التفاعلات الكيميائية هي تعبير عن تكسير روابط كيميائية، في المواد المتفاعلة، لإنتاج روابط جديدة، في المواد الناتجة، مما يؤدي إلى تكوين مواد جديدة مختلفة، في صفاتها الكيميائية والفيزيائية معًا.

التفاعلات الكيميائية تضم تغير ترتيب الذرات في الجزيئات الكيميائية، وفي مثل هذا التفاعل نشهد اتحاد بعض الجزيئات بطرق أخرى لتكوين شكل من مركب أكبر أوأعقد، أوتفكك المركبات لتكوين جزيئات أصغر، أوإعادة ترتيب الذرات في المركب. والتفاعلات الكيميائية تضم عادة تكسر أوتكوين روابط كيميائية.

التفاعلات الكيميائية تلعب دورا كبيرا في أيض الكائنات الحية وفي التمثيل الضوئي للنباتات التي تمدنا بالغذاء والأكسجين. والتنفس هوأيضا تفاعلات كيميائية . والاحتراق تفاعل كيميائي، بما فيه من تفاعلات أكسدة تتم في محرك الاحتراق الداخلي الذي يسيّر السيارات.

• تفاعلات أكسدة-اختزال
• تفاعل الاحتراق.

أنماط التفاعلات

يمكن تصنيف التفاعلات الكيميائية بطرق مختلفة، تعتمد على ناحية معينة من نواحي التفاعل، يتم التقسيم على أساسها، أوعلى أساس الفرع الكيميائي الذي تندرج ضمنه. بعض الأمثلة للمصطلحات المستخدمة، لوصف الأنواع الشائعة من التفاعلات :

• تزامر Isomerisation، وفيه يخضع المركب الكيميائي لإعادة ترتيب بنيته بدون تغيير في هجريبه الكيميائي، أي حتى جزيء المادة يغير شكله فقط (انظر تزامر فراغي) stereoisomerism.
• اتحاد مباشر Combination reaction أواصطناع وفيه يتم اندماج مركبين كيميائين أوأكثر ليشكلا مركبا كيميائيا واحدا معقدا.

(2H₂ (gas) + O₂ (gas) → 2H₂O (liq

في هذا التفاعل يتفاعل الهيدروجين والأكسجين فينتجا ماء. هذا التفاعلقد يكون شديداً إذا كانت نسبة الهيدروجين إلى الأكسجين 1:2 على التوالي، ويسمى ذلك المخلوط مخلوط انفجاري ويكون مصحوبا بنشر حرارة كبيرة (تفاعل ناشر للحرارة). في نفس الوقت يسمى هذا النوع من التفاعل تفاعل غير عكوس لأنه يسير في اتجاه واحد فقط من اليسار إلى اليمين.

• تحلل كيميائي : أوتحليل : وفيه يتم تفكيك المركب الكيميائي إلى مركبات أصغر أوتفكيكه إلى العناصر المكون منها، فرضا هنا حالة تحليل الماء :

(2H₂O (liquid) → 2H₂ (gas) + O₂(gas

رأينا أعلاه حتى تفاعل الأكسجين والهيدروجينقد يكون عادة تفاعل غير عكوسي ويسير من اليسار إلى اليمين ويكون مصحوبا بنشر حرارة كبيرة نظرا لأنه تفاعل ناشر للحرارة. ولكن يمكننا حتى نسيّر التفاعل في الاتجاه العكسي كما نرى في حالتنا هنا وهوتحلل الماء إلى عنصريه الأكسجين والهيدروجين ، ويمكننا ذلك عن طريق إجراء شغل من الخارج بواسطة مصدر كهربائي. تمد الطاقة الكهربائية الماء بكمية الطاقة المعادلة لما ينتجه تفاعل الأكسجين والهيدروجين أثناء اتحادهما لإنتاج الماء، بذلك نتغلب على تماسك الماء ونُسيّر التفاعل في الاتجاه العكسي. في مثل تلك التفاعلات لا بد من إمداد النظام بطاقة أوحرارة من الخارج لكي يسير تفاعل في اتجاهه العكسي (طبقا لالقانون الثاني للديناميكا الحرارية).

• تفاعل استبدال أحادي Single displacement reaction : وفيه يتم استبدال عنصر من مركب كيميائي بعنصر آخر أكثر فاعلية كيميائية:

(2Na(cr) + 2HCl (aq) → 2NaCl (aq) + H₂ (gas

في هذا التفاعل ينفاعل الصوديوم (مادة صلبة) مع حمض الهيدروكلوريك (سائل) وينتج كلوريد الصوديوم ويتحرر غاز الهيدروجين. هذا التفاعل غير عكوسي بسبب انفصال غاز الهيدروجين بمجرد تكونه ويهجر المحلول.

• تفاعل استبدال ثنائي Double displacement reaction أواستبدال مقترن coupling substitution، وفيه يقوم مركبين كيميائيين في محلول مائي (عادةقد يكونان بشكل شاردي) بتبادل عناصر أوأيونات من مركبات مختلفة:

(NaCl (aq) + AgNO₃ (aq) → NaNO₃ (aq) + AgCl (s

في هذا التفاعل يستبدل الصوديوم ذرة الكلور بجزيء النترات NO₃ ويصبح "ملح" نترات الصوديوم ، وفي نفس الوقت يتحد أيون الفضة مع أيون الكلور ليكون "ملح " كلوريد الفضة ".

• احتراق Combustion : وفيه تقوم مادة قابلة للاحتراق بالاتحاد مع عنصر مؤكسد لينتجا حرارة ومركب مؤكسد (بفتح السين) :

C₁₀H₈ (g) + 12O₂ (g) → 10CO₂ (g) + 4H₂O (l)

وتفاعل الاحتراق معهود لنا فنحن نعهد احتراق الخشب في الهواء أواحتراق الغاز الطبيعي ، وفيهما يتحد الكربون مع الأكسجين فينتجا حرارة وثاني أكسيد الكربون.

بعض فروع الكيمياء تعتبر أي تغيرات ضئيلة في التشكيل الكيميائيchemical conformation بمثابة نوع من أنواع التفاعل، في حين يعتبره آخرون مجرد تغير فيزيائي.

تصنيفات أخرى للتفاعل الكيميائي :

• تفاعلات عضوية

• تفاعل شاردي (أيوني)
• تفاعل جذري (جذور كيميائية)
• تفاعل الكربين

يمكن تصنيف التفاعلات أيضا حسب اتجاه سير التفاعل:

• تفاعلات تامة (أي تتحول جميع المتفاعلات إلى نواتج بعد زمن معين طال أوقصر)
• تفاعلات انعكاسية (لا تتم حتى نهايتها، ويتواجد جزء من المتفاعلات إلى جانب النواتج في اناء التفاعل مهما طال الوقت)

توازن كيميائي

يمكن للتفاعل الكيميائي الذي يسير في وسط متجانس (سائل فقط، أومادة صلبة فقط، أوحالة غازية فقط) حتى يسير في اتجاهين متعاكسين. فعندما تتفاعل مادتان مع بعضهما مكونة مركب ثالث، فعادة يوجد هذا المركب الثالث في حالة مفككة مكونة من المادتين المتفاعلتين. يسير التفاعل عادة في الاتجاهين المتضادين وتحدث "منافسة" بين المواد الداخلة للتفاعل والمواد الناتجة، ويتميز جميع اتجاه بمعدل تفاعل خاص به يعتمد على خواص المواد. ونظرا لأن معدلات التفاعل تعتمد أيضا على هجريز جميع من المواد، فهي تتغير أيضا بمرور الزمن. وتقترب بمرور الزمن سرعتي اتجاهي التفاعل متى تتساوى السرعتان أوالمعدلان. عندئذ لا يتغير هجريز جميع مادة من المواد في المخلوط ونصل إلى حالة توازن يسمى توازن كيميائي.

ويعتمد مسقط التوازن على خواص المواد المتفاعلة، كما تعتمد عل درجة الحرارة والضغط ويحددها ما يسمى بالطاقة الحرة. وكثيرا حتى نستخدم المشتق التفاضلي للإنثالبي الحر أوتفاضل الإنثالبي الحر للتفاعل، والذي لا بد وأن يصبح مساويا للصفر عند التوازن الكيميائي.

وقد عبر العالم الكيميائي شاتلييه عن اعتماد سرعة التفاعل على الضغط بما يسمى مبدأ لوشاتيليه حيث يحاول نظام موضوع تحت ضغط عالي حتى يجعل تأثير الضغط أقل ما يمكن.

في تلك الحالة تكون نواتج التفاعل قد وصلت إلى نهاية عظمى، حيث أنه بزيادة إنتاج نواتج تزداد سرعة التفاعل العكسي وتتساوى سرعتي التفاعل في الاتجاهين عند بلوغ التوازن. ونستخدم في الكيمياء طريقة لزيادة إنتاج النواتج وذلك بسحب (أوجني) جزء منها من المخلوط المتفاعل حيث نغير بذلك وضع التوازن، أوعن طريق زيادة الضغط على المواد المتفاعلة أوحمل درجة حرارة النظام.

ترموديناميكا التفاعل الكيميائي

يتعين سير التفاعل الكيميائي على قوانين الترموديناميكا. فهي تحدد إلى أي مدى يسير التفاعل مثلا من اليسار إلى اليمين حيث تتحد مواد داخلة في التفاعل مع بعضها البعض منتجة نواتجا للتفاعل. ولكي يسير التفاعل لا بد وأن ينخفض الإنثالبي الحر أثناء التفاعل. ويتكون الإنثالبي الحر من دالتي حالة مختلفتين هما الإنثالبي والإنتروبية. وترتبط القيمتان بعضهما البعض في المعادلة العامة للإنثالبي الحر.

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\cdot \Delta S$

حيث :

G: الإنثالبي الحر ,

H: الإنثالبي,

T: درجة الحرارة,

S: إنتروبيا,

Δ: التغير في جميع قيمة، وتسمى "دلتا".

ويمكن حتىقد يكون التفاعل الكيميائي تفاعل ناشر للحرارة ، وفيه تكون ΔH سالبة الإشارة وتصبح طاقة حرة تطهر في صورة حرارة متولدة عن التفاعل. كما يمكن حتى ينتج عن فقد الطاقة المتحررة من التفاعل حتى يشكل الناتج بنية بلورية منتظمة يميزها أنتروبيا منخفضة. مثال على تفاعل ناشر للحرارة تنخفض فيه الانتروبيا تفاعلات ترسيب الأملاح وتفاعلات التبلور (تكوين بلورات) حيث تتكون فيها نواتجا منتظمة أوبلورية من تفاعل غازات أوسوائل لا تميزها بنايات منتظمة.

كما توجد تفاعلات ماصة للحرارة وهي تسير عن طريق امتصاصها للحرارة من الجوالمحيط، أومعمليا نزودها بالحرارة من الخارج بتسخينها. وتسير تلك التفاعلات عندما تزداد أنتروبيتها، والمقصود عنا إنتروبية النظام. وقد يحدث يزايد انتروبية النظام عن طريق نواتج غازية، حيث حتى الغازات تمتلك إنتروبيا كبيرة.

ونظرا لأن الإنتروبيا تعتمد على درجة الحرارة وتزداد بارتفاعل درجة الحرارة، تسير التفاعلات التي تحددها الإنتروبية مثل التفكك بنشاط مع زيادة درجة الحرارة. أما التفاعلات الي تعتمد على الطاقة مثل التبلور فهي تنشط بخفض درجة الحرارة. ويمكن اختيار اتجاه التفاعل عن طريق تغيير درجة الحرارة.

مثال :

سندرس حالة توازن كيميائي يعهد بتوازن بودوارد :

${\displaystyle \mathrm {CO_{2 +C\rightleftharpoons 2\ CO ;\quad \Delta H=+172{, 45\ \mathrm {kJ\cdot mol ^{-1$

هذا تفاعل ثاني أكسيد الكربون مه الكربون الذي ينتج أول أكسيد الكربون وهوتفاعل يمتص حرارة أي يحتاج إلى حرارة من الخارج لكي يسير. لهذا فتكون حالة التوازن الكيميائي للتفاعل عند درجة حرارة منخفضة على ناحية ثاني أكسيد الكربون. وبحمل درجة الحرارة إلى 800 درجة مئوية وأعلى من ذلك يبدأ إنتاج أول أكسيد الكربون متزايدا مع درجة الحرارة، وذلك بسبب بسبب توايد الإنتروبية.

كما يمكننا دراسة التفاعل الكيميائي من وجهة تغير الطاقة الداخلية للنظام. وتوصف الطاقة الداخلية لنظام بأنها دالة للإنتروبيا وتغير الحجم والكمون الكيميائي. ويعتمد الكمون الكيميائي على الفعالية الكيميائية لجميع المواد المتفاعلة، أي المواد الداخلة في التفاعل والمواد الناتجة من التفاعل.

${\displaystyle \mathrm {d U=T\,\mathrm {d S-p\,\mathrm {d V+\mu \,\mathrm {d n\!$

حيث :

U: طاقة داخلية,

S: إنتروبيا,

p: الضغط,

μ: كمون كيميائي (أوالجهد الكيميائي) ,

n: كمية المادة ,

d: معامل التفاضل.

المعادلة تعطي تغير دوال الحالة للمواد قبل التفاعل وبعده.

تقسيم التفاعلات الكيميائية حسب سرعتها

1. تفاعلات تتم في وقت قصير جدا، تفاعل انفجاري، مثل : انفجار البارود، وانفجار مخلوط الهيدروجين والأكسجين..

2. تفاعلات ذات معدل بطيء نسبيا مثل : تفاعل الزيوت مع الصودا الكاوية.

3.تفاعلات بطيئة جدا بحاجة لعدة شهور مثل: تفاعل الهواء مع الحديد لتكوين صدأ الحديد

4. تفاعلات بطيئة جدا جدا بحاجة لآلاف أوملايين السنين مثل : تكوين النفط في باطن الارض

العوامــل المؤثرة في سرعـة التفاعــل

1عوامل أساسية (تحتاجها جميع التحولات):

 -تاثير درجة الحرارة 
 -تاثير سطح التلامس 
 -تاثير الهجريب (المزيج )

2عوامل ثانوية (تحتاجها بعض التحولات):

 -الضغط 
 -الوسيط

-الزمن

-الهجريز

اعتماد سرعة التفاعل على درجة الحرارة

1- في عام 1884 صاغ الكيميائي الهولندى قاعدة تقريبية لاعتماد سرعة التفاعل الكيميائي على درجة الحرارة ، وتسمي قاعدة فانت هوف.

2- وفي عام 1888 صاغ الكيميائي السويدي أرينيوس معادلته المسماة معادلة أرينيوس لاعتماد سرعة تفاعل كيميائي عل درجة الحرارة. ومعادلة أرينيوس أكثر دقة من قاعدة فانت هوف، حيث أنها تأخذ طاقة التنشيط في الحسبان.

انظر أيضًا

• مفاعل كيميائي.
• معادلة أرينيوس.
• تفاعل ناشر للحرارة.
• تفاعل يمتص الحرارة
• تفاعل عكوس.
• نتاج (كيمياء)
• تفاعل الثرميت
• تفاعل أكسدة-اختزال
• اختزال.
• قاعدة فانت هوف.
• مخطط أرهينيوس.
• تفاعل نووي
• ثعبان الفرعون
• مبدأ مانح-مستقبل

مراجع

وصلات خارجية

• سرعة التفاعل
• التحكم الكيميائي
• GCSE التفاعلات