معدل التفاعل
معدل التفاعل أو معدل سرعة التفاعل الكيميائي هو معدل التغير في كميات (تركيز) المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن. أو معدل تغير نواتج التفاعل في وحدة الزمن.أي أنه عبارة عن زيادة تركيز المواد الناتجة بمرور الزمن. وبأخذ قانون بقاء المادة في الاعتبار فإن زيادة تركيز النواتج يعني نقص تركيز المواد الداخلة في التفاعل.نفترض التفاعل :
هذا التفاعل يدل على تفاعل a مول من المادة A مع b مول من المادة B لإنتاج c مول من المادة C و d مول من المادة D.
وتكون سرعة التفاعل المذكور :
formula_2
باعتبار formula_3 وformula_4 تمثلان تركيزي المادتين المتفاعلتين formula_5 وformula_6 ، وفي نفس الوقت تمثل formula_7 و
formula_8 تركيزي المادتين الناتجتين formula_9 وformula_10. إذا فإن سرعة التفاعل الكميائي يعتمد بشكل مباشر على تركيز المواد الابتدائية فالعلاقة طردية بينهما ، كما تلعب درجة الحرارة دورا رئيسيا.وعلى سبيل المثال يتفاعل الميثان مع الكلور في الظلام ولكن التفاعل يكون بطيئا جدا. ولكن في وجود ضوء خافت يتفاعل الغازان. ويصل التفاعل درجة الانفجار عند تعرض المخلوط إلى ضوء شديد.
وعلى سبيل المثال يسرع البلاتين احتراق الهيدروجين بالأكسجين عند درجة الحرارة العادية.
تؤخذ جميع المؤثرات على معدل التفاعل في معادلة المعدل في الحسبان ، ماعدا التركيز ودرجة التفاعل (أنظر أسفله).
نكتب معادلة المعدل للتفاعل الكيميائي :
كالآتي طبقا لتعريف الترموديناميكا الحرارية والذي يربط سرعة التفاعل بتركيز المواد الداخلة في التفاعل ، في الصيغة :
في تلك المعادلة تمثل (k(T ثابت معدل التفاعل أو "ثابت التفاعل" مع أنه ليس ثابتا حقيقيا بسبب احتوائه على عوامل كثيرة تؤثر على سرعة التفاعل ماعدا تركيز المواد ، والتي لا بد من أخذها في الحسبان ومن ضمنها كما نرى اعتماده على درجة الحرارة T. وتعتبر درجة الحرارة أهم تلك المؤثرات.
و الأسين في المعادلة
"nformula_12" و"mformula_12" يسميان درجة التفاعل وهما يعتمدان على طريقة سير التفاعل ، وتستنبط مقاديرهما عمليا من التجربة.
وبالنسبة لتفاعل أولي فيتفق الأسين "nformula_12" و"mformula_12"المرفوعة لقوتهما تركيز المواد مع معاملات حساب العناصر المتفاعلة.
حساب العناصر المتفاعلة ، أي عدد جزيئات كل مادة من المواد الداخلة في التفاعل لإنتاج جزيئ واحد من الناتج أو الجزيئين C و D ، بالإضافة إلى درجة التفاعل لا بد من اعتبارهما بالنسبة للتفاعل البسيط. والتفاعل البسيط هو ذلك التفاعل الذي يتم على خطوة واحدة. وتصف معادلة التفاعل التفاعل البسيط كعملية على مستوى الذرة ، أي يصتدم عدد n من الجزيئات A مع عدد m من الجزيئات B فينتج عدد من الجزيئات D.
وبالنسبة لتفاعلات الغازات فيمكن الاستعاضة عن التركيز (الذي يستخدم في السوائل أو المواد الصلبة) ب الضغط اجزئي طبقا لقانون الغاز المثالي.
وبربط قانون المعدل مع توازن الكتلة للنظام المتفاعل ، فيمكن استنتاج صيغة لمعدل تغير التركيز. فإذا اعتبرنا نظام مغلق حجمه ثابت فتكون الصيغة لتغير التركيز C كالآتي:
بزيادة درجة الحرارة فإن متوسط الطاقة الحركية للجسيمات (جزيئات أو أيونات أو ذرات) تزداد، فيزداد بالتالي عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة التنشيط، فتزداد فرص التصادم، فتزداد سرعة التفاعل.
تعطي معادلة أرينيوس اعتماد معامل سرعة التفاعل k على درجة الحرارة:
تعني "E" طاقة التنشيط:
ونطرا لأن درجة الحرارة "T" تحدد طاقة الجزيئات طبقا لتوزيع بولتزمان فيمكن القول بأن
عدد التصادمات ذات طاقة أكبر من
"E" تتناسب طرديا مع
formula_18. أي أن ارتفاع درجة الحرارة تعمل علي اكتساب مجموعة أكبر من الجزيئات لطاقة قدرها "E" وبالتالي يتقترب الدالة الأسية من 1.
ويعني "A" معامل الدالة الأسية ويسمى في الكيمياء معامل تردد التصادم.
وتعتمد قيم كل من "A" و"E" على التفاعل.
يكون الاعتماد سرعة التفاعل على الضغط ضعيفا في حالة التفاعلات في السوائل وبين المواد الصلبة ، وهي تقابل أحيانا في صناعة الدواء والكيماويات :
ويرتبط اعتماد ثابت معدل التفاعل على الضغط بما يسمى حجم التنشيط. ويسير التفاعل بأن تكوّن المواد المتفاعلة "مركبا وسطيا" وعادة يكون هذا المركب الوسطي في حالة إثارة. وبعدها يفقد المركب الوسطي الطاقة الزائدة ويفقد إثارته وينتج المركب الناتج من التفاعل.
يبلغ حجم التنشيط
formula_20,:
حيث :
وينتج أن تغير ثابت معدل التفاعل (المعتمد على المولية النسبية أو التركيز المولي) بتغير الضغط عند درجة حرارة ثابتة :
وقد يكون الحال أكثر تعقيدا حيث أن الحجم المولي الجزئي وحجم التنشيط قد يعتمدان بدورهما على الضغط.
وقد يزداد معدل التفاعل أو ينحفض بالضغط وهذا يعتمد على قيمة formula_20. ونعطي هنا مثالا على تاثير الضغط حيث تزيد سرعة التفاعل إلى الضعف عند تغير الضغط من الضغط الجوي (1و0 ميجا باسكال) إلى 50 ميجا باسكال لبعض تفاعلات المواد العضوية (وهذا يتميز بقيمة formula_20=-0.025 لتر/مول).
بالنسبة إلى التفاعل :
يكون معدل التفاعل :
ونلاحظ أن معدل التفاعل لا يمثل ببساطة معاملات حساب العناصر المتفاعلة لجميع مواد التفاعل : فنجد أنه من الدرجة الأولى بالنسبة إلى H, مع أن معامل حساب العناصر المتفاعلة 2 ، وعهو من الدرجة الثانية بالنسبة إلى NO.
وطبقا للحركة الحرارية الكيميائية chemical kinetics فهي تقسم التفاعل الكيميائي إلى عدة تفاعلات أولية بسيطة ، تنتج في نهايتها نواتج التفاعل. ولا تؤثر جميع تلك التفاعلات الأولية على سرعة التفاعل وإنما كما هو متوقع يحدد التفاعل الأولي الأكثر بطئا السرعة النهائية للتفاعل. فعلى سبيل المثال بالنسبة إلى التفاعل:
نجد أن التفاعل 1 والتفاعل 3 يتميزان بسرعات تفاعل عالية بالمقارنة بسرعة التفاعل 2 ، فهو التفاعل الأقل سرعة بينهم. وبناء على ذلك فخطوته البطيئة هل التي تحدد سرعة التفاعل. وتعين درجة التفاعل سرعة التفاعل.