الدرس الأول: المفاهيم الأساسية وتصنيف التحولات

قبل الغوص في الحسابات والمنحنيات، يجب أن نمتلك أساسًا صلبًا.

1. تذكير بالأكسدة والإرجاع

هي تفاعلات يتم فيها انتقال للإلكترونات. فهمها ضروري لكتابة المعادلات بشكل صحيح.

• الأكسدة: عملية فقدان إلكترونات. النوع الكيميائي الذي يفقدها يسمى المُرجع. $\text{Red} \rightarrow \text{Ox} + n e^-$
• الإرجاع: عملية اكتساب إلكترونات. النوع الكيميائي الذي يكتسبها يسمى المُؤكسد. $\text{Ox} + n e^- \rightarrow \text{Red}$
• الثنائية (مؤكسد/مرجع): نكتبها دائمًا بالشكل $\text{Ox/Red}$.

الفكرة الجوهرية: لا تحدث أكسدة بدون إرجاع مرافق لها. الإلكترونات التي يفقدها المرجع يكتسبها المؤكسد في نفس الوقت.

2. تصنيف التحولات حسب مدتها الزمنية

هذا هو قلب وحدتنا: دراسة التفاعلات التي نستطيع قياس تطورها.

• تحول سريع: يحدث في مدة زمنية قصيرة جدًا (أقل من ثانية)، بحيث لا يمكن متابعته بأجهزة القياس العادية. مثال: تفاعلات المعايرة، تفاعلات الترسيب.
• تحول بطيء: يستغرق من عدة ثوانٍ إلى عدة ساعات. هذا هو محور اهتمامنا، لأنه يمنحنا الوقت الكافي لقياس تطوره.
• تحول بطيء جدًا: يستغرق أيامًا أو شهورًا أو سنوات. مثال: تشكل الصدأ.

3. جدول التقدم

هو الأداة المحاسبية للكيميائي. يسمح لنا بمعرفة كميات المادة في أي لحظة. للتفاعل: $aA + bB \rightarrow cC + dD$

حالة الجملة	التقدم (x)	$n(A)$	$n(B)$	$n(C)$	$n(D)$
الابتدائية	$x=0$	$n_A$	$n_B$	$0$	$0$
الانتقالية	$x(t)$	$n_A - ax$	$n_B - bx$	$cx$	$dx$
النهائية	$x_f$	$n_A - ax_f$	$n_B - bx_f$	$cx_f$	$dx_f$

• المتفاعل المحد: هو الذي ينتهي أولاً ويحدد التقدم النهائي $x_f$. لإيجاده، نحسب التقدم الأعظمي $x_{max}$ بافتراض أن كل متفاعل هو المحد. القيمة الأصغر لـ $x_{max}$ هي الصحيحة، والمتفاعل الموافق لها هو المحد.

---

الدرس الثاني: طرق المتابعة الزمنية

كيف نحصل على البيانات اللازمة لرسم المنحنيات؟ عن طريق قياس خاصية فيزيائية تتغير مع الزمن.

أ) المتابعة عن طريق قياس الناقلية

• متى؟ عندما يكون التفاعل في محلول يحتوي على شوارد، وعددها أو نوعها يتغير.
• المبدأ: المحلول الشاردي ينقل الكهرباء. ناقليته $\sigma$ (سيغما) تتعلق بتراكيز الشوارد $[X_i]$ بالعلاقة: $\sigma = \sum \lambda_i [X_i]$ حيث $\lambda_i$ هي الناقلية المولية الشاردية لكل شاردة. بما أن تراكيز الشوارد تتغير مع التقدم $x(t)$، فإن قياس $\sigma$ يسمح بمتابعة التفاعل.

ب) المتابعة عن طريق قياس ضغط أو حجم غاز

• متى؟ عندما ينتج عن التفاعل غاز أو يستهلك فيه غاز.
• المبدأ: كمية مادة الغاز $n*{gaz}$ مرتبطة بالتقدم $x$. باستخدام قانون الغازات المثالية، يمكننا ربطها بالضغط والحجم: $P \cdot V = n*{gaz} \cdot R \cdot T$ بقياس تغير الحجم $V$ (عند ضغط ثابت) أو تغير الضغط $P$ (عند حجم ثابت)، يمكننا تحديد $n_{gaz}$ وبالتالي معرفة $x(t)$.

ج) المتابعة عن طريق المعايرة اللونية

• متى؟ عندما يكون أحد المتفاعلات أو النواتج ملونًا (مثل اليود $I_2$ أو شوارد البرمنغنات $MnO_4^-$).
• المبدأ: نقوم بأخذ عينات من المزيج التفاعلي في لحظات زمنية مختلفة، نوقف التفاعل فيها (بالتبريد أو التمديد)، ثم نعاير النوع الكيميائي المطلوب بتفاعل معايرة سريع ومعروف.
• النتيجة: من خلال المعايرة، نحدد تركيز النوع الكيميائي في كل لحظة، ومنه نستنتج تطور التقدم $x(t)$.

---

الدرس الثالث: سرعة التفاعل

بعد أن جمعنا البيانات ورسمنا المنحنى $x = f(t)$، حان الوقت لتحليل مدى “سرعة” هذا التطور.

منحنى تطور التقدم $x(t)$

غالبًا ما يتبع تطور التقدم $x$ بمرور الزمن $t$ منحنى أسيًا يتزايد حتى يصل إلى قيمة نهائية $x_f$. يمكن نمذجة هذا التطور بدالة رياضية مثل: $x(t) = x_f \cdot (1 - e^{-k \cdot t})$ حيث $k$ هو ثابت يتعلق بسرعة التفاعل.

شاهد مثالاً تفاعليًا: لنفترض أن التقدم النهائي هو $x_f = 0.8 \text{ mol}$ وثابت السرعة $k=0.05$. يمكننا رسم المنحنى الموافق.

1. السرعة الحجمية للتفاعل

هي مقياس لتغير التقدم في وحدة الحجم. تعريفها يعطى بالعلاقة: $v(t) = \frac{1}{V} \cdot \frac{dx}{dt}$

• $V$: الحجم الكلي للمزيج التفاعلي (متر مكعب $m^3$ أو لتر $L$).
• $\frac{dx}{dt}$: هو ميل المماس للمنحنى $x=f(t)$ عند اللحظة $t$.

كيف تتطور السرعة؟ كما تلاحظ من المنحنى أعلاه، يكون الميل (الانحدار) أعظميًا في بداية التفاعل ($t=0$)، ثم يتناقص تدريجيًا حتى ينعدم عندما يصبح المنحنى أفقيًا.

2. زمن نصف التفاعل $t_{1/2}$

هو مؤشر زمني هام جدًا يميز كل تفاعل.

• التعريف: هو المدة الزمنية اللازمة لوصول التقدم إلى نصف قيمته النهائية.
• العلاقة: عند $t = t_{1/2}$، يكون التقدم: $x(t_{1/2}) = \frac{x_f}{2}$
• كيف نجده بيانياً؟
  1. حدد قيمة التقدم النهائي $x_f$ من المنحنى (حيث يستقر).
  2. احسب قيمة $\frac{x_f}{2}$.
  3. ابحث عن هذه القيمة على محور التراتيب (محور التقدم).
  4. قم بإسقاط أفقي من هذه القيمة نحو المنحنى، ثم إسقاط عمودي نحو محور الفواصل (محور الزمن) لتجد $t_{1/2}$.

---

الدرس الرابع: العوامل الحركية وتفسيرها المجهري

لماذا بعض التفاعلات أسرع من غيرها؟ وكيف يمكننا التحكم في سرعتها؟ هذا هو دور العوامل الحركية.

1. درجة الحرارة

• التأثير: زيادة درجة الحرارة تزيد من سرعة التفاعل.
• التفسير المجهري: عند رفع الحرارة، تزداد الطاقة الحركية للجسيمات (جزيئات، شوارد). هذا يؤدي إلى:
  1. زيادة عدد التصادمات الكلية في الثانية.
  2. الأهم: زيادة عدد التصادمات الفعّالة، وهي التصادمات التي تملك طاقة كافية لكسر الروابط وتشكيل النواتج.

2. التراكيز الابتدائية للمتفاعلات

• التأثير: زيادة التراكيز الابتدائية للمتفاعلات تزيد من سرعة التفاعل.
• التفسير المجهري: عندما يكون التركيز مرتفعًا، تكون الجسيمات أقرب إلى بعضها البعض. هذا يزيد من تواتر (تكرار) التصادمات، وبالتالي يزيد من عدد التصادمات الفعّالة ويزيد السرعة.

3. الوسيط

• التعريف: نوع كيميائي يُسرّع التفاعل دون أن يظهر في معادلة التفاعل الإجمالية، ودون أن يُستهلك.
• دوره: لا يغير من الحالة النهائية ($x_f$ يبقى نفسه)، لكنه يوفر مسارًا بديلاً للتفاعل يتطلب طاقة تنشيط أقل.
• بيانياً: في وجود وسيط، يصل المنحنى إلى نفس الارتفاع النهائي $x_f$، ولكن بشكل أسرع (يكون زمن نصف التفاعل $t_{1/2}$ أقل).