سرعت واکنش: نگاهی به دنیای تند و کند تغییرات شیمیایی
اصول و مبانی سرعت واکنش
سرعت واکنش چیست و چگونه محاسبه میشود؟
به زبان ساده، سرعت واکنش نشان میدهد که مقدار یک مادهٔ واکنشدهنده6 در واحد زمان (مثلاً هر ثانیه) چقدر مصرف میشود یا مقدار یک مادهٔ فرآورده7 چقدر تولید میشود. هرچه این تغییرات در زمان کوتاهتری رخ دهد، سرعت واکنش بیشتر است.
برای مثال، حل شدن قرص جوشان در یک لیوان آب را در نظر بگیرید. اگر یک قرص در 20 ثانیه کاملاً حل شود و قرص مشابه دیگری در 40 ثانیه، سرعت حل شدن قرص اول بیشتر است. در واکنشهای شیمیایی نیز همین منطق حاکم است.
$ سرعت\ متوسط = \frac{\Delta (غلظت\ فرآورده)}{\Delta t} $
یا
$ سرعت\ متوسط = - \frac{\Delta (غلظت\ واکنشدهنده)}{\Delta t} $
علامت منفی در رابطهٔ دوم برای این است که سرعت یک عدد مثبت باشد، زیرا غلظت واکنشدهنده با زمان کاهش مییابد.
چهار عامل کلیدی تعیینکنندهٔ سرعت
سرعت یک واکنش شیمیایی ثابت نیست و به شرایط محیطی بستگی دارد. چهار عامل اصلی که بر سرعت تأثیر میگذارند در جدول زیر خلاصه شدهاند:
| عامل | تأثیر بر سرعت | مثال ملموس از زندگی |
|---|---|---|
| غلظت واکنشدهندهها | افزایش غلظت، سرعت را افزایش میدهد. | چوب نیمسوخته در هوای معمولی به آرامی میسوزد، اما در حضور 100% اکسیژن (غلظت بالا) با شعلهای درخشان و سریع میسوزد. |
| دمای سیستم | افزایش دما، سرعت را به طور چشمگیر افزایش میدهد. | شیر در یخچال روزها تازه میماند، اما در دمای اتاق سریع ترش میشود. غذا در زودپز (دمای بالاتر) سریعتر میپزد. |
| سطح تماس (ریزبینی ذرات) | افزایش سطح تماس، سرعت را افزایش میدهد. | یک تکه چوب بزرگ به سختی آتش میگیرد، اما خاکاره (همان چوب با سطح بسیار بیشتر) به سرعت شعلهور میشود. قرص مسکن پودری سریعتر از قرص جامد حل میشود. |
| وجود کاتالیزگر | کاتالیزگر سرعت را افزایش میدهد، اما خودش مصرف نمیشود. | در مبدل کاتالیزوری خودرو، گازهای سمی به سرعت به گازهای بیخطر تبدیل میشوند. آنزیمهای موجود در بدن ما (مثل آمیلاز بزاق) هضم غذا را سرعت میبخشند. |
این عوامل چگونه عمل میکنند؟ پاسخ در نظریهای به نام "مدل برخورد مؤثر"8 نهفته است. طبق این مدل، برای وقوع واکنش، ذرات واکنشدهنده باید: ۱) با یکدیگر برخورد کنند. ۲) این برخورد با جهتگیری مناسب صورت گیرد. ۳) انرژی کافی برای شکسته شدن پیوندهای قدیمی و تشکیل پیوندهای جدید داشته باشند. انرژی فعالسازی9 حداقل انرژی لازم برای شروع واکنش است. عوامل بالا با افزایش تعداد برخوردها یا کاهش انرژی فعالسازی (در مورد کاتالیزگر)، سرعت را افزایش میدهند.
سرعت واکنش در خدمت بشر: از آشپزخانه تا صنعت
کنترل سرعت واکنش تنها یک موضوع آزمایشگاهی نیست، بلکه هنر بهکارگیری آن در فناوری و زندگی است.
کند کردن واکنشهای نامطلوب: برای جلوگیری از فساد مواد غذایی، سرعت واکنشهای شیمیایی و میکروبی را کم میکنیم. نگهداری در یخچال یا فریزر (کاهش دما)، کنسرو کردن (جداسازی از هوا و کاهش سطح تماس با اکسیژن) و خشککردن میوهها (حذف آب لازم برای واکنش) همگی مثالهایی از این دست هستند. ضدزنگهایی که روی بدنه خودرو میزنیم، با ایجاد یک لایه محافظ، سطح تماس آهن با هوا و رطوبت را کاهش داده و سرعت زنگزدن (اکسیداسیون) را بسیار کند میکنند.
تسریع واکنشهای مفید: در صنعت، زمان یعنی پول. بنابراین شیمیدانان به دنبال راههایی برای سریعتر کردن تولید مواد هستند. استفاده از کاتالیزگر در تولید آمونیاک برای کودهای شیمیایی (فرآیند هابر10) یا در پالایش نفت، نمونههای بارز هستند. در بدن ما، اگر آنزیمها (کاتالیزگرهای طبیعی) نبودند، واکنشهای حیاتی مانند هضم غذا به قدری کند بودند که زندگی غیرممکن میشد.
پرسشهای رایج و تصورات نادرست
خیر. کاتالیزگر تنها مسیر سریعتری برای رسیدن به فرآوردهها فراهم میکند و بر سمت رفتن یا نرفتن یک واکنش (ترمودینامیک) تأثیر نمیگذارد. مثل این است که برای پایین آمدن از یک تپه، به جای مسیر پرپیچوخم، یک مسیر مستقیم و سریعتر حفر کنیم. هر دو مسیر به پایین تپه میرسند، اما یکی تندتر است.
در واکنشهای شیمیایی معمول که در کتاب درسی مطرح میشوند، بله. قاعدهٔ کلی این است که با افزایش هر 10°C دما، سرعت واکنش تقریباً دو برابر میشود. اما در واکنشهای زیستی پیچیده (مانند فعالیت آنزیمها) یا موارد خاص، ممکن است دمای خیلی بالا باعث از کار افتادن کاتالیزگر (مثلاً دناتوره شدن آنزیم) و کاهش سرعت شود.
این کار دقیقاً با هدف کاهش سطح تماس انجام میشود. خاکستر مانند یک پتوی عایق روی مواد سوختنی را میپوشاند و آنها را از تماس با اکسیژن هوا (واکنشدهندهٔ دیگر) جدا میکند. با حذف یکی از شرطهای مدل برخورد مؤثر، سرعت واکنش سوختن به شدت کاهش یافته یا متوقف میشود.
پاورقی
۱. سرعت واکنش (Reaction Rate)
۲. غلظت (Concentration)
۳. دما (Temperature)
۴. سطح تماس (Surface Area)
۵. کاتالیزگر (Catalyst): مادهای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد بدون آنکه خود مصرف شود.
۶. واکنشدهنده (Reactant)
۷. فرآورده (Product)
۸. مدل برخورد مؤثر (Collision Theory)
۹. انرژی فعالسازی (Activation Energy): حداقل انرژی که ذرات واکنشدهنده باید داشته باشند تا برخورد آنها منجر به واکنش شود.
۱۰. فرآیند هابر (Haber Process): فرآیند صنعتی برای تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن با استفاده از کاتالیزگر آهن.
