1- التفاعل الكيميائي والكيمياء الحركية:
التفاعل الكيميائي كتعريف: هو تحول أحد المركبات الكيميائية إلى مركبات أخرى، والذي يعني تكسير روابط وتشكيل أخرى وتغير أماكن الذرات داخل المركبات، بالإضافة إلى تغير ترتيب الإلكترونات المُكونِة للروابط الكيميائية، ولذلك لَزَم وجود تفسير لآلية عمل التفاعل الكيميائي، ووصف حركة وسرعة الذرات والإلكترونات داخل هذا التفاعل، ومن هنا أتت الكيمياء الحركية.
أدى الكم الهائل من الأبحاث في مجال الكيمياء الحركية إلى استنتاج وجود أنواع من التفاعلات الكيميائية، فبعض تلك التفاعلات تتم في خطوة واحدة وتسمى بـ (تفاعلات أولية – elementary reactions)، وبعضها يتم على أكثر من خطوة وتسمى بـ (المركبات المعقدة – complex reaction)، ولتحديد نوعية التفاعلات الكيميائية، يتم قياس معدل كل تفاعل في وجود ظروف مختلفة، لمعرفة عدد الخطوات التي يسير عليها التفاعل.
2- ما هو معدل التفاعل الكيميائي؟
معدل التفاعل الكيميائي هو معدل تكون المواد الناتجة من هذا التفاعل أو المستهلك من المواد الداخلة فيه. وكيميائيًا فإن كمية المواد تقاس بالتركيز (كمية المادة الموجودة في وحدة الحجوم)، ولذلك فإن التعريف الأدق لمعدل التفاعل الكيميائي: قياس التغير في تركيز المواد المتفاعلة أو الناتجة بالنسبة لوحدة الزمن.
3- فترة نصف العمر:
تُعرف فترة نصف العمر على أنها الوقت المستغرق لاستهلاك نصف كمية المتفاعلات داخل التفاعل الكميائي، ويستخدم هذا المصطلح كثيرًا مع المواد المشعة. فعلى سبيل المثال، فعندما تقرأ أن فترة نصف العمر لمادة (اليورانيوم 238) هي (4.5 مليار) عام، فهذا يعني أن نصف أي كمية من هذه المادة استغرقت هذه الفترة للتحول إلى ما هي عليه. كمثال آخر على مفهوم فترة نصق العمر، الهيدروجين والأكسجين، فهذين الغازين مخلوطين دائمًا في الغلاف الجوي، وعند الضغط الجوي العادي ودرجة حرارة الغرفة لا نلاحظ أي تفاعل منهم، ولكن باستخدام الكيمياء الحركية؛ نجد أن هذا التفاعل بين هذين الغازين يحدث مكونًا ماء طِبقًا للمعادلة:
2H2 + O2 → 2H2O
ولكن بفترة نصف عمر (12 مليار) سنة، وهذه فترة تقارب عمر الكون.
4- كيف يتم حساب فترة نصف العمر؟
تنقسم طرق حساب فترة نصف العمر طبقًا لسرعة التفاعل إلى قسمين:
أ- حساب التفاعلات البطيئة:
أفضل طريقة لدراسة التفاعلات الكيميائية البطيئة هو تغيير ظروف التفاعل نفسه، بحيث يحدث التفاعل في فترة زمنية مقبولة يمكن دراسته فيها، وأشهر تلك الظروف التي يتم التلاعب بها لهذا الغرض هي الحرارة، فمثلا إذا تم رفع درجة حرارة خليط الأكسجين والنيتروجين إلى (500) مئوية، فإن هذا التفاعل يحدث في وقت قصير عوضًا عن مليارات السنين، ويتم دراسة هذا التفاعل حركيًا تحت هذه الظروف. ويوجد حاليًا العديد من الأنظمة الآلية والأجهزة المعنية بقياس معدلات التفاعلات المختلفة بنفس الطريقة.
ب- حساب التفاعلات السريعة:
تتم بعض التفاعلات الكيميائية بصورة سريعة للغاية؛ مما يجعل أمر دراستها صعب للغاية. ولعل أبرز المشاكل التي تواجه دراسة هذا التفاعل هي:
1- الوقت المستغرق لخلط المتفاعلات مع بعضها، أو اللازم لتغيير درجة الحرارة قد يكون أكبر من فترة نصف العمر نفسها.
2- من المحتمل أن يكون الوقت اللازم لتقدير كمية المواد المتفاعلة يكافئ فترة نصف العمر نفسها.
ولحل هذه المشاكل؛ أوجد الباحثون طرق عديدة لتقدير معدل التفاعل، على سبيل المثال لا الحصر، (طريقة التدفق – flow methods)، وهي عملية إمرار جزء بسيط من المحاليل أو الغازات المراد دراسة تفاعلها حركيًا، ثم حساب تركيزات تلك الكمية البسيطة من المواد طيفيًا، ثم إعادة إدخال كمية أخرى من المواد داخل الأنبوب، وحساب التركيزات الجديدة مرة أخرى، وتتكرر تلك العملية عدة مرات حتى يتم حساب معدل التفاعل.
ترجمة وتصميم: Ahmed Fahmy
مراجعة وتحرير: Amira Esmail
المصادر:
