Week 11 · Chapter 3 (B): surface area and concentration, the law of mass action, the equilibrium constant Kc and what its size means (short, calculation-light text: two and a half book pages, add worked examples and prediction tasks) · 3 lessons
1
مساحة السطح والتركيز: تصادمات أكثر
Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 59–61
الهدفاشرح باستخدام التصادمات لماذا تجعل مساحة السطح الأكبر والتركيز الأعلى التفاعل أسرع.
كلمات جديدة
مساحة السطح · المساحة الكلية للمادة الصلبة التي تلامس المتفاعل الآخرالتصادم · لقاء بين جسيمين؛ ولا يحدث التفاعل إلا إذا التقت الجسيماتالتركيز · كمية المادة المذابة في كل لتر من المحلول، بوحدة mol/L
الشرح
يحتاج التفاعل إلى التقاء الجسيمات. وفي المادة الصلبة لا تلتقي بالمتفاعل الآخر إلا الجسيمات الموجودة على السطح، فتطحين القطعة إلى مسحوق يكشف جسيمات أكثر كثيرًا دون تغيير الكتلة. خذ الخارصين وحمض الهيدروكلوريك المخفف على الورق: جرام من مسحوق الخارصين يُستهلك أسرع بكثير من جرام من قطعة خارصين، ومع ذلك يعطيان في النهاية كمية الهيدروجين نفسها لأن كمية الخارصين واحدة. ويسري الأمر نفسه على التركيز بالنسبة للجسيمات المذابة. اللتر من محلول 0.40 mol/L فيه جسيمات تساوي ضعف ما في لتر من محلول 0.20 mol/L، فيلتقي كل جسيم بشركائه أكثر من مرة فيرتفع المعدل. إذن تغيّر المساحة الأكبر والتركيز الأعلى سرعة وصول التفاعل، لا الكمية التي يعطيها التفاعل التام في النهاية. وكلاهما من عوامل الأسبوع العاشر، ومصدرهما فكرة واحدة: تصادمات أكثر في كل ثانية.
مكعب حجمه 1 cm³ مقطّع إلى مكعبات أصغر
عدد القطع
طول ضلع القطعة
مساحة سطح القطعة
المساحة الكلية
1
1 cm
6 cm²
6 cm²
8
0.5 cm
1.5 cm²
12 cm²
64
0.25 cm
0.375 cm²
24 cm²
1000
0.1 cm
0.06 cm²
60 cm²
أمثلة محلولة
تقطيع مكعب. مكعب طول ضلعه 1 cm له ستة أوجه مساحة كل منها 1 cm²، فمساحة سطحه 6 cm² وحجمه 1 cm³. قطّعه إلى 8 مكعبات متساوية: لكل منها ضلع 0.5 cm ومساحة سطح 6 × 0.25 = 1.5 cm²، فتكون المساحة الكلية 8 × 1.5 = 12 cm² والحجم ما زال 8 × 0.125 = 1 cm³. وإذا قطّعته إلى 1000 مكعب ضلع كل منها 0.1 cm كانت المساحة الكلية 1000 × 0.06 = 60 cm². الكتلة لم تتغير، والسطح المكشوف صار أكبر عشر مرات.
الكمية نفسها وسرعة مختلفة (على الورق فقط). كتلة 6.5 g من الخارصين (Zn = 65) تساوي 6.5 ÷ 65 = 0.10 mol. في التفاعل Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ النسبة Zn : H₂ هي 1 : 1، فيتكوّن 0.10 mol من H₂، أي 0.10 × 22.4 = 2.24 L عند STP، سواء كان الخارصين مسحوقًا أم قطعة واحدة، ما دام الحمض زائدًا. يبلغ المسحوق 2.24 L أسرع، فمنحناه أشد انحدارًا، لكن المنحنيين ينتهيان عند الارتفاع نفسه. والأزمنة في الرسم مخترعة.
التركيز يعني جسيمات في الحيز نفسه. الحجم 50 mL من محلول 0.20 mol/L فيه 0.20 × 0.050 = 0.010 mol من المذاب. والحجم 50 mL من محلول 0.40 mol/L فيه 0.40 × 0.050 = 0.020 mol، أي ضعف عدد الجسيمات في الحجم نفسه، فتكون اللقاءات في كل ثانية أكثر بنحو الضعف. ولهذا أيضًا ينخفض المعدل مع تقدم التفاعل: فالمتفاعلات تُستهلك ويقل تركيزها وتقل التصادمات (منحنيات الأسبوع العاشر).
نشاط الفصل
اختبار قوة الخل، مع شخص بالغ. ضع ملعقة صغيرة مستوية من بيكربونات الصوديوم في كل من كوبين شفافين. في الكوب A صُبّ 4 ملاعق كبيرة من الخل المنزلي. وفي الكوب B صُبّ 2 ملعقة كبيرة من الخل ممزوجة بـ 2 ملعقة كبيرة من ماء الصنبور البارد. صُبّ في الكوبين في اللحظة نفسها وعُدّ الفقاعات التي ترتفع خلال عشر ثوانٍ. شاهد ماذا يحدث: الخل الكامل القوة يفور عادة أسرع لأن كل ملعقة فيه تحمل جسيمات حمض أكثر. اترك الكوبين مفتوحين ولا تتذوقهما أبدًا واغسلهما بعد ذلك. ثم اكتب العامل الذي غيّرته.
تدرّب
1
قُطّع مكعب ضلعه 2 cm (مساحة سطحه 24 cm²) إلى ثمانية مكعبات ضلع كل منها 1 cm. أوجد المساحة الكلية الجديدة وقل كم مرة صارت أكبر.
لكل مكعب صغير 6 × 1 = 6 cm²، فالمساحة الكلية 8 × 6 = 48 cm²، أي 48 ÷ 24 = 2 مرة أكبر.
2
يتفاعل 13 g من الخارصين (Zn = 65) مع حمض مخفف زائد، مرة مسحوقًا ومرة قطعة واحدة. ما حجم الهيدروجين المتكوّن عند STP في كل حالة، وأيهما ينتهي أولًا؟
