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. تعتمد سرعة التفاعل على عدة عوامل ، بما في ذلك تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة التي يتم عندها إجراء التفاعل. يساهم كل مادة متفاعلة في سرعة التفاعل بعامل معين. يتم تحديد هذه العلاقة من خلال قانون معدل التفاعل.

قانون الأسعار

قانون المعدل هو معادلة تصف العلاقة بين تركيز المتفاعلات ، A و B ، وترتيب تفاعلهما ، m و n. يربط ثابت المعدل ، k ، تركيزات وترتيب المواد المتفاعلة بمعدل التفاعل. يعتمد على التفاعل كدرجة حرارة يتم عندها التفاعل.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

معادلة أرهينيوس

تربط معادلة أرهينيوس ثابت معدل التفاعل بطاقة تنشيط التفاعل الكيميائي. تعرف طاقة التنشيط بأنها كمية الطاقة التي يحتاجها التفاعل الكيميائي من أجل المضي قدما. إذا كان التفاعل لا يفي بمتطلبات طاقة التنشيط هذه ، فلن يستمر التفاعل.

تشير العلاقة الأسية السلبية بين k ودرجة الحرارة إلى أنه مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد قيمة k أيضا. نظرا لأنه يمكن تحديد ثابت المعدل تجريبيا عبر نطاق من درجات الحرارة ، يمكن حساب طاقة التنشيط باستخدام معادلة أرهينيوس. بأخذ اللوغاريتم الطبيعي لكلا الجانبين ، تتم إعادة كتابة معادلة أرهينيوس كمعادلة خطية.

ينتج عن مخطط ln k مقابل 1 / T خطا مستقيما بميل يساوي -E_a / R وتقاطع y ل ln A. نظرا لأن ثابت الغاز المثالي ، R ، معروف ، يمكن تحديد E_a بيانيا باستخدام سلسلة من قيم k في درجات حرارة مختلفة.

المحفزات وطاقة التنشيط

تحتوي بعض التفاعلات الكيميائية على طاقة تنشيط كبيرة بما فيه الكفاية تجعل التفاعل يسير ببطء ، إن وجد. يحدث تفاعل تحلل بيروكسيد الهيدروجين في الأكسجين والماء تلقائيا ، ولكنه يحدث بمعدل بطيء بشكل لا يصدق. تتمثل إحدى طرق التغلب على هذا الحاجز الأولي في توفير الطاقة على شكل حرارة. ومع ذلك ، هذا ليس مثاليا دائما لأن الحرارة الزائدة قد تؤثر على استقرار المنتجات أو المواد المتفاعلة أو قد تسهل ردود الفعل الجانبية.

يمكن تغيير طاقة التنشيط للتفاعلات الكيميائية باستخدام المحفزات. يقلل المحفز من طاقة تنشيط التفاعل الكيميائي ، لكنه لا يستهلكه التفاعل. بمعنى آخر ، يسهل المحفز التفاعل الكيميائي عن طريق تسهيل التغلب على متطلبات طاقة التنشيط الحرجة. في تحلل بيروكسيد الهيدروجين ، تؤدي إضافة نترات الحديد إلى تقليل طاقة التنشيط وتسمح للتفاعل بالمضي قدما بمعدل أسرع. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أنه في حين أن المحفز قد يؤثر على معدل للتفاعل ، فإن المحفز لا يغير كمية المنتج الناتج عن التفاعل.

المراجع

1. كوتز ، جي سي ، تريتشيل جونيور ، بي إم ، تاونسند ، جي آر (2012). الكيمياء والتفاعل الكيميائي . بلمونت ، كاليفورنيا: بروكس / كول ، Cengage Learning.
2. سيلبربيرج ، ماجستير (2009). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير . بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل.

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.