لماذا نضع الأغذية في الثلاجة؟ ولماذا تتفتت حبة الدواء في الماء الساخن أسرع منها في البارد؟ ولماذا نفتح الموقد كي يطبخ الطعام في وقت أقل؟ كل هذه الأسئلة جوابها واحد: لأن سرعة التفاعلات الكيميائية تتغير بتغير شروط التجربة. وهذا الدرس، العوامل الحركية، هو آخر درس نظري في وحدة المتابعة الزمنية لتحول كيميائي من مادة العلوم الفيزيائية للسنة الثالثة ثانوي، ويتبعه التطبيق والتمارين. وهو درس خفيف في مفهومه، لكنه يطرح في كل اختبار تقريبًا على شكل قراءة منحنيات أو تعليل. تعرض هذه الصفحة تعريف العامل الحركي، ثم أثر درجة الحرارة، ثم أثر التراكيز الابتدائية، ثم الوسيط وأنواعه، ثم التفسير المجهري، ثم قراءة المنحنيات، وتنتهي بأخطاء شائعة وتمارين محلولة.
ما العامل الحركي؟
حركية التفاعل هي دراسة سرعة التفاعل وتطور الجملة الكيميائية مع الزمن. والعامل الحركي هو كل مقدار يعمل على تغيير سرعة التفاعل، أي يجعل التفاعل أسرع أو أبطأ.
والعوامل الحركية الأساسية هي:
- درجة الحرارة.
- التراكيز المولية الابتدائية للمتفاعلات.
- الوسيط (المحفز).
- وفي بعض الحالات: حالة تقسيم المادة الصلبة (سطح التلامس) والضوء.
تذكير بالسرعة
السرعة الحجمية للتفاعل عند اللحظة t تعطى بالعلاقة:
v(t) = (1 / V) · dx/dt
حيث x تقدم التفاعل و V حجم الخليط. وهي تساوي الميل (مع القسمة على الحجم) للمماس لمنحنى x = f(t) عند هذه اللحظة. وتتناقص السرعة عادة مع الزمن لأن المتفاعلات تستهلك. ونعرف زمن نصف التفاعل t1/2 بأنه الزمن اللازم ليبلغ التقدم نصف قيمته النهائية.
أولًا: أثر درجة الحرارة
النتيجة التجريبية: كلما ارتفعت درجة حرارة الوسط التفاعلي زادت سرعة التفاعل، وكلما انخفضت درجة الحرارة تناقصت السرعة.
مثال: تفاعل أيونات اليود مع بيروكسوديكبريتات، أو تفاعل حمض الأوكساليك مع البرمنغنات: نجري التجربة نفسها في أنبوبين، الأول عند 20°C والثاني عند 40°C، فيزول لون البرمنغنات في الثاني أسرع.
الاستعمال في الحياة: الطبخ على النار يسرع التفاعلات، والتبريد في الثلاجة يبطئها فيحفظ الطعام من التلف. وفي المخبر نستعمل التبريد المفاجئ (الغمر في ماء مثلج) لإيقاف تفاعل بطيء ومعايرته.
ثانيًا: أثر التراكيز المولية الابتدائية
النتيجة التجريبية: كلما زاد التركيز الابتدائي لأحد المتفاعلات زادت سرعة التفاعل في بدايته.
مثال: نجري تفاعل شاردة اليود I⁻ مع الماء الأكسجيني H₂O₂ بتركيزين مختلفين من I⁻، فنجد أن ثنائي اليود يتكون أسرع في الخليط الأكثر تركيزًا.
وفي الأحوال الأخرى يمكن قراءة ذلك على المنحنيات: كلما كان ميل المماس عند اللحظة t = 0 أكبر كانت السرعة الابتدائية أكبر.
ثالثًا: الوسيط
الوسيط (أو الحفاز) هو نوع كيميائي يسرع تفاعلًا ولا يظهر في معادلته ولا يستهلك في نهايته، فيمكن استرجاعه.
خصائص الوسيط
- يسرع التفاعل دون أن يغير الحالة النهائية للجملة، فلا يغير التقدم الأقصى ولا مردود التفاعل.
- انتقائي: وسيط معين يسرع تفاعلًا معينًا.
- لا يظهر في المعادلة الإجمالية لأنه يستهلك ثم يتجدد.
- يعمل بكميات صغيرة.
أنواع الوسيط
- الوسيط المتجانس: يوجد في الطور نفسه الذي توجد فيه المتفاعلات. مثال: شوارد
Fe³⁺في تفكك الماء الأكسجيني. - الوسيط غير المتجانس: طوره يختلف عن طور المتفاعلات. مثال: البلاتين الصلب مع الغازات.
- الوسيط الأنزيمي: الأنزيمات التي تسرع التفاعلات في الكائنات الحية، وهي شديدة الانتقائية، مثل أنزيم الكاتالاز الذي يفكك الماء الأكسجيني في الدم والكبد.
مثال تجريبي
تفكك الماء الأكسجيني: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ تفاعل بطيء. فإذا أضفنا قطرات من محلول يحوي شوارد Fe³⁺ ازدادت وتيرة انطلاق غاز O₂ بشكل ملحوظ، ثم نجد أن كمية الغاز الكلية في النهاية واحدة بوجود الوسيط وبدونه.
التفسير المجهري: التصادمات الفعالة
التفاعل الكيميائي يحتاج إلى تصادم بين دقائق المتفاعلات، لكن ليس كل تصادم يؤدي إلى تفاعل. ويسمى التصادم الذي ينتج عنه تفاعل تصادمًا فعالًا، وهو الذي تكون فيه الدقائق قوية الحركة بما يكفي (طاقة كافية) وبالاتجاه المناسب.
- ارتفاع درجة الحرارة: تتحرك الدقائق أسرع فيزداد عدد التصادمات في الثانية، وتزداد نسبة التصادمات الفعالة، فتزداد السرعة.
- زيادة التركيز: يزداد عدد الدقائق في وحدة الحجم فيكثر التصادم، فتزداد السرعة.
- الوسيط: يوفر مسارًا بديلًا للتفاعل يتطلب طاقة أقل، فتزداد نسبة التصادمات الفعالة.
قراءة المنحنيات
نرسم عادة x = f(t) لتجربتين تختلفان في عامل حركي واحد:
- في كلتا التجربتين يصل المنحنيان إلى التقدم الأقصى نفسه (إذا لم تتغير كميات المتفاعلات)، فالعامل الحركي يغير الزمن اللازم لبلوغه ولا يغير القيمة النهائية.
- المنحنى الأكثر انحدارًا في البداية يوافق الظروف الأسرع (حرارة أعلى، تركيز أكبر، وجود وسيط).
- زمن نصف التفاعل
t1/2أصغر في الظروف الأسرع.
مثال لتعليل منحنى
يعطى منحنيان x1(t) و x2(t) لتجربتين، ويكون x1 أكثر انحدارًا ويبلغ القيمة النهائية نفسها. التعليل: التجربة الأولى أسرع لأن ميل مماس المنحنى عند اللحظة 0 أكبر، والتقدم النهائي واحد لأن كميات المتفاعلات ابتدائيًا واحدة، فالعامل المتغير (الحرارة مثلًا) حركي لا يغير الحالة النهائية.
أخطاء شائعة
- القول إن الوسيط يزيد مردود التفاعل أو يغير الحالة النهائية.
- كتابة الوسيط في معادلة التفاعل الإجمالية.
- القول إن زيادة التركيز تزيد التقدم الأقصى دائمًا. هي تزيده فقط إذا زدنا كمية المتفاعل المحد.
- الخلط بين سرعة التفاعل وتقدم التفاعل.
- نسيان أن سرعة التفاعل تتناقص مع الزمن عادة.
- نسيان ذكر العامل المتغير والعامل الثابت عند المقارنة بين التجارب.
أسئلة للتدرب
- عرّف العامل الحركي واذكر ثلاثة عوامل.
- ما الفرق بين الوسيط المتجانس وغير المتجانس؟
- لماذا تحفظ الأطعمة في الثلاجة؟
- فسّر مجهريًا أثر رفع درجة الحرارة في السرعة.
الأجوبة النموذجية:
- مقدار يغير سرعة التفاعل: درجة الحرارة، والتركيز، والوسيط.
- المتجانس في طور المتفاعلات نفسه، وغير المتجانس في طور مختلف.
- لأن انخفاض الحرارة يبطئ التفاعلات التي تتلف الطعام.
- تتحرك الدقائق بسرعة أكبر فيزداد عدد التصادمات الفعالة في وحدة الزمن.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، تقدم الأستاذة سلمى في فيديو «العوامل الحركية، العلوم الفيزيائية بكالوريا 2024» هذا الدرس في نحو خمس وعشرين دقيقة، وهو آخر فيديو في وحدة المتابعة الزمنية، وتصفه بأنه درس خفيف يبدأ بسؤال: ما العامل الحركي؟ ثم تبقى بعده الدروس التطبيقية والتمارين.