نظرة عامة على التفاعلات الكيميائية
التفاعلات الكيميائية لا تحدث فقط في المختبرات الكيميائية وأنابيب الاختبار ، كما يتخيل الناس ، ولكن التفاعلات الكيميائية تشمل كل جزء من قصة حياة الشخص ، وبعض هذه التفاعلات تحدث تحت تدخله. على سبيل المثال ، يمكن ملاحظة أن هناك الكثير من الأمثلة على التفاعلات الكيميائية في البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، حرائق الغابات والصدأ وعمليات نضج الثمار والعديد من التفاعلات المختلفة ، ويمكن تعريف التفاعلات الكيميائية عمومًا على أنها عملية تحويل المواد المتفاعلة لـ مواد أخرى ، وهو ما يسمى المادة الناتجة. تتكسر الروابط وتتشكل روابط حديثة ، مما يؤدي لـ تكوين منتجات ذات خصائص متعددة عن المواد المتفاعلة ، وقد تكون المواد المتفاعلة أو المواد الناتجة عناصر أو مركبات ، بالرغم من بدء التفاعل الكيميائي منذ بدء التفاعل. في في أوائل القرن الثامن عشر ، بدأ الكيميائيون في اكتشافهم وفهمهم ؛ في الكون ، بدأ الكيميائيون في اكتشافهم وفهمهم. على سبيل المثال ، تعتبر بعض العمليات (مثل عملية التخمير التي تحول السكر لـ كحول) عمليات قديمة ، لكن الأساس الكيميائي غير معروف في ذلك الوقت.
وتجدر الإشارة لـ أن الكثير من التفاعلات الكيميائية المعقدة تحدث في جيولوجيا الأرض ، وغلافها الجوي ، ومحيطاتها ، وجميع الأنظمة البيولوجية المختلفة ، لذلك من الضروري التمييز بين التحولات الفيزيائية والتفاعلات الكيميائية. يشمل التحول الفيزيائي فقط تغيير حالة المادة دون تغيير تركيبها الكيميائي. على سبيل المثال ، يعد تبخر الماء أو ذوبان الجليد أو تكثيف بخار الماء أمثلة على التحولات الفيزيائية. هذا لأن التركيب الكيميائي للماء هو نفسه H2O ؛ أي عندما يتفاعل الماء مع العناصر المعدنية النشطة ، تكون ذرة الهيدروجين ذرتين وذرة الأكسجين هي ذرة واحدة. على سبيل المثال ، مثل الصوديوم ، ينتج هذا التفاعل الهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) ، والذي يعتبر تشاركًا كيميائيًا. لأن تكوين الماء يتغير خلال التفاعل ، ويتم إنتاج مادة حديثة متعددة تمامًا عن المادة المتفاعلة.
نوع التفاعل الكيميائي
هناك أنواع عديدة من التفاعلات الكيميائية. على سبيل المثال ، تشارك التحلل ، الاستبدال ، الحمض ، القلوي ، إلخ ، فيما يلي شرح لهذه الأنواع المختلفة:
- التفاعلات المركبة: تتفاعل مادتان أو أكثر لتكوين مواد حديثة بغض النظر عما إذا كانت المواد المتفاعلة عناصر أو مركبات ، ومن أمثلة هذه التفاعلات كالتالي:
- تشارك الصوديوم والكلور: 2NaCl ← 2Na + Cl2
- احتراق الفحم: C + O2 → CO2
- تشارك التحلل: تشارك التحلل هو عكس تشارك الاقتران. في هذا النوع من التفاعل ، تتحلل مادة أو مركب لـ واحد أو أكثر من المواد المتفاعلة من مواد أبسط ، ويمكن أن تكون هذه المواد عناصر أو مركبات ، ومن الأمثلة على هذه التفاعلات:
- التحلل المائي: 2H2O → 2H2 + O2
- حلل بيروكسيد الهيدروجين أو بيروكسيد الهيدروجين:
- تشارك الإزاحة المفرد: في هذا النوع من التفاعل ، ستطرد الذرة الأكثر تشاركًا الذرة الأقل تشاركًا وتستبدل موقعها في المركب عندما يتفاعل مع المركب.
- عند وضع قطعة من الزنك في محلول كبريتات النحاس ، تكون النتيجة كبريتات الرصاص وقطعة من محلول النحاس ، مما يعني أن عنصر الرصاص يحل محل عنصر النحاس ، ويعطى بالصيغة التالية:
- Zn + CuSO4 → ZnSO4 + النحاس
- تشارك الإزاحة المزدوجة: في هذا النوع من التفاعل ، يتم تبادل ذرتين بدلاً من ذرة واحدة في تشارك إحلال واحد. تكون شروط تشارك الهطول أو إنتاج الماء في تشارك المعادلة كما يلي:
- تشارك الترسيب: ينتج هذا النوع من التفاعل عن تبادل الأيونات في المواد المتفاعلة ويؤدي لـ تكوين رواسب صلبة في المادة الناتجة ، ومن أمثلة هذه التفاعلات:
- يبني تشارك نترات الفضة وكلوريد البوتاسيوم ترسبات كلوريد الفضة البيضاء غير القابلة للذوبان.محلول نترات البوتاسيوم على النحو التالي:
- بوكل + AgNO3 → AgCl + KNO3
- تشارك التعادل: يُعرف أيضًا باسم تشارك الحمض والقاعدة. بشكل عام ، يعتبر الحمض مادة يمكن أن تولد أيونات الهيدروجين (H +) في المحلول ، بينما تعتبر القلوية (بالإنجليزية: Base) مادة يمكن أن تولد أيونات الهيدروجين للمادة. عملية توليد (OH-) في المحلول. في هذا النوع من التفاعل ، يتفاعل الحمض والقاعدة لتكوين الملح والماء. ومن أمثلة هذا النوع:
- يتفاعل حمض الكبريتيك مع هيدروكسيد الصوديوم لتوليد ملح كبريتات الصوديوم والماء: H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O
- تشارك الاحتراق: في هذا النوع من التفاعل ، عادة ما يتم حرق الهيدروكربونات. وهذا يعني أنه في وجود هذه الأكسجين ، فإن المركب المكون من الكربون والهيدروجين سينتج ثاني أكسيد الكربون والماء والحرارة عبر هذه التفاعلات. ويعتبر هذا التفاعل أيضًا تشارك أكسدة ، وهو أحد التفاعلات الطاردة للحرارة و هذه أمثلة لردود الفعل الطبقية:
- تشارك البروبان مع الأكسجين في الغلاف الجوي:
- تشارك الأكسدة والاختزال: في هذا النوع من التفاعل ، يتم تبادل الإلكترونات. عندما تفقد الذرة الإلكترونات ، تسمى هذه المهمة الأكسدة ، والتي ستؤدي لـ زيادة مجموعة أكسدة الذرة. تسمى الذرة المؤكسدة عامل الاختزال (بالإنجليزية: Reducing Agent) ، وذرة أخرى تكتسب الإلكترون. يسمى الاختزال ، والذرة التي تقوم بالعملية تسمى الاختزال بواسطة المؤكسد ، مما يعني أنه يمكن تمييز تشارك الأكسدة عن التفاعلات المختلفة عبر ملاحظة التغيير في مجموعة الأكسدة ، ومن الأمثلة على هذه التفاعلات:
- 2Na + Cl2 → 2NaCl (تشارك الاتحاد)
- C + O2 → CO2 (رد فعل الاتحاد)
- Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (تشارك الاستبدال)
- هذا يعني أن هناك أربعة أنواع من التفاعلات تحت تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وهي: بالإضافة لـ تفاعلات التحلل الحراري ، فإنها تشمل أيضًا تفاعلات المفاصل واستبدال المونومر وتفاعلات الاحتراق. أي أن التفاعل يذوب في وجود الحرارة.
أمثلة لحل أنواع التفاعلات الكيميائية
- المثال الأول: ما هو نوع التفاعل التالي: C3H6O3 + O2 → CO2 + H2O؟
- المحلول:
- وتجدر الإشارة لـ أن التفاعل ينطوي على احتراق مركب هيدروجين من البروبان في وجود الأكسجين لإنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي فإن نوع التفاعل هو الاحتراق ، وهو تشارك طارد للحرارة.
- المثال الثاني: في هذا التفاعل ، ما المواد التي تشكل الأحماض وأي المواد تشكل القواعد: HCl + NaOH → NaCl + H2O؟
- المحلول:
- الحمض عبارة عن مادة تحتوي على أيونات الهيدروجين ، في هذا المثال حمض الهيدروكلوريك ، والقاعدة هي مادة تحتوي على أيونات الهيدروكسيد (OH-) ، وهي هيدروكسيد الصوديوم.
- المثال الثالث: نوع التفاعل التالي هو: MnO2 + 4H + + 2Cl- → Mn + 2 + H2O + Cl2؟
- المحلول:
- لقد لاحظنا أن هناك اختلافات في مجموعة ونتائج الأكسدة بين المواد المتفاعلة ، وبالتالي فإن التفاعل هو تشارك أكسدة واختزال.
العوامل الملهمة في التفاعلات الكيميائية
هناك أربعة عوامل رئيسية تؤثر على سرعة التفاعلات الكيميائية وهي:
- تركيز المواد المتفاعلة أو المتفاعلة: كلما زاد تركيز المواد المتفاعلة ، زاد معدل التفاعل. كلما زاد تركيز المواد المتفاعلة ، زاد مجموعة الاصطدامات الفعالة خلال فترة زمنية محددة.
- درجة الحرارة: مع زيادة درجة الحرارة ، مع زيادة الطاقة الحركية للجزيئات المتفاعلة ، تزداد سرعة التفاعل أيضًا ، وبالتالي يزداد أيضًا مجموعة الجزيئات ذات الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتصادمات الفعالة ، كما تزداد سرعة التفاعل أيضًا.
- إضافة المحفز: المحفز عبارة عن مادة تساعد على زيادة سرعة التفاعل دون استهلاكها ، وتلعب دورًا مهمًا في الكثير من التفاعلات في الأنظمة البيولوجية.
- الحالة الفيزيائية ومساحة سطح المادة: إذا كانت جسيمات المادة المتفاعلة غير متجانسة ؛ أي إذا كانت الحالة الفيزيائية للمادة المتفاعلة متعددة ، فإن سرعة التفاعل تعتمد على مساحة السطح المعرضة للتفاعل ؛ على العكس من ذلك ، الحالة الفيزيائية للمتفاعل متعددة. على سبيل المثال ، عندما تتفاعل الجسيمات الصلبة مع جزيئات الغاز ، يمكن فقط للجسيمات الصلبة الموجودة على السطح المعرضة للغاز أن تتصادم مع جزيئات الغاز وتتفاعل معها ، وبالتالي فإن زيادة مساحة سطح التفاعل ستزداد يمكن زيادتها عبر تقطيع المادة الصلبة لـ جزيئات صغيرة يمكن زيادة مساحة سطح التفاعل ، على سبيل المثال ، في بعض الأحيان عبر تقطيع المادة الصلبة لـ جزيئات صغيرة.
معادلة كيميائية
نظرًا لوجود الكثير من التفاعلات الكيميائية حولنا ، يصعب وضح كل تشارك بالكلمات ، لذلك هناك حاجة لاستخدام المعادلات الكيميائية لوصف هذه التفاعلات. يتم تمثيل العناصر والمركبات بالصيغ الكيميائية. يتم وضع المواد المتفاعلة أمام السهم ، ويتم وضع المنتج خلف السهم. ولتقريب الصورة ، يمكنك استعمال المثال التالي:
- مثال: عند تشارك مادتين (A و B) تكون النتيجة مادتين: C و D ، ويمكن استعمال المعادلة الكيميائية التالية للتعبير عن هذا التفاعل:
- يرجى ملاحظة أن A و B عبارة عن مواد متفاعلة ، لذلك يجب وضعهما أمام السهم ، وأن العنصران C و D عبارة عن مواد متولدة ، لذلك يجب وضعهما خلف السهم ، وبالتالي فإن المعادلة الكيميائية للتفاعل هي: A + ب → ج + د
بشكل عام ، عند كتابة المعادلات الكيميائية ، يجب مراعاة العوامل التالية:
- يتم تمثيل كافة التفاعلات والمنتجات بصيغ كيميائية ؛ مثل: H2
- يجب أن يكون مجموعة الذرات على جانبي المعادلة الكيميائية متساويًا ، ولتحقيق ذلك ، يجب ضرب ذرة واحدة أو اثنتين بعامل مناسب. أي رقم هاتف ثابت حتى يتساوى مجموعة ذرات كل عنصر على طرفي المعادلة ، وعادة ما تشير المعادلة الكيميائية لـ مجموعة جزيئات كل مادة تشارك في التفاعل ، كما هو موضح في المثال التالي:
- مثال: يتفاعل الهيدروجين مع النيتروجين لينتج الأمونيا هل يمكنك كتابة معادلة كيميائية متوازنة لتمثيل التفاعل؟
- المحلول:
- اكتب المواد المتفاعلة ، ويكون الناتج كالتالي: H2 + N2 → NH3
- لوزن المعادلة ، يجب أولاً التأكد من تساوي مجموعة الذرات على جانبي المعادلة ، ولكن يجب ملاحظة أن مجموعة ذرات الهيدروجين في المادة المتفاعلة هو 2 وعدد ذرات الهيدروجين في المنتج هو 3 لذلك يجب ضرب جزيئات الهيدروجين في 3 لعمل التفاعل يوجد 6 ذرات هيدروجين وجزيء الأمونيا مضروبًا في 2 يصبح هو 6 ذرات الهيدروجين في المنتج أما ذرات النيتروجين الموجودة في المادة المتفاعلة فهناك اثنان ، ويوجد اثنان في المنتج ، لذا فهما متساويان ولا يحتاجان لـ التعديل ، كما هو موضح: 3H2 + N2 → 2NH3
وتجدر الإشارة هنا لـ أن وزن المعادلات الكيميائية يعكس مبدأ الحفاظ على المادة ، أي أن المادة لن تختفي أو تنتج خلال التفاعلات الكيميائية.
معلومات أخرى متعلقة بالتفاعلات الكيميائية
تحوي البيانات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية أيضًا ما يلي:
- التفاعلات العكسية والتفاعلات غير العكسية: بعض التفاعلات أحادية الاتجاه تسمى تفاعلات لا رجعة فيها ، وبعض التفاعلات تسير في اتجاهين ، وتسمى التفاعلات العكسية.في التفاعلات العكسية ، يمكن تحويل هذه التفاعلات لـ منتجات ، ويمكن أيضًا أن تكون المنتجات تتحول لـ تفاعلات. في الواقع ، ستستمر التفاعلات الأمامية والعكسية في الحدوث في وقت واحد حتى يتم الوصول لـ ما يسمى بحالة (التوازن). في هذه الحالة ، تكون سرعة التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية ، ويكون تركيز المواد المتفاعلة و المنتجات مستقرة.
للتمييز بين التفاعل العكسي والتفاعل غير العكسي ، عند التعبير عنه في معادلة كيميائية ، يتم تمثيل التفاعل العكسي في شكل سهمين متقابلين متقابلين ، ويشير كل سهم عكسي لـ بعضهما البعض في شكل مختلف اتجاه. على سبيل المثال ، يعتبر تفكك حمض الكربونيك ثنائي البروز مثالاً على تشارك ثنائي الاتجاه قابل للانعكاس.
- استنتاج حدوث تشارك كيميائي: في أي تشارك كيميائي ، عبر ملاحظة مجموعة من التغييرات الفيزيائية (مثل تكوين الرواسب ، أو توليد الحرارة أو تغيرات اللون ، وغيرها من التغييرات) لاستنتاج حدوث التفاعل ، يمكن للتفاعل الكيميائي تحدث.
- التفاعلات الطاردة للحرارة والطاردة للحرارة: يمكن تعريف التفاعلات الطاردة للحرارة على أنها تفاعلات تولد الطاقة من البيئة الخارجية. مثل تفاعلات الاحتراق ، فإن تفاعلات امتصاص الطاقة هي تفاعلات تمتص الطاقة من البيئة الخارجية. تتطلب بعض هذه التفاعلات تسخين المواد المتفاعلة ، أو زيادة أي شكل انتهاء من أشكال الطاقة التي تحدث.
