الاعتماد على درجة الحرارة
الحركية الكيميائية
معدل التفاعل هو السرعة التي يحدث بها التفاعل الكيميائي. يعرف معدل التفاعل بأنه التغير في تركيز أحد المكونات في التفاعل بمرور الوقت.…
يسمى مقياس سرعة استمرار التفاعل بمعدل التفاعل. يتم تحديد معدل التفاعل الكيميائي من خلال قانون المعدل ، الذي يصف العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيزات المادة المتفاعلة. في هذه المعادلة، k هو ثابت المعدل، A وB هما المتفاعلان، و m وn هما ترتيب تفاعل كل منهما.
يحول ثابت المعدل العلاقة إلى وحدات المعدل المناسبة ، المولات لكل لتر في الثانية. وبالتالي ، فإن ثابت المعدل له وحدات مختلفة ، اعتمادا على الترتيب الكلي للتفاعل. ومع ذلك ، فإن ثابت المعدل له أهمية أكبر من مجرد تحويل الوحدة. يرتبط ثابت المعدل بالحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لحدوث تفاعل كيميائي - يسمى طاقة التنشيط.
في التفاعل ، تكون المواد المتفاعلة في حالة أولية من الطاقة الكامنة. مع استمرار التفاعل ، يجب أن يتغلب على طاقة كامنة معينة ، طاقة التنشيط ، قبل أن يصل إلى حالته النهائية. الطاقة الكلية للتفاعل هي الفرق بين الحالتين الأولية والنهائية. يمكن أن يكون هذا الاختلاف سالبا ، مما يعني أن التفاعل يطلق طاقة ، أو إيجابيا ، مما يعني أنه يمتص الطاقة.
إذا لم تكن هناك طاقة كافية متاحة للتغلب على طاقة التنشيط ، فلن يستمر التفاعل. في بعض الحالات ، يمكن توفير الطاقة على شكل حرارة. يوفر هذا طاقة إضافية للتغلب على حاجز التنشيط ، ويمكن أن يستمر التفاعل. يمكن أيضا إضافة محفز ، والذي يوفر مسارا بديلا للطاقة أقل تنشيطا بين المواد المتفاعلة والمنتجات.
لا تستهلك المحفزات في التفاعل ، وبالتالي لا تؤثر على صافي طاقة التفاعل. يتم تحديد طاقة التنشيط تجريبيا ، وهي مرتبطة بثابت التفاعل k بواسطة معادلة Arrhenius حيث A هو عامل ما قبل الأسي أو عامل التردد ، و R هو ثابت الغاز العالمي ، و T هي درجة الحرارة المطلقة التي يحدث عندها التفاعل.
من هذه المعادلة، نعلم أن زيادة درجة حرارة التفاعل أو تقليل طاقة التنشيط يزيد من ثابت المعدل. بالعودة إلى معادلة قانون المعدل ، يترتب على ذلك أن ثابت المعدل الأعلى ينتج عنه معدل تفاعل أعلى. هذا منطقي لأنه مع زيادة درجة الحرارة ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتتصادم بشكل متكرر ، مما يؤدي إلى زيادة جزء من الجزيئات ذات الطاقة الأعلى من طاقة التنشيط.
في هذا المختبر ، سوف تتعلم كيفية قياس طاقة تنشيط التفاعل تجريبيا باستخدام تحلل بيروكسيد الهيدروجين كتفاعل نموذجي.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يسمى مقياس سرعة استمرار التفاعل بمعدل التفاعل. يتم تحديد معدل التفاعل الكيميائي من خلال قانون المعدل ، الذي يصف العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيزات المادة المتفاعلة. في هذه المعادلة، k هو ثابت المعدل، A وB هما المتفاعلان، و m وn هما ترتيب تفاعل كل منهما.
يحول ثابت المعدل العلاقة إلى وحدات المعدل المناسبة ، المولات لكل لتر في الثانية. وبالتالي ، فإن ثابت المعدل له وحدات مختلفة ، اعتمادا على الترتيب الكلي للتفاعل. ومع ذلك ، فإن ثابت المعدل له أهمية أكبر من مجرد تحويل الوحدة. يرتبط ثابت المعدل بالحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لحدوث تفاعل كيميائي - يسمى طاقة التنشيط.
في التفاعل ، تكون المواد المتفاعلة في حالة أولية من الطاقة الكامنة. مع استمرار التفاعل ، يجب أن يتغلب على طاقة كامنة معينة ، طاقة التنشيط ، قبل أن يصل إلى حالته النهائية. الطاقة الكلية للتفاعل هي الفرق بين الحالتين الأولية والنهائية. يمكن أن يكون هذا الاختلاف سالبا ، مما يعني أن التفاعل يطلق طاقة ، أو إيجابيا ، مما يعني أنه يمتص الطاقة.
إذا لم تكن هناك طاقة كافية متاحة للتغلب على طاقة التنشيط ، فلن يستمر التفاعل. في بعض الحالات ، يمكن توفير الطاقة على شكل حرارة. يوفر هذا طاقة إضافية للتغلب على حاجز التنشيط ، ويمكن أن يستمر التفاعل. يمكن أيضا إضافة محفز ، والذي يوفر مسارا بديلا للطاقة أقل تنشيطا بين المواد المتفاعلة والمنتجات.
لا تستهلك المحفزات في التفاعل ، وبالتالي لا تؤثر على صافي طاقة التفاعل. يتم تحديد طاقة التنشيط تجريبيا ، وهي مرتبطة بثابت التفاعل k بواسطة معادلة Arrhenius حيث A هو عامل ما قبل الأسي أو عامل التردد ، و R هو ثابت الغاز العالمي ، و T هي درجة الحرارة المطلقة التي يحدث عندها التفاعل.
من هذه المعادلة، نعلم أن زيادة درجة حرارة التفاعل أو تقليل طاقة التنشيط يزيد من ثابت المعدل. بالعودة إلى معادلة قانون المعدل ، يترتب على ذلك أن ثابت المعدل الأعلى ينتج عنه معدل تفاعل أعلى. هذا منطقي لأنه مع زيادة درجة الحرارة ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتتصادم بشكل متكرر ، مما يؤدي إلى زيادة جزء من الجزيئات ذات الطاقة الأعلى من طاقة التنشيط.
في هذا المختبر ، سوف تتعلم كيفية قياس طاقة تنشيط التفاعل تجريبيا باستخدام تحلل بيروكسيد الهيدروجين كتفاعل نموذجي.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the relationship between the rate constant and reaction temperature?
The rate constant increases with temperature according to the Arrhenius equation. As temperature rises, molecules move faster and collide more frequently, increasing the fraction of molecules with sufficient energy to overcome the activation energy barrier. This results in a higher reaction rate.
Q2: How does activation energy determine whether a chemical reaction will proceed?
Activation energy is the minimum energy required for a reaction to occur. If reactants lack sufficient energy to overcome this barrier, the reaction will not proceed. Heat or catalysts can provide the necessary energy or lower the barrier, allowing the reaction to proceed at a measurable rate.
Q3: What role does the rate constant play in the rate law equation?
The rate constant, k, converts the relationship between reactant concentrations and reaction orders into the proper units of rate, measured in moles per liter per second. It is specific to each reaction and depends on temperature. A higher rate constant directly results in a faster reaction rate.
Q4: How can a catalyst speed up a reaction without being consumed?
A catalyst lowers the activation energy by providing an alternative pathway for the reaction to proceed. Since it is not consumed during the reaction, it remains available to facilitate additional reaction cycles. However, a catalyst does not change the amount of product produced or the net energy of the reaction.
Q5: Why does the Arrhenius equation use the natural logarithm form for experimental calculations?
Taking the natural logarithm of the Arrhenius equation converts it into a linear form: ln k versus 1/T yields a straight line. The slope equals -Ea/R and the y-intercept equals ln A. This linear relationship allows researchers to determine activation energy graphically using rate constant values measured at different temperatures.
Q6: What factors determine the speed at which a chemical reaction occurs?
Reaction speed depends on reactant concentration, temperature, and the specific reaction pathway. The rate law describes how each reactant's concentration contributes to the overall reaction rate through its reaction order. Temperature particularly influences the rate constant, which directly affects how fast the reaction proceeds.
Q7: How is the activation energy of a reaction determined experimentally?
Activation energy is determined by measuring the rate constant at multiple temperatures. These k values are plotted as ln k versus 1/T to create a linear graph. The slope of this line equals -Ea/R, allowing researchers to calculate activation energy using the known universal gas constant.