الدرس الثالث: نظرية التصادم والعوامل المؤثرة في سرعة التفاعل

الفكرةُ الرئيسة:
تؤدي التصادمات الفاعلة بين جسيمات المواد المتفاعلة إلى حدوث التفاعل الكيميائي،
وتتحدد سرعة التفاعل بعوامل عدة تؤدي إلى زيادتها أو إبطائها.
نتاجاتُ التعلُّمِ:
- أوضح المقصود بكل من: نظرية التصادم،التصادم الفعال، المعقّد المنشّط، طاقة
التنشيط.
- أفسر العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي وفق نظرية التصادم.
المفاهيمُ والمصطلحات:
نظرية التصادم Collision Theory
التصادم الفعال Effective Collision
طاقة التنشيط Activation Energy
المعقّد المنشّط A ctivated Complex
العامل المساعد Catalyst

نظرية التصادم Collision Theory
وضعت هذه النظرية من قبل العالمين ماكس تراوتز ووليام لويس؛لتفسير حدوث التفاعلات الكيميائية وتفاوت سرعاتها، وقدمت اقتراحات حول كيفية تغيير سرعة التفاعل الكيميائي. وتفترض نظرية التصادمCollision Theory: 

• أنه لحدوث تفاعل كيميائي يجب تصادم جسيمات المواد المتفاعلة معًا، سواء كانت ذرات أو أيونات أو جزيئات.
• أن تكون طاقة التصادم كافية لتكسير الروابط بين الجسيمات المتفاعلة وتكوين روابط جديدة. 
• أن يكون اتجاه تصادم هذه الجسيمات صحيحًا.

    فمثلا؛ تتفاعل جزيئات أحادي أكسيد النيتروجين NO مع جزيئات الكلور Cl₂ ؛ وفق المعادلة الآتية:
                                   NO_(g) + Cl_2(g) → NOCl_(g) + Cl_(g)
يوضح الشكل ( 11 ) طرائق لتصادم الجسيمات بعضها ببعض؛ ولكن ليس كل تصادم يؤدي الى تكوين نواتج، بل -فقط- عندما يكون اتجاه تصادم الجسيمات صحيحًا.

             
    اتجاه التصادم والمعقّد المنشّط    Collision direction and Activated Complex
يحدث كثير من التصادمات بين جسيمات المواد المتفاعلة؛ إلا أن عدد التصادمات التي تؤدي إلى تكوين النواتج تكون قليلة مقارنة بعدد التصادمات الكُليّة. يطلق على التصادم الذي يمتلك طاقة كافية ويؤدي إلى حدوث التفاعل وتكوين النواتج؛ التصادم الفعال Effective Collision.

ويتطلب هذا أن يكون تصادم الجسيمات المتفاعلة في الاتجاه الصحيح (الاتجاه المناسب).وأن تمتلك الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل. وفي هذه الظروف تتكسر الروابط بين جسيمات المواد المتفاعلة، وتتكون روابط جديدة في المواد الناتجة.

فمثلا؛ في المعادلة العامة: A₂ + B₂ → 2AB ؛ يجب أن تتصادم جسيمات المادة A₂ مع جسيمات المادة B₂ في الاتجاه الصحيح كي يحدث التفاعل، وأن تتوافر الطاقة الكافية، أنظر الشكل ( 12 ) الذي يبين تكون النواتج 2AB ؛ عندما تتصادم ذرتي A من الجزيء A₂ مع ذرتي B من الجزيء B₂

                      
عندما يكون اتجاه تصادم جسيمات المواد المتفاعلة صحيحًا، ولكنها لا تمتلك الطاقة الكافية للتفاعل؛ فإن الجسيمات ترتد بعضها عن بعض عند تصادمها، ولا يحدث التفاعل، ولا تتكون النواتج، أنظر الشكل ( 13 ).

                                                             

وكذلك الحال إذا كانت كمية الطاقة غير كافية للتفاعل، وكان اتجاه التصادم غير صحيح؛ فإن الجسيمات ترتد بعضها عن بعض ولا يحدث التفاعل، أنظر الشكل ( 14 ).

                                          

وعند حدوث التصادم الفعال، تتكوّن جسيمات تسمى المعقّد المنشّط Activated Complex ؛ وهو حالة انتقالية غير مستقرة من تجمع الذرات،يبدأ فيها تكسير الروابط وتكوين روابط جديدة، وتمتلك أعلى طاقة؛ يطلق عليها طاقة المعقّد المنشّط (HC). وسرعان ما يتفكك المعقّد المنشّط مكوّنًا المواد الناتجة أو المتفاعلة مرة أخرى.

ويوضح الشكل( 15 )المعقّد المنشّط المتكون من تفاعل الهيدروجين H₂ مع اليود I₂

                                                                

أفكر: هل يمكن حدوث تفاعل إذا امتلكت الجسيمات الطاقة الكافية وكان اتجاه تصادمها غير صحيح؟

الاجابة:إذا لم يتوفر الشرطين معا لحدوث التفاعل وهما الاتجاه الصحيح والطاقة الكافية، فإنه لا يحدث تفاعل وبدون الشرطين معا لا يحدث تفاعل.

 المثال 15 أستنتج من الشكل الآتي أي الاحتمالين يعدّ اتجاهًا صحيحًا للتصادم الفعال بين جزيئات أحادي أكسيد النيتروجين وجزيئات الأوزون؛ وفق المعادلة الآتية:
                                 NO  +  O₃   →     NO₂ + O₂
                                                                                    

الحلّ:
ألاحظ من الاحتمال الأول؛ أنه لم يتغير ترتيب الذرات المتفاعلة عن الناتجة؛ مما يعني أن اتجاه التصادم غيرصحيح، في حين أن الاحتمال الثاني يعدّ اتجاهًا صحيحًا للتصادم الفعال؛ لأنه أدى إلى إعادة ترتيب الذرات كما يتّضح من الشكل.
  المثال 16: أرسم المعقّد المنشّط المتكون عن التفاعل العام الآتي:
                                      2AB → A₂ + B₂
الحلّ:
يحدث التصادم بين ذرتي A وذرتي B في الجسيمات AB ، ويتوقع أن تنكسر كل رابطة A-B ، وتتكون الرابطة بين A-A و ؛B-B فيكون المعقّد المنشّط كما يأتي:

                                            

أتحقَّق:
1- ما الشرطان اللازم توافرهما حتى يكون التصادم فعالً؟

الاجابة: اتجاه التصادم صحيح (اتجاه مناسب), وامتلاك الطاقة الكافية.
2- بالاعتماد على شرطي التصادم الفعال؛ أستنتج من الشكل الإفتراضي الآتي أي الحالتين تمثل تصادمًا فعالً، وأيهما تمثل تصادمًا غير فعال، وأفسر إجابتي.

                                                   

الحالة الأولى: تصادم غير فعال حيث لم يتغير ترتيب الذرات الناتجة عن المتفاعلة.

الحالة الثانية :تمثل تصادم فعال حيث أدى إلى إعادة ترتيب ذرات المواد الناتجة مقارنة بالمواد المتفاعلة.

طاقة التنشيط ( Activation Energy (Ea
تشترط نظرية التصادم امتلاك الجسيمات المتفاعلة طاقة كافية لحدوث التفاعل، ويطلق على هذه الطاقة؛ طاقة التنشيط  (Activation Energy (Ea ، وهي الحد الأدنى من الطاقة الحركية التي يجب أن تمتلكها الجسيمات المتفاعلة
كي تبدأ التفاعل وتكون المعقّد المنشّط.

وعندما تكون طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل منخفضةً؛ فهذا يعني أن هناك عددًا كبيرًا من الجسيمات تمتلك طاقة كافية لحدوث التفاعل وتكوين المعقّد المنشّط عند تصادمها في الإتجاه الصحيح، يتّضح من الشكل ( 16a, b ) أن الرمزين X و Y يمثلان عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة التنشيط، وألاحظ أن عدد الجسيمات X أكبر من عدد الجسيمات Y. فتزداد بذلك سرعة التفاعل ويزداد احتمال تكون النواتج كما في الشكل ( 16a )،

في حين عندما تكون طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل عالية؛ فهذا يعني أن عددًا قليلً من الجسيمات يمتلك طاقة كافية لتكوين المعقّد المنشّط؛ فتكون سرعة التفاعل بطيئة. أنظر الشكل( 16b ).

                  
ويمكن توضيح هذه العلاقة عن طريق شخص يقوم بدفع عربة ثقيلة إلى قمة تلّ، فإذا كان التلّ مرتفعًا؛ سيحتاج الشخص إلى طاقة كبيرة لدفع العربة نحو القمة، كما أنه سيستغرق وقتًا طويلًا للوصول الى قمة التلّ.

أما اذا كان التلّ منخفضًا؛ فسيحتاج الى طاقة أقل لدفع العربة الى قمة التل،ّ وسيوصلها في وقت أسرع.

يوضح الشكل ( 17 )؛ سير تفاعل أول اكسيد الكربون CO مع ثاني أكسيد النيتروجين NO₂ ؛ لإنتاج ثاني أكسيد الكربون CO₂ وأحادي أكسيد النيتروجين NO ، وفق المعادلة الآتية:
             CO_(g) + NO_2(g) → CO_2(g) + NO_(g)

                                       

ويبين الشكل(17) أن المواد المتفاعلة تمتلك كمية من الطاقة تسمى طاقة المواد المتفاعلة أو المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة، ويرمز لها بالرمز H_R ، وأن المواد الناتجة تمتلك كمية من الطاقة تسمى طاقة المواد الناتجة أو المحتوى الحراري للمواد الناتجة ويرمز لها بالرمز H_P ، وألاحظ أن طاقة المواد الناتجة H_P أقل من طاقة المواد المتفاعلة H_R ، مما يعني أن التفاعل يصاحبه فقدان للطاقة، ويسمى فرق الطاقة هذا بين طاقة المواد المتفاعلة وطاقة المواد الناتجة التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل، ويرمز له بالرمز ΔH حيث:
التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل = طاقة المواد الناتجة - طاقة المواد المتفاعلة
                                             ΔH = H_P - H_R
وتسمى التفاعلات التي تفقد طاقة حرارية؛ التفاعلات الطاردة للطاقة الحرارية.
كما يتضح من الشكل(17) أن المواد المتفاعلة تكتسب الطاقة عند تصادمها لتكوين المعقّد المنشّط؛ وتسمى هذه الطاقة طاقة تنشيط التفاعل الأمامي Ea₁ ، وفي هذه الحالة تتصادم جزيئات CO و NO₂ بالاتجاه الصحيح، ومع وجود كمية كافية من الطاقة؛ يبدأ تكسير الروابط وتكوين روابط جديدة ويتكوّن المعقّد
المنشّط، ثمّ تتكوّن المواد الناتجة.

يسمى فرق الطاقة بين طاقة المواد الناتجة وطاقة المعقّد المنشّط HC ؛ طاقة تنشيط التفاعل العكسي Ea₂ ، وألاحظ أن طاقة التنشيط للتفاعل العكسي أكبر من طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي.
بالنظر إلى التفاعل العكسي بين ثاني أكسيد الكربون CO₂ وأحادي أكسيد النيتروجين NO ؛ لإنتاج CO و NO₂ ؛ وفق المعادلة السابقة، يتضح من الشكل(17)؛ أن فرق الطاقة بين طاقة المواد الناتجة وطاقة المعقّد المنشّط H_C ، تسمى طاقة تنشيط التفاعل العكسي Ea₂ . وألاحظ أن طاقة التنشيط للتفاعل العكسي أكبر من طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي، وبالتالي يكون التفاعل العكسي ماصًّا للطاقة.
ويمكن التعبير- أيضًا- عن التغيّر في المحتوى الحراري؛ بدلالة الفرق بين طاقة تنشيط التفاعل الأمامي Ea₁ ، وطاقة تنشيط التفاعل العكسي Ea₂ ، حيث:
التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل= طاقة تنشيط التفاعل الأمامي - طاقة تنشيط التفاعل العكسي
                                      ΔH = Ea₁ - Ea₂
ويوضح الشكل ( 18 ) سير تفاعل ماص للطاقة الحرارية؛ حيث تكون طاقة المواد الناتجة أكبر من طاقة المواد المتفاعلة وطاقة التنشيط للتفاعل الأمامي أكبر من طاقة التنشيط للتفاعل العكسي.

                      
إشارة ΔH الموجبة تعني تفاعلً ماصًّا للطاقة الحرارية، في حين تعني الإشارة
السالبة تفاعلً طاردًا للطاقة الحرارية.

المثال 17:
بدراسة منحنى التفاعل الماصّ للطاقة المجاور؛ أجد قيمةكلٍّ مما يأتي بوحدة(kJ)
1- طاقة المواد المتفاعلة.
2- طاقة المواد الناتجة.
3- طاقة المعقّد المنشّط.
4- طاقة تنشيط التفاعل الأمامي.
5- طاقة تنشيط التفاعل العكسي.
6- التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعلΔH.
الحلّ:
1)  10kJ
2)  30kJ
3)  70kJ
4)  لحساب طاقة تنشيط التفاعل الأمامي؛ أحسب الفرق بين طاقة المعقّد المنشّط وطاقة المواد المتفاعلة:
طاقة تنشيط التفاعل الأمامي= طاقة المعقّد المنشّط - طاقة المواد المتفاعلة
                  Ea₁ = H_C - H_R = 70 - 10 = 60 kJ
5) لحساب طاقة تنشيط التفاعل العكسي؛ أحسب الفرق بين طاقة المعقّد المنشّط وطاقة المواد الناتجة:
طاقة تنشيط التفاعل العكسي = طاقة المعقّد المنشّط - طاقة المواد الناتجة
                   Ea₂ = H_C - H_P = 70 - 30 = 40 kJ
6) لحساب التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل؛ أحسب الفرق بين طاقة المواد المتفاعلة وطاقة المواد الناتجة:
                                ΔH = H_P - H_R
                             20 + =   = 10 – 30 
ويمكن حسابه أيضا من الفرق بين طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي وطاقة التنشيط للتفاعل العكسي:
ΔH = Ea₁ - Ea₂
ΔH = 60 - 40
= +20 kJ

المثال18:

في تفاعل ما؛ كانت طاقة المواد المتفاعلة 45kJ+ ،وكان التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل
25kJ ، وطاقة تنشيط التفاعل العكسي 55kJ ؛أجد قيمة كل مما يأتي (بوحدةkJ )
1- طاقة المواد الناتجة؟

2- طاقة المعقّد المنشّط؟                                              
3- طاقة تنشيط التفاعل الأمامي؟
4- هل التفاعل ماصّ للطاقة أم طارد لها؟
تحليل السؤال:( المعطيات)
H_R = 25 kJ
Δ_H = +45 kJ
Ea₂ = 55 kJ
الحلّ:
1- أحسب طاقة المواد الناتجة من الفرق بين طاقة المواد المتفاعلة والتغيّر في المحتوى الحراري:
ΔH = H_P - H_R
45+ = H_P - 25
H_P = 70 kJ
2- أحسب طاقة المعقّد المنشّط بمعرفة طاقة التنشيط للتفاعل العكسي وطاقة المواد الناتجة:
Ea₂ = H_C - H_P
55 = H_C - 70
H_C = 125 kJ
3- أحسب طاقة تنشيط التفاعل الأمامي من الفرق بين طاقة المعقّد المنشّط وطاقة المواد المتفاعلة:
Ea₁ = H_C - H_R = 125 - 25 = 100 kJ
4- ألاحظ أن إشارة التغير في المحتوى الحراري موجبة؛ فهذا يعني أن التفاعل ماصّ للطاقة.

أتحقَّق: في تفاعل ما؛ كانت قيمة التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل80kJ- ،وطاقة المواد الناتجة15kJ ،وطاقة المعقّد المنشّط 150kJ ؛أحسب:
1- طاقة المواد المتفاعلة.            (95kJ)
2- طاقة تنشيط التفاعل العكسي.   ( 135kJ)
3- طاقة تنشيط التفاعل الأمامي.   ( 55kJ)

العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي
FACTORS AFFECTING RATE OF CHEMICAL REACTION
تتأثر سرعة التفاعل الكيميائي بمجموعة من العوامل التي يمكن التحكم بها لزيادة سرعة التفاعل أو إبطائها، فما هذه العوامل؟ وما أثرها في سرعة التفاعل؟
طبيعة المواد المتفاعلة The Nature of Reactants
تتفاعل بعض المواد أسرع من غيرها؛ تبعًا لنشاطها الكيميائي، فمثلًا؛الصوديوم أسرع تفاعلً مع الماء مقارنة بالمغنيسيوم، وذلك لأن الصوديوم أكثر نشاطًا كيميائيًا من المغنيسيوم، وأيضًا تفاعل الخارصين مع محلول نترات الفضة أسرع من تفاعل النحاس؛ لأن الخارصين أنشط كيميائيًا من النحاس.وكذلك تفاعل محلول يوديد البوتاسيوم مع محلول نترات الفضة، أسرع من تفاعل مسحوقه مع مسحوق نترات الفضة، وسرعة ظهور اللون الأصفر الناتج عن ترسيب يوديد الفضة AgI أكبر؛ لأن عدد التصادمات بين الأيونات حرة الحركة في المحلول أكبر فيزداد عدد التصادمات الفعالة وبالتالي تكون سرعة التفاعل أكبر.
تركيز المواد المتفاعلة Concentration of Reactants
يؤدي زيادة تركيز المواد المتفاعلة، إلى زيادة عدد الجسيمات في وحدة الحجم، فيزداد عدد التصادمات الكليّة بينها؛ مما يؤدي إلى زيادة فرصة اصطدام الجسيمات بعضها ببعض في الاتجاه الصحيح، وبالتالي يزداد عدد التصادمات الفعالة بينها، مما يؤدي إلى زيادة سرعة التفاعل. فمثلً؛ تفاعل كتلة محددة من
الخارصين Zn مع 20mL ، من محلول حمض الهيدروكلوريك HCl ؛ تركيزه 1M ، يؤدي إلى انطلاق كمية من غاز الهيدروجين H₂ من التفاعل أكبر منها عند تفاعل كتلة الخارصين Zn ذاتها مع 20mL من محلول حمض الهيدروكلوريك HCl ؛ تركيزه 0.1M في الفترة الزمنية ذاتها. وعلى سبيل المثال أيضًا؛ فإن سرعة تفاعل المواد مع الأكسجين النقي O₂ أكبر من سرعة تفاعلها مع الهواء؛ وذلك لأن تركيز الأكسجين النقي أكبر من تركيزه في الهواء. أنظر الشكل ( 18 ) الذي يبين زيادة عدد تصادمات الجسيمات المتفاعلة بزيادة تركيزها. 

              

مساحة سطح المواد المتفاعلة Surface Area of Reactant
يؤدي زيادة مساحة سطح المواد الصلبة المعرضة للتفاعل، إلى زيادة عدد
التصادمات الفعالة؛ فتزداد سرعة التفاعل.
توفر الكتلة الكبيرة من المادة الصُلبة مساحة سطح صغيرة، وعند تجزئتها إلى
قطع أصغر أو طحنها على شكل مسحوق؛ تزداد مساحة السطح المعرض للتفاعل،
وبهذا؛ فإن الكتلة الكبيرة توفر مساحة سطح أصغر مقارنة بمساحة السطح التي
توفرها الكتلة الصغيرة. انظر الشكل ( 20 ).

                                                                       
فمثلاً؛ تحترق نشارة الخشب بسرعة أكبر من احتراق قطعة الخشب ذات الكتلة نفسها؛

كما أن تفاعل برادة الحديد مع حمض الهيدروكلوريك أسرع من تفاعل قطعة الحديد التي

لها الكتلة ذاتها.
درجة الحرارة Temperature
تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى رفع الطاقة الحركية لجسيمات المواد المتفاعلة؛
وبالتالي يزداد عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة تساوي طاقة التنشيط أو أعلى منها؛
فيزداد عدد التصادمات الفعالة فتزداد سرعة التفاعل. ويمكن توضيح ذلك من الشكل
( 21 ) الذي يبين توزيع الطاقة الحركية على الجسيمات عند درجتي حرارة T₁ و T_{2  حيث ${}_1\mathrm{T} < {}_2\mathrm{T}$}

           

فالمساحة تحت كل منحنى تمثل عدد الجسيمات عند درجة حرارة معينة، وبزيادة درجة الحرارة؛ فإن متوسط الطاقة الحركية A₂ للجسيمات عند درجة الحرارة T₂ أعلى من متوسط الطاقة الحركية A₁ عند درجة الحرارة T₁ ، ويلاحظ أن طاقة التنشيط للتفاعل Ea لا تتغير بتغير درجة الحرارة؛ أما المنطقة المظللة على يمين طاقة التنشيط فتمثل الجسيمات التي تمتلك طاقة كافية للتفاعل، حيث يكون عدد الجسيمات N₂ عند درجة حرارة T₂ أعلى من عددها N₁ عند درجة الحرارة T₁ ؛ فتزداد سرعة اصطدامها بعضها ببعض، ويزداد بذلك عدد التصادمات الفعالة؛ مما يؤدي الى زيادة سرعة التفاعل.

 الربط بالهندسة :تتأثر سرعة تصلب الخلطة الأسمنتية(الخرسانة) بدرجة الحرارة، لذلك
يعمل المهندس المختص على إضافة مواد كيميائية بنسب محددة إلى الخلطة لزيادة سرعة تصلبها أو إبطائها؛ ضمن فترة زمنية محددة تبعًا لمواصفات قياسية. وبهذا يضاف كلوريد الكالسيوم إلى الخلطة لزيادة سرعة تصلبها في فصل الشتاء، في حين يضاف الجبس إلى الخلطة لإبطاء سرعة تصلّبها في فصل الصيف.

العامل المساعد الحفاز( Catalyst)
تزداد سرعة التفاعل الكيميائي بوجود العامل المساعد (العامل الحفاز ).
والعامل المساعد Catalyst مادة تزيد من سرعة التفاعل الكيميائي دون أن
تُستهلك أثناء التفاعل .

وقد بينت التجارب أن العامل المساعد يمهد مسارًا بديلً للتفاعل، بحيث يقلل طاقة التنشيط؛ مما يجعل حدوث التفاعل أسرع في زمن أقلّ. أنظر الشكل ( 22 ).

                                     
أما الشكل(23)؛ فيوضّح تفاعلً كيميائيًا طاردًا للطاقة الحرارية، حيث يمثل الخط المتصل مسار التفاعل دون وجود عامل مساعد، في حين يمثل الخط المتقطع مسار التفاعل بوجود عامل مساعد، وألاحظ أن طاقة التنشيط للتفاعل بوجود العامل المساعد *Ea₁؛ أقل منها للتفاعل بدون وجود العامل المساعد Ea₁ ، وأن طاقة المواد المتفاعلة والناتجة لا تتأثر بوجود العامل المساعد.

                                                 

تشير الرموز في الشكل إلى:
  H_C طاقة المعقّد المنشّط دون عامل مساعد.
 *H_C طاقة المعقّد المنشّط بوجود عامل مساد.
E a₁ طاقة تنشيط التفاعل الأمامي دون عامل مساعد.
*Ea₁ طاقة تنشيط التفاعل الأمامي بوجود عامل مساعد.
Ea₂ طاقة تنشيط التفاعل العكسي دون عامل مساعد.
*E a₂ طاقة تنشيط التفاعل العكسي بوجود عامل مساعد.
ΔH التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل.
توضح الأمثلة الآتية حساب طاقة تنشيط التفاعل بوجود
العامل المساعد ودون وجوده.

أفكر :لماذا لا يتأثر التغيّر في المحتوى الحراري بوجود العامل المساعد؟

الاجابة: لأن العامل المساعد لا يؤثر في طاقة المواد المتفاعلة ولا يؤثر في طاقة المواد الناتجة، ولأن التغير في المحتوى الحراري هو الفرق بين طاقتي المواد المتفاعلة والناتجة لذلك لا يتأثر هذا الفرق (التغير) بالعامل المساعد.

المثال 19:

يبين الشكل سير تفاعل ما بوجود العامل المساعد ودون وجوده:
أستنتج من الشكل؛ بوحدة(kJ).                                                                     1- طاقة المواد المتفاعلة.H_R
2-طاقة المواد الناتجة H_P.
3-طاقة تنشيط التفاعل الأمامي دون عامل مساعدEa₁.
4-طاقة المعقّد المنشّط بوجود العامل المساعد*H_C.
5-طاقة تنشيط التفاعل الأمامي بوجود عامل مساعدEa*₁.
6-طاقة تنشيط التفاعل العكسي دون عامل مساعدEa₂.
7- طاقة تنشيط التفاعل العكسي بوجود عامل مساعدEa*₂.
8-التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعلΔH.
الحلّ:
  1)    H_R = 10 kJ
   2)   H_P = 30 kJ
3-أحسب طاقة تنشيط التفاعل الأمامي دون عامل مساعد؛ بطرح طاقة المواد المتفاعلة من طاقة المعقّد المنشّط دون عامل مساعد:
        Ea₁ = H_C - H_R = 70 - 10 = 60 kJ
4-طاقة المعقّد المنشّط بوجود العامل المساعد =50kJ
5-أحسب طاقة تنشيط التفاعل الأمامي بوجود عامل مساعد؛ بطرح طاقة المواد المتفاعلة من طاقة المعقّد المنشّط بوجود عامل مساعد:
     Ea*₁ = H_C* - H_R = 50 - 10 = 40 kJ
 6-أحسب طاقة تنشيط التفاعل العكسي دون عامل مساعد؛ بطرح طاقة المواد              الناتجة من طاقة المعقّد المنشّط دون عامل مساعد:
     Ea₂ = H_C - H_P = 70 – 30 = 40 kJ
 7-أحسب طاقة تنشيط التفاعل العكسي بوجود عامل مساعد؛ بطرح طاقة المواد الناتجة من طاقة المعقّد المنشّط بوجود عامل مساعد:
    Ea*₂ = H_C* - H_R = 50 - 30 = 20 kJ
 8-أحسب التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل؛من الفرق بين طاقة المواد المتفاعلة والناتجة:
      ΔH = H_P - H_R = 30 – 10 = +20 kJ

   المثال 20
في تفاعل ما؛ كان التغيّر في المحتوى الحراري للتفاعل40kJ- ،وطاقة المواد المتفاعلة70kJ، وطاقة تنشيط التفاعل الأمامي دون عامل مساعد110kJ ،
وطاقة المعقّد المنشّط بوجود العامل المساعد80kJ، أحسب:
1-طاقة التنشيط للتفاعل العكسي دون عامل مساعدEa₂
2-طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي بوجود عامل مساعد Ea*₁
3-طاقة المعقّد المنشّط للتفاعل دون عامل مساعدH_C
4-طاقة المواد الناتجةH_P
الحلّ:
  1)        Ea₂ = 150 kJ
  2)         Ea*₁ = 10 kJ
  3)        H_C =180 kJ
   4)       Hp = 30 kJ

أتحقَّق: تفاعل افتراضي فيه طاقة المواد المتفاعلة110kJ وطاقة المواد الناتجة80kJ ،
وطاقة المعقّد المنشّط دون عامل مساعد180kJ ، وطاقة المعقّد المنشّط بوجود عامل مساعد140kJ ،أحسب:
1- طاقة تنشيط التفاعل العكسي دون عامل مساعد.
2- طاقة تنشيط التفاعل الامامي بوجود العامل المساعد.
3- التغيّر في المحتوى الحراري.
4- هل التفاعل ماصّ للحرارة أم طارد لها؟

الاجابة:

1)  100kJ

2) 30kJ

3) 30kJ+

4) طارد للحرارة

الربط بعلم الحياة: الأنزيمات        

وهب الله سبحانه وتعالى بعض الخلايا في أجسامنا القدرة على انتاج الأنزيمات؛ فهي تعمل بوصفها عوامل مساعدة في تسريع حدوث التفاعلات في الخلايا، حيث تخفض طاقة التنشيط للتفاعل،ويعود ذلك إلى أن الكثير من التفاعلات في أجسام الكائنات الحية لا تحدث بالسرعة الكافية للمحافظة على الحياة إلا بوجود الأنزيمات. فمثلا ؛ أنزيم السكريز، يحفز إلى التحلل المائي لمحلول السكر لتكوين سكريات الفركتوز والجلوكوز؛ لإمداد الجسم بالطاقة اللازمة للقيام بالأعمال الحيوية.

التجربةُُ 2
العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي
المواد والأدوات:
محلولا حمض HCl ؛ تركيز احدهما 0.1M والآخر 1M ، حبّتان لهما الحجم نفسه من فلزّ الخارصين Zn ، محلول نشا،محلول اليود I₂ ، ثاني أكسيد المنغنيز MnO₂ ، محلول فوق أكسيد الهيدروجين H₂O₂ ، حمام مائي ساخن (درجة ℃ 30 )،حمام مائي بارد (℃ 1)، مخبار مدرج، كأس زجاجية عدد ( 5) سعة 100mL ، ملعقة تحريك.
إرشادات السلامة:
أتّبع ارشادات السلامة العامة في المختبر.
أرتدي معطف المختبر والنظارات الواقية والقفازات.
أحذر عند التعامل مع المواد الكيميائية.
خطوات العمل:
1- أقيس 15mL من محلول حمض الهيدروكلوريك HCl ؛ تركيزه 1M باستخدام المخبار المدرج، وأضعها في الكأس الزجاجية. وأكرر العملية مع محلول HCl تركيزه 0.1M في كأس زجاجية أخرى.
2- أضع حبّة من فلزّ الخارصين في كلّ من الكأسين الزجاجيتين في الوقت نفسه. وأسجل ملاحظاتي.
3- أقيس: أحضر كأسين زجاجيتين، وأضع في كل منهما 10mL من محلول النشا.
4- أضع أحد الكأسين في الحمام المائي الساخن، والكأس الآخر في الحمام المائي البارد، وأتركهما مدة 5min .
5- أضيف الى كل من الكأسين 5mL من محلول اليود I₂ ، وأحرك بحذر. وأسجل ملاحظاتي.
6- أقيس: 20mL من محلول فوق أكسيد الهيدروجين H₂O₂ ، وأضعها في كأس زجاجية، وأراقب المحلول بضع ثوان، ثم أضيف إلى المحلول في الكأس ملعقة صغيرة من ثاني أكسيد المنغنيز MnO₂ . أسجل ملاحظاتي.
التحليل والاستنتاج
1- أصف أثر تغير تركيز حمض HCl في سرعة تصاعد غاز الهيدروجين.
2- أقارن التغيّر في محلول النشا في الكأسين البارد والساخن قبل إضافة محلول اليود وبعد إضافته.
3- أصف التغيّر الحاصل بعد إضافة ثاني أكسيد المنغنيز MnO₂ إلى محلول فوق أكسيد الهيدروجين .H₂O₂
4- أكتب معادلة تحلل فوق أكسيد الهيدروجين H₂O₂ ؛ بوجود العامل المساعد.

الإجابة:

1- بزيادة تركيز الحمض تزداد سرعة التفاعل ويؤشر على ذلك بزيادة سرعة تصاعد غاز الهيدروجين.

    2-باستخدام الماء الساخن تكون سرعة تغير اللون أكبر منه باستخدام الماء البارد وذلك لأنه بزيادة                  درجة الحرارة تزداد سرعة التفاعل.

     3-باضافة ثاني أكسيد المنغنيز تزداد سرعة التفاعل وذلك لأنه عامل مساعد يزيد سرعة التفاعل.              4-             ${}_{\left(\mathrm{l}\right)}\mathrm{O}{}_2\mathrm{H}2 +{}_{ \left(\mathrm{g}\right)2}\mathrm{O}\stackrel{{}_2\mathrm{MnO}}{\to }{}_{{}_{\left(\mathrm{aq}\right)}2}\mathrm{O}{}_2\mathrm{H}2$

           أثر العامل المساعد في موضع الاتّزان
The effect of Catalyst in the Position of equlibirium
درست سابقًا؛ أن بعض التفاعلات الكيميائية تحدث في اتجاه واحد فقط يسمى الاتجاه الأمامي، ويطلق على هذا التفاعل؛ تفاعل غير منعكس. ومثال ذلك احتراق غاز الميثان بوجود الأكسجين، كما هو موضّح في المعادلة الآتية:
                           CH_4(g) + 2O_2(g) → 2H₂O_(g) + CO_2(g)
هناك تفاعلات كيميائية تحدث في الاتجاهين الامامي والعكسي؛ فبمجرد تحول المواد المتفاعلة إلى مواد ناتجة؛ فإن المواد الناتجة تتفاعل في ما بينها لتعيد تكوين المواد المتفاعلة مرة أخرى، ويطلق على هذا التفاعل؛ تفاعل منعكس.
 تصل التفاعلات المنعكسة إلى حالة اتزان كيميائي، مما يعني أن سرعة التفاعل الأمامي تساوي سرعة التفاعل العكسي، ويستمر التفاعل بالحدوث في الاتجاهين الأمامي والعكسي، وفي اللحظة التي تتساوى فيها سرعة التفاعل الأمامي مع سرعة التفاعل العكسي يكون التفاعل قد وصل إلى موضع الاتزان.  أنظر الشكل ( 24 )، حيث يوضح تغير سرعة التفاعل مقابل الزمن.

 

                                   

                                                       

 فهل يتأثر موضع الاتزان بإضافة عامل مساعد للتفاعل؟

يعمل العامل المساعد على زيادة سرعة التفاعل الكيميائي في الاتجاهين الأمامي والعكسي، ذلك أنه يقلل من طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعل. فعند اضافة عامل مساعد الى وعاء التفاعل في حالة الاتزان، فإن موضع الاتزان لا يتأثر، إنما تزداد سرعة وصول التفاعل إلى حالة الاتزان، ويقل الزمن اللازم لذلك.

أنظر الشكل(25) الذي يوضح أثر العامل المساعد في حالة الاتزان.

أتحقَّق: ما أثر العامل المساعدفي كل من، سرعة التفاعل الأمامي، سرعة التفاعل العكسي 

الاجابة: تزداد سرعة التفاعل الأمامي وكذلك تزداد سرعة التفاعل العكسي.

 

الإثراء والتوسع:  تقليل تلف الأطعمة

تزداد سرعة التفاعل بزيادة درجة الحرارة؛ فعند إعداد الطعام نزيد درجة الحرارة لإنضاجه. ولكن ترك
الأطعمة في درجة حرارة الغرفة مدةً يؤدي إلى تلفها بسبب حدوث تفاعلات كيميائية؛ فالتفاعلات الكيميائية التي تسبب تلف الأطعمة تكون أسرع كثيرًا عند درجة حرارة الغرفة منها عند وضع الأطعمة في الثلاجة. وبهذا تكون المحافظة على الأطعمة من التلف بحفظها في الثلاجة لضبط التفاعلات التي تحدث وتسبب تلفها.

وكذلك بإضافة المواد الحافظة؛ ففي الصناعات الغذائية بوجه عام تستخدم طرائق مختلفة لحفظ الأطعمة، منها التجميد والتجفيف، أيضًا تستخدم مواد تسمى المثبطات Inhibitors ، أو المواد الحافظة؛ وهي مواد مضادة للأكسدة تعمل على إبطاء سرعة التفاعل؛ لأن الأكسدة تسبب تلف الأطعمة ولاسيما تلك التي تحتوي على الدهون مثل الأجبان.

واستعمال المواد الحافظة آمن في المنتجات الغذائية، وتزيد من مدة صلاحية الغذاء، ومن أنواع المواد الحافظة مضادات البكتيريا؛ وهي مركبات كيميائية لها رموز وأرقام، مثل المركب 227 - E220 ، حيث يدخل ثاني أكسيد الكبريت SO₂ ، في تركيبه الأساسي ويستخدم في حفظ الفواكه.