تجربة - كتاب الكيمياء - الصف 11 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

📚 دراسة العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة

المفاهيم الأساسية

المحفزات: مواد تعمل على زيادة سرعة التفاعل دون أن تُستهلك أو تزيد من ناتج التفاعل. مثال: الإنزيمات في الكائنات الحية.

المثبطات: مواد تعمل على إبطاء سرعة التفاعل.

خريطة المفاهيم

```markmap

سرعة التفاعلات الكيميائية

الفكرة العامة

• لكل تفاعل سرعة محددة
• يمكن تغيير السرعة بتغيير ظروف التفاعل

1-2 نظرية التصادم

• المفتاح لفهم الاختلاف في سرعة التفاعلات
• التعريف: وجوب تصادم الذرات والأيونات والجزيئات ببعضها لكي يتم التفاعل.
• شرح: يجب أن تتصادم جزيئات المواد المتفاعلة معًا لتكوين النواتج.
• مثال: تفاعل A₂ + B₂ → 2AB.
• ملاحظة: عدد قليل فقط من الاصطدامات ينتج نواتج.

2-2 العوامل المؤثرة

• طبيعة المواد المتفاعلة
• التركيز
• درجة الحرارة
• مساحة السطح
• المحفزات

طبيعة المواد المتفاعلة

• تتفاعل بعض المواد أسرع من غيرها.
• مثال: تفاعل الخارصين مع نترات الفضة أسرع من تفاعل النحاس مع نفس المحلول.
• السبب: الخارصين أنشط كيميائياً من النحاس.

التركيز

• التعريف: كمية المادة المتفاعلة في حجم معين.
• التأثير: كلما زاد تركيز المواد المتفاعلة، زادت سرعة التفاعل.
• السبب (حسب نظرية التصادم): زيادة عدد الجسيمات يؤدي إلى زيادة عدد الاصطدامات بينها في وحدة الزمن.
• مثال توضيحي (الشكل 8-2): شمعة تحترق بسرعة أكبر ولهب أكثر إضاءة في وعاء يحتوي على أكسجين تركيزه 100% مقارنة بالهواء الجوي.

درجة الحرارة

• التأثير: تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة سرعة التفاعل الكيميائي.
• مثال واقعي: التفاعلات التي تسبب تلف الأطعمة تكون أسرع عند درجة حرارة الغرفة منها في الثلاجة.
• القاعدة العامة: زيادة درجة الحرارة بمقدار 10K تؤدي إلى مضاعفة سرعة التفاعل تقريباً.
• السبب حسب نظرية التصادم:

- تزيد من متوسط الطاقة الحركية للجسيمات.

- تزيد من عدد التصادمات.

- تزيد من عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة مساوية أو أكبر من طاقة التنشيط (Ea).

• التمثيل البياني (الشكل 10-2):

- رسم بياني يوضح أن سرعة التفاعل تزداد بسرعة مع زيادة درجة الحرارة.

- رسم بياني لتوزيع طاقة الجسيمات (منحنى ماكسويل-بولتزمان) يوضح أن المساحة تحت المنحنى (عدد الجسيمات) التي تمتلك طاقة ≥ Ea تكون أكبر عند درجة حرارة أعلى (T2 > T1).

مساحة السطح

• التعريف: المساحة المعرضة للتفاعل.
• التأثير: كلما زادت مساحة سطح المادة المتفاعلة، زادت سرعة التفاعل.
• السبب (حسب نظرية التصادم): زيادة مساحة السطح تزيد من نقاط التلامس بين الجسيمات المتفاعلة، مما يزيد من فرص الاصطدامات.
• مثال توضيحي (الشكل 9-2): سلك تنظيف الأواني المعدنية (له مساحة سطح كبيرة) يشتعَل بشدة في وجود الأكسجين مقارنة بكتلة معدنية صلبة.

3-2 قوانين السرعة

• علاقة رياضية تحدد بالتجربة
• تربط بين سرعة التفاعل وتركيز المادة المتفاعلة

4-2 التعبير عن سرعة التفاعل

• لا نستخدم مصطلحات غير دقيقة (سريع/بطيء)
• نستخدم علاقة رياضية للتعبير عن متوسط السرعة
• متوسط\ السرعة = \frac{Δ quantity}{Δ t}
• يقاس بوحدات مثل: mol/L·s
• تعريف سرعة التفاعل: التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة في وحدة الزمن
• وحدة القياس: mol/L·s
• الرمز [X]: يمثل التركيز المولاري للمادة X
• حساب متوسط السرعة: Rate = \frac{Δ[NO]}{Δt} = \frac{[NO]_{t2} - [NO]_{t1}}{t2 - t1}
• مثال: Rate = \frac{0.010 M - 0.000 M}{2.00 s - 0.00 s} = 0.0050 mol/L·s

5-2 معادلة متوسط سرعة التفاعل (للمواد المتفاعلة)

• الصيغة العامة: Rate = - \frac{Δ[reactants]}{Δt}
• Δ[reactants]: التغير في تركيز المواد المتفاعلة.
• Δt: التغير في الزمن (t₂ - t₁).
• سبب الإشارة السالبة: لأن تركيز المواد المتفاعلة يقل مع الزمن، والإشارة السالبة تجعل قيمة السرعة موجبة.
• مثال تطبيقي (1-2):

- تفاعل: C₄H₉Cl مع الماء.

- المعطيات:

- [C₄H₉Cl] عند t₁=0.00s = 0.220 M

- [C₄H₉Cl] عند t₂=4.00s = 0.100 M

- الحل:

Rate = - \frac{0.100 - 0.220}{4.00 - 0.00}

Rate = - \frac{-0.120}{4.00} = 0.0300 \ mol/L.s

6-2 شروط التصادم الفعال

• الاتجاه المناسب: يجب أن يكون اتجاه الجزيئات مناسبًا أثناء التصادم.

- مثال: في تفاعل CO مع NO₂، يجب أن تلامس ذرة الكربون (من CO) ذرة الأكسجين (من NO₂) في لحظة الاصطدام.

- نتيجة الاتجاه غير المناسب: تردد الجزيئات دون تكوين روابط، ولا يحدث تفاعل.

• طاقة كافية: يجب أن تتصادم الجزيئات بقوة كافية (طاقة حركية كافية).

- سبب عدم التفاعل: عدم توافر طاقة كافية لحدوث التفاعل.

- تعريف طاقة التنشيط (Ea): الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتكوين المعقد المنشط وإحداث التفاعل.

• المعقد المنشط (Activated Complex):

- التعريف: جسيمات عمرها قصير، وهي حالة غير مستقرة من تجمع الذرات.

- ما يحدث فيه: تكسير الروابط القديمة وتكوين روابط جديدة.

- مصيره: قد يؤدي إلى تكوين المواد الناتجة، أو يتكسر ليعود إلى المواد المتفاعلة.

7-2 شروط التصادم الفعال أو المثمر

• الشرط الأول: يجب أن تتصادم (ذرات أو أيونات أو جزيئات) المواد المتفاعلة.
• الشرط الثاني: ليس من الضروري أن يؤدي كل تصادم إلى حدوث تفاعل.
• علاقة طاقة التنشيط بالسرعة:

- Ea عالية: عدد قليل من الاصطدامات له طاقة كافية، وبالتالي تكون سرعة التفاعل بطيئة.

- Ea منخفضة: عدد كبير من الاصطدامات له طاقة كافية، وبالتالي يكون التفاعل أسرع.

• مخطط الطاقة للتفاعل الطارد للحرارة:

- الخاصية: طاقة النواتج أقل من طاقة المواد المتفاعلة.

- المسار: المواد المتفاعلة → (تتغلب على حاجز طاقة التنشيط) → المعقد المنشط → النواتج.

- مثال: تفاعل أول أكسيد الكربون (CO) مع ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂).

8-2 التفاعلات الانعكاسية

• التعريف: عمليات يمكن فيها التحول بين المواد المتفاعلة والناتجة.
• مثال: التفاعل العكسي للغازين CO و NO₂ لإعادة إنتاج CO و NO.
• طاقة التفاعل الانعكاسي:

- مستوى طاقة التفاعلات أدنى من مستوى طاقة النواتج.

- يجب التغلب على طاقة التنشيط لإعادة إنتاج المواد الأصلية.

- إذا احتاج التفاعل العكسي إلى طاقة تنشيط أعلى من التفاعل الأمامي، فسيكون مستوى طاقته أعلى.

9-2 حساب سرعة التفاعل من البيانات التجريبية

• التفاعل المدروس: 2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g)
• البيانات التجريبية: جدول يبين تركيز N₂O₅ مقابل الزمن عند 45°C.
• طريقة الحساب:

- احسب متوسط سرعة التفاعل خلال فترات زمنية مختلفة (مثل 0-20 دقيقة).

- عبر عن السرعة بقيمة موجبة وبوحدة mol/L.s.

- استخدم المعادلة الكيميائية لربط سرعة اختفاء N₂O₅ بسرعة ظهور NO₂.

10-2 تجربة عملية: العلاقة بين السرعة ودرجة الحرارة

الهدف

• دراسة تأثير درجة الحرارة في سرعة التفاعل الكيميائي.

خطوات العمل (باستخدام الأقراص الفوارة)

• 1. تعبئة بطاقة السلامة.
• 2. تجزئة القرص الفوار إلى أربع قطع متساوية.
• 3. قياس درجة حرارة الماء (حوالي 25°C).
• 4. وضع قطعة القرص في الماء وتسجيل وقت بدء التفاعل وانتهائه.
• 5. حساب سرعة التفاعل (كتلة المادة المتفاعلة المستهلكة في الثانية).

التحليل

• تحديد الكتلة الابتدائية والنهائية والزمن لكل محاولة.
• حساب سرعة التفاعل.
• وصف العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة.
• توقع سرعة التفاعل عند درجات حرارة أعلى (مثل 40°C أو 50°C) وتفسير التوقع.

11-2 المحفزات والمثبطات

المحفزات

• التعريف: مواد تزيد سرعة التفاعل.
• مثال رئيسي: الإنزيمات في التفاعلات الحيوية.
• الاستخدام: تستخدم في الصناعات لإنتاج كمية أكبر من المنتج بسرعة وتقليل التكلفة.
• ملاحظة مهمة: لا يزيد المحفز من ناتج التفاعل ولا يُكتب في المعادلة الكيميائية.

المثبطات

• التعريف: مواد تُبطئ سرعة التفاعل.

التقويم 1-2

الفكرة الرئيسية

• جد العلاقة بين نظرية التصادم وسرعة التفاعل.

أسئلة التقويم

• 5: فسر علام تدل سرعة التفاعل الكيميائي محددة؟
• 6: قارن بين تركيز المواد المتفاعلة والمواد الناتجة خلال فترة التفاعل.
• 7: فسر لماذا يعتمد متوسط سرعة التفاعل على طول الفترة الزمنية؟
• 8: صف العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي.
• 9: لخص ماذا يحدث خلال فترة تكون المعقد المنشط القصيرة؟
• 10: طبق نظرية التصادم لتفسر لماذا لا تؤدي الاصطدامات بين جسيمات التفاعل دائماً إلى تفاعل؟
• 11: احسب متوسط سرعة التفاعل بين جزيئات A و B إذا تغير تركيز A من 1.00 M إلى 0.5 M خلال 2.00 s

```

نقاط مهمة

• تهدف التجربة العملية إلى قياس العلاقة بين زيادة درجة الحرارة وزيادة سرعة تفاعل القرص الفوار في الماء.
• في الكائنات الحية، لا يمكن زيادة سرعة التفاعلات (مثل تحلل الجلوكوز) برفع الحرارة أو التركيز؛ لأن ذلك يضر بالخلية، لذا تستخدم الإنزيمات (محفزات).
• المحفزات الصناعية توفر الوقت والتكلفة ولكنها لا تغير ناتج التفاعل النهائي.

تجربة

دراسة العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة

ما تأثير درجة الحرارة في التفاعل الكيميائي؟

خطوات العمل

املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.

جزّئ قرصًا من الأقراص الفوارة إلى أربع قطع متساوية. ٢. احسب سرعة التفاعل من خلال إيجاد كتلة المادة المتفاعلة لكل محاولة في الثانية الواحدة.

ضع العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة (25°C تقريبا). ٣. استخدم مقياس حرارة لقياس درجة حرارة الماء.

ضع قطعة القرص الفوار في الماء، وسجل الوقت لحظة ملامستها للماء، ولحظة ذوبانها تمامًا، باستعمال ساعة إيقاف أو ساعة يد بدقة عقرب ثوانٍ.

قم بوضع مدفأة دقة وصحة لتوقعت سرعة التفاعل عند حرارته إلى 50°C، مقارنة بالقييمة المقيسة لسرعة التفاعل.

التحليل

حدد الكتلة الابتدائية، والكتلة النهائية، والزمن الابتدائي لكل محاولة.

احسب سرعة التفاعل من خلال إيجاد كتلة المادة المتفاعلة المستهلكة لكل محاولة في الثانية الواحدة.

صف العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة (25°C تقريبا).

توقع سرعة التفاعل لو تم إجراؤه عند درجة حرارة 40°C، وفسر الأسس التي اعتمدت عليها في توقعك.

قم بوضع مدفأة دقة وصحة لتوقعت سرعة التفاعل عند حرارته إلى 50°C، باستعمال قطعة أخرى من القرص الفوار.

حافظ على درجة حرارة الماء عند هذه الدرجة طوال وقت التفاعل.

المحفزات والمثبطات Catalysts and Inhibitors

يؤثر كل من درجة الحرارة وتركيز المواد المتفاعلة في سرعة التفاعل. إلا أن زيادة سرعة التفاعل تحلل الجلوكوز في الخلية الحية فلن يكون الحل في زيادة درجة الحرارة أو زيادة تركيز المواد المتفاعلة؛ فإذا أردت مثلاً زيادة سرعة التفاعل تحلل الجلوكوز في الخلية الحية فلن يكون الحل في زيادة درجة الحرارة أو زيادة تركيز المواد المتفاعلة؛ لأن ذلك قد يضر بالخلية أو يقتلها، ولكن هناك نوعان من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل، هما: المحفزات لا يحدث كثير من التفاعلات الكيميائية الحية بالسرعة الكافية للمحافظة على الحياة عند درجات الحرارة الطبيعية لولا وجود الإنزيمات التي خلقها الله تعالى. فالإنزيم نوع من أنواع المحفزات التي تعمل على زيادة سرعة التفاعل. وتستعمل المحفزات على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية لإنتاج كمية أكبر من المنتج بسرعة كبيرة، مما يقلل من تكلفته. ولكن لا يزيد المحفز من ناتج التفاعل، لذا لا يتم تضمينه في المعادلات الكيميائية. المثبطات يسمى النوع الآخر من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل، تعمل المثبطات على إبطاء سرعة التفاعل دون حدوث التفاعل على الإطلاق.

وزارة التعليم 61 2025 - 1447

--- SECTION: تجربة --- تجربة دراسة العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة ما تأثير درجة الحرارة في التفاعل الكيميائي؟ --- SECTION: خطوات العمل --- خطوات العمل --- SECTION: 1 --- املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية. --- SECTION: 2 --- جزّئ قرصًا من الأقراص الفوارة إلى أربع قطع متساوية. ٢. احسب سرعة التفاعل من خلال إيجاد كتلة المادة المتفاعلة لكل محاولة في الثانية الواحدة. --- SECTION: 3 --- ضع العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة (25°C تقريبا). ٣. استخدم مقياس حرارة لقياس درجة حرارة الماء. --- SECTION: 4 --- ضع قطعة القرص الفوار في الماء، وسجل الوقت لحظة ملامستها للماء، ولحظة ذوبانها تمامًا، باستعمال ساعة إيقاف أو ساعة يد بدقة عقرب ثوانٍ. --- SECTION: 5 --- قم بوضع مدفأة دقة وصحة لتوقعت سرعة التفاعل عند حرارته إلى 50°C، مقارنة بالقييمة المقيسة لسرعة التفاعل. --- SECTION: التحليل --- التحليل --- SECTION: 1 --- حدد الكتلة الابتدائية، والكتلة النهائية، والزمن الابتدائي لكل محاولة. --- SECTION: 2 --- احسب سرعة التفاعل من خلال إيجاد كتلة المادة المتفاعلة المستهلكة لكل محاولة في الثانية الواحدة. --- SECTION: 3 --- صف العلاقة بين سرعة التفاعل ودرجة الحرارة (25°C تقريبا). --- SECTION: 4 --- توقع سرعة التفاعل لو تم إجراؤه عند درجة حرارة 40°C، وفسر الأسس التي اعتمدت عليها في توقعك. --- SECTION: 5 --- قم بوضع مدفأة دقة وصحة لتوقعت سرعة التفاعل عند حرارته إلى 50°C، باستعمال قطعة أخرى من القرص الفوار. حافظ على درجة حرارة الماء عند هذه الدرجة طوال وقت التفاعل. --- SECTION: المحفزات والمثبطات Catalysts and Inhibitors --- المحفزات والمثبطات Catalysts and Inhibitors يؤثر كل من درجة الحرارة وتركيز المواد المتفاعلة في سرعة التفاعل. إلا أن زيادة سرعة التفاعل تحلل الجلوكوز في الخلية الحية فلن يكون الحل في زيادة درجة الحرارة أو زيادة تركيز المواد المتفاعلة؛ فإذا أردت مثلاً زيادة سرعة التفاعل تحلل الجلوكوز في الخلية الحية فلن يكون الحل في زيادة درجة الحرارة أو زيادة تركيز المواد المتفاعلة؛ لأن ذلك قد يضر بالخلية أو يقتلها، ولكن هناك نوعان من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل، هما: المحفزات لا يحدث كثير من التفاعلات الكيميائية الحية بالسرعة الكافية للمحافظة على الحياة عند درجات الحرارة الطبيعية لولا وجود الإنزيمات التي خلقها الله تعالى. فالإنزيم نوع من أنواع المحفزات التي تعمل على زيادة سرعة التفاعل. وتستعمل المحفزات على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية لإنتاج كمية أكبر من المنتج بسرعة كبيرة، مما يقلل من تكلفته. ولكن لا يزيد المحفز من ناتج التفاعل، لذا لا يتم تضمينه في المعادلات الكيميائية. المثبطات يسمى النوع الآخر من المواد التي تؤثر في سرعة التفاعل، تعمل المثبطات على إبطاء سرعة التفاعل دون حدوث التفاعل على الإطلاق. وزارة التعليم 61 2025 - 1447