2-1 نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي

تعتمد سرعة التفاعل الكيميائي على نظرية التصادم؛ لكي يحدث التفاعل، يجب أن تتصادم الجسيمات المتفاعلة أولاً، بشرط أن يكون التصادم في الاتجاه الصحيح وبطاقة كافية لا تقل عن طاقة التنشيط ($E_a$) لتكوين المعقد المنشط. نقيس متوسط سرعة التفاعل رياضياً بقسمة التغير في تركيز المادة المتفاعلة أو الناتجة على التغير في الزمن، ووحدتها الشهيرة هي $\text{mol/L}\cdot\text{s}$. فلو انخفض تركيز مادة متفاعلة من $0.22\text{ M}$ إلى $0.10\text{ M}$ خلال $4.00\text{ s}$, فنحسب السرعة بوضع إشارة سالبة لأن التركيز يقل لتصبح النتيجة موجبة دائماً.

الفكرة الأساسية

نظرية التصادم هي المفتاح لفهم اختلاف سرعة التفاعلات. لكي يحدث أي تفاعل كيميائي، يجب أن تتصادم الذرات أو الأيونات أو الجزيئات المتفاعلة مع بعضها البعض.

الشرح

نحسب متوسط سرعة التفاعل الكيميائي عبر قياس التغير في التركيز المولاري للمادة المتفاعلة أو الناتجة خلال فترة زمنية محددة. القانون الرياضي لمتوسط السرعة للمواد الناتجة هو: $$\text{Rate} = \frac{\Delta \text{ quantity}}{\Delta t} = \frac{[text]_{t_2} - [text]_{t_1}}{t_2 - t_1}$$ أما للمواد المتفاعلة، فنضيف إشارة سالبة لأن تركيزها يتناقص بمرور الزمن، وتكون المعادلة: $$\text{Rate} = -\frac{\Delta \text{ reactants}}{\Delta t} = -\frac{[text]_{t_2} - [text]_{t_1}}{t_2 - t_1}$$ حتى يؤدي التصادم إلى تفاعل، يجب توفر شرطين أساسيين في نظرية التصادم: الأول هو تصادم الجسيمات في الاتجاه الصحيح، والثاني هو امتلاكها طاقة كافية لا تقل عن الحد الأدنى المسمى طاقة التنشيط ($E_a$) لتكوين حالة غير مستقرة تسمى المعقد المنشط.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا علمت أن تركيز كلوريد البيوتيل $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$ في بداية تفاعله مع الماء كان $0.22\text{ M}$ ثم أصبح $0.10\text{ M}$ بعد مرور $4.00$ ثوانٍ على التفاعل، احسب متوسط سرعة التفاعل.

1. اكتب قانون متوسط سرعة التفاعل للمواد المتفاعلة: $$\text{Rate} = -\frac{[\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}]_{t_2} - [\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}]_{t_1}}{t_2 - t_1}$$
2. عوض عن الزمن والتركيز الابتدائي والنهائي: $$\text{Rate} = -\frac{0.100\text{ mol/L} - 0.220\text{ mol/L}}{4.00\text{ s} - 0.00\text{ s}}$$
3. احسب الناتج بوحدة $\text{mol/L}\cdot\text{s}$: $$\text{Rate} = -\frac{-0.120\text{ mol/L}}{4.00\text{ s}} = 0.0300\text{ mol/L}\cdot\text{s}$$

أخطاء شائعة

• ترك إشارة السالب عند حساب سرعة استهلاك المواد المتفاعلة، والصواب وضع إشارة سالبة في القانون لتصبح السرعة موجبة دائماً.
• الاعتقاد بأن كل تصادم بين الجسيمات يؤدي إلى تكوين نواتج، بينما الصحيح أن معظم الاصطدامات تفشل لعدم توفر الاتجاه المناسب أو الطاقة الكافية.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: احسب متوسط سرعة التفاعل إذا تغير تركيز المادة A من $1.00\text{ M}$ إلى $0.50\text{ M}$ خلال $2.00\text{ s}$. الإجابة: $$\text{Rate} = -\frac{0.50\text{ M} - 1.00\text{ M}}{2.00\text{ s} - 0.00\text{ s}} = -\frac{-0.50}{2.00} = 0.25\text{ mol/L}\cdot\text{s}$$

السؤال الثاني: ما الشربان الأساسيان اللذان تنص عليهما نظرية التصادم لحدوث التفاعل؟ الإجابة: الأول هو أن تتصادم المواد المتفاعلة في الاتجاه الصحيح، والثاني هو أن تتصادم المواد المتفاعلة بطاقة كافية لتكوين المعقد المنشط.