كيف يمكن زيادة سرعة التفاعل الكيميائي

تعريف التفاعل الكيميائي

تحدث التفاعلات الكيميائية عندما تتشكل ، أو تنكسر الروابط الكيميائية بين الذرات ، وتسمى المواد التي تدخل في تفاعل كيميائي بالمواد المتفاعلة ، والمواد التي يتم إنتاجها في نهاية التفاعل ، تعرف بالنواتج ويتم رسم سهم بين المواد المتفاعلة ، والنواتج للإشارة إلى اتجاه التفاعل الكيميائي ، على الرغم من أن التفاعل الكيميائي ليس دائمًا ، طريقًا أحادي الاتجاه ، تحدث التفاعلات الكيميائية في كل مكان على الإطلاق ، بينما نربط أحيانًا التفاعلات الكيميائية بالبيئة المعقمة لأنبوب الاختبار ، والمختبر لا شيء أبعد عن الحقيقة في الواقع ، يؤدي العدد الهائل من التحولات إلى مجموعة مذهلة ، وغير مفهومة تقريبًا من المواد الجديدة ، وتغيرات الطاقة التي تحدث في عالمنا كل ثانية من كل يوم .في الطبيعة ، يمكن أن تكون التفاعلات الكيميائية أقل تحكمًا بكثير مما ستجده في المختبر ، وأحيانًا تكون أكثر فوضوية ، وتحدث بشكل عام سواء أردت ذلك أم لا سواء أكان حريقًا مشتعلًا عبر الغابة ، أو العملية البطيئة لصدأ الحديد في وجود الأكسجين ، والماء على مدى سنوات ، أو الطريقة الدقيقة التي تنضج بها الفاكهة على الشجرة ، عملية تحويل واحدة مجموعة من المواد الكيميائية (المتفاعلات) لمجموعة أخرى من المواد (المنتجات) ، تعرف باسم تفاعل كيميائي ، وعند الحديث عن التفاعل الكيميائي لا يجب إهمال الحديث عن نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي .

أنواع التفاعلات الكيميائية

وهناك أنواع مختلفة من التفاعلات الكيميائية منها :

تفاعل تركيبي .

تفاعل الاستبدال الفردي .

رد فعل الاستبدال المزدوج .

رد فعل التحلل .

تفاعل الاحتراق .[1]

ويتم إستخدامقوانين سرعة التفاعل الكيميائي ،لقياس معدل التفاعل .

على الرغم من أن تفاعل المواد الكيميائية المتفاعلة يعد عاملاً مهمًا في سرعة تقدم التفاعلات الكيميائية ، إلا أن هناك العديد من العوامل الأخرى التي يمكن التحكم فيها من أجل تسريع التفاعل أو إبطائه ، قد تكون التفاعلات الكيميائية أيضًا قابلة للانعكاس ، وبالتالي يجب فهم تأثير العوامل المختلفة والتحكم فيها من أجل تعظيم العائد من المنتج المرغوب ، على سبيل المثال مهم جدًا للاقتصاديات الفعالة لعملية كيميائية في الصناعة ، لذلك يجب معرفة كيف تقاس سرعة التفاعل الكيميائي  .[2]

العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل الكيميائي

تختلف معدلات استهلاك المواد المتفاعلة ، وتشكيل المنتجات أثناء التفاعلات الكيميائية اختلافًا كبيرًا ، يمكننا تحديد خمسة عوامل تؤثر على معدلات التفاعلات الكيميائية ، الطبيعة الكيميائية للمواد المتفاعلة ، حالة التقسيم (كتلة كبيرة واحدة مقابل العديد من الجسيمات الصغيرة) للمواد المتفاعلة ، درجة حرارة المواد المتفاعلة تركيز المواد المتفاعلة ، ووجود عامل مساعد.تحدث التفاعلات الكيميائية بمعدلات مختلفة إلى حد كبير على مدى فترات من جزء من الثانية إلى أيام أو سنوات .[3]وسنتناول بعض من العوامل المؤثرة على سرعة التفاعل ، في السطور التالية بشيء من التفصيل .

الطبيعة الكيميائية للمواد المتفاعلة

معدل التفاعل يعتمد على طبيعة المواد المشاركة ، قد يكون للتفاعلات التي تبدو متشابهة معدلات مختلفة في ظل نفس الظروف ، اعتمادًا على هوية المتفاعلات، فعلى سبيل المثال ، عندما تتعرض قطع صغيرة من فلزات الحديد ، والصوديوم للهواء ، يتفاعل الصوديوم تمامًا مع الهواء طوال الليل ، في حين أن الحديد بالكاد يتأثر، يتفاعل كل من المعادن النشطة كالسيوم ، والصوديوم مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين وقاعدة ، ومع ذلك ، يتفاعل الكالسيوم بمعدل معتدل ، بينما يتفاعل الصوديوم بسرعة كبيرة بحيث يكون التفاعل شبه متفجر .[3]

حالة التقسيم الفرعي للمتفاعلات

باستثناء المواد الموجودة في الحالة الغازية ، أو في المحلول، تحدث التفاعلات عند الحدود ، أو السطح البيني بين مرحلتين ومن ثم ، فإن معدل التفاعل بين مرحلتين يعتمد إلى حد كبير على التلامس السطحي بينهما ، تحتوي المادة الصلبة المقسمة بدقة على مساحة سطح متاحة للتفاعل أكبر من مساحة قطعة واحدة كبيرة من نفس المادة ، وهكذا يتفاعل السائل بسرعة أكبر مع مادة صلبة مقسمة بدقة أكثر من تفاعل قطعة كبيرة من نفس المادة الصلبة ، على سبيل المثال، تتفاعل قطع الحديد الكبيرة ببطء مع الأحماض ، يتفاعل الحديد المقسم جيدًا بسرعة أكبر ، القطع الصغيرة تحترق بسرعة ، وغبار المنشار يحترق بشكل متفجر .[3]

درجة حرارة المتفاعلات

تحدث التفاعلات الكيميائية عادة بشكل أسرع في درجات حرارة أعلى يمكن أن يفسد الطعام بسرعة عند تركه على طاولة المطبخ ، ومع ذلك، فإن درجة الحرارة المنخفضة داخل الثلاجة تبطئ هذه العملية بحيث يظل الطعام نفسه طازجًا لعدة أيام ، نستخدم موقدًا ، أو طبقًا ساخنًا في المختبر لزيادة سرعة التفاعلات التي تسير ببطء في درجات الحرارة العادية ، في كثير من الحالات ، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية فقط إلى ضعف معدل التفاعل في نظام متجانس .[3]

تراكيز المتفاعلات

معدلات العديد من التفاعلات تعتمد على تركيزات المواد المتفاعلة ، تزداد المعدلات عادة عندما يزداد تركيز مادة ، أو أكثر من المواد المتفاعلة على سبيل المثال ، كربونات الكالسيوم يتدهور نتيجة تفاعله مع ثاني أكسيد الكبريت الملوث ، معدل هذا التفاعل يعتمد على كمية ثاني أكسيد الكبريت في الهواء كأكسيد حمضي، يتحد ثاني أكسيد الكبريت مع بخار الماء في الهواء لإنتاج حامض الكبريتيك في جو ملوث ، حيث يكون تركيز ثاني أكسيد الكبريت مرتفعًا ، تتدهور كربونات الكالسيوم بسرعة أكبر من الهواء الأقل تلوثًا وبالمثل ، فإن الفسفور يحترق بسرعة أكبر في جو من الأكسجين النقي منه في الهواء ، وهو حوالي 20٪ أكسجين فقط .[3]

وجود محفز

رغوة محلول بيروكسيد الهيدروجين عند سكبها على جرح مفتوح لأن المواد الموجودة في الأنسجة المكشوفة تعمل كمحفزات ، مما يزيد من معدل تحلل بيروكسيد الهيدروجين ومع ذلك ، في حالة عدم وجود هذه المحفزات (على سبيل المثال، في الزجاجة في خزانة الأدوية) يمكن أن يستغرق التحلل الكامل شهورًا ، ومحفز هو المادة التي تزيد من سرعة التفاعل الكيميائي عن طريق خفض طاقة التنشيط دون حد ذاته يتم استهلاكه من رد الفعل ، طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة للتفاعل الكيميائي للمضي قدمًا في الاتجاه الأمامي ، يزيد المحفز من معدل التفاعل من خلال توفير مسار ، أو آلية بديلة لمتابعة التفاعل .[3]