عوامل موثر بر واکنش های شیمیایی

عوامل موثر بر واکنش های شیمیایی (Main Parameters in Chemical Reactions)

________________________________________

عوامل موثر بر واکنش های شیمیایی (Main Parameters in Chemical Reactions)

عوامل متعددی وجود دارند که بر سرعت واکنش های شیمیایی موثرند که مهمترین آنها به ترتیب اولویت عبارتند از :

دما ، غلظت مواد واکنش دهنده و محصولات ، فشار ، ماهیت ونوع مواد واکنش دهنده ، اندازه ی ذرات مواد واکنش دهنده و میزان سطح تماس ، کاتالیزور ، بازدارنده ها (متوف کننده ها ) ، وجود حلال در محیط ، وجود عوامل خارجی نظیر نور و ضربه .در ادامه به بررسی دقیق تر چند مورد از عوامل موثر بر سرعت واکنشهای شیمیایی خواهیم پرداخت.

1-    دما (Temperature )

تجربه نشان داده است که سرعت کلیه ی واکنشهای شیمیایی اعم از گرمازا و گرماگیر با افزایش دما بالا می رود ؛ به نحوی که معمولاً با افزایش دمایی در حدود ده درجه ی سانتیگراد سرعت واکنش دو برابر می شود. اغلب واکنشهایی که در دماهای کم دارای سرعت پایینی هستند، در دماهای زیاد سرعتی قابل توجه خواهند داشت .  سرعت برخی از واکنشها در دماهای زیاد به حدی بالا می رود که امکان کنترل آنها از دست می رود و حتی ممکن است باروندی انفجاری همراه باشد. در دماهای زیاد ، مولکول های مواد واکنش دهنده به دلیل برخورداری از انرژی جنبشی بیشتر ،‌ دارای برخوردهای زیادتری خواهند بود .در نتیجه آسانتر می توانند انرژی فعالسازی را فراهم کنند و به کمپلکس فعال تبدیل شوند .

تقلیل زمان پخت غذا دردیگ زودپز و فاسد شدن سریع مواد غذایی دردمای اطاق و محیط خارج از یخچال ، نشانه ی تأثیر دما بر سرعت واکنشهای شیمیایی است .

2-    نقش غلظت و فشار در سرعت واکنش های شیمیایی (Concentration and Pressure)

به منظور جلوگیری از تداخل اثرات دما و غلظت بر واکنشهای شیمیایی ، مطالعه ی اثر غلظت بر سرعت واکنشهای شیمیایی در دمای ثابتی انجام می شود . بر اساس شواهد تجربی ،سرعت اکثر واکنشها به غلظت مواد واکنش دهنده و نیز فشاری که تحت آن، این مواد با یکدیگرواکنش می دهند ، بستگی دارد . این وابستگی نیز به صورت مستقیم است ؛ بدین معنا که اگر غلظت مواد اولیه بیشتر شود ، بر سرعت واکنش نیز افزوده خواهد شد .

معمولاً در شروع هر واکنش شیمیایی که غلظت مواد اولیه در آن قابل توجه است ، با توجه به برخوردهای بیشتر مولکولها ، سرعت واکنش نیز بیشتر است؛ ولی با گذشت زمان و با کاهش غلظت مواد اولیه ، بتدریج از سرعت واکنش کاسته می شود .

در این سه ظرف آب اکسیژنه بر روی پتاسیم پرمنگنات ریخته می شود . هرچه مقدار پرمنگنات بیشتر باشد ، گاز اکسیژن متصاعد شده نیز بیشتر است . ( از راست به چپ برشدت واکنش افزوده می شود.)

در اغلب واکنش های شیمیایی ، افزایش غلظت یا فشار محصولات موجب کاهش سرعت انجام واکنش می گردد ؛ اما  در برخی از واکنش های شیمیایی ، خود محصولات می توانند به عنوان  کاتالیزور عمل نمایند . در این صورت ، افزایش غلظت محصولات سبب افزایش سرعت واکنش می شود. این گونه واکنشها به «واکنشهای خود کاتالیز » معروفند .

با توجه به تأثیر غلظت و فشار برسرعت واکنش ، برای جلوگیری از کاهش سرعت واکنش ، باید از کاهش غلظت یا فشارمواد واکنش دهنده جلوگیری نمود .بنابراین لازم است که به طورمداوم ، مواد واکنش دهنده را به محیط آزمایش اضافه کرد . علت اصلی زیاد بودن سرعت درواکنشهای رسوبی و یا واکنشهایی که در آنها گاز تولید می شود ، خروج محصولات از محیط واکنش است .

 

3-    نقش ماهیت و نوع مواد برسرعت واکنشهای شیمیایی

قطعات بسیار کوچک عناصری مانند مس ، نقره و آهن حتی در حضور شعله هم به کندی با اکسیژن واکنش می دهند . این در حالی است که قطعات بزرگ منیزیم به سرعت در هوا می سوزند و گرد سفید منیزیم اکسید (MgO) را بر جای می گذارند .

فلز منیزیم باایجاد نوربسیار خیره کننده ای در هوا می سوزد.

یون های نقره و کلرید به سرعت با یکدیگرترکیب شده و رسوب سفید رنگ نقره کلرید Ag Cl)) را به وجود می آورند. این در حالی که واکنش بین یون های منیزیم و اُگزالات بسیار کند است .

فسفر سفید نیز خودبخود در هوا آتش می گیرد ؛ اما فسفر قرمز در مجاورت هوا تقریباً پایدار است .

فسفرسفید آنقدرواکنش پذیراست که آنرا درزیر آب نگهداری می کنند.

با آنکه فسفر قرمز از اتمهای فسفرتشکیل می شود ، اما به دلیل تفاوت در آرایش وتعداد اتمها با فسفرسفید متفاوت است ودر مجاورت هوا نسبتاً پایدار است .

4-    نقش اندازه ذرات مواد واکنش دهنده و میزان سطح تماس در واکنشهای ناهمگن

واکنشهای ناهمگن فقط در سطوح مرزی بین فازهای واکنش دهنده رخ می دهند. سرعت این واکنشها با میزان سطح تماس ذرات رابطه ای مستقیم دارد ؛ یعنی هر قدر که مساحت سطح تماس ذرات بیشتر شود ، بر سرعت واکنش نیز افزوده می گردد . به عنوان مثال ، در هوای مرطوب ، یکسیم ظرفشویی خیلی سریع تر از یک میخ آهنی زنگ می زند . همچنین ذرات پودر شده ی زغال خیلی بهتر از قطعات درشت آن می سوزند .

5-    نقش کاتالیزور (Catalyzer)

کاتالیزورها در اکثرواکنشهای شیمیایی حضور دارند و کارایی آنها بر کسی پوشیده نیست . کاتالیزورها با ایجادسطح تماس بیشتر بین مولکولهای مواد واکنش دهنده ، میل ترکیبی و خفته ی برخی از مواد را بیدار می کنند . البته نبایستی چنین تصور کرد که کاتالیزورها قادرند تمامی واکنشهای شیمیایی ناممکن را عملی سازند .

هر کاتالیزور فقط مناسب یک یا چند واکنش است . انتخاب درست کاتالیزور می تواند به نتایجی از قبیل کاهش قابل توجه انرژی فعال سازی ، کوتاهتر شدن مسیر انجام واکنش ، کمتر شدن مدت زمان انجام آزمایش وبالاخره افزایش سرعت واکنش منجر شود.

بعضی اوقات ممکن است یکی از محصولات واکنش ، نقش کاتالیزوری را نیز ایفا کند و در پیشبرد واکنش سهم بسزایی داشته باشد . برای مثال در واکنش پتاسیم پرمنگنات KMnO4 و اُگزالیک اسید H2C2O4 در محیط اسیدی

2KMnO4 + 5H2C2O4 + 3H2SO4    »»»»»»    2KMnO4+ K2SO4 + 10CO2 + 8H2O

انتظار می رود که با تشکیل Mn2+ و نقش کاتالیزوری آن سرعت واکنش زیاد شود .

از دیگر کاتالیزورها می توان به آنزیم ها اشاره داشت که از کاتالیزورهای زیستی هستند .

ساختارکلی یک آنزیم به عنوان کاتالیزور زیستی – به جایگاه پذیرنده Active Site آن توجه کنید.

 

 

ل مختلف عملکرد آنزیم سوکراز در بدن –  این آنزیم قند سوکراز را به قندهای ساده تر گلوکز و فروکتوز تبدیل می کند .

6-    نقش بازدارنده ها ( Inhibitors)

بازدارنده ها بر خلاف کاتالیزورها سرعت واکنشهای شیمیایی را کاهش می دهند . بازدارنده ها از طریق جذب عوامل فعال واکنش ( اتمها ، یونها و رادیکالها)‌و یا از طریق کاهش سطح تماس می توانند سرعت واکنشها را به حداقل برسانند .

 

در مواقع اضطراری که امکان متوقف کردن واکنشها از طریق تعدیل غلظت یا فشار مواد واکنش دهنده و یا خارج نمودن کاتالیزور وجود ندارد ، از یک بازدارنده ی مناسب استفاده می شود . بازدارنده می تواند یکی از محصولات واکنش باشد؛ مثلاً در واکنش تجزیه ی آمونیاک در حضور پلاتین داغ

2NH3 »»»» Pt »»»»»» N2 + 3H2

با جلوگیری از خروج گاز هیدروژن و اشباع سطح پلاتین به وسیله ی مولکولهای هیدروژن، واکنش متوقف می شود . در صنایع شیمیایی ، این عمل اصطلاحاً « مسموم شدن کاتالیزور » می گویند .

برای جلوگیری از زنگ زدن آهن ، آن را رنگ می زنند .همچنین برای جلوگیری از فاسد شدن مواد غذایی نظیر مرباها و کنسروها از بنزوات سدیم بافرمول شیمیایی C6H5COONa  استفاده می شود .

7-    وجود حلال در محیط

شکی نیست که قسمت اعظم واکنشهای شیمیایی در محلولها انجام می شوند ؛ مثلاً اگر سدیم کلرید NaCl خشک را به نقره نیترات AgNO3 خشک اضافه کنیم و سپس مخلوط حاصل رابه هم بزنیم ، هیچ واکنشی مشاهده نمی شود . اما به محض اظافه کردن آب به این مخلوط شاهد واکنش فوری این دو ماده با یکدیگر و تشکیل رسوب سفید رنگ نقره کلرید AgCl خواهیم بود .

NaCl + AgNO3  »»»»»»»» NaNO3 + AgCl