العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي مع أمثلة

ما المقصود بسرعة التفاعل؟

نقيس سرعة التفاعل من تغير كمية أو تركيز مادة خلال زمن محدد، مع مراعاة معاملات المعادلة عند المقارنة بين المواد. وتشترك الجسيمات في تفاعل فعال عندما يتوفر لقاء مناسب وطاقة كافية؛ التصادم وحده لا يضمن تكوّن النواتج. وتؤثر طبيعة الروابط والحالة الفيزيائية في المسار المتاح. ^[1][3]

التركيز والضغط ورتبة التفاعل

زيادة التركيز قد تزيد معدل التفاعل، لكن العلاقة يحددها قانون سرعة تجريبي مثل r = k[A]^m. في هذا المثال، يمثل m رتبة التفاعل بالنسبة إلى المادة A، ولا نستخرج قيمته عموماً من معاملها في المعادلة الإجمالية. وقد تكون الرتبة صفراً أو واحداً أو قيمة أخرى. ^[2]

إذا ضاعفنا تركيز A مع ثبات الحرارة وبقية المؤثرات، تكون نسبة المعدلين r₂/r₁ = 2^m. لذلك يبقى المعدل ثابتاً عند الرتبة صفر، ويتضاعف عند الرتبة الأولى، ويصبح أربعة أمثال عند الثانية. هذه قوانين افتراضية للمقارنة، وليست ثلاث مراحل متتابعة لأي تفاعل.

وفي الغازات، يؤدي تقليل الحجم عند ثبات كمية الغاز والحرارة إلى زيادة التركيز والضغط. يتعلق الأثر بظروف المقارنة وبالمواد الداخلة في قانون السرعة؛ لا نقول إن الضغط يزيد سرعة كل تفاعل لمجرد ارتفاع قراءة الجهاز. ^[1]

درجة الحرارة وطاقة التنشيط

عند رفع الحرارة يتغير توزيع طاقات الجسيمات، وقد ترتفع نسبة الجسيمات القادرة على تجاوز حاجز طاقة التنشيط. في وصف أرهينيوس، ترتبط قيمة ثابت السرعة بالحرارة وطاقة التنشيط. لذلك تكون الحرارة عاملاً مؤثراً حتى عندما يبقى التركيز ثابتاً. ^[3]

لا توجد قاعدة دقيقة تقول إن رفع الحرارة عشر درجات يضاعف سرعة جميع التفاعلات. مقدار الزيادة يتوقف على التفاعل والمدى الحراري والمسار، وقد تظهر حدود أخرى إذا تغيرت الحالة أو المواد نفسها.

مساحة السطح: قطع أصغر لا جزيئات أصغر

في تفاعل يجري عند سطح مادة صلبة، يتيح تقسيمها تعرّض مساحة أكبر للوسط. المقصود زيادة السطح المتاح، لا تصغير جزيئات المادة أو تغيير هويتها الكيميائية. ويتوقف الأثر على وصول المتفاعل إلى السطح وعلى خطوات التفاعل. ^[1]

مثال هندسي مستقل: مكعب حرفه 2 سم مساحته 6 × 2² = 24 cm². إذا قسمناه إلى ثمانية مكعبات، حرف كل منها 1 سم، أصبحت المساحة الكلية 8 × 6 × 1² = 48 cm² مع بقاء الحجم الكلي 8 سم³. تضاعف السطح هنا، ولا يلزم أن تتضاعف سرعة أي تفاعل فعلي تلقائياً.

المحفز والفرق بين السرعة والاتزان

يوفر المحفز مساراً آخر ذا حاجز تنشيط أقل. وقد يدخل في خطوات وسيطة ثم يتجدد، فلا يصح وصفه بأنه لا يشارك مطلقاً. كذلك لا يلزم أن يخفض طاقة المتفاعلات أو النواتج؛ الاختلاف الأساسي في الطريق بينهما. ^[4]

عند ثبات الحرارة، لا يغير المحفز ثابت الاتزان، لكنه يساعد النظام على الوصول إلى الاتزان بسرعة أكبر من خلال تسريع المسارين الأمامي والعكسي. إذن سرعة الوصول تختلف عن تركيب الخليط عند الاتزان. ^[5]

للمقارنة العادلة، غيّر عاملاً واحداً وحدد ما تقيسه. ذوبان السكر مثال لتغير فيزيائي؛ لا يكفي وحده لإثبات قانون سرعة تفاعل كيميائي.