קצב תגובה אנרגיית שפעול וזרזים   עודכן לאחרונה!


קצב תגובה אנרגיית שפעול וזרזים

מהו קצב?

קצב הוא שינוי של גודל מסוים ביחידת זמן.

אנו מבחינים בקצב עבודה (הספק), בקצב בתנועה של מכונית (מהירות) ועוד.
ניתן לדבר על קצב יצירת תוצרים בתהליך או על קצב היעלמות המגיבים בתהליך מסוים.
מה משפיע על קצב התרחשות תהליך (תגובה)? מה הגורם או הגורמים שאם נשנה אותם ישנו את קצב התהליך?
על כך נלמד בשיעור הקרוב.

כשמבצעים תגובה בין חומרים שונים, ואפילו כשמדובר במגיב אחד שמתפרק למספר חומרים, לא תמיד התהליכים מתרחשים מעצמם ויש להשקיע בהם אנרגיה. למעשה, כל תהליך שמתרחש דורש השקעת אנרגיה ראשונית, אבל לא תמיד יש צורך בהוספת אנרגיה, על ידי חימום ישיר. בהרבה מקרים האנרגיה הנמצאת בסביבה הקרובה מספיקה לצורכי המערכת.
לדוגמה:
אם ניקח כוס מים ונשפוך על הרצפה, לאחר מספר דקות המים "ייעלמו", כלומר יעברו תהליך אידוי. תהליך זה קורה במהירות (…נכון שהמהירות תלויה בכמות המים ונכון שהיא תלויה גם בשטח הפנים. נדבר על נושאים אלו בהמשך). בתהליך האידוי של המים שהוא תהליך אנדותרמי, יש צורך להוסיף למערכת אנרגיה הדרושה לפירוק הקשרים הבין מולקולריים.
אבל לא רק עבור תהליכים אנדותרמיים נדרשת הוספת אנרגיה.
למשל אם נערבב במיכל תגובה גז מימן וגז חמצן לא יקרה שום דבר אבל אם נעביר ניצוץ קטן יתרחש פיצוץ גדול ויווצרו מולקולות מים.
כדוגמה נוספת נתייחס לשני התהליכים הבאים: בעירה של נר והדלקת זיקוק.
שני התהליכים הם תהליכים אקסותרמיים, אבל בשניהם יש להשקיע אנרגיה ראשונית כדי לגרום לתהליך להתרחש.
אם ניקח גפרור דולק ונדליק בעזרתו את הנר או את הזיקוק, הנר יידלק מהר יותר מהזיקוק. מדוע ? ולמה בכלל צריך להשקיע אנרגיה בתהליך? הרי מדובר בתגובה אקסותרמית, שבה לתוצרים אנרגיה פנימית נמוכה יותר מאשר למגיבים.
הסיבה לכך נעוצה בעובדה שלכל תגובה יש מחסום אנרגטי, שאם לא עוברים אותו המגיבים לא הופכים לתוצרים. בדיוק כמו במכונית… ללא ההצתה הראשונית של המצבר, המכונית לא תפעל.

יש תגובות שיש לספק להן אנרגיה בכל מהלך התהליך (תגובות אנדותרמיות), גם ל"התנעה ראשונית" וגם במשך כל התגובה. יש גם תגובות שיש לספק להן אנרגיה רק לשלב ה"התנעה", ולאחר מכן הן מספקות לעצמן את האנרגיה (תגובות אקסותרמיות), ואפילו יותר ממה שהן צריכות ולכן גם נפלטת אנרגיה לסביבה.

האנרגיה הדרושה כדי לעבור את שלב ההתנעה כדי שהתהליך יתרחש נקראת אנרגיית השפעול (אנרגיית האקטיבציה) של התהליך. גודל זה מסומן ב- Ea ונמדד ביחידות של kJ.
יש המגדירים את אנרגיית השפעול כאנרגיה המינימלית הנדרשת כדי שהתגובה תתרחש.

כדי שמגיבים ייהפכו לתוצרים, הם צריכים שבמגע ביניהם / במפגש ביניהם, תהיה להם מספיק אנרגיה כדי לעבור את מחסום האנרגיה הקרוי אנרגיית שפעול.

ניתן לתאר זאת באופן הבא:

נדמיין לעצמינו את הגבעה המתוארת כאן כהר:
קצב-תגובה-אנרגיית-שפעול 1כדי להעביר עגלה מנקודה A לנקודה B, יש לעבור דרך נקודה C.
לאורך כל הקטע AC (עלייה) יש להשקיע אנרגיה בסחיבת העגלה. אם לא תהיה לנו מספיק אנרגיה כדי להגיע לנקודה C העגלה תיפול בחזרה לנקודה A.
אבל אם נצליח להגיע לפסגה לנקודה C, משם שאר הדרך בירידה העגלה תתגלגל מעצמה למטה.
אותו הדבר בתהליכים הכימיים. כדי שהמגיבים ייהפכו לתוצרים, צריכות להיות בין המגיבים התנגשויות (פגישות). בזמן הפגישה צריכים להתקיים שני תנאים כדי שהמגיבים יהפכו לתוצרים:

  1. למגיבים תהיה מספיק אנרגיה כדי לעבור את המחסום האנרגטי דהיינו את אנרגיית השפעול של התהליך.
  2. זווית הפגישה – ישנה חשיבות גם לזווית הפגישה בין המגיבים. זהו גורם שלא נרחיב עליו את ההתייחסות.

ניתן להגדיר מהי אנרגיית שפעול Ea. אנרגיית שפעול היא המחסום האנרגטי בין המגיבים לתוצרים או האנרגיה המינימלית הדרושה להתרחשותה של תגובה.
נוכל לתאר  את מהלך התרחשות תגובה במערכת צירים :

  1. ציר האנרגיה
  2. ציר התקדמות התגובה (מהלך התרחשות התגובה)

עבור התגובה:

תוצרים     →    מגיבים

קצב-תגובה-אנרגיית-שפעול-2א

ציר התקדמות התגובה(מהלך התרחשות התגובה) מייצג את מהלך התגובה מהמגיבים לתוצאים ואין לו בהכרח קשר לזמן אלא לאופן שבו משתנה מבנה החומר במעבר בין המגיבים לתוצרים. התקדמות התגובה תהיה תלויה בסוג התגובה המתרחשת.
אם התגובה היא אנדותרמית כמו בגרף המצויר, התוצרים יהיו בעלי אנרגיה פנימית גבוהה יותר מהמגיבים. שינוי האנתלפיה עבור התהליך מסומן באדום ואילו אנרגית השפעול Ea היא הפרש האנרגיה בין המגיבים לקצה המחסום האנרגטי בתיאור הגרפי.

בנקודה שבה האנרגיה היא הגבוהה ביותר, נמצאת המערכת במצב מיוחד, שבו החלו הקשרים של החומרים המגיבים להתפרק באופן חלקי, ובמקביל החלו גם להיווצר הקשרים של החומרים בתוצרים.
להרכב המאוד מיוחד שנמצא במצב הביניים הזה קוראים תצמיד משופעל. בפרק זה לא נרחיב את ההתייחסות לגבי התצמיד המשופעל, רק נציין שזהו חלקיק שמתקיים לזמן קצר מאד.

אם התגובה היא אקסותרמית התוצרים יהיו נמוכים באנרגיה הפנימית שלהם מהמגיבים והגרף יתואר באופן הבא :

קצב-תגובה-אנרגיית-שפעול-3א

ניתן לייחס לאנרגית השפעול את הדברים הבאים:
ככל שאנרגיית השפעול גדולה יותר (ככל שהמחסום האנרגטי גבוה יותר), למספר קטן של מולקולות בפגישה שלהם תהיה די אנרגיה לעבור את המחסום האנרגטי (היות ולא לכל המולקולות ישנה אותה אנרגיה קינטית חלקן נעות מהר יותר והאנרגיה הקינטית שלהם גדולה יותר וחלקן נעות לאט יותר האנרגיה הקינטית שלהם נמוכה יותר). לכן, ייווצרו פחות תצמידים משופעלים שיכולים להפוך לתוצרים.
לכן, הסיכוי שבפגישה ייווצרו תוצרים יהיה קטן יותר. תגובה כזו תהיה איטית יותר ולהפך.
ניתן לראות שאם בוחנים שתי תגובות הפוכות זו לזו, סימנו של ΔHº יהיה הפוך בשתיהן. זאת אומרת, אם תגובה אחת היא אקסותרמית, אז ההפוכה לה תהיה אנדותרמית ולהיפך. בנוסף לכך, אם נבחן שתי תגובות הפוכות זו לזו (שמן הסתם אחת מהן אקסותרמית והשנייה ההפוכה לה אנדותרמית, או להיפך), תמיד לתגובה האנדותרמית מבין שני התגובות הללו , תהיה אנרגיית שפעול גבוהה יותר. ניתן לראות זאת בשני הגרפים האחרונים שציירנו.

ניתן לסכם בשלב הזה ולומר שמגיבים הנמצאים במיכל התגובה מתנגשים זה בזה:

  • אם כתוצאה מההתנגשות נוצרו תוצרים ההתנגשות נקראת התנגשות פורייה.
  • אם כתוצאה מההתנגשות לא נוצרו תוצרים ההתנגשות נקראת התנגשות לא פורייה.

כדי שתתרחש התנגשות פורייה צריכים להתקיים שני תנאים :

  1. זווית מפגש מתאימה בין המגיבים .
  2. מספיק אנרגיה כדי לעבור את המחסום האנרגטי את אנרגיית השפעול.

סטטיסטית, ככל שיש יותר התנגשויות בין המגיבים, הסיכוי להתנגשות פורייה גדל, וקצב התרחשות התהליך מהיר יותר. ולהיפך, ככל שיש פחות התנגשויות בין מולקולות המגיבים, הסיכוי להתנגשות פוריה קטן יותר, וקצב התרחשות התהליך איטי יותר.

מהו הגורם או הגורמים המשפיעים על מספר ההתנגשויות בין המגיבים, ולכן גם משפיעים על קצב התגובה ?

המשך התוכן בעמוד זה למנויים בלבד

אם הינך מנוי/ה אנא הכנס שם משתמש וסיסמא!

לרכישת מנוי לחץ כאן