☰ Year plan · Chemistry (Arabic)

درجة الحرارة والضغط و⁦Kp⁩ وقاعدة لوشاتيليه

Week 12 · Chapter 3 (C): temperature and collision theory (activation energy), pressure and Kp, Le Chatelier’s principle, catalysts and light · 3 lessons
1

درجة الحرارة: نظرية التصادم وطاقة التنشيط

Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 3: pp. 61–65
الهدفاستخدم نظرية التصادم لتفسر لماذا يُسرّع التسخين التفاعل، وافصل بين سرعة التفاعل وموضع اتزانه.
كلمات جديدة
طاقة التنشيط · أقل طاقة يجب أن تمتلكها الجزيئات المتصادمة ليؤدي التصادم إلى تفاعلالجزيئات المنشطة · الجزيئات التي تساوي طاقتها طاقة التنشيط أو تزيد عليهاتفاعل طارد للحرارة · تفاعل يُطلق حرارة؛ أما التفاعل الماص للحرارة فيمتصها
الشرح

تقول نظرية التصادم إن الجزيئات تتفاعل فقط إذا تصادمت بطاقة كافية لكسر الروابط. وأقل طاقة تكفي هي طاقة التنشيط، والجزيئات التي تملك هذه الطاقة على الأقل هي الجزيئات المنشطة. وعند أي درجة حرارة لا تكون منشطة إلا نسبة من الجزيئات. والتسخين يجعل الجزيئات أسرع حركة ويرفع هذه النسبة، فينجح عدد أكبر من التصادمات في كل ثانية ويرتفع المعدل. وفي كثير من التفاعلات يتضاعف المعدل تقريبًا عند كل ارتفاع قدره ⁦10 °C⁩: قل «غالبًا» ولا تقل «دائمًا». وينبغي الفصل بين سؤالين. السرعة: التسخين يجعل التفاعل أسرع في الاتجاهين، فيُبلغ الاتزان أبكر. والموضع: موضع الاتزان يتوقف على حرارة التفاعل الأمامي. فإذا كان التفاعل الأمامي طاردًا للحرارة أزاح التسخين الموضع إلى الخلف وقلّ المردود، ويفعل التبريد العكس. فالتفاعل الأسرع ليس هو التفاعل الأكبر مردودًا. وعلى الورق يبين التفاعل ⁦2NO₂ ⇌ N₂O₄⁩ (يُطلق حرارة في الاتجاه الأمامي) ذلك: التبريد يزيح الموضع نحو ⁦N₂O₄⁩ عديم اللون والتسخين نحو ⁦NO₂⁩ البني. والغاز البني سام ولا يُحضَّر في المنزل أبدًا.

درجة الحرارةنسبة الجزيئات المنشطة (مخترعة)المعدل النسبي
⁦20 °C⁩1 %1
⁦30 °C⁩2 %2
⁦40 °C⁩4 %4
أمثلة محلولة
050100150200⁦10 °C⁩⁦20 °C⁩⁦30 °C⁩⁦40 °C⁩⁦50 °C⁩minالزمن اللازم (⁦min⁩)
قاعدة التضاعف. يستغرق تفاعل ⁦80 min⁩ عند ⁦20 °C⁩. فإذا تضاعف معدله عند كل ⁦10 °C⁩ (غالبًا بصورة تقريبية فقط) استغرق ⁦80 ÷ 2 = 40 min⁩ عند ⁦30 °C⁩ و⁦80 ÷ 4 = 20 min⁩ عند ⁦40 °C⁩. وفي الاتجاه المعاكس يستغرق عند ⁦10 °C⁩ زمنًا قدره ⁦80 × 2 = 160 min⁩. تعطي القاعدة تقديرًا سريعًا لا قانونًا دقيقًا.
التغييرالمعدلانيتحرك الموضع نحو
تسخينيزدادان⁦NO₂⁩
تبريديقلان⁦N₂O₄⁩
السرعة والموضع. خذ التفاعل ⁦2NO₂ ⇌ N₂O₄⁩ (يُطلق حرارة في الاتجاه الأمامي) على الورق. عند التسخين: يصير التفاعلان الأمامي والعكسي أسرع، ويتحرك الموضع نحو ⁦NO₂⁩ (أكثر بنية) لأن الاتجاه العكسي يمتص الحرارة. وعند التبريد: يصيران أبطأ، ويتحرك الموضع نحو ⁦N₂O₄⁩ (أشحب لونًا). تتغير السرعة دائمًا في الاتجاهين بالطريقة نفسها، أما الموضع فيتوقف على حرارة التفاعل.
ƒاتزان طارد للحرارة
⁦N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ , ΔH = −92 kJ⁩
حل وسط. للتفاعل ⁦N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃⁩ قيمة ⁦ΔH = −92 kJ⁩، فهو طارد للحرارة. عند درجة حرارة منخفضة يحتوي الاتزان على ⁦NH₃⁩ أكثر فيكون المردود أكبر، لكن التفاعل بطيء جدًا. وعند درجة حرارة مرتفعة يكون سريعًا لكن المردود أقل. لذلك لا يستخدم المصنع أدنى درجة حرارة، بل درجة وسطى مع عامل حفاز (معلومة إضافية ليست في الكتاب).
نشاط الفصل

لعبة الحاجز، مع شخص بالغ. ضع كتابًا رقيقًا مسطحًا على الأرض ليكون حاجزًا منخفضًا. دحرج كرة صغيرة نحوه عشر مرات بدفعة خفيفة وعُدّ كم مرة تعبره. ثم دحرجها عشر مرات بدفعة أقوى وعُدّ مرة أخرى. شاهد ماذا يحدث: عدد أكبر من الدفعات الأقوى يعبر الحاجز. الحاجز يمثل طاقة التنشيط، والدفعة الأقوى تمثل درجة حرارة أعلى. جرّب كومة من كتابين كحاجز أعلى واكتب ما تلاحظه. اجعل الدحرجة هادئة وأبقِ الأرض خالية.

تدرّب
1
يستغرق تفاعل ⁦60 min⁩ عند ⁦25 °C⁩. إذا تضاعف معدله عند كل ⁦10 °C⁩ فكم يستغرق عند ⁦45 °C⁩؟
2
صواب أم خطأ، مع التصحيح إن كانت خطأ: «رفع درجة الحرارة يُسرّع التفاعل الأمامي فقط».
3
التفاعل ⁦N₂O₄ ⇌ 2NO₂⁩ ماص للحرارة كما هو مكتوب. عند تسخين الخليط، هل يصير أشحب أم أكثر بنية، ولماذا؟ (على الورق فقط)
4
في جملة واحدة، ميّز بين تفاعل أسرع ومردود أكبر.