حركية التفاعل

معدل التفاعل هو سرعة تحول المتفاعلات إلى نواتج. نقيسه كتغير التركيز (أو الكمية) في كل وحدة زمنية.

لكي تتفاعل الجسيمات، يجب أن تتصادم. تردد التصادم هو مدى تكرار اصطدام الجسيمات ببعضها البعض. ولكن ليس كل تصادم يؤدي إلى تفاعل:

• التصادم الفعال يمتلك طاقة كافية و الاتجاه الصحيح، فيحدث التفاعل.
• التصادم غير الفعال لا يملك طاقة كافية، أو تصادمت الجسيمات بزاوية خاطئة، فلا يحدث شيء.

لذلك يعتمد المعدل على تردد التصادمات الفعالة — عدد التصادمات المفيدة التي تحدث كل ثانية.

التركيز والضغط

إذا زادت تركيز المحلول (أو ضغط الغاز)، تكون الجسيمات أكثر تماسكاً. تتصادم بشكل متكرر، مما يزيد التصادمات الفعالة كل ثانية، ويرتفع المعدل.

يمكن حساب معدل من البيانات التجريبية — على سبيل المثال، حجم الغاز الناتج مقسوماً على الزمن المستغرق.

مثال محلول. يعطي تفاعل ثاني أكسيد الكربون. في أول $30\ \text{s}$، تم جمع $48\ \text{cm}^3$ من الغاز. أوجد متوسط معدل التفاعل خلال هذا الوقت.

يكون المعدل أسرع في البداية (يكون المنحنى أكثر انحداراً هناك) لأن المتفاعلات الأكثر تركيزاً، ثم يتباطأ مع استهلاكها.

الطاقة التنشيطية ($E_A$) هي الحد الأدنى من الطاقة التي يحتاجها التصادم لكي يكون فعالاً.

توزيع بولتزمان هو رسم بياني يوضح كيف تنتشر طاقات الجزيئات عند درجة حرارة واحدة. يبدأ المنحنى من نقطة الأصل، ويصعد إلى ذروة، ثم ينخفض في ذيل طويل. المساحة الكلية تحت المنحنى تمثل العدد الكلي للجزيئات. فقط الجزيئات الموجودة على يمين $E_A$ تمتلك طاقة كافية للتفاعل.

عما رتفعت درجة الحرارة:

• يفلطح المنحنى وينتشر نحو اليمين، sehingga جزء أكبر بكثير من الجزيئات الآن تمتلك طاقة أكبر من $E_A$.
• تتحرك الجزيئات أيضاً بسرعة أكبر وتتصادم بشكل متكرر.

التأثير الأول هو الأكبر. ولهذا السبب يمنح ارتفاع صغير في درجة الحرارة زيادة كبيرة في المعدل.

المحفز يسرع التفاعل دون أن يُستهلك نفسه. التحفيز هو اسم لهذا الفعل.

يعمل المحفز من خلال إعطاء التفاعل آلية تفاعل مختلفة — طريق جديد بطاقة تنشيط أقل. على توزيع بولتزمان، إنخفاض $E_A$ يحرك الخط إلى اليسار، مما يعني أن المزيد من الجزيئات تمتلك الآن طاقة كافية. وهذا يعني更多的 التصادمات الفعالة كل ثانية، ومعدل أسرع.

على مخطط مسار التفاعل، يكون الطريق المُحفَز "تلة" طاقة أقل. تغير الإنثالبي للتفاعل، $\Delta H$، لا يتغير بواسطة المحفز.

هناك نوعان:

• المحفز المتجانس يكون في نفس الحالة الفيزيائية للمتفاعلات — على سبيل المثال، محفز حمضي مذاب في محلول سائل.
• المحفز غير المتجانس يكون في حالة مختلفة عن المواد المتفاعلة — على سبيل المثال، الحديد الصلب الذي يسرع تفاعل الغازات في عملية هابر.

• اشرح التغيرات في السرعة باستخدام نظرية التصادم — المزيد من التصادمات الفعّالة تكراراً و/أو بطاقة.
• على توزيع بولتزمان، عيّن $E_A$، وظلّل إلى يمينه، وأظهر أن المنحنى يستوي وينزاح لليمين عند درجة حرارة أعلى؛ يبدأ من نقطة الأصل ولا يلمس المحور أبداً.
• المحفز يوفر مساراً بديلاً بمعايير $E_A$ أقل ولا يغير $\Delta H$.
• قل لماذا يؤدي ارتفاع طفيف في درجة الحرارة إلى زيادة كبيرة في السرعة: لأن نسبة أكبر بكثير من الجزيئات تتجاوز الآن $E_A$ (وهذا هو التأثير الرئيسي).