نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي - الكيمياء2-2 - ثاني ثانوي

وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 1000 Reaction Rates سرعة التفاعلات الكيميائية 3 الفصل الفكرة العامة لكل تفاعل كيميائي سرعة محددة يمكن زيادتها أو إبطاؤها بتغيير ظروف التفاعل. 3-1 نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي الفكرة الرئيسة نظرية التصادم هي المفتاح لفهم الاختلاف في سرعة التفاعلات 3-2 العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي الفكرة الرئيسة تؤثر عوامل كثيرة في سرعة التفاعل الكيميائي، منها: طبيعة المواد المتفاعلة والتركيز، ودرجة الحرارة، ومساحة السطح، والمحفزات. 3-3 قوانين سرعة التفاعل الكيميائي الفكرة الرئيسة قانون سرعة التفاعل عبارة عن علاقة رياضية - يمكن تحديدها بالتجربة - تربط بين سرعة التفاعل وتركيز المادة المتفاعلة. حقائق كيميائية . ما زالت معظم السيارات حتى اليوم تستعمل نظام الاحتراق الداخلي الذي اخترعه العالم ألفونس بيير دي روشاز عام 1862م. . تتحد مكونات الجازولين مع الأكسجين في عملية الاحتراق التام داخل أسطوانة محرك السيارة لتنتج ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وطاقة كافية لتحريك السيارة. متفاعلات ونواتج الاحتراق | مكبس وأسطوانة محرك 334

نشاطات تمهيدية تجربة استهلالية كيف يمكن زيادة سرعة التفاعل؟ تحدث بعض التفاعلات الكيميائية ببطء شديد، بحيث يصعب ملاحظتها. وستقوم في هذه التجربة بتقصي طريقة واحدة لتسريع تفاعل بطيء. المطويات سرعة التفاعل اعمل منظمات الأفكار المطوية الآتية لتساعدك على تنظيم المعلومات حول العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل الكيميائي. الخطوة 1 ضع ثلاث خطوات العمل RE 1 املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية. 2 اعمل جدولاً لتسجيل المشاهدات والملاحظات قبل وبعد التجربة. 3. اسكب 10mL تقريبًا من فوق أكسيد الهيدروجين في كأس زجاجي. ثم سجّل ملاحظاتك الأولية في جدول الملاحظات والمشاهدات. تحذير : فوق أكسيد الهيدروجين مادة حارقة، لذا تجنب ملامستها للجلد والعيون 4. أضف 0.18 من خميرة الخبز إلى فوق أكسيد الهيدروجين، حرك بلطف مستعملا عود تنظيف الأسنان، ولاحظ المخلوط مرة أخرى، وسجل ملاحظاتك في جدول الملاحظات. التحليل 1. حدد المواد الناتجة عن تحلل فوق أكسيد الهيدروجين. 2 فسر لماذا ظهرت الفقاعات في الخطوة رقم 4، ولم تظهر في الخطوة رقم 3؟ استقصاء ماذا يحدث إذا قمت بإضافة كمية أكبر أو أقل من الخميرة؟ وماذا يحدث لو لم يتم مزج المخلوط؟ صمم تجربة لاختبار أحد هذه المتغيرات. أوراق بعضها فوق بعض بحيث تبعد حافة كل منها عن الأخرى cm 2 تقريبًا من أعلى. حافظ على بقاء الحواف عن اليمين واليسار متطابقة. الخطوة 2 اطو الحواف السفلية للورق إلى أعلى لتكوين ستة أجزاء متساوية، ثم اضغط على الحواف لتثبيتها في أماكنها. الخطوة 3 ثبت الطيات، كما في الشكل واكتب عنوانا لكل جزء المحضرات والمليطات درجة الحرارة مساحة السطح على النحو الآتي: المحفزات والمثبطات، درجة الحرارة مساحة السطح، التركيز، التركيز طبيعة المواد المتفاعلة العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل طبيعة المواد المتفاعلة، العوامل المؤثرة في سرعة التفاعل. المطويات استعمل هذه المطوية في القسم 2-3 من هذا الفصل. قم بتعريف كل عامل في أثناء قراءتك للفصل، واكتب ملخصا ، ولى تأثيره في سرعة التفاعل، ثم أعط أمثلة عليها. وزارة التعليم Mining Education 2073-1445

3-1 الأهداف نظرية التصادم وسرعة التفاعل الكيميائي تحسب متوسط سرعة التفاعل Collision Theory and Reaction Rate الكيميائي من بيانات التجربة. www.ien.edu.sa الفكرة الرئيسة نظرية التصادم هي المفتاح لفهم الاختلاف في سرعة التفاعلات. تربط بين سرعة التفاعل الكيميائي والتصادمات بين جسيمات المواد الربط مع الحياة أيهما أسرع الذهاب إلى المدرسة سيرا على الأقدام، أم ركوب الحافلة، أم السيارة؟ إن تحديد سرعة وصول شخص إلى المدرسة لا يختلف كثيرا عن المتفاعلة. مراجعة المفردات حساب مر عة التفاعل الكيميائي؛ ففي الحالتين نقوم بقياس التغير الناتج خلال الزمن. الطاقة : القدرة على بذل شغل التعبير عن سرعة التفاعل Expressing Reaction Rates أو إنتاج حرارة. وتكون الطاقة في اكتشفت في التجربة الاستهلالية أن تفاعل تحلل فوق أكسيد الهيدروجين يمكن أن صورة طاقة وضع أو طاقة حركة. يكون تفاعلاً سريعا أو بطيئًا. فالمصطلحان (سريع وبطيء) مصطلحان غير دقيقين؛ إذ يجب أن يكون تعبيرنا أكثر دقة وتحديدًا. المفردات الجديدة سرعة التفاعل الكيميائي نظرية التصادم المعقد المنشط طاقة التنشيط فكر في كيفية التعبير عن سرعة أو متوسط سرعة الأشياء المتحركة. فمثلاً، يبين عداد السرعة في الشكل 13- أن سيارة السباق تتحرك بسرعة مقدارها Km/h 100، بينما يمكن التعبير عن سرعة العدّاء في مضمار السباق بوحدة ms. وعموما يعرف متوسط السرعة لحدث ما أو عملية محددة بالتغير الكمي خلال زمن محدد. ولاشتقاق العلاقة الرياضية نستعمل الرمز دلتا (۵) قبل الكمية (quantity) لتشير إلى التغير في هذه الكمية كما في المعادلة الآتية: متوسط السرعة = - quantity Δι متوسط السرعة = التغير في كمية المادة المتفاعلة أو الناتجة التغير في الزمن A t الشكل 1-3 يبين عداد السرعة في سيارة السباق السرعة بوحدة Km/h أو ميل لكل ساعة (M)، وكلاهما يعني التغير في المسافة في وحدة الزمن وقد تقاس سرعة العداء بوحدة m/s 336 وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

الشكل 2-3 تتحول المواد المتفاعلة مع مرور الزمن إلى مواد ناتجة ويمكن التعبير عن سرعة التفاعل الكيميائي بالتغير في عدد مولات المواد المتفاعلة أو الناتجة خلال فترة محددة من الزمن احسب سرعة التغير لكل فترة من الزمن. 1 + التفاعل يبين الشكل 2- عملية تحوّل المواد المتفاعلة إلى مواد ناتجة مع مرور الزمن. لاحظ أن كمية المواد المتفاعلة تقل بينما تزداد المواد الناتجة. فإذا علمت متوسط التغير في كميات النواتج أو المتفاعلات مع مرور الزمن أمكنك حساب متوسط سرعة المفردات . التفاعل. وفي الغالب يحتاج الكيميائيون إلى معرفة التغير في التركيز المولاري M المفردات الأكاديمية المادة متفاعلة أو ناتجة خلال التفاعل. ولذلك جاء تعريف سرعة التفاعل التركيز Concentration الكيميائي ليعبر عن التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن، ويعبر عنها بوحدة mol/L.s. وتشير الأقواس التي تكون حول الصيغة الجزيئية للمواد الاستعمال العلمي: كمية المذاب في إلى التركيز المولاري. فمثلاً [ NO] تمثل التركيز المولاري لـ 2 NO. كمية محددة من المذيب أو المحلول. يمكن تحديد سرعة التفاعل الكيميائي بشكل عملي عن طريق حساب تركيز المواد ونقول مثلاً: إن تركيز المحلول هو المتفاعلة أو المواد الناتجة عن التفاعل الكيميائي، بينما لا يمكن حساب سرعة التفاعل من المعادلات الموزونة. .6mol/L الاستعمال الشائع: تركيز الانتباه لنفترض أنك ترغب في التعبير عن متوسط سرعة التفاعل الآتي خلال فترة زمنية على هدف أو غرض واحد. بدأت عند با وانتهت عند يا . CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g) من خلال التفاعل السابق تكون قيمة سرعة تكون المواد الناتجة موجبة. ويمكن التعبير عن حساب سرعة تكون NO كما يأتي: A[NO] Δι = [NO] [NO], t - t Rate = ولنفترض على سبيل المثال أن تركيز NO هو 0.000M عندما كان t = 0.0 s وقد أصبح تركيزه M 0.010 بعد ثانيتين من بداية التفاعل، فما متوسط سرعة التفاعل بوحدة عدد مولات NO الناتجة لكل لتر في الثانية؟ فنقول مثلاً: اقتصر تركيز الجمهور على الأداء فقط. Rate = = 0.010 M 0.000 M 2.00 s 0.00 S 0.010 M = 0.0050 mol/L.s 2.00 s لاحظ كيفية اشتقاق الوحدة M_mol S S L mol L.S وزارة التعليم Mining Education 2073-1445

كما يمكنك تحديد سرعة التفاعل بمعرفة متوسط استهلاك غاز ،CO، كما في العلاقة الآتية: Rate = A[CO] ΔΙ [CO] - [CO] = t - t هل تتوقع أن تكون قيمة سرعة التفاعل السابق سالبة أم موجبة؟ في هذه الحالة تكون القيمة سالبة، مما يعني أن تركيز CO يقل مع استمرار التفاعل. ولكن يجب أن تكون سرعة التفاعل دائماً موجبة لذلك يضع العلماء إشارة سالبة عندما يقومون بحساب سرعة التفاعل بناءً على مقدار استهلاك المواد المتفاعلة. وبذلك تكون معادلة حساب سرعة استهلاك المواد المتفاعلة هي: معادلة متوسط سرعة التفاعل A[reactants] Rate = - At حيث تمثل [A reactants التغير في تركيز المواد المتفاعلة. At تمثل التغير في الزمن t-t مثال 1-3 حساب متوسط سرعة التفاعل إذا علمت أن تركيز كلوريد البيوتيل CHCl في بداية تفاعله . معا الماء 0.22 ثم أصبح M 0.100 بعد مرور 4.00 ثوان على التفاعل. احسب متوسط سرعة التفاعل خلال هذه الفترة بوحدة mol/L.s. تحليل المسألة لقد أعطيت التركيز والزمن الابتدائيين والنهائيين لـ CHCl ، لذا يمكنك حساب متوسط سرعة التفاعل الكيميائي باستعمال التغير في تركيز كلوريد البيوتان خلال أربع ثوان. المعطيات المطلوب Rate = ?mol/L.s [CH, Cl] t - [CH, Cl] t Rate= - ta - ti 0.100 M 0.220 M 4.00 s 0.00 s 0.100 mol/L - 0.220 mol/L 4.00s - 0.00 s -0.120 mol/L 4.00 s : = 0.0300 mol/L.s t= 0.00 s t=4.00 s [CH,Cl] = 0.220. mol/L [CHCl] = 0.100 mol/L 2 حساب المطلوب اكتب معادلة متوسط سرعة التفاعل عوض عن الزمن والتركيز الابتدائيين والنهائيين احسب الناتج بوحدة mol/L.s تقويم الإجابة متوسط سرعة التفاعل 0.0300mol Ls ، وهو قيمة مناسبة اعتمادًا على الكمية الموجودة في بداية وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 338

مسائل تدريبية استعمل البيانات الموجودة في الجدول أدناه لحساب متوسط سرعة التفاعل : بيانات التجربة للتفاعل H2 + Cl2 + 2HCl الزمن ؟ 0.00 4.00 [H2] 0.030 0.020 [Cl₂] 0.050 0.040 [HCI] 0.000 1. احسب متوسط سرعة التفاعل معبرا عنه بعدد مولات المستهلكة لكل لتر في كل ثانية. 2 احسب متوسط سرعة التفاعل معبرًا عنه بعدد مولات L المستهلكة لكل لتر في كل ثانية 3. تحفيز إذا علمت أن متوسط سرعة التفاعل لحمض الهيدروكلوريك HCI الناتج هو mol/L.s 0.050، فما تركيز HCI الذي يتكون بعد مرور 5 4.00؟ نظرية التصادم Collision Theory في التفاعل الكيميائي؛ يجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لتكوين النواتج. يمثل الشكل 3- التفاعل بين جزيئات A و B2 لتكوين مركب AB . ويجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة معاً لتكوين جزيئات .AB. لذا يوضح هذا الشكل نظرية التصادم التي تنص على وجوب تصادم الذرات والأيونات والجزيئات بعضها ببعض لكي يتم التفاعل. ماذا قرأت؟ توقع لماذا يجب حدوث اصطدامات بين الجسيمات لحدوث التفاعل. لاحظ تفاعل غاز أول أكسيد الكربون CO مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين NO2 الذي يحدث عند درجة حرارة أعلى من 500K والموضح بالمعادلة: CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g). تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وغاز أول أكسيد النيتروجين. وعند حساب عدد الاصطدامات بين الجزيئات في كل ثانية تكون النتيجة محيّرة؛ إذ يكون عدد قليل فقط من هذه الاصطدامات نواتج Az + B 2AB الشكل -3-3 في التفاعلات الكيميائية يجب أن تتصادم الجسيمات بكمية كافية من الطاقة لكي يحدث تفاعل. وزارة التعليم Ming Education 2023-1445

مسائل تدريبية استعمل البيانات الموجودة في الجدول أدناه لحساب متوسط سرعة التفاعل : بيانات التجربة للتفاعل H2 + Cl2 + 2HCl الزمن ؟ 0.00 4.00 [H2] 0.030 0.020 [Cl₂] 0.050 0.040 [HCI] 0.000 1. احسب متوسط سرعة التفاعل معبرا عنه بعدد مولات المستهلكة لكل لتر في كل ثانية. 2 احسب متوسط سرعة التفاعل معبرًا عنه بعدد مولات L المستهلكة لكل لتر في كل ثانية 3. تحفيز إذا علمت أن متوسط سرعة التفاعل لحمض الهيدروكلوريك HCI الناتج هو mol/L.s 0.050، فما تركيز HCI الذي يتكون بعد مرور 5 4.00؟ نظرية التصادم Collision Theory في التفاعل الكيميائي؛ يجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لتكوين النواتج. يمثل الشكل 3- التفاعل بين جزيئات A و B2 لتكوين مركب AB . ويجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة معاً لتكوين جزيئات .AB. لذا يوضح هذا الشكل نظرية التصادم التي تنص على وجوب تصادم الذرات والأيونات والجزيئات بعضها ببعض لكي يتم التفاعل. ماذا قرأت؟ توقع لماذا يجب حدوث اصطدامات بين الجسيمات لحدوث التفاعل. لاحظ تفاعل غاز أول أكسيد الكربون CO مع غاز ثاني أكسيد النيتروجين NO2 الذي يحدث عند درجة حرارة أعلى من 500K والموضح بالمعادلة: CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g). تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وغاز أول أكسيد النيتروجين. وعند حساب عدد الاصطدامات بين الجزيئات في كل ثانية تكون النتيجة محيّرة؛ إذ يكون عدد قليل فقط من هذه الاصطدامات نواتج Az + B 2AB الشكل -3-3 في التفاعلات الكيميائية يجب أن تتصادم الجسيمات بكمية كافية من الطاقة لكي يحدث تفاعل. وزارة التعليم Ming Education 2023-1445

الجدول 3-1 فروض نظرية التصادم 1 يجب أن تتصادم (ذرات أو أيونات أو جزيئات) المواد المتفاعلة. 2 ليس من الضروري أن يؤدي كل تصادم بين الذرات أو الأيونات أو الجزيئات إلى حدوث تفاعل شروط التصادم الفعال أو المثمر 1. يجب أن تتصادم المواد المتفاعلة في الاتجاه الصحيح. 2. يجب أن تتصادم المواد المتفاعلة بطاقة كافية لتكوين المعقد المنشط. يلخص الجدول 1-3 الظروف الواجب توافرها لحدوث التفاعل، فعندما تكون قيمة عالية فهذا يعني أن عددًا قليلا من الاصطدامات له طاقة كافية لتكوين المعقد المنشط، ولذا تكون سرعة التفاعل بطيئة. أما إذا كانت قيمة E منخفضة فهذا يعني أن هناك عددًا كبيرًا من الاصطدامات التي لها طاقة كافية لحدوث التفاعل، لذا يكون التفاعل أسرع. فكر في هذه العلاقة من خلال شخص يقوم بدفع عربة ثقيلة إلى قمة تل. فإذا كان التل مرتفعًا فسوف يحتاج الشخص إلى طاقة كبيرة لدفع العربة نحو القمة، كما أنه سيستغرق وقتا طويلاً للوصول إلى قمة التل. أما إذا كان التل منخفضًا فسوف يحتاج إلى كمية أقل من الطاقة اللازمة لدفع العربة إلى قمة التل، إضافة إلى قدرته على إنجاز المهمة في وقت أسرع. يبين الشكل 35 مخطط الطاقة لتفاعل أول أكسيد الكربون مع ثاني أكسيد النيتروجين. هل يختلف مخطط الطاقة هذا عما تعلمته سابقا في فصل الطاقة والتغيرات الكيميائية؟ ولماذا ؟ يبين هذا المخطط طاقة التنشيط للتفاعل التي تعد حاجزا أمام حدوث التفاعل. لذلك يجب أن تتغلب المواد المتفاعلة عليه لتكوّن مواد ناتجة. وفي هذه الحالة تتصادم جزيئات CO و NO2 ، مع وجود كمية كافية من الطاقة؛ لتتغلب على هذا الحاجز، وتكون طاقة النواتج أقل من طاقة المواد المتفاعلة. وتسمى التفاعلات التي تفقد طاقة التفاعلات الطاردة للحرارة. طاقة التفاعل الشكل - عندما يحدث تفاعل طارد المعقد المنشط للحرارة تصطدم الجزيئات التي لها طاقة كافية فتكون المعقد المنشط وتطلق طاقة وتكون نواتج ذات محتوى طاقة أقل من المواد المتفاعلة. اختبار الرسم البياني فسر كيف يمكنك أن تعرف من خلال الرسم ما إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة. CO2(g) + NO(g) النواتج طاقة التنشيط الطاقة التي يطلقها التفاعل (AH) سير التفاعل CO(g) +NO2(g) المتفاعلات وزارة التعليم Mining Education 2073-1445

| CO2(2) + NO المعقد المنشط طاقة التفاعل CO(g) + NO2(g) النواتج طاقة التنشيط الطاقة التي يمتصها التفاعل (AH) الشكل -- تكون طاقة جزيئات المواد المتفاعلة في التفاعل العكسي الماص للحرارة أقل من طاقة النواتج ولكي يحدث التفاعل يجب أن تمتص المواد المتفاعلة طاقة لتتغلب على طاقة التنشيط وتكون نواتج ذات طاقة عالية. اختبار الرسم البياني قارن بين طاقتي التنشيط، للتفاعلين الأمامي والعكسي؟ سير التفاعل المتفاعلات - تعد عملية التحول بين المواد المتفاعلة والناتجة لبعض التفاعلات عمليات انعكاسية. ويبين الشكل 6- التفاعل العكسي الماص للطاقة بين CO2 و NO لإعادة إنتاج CO و NO2. ويكون مستوى طاقة المتفاعلات في هذا التفاعل أدنى من مستوى طاقة النواتج لذلك يجب التغلب على طاقة التنشيط لإعادة إنتاج CO و NO2. وهذا يحتاج إلى طاقة عالية أكبر من طاقة التفاعل الأمامي. وإذا حدث هذا التفاعل العكسي وأنتج CO و NO2 فسيكون مستوى طاقتها أعلى. مختبر حل المشكلات تفسير البيانات كيف تتغير سرعة التحلل خلال الزمن يتحلل مركب خامس أكسيد ثنائي النيتروجين NO في الهواء وفقًا للمعادلة الآتية: 2N2O5(g) →4NO2(g) + O2(g) ويمكن تحديد التركيز في أي وقت من خلال معرفة سرعة التحلل. التحليل الزمن (min) [N2O5] 0.01756 0 0.00933 20.0 0.00531 40.0 0.00295 60.0 0.00167 80.0 0.00094 100.0 2. أحسب متوسط سرعة التفاعل خلال كل فترة زمنية بعدد مولات NO الناتجة لكل لتر في الدقيقة يبين الجدول المقابل النتائج التجريبية التي تم الحصول (mol/Ls) واستعمل المعادلة الكيميائية لتفسير عليها عند قياس تركيز N20 خلال فترة زمنية محددة، العلاقة بين السرعات المحسوبة في هذا السؤال عند الضغط الجوي العادي، ودرجة حرارة C° 45. التفكير الناقد وتلك المحسوبة في السؤال 1. 3. فسر البيانات والنتائج التي توصلت إليها، ثم 1. احسب متوسط سرعة التفاعل خلال كل فترة زمنية : استعملها في وصف كيفية تغير سرعة تحلل N20 .(0-20 min). (40-60 min). (80-100 min) خلال الزمن. عبّر عن سرعة التفاعل في كل فترة بقيمة موجبة، .4 طبق نظرية التصادم لتفسير وبوحدة .mol/L من N20. التفاعل. زارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 342

التقويم 1-3 الخلاصة .4 الفكرة الرئيسة جد العلاقة بين نظرية التصادم وسرعة التفاعل. يعبر عن سرعة التفاعل الكيميائي 5 فسّر علام تدل سرعة التفاعل لتفاعل كيميائي محدّد؟ بمعدل التغير في تركيز المواد المتفاعلة 6. قارن بين تركيز المواد المتفاعلة والمواد الناتجة خلال فترة التفاعل على افتراض عدم إضافة أي مادة جديدة). أو الناتجة في وحدة الزمن. غالبًا ما تحسب سرعة التفاعل الكيميائي 7. فسر لماذا يعتمد متوسط سرعة التفاعل على طول الفترة الزمنية اللازمة معبرا عنها بوحدة mol/L.s. لا بد من تصادم الجسيمات لحدوث 8 صف العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي. التفاعل. لحدوث التفاعل؟ 9. لخص ماذا يحدث خلال فترة تكون المعقد المنشط القصيرة؟ 10. طبق نظرية التصادم لتفسر لماذا لا تؤدي الاصطدامات بين جسيمات التفاعل دائما إلى تفاعل؟ 11. احسب متوسط سرعة التفاعل بين جزيئات A و B إذا تغير تركيز A من .2.00 s 0.5 MJ! 1.00 M وزارة التعليم Mining Education 2073-1445