المتابعة الزمنية لتحول كيميائي: سرعة التفاعل وعوامل التأثير مع تمارين بكالوريا محلولة — الثالثة ثانوي (بكالوريا) علوم فيزيائية

الأهداف التعليمية

• تعريف سرعة التفاعل الكيميائي وطرق قياسها.
• التعرف على العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي.
• تطبيق قانون سرعة التفاعل من الدرجة الأولى والثانية.
• حل تمارين بكالوريا في المتابعة الزمنية.

I. مفهوم المتابعة الزمنية للتحول الكيميائي

المتابعة الزمنية لتحول كيميائي هي دراسة تطور كميات المتفاعلات والنواتج بدلالة الزمن. تسمح لنا بحساب سرعة التفاعل وفهم آليته.

1. سرعة التفاعل الكيميائي

تُعرف سرعة التفاعل الكيميائي عند لحظة زمنية t بأنها المشتق الأول لتركيز أحد المتفاعلات أو النواتج بالنسبة للزمن.

بالنسبة لتفاعل من النوع: aA + bB → cC + dD، تُعطى السرعة الحجمية بالعلاقة: v = -(1/a) × d[A]/dt = -(1/b) × d[B]/dt = (1/c) × d[C]/dt = (1/d) × d[D]/dt حيث [X] يمثل التركيز المولي للمادة X.

2. طرق المتابعة الزمنية

• المتابعة بالمعايرة: أخذ عينات عند لحظات زمنية مختلفة ومعايرتها.
• المتابعة بالقياسات الفيزيائية: مثل قياس الناقلية، الضغط، الحجم، أو الامتصاصية الضوئية.
• المتابعة بالتحليل الطيفي: باستخدام مطياف UV-visible لتتبع تركيز نوع كيميائي.

II. العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل

1. تأثير التركيز

تزداد سرعة التفاعل بزيادة تركيز المتفاعلات. يُعبر عن ذلك بقانون السرعة: v = k × [A]^m × [B]ⁿ حيث k هو ثابت السرعة، m و n هما رتبتا التفاعل.

2. تأثير درجة الحرارة

تزداد سرعة التفاعل بارتفاع درجة الحرارة. تخضع العلاقة بين ثابت السرعة ودرجة الحرارة لقانون أرهينيوس: k = A × exp(-Ea/(R×T)) حيث Ea طاقة التنشيط، A عامل التردد، R ثابت الغازات.

3. تأثير المحفز

المحفز مادة تزيد من سرعة التفاعل دون أن تستهلك فيه، وذلك بتخفيض طاقة التنشيط.

III. تمارين بكالوريا محلولة

التمرين 1: متابعة زمنية بقياس الضغط

تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين: 2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g). تم قياس حجم غاز الأكسجين الناتج بدلالة الزمن:

t(min): 0, 2, 4, 6, 8,10
V(mL): 0, 12, 20, 26, 30, 32

المطلوب: احسب سرعة التفاعل عند t=2 min و t=6 min.

الحل: n(O₂) = V/Vm حيث Vm = 24 L/mol.
عند t=2: n(O₂) = 0.012/24 = 5×10⁻⁴ mol
السرعة الحجمية v = dn(O₂)/dt.
باستخدام المشتق البياني: v(2) = (20-0)/(4-0) × 1/24 ≈ 0.208 mL/min
v(6) = (26-20)/(6-4) × 1/24 ≈ 0.125 mL/min
نلاحظ أن سرعة التفاعل تتناقص مع الزمن لأن تركيز المتفاعل يتناقص.

التمرين 2: تأثير درجة الحرارة (بكالوريا 2021)

تفاعل من الرتبة الأولى، ثابت السرعة عند 25°C هو k₁ = 2.5×10⁻³ s⁻¹، وعند 45°C هو k₂ = 1.2×10⁻² s⁻¹. احسب طاقة التنشيط.

الحل: نطبق قانون أرهينيوس: ln(k₂/k₁) = -Ea/R × (1/T₂ – 1/T₁)

ln(1.2×10⁻²/2.5×10⁻³) = ln(4.8) = 1.569
1/T₁ = 1/298 = 3.356×10⁻³ K⁻¹, 1/T₂ = 1/318 = 3.145×10⁻³ K⁻¹
1.569 = -Ea/8.314 × (3.145×10⁻³ – 3.356×10⁻³)
Ea = 1.569 × 8.314 / (0.211×10⁻³) = 61800 J/mol ≈ 61.8 kJ/mol

الخلاصة

المتابعة الزمنية للتحول الكيميائي تسمح بحساب سرعة التفاعل وفهم تأثير العوامل المختلفة عليها. تُستخدم هذه المفاهيم في التحكم بالتفاعلات الصناعية.

📍 دروس مشابهة

• الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري — الثالثة ثانوي علوم فيزيائية
• التحولات النووية والنشاط الإشعاعي — الثالثة ثانوي علوم فيزيائية