حركية التفاعلات في كيمياء A Level: معادلات السرعة والرتب وعمر النصف والآليات

موقع حركية التفاعلات في كل منهج

الأفكار الأساسية

تتفاعل الجسيمات فقط عندما تتصادم بطاقة تساوي طاقة التنشيط أو تزيد عليها وفي الاتجاه الصحيح. رفع الحرارة يزيح توزيع بولتزمان فيزيد كثيرًا عدد الجزيئات التي طاقتها فوق Ea، ولهذا ترتفع السرعة بشدة مع الحرارة. والعامل الحفاز يوفر مسارًا بديلًا بطاقة تنشيط أقل.

معادلة السرعة rate = k[A]^m[B]^n تُستنتج من التجربة لا من المعادلة الموزونة. الرتبة صفر تعني أن التركيز لا يؤثر، والأولى أن السرعة تتناسب مع التركيز، والثانية مع مربعه. في منحنى التركيز والزمن تكون الرتبة صفر خطًا مستقيمًا، والرتبة الأولى عمر نصفها ثابت.

المواد في معادلة السرعة هي المشاركة في الخطوة المحددة للسرعة (الأبطأ) أو قبلها. فمثلًا تحلل 2-برومو-2-ميثيل بروبان سرعته rate = k[(CH3)3CBr]، فالخطوة البطيئة لا تتضمن إلا الهالوجينوألكان، وهذا دليل على آلية SN1. ولإدكسل: معادلة أرهينيوس تعطي ln k = ln A - Ea/(RT)، فميل رسم ln k مقابل 1/T يساوي -Ea/R.

مثال محلول ١: معادلة السرعة وk من السرعات الابتدائية

1. التجربة ١: [A] = 0.10 و[B] = 0.10 والسرعة 2.0 × 10^-4. التجربة ٢: [A] = 0.20 و[B] = 0.10 والسرعة 8.0 × 10^-4. التجربة ٣: [A] = 0.10 و[B] = 0.20 والسرعة 4.0 × 10^-4.
2. من ١ و٢: تضاعف [A] فتضاعفت السرعة أربع مرات، فالرتبة ٢ بالنسبة لـ A.
3. من ١ و٣: تضاعف [B] فتضاعفت السرعة، فالرتبة ١ بالنسبة لـ B.
4. rate = k[A]^2[B]، والرتبة الكلية ٣.
5. k = 2.0 × 10^-4 ÷ (0.10^2 × 0.10) = 0.20 dm^6 mol^-2 s^-1.

مثال محلول ٢: عمر النصف لتفاعل من الرتبة الأولى

1. ينخفض التركيز من 0.80 إلى 0.40 mol dm^-3 في 35 s، ثم من 0.40 إلى 0.20 في 35 s أخرى.
2. عمر النصف ثابت فالتفاعل من الرتبة الأولى.
3. k = 0.693 ÷ 35 = 0.0198 s^-1.
4. بعد ثلاثة أعمار نصف يصبح التركيز 0.10 mol dm^-3.

مثال محلول ٣ (إدكسل IAL): طاقة التنشيط من رسم أرهينيوس

1. رسم ln k مقابل 1/T خط مستقيم ميله -6000 K.
2. الميل يساوي -Ea/R.
3. Ea = 6000 × 8.31 = 49 900 J mol^-1، أي نحو 49.9 kJ mol^-1.

أخطاء شائعة تُفقد الدرجات

• أخذ الرتب من معاملات المعادلة الموزونة.
• أخطاء وحدات k؛ استنتجها من معادلة السرعة في كل مرة.
• القول إن الحرارة تزيد السرعة «لأن التصادمات أكثر» دون النقطة الأساسية: تصادمات أكثر بطاقة تفوق Ea.
• رسم منحنى بولتزمان يلمس محور الطاقة عند الطاقات العالية.
• القول إن العامل الحفاز يخفض طاقة تنشيط التفاعل نفسه، والصحيح أنه يوفر مسارًا بديلًا.
• القول إن الخطوة المحددة للسرعة هي الأسرع.

أسلوب الإجابة في الامتحان ودور المدرس

في جداول السرعة الابتدائية اكتب جملة لكل رتبة: «عندما يتضاعف [A] مع ثبات [B] تتضاعف السرعة أربع مرات، فالرتبة الثانية بالنسبة لـ A». وأظهر استنتاج وحدات k. وفي أسئلة الآليات تأكد أن الخطوات تجمع إلى المعادلة الكلية وأن الخطوة البطيئة تحتوي مواد معادلة السرعة.

في الحصة الفردية يحل المدرس مع الطالب مجموعات بيانات من الأوراق السابقة، بما فيها الحالات التي يتغير فيها تركيزان معًا، ويتحقق من كل وحدة وكل جملة رتبة. ولطلاب إدكسل يراجع التجربتين الأساسيتين ٩ و١٠ ليجيب الطالب عن أسئلة الطريقة وأخطائها.

اختبر نفسك

• ما وحدات k لتفاعل من الرتبة الأولى؟ (الجواب: s^-1)
• ماذا يعني خط أفقي في رسم السرعة مقابل التركيز؟ (الجواب: الرتبة صفر)
• تفاعل من الرتبة الأولى k = 0.010 s^-1. أوجد عمر النصف. (الجواب: 69.3 s)
• لماذا يسبب ارتفاع صغير في الحرارة زيادة كبيرة في السرعة؟ (الجواب: يزداد كثيرًا عدد الجزيئات ذات الطاقة التي تفوق Ea)
• rate = k[(CH3)3CBr]. هل الآلية SN1 أم SN2؟ (الجواب: SN1)