سرعت واکنش

سرعت واکنش ، عبارت از تغییر غلظت هر یک از مواد اولیه یا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است.

نگاه کلی

سرعت یک واکنش ، روند تبدیل مواد واکنش دهنده به محصول در مدت زمان معینی را نشان می‌دهد. سرعت واکنشها یکی از مهمترین بحثها در سینیتیک شیمیایی است. شیمیدانها همیشه دنبال راهی هستند که سرعت واکنش مفید را بالا ببرند تا مثلا در زمان کوتاه بازده بالایی داشته باشند و یا در پی راهی برای کاهش سرعت یا متوقف ساختن برخی واکنشهای مضر هستند. بعنوان مثال رنگ کردن سطح یک وسیله آهنی روشی برای متوقف ساختن و یا کم کردن سرعت زنگ زدگی و جلوگیری از ایجاد اکسید آهن است.

طبقه بندی واکنشها برحسب سرعت

هدف از مطالعه سرعت یک واکنش این است که بدانیم آن واکنش چقدر سریع رخ می‌دهد. ترمودینامیک شیمیایی ، امکان وقوع واکنش را پیش‌بینی می‌کند، اما سینتیک شیمیایی چگونگی انجام یک واکنش و مراحل انجام آن و سرعت پیشرفت واکنش را بیان می‌کند. از لحاظ سرعت ، واکنشها به چند دسته تقسیم می‌شوند:

1. واکنشهای خیلی سریع که زمان انجام این واکنشها خیلی کم و حدود 0,0001 ثانیه است.
   
   
2. واکنشهای سریع که زمان انجام این واکنشها کم و در حدود حساسیت انسان به زمان (ثانیه) است.
   
   
3. واکنشهای معمولی ، اکثر واکنشهایی که در آزمایشگاهها با آنها سر و کار داریم از این نوع هستند و در حدود دقیقه‌ها یا چند ساعت طول می‌کشند.
   
   
4. واکنشهای کند که در حدود روزها و هفته‌ها طول می‌کشند.
   
   
5. واکنشهای خیلی کند که در حدود سالها و قرنها طول می‌کشند.
   
   

فقط تعداد اندکی از واکنشهای شیمیایی در سراسر فرآیند با سرعت ثابتی پیش می‌روند. بیشتر واکنشها در آغاز واکنش که غلظت واکنش‌دهنده‌ها بالا است با سرعت پیش رفته و با کم شدن غلظت از سرعت کاسته شده و با کامل شدن واکنش به صفر می‌رسد. برخی از واکنشها هم سرعت آنها پس از مدتی ثابت می‌ماند. چنین واکنشهایی ، واکنشهای تعادلی نام دارند.

عوامل مؤثر بر سرعت واکنش

عوامل گوناگونی بر سرعت واکنش تاثیر دارند که بطور مختصر در مورد هر کدام توضیحی ارائه می‌شود.

حالت فیزیکی واکنش دهنده‌ها

برای انجام یک واکنش ، واکنش‌دهنده‌ها باید با هم مخلوط شوند تا در مجاورت همدیگر قرار گیرند. اگر واکنش‌دهنده‌ها هم‌فاز باشند، یعنی همگی گاز یا بصورت حل شده در حلالی باشند، واکنش با سرعت بیشتری رخ می‌دهد.

غلظت

غلظت بیشتر واکنش‌دهنده‌ها باعث ایجاد برخورد بیشتر بین آنها می‌شود و هر چه تعداد برخوردها بیشتر باشد، تعداد برخوردهای موثر هم بالا می‌رود بنابراین سرعت واکنش هم بیشتر می‌شود.

دما

از مهمترین عوامل مؤثر بر سرعت واکنشهای شیمیایی است. در برخی از واکنشها با افزایش چند درجه سانتی‌گراد ، سرعت واکنش ممکن است چند برابر بیشتر شود. البته استثناهایی هم وجود دارد.

کاتالیزور

کاتالیزورها سرعت یک واکنش شیمیایی را که از لحاظ ترمودینامیکی قابل انجام است، تغییر می‌دهند. بنابراین نمی‌توانند واکنشهایی را که از نظر ترمودینامیک امکان‌پذیر نیستند، به انجام برسانند. کاتالیزورها با پیش بردن یک واکنش از مسیر دیگر انرژی فعالسازی را کم کرده و باعث افزایش سرعت واکنشها می‌شوند.

نقش برخورد در سرعت واکنش

برای انجام یک واکنش شیمیایی ، باید مولکولهای واکنش‌دهنده آنقدر به هم نزدیک شوند تا بین آنها برخورد ایجاد شود. این برخوردها وقتی منجر به انجام واکنش می‌شوند که مؤثر باشند، یعنی جهت‌گیری و انرژی برخوردها طوری باشد که بر اثر برخورد برخی پیوندها شکسته شده و پیوندهای جدیدی تشکیل شوند که نتیجه این عمل تولید مولکولهای جدید یعنی محصول است.

سرعت هر واکنش شیمیایی متناسب است با تعداد برخورد مولکولها در واحد زمان. اگر تمام برخوردهای مولکولها منجر به انجام واکنش شود، مدت زمان انجام واکنشها باید خیلی کمتر باشد. طبق محاسبات مختلف از هر 1014 برخورد ، فقط یک برخورد به واکنش منجر می‌شود. یعنی برخوردهایی موجب انجام واکنش می‌شوند که انرژی حاصل از برخورد برابر یا بیشتر از انرژی فعالسازی باشد.

انرژی فعالسازی

حداقل انرژی لازم که بایستی واکنش‌دهنده‌ها بگیرند تا بتوانند وارد واکنش شوند. انرژی فعالسازی برای تمام واکنش‌های شیمیایی چه گرماگیر و چه گرماده وجود دارد و معمولا از انرژی برخورد میان مولکولها تامین می‌شود

عوامل موثر بر واکنش هاي شيميايي

عوامل موثر بر واکنش هاي شيميايي (Main Parameters in Chemical Reactions)

عوامل متعددي وجود دارند که بر سرعت واکنش هاي شيميايي موثرند که مهمترين آنها به ترتيب اولويت عبارتند از ....

عوامل موثر بر واکنش هاي شيميايي (Main Parameters in Chemical Reactions)

---

عوامل موثر بر واکنش هاي شيميايي (Main Parameters in Chemical Reactions)

عوامل متعددي وجود دارند که بر سرعت واکنش هاي شيميايي موثرند که مهمترين آنها به ترتيب اولويت عبارتند از :

دما ، غلظت مواد واکنش دهنده و محصولات ، فشار ، ماهيت ونوع مواد واکنش دهنده ، اندازه ي ذرات مواد واکنش دهنده و ميزان سطح تماس ، کاتاليزور ، بازدارنده ها (متوف کننده ها ) ، وجود حلال در محيط ، وجود عوامل خارجي نظير نور و ضربه .در ادامه به بررسي دقيق تر چند مورد از عوامل موثر بر سرعت واکنشهاي شيميايي خواهيم پرداخت.

1-    دما (Temperature )
تجربه نشان داده است که سرعت کليه ي واکنشهاي شيميايي اعم از گرمازا و گرماگير با افزايش دما بالا مي رود ؛ به نحوي که معمولاً با افزايش دمايي در حدود ده درجه ي سانتيگراد سرعت واکنش دو برابر مي شود. اغلب واکنشهايي که در دماهاي کم داراي سرعت پاييني هستند، در دماهاي زياد سرعتي قابل توجه خواهند داشت .  سرعت برخي از واکنشها در دماهاي زياد به حدي بالا مي رود که امکان کنترل آنها از دست مي رود و حتي ممکن است باروندي انفجاري همراه باشد. در دماهاي زياد ، مولکول هاي مواد واکنش دهنده به دليل برخورداري از انرژي جنبشي بيشتر ،‌ داراي برخوردهاي زيادتري خواهند بود .در نتيجه آسانتر مي توانند انرژي فعالسازي را فراهم کنند و به کمپلکس فعال تبديل شوند .
تقليل زمان پخت غذا درديگ زودپز و فاسد شدن سريع مواد غذايي دردماي اطاق و محيط خارج از يخچال ، نشانه ي تأثير دما بر سرعت واکنشهاي شيميايي است .

2-    نقش غلظت و فشار در سرعت واکنش هاي شيميايي (Concentration and Pressure)
به منظور جلوگيري از تداخل اثرات دما و غلظت بر واکنشهاي شيميايي ، مطالعه ي اثر غلظت بر سرعت واکنشهاي شيميايي در دماي ثابتي انجام مي شود . بر اساس شواهد تجربي ،سرعت اکثر واکنشها به غلظت مواد واکنش دهنده و نيز فشاري که تحت آن، اين مواد با يکديگرواکنش مي دهند ، بستگي دارد . اين وابستگي نيز به صورت مستقيم است ؛ بدين معنا که اگر غلظت مواد اوليه بيشتر شود ، بر سرعت واکنش نيز افزوده خواهد شد .
معمولاً در شروع هر واکنش شيميايي که غلظت مواد اوليه در آن قابل توجه است ، با توجه به برخوردهاي بيشتر مولکولها ، سرعت واکنش نيز بيشتر است؛ ولي با گذشت زمان و با کاهش غلظت مواد اوليه ، بتدريج از سرعت واکنش کاسته مي شود .

در اين سه ظرف آب اکسيژنه بر روي پتاسيم پرمنگنات ريخته مي شود . هرچه مقدار پرمنگنات بيشتر باشد ، گاز اکسيژن متصاعد شده نيز بيشتر است . ( از راست به چپ برشدت واکنش افزوده مي شود.)

در اغلب واکنش هاي شيميايي ، افزايش غلظت يا فشار محصولات موجب کاهش سرعت انجام واکنش مي گردد ؛ اما  در برخي از واکنش هاي شيميايي ، خود محصولات مي توانند به عنوان  کاتاليزور عمل نمايند . در اين صورت ، افزايش غلظت محصولات سبب افزايش سرعت واکنش مي شود. اين گونه واکنشها به «واکنشهاي خود کاتاليز » معروفند .
با توجه به تأثير غلظت و فشار برسرعت واکنش ، براي جلوگيري از کاهش سرعت واکنش ، بايد از کاهش غلظت يا فشارمواد واکنش دهنده جلوگيري نمود .بنابراين لازم است که به طورمداوم ، مواد واکنش دهنده را به محيط آزمايش اضافه کرد . علت اصلي زياد بودن سرعت درواکنشهاي رسوبي و يا واکنشهايي که در آنها گاز توليد مي شود ، خروج محصولات از محيط واکنش است .

3-    نقش ماهيت و نوع مواد برسرعت واکنشهاي شيميايي
قطعات بسيار کوچک عناصري مانند مس ، نقره و آهن حتي در حضور شعله هم به کندي با اکسيژن واکنش مي دهند . اين در حالي است که قطعات بزرگ منيزيم به سرعت در هوا مي سوزند و گرد سفيد منيزيم اکسيد (MgO) را بر جاي مي گذارند .

فلز منيزيم باايجاد نوربسيار خيره کننده اي در هوا مي سوزد.

يون هاي نقره و کلريد به سرعت با يکديگرترکيب شده و رسوب سفيد رنگ نقره کلريد Ag Cl)) را به وجود مي آورند. اين در حالي که واکنش بين يون هاي منيزيم و اُگزالات بسيار کند است .
فسفر سفيد نيز خودبخود در هوا آتش مي گيرد ؛ اما فسفر قرمز در مجاورت هوا تقريباً پايدار است .

فسفرسفيد آنقدرواکنش پذيراست که آنرا درزير آب نگهداري مي کنند.

با آنکه فسفر قرمز از اتمهاي فسفرتشکيل مي شود ، اما به دليل تفاوت در آرايش وتعداد اتمها با فسفرسفيد متفاوت است ودر مجاورت هوا نسبتاً پايدار است .

4-    نقش اندازه ذرات مواد واکنش دهنده و ميزان سطح تماس در واکنشهاي ناهمگن
واکنشهاي ناهمگن فقط در سطوح مرزي بين فازهاي واکنش دهنده رخ مي دهند. سرعت اين واکنشها با ميزان سطح تماس ذرات رابطه اي مستقيم دارد ؛ يعني هر قدر که مساحت سطح تماس ذرات بيشتر شود ، بر سرعت واکنش نيز افزوده مي گردد . به عنوان مثال ، در هواي مرطوب ، يکسيم ظرفشويي خيلي سريع تر از يک ميخ آهني زنگ مي زند . همچنين ذرات پودر شده ي زغال خيلي بهتر از قطعات درشت آن مي سوزند .

5-    نقش کاتاليزور (Catalyzer)
کاتاليزورها در اکثرواکنشهاي شيميايي حضور دارند و کارايي آنها بر کسي پوشيده نيست . کاتاليزورها با ايجادسطح تماس بيشتر بين مولکولهاي مواد واکنش دهنده ، ميل ترکيبي و خفته ي برخي از مواد را بيدار مي کنند . البته نبايستي چنين تصور کرد که کاتاليزورها قادرند تمامي واکنشهاي شيميايي ناممکن را عملي سازند .
هر کاتاليزور فقط مناسب يک يا چند واکنش است . انتخاب درست کاتاليزور مي تواند به نتايجي از قبيل کاهش قابل توجه انرژي فعال سازي ، کوتاهتر شدن مسير انجام واکنش ، کمتر شدن مدت زمان انجام آزمايش وبالاخره افزايش سرعت واکنش منجر شود.

بعضي اوقات ممکن است يکي از محصولات واکنش ، نقش کاتاليزوري را نيز ايفا کند و در پيشبرد واکنش سهم بسزايي داشته باشد . براي مثال در واکنش پتاسيم پرمنگنات KMnO4 و اُگزاليک اسيد H2C2O4 در محيط اسيدي

2KMnO4 + 5H2C2O4 + 3H2SO4    »»»»»»    2KMnO4+ K2SO4 + 10CO2 + 8H2O

انتظار مي رود که با تشکيل Mn2+ و نقش کاتاليزوري آن سرعت واکنش زياد شود .
از ديگر کاتاليزورها مي توان به آنزيم ها اشاره داشت که از کاتاليزورهاي زيستي هستند .

ساختارکلي يک آنزيم به عنوان کاتاليزور زيستي – به جايگاه پذيرنده Active Site آن توجه کنيد.

ل مختلف عملکرد آنزيم سوکراز در بدن -  اين آنزيم قند سوکراز را به قندهاي ساده تر گلوکز و فروکتوز تبديل مي کند .
6-    نقش بازدارنده ها ( Inhibitors)
بازدارنده ها بر خلاف کاتاليزورها سرعت واکنشهاي شيميايي را کاهش مي دهند . بازدارنده ها از طريق جذب عوامل فعال واکنش ( اتمها ، يونها و راديکالها)‌و يا از طريق کاهش سطح تماس مي توانند سرعت واکنشها را به حداقل برسانند .

در مواقع اضطراري که امکان متوقف کردن واکنشها از طريق تعديل غلظت يا فشار مواد واکنش دهنده و يا خارج نمودن کاتاليزور وجود ندارد ، از يک بازدارنده ي مناسب استفاده مي شود . بازدارنده مي تواند يکي از محصولات واکنش باشد؛ مثلاً در واکنش تجزيه ي آمونياک در حضور پلاتين داغ

2NH3 »»»» Pt »»»»»» N2 + 3H2

با جلوگيري از خروج گاز هيدروژن و اشباع سطح پلاتين به وسيله ي مولکولهاي هيدروژن، واکنش متوقف مي شود . در صنايع شيميايي ، اين عمل اصطلاحاً « مسموم شدن کاتاليزور » مي گويند .
براي جلوگيري از زنگ زدن آهن ، آن را رنگ مي زنند .همچنين براي جلوگيري از فاسد شدن مواد غذايي نظير مرباها و کنسروها از بنزوات سديم بافرمول شيميايي C6H5COONa  استفاده مي شود .

7-    وجود حلال در محيط
شکي نيست که قسمت اعظم واکنشهاي شيميايي در محلولها انجام مي شوند ؛ مثلاً اگر سديم کلريد NaCl خشک را به نقره نيترات AgNO3 خشک اضافه کنيم و سپس مخلوط حاصل رابه هم بزنيم ، هيچ واکنشي مشاهده نمي شود . اما به محض اظافه کردن آب به اين مخلوط شاهد واکنش فوري اين دو ماده با يکديگر و تشکيل رسوب سفيد رنگ نقره کلريد AgCl خواهيم بود .
NaCl + AgNO3  »»»»»»»» NaNO3 + AgCl