عند استخدام المحفزات، يتغير مسار التفاعل. تأثير المحفز على معدل التفاعلات الكيميائية
تسمى المواد التي تشارك في التفاعلات وتزيد من سرعتها وتبقى دون تغيير في نهاية التفاعل المحفزات.
تسمى ظاهرة التغير في معدل التفاعل تحت تأثير هذه المواد الحفز. تسمى التفاعلات التي تحدث تحت تأثير المحفزات المحفز.
في معظم الحالات، يتم تفسير تأثير المحفز من خلال حقيقة أنه يقلل من طاقة التنشيط للتفاعل. في وجود محفز، يستمر التفاعل عبر مراحل وسيطة مختلفة عن بدونه، ويمكن الوصول إلى هذه المراحل بشكل أكثر نشاطًا. بمعنى آخر، في وجود المحفز تنشأ مجمعات منشطة أخرى، ويتطلب تكوينها طاقة أقل من تكوين المجمعات المنشطة التي تنشأ بدون محفز. وبالتالي، تنخفض طاقة التنشيط بشكل حاد: بعض الجزيئات، التي كانت طاقتها غير كافية للتصادمات النشطة، أصبحت الآن نشطة.
بالنسبة لعدد من التفاعلات، تمت دراسة المواد الوسيطة؛ كقاعدة عامة، فهي منتجات غير مستقرة نشطة للغاية.
ترتبط آلية عمل المحفزات بانخفاض طاقة التنشيط للتفاعل بسبب تكوين مركبات وسيطة. يمكن تمثيل الحفز على النحو التالي:
أ + ك = أ...ك
أ...ك + ب = أ ب + ك،
حيث A...K مركب وسيط منشط.
الشكل 13.5 - صورة مسار التفاعل لتفاعل حفاز غير محفز A + B → AB (منحنى 1) وتفاعل حفاز متجانس (منحنى 2).
في الصناعة الكيميائيةيتم استخدام المحفزات على نطاق واسع جدًا. وتحت تأثير المحفزات، يمكن أن تتسارع التفاعلات ملايين المرات أو أكثر. في بعض الحالات، تحت تأثير المحفزات، يمكن إثارة التفاعلات التي لا تحدث عمليا في ظل ظروف معينة بدونها.
يميز الحفز المتجانس وغير المتجانس.
متى الحفز المتجانسيشكل المحفز والمواد المتفاعلة مرحلة واحدة (غاز أو محلول). متى الحفز غير المتجانسالمحفز موجود في النظام كمرحلة مستقلة.
أمثلة على الحفز المتجانس:
1) أكسدة SO 2 + 1/2O 2 = SO 3 في وجود NO؛ يتأكسد NO بسهولة إلى NO 2، ويتأكسد NO 2 بالفعل SO 2؛
2) تحلل بيروكسيد الهيدروجين في محلول مائي إلى ماء وأكسجين: أيونات Cr 2 O 2 = 7، WO 2-4، MoO 2-4، تحفز تحلل بيروكسيد الهيدروجين، وتشكل معها مركبات وسيطة تتحلل أكثر إطلاق الأكسجين.
يتم إجراء التحفيز المتجانس من خلال تفاعلات وسيطة مع محفز، ونتيجة لذلك، يتم استبدال تفاعل واحد ذو طاقة تنشيط عالية بعدة تفاعلات ذات طاقات تنشيط أقل ومعدل أعلى:
CO + 1/2O2 = CO2 (محفز – بخار الماء).
يستخدم الحفز غير المتجانس على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية. يتم الحصول على معظم المنتجات التي تنتجها هذه الصناعة حاليًا باستخدام الحفز غير المتجانس. في الحفز غير المتجانس، يحدث التفاعل على سطح المحفز. ويترتب على ذلك أن نشاط المحفز يعتمد على حجم وخصائص سطحه. من أجل الحصول على سطح كبير ("متطور")، يجب أن يكون للمحفز بنية مسامية أو أن يكون في حالة شديدة السحق (شديدة التشتت). في تطبيق عمليعادةً ما يتم تطبيق المحفز على مادة حاملة لها بنية مسامية (الخفاف، الأسبستوس، إلخ).
كما في حالة الحفز المتجانس، في الحفز غير المتجانس، يستمر التفاعل من خلال مواد وسيطة نشطة. ولكن هنا هذه المركبات هي مركبات سطحية للمحفز مع المواد المتفاعلة. وبمرور سلسلة من المراحل التي تتضمن هذه المواد الوسيطة، ينتهي التفاعل بتكوين المنتجات النهائية، ولا يتم استهلاك المحفز نتيجة لذلك.
تشمل جميع التفاعلات الحفزية غير المتجانسة مراحل الامتزاز والامتزاز.
يتم تقليل التأثير التحفيزي للسطح إلى عاملين: زيادة التركيز عند السطح البيني وتنشيط الجزيئات الممتزة.
أمثلة على الحفز غير المتجانس:
2H 2 O = 2H 2 O + O 2 (محفز – MnO 2 ,) ;
H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O (محفز - بلاتين).
يلعب التحفيز دورًا مهمًا جدًا في النظم البيولوجية. معظم التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الجهاز الهضمي وفي الدم وفي خلايا الحيوانات والإنسان هي تفاعلات تحفيزية. المحفزات، التي تسمى الإنزيمات في هذه الحالة، هي بروتينات بسيطة أو معقدة. وهكذا، يحتوي اللعاب على إنزيم البتيالين، الذي يحفز تحويل النشا إلى سكر. إن الإنزيم الموجود في المعدة، البيبسين، يحفز تحلل البروتينات. يوجد حوالي 30.000 إنزيم مختلف في جسم الإنسان: كل واحد منهم يعمل كمحفز فعال للتفاعل المقابل.
المحفزات هي مواد يمكنها تسريع التفاعل الكيميائي، دون استهلاك المحفزات نفسها في التفاعل الكيميائي. لقد ثبت أن المحفزات تغير آلية التفاعل الكيميائي. وفي هذه الحالة، تنشأ حالات انتقالية جديدة أخرى تتميز بانخفاض ارتفاع حاجز الطاقة. وبالتالي، تحت تأثير المحفز، فإنه يتناقص
طاقة التنشيط للعملية (الشكل 3). عند الدخول في أنواع مختلفة من التفاعلات مع الجسيمات الوسيطة، تظل المحفزات بكميات دون تغيير في نهاية التفاعل. تعمل المحفزات فقط على التفاعلات المسموح بها من الناحية الديناميكية الحرارية. لا يمكن للمحفز أن يسبب رد فعل لأنه لا يؤثر على القوى الدافعة لها. لا يؤثر المحفز على ثابت التوازن الكيميائي، لأنه يقلل بالتساوي من طاقة التنشيط لكل من التفاعلات الأمامية والعكسية.
الشكل 3: مخطط الطاقة للتفاعل A + B = AB أ) بدون محفز و ب) في وجود محفز. Ea هي طاقة التنشيط للتفاعل غير التحفيزي؛ Ea 1 و Ea 2 - طاقة التنشيط للتفاعل الحفاز؛ AA عبارة عن مركب تفاعلي وسيط للمحفز مع أحد الكواشف؛ A...K، AK...B – مجمعات التفاعل الحفاز المنشطة؛ A…B - المركب المنشط للتفاعل غير التحفيزي؛ ∆E القط. – انخفاض طاقة التنشيط تحت تأثير المحفز.
هناك الحفز المتجانس وغير المتجانس. في الحالة الأولى، يكون المحفز في نفس المرحلة مع الكواشف، وفي الحالة الثانية، يكون المحفز صلب، على سطحه يحدث تفاعل كيميائي بين الكواشف.
التوازن الكيميائي
تنقسم التفاعلات الكيميائية عادة إلى تفاعلات عكسية ولا رجعة فيها. تستمر التفاعلات الكيميائية التي لا رجعة فيها حتى يتم استهلاك مادة واحدة على الأقل من المواد الأولية بالكامل، أي. منتجات التفاعل إما لا تتفاعل مع بعضها البعض على الإطلاق، أو تشكل مواد مختلفة عن تلك الأصلية. هناك عدد قليل جدا من ردود الفعل من هذا القبيل. على سبيل المثال:
2KClO 3 (تلفزيون) = 2KCl (تلفزيون) + 3O 2 (جم)
في محاليل الإلكتروليت، تعتبر التفاعلات التي تحدث مع تكوين الهطول والغازات والإلكتروليتات الضعيفة (الماء والمركبات المعقدة) غير قابلة للعكس عمليًا.
معظم التفاعلات الكيميائية قابلة للعكس، أي. يذهبون إلى الأمام والخلف. يصبح هذا ممكنا عندما تختلف طاقات التنشيط للعمليات المباشرة والعكسية قليلا عن بعضها البعض، وتكون منتجات التفاعل قادرة على التحول إلى المواد الأولية. على سبيل المثال، تفاعل تخليق HI هو تفاعل عكسي عادةً:
ح 2 (ز) + أنا 2 (ز) ⇄ 2HI (ز)
قانون الفعل الجماعي (التعبير عن معدل التفاعل) للعمليات المباشرة والعكسية، على التوالي، سيكون له الشكل: = ∙ ؛ 
= 2
في مرحلة ما من الزمن، تحدث حالة عندما تصبح معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية = (الشكل 4).
الشكل 4: التغير في معدلات التفاعلات الأمامية (والعكسية) بمرور الوقت t
وتسمى هذه الحالة بالتوازن الكيميائي. إنها ديناميكية (متحركة) بطبيعتها ويمكن أن تتحول في اتجاه أو آخر حسب التغيرات في الظروف الخارجية. بدءًا من لحظة التوازن، وفي ظل ظروف خارجية ثابتة، لا تتغير تركيزات المواد الأولية ومنتجات التفاعل بمرور الوقت. تسمى تركيزات الكواشف المقابلة لحالة التوازن حالة توازن. لتحديد تركيز توازن الكاشف، من الضروري طرح كمية المادة التي تفاعلت عند حدوث حالة التوازن من تركيزه الأولي: مع متساوي = ج المرجع. - مع المؤيد للمفاعل. يتناسب عدد الكواشف التي دخلت التفاعل وتشكلت منها عند اتزان النواتج مع المعاملات المتكافئة في معادلة التفاعل.
يمكن أن توجد حالة التوازن في ظل ظروف خارجية ثابتة إلى أجل غير مسمى. في حالة توازن
∙ = [ 2 , من حيث / [= 2 / ∙ .
عند درجة حرارة ثابتة، تكون ثوابت معدل العمليات الأمامية والعكسية قيمًا ثابتة.
النسبة بين ثابتين هي أيضًا قيمة الثابت K= / وتسمى ثابت التوازن الكيميائي. يمكن التعبير عنها
إما من خلال تراكيز المواد المتفاعلة = أو من خلال ضغوطها الجزئية 
إذا حدث التفاعل بمشاركة الغازات.
في الحالة العامة للتفاعل aA+bB+ …⇄cC+dD+ … ثابت التوازن الكيميائي يساوي نسبة حاصل ضرب تراكيز نواتج التفاعل إلى حاصل ضرب تراكيز المواد البادئة في قوى تساوي معاملاتها المتكافئة.
ثابت التوازن الكيميائي لا يعتمد على مسار العملية ويحدد عمق حدوثها عند الوصول إلى حالة التوازن. كلما زادت هذه القيمة، زادت درجة تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات.
إن ثابت التوازن الكيميائي، وكذلك ثوابت معدل التفاعل، هما دالتان فقط لدرجة حرارة وطبيعة المواد المتفاعلة ولا تعتمدان على تركيزها.
بالنسبة للعمليات غير المتجانسة، لا يتم تضمين تركيز المواد الصلبة في التعبير عن معدل التفاعل وثابت التوازن الكيميائي، لأن ويحدث التفاعل على سطح الطور الصلب، الذي يظل تركيزه ثابتًا مع مرور الوقت. على سبيل المثال، لرد الفعل:
FeO (s) + CO (g) ⇄ Fe (s) + CO 2 (g)
التعبير عن ثابت التوازن سيكون:
ترتبط K p و K c بالعلاقة ك ص = ك ج (ر ت) ∆ ن، حيث n=n تابع. - في المواد الخام – التغير في عدد المولات الغازيالمواد أثناء التفاعل. في هذا التفاعل، K p = K c، حيث أن n من المواد الغازية يساوي صفرًا.
في الصفوف التاسع إلى العاشر المدرسة الثانويةالاستمرار في صياغة مفاهيم حول معدل التفاعلات الكيميائية، وتأثير العوامل المختلفة على معدل التحولات الكيميائية، وتوسيع وتعميق المعرفة حول الحفز والمحفزات، وإعطاء بعض الأفكار حول آلية الظواهر التحفيزية.
في الموضوع " الفلزات القلوية"، مما يدل على تجارب مثل تفاعل الصوديوم مع الماء و حامض الهيدروكلوريكتفاعل البوتاسيوم والصوديوم مع الماء، ويؤكد المعلم أن بعض هذه التفاعلات تحدث بشكل أسرع من غيرها تحت نفس الظروف. على سبيل المثال، يتفاعل الصوديوم مع حمض الهيدروكلوريك بقوة أكبر من تفاعله مع الماء؛ يتفاعل البوتاسيوم مع الماء بقوة أكبر من الصوديوم. بعد تجارب احتراق الكلور مع الصوديوم والنحاس والأنتيمون والهيدروجين، المواد العضويةيمكنك طرح الأسئلة: "لماذا تم استخدام مسحوق الأنتيمون للاحتراق في الكلور، وليس القطع؟ لماذا تحترق حزمة من الأسلاك النحاسية الرفيعة في الكلور، ولكن السلك السميك لا يحترق؟" في هذه الحالات، يتم تفسير الفرق في تفاعل المواد إما بطبيعة المواد نفسها وبنية الذرات، أو بسطح تلامس مختلف.
وفي نفس الموضوع، عند تعريف الطلاب بخصائص حمض الهيدروكلوريك، من المفيد معرفة سبب تسارع التفاعلات بين هذا الحمض والمعادن (الزنك، المغنيسيوم) مع مرور الوقت. ويعتمد التسارع، بشكل خاص، على حقيقة إطلاق هذه التفاعلات عدد كبير منالحرارة، ومع تسخين المواد يزداد معدل التفاعل.
باستخدام مثال التفاعل بين الألومنيوم واليود، يجدر بنا أن نتذكر ما هو المحفز وأن نبين أن الماء يمكن أن يكون محفزًا. يُسكب خليط من مساحيق اليود والألمنيوم على شبكة الأسبستوس في كومة وتُضاف بضع قطرات من الماء. يتسارع تفاعل المواد تحت تأثير الماء ويندلع اللهب. يلفت المعلم الانتباه إلى حقيقة أنه في الخليط الذي لم يتم سكبه من كوب الخزف على الشبكة، لم يحدث وميض، ولكن يمكن أن يحدث بعد مرور بعض الوقت وبدون ماء.
تجدر الإشارة إلى أن الماء لا يعمل على تسريع تفاعل الألمنيوم مع اليود فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا محفزًا في العديد من العمليات الكيميائية. يعد التأثير التحفيزي للمياه أثناء احتراق الغازات المختلفة المستخدمة في التكنولوجيا أمرًا مهمًا للغاية.
عند النظر في خصائص بيروكسيد الهيدروجين، يشار إلى أن بيروكسيد الهيدروجين مادة هشة للغاية. عند تخزينه في عبوات زجاجية، فإنه يتحلل ببطء، ويطلق الحرارة:
2H2O2 = 2H2O4 + O2 + 46 سعرة حرارية
يطلب المعلم من الطلاب سرد الظروف التي تسرع تحلل بيروكسيد الهيدروجين. يستطيعون
أشير في هذه الحالة إلى: 1) التسخين، 2) عمل المحفزات، 3) زيادة تركيز المحلول. ويمكن أن نضيف أن تحلل بيروكسيد الهيدروجين يحدث أيضًا بشكل أسرع في الضوء، ويمكن تأكيد ذلك من خلال الخبرة في الأنشطة اللامنهجية. صب بيروكسيد الهيدروجين في دورقين مثبتتين في حوامل وأغلقهما بسدادات بأنابيب مخرج الغاز. ضع الأنابيب تحت أسطوانات مقلوبة أو أنابيب اختبار مملوءة بالماء ثم إنزالها في وعاء واسع به ماء. لف إحدى القوارير بالورق الأسود. ضع الأجهزة في نافذة مشمسة أو قم بإضاءتها بمصباح كهربائي بقوة 75-100 فولت. ستظهر التجربة التحلل السريع لبيروكسيد الهيدروجين تحت تأثير الضوء.
بعد ذلك، خلال الدرس، يدرس الطلاب بشكل مستقل التغيير في معدل تحلل بيروكسيد الهيدروجين تحت تأثير المحفزات. للعمل، يتم إعطاؤك محلول 3-5٪ من بيروكسيد الهيدروجين وثاني أكسيد المنغنيز وحمض الهيدروكلوريك المركز وشظية وقمع وورق ترشيح والعديد من أنابيب الاختبار.
مهام: 1) التحقق مما إذا كان بيروكسيد الهيدروجين متحللاً في المحلول الذي تم إصداره؟ 2) باستخدام ثاني أكسيد المنغنيز، تسريع تفاعل تحلل بيروكسيد الهيدروجين. 3) أثبت أن ثاني أكسيد المنغنيز لم يتغير كيميائيًا نتيجة للتفاعل * 4) أثبت أن ثاني أكسيد المنغنيز، المستخدم بالفعل كمحفز، يمكنه تسريع تحلل بيروكسيد الهيدروجين مرة أخرى.
* (اختبار مع حمض الهيدروكلوريك عند تسخينه.)
بعد التخرج عمل مستقليوضح المعلم أنه يمكن استخدام محفزات مختلفة لتسريع نفس التفاعل الكيميائي، وهو التحلل مادة غير عضويةيتم تسريع (بيروكسيد الهيدروجين) بواسطة المحفزات العضوية - الإنزيمات. يُسكب محلول 3% من بيروكسيد الهيدروجين في كوب صغير، ثم توضع فيه قطعة صغيرة من اللحم النيئ. يتم إطلاق الأكسجين بشكل مكثف من المحلول، حيث يحتوي دم وأنسجة الحيوانات على إنزيم الكاتلاز. يجب التأكيد على أن الإنزيمات تعتبر مسرعات تفاعل طبيعية ممتازة. إحدى المهام المهمة للكيمياء المستقبلية هي الإنتاج الاصطناعي والاستخدام الصناعي للمحفزات التي تشبه الإنزيمات في تركيبها وخصائصها التحفيزية.
لشرح سبب سرعة تحلل بيروكسيد الهيدروجين عند تخزينه في عبوات زجاجية، تم إجراء تجربة. يسكب محلول بيروكسيد الهيدروجين في ثلاثة أنابيب اختبار، ويضاف إلى أحدهم محلول حامض الكبريتيك، وتضاف إلى الآخر الصودا الكاوية، ويترك الثالث للمقارنة (محلول التحكم). يتم تسخين المحاليل الثلاثة (وليس حتى الغليان). سيتم إطلاق الأكسجين بقوة من أنبوب اختبار بمحلول بيروكسيد الهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم، وبقوة أقل - من أنبوب اختبار بمحلول تحكم. في وجود حمض الكبريتيك (أيونات الهيدروجين)، لا يتحلل بيروكسيد الهيدروجين. تحفز أيونات OH عملية تحلل بيروكسيد الهيدروجين، لذلك في وعاء زجاجي، تطلق جدرانه أيونات الهيدروكسيل في المحلول، ويتحلل بيروكسيد الهيدروجين بسهولة.
يستمر توحيد وتطوير المعرفة حول معدل التفاعلات الكيميائية. وبتمرير خليط من ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين عبر أنبوب زجاجي ساخن بدون محفز، يوضح المعلم أن التكوين أنهيدريد الكبريتيكفي ظل هذه الظروف لا يمكن ملاحظته، ويسأل الطلاب عن كيفية تسريع تفاعل الغازات. خلال المحادثة اتضح أن طرق تسريع التفاعلات مثل زيادة تركيزات الكواشف وزيادة درجة الحرارة دون استخدام المحفز لا تعطي النتائج اللازمة. تفاعل أكسدة ثاني أكسيد الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت قابل للعكس:
2SO 2 + O 2 ↔ 2SO 3 + س،
وتؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تسريع تحلل أنهيدريد الكبريتيك إلى حد أكبر من تكوينه.
يقومون بالتحقق مما إذا كان أكسيد الحديد سيكون محفزًا لتفاعل أكسدة ثاني أكسيد الكبريت. عند إظهار أكسدة التلامس لثاني أكسيد الكبريت إلى أنهيدريد الكبريتيك في وجود أكسيد الحديد، لوحظ تكوين أنهيدريد الكبريتيك، المدخن في الهواء. ومن ثم ثبت أن أكسيد الحديد لم يتغير كيميائيا نتيجة للتفاعل. للقيام بذلك، كرر تجربة الأكسدة التلامسية لثاني أكسيد الكبريت إلى أنهيدريد الكبريتيك مع نفس الجزء من أكسيد الحديد. ويلاحظ أيضًا أنه يمكن استخدام محفزات مختلفة لتسريع أكسدة ثاني أكسيد الكبريت. بالإضافة إلى أكسيد الحديد، تم استخدام البلاتين في الصناعة الكيميائية، والآن يستخدم خامس أكسيد الفاناديوم V 2 O 5 *.
* (يحتوي محفز الفاناديوم المستخدم حاليًا على تركيبة معقدة (انظر: D. A. Epshtein. مدرس كيمياء في التكنولوجيا الكيميائية، M.، دار النشر التابعة لأكاديمية العلوم في جمهورية روسيا الاتحادية الاشتراكية السوفياتية، 1961).)
من المهم أيضًا التأكيد على خاصية المحفز، وتسريع التفاعل، دون التأثير على قابليته للانعكاس: يظل تفاعل أكسدة ثاني أكسيد الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت قابلاً للعكس حتى لو تم استخدام المحفز.
عند دراسة طريقة التلامس لإنتاج حامض الكبريتيك، من الضروري النظر في استخدام المحفز في الصناعة. وبدون المحفز، سيكون الإنتاج السريع لكميات كبيرة من أنهيدريد الكبريتيك مستحيلا، ولكن استخدامه يسبب بعض متطلبات إضافيةلظروف العملية. الحقيقة هي أن الشوائب الموجودة في المواد المتفاعلة تؤثر سلبًا على المحفز. لثالث أكسيد الزرنيخ تأثير سلبي على محفز الفاناديوم، كما يقولون، "يسممه". لذلك، من الضروري تنقية الغازات المتفاعلة من الشوائب بعناية.
إذا كان لدى الطلاب سؤال حول سبب تسمم المحفز، يشرح المعلم أولاً تأثيره باستخدام نظرية تكوين المركبات الوسيطة، ثم يأخذ في الاعتبار التأثير السام للشوائب.
يحدث تسريع التفاعلات بمساعدة المحفز بسبب حقيقة أنه يشكل مركبات ضعيفة مع المواد الأولية، ثم يتم إطلاقها مرة أخرى في شكل حر. تتم هذه التفاعلات بشكل أسرع بكثير من التفاعل بين ثاني أكسيد الكبريت والأكسجين. إذا كان خليط الغازات يحتوي على شوائب تدخل في تفاعلات لا رجعة فيها مع المحفز، فيحدث تسممه. على الرغم من التنقية الدقيقة للغازات، فإن نشاط المحفزات المستخدمة في إنتاج حمض الكبريتيك يتناقص بمرور الوقت. "شيخوخة" لا تنتج فقط عن التسمم التدريجي، ولكن أيضًا عن طريق التسخين المطول والتدمير الميكانيكي، مما يغير حالة سطح المحفز. لا يشارك سطح المحفز بأكمله في التفاعل المحفز، ولكن فقط أقسامه المشذبة - المراكز النشطة، وعدد هذه المراكز يتناقص مع "الشيخوخة".
تناول القسم السابق كيف ينبغي، في ضوء نظرية التركيب الذري، شرح تأثير الطاقة على بدء التفاعل الكيميائي للطلاب. وهذا سيجعل من الممكن حل مسألة سبب تسارع التفاعلات الكيميائية عند تسخينها. يعرف الطلاب أنه مع زيادة درجة الحرارة في المواد، يزداد عدد الجزيئات النشطة، وتزداد سرعة حركة الجزيئات وعدد اجتماعاتها في وحدة الزمن. في ذرات الجزيئات النشطة، يتم نقل الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى؛ وهذه الجزيئات غير مستقرة ويمكن أن تتفاعل بسهولة أكبر مع جزيئات المواد الأخرى.
تشرح نظرية التفكك الإلكتروليتي سبب حدوث التفاعلات بين محاليل الأحماض والأملاح والقواعد بشكل فوري تقريبًا. تحتوي محاليل هذه المواد بالفعل على جزيئات نشطة - أيونات مشحونة بشكل معاكس. ولذلك فإن التفاعلات بين المحاليل المائية للأحماض والأملاح والقواعد تتم بسرعة كبيرة وتختلف بشكل كبير عن التفاعلات بين نفس المواد ولكنها تؤخذ في شكل جاف.
عند بدء الدرس حول موضوع "معدل التفاعل الكيميائي"، يذكر المعلم أن التفاعلات الكيميائية يمكن أن تحدث بسرعات مختلفة، ودراسة الظروف التي تؤثر عليها لها أهمية عملية كبيرة.
كيف يمكنك قياس معدل التفاعل الكيميائي؟
يعرف الطلاب بالفعل أنه يمكن الحكم على سرعة التحول الكيميائي من خلال كمية المادة التي تفاعلت أو تم إنتاجها في وقت معين، وأن سرعة الحركة الميكانيكية تقاس بالمسار الذي يقطعه الجسم في وحدة الزمن؛ لحساب هذه السرعة، استخدم الصيغة
حيث v هي السرعة، S هو المسار وt هو الوقت.
مع أخذ ذلك في الاعتبار، يكتب الطلاب عن طريق القياس صيغة لحساب معدل التفاعل الكيميائي
حيث m هي كمية المادة التي دخلت في التفاعل أو تم الحصول عليها نتيجة له خلال الزمن t.
النظر في ما هو عيب هذه الصيغة. وتبين أنه عند استخدامه، فإن معدل التفاعل المحسوب سيكون مختلفًا حتى بالنسبة لحصتين من نفس المادة المأخوذة في نفس الظروف.
لنفترض أن 15 جم من المادة تتحلل في وعاء كل ثانية. وتبين أنه عند إدخال حاجز في هذا الوعاء، والذي سيقسم المادة الموجودة فيه إلى جزأين بنسبة 1:2، في الجزء الأول (الأصغر) سوف يستمر التفاعل بمعدل 5 جم / ثانية وفي الثانية - 10 جم / ثانية.
لكي يميز المعدل المحسوب التفاعل نفسه، وليس كمية المادة البادئة المأخوذة، فمن الضروري أن نأخذ في الاعتبار التغير في كتلة المادة المتفاعلة لكل حجم، أي التغير في تركيز المادة المتفاعلة. متفاعل. ولذلك، يمكن حساب معدل التفاعل الكيميائي باستخدام الصيغة:
v=c 0 -c t /t
حيث c 0 هو التركيز الأولي لأي من المواد المتفاعلة، c t هو تركيز نفس المادة بعد t ثانية. عند حساب السرعة، عادة ما يتم التعبير عن التركيز بالمول لكل لتر والوقت بالثواني.
يركز هذا الدرس على أهم الطرق لتسريع التفاعلات الكيميائية. ولهذا الغرض يتم إجراء تجربة معملية تبين أن معدل التفاعل الكيميائي يعتمد على تركيز المواد المتفاعلة.
تستخدم في التجربة المعدات التالية الموضوعة على طاولات الطلاب: 1) حامل به ثلاثة أنابيب اختبار، يحتوي أحدها على بلورة من يوديد الصوديوم أو يوديد البوتاسيوم (بحجم 2 - 3 رؤوس دبوس)، والآخر يحتوي على بلورة من يوديد الصوديوم أو يوديد البوتاسيوم (بحجم 2 - 3 رؤوس دبوس)، والآخر يحتوي على يحتوي على محلول كلوريد الحديديك، والثالث - فارغ؛ 2) قارورة أو كوب من الماء؛ 3) أنبوبين زجاجيين متطابقين؛ 4) قضيب زجاجي.
يدعو المعلم الطلاب للتحضير للتجربة: 1) إضافة الماء إلى يوديد الصوديوم لتكوين نصف أنبوب اختبار من المحلول وخلط السائل بالعصا، 2) صب ثلث المحلول الناتج في أنبوب اختبار آخر، 3 ) يضاف إلى المحلول المسكوب في أنبوب اختبار آخر مع محلول من الماء بحيث تكون أحجام محاليل يوديد الصوديوم (أو يوديد البوتاسيوم) في أنابيب الاختبار هي نفسها.
يطرح المعلم أسئلة للتحقق من فهم الطلاب للتوجيهات:
1) كم مرة تم تخفيف محلول يوديد الصوديوم في أنبوب الاختبار الثاني؟
2) بكم مرة يكون تركيز الملح في الأنبوب الأول أكبر منه في الثاني؟
ويلاحظ أن تركيز أحد المحاليل يساوي ضعف تركيز الآخر. بعد ذلك، في محلولين محضرين، يتفاعل كلوريد الحديديك مع يوديد الصوديوم، مما يؤدي إلى إطلاق اليود الحر:
2NaI + 2FeCl 3 = 2NaCl + 2FeCl 2 + I 2،
2I - + 2Fe 3+ = 2Fe 2+ + I 2.
يقرر الطلاب في أي أنبوب اختبار يكون معدل تفاعل الأملاح أكبر وبأي معايير يمكن الحكم على ذلك. يتم اختبار الافتراض تجريبيا.
أولاً، تُسكب كميات متساوية من معجون النشا (1-2 مل) في كلا الأنبوبين مع محاليل يوديد الصوديوم (أو يوديد البوتاسيوم)، ثم، بعد الخلط، بضع قطرات من محلول 5-10٪ من كلوريد الحديديك. يُنصح بصب محلول كلوريد الحديديك في كلا الأنبوبين في نفس الوقت. يظهر اللون الأزرق على الأرجح في أنبوب الاختبار بمحلول ذي تركيز أعلى. في أنبوب الاختبار، حيث يكون تركيز المحلول أعلى، من المرجح أن تلتقي أيونات اليود مع أيونات الحديديك، وبالتالي تتفاعل معها في كثير من الأحيان - يستمر التفاعل بشكل أسرع.
يوضح المعلم احتراق الكبريت في الهواء ويسأل الطلاب كيف يمكن تسريع هذا التفاعل. يقترح الطلاب وضع الكبريت المحترق في الأكسجين وإجراء هذه التجربة. وبناء على تحليل التجارب، يتم التوصل إلى نتيجة عامة: يعتمد معدل التفاعل الكيميائي على تركيز المواد المتفاعلة (عدد الأيونات أو الجزيئات لكل وحدة حجم).
ننتقل إلى مسألة تأثير سطح المواد المتفاعلة على معدل التفاعل الكيميائي. يتذكر الطلاب التفاعلات التي تتضمن خلط وطحن المواد المتفاعلة: طحن خليط من الأمونيا مع الجير المطفأ، وتفاعل قطع صغيرة من الرخام أو الزنك مع حمض الهيدروكلوريك، واحتراق الوقود المسحوق في الفوهات، واستخدام الخامات المكسرة في صهر المعادن. المعادن وبيريت الكبريت في إنتاج حامض الكبريتيك. تمت مناقشة شروط إطلاق البيريت في إنتاج حامض الكبريتيك بمزيد من التفصيل. لإنتاج ثاني أكسيد الكبريت، يتم استخدام البيريت المسحوق، لأنه يحترق بشكل أسرع من البيريت المأخوذ في قطع كبيرة. يحدث احتراق غبار البيريت بسرعة خاصة إذا تم إخراجه بتيار من الهواء من الفوهة، وكذلك عند حرقه في طبقة مميعة، عندما يتلامس سطح قطع البيريت بالكامل مع الهواء.
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن التفاعلات الكيميائية مع المواد القابلة للاشتعال شديدة السحق يمكن أن تكون مصحوبة بانفجار. على سبيل المثال، حدثت انفجارات لغبار السكر في مصانع إنتاج السكر.
وخلصوا إلى أنه كلما زاد سحق المادة الصلبة، زاد معدل التفاعل الكيميائي الذي تشارك فيه.
ثم يتم تحليل تأثير درجة الحرارة على معدل التفاعل الكيميائي. تُسكب نفس الكمية من محلول حمض الكبريتيك في أنبوب اختبار مع ربع محلول الهيبسلفيت؛ بالتوازي مع هذه التجربة، يتم تصريف المحاليل الساخنة من الهيبسلفيت وحمض الكبريتيك:
Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + SO 2 + S↓
ويلاحظ الوقت حتى تصبح الحلول غائمة. يقول المعلم أنه عندما تزيد درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، فإن معدل معظم التفاعلات يزيد بمقدار 2-3 مرات.
بناءً على المعرفة المكتسبة، يتم منح الطلاب الفرصة لشرح تسارع التفاعلات الكيميائية عند تسخين المواد.
ليست هناك حاجة في هذا الدرس لإثبات الخبرة في التأثيرات التحفيزية للمواد، حيث أصبح الطلاب على دراية بها باستخدام أمثلة تفاعل تحلل بيروكسيد الهيدروجين وأكسدة ثاني أكسيد الكبريت. يسردون التفاعلات التحفيزية المعروفة لديهم ويعطون تعريفات للحفز والمحفز.
لتعزيز المعرفة في هذا الدرس، يتم طرح الأسئلة التالية:
- ما الذي يحدد سرعة التفاعل الكيميائي؟ أعط أمثلة.
- تحت أي ظروف يزداد معدل التفاعل الكيميائي؟
- كيف يمكن للمرء، في ضوء نظرية التفكك الإلكتروليتي، أن يفسر أن تطور الهيدروجين عندما يتفاعل الزنك مع حمض الأسيتيك يحدث بشكل أبطأ بكثير مما يحدث عندما يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك؟
- ما هي الطرق التي يمكنك من خلالها تسريع التفاعل بين الزنك وحمض الهيدروكلوريك؟
- لماذا تشتعل الشظية المشتعلة في الهواء بالأكسجين؟
- لقد تم إعطاؤك أنبوبي اختبار تتفاعل فيهما كربونات الكالسيوم ببطء مع حمض الهيدروكلوريك. حاول تسريع التفاعل الكيميائي في كل أنبوب اختبار باستخدام تقنيات مختلفة.
- لماذا يزداد معدل التفاعل الكيميائي مع زيادة درجة الحرارة؟
- ما طرق تسريع التفاعلات الكيميائية المستخدمة في إنتاج حامض الكبريتيك؟
- اذكر التفاعلات الكيميائية التي تعرفها والتي يتم تسريعها بواسطة المحفزات.
عند دراسة تفاعل تخليق الأمونيا، يواجه الطلاب مرة أخرى استخدام المحفز، وإلى جانب دمج المعلومات المكتسبة مسبقًا حول الحفز والمحفزات، يمكن تطوير هذه المعرفة إلى حد ما.
يلفت المعلم الانتباه إلى حقيقة أن كلا التفاعلين - تخليق الأمونيا وتحللها إلى نيتروجين وهيدروجين - يحدثان في وجود نفس المحفز - الحديد المخفض، مما يؤدي إلى تسريع التفاعلات الأمامية والعكسية بنفس الدرجة. ولذلك، فإن المحفز لا يغير التوازن الكيميائي، ولكنه يساهم فقط في تحقيق هذه الحالة بشكل أسرع. للتحقق من فهمهم لهذا الحكم، يطرح المعلم عليهم الأسئلة:
- هل يمكن إنتاج الأمونيا إنتاجيا من خليط النيتروجين والهيدروجين تحت ضغط عالي وتسخين ولكن بدون محفز؟ لماذا؟
- يتم تسريع تفاعل تصنيع الأمونيا بالحرارة والمحفز. ما الفرق في تأثير هذه الظروف على التوازن الكيميائي؟
عند تعريف الطلاب بتركيب الأمونيا في الإنتاج، يشير المعلم إلى أن المحفز يفقد نشاطه بسرعة إذا لم يتم تحرير الغازات (الهيدروجين والنيتروجين) من الشوائب أولاً. في هذه العملية، يكون للأكسجين وبخار الماء وأول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين ومركبات الكبريت الأخرى تأثير سام.
كما في حالة الأكسدة الحفزية لثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد، أثناء تصنيع الأمونيا، يمارس المحفز تأثيره المتسارع فقط ضمن حدود معينة لدرجة الحرارة. عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، يقلل الحديد المخفض من نشاطه التحفيزي.
باستخدام مثال تخليق الأمونيا، يمكننا النظر في آلية عمل المحفز. ويلاحظ أن نيتريد الحديد يتشكل على سطح محفز الحديد:
يتفاعل الهيدروجين مع النتريد لينتج الأمونيا:
FeN 2 + 3H 2 → الحديد + 2NH 3.
ثم تتكرر العملية.
تتم تفاعلات تكوين نيتريد الحديد وتفاعله مع الهيدروجين بسرعة كبيرة.
عند دراسة تفاعلات أكسدة الأمونيا، بعد عرض التجارب على احتراق الأمونيا في الأكسجين والأكسدة الحفزية للأمونيا، يلفت انتباه الطلاب إلى أن المواد البادئة في هاتين الحالتين أخذت نفسها، ولكن بالاعتماد على الشروط (استخدام المحفز)، يتم الحصول على منتجات مختلفة.
يمكن أن تحدث أكسدة الأمونيا بتكوين مواد مختلفة حسب المعادلات:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O؛
4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O;
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O.
يقوم المحفز، البلاتين، بتسريع التفاعل الأخير فقط. لذلك، باستخدام المحفز، من الممكن توجيه تفاعل الأمونيا والأكسجين في الاتجاه المطلوب. يجد هذا التطبيق في الإنتاج الكيميائي في إنتاج حمض النيتريك.
يوفر تكوين مفهوم الإنتاج الكيميائي في الصف التاسع فرصًا كبيرة لتعريف الطلاب بالتحكم العملي في معدل التفاعلات الكيميائية في المصانع الكيميائية.
بناءً على تعميم المعرفة حول الإنتاج الذي تمت دراسته مسبقًا (الهيدروكلوريك، الكبريتيك، أحماض النيتريك، الأمونيا)، يشكل المعلم لدى الطلاب مفهوم أفضل الظروف لإجراء التفاعلات الكيميائية في الإنتاج: استخدام درجات الحرارة المثلى، وزيادة تركيز التفاعلات الكيميائية. المواد، وزيادة سطح التلامس للمواد المتفاعلة، واستخدام المحفزات. وبعد ذلك، ومن أجل التعرف على الظروف التي تحد من استخدام كل شرط، يُطرح على الطلاب السؤال التالي: “هل من الممكن زيادة درجة الحرارة إلى أجل غير مسمى لتسريع التفاعلات الكيميائية في الإنتاج؟” واكتشفوا أن التسخين القوي يمكن أن يحول التوازن الكيميائي في اتجاه غير مرغوب فيه، وفي حالة استخدام المحفز، يقلل من نشاطه. مع أخذ ذلك في الاعتبار، لا يتم استخدام درجات الحرارة القصوى في الإنتاج، بل الأمثل.
يتم تحليل الشروط الأخرى لإجراء التفاعلات الكيميائية في الإنتاج بنفس الطريقة.
تُستخدم دراسة المواد الواقعية الجديدة في الكيمياء في الصفوف من التاسع إلى العاشر لتعزيز المعرفة حول معدل التفاعلات الكيميائية.
وعند دراسة خواص الفسفور الأبيض يقول المعلم أن توهج الفسفور الأبيض في الظلام يدل على بطء أكسدته في الهواء. بعد ذلك، سننظر في الظروف التي يمكن فيها تسريع أكسدة الفسفور الأبيض. يؤدي التسخين وسحق الفوسفور واستخدام الأكسجين إلى تسريع أكسدة الفوسفور، مما يؤدي إلى اشتعاله.
يستخدم الطلاب المعرفة حول طرق تسريع العمليات الكيميائية للتنبؤ بظروف تكوين السوبر فوسفات. يقولون أنه يمكن تسريع التفاعل بين فوسفات الكالسيوم الثلاثي وحمض الكبريتيك عن طريق التسخين، وطحن فوسفات الكالسيوم، والتحريك، وزيادة تركيز حمض الكبريتيك. يضيف المعلم، وهو يلخص ما قيل، ذلك في
في هذا الإنتاج، يتم استخدام التسخين بالفعل، ولكن لهذا يستخدمون الحرارة المنبعثة أثناء التفاعل نفسه، عندما يتم خلط فوسفات الكالسيوم الثلاثي المسحوق جيدًا مع حمض الكبريتيك.
أثناء دراسة الطلاب للمواد العضوية، يواجهون العديد من العمليات التي تتضمن العوامل الحفازة، على سبيل المثال، إنتاج بنزين الطيران والمطاط والهيدروكربونات العطرية.
يمكننا أن نفكر في دور حمض الكبريتيك في ترطيب الإيثيلين. في وجود حمض الكبريتيك، بدلاً من التفاعل البطيء لإضافة الماء إلى الإيثيلين (C2H4 + H2O → C2H5OH)، تحدث العمليات التالية بسرعة واحدة تلو الأخرى: 1) حمض الكبريتيكيتحد مع الإيثيلين لتكوين إيثر كبريت الإيثيل:
2) يخضع إيثر كبريت الإيثيل للتصبن لتكوين الكحول الإيثيلي وحمض الكبريتيك.
بعد تقطير الكحول، يظهر حمض الكبريتيك بنفس الكمية، لكنه يشارك في تكوين المنتج الوسيط. يدرس الطلاب أمثلة أخرى على العمل التحفيزي لحمض الكبريتيك (تكوين الإيثيلين وإيثر الإيثيل من الكحول الإيثيلي) بشكل مستقل عند أداء واجباتهم المدرسية.
نفس المواد مع نفس المحفز، ولكن في درجات حرارة مختلفة، تتفاعل لتكوين منتجات مختلفة. يجب التأكيد على ذلك عند التعرف على خصائص الكحول.
يوضح تفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيدروجين أنه باستخدام محفزات مختلفة، يمكن الحصول على منتجات عضوية مختلفة من نفس المواد. يمكن أن يؤدي هذا التفاعل إلى تكوين كحول الميثيل أو الهيدروكربونات أو الكحوليات الأعلى. يتم تحقيق الاتجاه المطلوب لتفاعل المواد من خلال استخدام المحفز الذي يسرع التفاعل المقابل، ولكن ليس له تأثير كبير على الآخرين. لتسريع تفاعل تكوين كحول الميثيل، يتم استخدام خليط من أكاسيد الكروم وأكسيد الزنك كمحفز.
بعد دراسة الهيدروكربونات والمحتوية على الأكسجين مركبات العضويةلتعميم المعرفة، يُعرض على الطلاب مهمة العمل المستقل في الفصل أو في المنزل: اختر من قسم كذا وكذا من الكتاب المدرسي جميع حالات التفاعلات التحفيزية، ويُعطى كل طالب فقط هذا الجزء من مادة الكتاب المدرسي الذي يمكنه ذلك عرض في الوقت المخصص.
تجزيء الطرق الصناعيةللحصول على المواد العضوية فمن المفيد لفت انتباه الطلاب إلى أنه للتحكم في معدلات التفاعلات الكيميائية يتم استخدام نفس التقنيات التي تستخدم في إنتاج المواد غير العضوية
38. تأثير المحفز على معدل التفاعلات الكيميائية. أسباب تأثير المحفز.
تسمى المواد التي لا تستهلك نتيجة للتفاعل ولكنها تؤثر على سرعته بالمحفزات. تسمى المحفزات التي تقلل من معدل التفاعل بالمثبطات. يسمى تأثير المحفزات على التفاعلات الكيميائية الحفز . جوهر الحفز هو أنه في حالة وجود محفز، يتغير المسار الذي يستمر فيه التفاعل العام، وتتشكل حالات انتقالية أخرى ذات طاقات تنشيط مختلفة، وبالتالي يتغير معدل التفاعل الكيميائي أيضًا. هناك الحفز المتجانس وغير المتجانس. في الحفز غير المتجانس، يحدث التفاعل على سطح المحفز. ويترتب على ذلك أن نشاط المحفز يعتمد على حجم وخصائص سطحه. من أجل الحصول على مساحة سطحية كبيرة، يجب أن يكون للمحفز بنية مسامية أو أن يكون في حالة مجزأة للغاية. تتميز المحفزات بالانتقائية: فهي تعمل بشكل انتقائي على العمليات، وتوجهها في اتجاه معين. يستخدم الحفز السلبي لإبطاء التآكل.
39. العمليات القابلة للعكس. التوازن الكيميائي. توازن ثابت.
تسمى التفاعلات التي تتم في اتجاه واحد فقط وتنتهي بالتحويل الكامل للمواد المتفاعلة الأولية إلى المواد النهائية لا رجعة فيه. 2KClO3 = 2KCl + 3O2 . تفريغهي ردود الفعل التي تحدث في وقت واحد في اثنين بشكل متبادل اتجاهين متعاكسين. 3ح2 +ن2 ⇆2نه3
لا تستمر التفاعلات العكسية حتى الاكتمال: لا يتم استهلاك أي من المواد المتفاعلة بالكامل. العمليات العكسية: في البداية، عند خلط المواد البادئة، يكون معدل التفاعل الأمامي مرتفعاً، ومعدل التفاعل العكسي صفراً. ومع استمرار التفاعل، يتم استهلاك المواد الأولية وينخفض تركيزها، مما يؤدي إلى انخفاض معدل التفاعل. وفي الوقت نفسه تظهر منتجات التفاعل التي يزيد تركيزها، وبالتالي يزيد معدل التفاعل العكسي. عندما تتساوى معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية، يحدث التوازن الكيميائي. يطلق عليه التوازن الديناميكي، حيث تحدث ردود الفعل الأمامية والخلفية، ولكن بسبب نفس السرعات، فإن التغييرات في النظام ليست ملحوظة. السمة الكمية للتوازن الكيميائي هي قيمة تسمى ثابت التوازن الكيميائي. في حالة التوازن، تكون معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية، في حين يتم إنشاء تركيزات ثابتة للمواد البادئة ومنتجات التفاعل، تسمى تركيزات التوازن، في النظام. بالنسبة إلى 2CO + O 2 = 2CO 2 يمكن حساب ثابت التوازن باستخدام المعادلة: القيمة العددية لثابت التوازن، بالتقريب الأول، تميز ناتج تفاعل معين. ناتج التفاعل هو نسبة كمية المادة التي تم الحصول عليها إلى الكمية التي سيتم الحصول عليها إذا استمر التفاعل حتى الاكتمال. K>>1 ناتج التفاعل مرتفع، K<10-6). В случае гетерогенных реакций в выражение константы равновесия входят концентрации только тех веществ, которые находятся в наиболее подвижной фазе. Катализатор не влияет на константу равновесия. Он может только ускорить наступление равновесия. K=e^(-ΔG/RT).
40. تأثير العوامل المختلفة على إزاحة التوازن. مبدأ لو شاتيليه.
إذا كان النظام في حالة توازن، فإنه سيبقى فيه طالما ظلت الظروف الخارجية ثابتة. تسمى عملية تغيير أي ظروف تؤثر على التوازن بتحول في التوازن.
مبدأ لو: إذا كان على النظام. يجد. في التوازن لممارسة التأثير الخارجي، ثم نظام التغيير. بما يعوض هذا الأثر.
عواقب: 1) مع ارتفاع درجة الحرارة. إزاحة التوازن لصالح رد فعل ماص للحرارة.
2) مع زيادة الضغط يتغير التوازن . نحو حجم أصغر (أو عدد أقل من الشامات)
3) مع زيادة تركيز إحدى المواد البادئة ينتقل التوازن نحو زيادة تركيز نواتج التفاعل والعكس صحيح.
لماذا تزيد المحفزات من معدل التفاعل الكيميائي؟ اتضح أنهم يتصرفون بما يتوافق تمامًا مع الحكمة الشعبية: "الشخص الذكي لن يتسلق الجبل، والشخص الذكي سوف يتجول حول الجبل". لكي تبدأ المواد في التفاعل، يجب أن تعطى جزيئاتها (الجزيئات والذرات والأيونات) طاقة معينة تسمى طاقة التنشيط (الشكل 13، أ). تعمل المحفزات على خفض هذه الطاقة من خلال الاتحاد مع إحدى المواد المتفاعلة وتحريكها على طول "جبل الطاقة" لتلتقي بمادة أخرى ذات طاقة أقل. لذلك، في ظل وجود محفز، لا تتم التفاعلات الكيميائية بشكل أسرع فحسب، بل أيضًا عند درجة حرارة أقل، مما يقلل من تكلفة عمليات الإنتاج.
أرز. 13.
مخططات الطاقة للتفاعلات الحفزية باستخدام المحفز التقليدي (أ) والانتقائي (ب).
وليس فقط. يمكن أن يؤدي استخدام المحفزات إلى تفاعل نفس المواد بشكل مختلف، أي مع تكوين منتجات مختلفة (الشكل 13، ب). على سبيل المثال، تتأكسد الأمونيا بالأكسجين إلى النيتروجين والماء، وفي وجود محفز - إلى أكسيد النيتروجين (II) والماء (اكتب معادلات التفاعل وفكر في عمليات الأكسدة والاختزال).
تسمى عملية تغيير معدل التفاعل الكيميائي أو المسار الذي يحدث فيه بالتحفيز. مثل التفاعلات، هناك أنواع متجانسة وغير متجانسة من الحفز. عند استخدام الإنزيمات، يسمى التحفيز الأنزيمي. وهذا النوع من الحفز معروف للإنسان منذ العصور القديمة. بفضل التحلل الأنزيمي للمواد العضوية، تعلم الإنسان خبز الخبز وتخمير البيرة وصنع النبيذ والجبن (الشكل 14).
أرز. 14.
منذ العصور القديمة، استخدم الإنسان الحفز، والذي يحدث عند خبز الخبز، وتخمير البيرة، وصنع النبيذ، وصنع الجبن
الإنزيمات الأكثر شيوعًا في الحياة اليومية هي تلك الموجودة في مساحيق الغسيل. إنها تسمح لك بتخليص ملابسك من البقع والروائح الكريهة أثناء الغسيل.
دعونا نلقي نظرة فاحصة على المحفزات باستخدام تجربة كيميائية.
بيروكسيد الهيدروجين (في الحياة اليومية يطلق عليه غالبًا بيروكسيد الهيدروجين) هو دواء ضروري في أي خزانة أدوية منزلية (الشكل 15).
أرز. 15.
محلول بيروكسيد الهيدروجين
يجب الإشارة إلى تاريخ انتهاء الصلاحية على عبوة هذا الدواء لأنه يتحلل أثناء التخزين:
ومع ذلك، في الظروف العادية، تتم هذه العملية ببطء شديد لدرجة أننا لا نلاحظ إطلاق الأكسجين، وفقط عن طريق فتح الزجاجة التي تم تخزين بيروكسيد الهيدروجين فيها لفترة طويلة، يمكننا أن نلاحظ كيف يتم إطلاق القليل من الغاز منها. كيفية تسريع هذه العملية؟ دعونا نجري تجربة معملية.
التجربة المعملية رقم 9 تحلل بيروكسيد الهيدروجين باستخدام أكسيد المنغنيز (IV).
التجربة المعملية رقم 10
الكشف عن الكاتالاز في المنتجات الغذائية
لا تجعل المحفزات عمليات الإنتاج أكثر اقتصادا فحسب، بل تقدم أيضا مساهمة كبيرة في حماية البيئة. وبالتالي، فإن سيارات الركاب الحديثة مجهزة بجهاز حفاز، يوجد بداخله حاملات محفز خلوي سيراميكية (البلاتين والروديوم). من خلال المرور بها، تتحول المواد الضارة (أكاسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين والبنزين غير المحترق) إلى ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والماء (الشكل 16).
أرز. 16.
المحول الحفاز للسيارة الذي يحول أكاسيد النيتروجين من غازات العادم إلى نيتروجين غير ضار.
ومع ذلك، بالنسبة للتفاعلات الكيميائية، ليست المحفزات التي تسرع التفاعل مهمة فحسب، بل أيضًا المواد التي يمكن أن تبطئها. وتسمى هذه المواد مثبطات. وأشهرها مثبطات التآكل المعدني.
التجربة المعملية رقم 11
تثبيط تفاعل الأحماض مع المعادن بواسطة الميثينامين
غالبًا ما تحتوي مفردات الشخص العادي على كلمات مستعارة من الكيمياء. على سبيل المثال، مضادات الأكسدة، أو مضادات الأكسدة. ما هي المواد التي تسمى مضادات الأكسدة؟ ربما لاحظت أنه إذا قمت بتخزين الزبدة لفترة طويلة، فإنها تغير لونها وطعمها وتكتسب رائحة كريهة - فهي تتأكسد في الهواء. ولمنع فساد المنتجات الغذائية، تضاف إليها مضادات الأكسدة. كما أنها تلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على صحة الإنسان، لأن عمليات الأكسدة غير المرغوب فيها تحدث أيضًا في الجسم، ونتيجة لذلك يمرض الشخص ويتعب ويتقدم في العمر بشكل أسرع. يتلقى جسم الإنسان مضادات الأكسدة عن طريق تناول الأطعمة التي تحتوي، على سبيل المثال، على الكاروتين (فيتامين أ) وفيتامين هـ (الشكل 17).
أرز. 17.
مضادات الأكسدة: أ - بيتا كاروتين؛ ب – فيتامين ه
لذلك، يمكن التحكم في معدل التفاعل الكيميائي باستخدام المحفزات والمثبطات، والتغيرات في درجة الحرارة، وتركيز المواد المتفاعلة، والضغط (للتفاعلات الغازية المتجانسة)، ومنطقة التلامس للمواد المتفاعلة (للعمليات غير المتجانسة). وبطبيعة الحال، يعتمد معدل التفاعلات الكيميائية على طبيعة المواد المتفاعلة.
كلمات ومفاهيم جديدة
- المحفزات.
- الانزيمات.
- الحفز (متجانس، غير متجانس، إنزيمي).
- مثبطات.
- مضادات الأكسدة.
مهام العمل المستقل
- ما هي المحفزات؟ ما الدور الذي تلعبه في التفاعلات الكيميائية؟ لماذا تعمل المحفزات على تسريع التفاعلات الكيميائية؟
- ما هو الدور الذي لعبه التحفيز الأنزيمي في تاريخ الحضارة الإنسانية؟
- إعداد تقرير عن دور المحفزات في الإنتاج الحديث.
- إعداد تقرير عن دور الموانع في الإنتاج الحديث.
- إعداد تقرير عن دور مضادات الأكسدة في الطب وصناعة الأغذية.
توسعة متسلسلة تايلور الحل التقريبي لمسألة كوشي للعاديين
ما لا يتم تدريسه في المدرسة ما لا يتم تدريسه في المدرسة اسأل
صيغة التفكير النقدي (أ