13.2: قياس معدّلات التفاعل

يكتشف مقياس الاستقطاب تطبيقًا في الحركية الكيميائية لقياس تركيز وحركية تفاعل المواد النشطة بصريًا أثناء تفاعل كيميائي. تتمتع المواد الفعالة بصريًا بالقدرة على تدوير مستوى استقطاب الضوء المستقطب خطيًا الذي يمر عبرها — ميزة يُدعى الدوران البصري. يُعزى النشاط البصري إلى التركيب الجزيئي للمواد. يكون الضوء العادي أحادي اللون غير مستقطب ويمتلك اهتزازات في المجال الكهربائي في جميع المستويات الممكنة المتعامدة مع اتجاه انتشاره. وعندما يمر ضوء غير مستقطب عبر مستقطب ، ينبثق ضوء مستقطب يحافظ على التذبذبات في مستوى واحد.

تحدد أداة مقياس الاستقطاب اتجاه استقطاب الضوء أو الدوران الناتج عن مادة نشطة بصريًا. في مقياس الاستقطاب ، يتم إدخال الضوء المستقطب إلى أنبوب يحتوي على محلول التفاعل ، ويمكن متابعة التفاعل دون الإخلال بالنظام. إذا كانت العينة تحتوي على مواد بصرية غير نشطة ، فلن يكون هناك تغيير في اتجاه مستوى الضوء المستقطب. سيكون الضوء مرئيًا بنفس الشدة على شاشة المحلل ، وستقرأ زاوية قراءة الدوران (ɑ) درجة صفر.

ومع ذلك، فإن وجود مركبات نشطة بصريًا في عينة التفاعل يتسبب في دوران مستوى الضوء المستقطب المار. سيكون الضوء الخارج أقل سطوعًا. يجب تدوير محور جهاز المحلل في اتجاه عقارب الساعة (دكسترروتوري) أو عكس اتجاه عقارب الساعة (ليفوروتوري) لمراقبة الحد الأقصى من السطوع. يعتمد الاتجاه الذي يجب أن يدور فيه المحلل على طبيعة المركب الموجود. يتناسب الدوران البصري المقاس مع تركيز المواد الفعالة بصريًا الموجودة في العينة. من خلال تحليل قياسات زاوية الدوران في نقاط زمنية مختلفة ، يمكن تحديد تركيزات المركبات النشطة بصريًا كدالة زمنية.

قياس الطيف

كثيرًا ما يتم استخدام التقنيات التجريبية البصرية مثل قياس الطيف لمراقبة التفاعلات الكيميائية وتأمين المعلومات الكمية عن حركية التفاعل. باستخدام مقياس الطيف، يتم جعل ضوء الطول الموجي المحدد يمر عبر عينة متفاعلة. قد تمتص الجزيئات أو المركبات (سواء كانت مادة متفاعلة أو منتج) داخل العينة بعض الضوء أثناء نقل الكمية المتبقية ، والتي يتم قياسها بواسطة كاشف. تعتمد كمية الضوء الممتص على تركيز المركب أو الجزيء محل الاهتمام. على سبيل المثال ، كلما زاد تركيز المركب، زادت امتصاصه. من الامتصاصية، ستكون الأداة قادرة على تحديد تركيز المركب محل الاهتمام. في عينة متفاعلة ، يحسب الامتصاص الذي يتم قياسه على فترات دورية تركيزات المادة المتفاعلة أو المنتج كدالة زمنية.

قياسات الضغط

بالنسبة للتفاعلات التي تشتمل على مواد ذات طور غازي ، فإن حركية التفاعل متبوعة بقياس التغيرات في عدد مولات الغازات كدالة للتغيرات في الضغط. يمكن توصيل الإعدادات التجريبية لتفاعل الطور الغازي بمقياس ضغط يمكنه قياس ضغط مادة مفاعلة غازية أو منتج. مع تقدم التفاعل ، ينخفض ​​ضغط المواد المتفاعلة ، و (أو) المنتجات' يزيد الضغط. يمكن قياس ذلك بواسطة مقياس الضغط كدالة للوقت. من خلال تطبيق قانون— الغاز المثالي يتناسب تركيز الغاز مع ضغطه— الجزئي يمكن حساب معدل التفاعل الكيميائي.

يمكن دراسة معدلات التفاعل،بتحديد التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو النواتج،كدالّة على الزمن. يمكن قياس التغيرات في التركيز بواسطة تقنيات تجريبية،كالاستقطاب،والتحليل الطيفي،أو قياسات الضغط. يستخدم الاستقطاب،ضوءاًمستقطبًا-مستويًا مع مجال كهربائي موجّه علي سطح مستو واحد.

و هو يقيس قدرة المركّبات على تدوير الضوء المستقطب،والتي تعتمد على البنية الجزيئية للمركب الموجود. لنتأمل التحلل المائي للسكروز،الذي ينتج عنه غلوكوز وفركتوز. يُستخدم جهاز قياس الاستقطاب،لقياس درجة دوران ضوء مستقطب-مستوي،يمر عبر محلول السكروز المتفاعل.

السكروز يسبب دورانًا باتجاه عقارب الساعة،بينما الغلوكوز والفركتوز يسببان دورانًا بعكس عقارب الساعة. بقياس درجة دوران الضوء عند فترات زمنية معينة،يمكن حساب التركيز النسبي لكل من السكروز،والغلوكوز،والفركتوز ويمكن كذلك تحديد معدل التفاعل. كما يمكن قياس معدلات التفاعل باستخدام طرق التحليل الطيفي،بالاستفادة من قدرة المواد المتفاعلة والنواتج على امتصاص الضوء من موجات محددة الطول.

كلما زاد تركيز المادة المراد حسابها،أصبح امتصاصها للضوء أشدّعلى سبيل المثال،غاز الهيدروجين عديم اللون يتفاعل مع بخار اليود البنفسجي ليشكل يوديد الهيدروجين عديم اللون. بخار اليود يمتص الضوء في المنطقة بين الخضراء-الصفراء ويعكس ضوء بنفسجيًا. أثناء التفاعل،جهاز قياس الطيف الضوئي يقيس كمية الضوء التي امتصتها العينة ويحلل الضوء الذي انبعث.

وعليه فأثناء حدوث التفاعل،فإن التناقص في تركيز بخار اليود يلاحظ من خلال تناقص امتصاص الضوء بين الأخضر-الأصفر. باستخدام قانون بير-لامبرت،كثافة الضوء الممتص،عند نقاط زمنية مختلفة يمكن حسابها،ويمكن أن نعزوها إلى التغير في التركيز. وبدلًا عن ذلك،إذا كانت إحدى المواد المتفاعلة أو النواتج غازية،تُستخدم حسابات الضغط لتحديد معدل التفاعل عبر مراقبة التغيرات في الضغط.

على سبيل المثال،أثناء تحلل بيروكسيد الهيدروجين،يُدرس معدل التفاعل باستخدام مانومتر لمراقبة ضغط غاز الأكسجين المنبعث. ومع سير التفاعل ونشوء مزيد من غاز الأكسجين،يزداد الضغط. باستخدام معادلة الضغط النموذجية،تُحول قيم الضغط التي يتم تسجيلها عند نقاط مختلفة إلى قيم تركيز.

التغير في التركيز كدالّة على الزمن يُستخدم لتحديد معدل التفاعل. في التفاعلات الطويلة،يمكن أخذ عينات أو اجزاء،من خليط التفاعل علي فترات زمنية منتظمة. فتقاس مستويات التركيز النسبية،باستخدام تقنيات أساسية،مثل الفصل الكروماتوجرافي،أو مطيافية الكتلة،أو المعايرة،لحساب معدلات التفاعل.