קצב תגובה – גורמים המשפעים ברמת מקרו

איך מגדירים מהירות של תגובה כימית?

איך מגדירים מהירות של מכונית?
המרחק שהמכונית נוסע x∆ חלקי הזמן שלוקח למכונית לעבור את המרח t∆ :

מהירות של המכונית = x/∆t∆ 

:מבטא הפרש בין הערך הסופי להתחלתי ∆  

∆x= xסופי – xהתחלתי

∆t= tסופי – tהתחלתי

והיחידות הן קמ”ש כלומר שעה/קילומטר 
כלומר שינוי של גודל מסויים חלקי שינוי הזמן

איך מגדירים מהירות של תגובה?

אפשר להגדיר אותה כשינוי בריכוז המגיבים או התוצרים  c∆ חלקי הזמן שלוקח לשינוי להתרחש t∆:

מהירות התגובה = c/∆t∆ 

והיחידות הן שניה/מולר או דקה/מולר או שעה/מולר (מולר: M= ל’/מול) 

מה הביטוי של קצב תגובה לפי מגיבים ותוצרים?

נניח את התגובה הבאה בין מימן וחמצן:

2H2(g) + O2(g)  → 2H2O(g)n

הביטוי לקצב תגובה לפי כל מגיב ולפי כל תוצר הוא הבא:

קצב תגובה ביחס למימן = H2(g)] /∆t]∆ –   איפה :

[H2(g)n]: נוסחת החומר בסוגריים מרובעות מסמל ריכוז מימן 

∆[H2(g)] = [H2(g)]סופי – [H2(g)]התחלתי

קצב תגובה ביחס לחמצן =  O2(g)] /∆t]∆-

קצב תגובה ביחס למים =   H2O(g)] /∆t]∆

למה יש סימן מינוס לפני הביטוי של קצב עבור המגיבים וסימן פלוס עבור התוצרים?

על מנת להגדיר קצב תגובה חיובי, מוסיפים סימן מינוס בביטוי של המגיבים מכיוון שככל שהתגובה מתקדמת, ריכוז המגיבים יורד (ריכוז התוצרים עולה) ולכן ההפרש ∆ בין הערך הסופי להתחלתי הוא שלילי.

האם שלושת הביטטויים זהים או יש קצב שונה לפי המגיב או התוצר שנבחר?

תלוי בתגובה אך לרוב הערכים יהיו שונים. נתבונן שוב בתגובה:
2H2(g) + O2(g)  → 2H2O(g)n

על כל מול של חמצן מגיבים שני מולם של מימן ונוצרים שנו מולים של מים. לכן התגובה היא מהירה פי שניים ביחס למימן ולמים מאשר ביחס לחמצן.

דוגמה של תגובה מאוד מהירה: מימן וחמצן

בסרטון נתן לראות תגובה של מימן עם חמצן:
מתרחש פיצוץ כתוצאה מתגובה אקסותרמית מאד מהירה

דוגמה של תגובה יחסית אטית: פירוק מי חמצן לחמצן ומים

שימו לב על הווצרות בועות קטנות המבטא יצירת החמצן גז לפי התגובה הבאה: 

2H2O2 (aq)  →  2H2O(l)+ O2(g)n
על פי קצב יצירת הבועות ניתן להבין שהתגובה איטית יחסית

תלות קצב פירוק מי חמצן עם הזמן

ניתן לראות שהתגובה מתקדמת באיטיות יחסית (משך שעות) ושקצב התגובה יורד ככל שהתגובה מתקדמת.

בהמשך נראה איך ניתן לגרום לתגובה להיות מהירה יותר בעזרת זרז.

מהם הגורמים המשפיעים על קצב תגובה?

להלן מספר גורמים המשפיעים על קצב תגובה כימית.
בדף זה, נתאר את השפעתם ברמה המקרוסקופית וניתן דוגמאות.
בדפים הבאים, נסביר את השפעתם ברמה המיקרוסקופית בעזרת תורת ההתנגשויות.

1. ריכוז המגיבים
2. טמפרטורה
3. סוג המגיבים
4.שטח פנים של המגיבים
5.נוכחות זרז

איך משפיע ריכוז המגיבים על קצב התגובה?

קצב תגובה כימית עולה ככל שריכוז הבמגיבים עולה.

לדוגמה: תגובת פירוק מי חמצן לחמצן ומים שראינו בחלק הראשון של הדף הנוכחי:

2H2O2 (aq)  →  2H2O(l)+ O2(g)n

ראינו שקצב התגובה יורד עם הזמן ככל שהתגובה מתקדמת.
איך תלוי קצב התגובה עם ריכוז מי החמצן?מצד שמאל עקומה המתארת תלות זו.

ניתן לראות שקצב התגובה עולה עם עלית ריכוז מי החמצן (המגיבים).

איך משפיע טמפרטורת המערכת על קצב התגובה?

קצב תגובה כימית עולה ככל שהטמפרטורה של המערכת עולה!

בסרטון המצורף, נראה דוגמה של השפעת הטמפרטורה על קצב תגובה המתבטא בהסתרת אות X המצוייר בתחתית כוס התגובה.
מדובר על ניסוי בשם “ה-X הנעלם” בו מוסיפים תמיסה של חומצה מימן כלורי HCl לתמיסת נתרן תיוסולפאט:Na2S2O3(aq)n 

להלן התגובה שמתרחשת:

2H3O+(aq)  + S2O32−(aq)  → 3H2O(l) + SO2(g)  + 1/8S8(s)n

ה-X המצוייר בתחתית הכוס “נעלם” מהעין בגלל שנוצר גופרית מוצקה באיטיות יחסית. זמן העלמות ה-X הוא מדד לקצב התגובה: ככל שה-X נעלם מהר יותר קצב יצירת הגופרית (תוצר) גדל.

ניתן לראות בסרטון שיש הבדל גדול בזמן העלמות ה-X בטמפרטורת: בטמפרטורת  החדר (℃25) לקח 22 שניות וב- ℃10לקח 52 שניות.
כלומר בטמפרטורה הגבוהה יותר קצב התגובה גבוה יותר.

דוגמה: תלות קצב התגובה בטמפרטורה ניסוי "ה-X הנעלם"

איך משפיע סוג המגיבים על קצב התגובה?

קצב תגובה כימית משתנה עם סוג המגיבים כלומר שינוי החומרים המגיבים.
לדוגמה: נשווה בין שתי תגובות שנראות יחסית דומות: תגובת מימן עם חמצן ותגובת מגנזיום עם חמצן:

(1)        2H2(g) + O2(g)  → 2H2O(g)n

(2)        2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)n

תגובה (1): מהירה מאוד (פיצוץ של חלקיק שניה) ואקסותרמית המופעלת על ידי גפרור דלוק או ניצוץ קטן

תגובה (2): תגובה יחסית אטית (לוקח כמה שניות עד שפיסת מגנזיום הופך לתחמוצת שלה) ולא מופעלת עם גפרור או להבת הנר אלא דורשת להבה של גזיה. גם תגובה זו היא אקסותרמית.

מסקנה: קצב התגובה תלוי בסוג המגיבים

איך משפיע שטח פנים של מוצק על קצב התגובה?

ככל ששטח הפנים של מוצק גדול יותר, קצב התגובה גדל!

דוגמה: תגובת אבץ ( Zn) עם חומצה ליצירת מימן גז מהירה יותר כאשר האבץ בצורת גרגרים מאשר כאשר טובלים פיסת אבץ לחומצה.

 להלן התגובה שמתרחשת:

Zn(s) + 2H3O+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O(l)n

באיור מצד שמאל מתוארת השפעת שטח פנים של המוצק. לאבץ בגרגרים יש שטח פנים גדול יותר מאשר פיסה אחת של אבץ. ניתן לראות שנוצרים יותר בועות גז מימן ליחידת זמן מה שמוכיח שקצב התגובה גדל ככל ששטח הפנים של המוצק גדל.

דוגמה: השפעת שטח פנים של אבץ על קצב הווצרות מימן גז
גורם שטח פנים

איך משפיע נוכחות זרז על קצב התגובה?

נוכחות זרז מגבירה את קצב התגובה!

זרזים הם חומרים הגורמים להעלאת קצב תגובה. אנו מכירים את החומרים הללו מגוף האדם: אנזימים משמשים כזרזים ביולולגיים ומאפשרים לגוף להאיץ תהליכים שלרוב לא מתרחשים בתנאים רגילים.

לרוב, זרזים הם חומרים שמאפשרים לתגובה להתקדם במסלול שונה מהיר יותר (הסבר נוסף בתיאור המיקרוסקופי של הגורם בדף הבא).

יש זרזים שפועלים על פני שטח של מוצק, לדוגמה מתכות כמו ניקל Ni משמשים זרזים בתהליכים כגון הפיכת שומנים בלתי רווים לרווים (נלמד ב”ה תהליך זה בפרק שומנים).

יש זרזים שמשתתפים בתגובה  אבל בשלב אחר מתקבלים בחזרה כתוצרים.
דוגמה לזרז מסוג זה הוא (KI(s בתגובת פירוק מי חמצן כפי שמופיע בניסוי “נחש לבן” בסרטון מצד שמאל.
מדובר על אותה תגובה שכבר ראינו לעיל של פירוק מי חמצן:

2H2O2 (aq)  →  2H2O(l)+ O2(g)n

ניתן לראות בסרטון שקצב התגובה מואץ בצורה מאד משמעותית על ידי תופעת יצירת קצף כתוצאה מיצירת חמצן גז מוגברת על ידי הזרז.
המסקנה היא שזרזים גורמים לעליה בקצב התגובה. 

הוספת זרז KI על תערובת מי חמצן וסבון נוזלי