة تتناسب مع تركيز[A]² .

 يمكننا الآن أن نكتب معادلة السرعة لهذا التفاعل كما يلي :
سرعة التفاعل (Rate) = ثابت × [A]² × [B]

  رتبة التفاعل

      لنعد إلى البيانات في الجدول السابق.

   (سرعة التفاعل)₁ = k (ثابت) × ^س[A] × ^ص[B]

    (سرعة التفاعل) ₂ = k × ^س[A] × ^ص[B]

  حيث س ، ص تمثل القوة التي يجب رفع التركيز إليها .         
      
 إذن   2 = 2 ص
 إذن ص = 1  ، أي أن تركيز B في معادلة السرعة يجب أن يرفع للقوة ( 1)
 والآن لنأخذ
  (سرعة التفاعل)₁ = k × ^س[A] × ^ص[B]
  (سرعة التفاعل)₅ = k × ^س[A] × ^ص[B]

  إذن معادلة سرعة التفاعل هي  : 

تشير رتبة التفاعل إلى القوة التي يجب أن يرفع إليها التركيز عند كتابة
معادلة السرعة . وعلى ذلك ففي حالة تفاعلنا هذه يدخل تركيز  A معادلة السرعة
مرفوعا للقوة (2) . أي أن التفاعل من المرتبة الثانية بالنسبة للمادة A  ،
وبنفس المحاكة التفاعل هو من المرتبة الأولى بالنسبة للمادة B ، أما قانون
سرعة التفاعل فهو من المرتبة الثالثة أي مجموع 2+1 .

لاحظ أن مرتبة التفاعل لا تعتمد على معاملات المواد في المعادلة
الموزونة ، فمعامل A في المعادلة الموزونة كان (1) ، ومعاملB كان (2) ،
ومع ذلك
فرتبة التفاعل بالنسبة لـِ A كانت الثانية ، وبالنسبة لـِ B كانت الأولى .

إن رتبة التفاعل يمكن أن تكون صفراً أو 1 ، أو 2 ، أو أي رقم صحيح
أو كسري ، وهي تمثل مجموع القوى التي ترفع إليها التراكيز عند كتابة
قانون سرعة التفاعل .