Skip to content · ⁨דלג לתוכן⁩

Reaction kinetics · ⁨קינטיקה של תגובות⁩

A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · Topic 8 · ⁨נושא 8⁩

Video lesson for this topic · ⁨שיעור וידאו לנושא זה⁩ Open the video page · ⁨פתח את עמוד הוידאו⁩
7:13

קינטיקה של תגובות

ברזל שנותר בחוץ לוקח שנים להחליד. הדלקת מתא, והאותה כימיה כמעט – חמצן התוקף דלק – מסתיימת בפחות משנייה. אותו…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון⁩

8.1

Rate of reaction · ⁨קצב תגובה⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. explain and use the term rate of reaction, frequency of collisions, effective collisions and non-effective collisions
  2. explain qualitatively, in terms of frequency of effective collisions, the effect of concentration and pressure changes on the rate of a reaction
  3. use experimental data to calculate the rate of a reaction
עברית
  1. הסבר והשימוש במונחים קצב תגובה, תדירות התנגשויות, התנגשויות אפקטיביות והתנגשויות שאינן אפקטיביות
  2. הסבר איכותני, על בסיס תדירות ההתנגשויות האפקטיביות, של השפעת שינויים בריכוז ובלחץ על קצב התגובה
  3. שימוש בנתונים ניסויים לחישוב קצב התגובה

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English
Collision theory: energy and orientation

The rate of reaction 反应速率 is how fast reactants turn into products. We measure it as the change in concentration (or amount) in each unit of time.

To react, particles must collide 碰撞. The collision frequency 碰撞频率 is how often the particles hit each other. But not every collision leads to a reaction:

  • an effective collision 有效碰撞 has enough energy and the correct direction, so a reaction happens.
  • a non-effective collision 无效碰撞 does not have enough energy, or the particles hit at the wrong angle, so nothing happens.

So the rate depends on the frequency of effective collisions — how many useful collisions happen each second.

Concentration and pressure

If you increase the concentration of a solution (or the pressure of a gas), the particles are packed closer together. They collide more often, so there are more effective collisions each second, and the rate goes up.

You can calculate a rate from experimental data — for example, the volume of gas made divided by the time taken.

Worked example. A reaction gives off carbon dioxide. In the first $30\ \text{s}$, $48\ \text{cm}^3$ of gas is collected. Find the average rate of reaction over this time.

$$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

The rate is fastest at the start (the graph is steepest there) because the reactants are most concentrated, then it slows as they are used up.

עברית
תיאוריית התנגשות: אנרגיה וכיוון

קצב התגובה הוא קצב המעבר של חומרי המוצא למוצרים. אנו מודדים אותו כשינוי בריכוז (או בכמות) בכל יחידת זמן.

כדי להגיב, חלקיקים חייבים להתנגש. תדירות ההתנגשויות היא תדירות הפגיעה החלקיקית. אך לא כל התנגשות מובילה לתגובה:

  • התנגשות אפקטיבית יש לה מספיק אנרגיה וגם הכיוון הנכון, ולכן מתרחשת תגובה.
  • התנגדות לא-אפקטיבית אין לה מספיק אנרגיה, או שהחלקיקים פוגעים בזווית שגויה, ולכן לא מתרחש דבר.

לכן הקצב תלוי ב-תדירות ההתנגשויות האפקטיביות – כמה התנגשויות מועילות מתרחשות בשנייה.

שתי מולקולות מתנגשות: כאשר קצוות הריאקטיביים שלהן מתיישבים, מתרחשת תגובה, אך עם כיוון שגוי אין תגובה
התנגשות מגרה תגובה רק אם יש לה כיוון נכון ואנרגיה מספקת (קצוות צבעוניים = החלק הריאקטיבי)

ריכוז ולחץ

אם מעלים את ריכוז התמיסה (או את הלחץ של הגז), החלקיקים ערוכים זה לזה בצפיפות גדולה יותר. הם מתנגשים תדירות יותר, ולכן מתרחשות יותר התנגשויות אפקטיביות בשנייה, והקצב עולה.

שתי קופסאות באותו גודל, השנייה מכילה יותר חלקיקים, ולכן הם מתנגשים תדירות יותר
חלקיקים יותר בתוך אותו נפח מתנגשים תדירות יותר, ולכן הקצב עולה

ניתן לחשב קצב מהנתונים הניסויים – לדוגמה, נפח הגז שנוצר מחולק בזמן ש占据了.

דוגמא פותרת. תגובה משחררת פחמן די-אוקסיד. בתוך $30\ \text{s}$, נאסף $48\ \text{cm}^3$ של גז. מצאו את הקצב הממוצע של התגובה במהלך זמן זה.

$$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

הקצב הוא המהיר ביותר בהתחלה (הגרף תלול שם) כי חומרי המוצא הם בריכוז הגבוה ביותר, ולאחר מכן הוא מאט ככל שהם נצרכים.

Explore · ⁨חקור⁩

Rate of reaction · ⁨קצב התגובה⁩

[A] = [A]₀·bᵗ

Reactant concentration falls over time as it's used up. · ⁨ריכוז המגיב יורד עם הזמן כשהוא נצרך.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ קצב תגובה
collide/kəˈlaɪd/ התנגשות
collision frequency/kəˈlɪʒn ˈfriːkwənsi/ תדירות התנגשות
effective collision/ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ התנגשות אפקטיבית
non-effective collision/nɒn ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ התנגשה לא אפקטיבית
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ אנרגיית השפעול
Watch lesson · ⁨צפה בשיעור⁩
8.2

Temperature and activation energy · ⁨טמפרטורה ואנרגיית השפעול⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. define activation energy, $E_A$, as the minimum energy required for a collision to be effective
  2. sketch and use the Boltzmann distribution to explain the significance of activation energy
  3. explain qualitatively, in terms both of the Boltzmann distribution and of frequency of effective collisions, the effect of temperature change on the rate of a reaction
עברית
  1. הגדרת אנרגיית פעולה, $E_A$, כמינימום האנרגיה הנדרשת כדי שהתנגשות תהיה אפקטיבית
  2. ציור גרף ושימוש בחלוקת בולצמן להסבר החשיבות של אנרגיית הפעלה
  3. הסבר איכותני, על בסיס גם חלוקת בולצמן וגם תדירות ההתנגשויות האפקטיביות, של השפעת שינוי בטמפרטורה על קצב התגובה

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English
Maxwell-Boltzmann distribution

The activation energy 活化能 ($E_A$) is the minimum energy a collision needs in order to be effective.

The Boltzmann distribution 玻尔兹曼分布 is a graph showing how the energies of the molecules are spread out at one temperature. The curve starts at the origin, rises to a peak, then falls away in a long tail. The total area under the curve is the total number of molecules. Only the molecules to the right of $E_A$ have enough energy to react.

When you raise the temperature:

  • the curve flattens and spreads to the right, so a much larger fraction of molecules now have energy greater than $E_A$.
  • the molecules also move faster and collide more often.

The first effect is the bigger one. This is why a small rise in temperature gives a large rise in rate.

עברית
פיזור מקסוול-בולצמן

אנרגיית השפעול ($E_A$) היא האנרגיה המינימלית שהתנגשות צריכה כדי להיות אפקטיבית.

פיזור בולצמן הוא גרף המראה כיצד אנרגיות המולקולות מפוזרות בטמפרטורה אחת. העקומה מתחילה בנקודת המקור, עולה לשיא, ולאחר מכן יורדת בזנב ארוך. השטח הכולל מתחת לעקומה הוא סך כל מספר המולקולות. רק המולקולות מימין ל$E_A$ יש להן מספיק אנרגיה כדי להגיב.

כשמעלים את הטמפרטורה:

  • העקומה מתשטחת ומתפשטת לימין, כך שחלק הרבה גדול יותר של המולקולות יש כעת אנרגיה הגדולה מ$E_A$.
  • המולקולות נעות גם מהר יותר ונפגשות תדירות יותר.

האפקט הראשון הוא הגדול יותר. זוהי הסיבה שזינוק קטן בטמפרטורה גורם לזינוק גדול בקצב.

עקומי חלוקת בולצמן בטמפרטורה נמוכה וגבוהה, עם אנרגיית ההפעלה מסומנת והחלק המגיב מצופה
בטמפרטורה גבוהה יותר, העקומה נפרסת ימינה, ולכן חלק גדול יותר של המולקולות יכול להגיב
Explore · ⁨חקור⁩

Why heat speeds up reactions · ⁨מדוע חום מאיץ תגובות⁩

Raise the temperature: the curve spreads right, so more molecules have at least the activation energy and can react. · ⁨העלה את הטמפרטורה: העקומה מתפשטת ימינה, כך שיותר מולקולות יש לפחות אנרגיית פעילות ולכן יכולות להגיב.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
Boltzmann distribution/ˈbɒltsmən ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ חלוקת בולצמן
Watch lesson · ⁨צפה בשיעור⁩
8.3

Catalysts · ⁨זרזים⁩

Syllabus · ⁨סיילבוס⁩
English
  1. explain and use the terms catalyst and catalysis: (a) explain that, in the presence of a catalyst, a reaction has a different mechanism, i.e. one of lower activation energy (b) explain this catalytic effect in terms of the Boltzmann distribution (c) construct and interpret a reaction pathway diagram, for a reaction in the presence and absence of an effective catalyst
עברית
  1. הסבר והשימוש במונחים זרז וזירוז: (א) הסבר כי בנוכחות זרז, לתגובה יש מסלול תגובה שונה, כלומר אחד עם אנרגיית פעולה נמוכה יותר; (ב) הסבר אפקט הזירוז באמצעות חלוקת בולצמן; (ג) בניית ופרשנות של דיאגרמת מסלול תגובה, לתגובה בנוכחות ואי-נוכחות זרז אפקטיבי

Source: Cambridge International syllabus · ⁨מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'⁩

English
Reaction profile: a catalyst's lower-energy route

A catalyst 催化剂 speeds up a reaction but is not used up itself. Catalysis 催化作用 is the name for this action.

A catalyst works by giving the reaction a different reaction mechanism 反应机理 — a new route with a lower activation energy. On the Boltzmann distribution, lowering $E_A$ moves the line to the left, so more molecules now have enough energy. This means more effective collisions each second, and a faster rate.

On a reaction pathway diagram 反应路径图, the catalysed route has a lower energy "hill". The enthalpy change of the reaction, $\Delta H$, is not changed by the catalyst.

There are two types:

  • a homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants — for example, an acid catalyst dissolved in a solution of liquids.
  • a heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different state from the reactants — for example, solid iron speeding up the reaction of gases in the Haber process.
עברית
פרופיל תגובה: מסלול בעל אנרגיה נמוכה של זרז

זרז מאיץ תגובה אך אינו נבלע במהלך התהליך. הזרזה הוא השם לפעולה זו.

זרז פועל על ידי מתן לתגובה מנגנון תגובה אחר — מסלול חדש עם אנרגיית הפעלה נמוכה. בחלוקת בולצמן, הורדת $E_A$ מזיזה את הקו שמאלה, כך שיותר מולקולות כרגע יש להן מספיק אנרגיה. משמעות הדבר היא יותר התנגשויות יעילות בכל שנייה, וקצב מהיר יותר.

בתרשים מסלול תגובה, המסלול המזורז מכיל "גבעת" אנרגיה נמוכה יותר. שינוי האנתלפיה בתגובה, $\Delta H$, אינו משתנה בשל הזרז.

תרשים מסלול תגובה המשווה בין המסלול המזורז לזה שאינו מזורז, עם גבעת אנרגיית השפעול נמוכה יותר עבור המסלול המזורז ואותו שינוי אנתלפיה
קטליסטר מספק מסלול עם אנרגיית הפעלה נמוכה יותר; שינוי האנתלפיה נשאר לא משתנה

ישנם שני סוגים:

  • זרז הומוגני נמצא באותו מצב פיזיקלי כמו החומרים המגיבים — לדוגמה, זרז חומצי המומס בתמיסת נוזלים.
  • זרז הטרוגני נמצא במצב שונה מזה של החומרים המגיבים — לדוגמה, ברזל מוצק המאיץ את תגובת הגזים בתהליך האבר.
שני פאנלים: זרז הומוגני מעורבב עם חלקיקי המגיבים באותו מצב, וזרז הטרוגני כמשטח מוצק נפרד עם מגיבים מעליו
זרז הומוגני מעורבב עם החומרים המגיבים (אותו מצב); זרז הטרוגני הוא משטח נפרד (מצב שונה), שם המגיבים נפגשים ומגיבים
בלוק ממיר זרז צילינדרי עם משטח דבש עדין — זרז הטרוגני אמיתי
הממיר הקטליטי ברכב הוא זרז הטרוגני; מבנה התאים נותן לו שטח פנים עצום
Explore · ⁨חקור⁩

Catalysts · ⁨קטליזטורים⁩

a catalyst lowers Ea · ⁨קטליזטור מוריד את Ea⁩

A catalyst lowers Ea, so a bigger fraction of molecules can react — without heating. · ⁨קטליזטור מפחית את Ea, כך ששברision גדול יותר של מולקולות יכול להגיב — ללא חימום.⁩

Explore · ⁨חקור⁩

How a catalyst works · ⁨כיצד קטליזатор פועל⁩

Add a catalyst and watch the activation-energy barrier drop — it gives an easier route, without changing ΔH. · ⁨הוסף קטליזатор ותצפה את מחסום אנרגיית הפעילות לצנוח – הוא מספק דרך קלה יותר, מבלי לשנות את ΔH.⁩

Vocabulary · ⁨מילון מונחים⁩ Train · ⁨אימון⁩
English עברית
catalyst/ˈkætəlɪst/ מצעין
catalysis/kæˈtæləsɪs/ קטליזה
reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ מנגנון תגובה
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ תרשים מסלול תגובה
homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ קטליזator הומוגני
heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ קטליזator הטרוגני
Watch lesson · ⁨צפה בשיעור⁩
8.3

Exam tips · ⁨טיפים לבחינות⁩

English
  • Explain rate changes with collision theory — more frequent and/or more energetic effective collisions.
  • On a Boltzmann distribution mark $E_A$, shade to its right, and show the curve flatten and shift right at higher temperature; it starts at the origin and never touches the axis.
  • A catalyst gives an alternative route with lower $E_A$ and does not change $\Delta H$.
  • Say why a small temperature rise gives a large rate rise: a much greater proportion of molecules now exceed $E_A$ (the main effect).
עברית
  • הסבר שינויי קצב לפי תורת ההתנגשות — התנגשויות יעילות תדירות יותר ו/או בעלות אנרגיה גבוהה יותר.
  • בחלוקת בולצמן סמן $E_A$, הצלל מימינו, והראה כי העקומה מתשטחת וזזה ימינה בטמפרטורה גבוהה; היא מתחילה באות origin ואינה מגיעה לעולם לציר.
  • זרז מספק מסלול חלופי עם אנרגיית פעילות נמוכה יותר $E_A$ ואינו משנה $\Delta H$.
  • הסבר מדוע עלייה קטנה בטמפרטורה גורמת לעלייה גדולה בקצב התגובה: אחוז רב יותר של המולקולות עכשיו חוצה את $E_A$ (האפקט העיקרי).

Interactive lessons on this topic · ⁨שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.⁩

Past Papers · ⁨מבחני עבר⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩ · ⁨נושאים נוספים בA-Level Chemistry · ⁨כימיה A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨היכנס או צור חשבון⁩

IGCSE, A-Level & AP