الوحدة الخامسة

معدّل سرعة التفاعل وتغيرات الطاقة

⬇

1️⃣ معدّل سرعة التفاعل الكيميائي

🔬 التعريف

معدّل سرعة التفاعل (Reaction Rate): هو المدة الزمنية التي يستغرقها حدوث التغيّر في كمية إحدى المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال مدّة زمنية مُعيّنة.

معدّل سرعة التفاعل = التغيّر في الكمية / الزمن
💡 ملاحظة مهمة: السرعة هي معدّل المسافة المقطوعة في مدة زمنية محدّدة، وكذلك في الكيمياء يكون من المفيد أيضاً معرفة معدّل سرعة التفاعل.

📊 وحدات قياس معدّل سرعة التفاعل

تُحسب سرعة التفاعل الكيميائي من خلال حساب معدّل استهلاك إحدى المواد المتفاعلة أو تكوّن إحدى المواد الناتجة في مدّة زمنية محددة.

الوحدة الاستخدام مثال
g/min غرام في الدقيقة 1.55 g في 3.5 min
mL/s ملليلتر في الثانية 60 mL في 20 s
mol/L·s مول لكل لتر في الثانية للتركيز المولي
📝 مثال تطبيقي:

إذا نتج 60 mL من الهيدروجين في 20 ثانية من تفاعل حمض الهيدروكلوريك مع الماغنسيوم:

معدّل السرعة = 60 mL ÷ 20 s = 3 mL/s

2️⃣ العوامل المؤثرة في معدّل سرعة التفاعل

📏

مساحة سطح المواد المتفاعلة

كلما زادت مساحة السطح، زادت سرعة التفاعل

🧪

تركيز المواد المتفاعلة

زيادة التركيز تزيد سرعة التفاعل

🌡️

درجة الحرارة

ارتفاع درجة الحرارة يزيد السرعة

⚗️

العامل الحفّاز

يزيد السرعة دون أن يُستهلك

🔍 شرح تفصيلي للعوامل

1. مساحة سطح المواد المتفاعلة

كلما كانت المادة الصلبة المتفاعلة مسحوقة، زادت مساحة سطحها وزاد معدّل سرعة التفاعل.

مثال: عند إضافة قطعة من الحجر الجيري إلى حمض الهيدروكلوريك، يتصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون ببطء. لكن عند استخدام مسحوق الحجر الجيري، يحدث التفاعل بسرعة أكبر.

2. تركيز المواد المتفاعلة

يؤدي استخدام محلول أكثر تركيزاً من المادة المتفاعلة إلى زيادة معدّل سرعة التفاعل الكيميائي.

CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

3. درجة الحرارة

تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة معدّل سرعة التفاعل الكيميائي لأن الجزيئات تتحرك بسرعة أكبر وتتصادم بطاقة أعلى.

💡 كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة الحركية للجزيئات، مما يزيد احتمالية التصادمات الفعّالة.

4. العامل الحفّاز (Catalyst)

مادة تزيد معدّل سرعة التفاعل الكيميائي دون أن يحدث تغيّر كيميائي فيها، ويدور في الوسط دون أن يُستهلك.

مثال: أكسيد المنجنيز (IV) يُستخدم كعامل حفّاز لتحلل بيروكسيد الهيدروجين:

2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)

3️⃣ نظرية التصادم وطاقة التنشيط

💥 نظرية التصادم (Collision Theory)

تفسّر نظرية التصادم سبب تأثير التركيز ودرجة الحرارة على معدّل سرعة التفاعل الكيميائي.

الفرضيات الأساسية:
  • ✓ جزيئات المادة المتفاعلة (ذرات أو أيونات) في حركة مستمرة
  • ✓ يمكن أن تصطدم الجزيئات ببعضها مكونة جزيئات جديدة
  • ✓ ليس كل تصادم يؤدي إلى تفاعل كيميائي
  • ✓ التصادم الفعّال يتطلب طاقة كافية واتجاه مناسب

🎯 عرض تفاعلي: محاكاة التصادمات

⚡ طاقة التنشيط (Activation Energy)

هي الحد الأدنى من الطاقة في الجزيئات المتصادمة التي يجب أن تتوفر لكي يحدث التفاعل الكيميائي.

📊 مخطط الطاقة

💡 تأثير العامل الحفّاز: يخفض طاقة التنشيط المطلوبة، مما يسمح لعدد أكبر من الجزيئات بالتفاعل عند نفس درجة الحرارة.

4️⃣ تغيرات الطاقة في التفاعلات الكيميائية

🔥 التفاعل الطارد للحرارة (Exothermic Reaction)

تفاعل كيميائي يطلق الطاقة الحرارية إلى الوسط المحيط، حيث تنطلق الطاقة على شكل حرارة أو ضوء.

أمثلة على التفاعلات الطاردة:
  • 🔥 احتراق الوقود (الخشب، الفحم، البنزين)
  • 💥 الانفجارات
  • 🧪 تفاعل الحمض مع القاعدة (التعادل)
  • 🏭 صدأ الحديد
المتفاعلات → النواتج + طاقة حرارية
⚠️ ملاحظة: في التفاعل الطارد، طاقة الروابط المتكونة في النواتج أكبر من طاقة الروابط المكسورة في المتفاعلات.

❄️ التفاعل الماص للحرارة (Endothermic Reaction)

تفاعل كيميائي يمتص الطاقة الحرارية من الوسط المحيط.

أمثلة على التفاعلات الماصة:
  • 🧊 ذوبان الجليد
  • 🌡️ تبخر الماء
  • 🧪 التحليل الكهربائي للماء
  • 🌱 عملية البناء الضوئي
المتفاعلات + طاقة حرارية → النواتج
💡 في التفاعل الماص، يكون الوسط المحيط أبرد لأن التفاعل يسحب الطاقة من البيئة.

⚖️ مقارنة بين التفاعلين

وجه المقارنة التفاعل الطارد 🔥 التفاعل الماص ❄️
اتجاه الطاقة من التفاعل إلى المحيط من المحيط إلى التفاعل
درجة حرارة المحيط ترتفع تنخفض
طاقة النواتج أقل من المتفاعلات أكبر من المتفاعلات
الاستقرار النواتج أكثر استقراراً المتفاعلات أكثر استقراراً

📝 أسئلة متوقعة مع الإجابات

السؤال 1: ما هو معدّل سرعة التفاعل الكيميائي؟
أ) كمية المادة المستهلكة فقط
ب) الزمن اللازم للتفاعل
ج) التغيّر في كمية المواد خلال مدة زمنية محددة ✓
د) عدد التصادمات بين الجزيئات
الإجابة الصحيحة: ج
معدّل سرعة التفاعل هو المدة الزمنية التي يستغرقها حدوث التغيّر في كمية إحدى المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال مدّة زمنية معيّنة.
السؤال 2: أي من العوامل التالية يزيد من سرعة التفاعل الكيميائي؟
أ) تقليل التركيز
ب) خفض درجة الحرارة
ج) زيادة مساحة السطح ✓
د) إزالة العامل الحفّاز
الإجابة الصحيحة: ج
زيادة مساحة السطح تزيد من عدد الجزيئات المعرّضة للتفاعل، مما يزيد احتمالية التصادمات الفعّالة وبالتالي سرعة التفاعل.
السؤال 3: ما دور العامل الحفّاز في التفاعل الكيميائي؟
أ) يُستهلك أثناء التفاعل
ب) يخفض طاقة التنشيط المطلوبة ✓
ج) يزيد كمية النواتج
د) يغير اتجاه التفاعل
الإجابة الصحيحة: ب
العامل الحفّاز يزيد سرعة التفاعل بتخفيض طاقة التنشيط المطلوبة، دون أن يُستهلك في التفاعل أو يغير من كمية النواتج.
السؤال 4: في التفاعل الطارد للحرارة:
أ) يمتص الطاقة من المحيط
ب) يطلق الطاقة إلى المحيط ✓
ج) لا تتغير درجة الحرارة
د) النواتج أعلى طاقة من المتفاعلات
الإجابة الصحيحة: ب
التفاعل الطارد للحرارة يطلق الطاقة على شكل حرارة أو ضوء إلى الوسط المحيط، مما يجعل الوسط أكثر دفئاً.
السؤال 5: ما هي طاقة التنشيط؟
أ) الطاقة الكلية للتفاعل
ب) الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل ✓
ج) الفرق بين طاقة المتفاعلات والنواتج
د) طاقة الروابط الكيميائية
الإجابة الصحيحة: ب
طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تتوفر في الجزيئات المتصادمة لكي يحدث التفاعل الكيميائي.
السؤال 6: عند زيادة تركيز حمض الهيدروكلوريك في تفاعله مع كربونات الصوديوم، فإن:
أ) سرعة التفاعل تزداد ✓
ب) سرعة التفاعل تقل
ج) سرعة التفاعل لا تتغير
د) يتوقف التفاعل
الإجابة الصحيحة: أ
زيادة التركيز تزيد من عدد جزيئات المادة المتفاعلة في وحدة الحجم، مما يزيد احتمالية التصادمات وبالتالي سرعة التفاعل.
السؤال 7: أي من التفاعلات التالية يُعتبر طارداً للحرارة؟
أ) احتراق الخشب ✓
ب) ذوبان الجليد
ج) التحليل الكهربائي للماء
د) تبخر الماء
الإجابة الصحيحة: أ
احتراق الخشب تفاعل طارد للحرارة لأنه يطلق طاقة حرارية كبيرة. أما الخيارات الأخرى فهي تفاعلات ماصة للحرارة.
السؤال 8: لماذا يُستخدم مسحوق الرخام بدلاً من قطعة كبيرة منه عند التفاعل مع الحمض؟
أ) لتقليل سرعة التفاعل
ب) لزيادة مساحة السطح المعرّض للتفاعل ✓
ج) لتقليل كمية الغاز المتصاعد
د) لخفض درجة حرارة التفاعل
الإجابة الصحيحة: ب
استخدام مسحوق الرخام يزيد من مساحة السطح المعرّض للحمض، مما يزيد عدد الجزيئات التي يمكنها التفاعل في وقت واحد.
السؤال 9: في نظرية التصادم، التصادم الفعّال يتطلب:
أ) سرعة عالية فقط
ب) اتجاه صحيح فقط
ج) طاقة كافية واتجاه مناسب معاً ✓
د) عدد كبير من الجزيئات فقط
الإجابة الصحيحة: ج
التصادم الفعّال يحتاج إلى شرطين: طاقة كافية (أكبر من طاقة التنشيط) واتجاه مناسب للجزيئات المتصادمة.
السؤال 10: ماذا يحدث لسرعة التفاعل عند رفع درجة الحرارة من 20°C إلى 50°C؟
أ) تزداد السرعة بشكل كبير ✓
ب) تقل السرعة
ج) لا تتغير السرعة
د) يتوقف التفاعل
الإجابة الصحيحة: أ
رفع درجة الحرارة يزيد من الطاقة الحركية للجزيئات، مما يزيد عدد التصادمات الفعّالة وبالتالي سرعة التفاعل بشكل ملحوظ.

📌 ملخص الوحدة - نقاط رئيسية

🎯 أهم المفاهيم

1. معدّل سرعة التفاعل: هو معدّل التغيّر في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال زمن معيّن.
2. العوامل المؤثرة: مساحة السطح، التركيز، درجة الحرارة، والعامل الحفّاز.
3. نظرية التصادم: تفسّر أن التفاعل يحدث عند تصادم الجزيئات بطاقة كافية واتجاه مناسب.
4. طاقة التنشيط: الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل الكيميائي.
5. التفاعل الطارد: يطلق طاقة حرارية للمحيط (مثل: الاحتراق).
6. التفاعل الماص: يمتص طاقة حرارية من المحيط (مثل: الذوبان).
7. العامل الحفّاز: يزيد سرعة التفاعل بتخفيض طاقة التنشيط دون أن يُستهلك.

🔬 معادلات مهمة

معدّل سرعة التفاعل = التغيّر في الكمية ÷ الزمن
تفاعل طارد: المتفاعلات → النواتج + طاقة
تفاعل ماص: المتفاعلات + طاقة → النواتج