13.3: قانون التركيز والمعدّل

يتأثر معدل التفاعل بتركيزات المواد المتفاعلة. قوانين المعدل (قوانين المعدل التفاضلي) أو معادلات المعدل هي تعبيرات رياضية تصف العلاقة بين معدل التفاعل الكيميائي وتركيز المواد المتفاعلة.

على سبيل المثال ، في تفاعل عام aA + bB ⟶ المنتجات ، حيث تكونa and b معاملات متكافئة ، يمكن كتابة قانون المعدل على النحو التالي:

[A] و [B] يمثلان التركيزات المولية للمواد المتفاعلة ، و k هو ثابت المعدل ، وهو خاص بتفاعل معين عند درجة حرارة معينة.

الأُسّان m و n عبارة عن أوامر رد فعل وعادة ما تكون أعدادًا صحيحة موجبة ، على الرغم من أنها يمكن أن تكون كسورًا أو سالبة أو صفرًا.

يتم تحديد ثابت المعدل k وأوامر التفاعل m و n بشكل تجريبي من خلال ملاحظة كيفية تغير معدل التفاعل كتركيزات من المتفاعلات تغيرت. ثابت المعدل k مستقل عن تراكيز المادة المتفاعلة ، لكنه يختلف باختلاف درجة الحرارة.

تصف أوامر التفاعل في قانون المعدل الاعتماد الرياضي للمعدل على تركيزات المادة المتفاعلة. الإشارة إلى قانون المعدل العام (المعدل = k[A]^m[B]ⁿ)، يكون التفاعل m ترتيبًا بالنسبة إلى A و n ترتيب بالنسبة إلى B. على سبيل المثال، إذا كان m = 1 و n = 2، يكون التفاعل من المرتبة الأولى في الترتيب A والثاني في B. الترتيب العام للتفاعل هو ببساطة مجموع أوامر كل متفاعل. بالنسبة لمثال قانون المعدل هنا ، يكون التفاعل من الدرجة الثالثة بشكل عام (1 + 2 = 3).

تتمثل إحدى الطرق التجريبية الشائعة لتحديد قوانين المعدل في طريقة المعدلات الأولية. تتضمن هذه الطريقة قياس معدلات التفاعل لتجارب تجريبية متعددة أجريت باستخدام تركيزات مختلفة من المتفاعلات الأولية. تسمح مقارنة المعدلات المقاسة لهذه التجارب بتحديد أوامر التفاعل ، وبالتالي ، ثابت المعدل ، اللذين يتم استخدامهما معًا لصياغة قانون معدل.

قد تعرض قوانين المعدل أوامر جزئية لبعض المواد المتفاعلة ، وأحيانًا يتم ملاحظة أوامر التفاعل السلبية عندما تؤدي الزيادة في تركيز أحد المتفاعلات إلى انخفاض معدل التفاعل. من المهم ملاحظة أن قوانين المعدل يتم تحديدها عن طريق التجربة فقط ولا يتم التنبؤ بها بشكل موثوق من خلال قياس العناصر المتفاعلة.

يحدد ترتيب التفاعل العلاقة بين معدل التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات.

• في تفاعل صفري الترتيب، لا يكون لتركيز المواد المتفاعلة أي تأثير على معدل التفاعل ، الذي يظل ثابتًا طوال الوقت.
• في تفاعل من الدرجة الأولى ، يتناسب معدل التفاعل بشكل مباشر وخطي مع التغير في تركيز المادة المتفاعلة. مع انخفاض تركيز المادة المتفاعلة ، ينخفض ​​معدل التفاعل أيضًا بشكل متناسب.
• في التفاعلات من الدرجة الثانية أو الأعلى ، يتناسب معدل التفاعل مع القيمة الأسية للمتفاعلات. لذلك ، مع تقدم التفاعل وانخفاض تركيز المواد المتفاعلة ، ينخفض ​​معدل التفاعل بشكل كبير.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.

يعتمد معدل التفاعل غالبًا،على تركيز المواد المتفاعلة. في أي تفاعل،قد يُعبّر عن العلاقة بين معدل التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة رياضيًا باستخدام قانون معدلات أو معادلة. في قانون سرعة مثلًا،تمثل ثابت التوزيع النسبي،أو ثابت السرعة،وتمثل درجة التفاعل بالنسبة لمادة متفاعلة واحدة،تكون قيمتها غالبًا عددًا صحيحًا.

في قوانين السرعة الخاصة بالتفاعلات متعددة المكونات،تكون درجة التفاعل الإجمالية،مساوية لدرجات جميع المواد المتفاعلة. لكل مادة متفاعلة،فإن معدل التفاعل،وثابت السرعة،والتركيز،ودرجة التفاعل تحدد جميعًا بالتجربة. يعبر قانون السرعة عن العلاقة بين جميع هذه القياسات.

درجات المواد المتفاعلة الفردية،تأخذ،عادة،قيم 0،1،أو 2 واعتمادًا على درجة التفاعل الكلي،يمكن تصنيف التفاعلات الكيميائية إلى،تفاعلات درجة صفرية،ودرجة أولى،ودرجة ثانية. في تفاعل كيميائي أحادي-المتفاعل،او احادي الجزئ،والذي تبقى فيه معدلات التفاعل ثابتة طول مدة التفاعل،يكون تفاعلًا صفري الدرجة. درجة المادة المتفاعلة في تفاعل صفري تكون صفرًا،وبناء على قانون معدلات السرعة،يُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة صفر.

وبما أن قيمة أي عدد مرفوع للقوة صفر تساوي واحد،يكون معدل التفاعل لتفاعل من الدرجة الصفرية مساويًا لثابت المعدل،وبالتالي،لا يعتمد على تركيز المادة المتفاعلة. لذلك ففي تفاعل من الدرجة الصفرية،حتى عندما يتناقص تركيز المواد المتفاعلة،فإن معدل سرعة التفاعل لا يتباطأ. التفاعل الكيميائي أحادي الجزيء حيث معدل سرعة التفاعل يتناسب طرديًا،مع تركيز المادة المتفاعلة هو تفاعل من الدرجة الأولى.

تكون درجة المادة المتفاعلة في تفاعل من الدرجة الأولى،واحد،ووفقًا لقانون معدل السرعة،يُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة واحد. وبما أن قيمة أي عدد مرفوع للقوة واحد لا تتغير،يكون اعتماد معدل التفاعل في تفاعل من الدرجة الأولى معتمدًا بشكل مباشر على تركيز المادة المتفاعلة. ومع تناقص تركيز المادة المتفاعلة،يتناقص معدل سرعة التفاعل بنسبة مماثلة بصورة خطية.

التفاعل الكيميائي أحادي الجزيء،الذي يعتمد معدل سرعة تفاعله على مربع تركيز المادة المتفاعلة،هو تفاعل من الدرجة الثانية. درجة المادة المتفاعلة هي اثنان،ويُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة اثنين. وبناء عليه،فإن معدل سرعة التفاعل في تفاعل من الدرجة الثانية يعتمد بشكل مباشر على مربع قيمة تركيز المادة المتفاعلة.

وبتناقص تركيز المادة المتفاعلة،يتناقص معدل سرعة التفاعل زيادة أسّية بمعدل تربيعي.