2-3 قوانين سرعة التفاعل الكيميائي

الدرس ٨ من ٢٩الكيمياء ٢صفحات ٦٣–٧٦

صفحة ٦٣

صفحة ١ من ١٤

انظر إلى العنوان الرئيسي: قوانين سرعة التفاعل الكيميائي. الفكرة هنا تشبه تماماً جريان الماء فوق سطح الأرض؛ فكلما زاد انهمار المطر زادت سرعة الجريان، وبالطريقة نفسها عندما يزيد تركيز المواد المتفاعلة تزداد سرعة التفاعل. نتحدث الآن عن كتابة قوانين سرعة التفاعل. تعلمت سابقاً حساب متوسط السرعة لأن استهلاك المواد المتفاعلة يتناقص ويقل عدد الجسيمات المتوافرة للتصادم. وضع الكيميائيون نتيجة التصادمات ما يسمى قانون سرعة التفاعل، وهو يعبر عن العلاقة بين سرعة التفاعل الكيميائي وتركيز المواد المتفاعلة. فعلى سبيل المثال، عد التفاعل $A o$ نواتج تفاعلاً من خطوة واحدة، ويعبر عن قانون سرعته على النحو الآتي: $R = k[A]$ . حيث $R$ يمثل سرعة التفاعل، و $[A]$ تركيز المادة المتفاعلة، بينما $k$ هو ثابت سرعة التفاعل. والرمز $k$ قيمة عددية ثابتة تسمى ثابت سرعة التفاعل، وترتبط هذه القيمة العددية سرعة التفاعل بتركيز المواد المتفاعلة عند درجة حرارة معينة. وثابت السرعة قيمة محددة لكل تفاعل، وله وحدات قياس مختلفة مثل: $L^2/mol^2.s$ ، أو $L/mol.s$ ، أو $s^{-1}$ . ويجب تحديد قانون سرعة التفاعل تجريبياً، كما هو موضح في الشكل $13-2$ الذي يظهر فيه سحب عينات من خليط التفاعل على فترات منتظمة لتحديد سرعة التفاعل أثناء حدوثه، ثم حقن هذه العينات فوراً في جهاز الكروماتوغرافيا الذي يقوم بتعروف مكوناتها، ثم فصل بعضها عن بعض.

صفحة ٦٣

صفحة ٦٤

يبين الشكل $14-2$ العلاقة المباشرة بين تركيز $H_2O_2$ وسرعة التحلو. يبين قانون السرعة أن سرعة التفاعل تتناسب طردياً مع التركيز المولاري للمركب $A$ . كما أن ثابت سرعة التفاعل $k$ لا يتغير مع التركيز، ولكنه يتغير مع تغير درجة الحرارة. وتعني القيمة الكبيرة لـ $k$ أن $A$ يتفاعل بسرعة لتكوين $B$ . قوانين سرعة التفاعل من الرتبة الأولى يُفهم من المعادلة الرياضية لسرعة التفاعل $R = k[A]$ أن التعبير $[A]$ يعني $[A]^1$ . ويعرف الرقم العلوي الذي يمثل الأس للمادة المتفاعلة $A$ برتبة التفاعل، والتي يمكن تحديدها من خلال معرفة تأثير التغير في تركيز المادة المتفاعلة على سرعة التفاعل. فعلى سبيل المثال، يُعبَّر عن قانون سرعة تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين $H_2O_2$ بالمعادلة: $R = k [H_2O_2]^1$ . ولأن سرعة التفاعل تتناسب طردياً مع تركيز $H_2O_2$ مرفوعة إلى الأس $1$ أي: $[H_2O_2]^1$ فإن تحلل $H_2O_2$ هو تفاعل من الرتبة الأولى، لذلك فإن سرعة التفاعل ستتغير التغير نفسه في تركيز $H_2O_2$ . فإذا انخفض تركيز $H_2O_2$ إلى النصف فإن سرعة التفاعل ستنخفض أيضاً بمقدار النصف. تذكر أنه يتم تحديد سرعة التفاعل من البيانات التجريبية. ولأن رتبة التفاعل تعتمد على سرعة التفاعل فإنه يترتب على ذلك أن رتبة التفاعل تحدد تجريبياً أيضاً. وأخيراً، فإن ثابت السرعة $k$ يصف سرعة التفاعل، فإنه يجب تحديده تجريبياً أيضاً. ويبيّن الشكل $14-2$ كيف تتغير سرعة التفاعل الابتدائية لتحلل $H_2O_2$ مع التغير في تركيز $H_2O_2$ . ولنتفحص الشكل العام لتفاعل كيميائي مكون من مادتين متفاعلتين، كما هو مبين في المعادلة الآتية؛ حيث ترمز $a$ و $b$ في هذه المعادلة الكيميائية للمعاملات. يكون الشكل العام لسرعة مثل هذا التفاعل كما يأتي: القانون العام لسرعة التفاعل $R = k[A]^m[B]^n$ حيث $[A]$ و $[B]$ يمثلان تراكيز المواد المتفاعلة، و $m$ و $R = k[A]^m[B]^n$ يمثلان رتب التفاعل. سرعة التفاعل تساوي حاصل ضرب ثابت سرعة التفاعل في تراكيز المواد المتفاعلة كل منها مرفوع للأس (الرتبة) التي يتم تحديدها تجريبياً. إذا حدث التفاعل بين $A$ و $B$ في خطوة واحدة، وتكوّن معقد نشط واحد فقط فستكون $m = a$ و $k$ . وهذا غير محتمل؛ لأن تفاعلات الخطوة الواحدة ليست شائعة. فعلى سبيل المثال، تأمل التفاعل أول أكسيد النيتروجين $NO$ والهيدروجين $H_2$ ، الموضح في المعادلة الآتية: $2NO_{(g)} + 2H_2_{(g)} o N_{2(g)} + 2H_2O_{(g)}$ .

صفحة ٦٥

يحدث هذا التفاعل في أكثر من خطوة، لذا فإن قانون سرعة التفاعل له يكون: $n$ . ويُحَدَّد قانون السرعة من البيانات التجريبية التي تشير إلى أن السرعة تعتمد على تركيز المواد المتفاعلة على النحو الآتي: إذا تضاعف $[NO]$ مرتين فإن السرعة تتضاعف أربع مرات؛ وإذا تضاعف $[H_2]$ مرة واحدة فإن السرعة تتضاعف مرة واحدة. يوصَف التفاعل بأنه من الرتبة الثانية في $NO$ ، ومن الرتبة الأولى في $H_2$ ، وبذلك يكون التفاعل من الرتبة الثالثة. فالرتبة الكلية للتفاعل هي مجموع الرتب لكل مادة متفاعلة (مجموع الأسس)، الذي هو ( $3 = 1 + 2$ ). تحديد رتبة التفاعل تحديد رتبة التفاعل من خلال مقارنة السرعات الابتدائية للتفاعل بتغيير تركيز المواد المتفاعلة. إن السرعة الابتدائية تقيس سرعة التفاعل في اللحظة التي يتم فيها إضافة المواد المتفاعلة ذات التراكيز المعروفة، وخلط بعضها ببعض. انظر إلى التفاعل العام الآتي (نواتج $o aA + bB$ )، وافترض أنه أجري ثلاث مرات بتراكيز مختلفة لكل من $A$ و $B$ ، وأن سرعة التفاعل الابتدائية كما هو مبين في الجدول $2-2$ . تذكر أن قانون سرعة التفاعل لهذا النوع من التفاعلات هو: $R = k [A]^m [B]^n$ . قارن بين التركيز وسرعة التفاعل في المحاولتين الأولى والثانية من خلال البيانات في الجدول $2-2$ لتحديد $m$ رتبة (أس) المادة $[A]$ مع بقاء تركيز المادة $B$ ثابتاً، لاحظ أن تركيز المادة $A$ في المحاولة $2$ هو ضعف التركيز في المحاولة $1$ . ولاحظ أيضاً أن سرعة التفاعل في المحاولة $A$ قد تضاعفت مرتين، مما يعني أن تفاعل المادة $m$ أحادي الرتبة. ولأن $2 = 2^m$ ، فلا بد إذن أن تكون قيمة $m$ تساوي $1$ . وسنستعمل الطريقة نفسها لتحديد قيمة الأس $n$ في المادة $[B]$ . فعند مقارنة تركيز المادة $B$ في المحاولتين الثانية والثالثة سنحجد أن تركيزها قد تضاعف في المحاولة الثالثة مع بقاء تركيز المادة $A$ ثابتاً، مما يعني زيادة سرعة التفاعل أربع مرات عن المحاولة الثانية. ولأن $4 = 2^n$ ، فلا بد إذن أن تكون قيمة $n$ تساوي $2$ . تدل المعلومات السابقة على أن التفاعل للمادة $A$ أحادي الرتبة، بينما التفاعل للمادة $B$ ثنائي الرتبة، وهذا وصلنا إلى القانون العام لسرعة التفاعل: $R = k [A]^1 [B]^2$ . لذا فإن التفاعل عموماً من الرتبة الثالثة (مجموع الأسس $3 = 1 + 2$ ).

صفحة ٦٦

انظر إلى مسائل تدريبية في أعلى الصفحة. السؤال رقم $18$ يطلب كتابة معادلة قانون سرعة التفاعل $aA + bB o$ نواتج إذا كان تفاعل المادة $A$ من الرتبة الثالثة. في السؤال رقم $19$ إذا علمت أن التفاعل $2NO_{(g)} + O_{2(g)} o 2NO_{2(g)}$ من الرتبة الأولى للأكسجين، والرتبة الكلية للتفاعل هي الرتبة الثالثة، فما القانون العام لسرعة التفاعل؟ في السؤال رقم $R = k[A]^1$ في ضوء البيانات التجريبية الواردة في الجدول الآتي، حدد قانون سرعة التفاعل: نواتج $o aA + bB$ . لاحظ الملاحظة المهمة: أي رقم مرفوع إلى القوة صفر يساوي $1$ . على سبيل المثال: $1 = (55.6)^0$ و $1 = (0.22)^0$ . في السؤال رقم $21$ تحفيز: إذا علمت أن قانون سرعة التفاعل: $CH_3CHO_{(g)} o CH_4_{(g)} + CO_{(g)}$ هو: $R = k [CH_3CHO]^2$ . فاستعمل هذه المعلومات لتعبئة البيانات المفقودة في الجدول الآتي. انتقل الآن إلى قسم التقويم $3-2$ . السؤال رقم $22$ يطلب أن نشرح ماذا يمكن أن نعرف من خلال قانون سرعة التفاعل الكيميائي. السؤال رقم $23$ يطبق اكتب معادلات قانون سرعة التفاعل التي تظهر الفرق بين التفاعل من الرتبة الأولى والتفاعل من الرتبة الثانية لمادة متفاعلة واحدة. السؤال رقم $24$ اشرح وظيفة ثابت سرعة التفاعل في معادلة قانون سرعة التفاعل. السؤال رقم $25$ وضح متى يمكن أن يصبح ثابت سرعة التفاعل $k$ ليس ثابتاً؟ وعلام تدل قيمة $k$ في قانون سرعة التفاعل؟ السؤال رقم $26$ اقترح تفسيراً لأهمية أن تعرف أن قيمة قانون سرعة التفاعل هو متوسط سرعة التفاعل. السؤال رقم $27$ فسر كيفية ارتباط الأسس في معادلة قانون سرعة تفاعل كيميائي بالمعاملات في المعادلة الكيميائية التي تمثله. السؤال رقم $28$ حدد الرتبة الكلية لتفاعل المادتين $A$ و $B$ إذا علمت أن معادلة سرعته: $R = k [A]^2 [B]^2$ . السؤال رقم $29$ صمم تجربة اشرح كيف يمكن تصميم تجربة لتحديد القانون العام لسرعة التفاعل باستعمال طريقة مقارنة السرعات الابتدائية للتفاعل: نواتج $o aA + bB$ .

صفحة ٦٧

هذه الصفحة تعرض تطبيقاً في الكيمياء والصحة بعنوان سرعة التفاعل ودرجة حرارة الجسم. تخيل أنك خرجت من المنزل في يوم بارد مسرعاً؛ لأنك متأخر عن المدرسة دون أن تلبس معطفك، وبدأت تركض، وبعد وقت قصير بدأت ترتجف. إن الارتجاف استجابة تلقائية من قبل الجسم، وهي عملية مهمة للحفاظ على درجة حرارته. درجة حرارة الجسم الطبيعية Normal body temperature درجة حرارة الجسم الطبيعية $37^ ext{o}C$ تقريباً، ولكنها قد تختلف باختلاف العمر، أو الجنس، أو الوقت، أو مستوى النشاط الذي يقوم به الشخص؛ فترتفع درجة حرارة جسمك عندما يقوم بأنشطة شاقة، أو عندما تكون درجة حرارة الهواء المحيط بك مرتفعة. ويمكن أن تنخفض درجة حرارة جسمك عند أخذ حمام بارد، أو ارتداء ملابس خفيفة في طقس بارد. التفاعلات الكيميائية تسخن الجسم Chemical reactions heat the body يتم هضم الطعام داخل كل خلية من خلايا الجسم؛ لإنتاج الطاقة التي تُستعمل أو تخزن على شكل جزيئات كبيرة تسمى أدينوسين ثلاثي الفوسفات ( $ATP$ ). وعند الحاجة إلى الطاقة يتحول $ATP$ إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات ( $ADP$ ) ومجموعة الفوسفات ( $P_i$ )، وتحرر طاقة: طاقة $o ADP + P_i + ATP$ . تتطلب مثل هذه التفاعلات إنزيمات خاصة لكي تنظم سرعتها. والإنزيمات بروتينات محفّزة تكون أكثر كفاءة ضمن درجة حرارة جسم الإنسان الطبيعية. لا يمكن أن تحدث مثل هذه التفاعلات بسرعة تلبي احتياجات الجسم دون مساعدة الإنزيمات ودرجة حرارة قريبة من من $37^ ext{o}C$ . أما خارج نطاق هذه الحرارة، فتصبح سرعة التفاعل أبطأ، كما هو مبين في الشكل $1$ . تنظيم درجة حرارة الجسم Regulating body temperature يقوم المعهد وهو جزء من الدماغ بتنظيم درجة حرارة الجسم عن طريق نظام التغذية الراجعة المعقد؛ حيث يحافظ النظام على التوازن بين الطاقة الحرارية الصادرة عن التفاعلات الكيميائية داخل الجسم، والطاقة الحرارية المتبادلة بين الجسم والبيئة المحيطة به.

صفحة ٦٨

هذه الصفحة تمثل مختبر الكيمياء تحت عنوان تأثير التركيز في سرعة التفاعل الكيميائي. الخلفية تصف نظرية التصادم كيف يؤثر التغير في تركيز إحدى المواد المتفاعلة في سرعة التفاعل الكيميائي؟ سؤال كيف يؤثر تركيز المواد المتفاعلة في سرعة التفاعل؟ المواد والأدوات اللازمة: ماصة مدرجة سعتها $10 ext{ mL}$ ، ماء مقطر، شريط ماغنيسيوم، مقص، ملاقط، حمض هيدروكلوريك تركيزه $6 ext{ M}$ ، مالئة ماصة، حامل أنابيب اختبار، ورق صنفرة، مسطرة بلاستيكية، ساعة إيقاف. أنابيب اختبار قطرها $25 ext{ mm}$ وطولها $150 ext{ mm}$ مرقمة من $1$ إلى $4$ ، ساق تحريك زجاجية. إجراءات السلامة: تحذير تجنب سحب أي مواد كيميائية عن طريق الفم. تجنب أن يلامس حمض الهيدروكلوريك الجلد أو العيون؛ فهو مادة كاوية. خطوات العمل تتضمن: املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية. استعمل الماصة المدرسية لسحب $10 ext{ mL}$ من حمض الهيدروكلوريك $HCl$ الذي تركيزه $6 ext{ M}$ ، ثم ضعها في أنبوب الاختبار رقم $1$ . اسحب $5 ext{ mL}$ من حمض $HCl$ الذي تركيزه $6 ext{ M}$ ، باستعمال الماصة من أنبوب الاختبار رقم $1$ ، ثم ضعها في أنبوب الاختبار رقم $2$ ، وأضف إليها $5 ext{ mL}$ من الماء المقطر، ثم حرّك المزيج بساق التحريك، ليصبح تركيز المحلول $3.0 ext{ M}$ . اسحب $5 ext{ mL}$ من محلول حمض $HCl$ الذي تركيزه $3.0 ext{ M}$ من أنبوب الاختبار رقم $2$ ، وضعها في أنبوب الاختبار رقم $3$ . أضف إليها $5 ext{ mL}$ من الماء المقطر، وحركها بساق التحريك، ليصبح تركيز المحلول $1.5 ext{ M}$ . اسحب $5 ext{ mL}$ من محلول حمض $HCl$ الذي تركيزه $1.5 ext{ M}$ من أنبوب الاختبار رقم $3$ ، وضعها في أنبوب الاختبار رقم $4$ وأضف إليها $5 ext{ mL}$ من الماء المقطر، وحرّك المزيج، ليصبح تركيز المحلول $0.75 ext{ M}$ . اسحب $5 ext{ mL}$ من حمض $HCl$ الذي تركيزه $0.75 ext{ M}$ من أنبوب الاختبار رقم $4$ ، ثم خففها بالماء، وتخلص منها في المغسلة. ضع شريطاً من المغنيسيوم طوله $1 ext{ cm}$ باستعمال الملقط في الأنبوب رقم $1$ . سجل في جدول البيانات الزمن المستغرق بالثانية، حتى تتوقف الفقاعات عن الظهور. كرر الخطوة رقم $7$ مع أنابيب الاختبار الثلاثة المتبقية. وسجل الزمن اللازم لتوقف الفقاعات عن الظهور. التنظيف والتخلص من النفاية أفرغ المحاليل الحمضية في وعاء التخلص من الأحماض، واغسل أنابيب الاختبار وأدوات المختبر جيداً باستعمال الماء، وتخلص من المواد الأخرى بحسب توجيهات المعلم. ثم أعد الأدوات المختبرية جميعها إلى أماكنها. التحليل والاستنتاج: الرسم البياني ارسم منحنى بيانيا يمثل تركيز الحمض (على محور السينات)، وزمن التفاعل (على محور الصادات). استنتج العلاقة بين تركيز الحمض وسرعة التفاعل الكيميائي، بالاعتماد على الرسم البياني. ضع فرضية بالاعتماد على: نظرية التصادم، وسرعة التفاعل، وتركيز المواد المتفاعلة؛ لتفسير النتائج التي حصلت عليها. تحليل الخطأ قارن نتائج التجربة التي حصلت عليها بالنتائج التي حصل عليها الطلبة الآخرون في المختبر، وفسر الاختلافات. الاستقصاء صمّم تجربة اعتماداً على مشاهداتك والنتائج التي حصلت عليها، هل يؤثر التغير في درجة الحرارة في سرعة التفاعل؟ صمم تجربة لاختبار فرضيتك.

صفحة ٦٩

هذه الصفحة تعرض دليل مراجعة الفصل الثاني. الفكرة العامة: لكل تفاعل كيميائي سرعة محددة يمكن زيادتها أو إبطاؤها بتغيير ظروف التفاعل. نبدأ بقسم $1-2$ نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي؛ حيث الفكرة الرئيسة نظرية التصادم مفتاح لفهم الاختلاف في سرعة التفاعل الكيميائي بسرعة استهلاك المواد المتفاعلة أو سرعة تكون المواد الناتجة. ومن المفردات: سرعة التفاعل الكيميائي، نظرية التصادم، المعقد المنشط، طاقة التنشيط. ومتوسط سرعة التفاعل يساوي التغير في كمية المادة المتفاعلة أو الناتجة مقسوماً على التغير في الزمن $riangle t$ . تحسب سرعة التفاعل عموماً ويعبر عنها بوحدة mol/L.s، ولا بد من تصادم الجسيمات لحدوث التفاعل. ننتقل إلى قسم $2-2$ العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي، وتتضمن العوامل الرئيسة التي تؤثر في سرعة التفاعل طبيعة المواد المتفاعلة، والتركيز، ودرجة الحرارة، ومساحة السطح، والمحفزات. ومن المفردات: المحفزات، المثبطات. تؤدي زيادة درجة الحرارة عموماً إلى زيادة سرعة التفاعل؛ وذلك بزيادة عدد الاصطدامات التي تشكل المعقد المنشط. وتزيد المحفزات من سرعة التفاعل الكيميائي بتقليل طاقة التنشيط. وأخيراً قسم $2-3$ قوانين سرعة التفاعل الكيميائي، وفكرته الرئيسة أن قانون سرعة التفاعل عبارة عن علاقة رياضية يمكن تحديدها بالتجربة، تربط بين سرعة التفاعل وتركيز محددين للمواد المتفاعلة عند درجة حرارة معينة. من مفرداته: قانون سرعة التفاعل، ثابت سرعة التفاعل، رتبة التفاعل. ويحدد قانون سرعة التفاعل تجريبياً باستخدام طريقة مقارنة السرعات الابتدائية. ويظهر في الأسفل قاننا السرعة: $R = k[A]$ و $R = k[A]^m[B]^n$ .

صفحة ٧٠

تقويم الفصل الثاني. نبدأ بأسئلة إتقان المفاهيم لـ $2-1$ . السؤال $30$ : ماذا يحدث لتراكيز المواد المتفاعلة والناتجة في أثناء حدوث التفاعل؟ السؤال $31$ : اشرح المقصود بمتوسط سرعة التفاعل. السؤال $32$ : كيف يمكن أن تعبر عن سرعة التفاعل الكيميائي $A o B$ بالاعتماد على تركيز المادة المتفاعلة $A$ ؟ وكيف يمكن مقارنة سرعة التفاعل بالاعتماد على المادة الناتجة $B$ ؟ السؤال $33$ : ما دور المعقد المنشط في التفاعل الكيميائي؟ السؤال $34$ : طبق نظرية التصادم لتفسير السبب في عدم تفاعل مادتين مع بعضهما البعض. السؤال $39$ : طبق نظرية التصادم لتفسير سبب زيادة سرعة التفاعل بزيادة تركيز المادة المتفاعلة. السؤال $40$ : فسر لماذا تفاعل المادة الصلبة التي على شكل مسحوق مع الغاز أسرع من تفاعل المادة الصلبة نفسها إذا كانت قطعة واحدة. السؤال $41$ : حفظ الأغذية طبق نظرية التصادم لتفسير فساد الطعام ببطء عند وضعه في الثلاجة بالمقارنة بقائه خارجها عند درجة حرارة الغرفة. السؤال $42$ : طبق نظرية التصادم لتفسير سبب تفاعل مسحوق الخارصين لإنتاج غاز الهيدروجين أسرع من تفاعل قطع كبيرة منه عند وضع كليها في محلول حمض الهيدروكلوريك. ننتقل إلى أسئلة إتقان حل المسائل. السؤال $35$ : يتفاعل الماغنسيوم مع حمض الهيدروكلوريك بحسب المعادلة: $Mg_{(s)} + 2HCl_{(aq)} o H_{2(g)} + MgCl_{2(aq)}$ . إذا كانت كتلة $Mg$ تساوي $6 ext{ g}$ لحظة بدء التفاعل، وبقي منها $4.5 ext{ g}$ ، بعد مضي $3.00 ext{ min}$ فما متوسط سرعة التفاعل بدلالة عدد مولات $Mg$ المستهلكة / دقيقة؟ السؤال $36$ : وجد أن سرعة تفاعل كيميائي $2.25 imes 10^{-2} ext{ mol/L.s}$ عند درجة حرارة $322 ext{ K}$ ، فما مقدار هذه السرعة بوحدة $ext{mol/L.min}$ ؟ السؤال $43$ : يتحلل فوق أكسيد الهيدروجين إلى ماء وغاز الأكسجين بسرعة أكبر عند إضافة ثاني أكسيد المنجنيز. اشرح دور ثاني أكسيد المنجنيز في هذا التفاعل إذا علمت أنه لا يُستهلك في التفاعل. السؤال $44$ : لنفترض أن كمية كبيرة من محلول فوق أكسيد الهيدروجين الذي تركيزه $3 ext{\%}$ قد تحللت لإنتاج $12 ext{ mL}$ من غاز الأكسجين خلال $100 ext{ ثانية}$ عند درجة حرارة $298 ext{ K}$ . قدّر كمية غاز الأكسجين التي تنتج عن مقدار مماثل من المحلول في $100 ext{ ثانية}$ وعند درجة حرارة $308 ext{ K}$ . ننتقل إلى أسئلة إتقان المفاهيم لـ $2-2$ . السؤال $37$ : ما دور نشاط المواد المتفاعلة في تحديد سرعة التفاعل الكيميائي؟ السؤال $38$ : ما العلاقة بين سرعة التفاعل عموماً وتركيز المواد المتفاعلة؟ السؤال $45$ : استعمل المعلومات في السؤال $44$ لتقدير كمية غاز الأكسجين التي تنتج عن كمية مماثلة من المحلول خلال $100 ext{ ثانية}$ وعند درجة حرارة $318 ext{ K}$ ، ثم قدّر الزمن اللازم إنتاج $12 ext{ mL}$ من غاز الأكسجين عند درجة حرارة $288 ext{ K}$ .

صفحة ٧١

نتابع تقويم الفصل الثاني مع مراجعة عامة لـ $2-3$ . في أسئلة إتقان المفاهيم: السؤال $46$ : عند اشتقاق قانون سرعة التفاعل، فسر لماذا يجب الاعتماد على الأدلة التجريبية أكثر من الاعتماد على المعادلات الكيميائية الموزونة للتفاعل؟ السؤال $47$ : إذا كانت معادلة التفاعل العام هي: $A + B o AB$ وقد وُجِدَ بالاعتماد على البيانات التجريبية أن رتبة التفاعل من الرتبة الثانية للمادة المتفاعلة $A$ ، فكيف تتغير سرعة التفاعل إذا انخفض تركيز المادة $A$ إلى النصف وبقيت جميع الظروف الأخرى ثابتة؟ السؤال $51$ : قوّم صحة الجملة الآتية: يمكنك تحديد سرعة تفاعل كيميائي عن طريق معرفة نسبة مولات المواد المتفاعلة في معادلة موزونة. فسر إجابتك. السؤال $52$ : يتناقص تركيز المادة المتفاعلة $A$ من $0.400 ext{ mol/L}$ إلى $0.384 ext{ mol/L}$ خلال $4.00 ext{ min}$ . احسب متوسط سرعة التفاعل خلال هذه الفترة بوحدة $ext{mol/L.min}$ . السؤال $53$ : إذا زاد تركيز إحدى المواد الناتجة من $0.0882 ext{ mol/L}$ إلى $0.1446 ext{ mol/L}$ خلال $12.0 ext{ min}$ ، فما متوسط سرعة التفاعل خلال تلك الفترة؟ في أسئلة إتقان المسائل: السؤال $48$ : تم الحصول على البيانات التجريبية المدرجة في الجدول $3-2$ من تحلل مركب الأزوميشان $ext{CH}_3 ext{N}_2 ext{CH}_3$ عند درجة حرارة محددة حسب المعادلة: $ext{CH}_3 ext{N}_2 ext{CH}_3 ext{g} o ext{C}_2 ext{H}_6 ext{g} + ext{N}_2 ext{g}$ . استعمل البيانات الواردة في الجدول $3-2$ لتحديد قانون سرعة التفاعل. ويظهر جدول $3-2$ تحلل مادة الأزوميشان. السؤال $49$ : استعمل بيانات الجدول $3-2$ لحساب قيمة ثابت سرعة التفاعل $k$ . السؤال $50$ : استعمل بيانات الجدول $3-2$ لتوقع سرعة التفاعل، إذا كان التركيز الابتدائي لـ $ext{CH}_3 ext{N}_2 ext{CH}_3$ هو $0.048 ext{ M}$ ودرجة الحرارة ثابتة. السؤال $54$ : يعبر عن التركيز في التفاعل الكيميائي بوحدة $ext{mol/L}$ وعن الزمن بوحدة $ext{s}$ . فإذا كان التفاعل الكلي من الرتبة الثالثة، فما وحدة ثابت سرعة التفاعل؟ في قسم التفكير الناقد: السؤال $55$ : ميّز بين المناطق المظللة في الشكل $15-2$ عند درجتي الحرارة $T_1$ و $T_2$ بالاعتماد على عدد الاصطدامات التي تحدث في وحدة الزمن والتي لها طاقة أكبر من أو تساوي طاقة التنشيط. ويظهر الشكل $15-2$ منحنى توزيع طاقة الجسيمات ودرجات حرارته.

صفحة ٧٢

نواصل تقويم الفصل الثاني مع بقية المسائل. السؤال $56$ : تأمل مخطط الطاقة لتفاعل ماص للطاقة، مكون من خطوة واحدة، ثم قارن ارتفاع طاقة التنشيط للتفاعل الأمامي والتفاعل العكسي. السؤال $57$ : طبق طريقة مقارنة السرعات الابتدائية لتحديد رتبة التفاعل الكيميائي للمادة المتفاعلة $X$ ، واكتب مجموعة من البيانات التجريبية الافتراضية التي تقود إلى استنتاج أن تفاعل المادة $X$ من الرتبة الثانية. السؤال $58$ : طبق نظرية التفسير لتفسير سببين يوضحان أن الزيادة في درجة حرارة التفاعل بمقدار $10 ext{ K}$ تؤدي غالباً إلى مضاعفة سرعة التفاعل. السؤال $59$ : ارسم مخططاً يبين جميع الاحتمالات للتصادمات بين جزيئين من المادة المتفاعلة $A$ ، وجزيئين من المادة المتفاعلة $B$ ، ثم زد عدد جزيئات $A$ من $2$ إلى $4$ ، وارسُم جميع احتمالات التصادم التي يتحد فيها $A$ مع $B$ . كم سيزداد عدد التصادمات التي ينتج عنها اتحاد $A$ مع $B$ ؟ وعلام يدل ذلك فيما يتعلق بسرع التفاعل؟ السؤال $60$ : صمّم جدولاً لكتابة تراكيز المواد المتفاعلة في المعادلة الآتية، مبتدئاً بـ $0.100 ext{ M}$ لكل المتفاعلات، ثم حدّد قانون سرعة التفاعل باستعمال طريقة مقارنة السرعات الابتدائية: نواتج $o aA + bB + cD$ . ننتقل إلى مسألة تحفيز: السؤال $61$ : الهيدروكربونات يتحول البروبان الحلبي $C_3H_6$ عند تسخينه إلى بروبين $ext{CH}_2 ext{CHCH}_3$ . فإذا علمت أن سرعة التفاعل من الرتبة الأولى للبروبان الحلبي، وكان ثابت السرعة عند درجة حرارة معينة $6.22 imes 10^{-4} ext{ s}^{-1}$ ، وثبت تركيز البروبان الحلبي عند $0.0300 ext{ mol/L}$ ، فما كتلة البروبين الناتجة خلال $10.0 ext{ min}$ في حجم مقداره $2.50 ext{ L}$ ؟ ننتقل إلى قسم مراجعة تراكمية: السؤال $62$ : ما كتلة كلوريد الحديد III اللازمة لتحضير محلول مائي منه حجمه $1.0 ext{ L}$ وتركيزه $0.225 ext{ M}$ ؟ السؤال $63$ : ما المعلومات التي يجب معرفتها لحساب الارتفاع في درجة غليان محلول الهكسان في البنزين؟ السؤال $64$ : إذا كانت $riangle H$ لتفاعل ما سالبة، فقارن طاقة المواد الناتجة بطاقة المواد المتفاعلة، وهل التفاعل ماص أم طارد للطاقة؟

صفحة ٧٣

هذه الصفحة تعرض تقويماً إضافياً بعنوان الكتابة في الكيمياء. السؤال $65$ : الأدوية تخيّل انتشار مرض الأنفلونزا في بلد ما. ولحسن الحظ قام العلماء باكتشاف محفز جديد يزيد من سرعة إنتاج دواء فعال ضد هذا المرض. اكتب مقالاً صحفياً يصف كيفية عمل هذا المحفز على أن يشمل المقال مخطط الطاقة في التفاعلات التي تحدث، وشرحاً مفصلاً لأهمية هذا الاكتشاف. ننتقل إلى أسئلة المستندات: الكواشف الكيميائية يستعمل الكاشف الكيميائي (الفينولفثالين) للكشف عن القواعد. تبين بيانات الجدول $4-2$ انخفاض تركيز الفينولفثالين مع مرور الزمن عند إضافة محلول الفينولفثالين ذا التركيز $0.0050 ext{ M}$ إلى محلول مركز من مادة قاعدية تركيزها $0.6 ext{ M}$ . ويظهر الجدول $4-2$ التفاعل بين الفينولفثالين وكمية فائضة من مادة قاعدية، حيث يوضح عمودين هما: تركيز الفينولفثالين والمادة (M)، والزمن (s). بناءً على هذه البيانات، نجيب عن السؤالين التاليين: السؤال $66$ : ما متوسط سرعة التفاعل في أول $22.3 ext{ s}$ معبراً عنه بوحدة $ext{mol/(L.s)}$ ؟ السؤال $67$ : ما متوسط سرعة تفاعل الفينولفثالين عندما ينخفض تركيزه من $0.0050 ext{ M}$ إلى $0.0015 ext{ M}$ ؟

صفحة ٧٤

هذه الصفحة تحتوي على أسئلة اختبار مقنن. نبدأ بأسئلة الاختيار من متعدد: السؤال $1$ : جميع العبارات الآتية حول سرعة التفاعل الكيميائي صحيحة ما عدا: الخيارات هي السرعة التي يحدث بها التفاعل، التغير في تراكيز المواد المتفاعلة خلال وحدة الزمن، التغير في تراكيز المواد الناتجة خلال وحدة الزمن، كمية المواد الناتجة المتكونة في كل فترة زمنية. السؤال $2$ : ادرس العبارات الآتية: العبارة الأولى: من العوامل التي تؤثر في سرعة التفاعل طبيعة المادة المتفاعلة، والتركيز، ومساحة سطح التفاعل، ودرجة الحرارة، والمحفزات. العبارة الثانية: تزيد المحفزات من سرعة التفاعل بزيادة طاقة التنشيط. العبارة الثالثة: يجب أن تصطدم جسيمات المواد المتفاعلة حتى يحدث تفاعل. أي العبارات السابقة صحيحة؟ الخيارات تتضمن الأولى والثانية، الثانية والثالثة، الأولى والثالثة، الأولى والثانية والثالثة. السؤال $3$ : ما حجم الماء الذي يجب إضافته إلى $6.0 ext{ ml}$ من محلول قياسي تركيزه $0.050 ext{ M}$ لتخفيفه إلى محلول تركيزه $0.020 ext{ M}$ ؟ الخيارات: $15 ext{ mL}$ ، $9.0 ext{ mL}$ ، $6.0 ext{ mL}$ ، $2.4 ext{ mL}$ . السؤال $4$ : أي الوحدات لا تستعمل للتعبير عن سرعة التفاعل؟ الخيارات: $ext{M/min}$ ، $ext{L/s}$ ، $ext{mol/mL.h}$ ، $ext{mol/L.min}$ . السؤال $5$ : أي أنواع القوى بين الجزيئية الآتية يعد الأقوى؟ الخيارات: الرابطة الأيونية، قوى ثنائية القطب، قوى التشتت، الرابطة الهيدروجينية. استعمل الأشكال أدناه للإجابة عن السؤالين $6$ و $7$ : تظهر الأشكال $x$ و $y$ و $z$ جزيئات مختلفة. السؤال $6$ : أي العينات تحتوي على جزيئات غاز الأكسجين؟ والخيارات تتضمن أحرف العينات $x$ و $y$ و $z$ أو كل من $x$ و $y$ . السؤال $7$ : أي العينات تحتوي على جزيئات فلوريد الماغنسيوم؟ والخيارات تتضمن أيضاً أحرف العينات أو كلها.

صفحة ٧٥

نتابع اختبار مقنن مع أسئلة الإجابات القصيرة. السؤال $8$ : افترض أن قانون السرعة العام هو: $R = [A][B]^3$ . ما رتبة التفاعل لكل من المادة $A$ والمادة $B$ ؟ وما رتبة التفاعل الكلية؟ يظهر في المنتصف مخطط طاقة التفاعل يوضح منحنى عليه أرقام من $1$ إلى $4$ تمثل مراحل التفاعل المختلفة. السؤال $9$ : يبيّن الشكل أعلاه منحنى طاقة تفاعل. إلام يشير كل رقم من الأرقام المبينة في الرسم؟ السؤال $10$ : المعادلة $R = k[A]$ تصف سرعة تفاعل من الرتبة الأولى. إذا تضاعف تركيز المادة المتفاعلة $A$ فماذا يطرأ على سرعة التفاعل؟ ننتقل إلى أسئلة الإجابات المفتوحة: السؤال $11$ : يتفاعل اليود والكلور في الحالة الغازية طبقاً للمعادلة الآتية: $ext{I}_2 + ext{Cl}_2 o 2 ext{ICl}$ . فإذا كان $[I_2]$ يساوي $0.400 ext{ M}$ عند بداية التفاعل وأصبح $0.300 ext{ M}$ بعد مضي $4.00 ext{ min}$ فاحسب متوسط سرعة التفاعل بوحدة $ext{mol/L.min}$ .

صفحة ٧٦

هذه الصفحة تمثل بداية الفصل الثالث بعنوان الاتزان الكيميائي Chemical Equilibrium. الفكرة العامة: يصل الكثير من التفاعلات إلى حالة الاتزان الكيميائي؛ حيث تتكون كل من المواد المتفاعلة والناتجة بسرعات متساوية. تتضمن الأقسام الرئيسية للفصل: $1-3$ حالة الاتزان الديناميكي؛ حيث يصف الاتزان الكيميائي بتعبير ثابت الاتزان، الذي يعتمد على تراكيز المواد المتفاعلة والناتجة. $2-3$ العوامل المؤثرة في الاتزان الكيميائي؛ عندما تطرأ تغيرات في نظام متزن يزاح إلى موضع اتزان جديد. $3-3$ استعمال ثوابت الاتزان؛ يمكن استعمال تعبير ثابت الاتزان في حساب تراكيز المواد في التفاعل وذوبانيتها. وتظهر حقائق كيميائية تشير إلى أن يتسبب استعمال السيارات في تلويث الهواء أكثر من أي نشاط إنساني آخر، ولقد أسهمت المحولات المحفزة والتغيرات الناجمة عن إضافة بعض المواد إلى الجازولين في جعل السيارات أنظف $40 ext{\%}$ مما كانت عليه قبل عقد من الزمن. وتتوسط الصفحة صورة كبيرة لبرج المملكة في الرياض مع معادلة تخص الضباب الدخاني: $2NO + O_2 ightleftharpoons 2NO_2$ ، وصورة دائرية مقربة لنموذج جزيئي.

يقوم قانون سرعة التفاعل على ربط سرعة التفاعل الكيميائي بتركيز المواد المتفاعلة من خلال علاقة رياضية يتم تحديدها تجريبياً عند درجة حرارة معينة. الصيغة العامة لقانون السرعة تتخذ الشكل $R = k[A]^m[B]^n$ حيث $R$ تمثل سرعة التفاعل، و $k$ هو ثابت سرعة التفاعل، و $[A]$ و $[B]$ تراكيز المواد المتفاعلة، بينما $m$ و $n$ هما رتبتا التفاعل اللتان تحددان تجريبياً بمقارنة السرعات الابتدائية للمحاولات المختلفة. على سبيل المثال، إذا كان التفاعل من الرتبة الأولى للمادة $A$ وفق العلاقة $R = k[A]^1$ ، فإن تضاعف تركيز المادة $A$ يؤدي إلى تضاعف سرعة التفاعل بالقيمة نفسها، بينما تبقى قيمة الثابت $k$ ثابتة طالما استقرت درجة الحرارة.

الفكرة الأساسية

يقوم قانون سرعة التفاعل على وجود علاقة رياضية تربط مباشرة بين سرعة التفاعل الكيميائي وتراكيز المواد المتفاعلة عند درجة حرارة معينة، ولا بد من تحديد هذا القانون تجريبياً عن طريق قياس السرعات الابتدائية للمواد.

الشرح

لكتابة قانون سرعة التفاعل لمعادلة عامة تتفاعل فيها المادة $A$ مع المادة $B$ لتكوين نواتج وفق الصورة $a\text{A} + b\text{B} \rightarrow \text{نواتج}$ ، نستخدم القانون العام للسرعة بالصيغة الآتية: $R = k[A]^m[B]^n$ . في هذه الصيغة، يرمز الحرف $R$ إلى سرعة التفاعل، ويرمز الحرف $k$ إلى ثابت سرعة التفاعل وهو قيمة عددية ثابتة لكل تفاعل عند درجة حرارة محددة. أما الرمزـان $[A]$ و $[B]$ فيمثالان التراكيز المولارية للمواد المتفاعلة بوحدة mol/L. والأسـان $m$ و $n$ فهما رتبتا التفاعل لكل من المادة $A$ والمادة $B$ على التوالي، وتُعرّف رتبة التفاعل بأنها الأس للتركيز في قانون سرعة التفاعل، وتُحدد تجريبياً وليس من معاملات المعادلة الموزونة. المجموع الكلي للأسس ( $m + n$ ) يمثل الرتبة الكلية للتفاعل. أما قيمة الثابت $k$ فلا تتغير بتغير التراكيز، ولكنها تتغير بتغير درجة الحرارة، وله وحدات قياس مختلفة حسب الرتبة الكلية للتفاعل مثل $L/mol.s$ أو $s^{-1}$ .

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا أجريت تجربة لدراسة تفاعل المادتين $A$ و $B$ وكانت النتائج كالتالي:

المحاولة الأولى: تركيز $[A] = 0.100\text{ M}$ وتركيز $[B] = 0.100\text{ M}$ والسرعة الابتدائية $R = 2.00 \times 10^{-3}\text{ mol/l}\cdot\text{s}$ .
المحاولة الثانية: تركيز $[A] = 0.200\text{ M}$ وتركيز $[B] = 0.100\text{ M}$ والسرعة الابتدائية $R = 4.00 \times 10^{-3}\text{ mol/l}\cdot\text{s}$ .

خطوة 1: تحديد رتبة المادة $A$ (الأس $m$ ) نقارن بين المحاولة الأولى والثانية حيث يبقى تركيز المادة $B$ ثابتاً عند $0.100\text{ M}$ . نلاحظ أن تركيز المادة $A$ قد تضاعف مرتين (من $0.100$ إلى $0.200$ )، وفي الوقت نفسه تضاعفت سرعة التفاعل مرتين (من $2.00 \times 10^{-3}$ إلى $4.00 \times 10^{-3}$ ). هذا يعني أن العلاقة طردية من الدرجة الأولى، إذن $2^m = 2$ ومنها تكون قيمة $m = 1$ .

أخطاء شائعة

الاعتقاد الخاطئ بأن رتب التفاعل ( $m$ و $n$ ) تأخذ دائماً قيم معاملات المواد المتفاعولة في المعادلة الكيميائية الموزونة، والصحيح أنها تُحدد حصراً من البيانات التجريبية.
الخلط بين وحدات قياس ثابت سرعة التفاعل $k$ ، إذ تختلف وحدته تبعاً لاختلاف الرتبة الكلية للتفاعل.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: إذا كان قانون سرعة التفاعل هو $R = k[A][B]^3$ ، فما رتبة التفاعل بالنسبة للمادة $A$ ، وما رتبة التفاعل بالنسبة للمادة $B$ ، وما الرتبة الكلية للتفاعل؟ الإجابة: رتبة المادة $A$ هي الأولى ( $1$ )، ورتبة المادة $B$ هي الثالثة ( $3$ )، والرتبة الكلية للتفاعل هي الرابعة ( $1 + 3 = 4$ ).

السؤال الثاني: تفاعل ما من الرتبة الأولى للمادة المتفاعلة $A$ وفق القانون $R = k[A]^1$ ، فكيف تتغير سرعة التفاعل إذا انخفض تركيز المادة $A$ إلى النصف مع ثبات الظروف الأخرى؟ الإجابة: بما أن السرعة تتناسب طردياً مع تركيز المادة $A$ مرفوعة إلى الأس واحد، فإن انخفاض تركيز المادة $A$ إلى النصف يؤدي حتماً إلى انخفاض سرعة التفاعل بالمقدار نفسه لتصبح نصف ما كانت عليه.