קצב תגובה אנרגיית שפעול וזרזים


קצב תגובה אנרגיית שפעול וזרזים

מהו קצב?

קצב זהו שינוי של גודל מסוים ביחידת זמן.

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

כשמבצעים תגובה בין חומרים שונים, ואפילו מדובר 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 לצרכי המערכת.
לדוגמא:
אם ניקח כוס מים ונשפוך על הרצפה, לאחר מספר דקות המים "יעלמו", יעברו תהליך אידוי, תהליך זה קורה די במהירות (נכון שזה תלוי בכמות המים ונכון שזה תלוי גם בשטח הפנים נדבר על זה בהמשך). בתהליך האידוי של המים (שזהו 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.
כדוגמא נוספת נתייחס לשני התהליכים הבאים: בערה 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 אנרגתי, שאם לא עוברים אותו המגיבים לא הופכים לתוצרים. בדיוק כמו במכונית. ללא ההצתה הראשונית של המצבר, המכונית לא תפעל.

יש תגובות שיש צורך לספק להם אנרגיה בכל מהלך התהליך (תגובות אנדותרמיות), גם "התנעה ראשונית" וגם במשך כל התגובה. ואילו יש תגובות שיש לספק להם אנרגיה רק לשלב ה"התנעה", ולאחר מכן הם מספקות לעצמן את האנרגיה (תגובות אקסותרמיות), ואפילו יותר ממה שהן צריכות ולכן גם נפלטת אנרגיה מאותן תגובות 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 המינימאלית הנדרשת כדי שהתגובה תתרחש.

כדי שמגיבים יהפכו לתוצרים, הם צריכים שבמגע ביניהם / במפגש ביניהם, תהיה להם מספיק אנרגיה כדי לעבור את מחסום האנרגיה הזה 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 שזו עליה, יש להשקיע אנרגיה בסחיבת העגלה. אם לא יהיה 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 יהפכו לתוצרים, ראשית צריכות להיות בין המגיבים התנגשויות (פגישות). בזמן הפגישה צריכים להתקיים שני תנאים כדי שהמגיבים יהפכו לתוצרים:

  1. שלמגיבים תהיה מספיק אנרגיה כדי לעבור את המחסום האנרגיה 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 כעת מהי אנרגיית שפעול Eaאנרגיית שפעול היא המחסום האנרגתי בין המגיבים לתוצרים או האנרגיה המינימאלית הדרושה להתרחשותה של תגובה.
נוכל לתאר כעת את מהלך התרחשות תגובה בשני מימדים :

  1. מימד האנרגיה.
  2. מימד הזמן.

עבור התגובה בה :

תוצרים     →    מגיבים

קצב-תגובה-אנרגיית-שפעול

אם התגובה היא אנדותרמית (כמו בגרף המצויר), התוצרים יהיו בעלי אנרגיה פנימית גבוהה יותר מהמגיבים (מסומן באדום שינוי האנתלפיה עבור התהליך), ואילו אנרגית השפעול Ea היא הפרש האנרגיה בין המגיבים לקצה המחסום האנרגטי בתיאור הגרפי.

בנקודה בה האנרגיה היא הגבוהה ביותר, נמצאת המערכת במצב מיוחד, שבו החלו הקשרים של החומרים המגיבים להתפרק באופן חלקי, ובמקביל החלו גם הקשרים של החומרים בתוצרים להיווצר.
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

ניתן לייחס לאנרגית השפעול את הדברים הבאים :
ככל שאנרגיית השפעול גדולה יותר, ככל שהמחסום האנרגטי גבוה יותר, לפחות מולקולות בפגישה שלהם תהיה מספיק אנרגיה לעבור את המחסום האנרגטי. לכן, ייווצרו פחות תצמידים משופעלים שיכולים להפוך לתוצרים.
ולכן, הסיכוי שבפגישה ייווצרו תוצרים יהיה קטן יותר, תגובה כזו תהיה איטית יותר ולהפך.
ניתן לראות שאם בוחנים עבור שתי תגובות הפוכות זו לזו, סימנו של ΔHº יהיה הפוך לשתיהן. 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 והשניה ההפוכה לה אנדותרמית, או להיפך), תמיד לתגובה האנדותרמית מבין שני התגובות הללו (ההפוכות זו לזו), 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 (חודשי/שנתי) בלבד

אם הינך מנוי/ה אנא הכנס שם משתמש וסיסמא!

אם אין ברשותך מנוי אנא בדוק/בדקי את תוכניות מנויים