نظریه‏ی برخورد و سرعت واکنش: توضیح عوامل نظریه‏ی برخورد

این مقاله به معرفی اصول اولیه ی نظریه‏ی برخورد می‏پردازد. این نظریه و سرعت واکنش توسط این واقعیت اساسی که همه‏ی واکنش‏های شیمیایی حاصل برخورد بین اتم‏ها، مولکول‏ها یا یون‏ها هستند، به هم مرتبط هستند. در این مقاله ما به بررسی اثر غلظت بر سرعت واکنش می‏پردازیم.
نظریه‏ی برخورد یک ساختار نظری کمی برای مدل سازی پویایی یک واکنش شیمیایی، بر اساس اصول مکانیک آماری و انرژی های شیمیایی می‏باشد. این نظریه سرعتی که در آن یک واکنش شیمیایی ممکن است اتفاق بیفتد را پیش‏بینی می‏کند. این نظریه می‏تواند به شما بگوید که محصولات تا چه حد آهسته و یا سریع ممکن است در یک واکنش شیمیایی، با دانستن شرایط اولیه تشکیل شود. یکی از مدل‏های نظری سینتیک های شیمیایی علمی است که همه‏ی جنبه‏های دینامیک یک واکنش شیمیایی را مورد مطالعه قرار می‏دهد.
هر چیزی که در یک واکنش شیمیایی رخ می‏دهد، بین اتم‏ها و مولکول‏ها اتفاق می‏افتد. هر ماده از مولکول‏ها و در نهایت اتم‏ها ساخته می‏شوند. یک واکنش شیمیایی شامل برخورد بین اتم‏ها و مولکول‏های واکنش بوده که منجر به شکستن برخی پیوندهای شیمیایی و ایجاد پیوندهای جدید شده و در نهایت محصولات جدیدی تشکیل می‏شود.

چه کسی نظریه ی برخورد را توسعه داد؟

این نظریه در طول دوره‏ی جنگ جهانی اول که در آن یک برخورد در کشورهای امپریالیستی در رابطه با قدرت وجود داشت، توسعه یافت. این نظریه توسط دو نفر به طور مستقل در طرف‏های متقابل جنگ، یک شیمیدان آلمانی به نام مکس تراتز در سال 1916 و دیگری یک پروفسور شیمی انگلیسی به نام ویلیام لوئیس در سال 1918 اختراع شد.

اصول

این مدل‏های نظری یک واکنش شیمیایی به عنوان یک برخورد غیر آلاستیک و بی‏نظم از میلیون‏ها مولکول واکنش‏دهنده به صورت همزمان می‏باشد. برخی برخوردها در انرژی‏های درست و در زاویه‏های درست، به منظور شکستن پیوندهای شیمیایی قدیمی و ایجاد پیوندهای شیمیایی جدید اتفاق می‏افتد. شکستن یک پیوند قدیمی نیازمند انرژی از یک برخورد می‏باشد. در حالی که ایجاد یک پیوند جدید، انرژی را در قالب گرما آزاد می‏کند.
این انرژی موجود برای شکستن پیوند قدیمی و تشکیل یک پیوند جدید مورد نیاز می‏باشد که انرژی فعال‏سازی نامیده می‏شود. این انرژی آستانه یا فراتر از آن بوده، که اگر برخوردها رخ دهد، پیوندهای جدید ایجاد می‏شود. با این حال، انرژی‏های مولکول‏ها یکسان نیست و تعداد کمی دارای انرژی به منظور ایجاد یک محصول هستند.
تنها انرژی فعال‏سازی درست برای وقوع فرایند کافی نیست. بسیاری از عوامل وجود دارد که کمک کرده و تعیین کننده‏ی سرنوشت نهایی واکنش شیمیایی می‏باشند. یک مطالعه‏ی سیستماتیک از همه‏ی عوامل گوناگونی که سرعت و نتیجه‏ی یک واکنش شیمیایی را تحت تاثیر قرار می‏دهند، نظریه ی برخورد را تشکیل می‏دهند.

توضیح عوامل نظریه‏ی برخورد

توزیع ماکسول – بولتزمان بعد از این که دو فیزیکدان بزرگی که یک نمودار از انرژی مولکول‏های واکنش دهنده در برابر تعداد مولکول‏هایی دارای آن مقدار انرژی بودند، را کشف کردند، نامیده شد. شما در واقع نمی‏توانید انرژی و همه‏ی مولکول‏های موجود در یک محلول را اندازه‏گیری کنید. این کار از نظر ریاضی به اثبات رسیده و این واقعیت مشاهده شده که هر توزیع تصادفی دارای تعداد زیاد به نظر می‏رسد که توزیع گاوسی باشد. بنابراین، نمودار توزیع انرژی مولکول‏ها یک توزیع گاوسی می‏باشد. اگر شما تصویر این نمودار را مشاهده کنید خواهید دید که زنگوله‏ای شکل با زنگوله‏ای که دارای یک شیب سرعت در سمت چپ بوده که به اوج خود رسیده و سپس این شیب بسیار آهسته کاهش می‏یابد.
در این نمودار، اگر شما انرژی فعال‏سازی را برروی محور x نشان دهید، مشاهده می‏کنید که یک ‏بخش بسیار جزئی از مساحت زیر نمودار دارای انرژی بوده که بالاتر از انرژی فعال‏سازی می‏باشد. این تنها منطقه‏ی مثلثی کوچک در انتهای انرژی نمودار می‏باشد. بنابراین اکثر مولکول‏های واکنش دهنده انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک واکنش احتمالی را ندار.د
نظریه‏ی برخورد، مدل‏های ریاضی را توسعه داده که می‏گوید سرعت واکنش به طور مستقیم متناسب با دما و غلظت می‏باشد. اجازه دهید ببینیم که چطور می‏توان احتمال واکنش مولکول‏های واکنش دهنده را که زیر حد آستانه‏ی انرژی فعال‏سازی است را افزایش داد. این کار می‏تواند توسط مطالعه‏ی هر عامل فردی و اثر آن بر سرعت واکنش انجام شود.

اثر انرژی فعال سازی

همانطور که در بالا ذکر شد، انرژی فعال سازی انرژی بوده که واکنش دهنده باید در جهت واکنش و ایجاد واکنش دهنده‏ها داشته باشد. انرژی فعال سازی تا حد زیادی سرعت یک واکنش و مقدار محصولات ایجاد شده را تعیین می‏کند. این انرژی آستانه توسط انرژی پیوندهای شیمیایی که به منظور شکستن جهت تشکیل پیوندهای جدید مورد نیاز است، تعیین می‏شود.

اثرات دما

یکی از راه‏های افزایش بخشی از مولکول‏هایی که تحت واکنش قرار دارند، عبور از موانع انرژی یعنی حرارت دادن و افزایش دمای محلول واکنش می‏باشد. هنگامی که واکنش دهنده‏ها حرارت می بینند، آن‏ها مرتعش شده و با شدت بیشتری با دیگر مولکول‏های واکنش دهنده برخورد می‏کنند. این سرعت واکنش را افزایش داده و همواره عملکرد بالاتری را ایجاد می‏کند.

اثر غلظت

غلظت به عنوان تعداد مولکول‏های واکنش دهنده‏ها در واحد حجم تعریف می‏شود. بیشتر شدن غلظت واکنش دهنده‏ها به دلیل تعداد زیاد آن‏ها باعث بیشتر شدن احتمال برخورد می‏گردد. افزایش غلظت مولکول‏های واکنش دهنده ممکن است سرعت واکنش شیمیایی را افزایش دهد و یا اینکه افزایش ندهد. این بستگی به واکنش شیمیایی خاص دارد. این واکنش‏ها در نسبت‏های خاصی از واکنش دهنده‏های شیمیایی اتفاق می‏افتد. غلظت بیش از حد ممکن است هیچ تاثیری نداشته باشد، اگر یکی از واکنش دهنده‏ها استفاده شده و واکنش به حد اشباع برسد.

اثر کاتالیزگر

یک راه مبتکرانه به منظوررسیدن به آستانه‏ی انرژی فعال سازی یا تپه ی انرژی وجود دارد. به جای رفتن بر فراز تپه، می‏توانید از طریق آن تونل بزنید. این کار دقیقا همان چیزی است که کاتالیزگرها انجام می‏دهند. کاتالیزگرها مواد شیمیایی هستند که باعث ترویج انجام یک واکنش شیمیایی شده و این کاتالیزگر خودش تا پایان واکنش ثابت باقی می‏ماند. آن‏ها مانند بخشی از یک مکانیزم مونتاژ بوده که به ایجاد محصول نهایی کمک کرده، اما پس از آن خودش از واکنش جدا می‏شود.

اثر فشار

اگر کسی با یک واکنش شیمیایی از جمله واکنش دهنده‏های گازی سروکار داشته باشد، افزایش در فشار باعث تسریع سرعت واکنش می‏شود. فشرده سازی گاز به دلیل افزایش در فشار، به طور خودکار باعث افزایش غلظت گاز می‏شود. این امر باعث می‏شود که احتمال تعامل واکنش دهنده‏های گازی افزایش یابد، که در نهایت سرعت واکنش افزایش می‏یابد.

اثرات زوایای برخورد

نه تنها انرژی، بلکه زاویه‏ی برخورد نیز مهم است. مولکول‏های واکنش دهنده‏ی اتم‏ها باید در سمت راست مولکول دیگر به منظور شکستن پیوندهای شیمیایی جذب شوند. مورفولوژی و غلظت الکترون مراکز مولکول‏ها مهم است. برای شکستن پیوند و تشکیل پیوند دیگر، بخش‏های مناسب دو مولکول باید به یکدیگر برخورد کنند.
همه‏ی این روابط عوامل متعددی هستند که سرعت واکنش شیمیایی را از نظر معادلات ریاضی قطعی فرموله می‏کند. با استفاده از روابط کمی که آن‏ها نشان می‏دهند، می‏توان یک ایده‏ی محکم از سرعت واکنش را توسط دانستن غلظت واکنش دهنده، دما و عوامل دیگر ایجاد کرد. این یک نظریه‏ی تجربی می‏باشد. اما نمی‏تواند هنگامی که پیچیدگی واکنش‏های شیمیایی افزایش می‏یابد، نتایج را به دقت پیش‏بینی کند. نظریه‏ی برخورد مانند بسیاری از نظریه‏های فیزیکی دیگر یک تقریب بوده تا یک حقیقت.