نظرة عامة على التفاعلات الكيميائية

تحدث التفاعلات الكيميائية ليس فقط في معمل كيميائي وأنبوب اختبار كما يتصور البعض ، ولكن توجد تفاعلات كيميائية في جميع مجالات حياة الإنسان ، وبعضها يحدث دون تدخل منه. على سبيل المثال ، يمكنك أن ترى أن هناك العديد من الأمثلة على التفاعلات الكيميائية في البيئة. مثل حرائق الغابات وصدأ الحديد وعملية نضج الثمار والعديد من التفاعلات الأخرى. بشكل عام ، يمكن تعريف التفاعل الكيميائي بأنه عملية تحويل المواد المتفاعلة إلى مواد أخرى ، والمعروفة باسم المواد الناتجة ، أو أنها عملية كسر الروابط وتشكيل روابط جديدة ، مما يؤدي إلى تكوين منتجات تختلف في خصائصها عن يمكن أن تكون خصائص المواد المتفاعلة والمتفاعلات أو المواد التي تم الحصول عليها عناصر أو مركبات ، وعلى الرغم من أن التفاعلات الكيميائية بدأت منذ بداية الكون ، بدأ الكيميائيون في اكتشافها وفهمها في أوائل القرن الثامن عشر ؛ على سبيل المثال ، تعتبر بعض العمليات ، مثل عملية التخمير ، التي يتم فيها تحويل السكريات إلى كحول ، عمليات قديمة ، لكن أساسها الكيميائي لم يكن معروفًا في ذلك الوقت.

جدير بالذكر أن هناك العديد من التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحدث في جيولوجيا الأرض وفي الغلاف الجوي وفي المحيطات وفي جميع الأنظمة البيولوجية المختلفة ، وهنا من الضروري التمييز بين التحولات الفيزيائية والتفاعلات الكيميائية. ينطوي التحول الفيزيائي على تغيير في حالة المادة فقط دون تغيير مكوناتها الكيميائية. على سبيل المثال ، يعد تبخر الماء أو ذوبان الجليد أو تكثيف بخار الماء أمثلة على التحولات الفيزيائية. وذلك لأن المكونات الكيميائية للماء تظل كما هي ؛ أي ذرتا هيدروجين وذرة أكسجين عندما يتفاعل الماء مع عنصر فلزي نشط ؛ مثل الصوديوم ، على سبيل المثال ، ينتج هذا التفاعل غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH) ، والذي يجب اعتباره تفاعلًا كيميائيًا. لأن مكونات الماء تغيرت أثناء التفاعل وأدت إلى ظهور مواد جديدة مختلفة تمامًا عن الكواشف.

أنواع التفاعلات الكيميائية

هناك أنواع عديدة من التفاعلات الكيميائية. مثل تفاعلات التحلل والاستبدال وتفاعلات الأحماض والقواعد وما إلى ذلك. فيما يلي شرح لهذه الأنواع المختلفة:

• التفاعل المشترك: حيث تتفاعل مادتان أو أكثر لتكوين مواد جديدة ، بغض النظر عما إذا كانت هذه الكواشف عناصر أو مركبات. أمثلة على هذه التفاعلات كما يلي:
  • تفاعل الصوديوم مع الكلور: 2NaCl ← 2Na + Cl2
  • احتراق الفحم: C + O2 → CO2

• تفاعلات التحلل: تفاعلات التحلل معاكسة لتفاعلات الاقتران. في هذا النوع من التفاعل ، تتحلل مادة أو مركب كيميائي إلى مادة أو أكثر من المواد المتفاعلة الأبسط ، ويمكن أن تكون هذه المواد عناصر أو مركبات ، ومن الأمثلة على هذا النوع من التفاعل:
  • التحلل المائي: 2H2O → 2H2 + O2
  • تحلل بيروكسيد الهيدروجين أو بيروكسيد الهيدروجين:
    • 2H2O2 → 2H2O + O2

• تفاعلات الاستبدال الفردية: في هذا النوع من التفاعل ، تحل الذرة الأكثر نشاطًا محل الذرة الأقل نشاطًا وتحل محلها في المركب عند التفاعل معها. أمثلة على هذا التفاعل كما يلي:
  • عند وضع قطعة من الزنك في محلول كبريتات النحاس تكون النتيجة محلول من كبريتات الرصاص وقطعة من النحاس ، مما يعني أن عنصر الرصاص يحل محل عنصر النحاس ، ومن خلال المعادلات:
    • Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu

• تفاعلات الاستبدال المزدوجة: في تفاعلات من هذا النوع ، يتم تبادل ذرتين ، وليس ذرة واحدة ، كما هو الحال مع تفاعلات الاستبدال الفردي. نوع التفاعلات في المحاليل المائية التي تؤدي إلى تكوين راسب صلب ، كما هو الحال في تفاعلات الاستبدال المفردة. في حالة تفاعلات الترسيب أو لإنتاج الماء ، كما في حالة تفاعلات التعادل ، على النحو التالي:
  • تفاعلات الترسيب: هذا النوع من التفاعل هو نتيجة التبادل الأيوني في المواد المتفاعلة وينتج عنه تكوين راسب صلب في المواد الناتجة. تتضمن أمثلة ردود الفعل من هذا النوع ما يلي:
    • يكون تفاعل نترات الفضة مع كلوريد البوتاسيوم لتكوين راسب أبيض غير قابل للذوبان من محلول كلوريد الفضة ونترات البوتاسيوم كما يلي:
    • بوكل + AgNO3 → AgCl + KNO3
  • تفاعلات التحييد: تُعرف أيضًا باسم تفاعلات القاعدة الحمضية ، بشكل عام ، يُعرف الحمض بأنه مادة قادرة على إنتاج أيون الهيدروجين (H +) في محلول ، بينما تُعرف القاعدة (بالإنجليزية: Base) بأنها مادة قادرة على تشكيل (OH -) في محلول ، وفي هذا النوع من التفاعل يتفاعل الحمض مع قاعدة لتكوين ملح وماء. ومن أمثلة هذا النوع:
    • تفاعل حامض الكبريتيك مع هيدروكسيد الصوديوم لتكوين ملح من كبريتات الصوديوم والماء: H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O.

• تفاعلات الاحتراق: في هذا النوع من التفاعل ، عادة ما يتم حرق الهيدروكربونات. أي المركبات التي تتكون من الكربون والهيدروجين في وجود الأكسجين ، بحيث تنتج هذه التفاعلات ثاني أكسيد الكربون والماء والحرارة ، ويعتبر هذا التفاعل أيضًا نوعًا من تفاعل الأكسدة والاختزال وأحد التفاعلات الطاردة للحرارة ، و تتضمن أمثلة هذا النوع من التفاعلات ما يلي:
  • تفاعل البروبان مع الأكسجين الغازي في الهواء الجوي:
    • C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

• تفاعلات الأكسدة والاختزال: في هذا النوع من التفاعل ، يتم تبادل الإلكترونات. عندما تفقد ذرة إلكترونًا ، وتعرف هذه العملية بالأكسدة ، وينتج عن ذلك زيادة في حالة أكسدة الذرة ، وتُعرف الذرة التي تتعرض للأكسدة كعامل مختزل (بالإنجليزية: عامل اختزال) ، بينما تستقبل ذرة أخرى ذلك الإلكترون ، وتعرف هذه العملية بالاختزال ، وتسمى الذرة التي تقوم بالعملية اختزال الأكسدة ، مما يعني أنه يمكن تمييز تفاعلات الأكسدة عن التفاعلات الأخرى بملاحظة التغيير في حالة الأكسدة. ومن أمثلة هذا النوع من التفاعل:
  • 2Na + Cl2 → 2NaCl (ردود الفعل المدمجة)
  • C + O2 → CO2 (ردود فعل الاتحاد)
  • Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu (تفاعلات الاستبدال)
  • هذا يعني أن هناك أربعة أنواع من التفاعلات التي تندرج تحت تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وهي: التفاعلات المجمعة ، تفاعلات الاستبدال الأحادي وتفاعلات الاحتراق بالإضافة إلى تفاعلات التحلل الحراري ؛ أي ردود الفعل التي تذوب في وجود الحرارة.

أمثلة محلولة لأنواع التفاعلات الكيميائية

• المثال الأول: ما هو النوع التالي من التفاعل: C3H6O3 + O2 → CO2 + H2O؟
  • قرار:
  • وتجدر الإشارة إلى أن التفاعل ينطوي على احتراق نوع مركب الهيدروجين ، وهو البروبان ، في وجود الأكسجين لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي فإن نوع التفاعل هو الاحتراق ، وهو تفاعل طارد للحرارة.

• المثال الثاني. في هذا التفاعل ، أي المواد عبارة عن حمض وأيها قاعدة: HCl + NaOH → NaCl + H2O؟
  • قرار:
  • الحمض هو مادة تحتوي على أيون الهيدروجين ، وفي هذا المثال هو حمض الهيدروكلوريك ، والقاعدة هي مادة تحتوي على أيون الهيدروكسيد (OH-) ، أي هيدروكسيد الصوديوم.

• المثال الثالث: ما هو نوع التفاعل التالي: MnO2 + 4H + + 2Cl- → Mn + 2 + H2O + Cl2؟
  • قرار:
  • نلاحظ أن هناك اختلافًا في حالة الأكسدة بين المواد المتفاعلة والنتيجة ، وبالتالي يكون التفاعل تفاعل أكسدة واختزال.

العوامل المؤثرة في التفاعلات الكيميائية

هناك أربعة عوامل رئيسية تؤثر على معدل التفاعلات الكيميائية:

• تركيز الكواشف أو الكواشف: كلما زاد تركيز الكواشف ، كان معدل التفاعل أسرع. كلما زاد تركيز الكواشف ، زاد عدد الاصطدامات الفعالة خلال فترة زمنية معينة.
• درجة الحرارة: مع ارتفاع درجة الحرارة ، يزداد معدل التفاعل بسبب زيادة الطاقة الحركية للجزيئات المتفاعلة ، وبالتالي يزداد عدد الجزيئات التي لديها الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتصادمات الفعالة ويزداد معدل التفاعل.
• إضافة محفز: المحفز عبارة عن مادة تساعد على زيادة معدل التفاعل دون التباعد أثناء ذلك ، وتلعب دورًا مهمًا في العديد من التفاعلات في الأنظمة البيولوجية.
• الحالة الفيزيائية للمادة ومساحة السطح: إذا كانت جسيمات الكواشف غير متجانسة ؛ بمعنى ، إذا كانت الكواشف مختلفة في حالتها الفيزيائية ، فإن معدل التفاعل يعتمد على مساحة السطح المعرضة للتفاعل ؛ على سبيل المثال ، عندما تتفاعل الجسيمات الصلبة مع جزيئات الغاز ، يمكن فقط للجسيمات الصلبة الموجودة على السطح المعرض للغاز أن تتصادم مع جزيئاتها وتتفاعل معها ، وبالتالي تزيد مساحة سطح التفاعل من معدل التفاعل ، وفي بعض الأحيان يمكن زيادة المنطقة أسطح التفاعل عن طريق قطع المادة الصلبة ، على سبيل المثال إلى جزيئات صغيرة.

المعادلات الكيميائية

بسبب التفاعلات الكيميائية العديدة حولنا ، يصعب وصف كل تفاعل بالكلمات ، لذلك أصبح من الضروري استخدام المعادلات الكيميائية لوصف هذه التفاعلات ؛ إذا تم التعبير عن العناصر والمركبات باستخدام صيغها الكيميائية ، وكانت الكواشف أمام السهم وكانت المنتجات بعد السهم ، ولجعل الصورة أقرب إليك ، لديك المثال التالي:

• مثال: عند تفاعل مادتين: A و B تكون النتيجة مادتين: C و D ويمكن التعبير عن هذا التفاعل باستخدام المعادلات الكيميائية على النحو التالي:
  • وتجدر الإشارة إلى أن A و B عبارة عن كواشف ، لذلك يجب وضعهما أمام السهم ، ويكون الناتجان عنصرين C و D ، لذلك يجب وضعهما بعد السهم ، وبالتالي يجب وضع المعادلة الكيميائية لهذا التفاعل هو: A + B → C + D

كقاعدة عامة ، ضع في اعتبارك ما يلي عند كتابة المعادلات الكيميائية:

• يتم تسجيل جميع التفاعلات والمنتجات في صيغة كيميائية ؛ مثل: H2
• يجب أن يكون عدد الذرات هو نفسه في كلا جانبي المعادلة الكيميائية ، ولهذه الذرات الواحدة أو كلتا الذرات يجب أن تتضاعف بالعامل المناسب. أي رقم معين ، ما لم يكن عدد ذرات كل عنصر متساويًا على جانبي المعادلة ، والمعادلة الكيميائية عادة لا تشير إلى عدد جزيئات كل مادة متضمنة في التفاعل ، كما هو موضح في المثال التالي:
  • مثال: يتفاعل غاز الهيدروجين مع غاز النيتروجين لتكوين غاز الأمونيا. اكتب معادلة كيميائية متوازنة لتمثيل هذا التفاعل؟
    • قرار:
    • اكتب الكواشف والمنتجات على النحو التالي: H2 + N2 → NH3.
    • لوزن هذه المعادلة ، يجب أولاً التأكد من أن عدد الذرات في كلا طرفي المعادلة هو نفسه ، ولكن يجب ملاحظة أن عدد ذرات الهيدروجين في المواد المتفاعلة هو 2 ، وفي المنتجات 3 ، وبالتالي يجب ضرب جزيء الهيدروجين بالرقم 3. بحيث يكون لدينا 6 ذرات هيدروجين في التفاعلات ، ويتم ضرب جزيء الأمونيا بالرقم 2 ليصبح لدينا 6 ذرات هيدروجين في المنتجات ، وهو نفس الشيء بالنسبة للنيتروجين الذرات التي لدينا في المتفاعلات. اثنان ، وفي المنتجات يوجد أيضًا اثنان ، وبالتالي فهي متساوية ولا تحتاج إلى تعديل على النحو التالي: 3H2 + N2 → 2NH3

وتجدر الإشارة هنا إلى أن وزن المعادلة الكيميائية يعكس مبدأ حفظ المادة ، وهو أن المادة لا تموت أو تتشكل أثناء التفاعلات الكيميائية.

معلومات أخرى متعلقة بالتفاعلات الكيميائية

تتضمن المعلومات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية أيضًا ما يلي:

• التفاعلات العكسية وغير العكسية: بعض التفاعلات أحادية الاتجاه وتسمى تفاعلات لا رجعة فيها ، وبعض التفاعلات تذهب في اتجاهين وتسمى التفاعلات العكسية ، حيث يمكن تحويل التفاعلات إلى منتجات ، ويمكن أيضًا تحويل المنتجات إلى في الواقع ، يستمر حدوث التفاعلات الأمامية والعكسية في وقت واحد حتى يتم الوصول إلى حالة تسمى (التوازن) ، وفي هذه الحالة يكون معدل التفاعلات الأمامية والعكسية متساويًا ويكون تركيز كل من المواد المتفاعلة والمنتج مثبت.

للتمييز بين التفاعلات العكسية والتفاعلات غير القابلة للعكس ، تتم كتابة التفاعلات العكسية ، عندما يتم تمثيلها بواسطة معادلات كيميائية ، كسهمين متعاكسين يوضع أحدهما فوق الآخر ، ويشير كل منهما في اتجاه مختلف. على سبيل المثال ، يعتبر تفكك حمض الكربونيك ثنائي البروتون مثالًا على تفاعل ثنائي الاتجاه قابل للانعكاس.

• استنتاج بشأن حدوث تفاعل كيميائي: في أي تفاعل كيميائي ، يُفترض أن التفاعل يحدث بملاحظة مجموعة من التغيرات الفيزيائية ، مثل تكوين راسب ، أو إطلاق حرارة أو تغير في اللون ، وكذلك التغييرات الأخرى التي يمكن نتيجة لها استنتاج حدوث تفاعلات كيميائية.
• التفاعلات الطاردة للحرارة والتفاعلات الطاردة للحرارة: يمكن تعريف التفاعلات الطاردة للحرارة على أنها تفاعلات تنتج طاقة للبيئة. على غرار تفاعلات الاحتراق ، تُعرف تفاعلات امتصاص الطاقة بالتفاعلات التي تمتص الطاقة من البيئة الخارجية ، حيث تتطلب بعض التفاعلات تسخين المواد المتفاعلة أو إضافة أي شكل آخر من أشكال الطاقة.

ما هو تفاعل كيميائي