ما هو معدل التفاعل؟
معدل التفاعل في الكيمياء هو عبارة عن السرعة التي يتقدم بها التفاعل الكيميائي. غالبًا ما يتم التعبير عنها من حيث التركيز (الكمية لكل وحدة حجم) لمنتج يتكون في وحدة زمنية، أو تركيز مادة متفاعلة يتم استهلاكها في وحدة زمنية. بدلاً من ذلك، يمكن تعريفه من حيث كميات المواد المتفاعلة المستهلكة أو المنتجات المتكونة في وحدة زمنية.
كما أن سرعة التفاعلات الكيميائية تختلف إلى حد كبير، نظراً لأنها تعتمد على طبيعة المواد المتفاعلة ونوع التحول الكيميائي ودرجة الحرارة وعوامل أخرى. بشكل عام، تحدث التفاعلات التي تتحد فيها الذرات أو الأيونات (الجسيمات المشحونة كهربائيًا) بسرعة كبيرة، في حين أنّ التفاعلات التي تنكسر فيها الروابط التساهمية (الروابط التي تشترك فيها الذرات مع الإلكترونات) تكون أبطأ بكثير.
إلى جانب ذلك فقد تعتمد سرعة التفاعل على درجة الحرارة والضغط وكميات المواد المتفاعلة الموجودة، فإذا انخفضت أ] منها فستنخفض سرعة التفاعل، وعادةً ما تتباطأ التفاعلات مع مرور الوقت بسبب استنفاد المواد المتفاعلة. في بعض الحالات، تؤدي إضافة مادة ليست مادة متفاعلة في حد ذاتها، تسمى محفزًا إلى تسريع التفاعل. ثابت المعدل، أو ثابت المعدل المحدد هو ثابت التناسب في المعادلة التي تعبر عن العلاقة بين معدل التفاعل الكيميائي وتركيزات المواد المتفاعلة. كما يشكل قياس التفاعلات وتفسيرها فرع الكيمياء المعروف باسم الحركية الكيميائية.
ما هي العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل؟
تختلف معدلات التفاعل من سريع جدًا (انفجارات) إلى بطيء جدًا (مثل التآكل). تتأثر معدلات التفاعل بما يلي:
- درجة الحرارة: القاعدة التقريبية هي أنّ زيادة 20 درجة مئوية تضاعف معدل التفاعل.
- الضغط: تؤدي الضغوط العالية إلى زيادة معدلات التفاعل.
- الطاقة المنبعثة من التفاعل.
- الاتساق المادي للمواد: يتفاعل المسحوق الناعم أسرع من المسحوق الخشن (على سبيل المثال الأسمنت سريع التصلب مطحون ناعماً).
- وجود محفز: هذه مادة لا يستهلكها التفاعل، لكنّها تجعلها تتقدم بشكل أسرع.
يتم تقديم معدلات التفاعل إمّا كنماذج من الدرجة الأولى أو في شكل تقريب خطي متعدد الفواصل لبيانات القياس، وفي حالة الخواص الحركية المعتمدة على فاصل التركيز بعد كل خطوة زمنية لكل خلية، يتم تعيين الثابت الحركي الذي يتوافق مع فاصل التركيز المحلي للخلية.
تمّ تفضيل هذا النهج من أجل تعميم معالجة الخواص الحركية غير الخطية أو الميكانيكية غير المفهومة جيدًا. يتم تعيين الثوابت الحركية المطبقة بناءً على تركيزات المستوى الزمني. وفي حالة الخوارزميات الحركية متعددة الفواصل التي من المحتمل أن تسمح بعدد كبير من (Courant)، يتم تقييدها بخطوات صغيرة تقابل التحكم الواضح في الثوابت الحركية.
كيف يمكن التعبير عن معدل التفاعل؟
يمكن التعبير عن معدلات التفاعل باستخدام قواعد قياس مختلفة. وفي هندسة العمليات الحيوية، هناك ثلاث طرق متميزة للتعبير عن معدل التفاعل التي يمكن تطبيقها في مواقف مختلفة وهي:
- المعدل الإجمالي: يتم تحديد معدل التفاعل الكلي ويتم التعبير عنها إما بالكتلة أو المولات لكل وحدة زمنية. المعدل الإجمالي مفيد لتحديد ناتج مفاعل أو مصنع تصنيع معين. وغالبًا ما يتم التعبير عن معدلات الإنتاج للمصانع كمعدلات إجمالية؛ على سبيل المثال: “معدل الإنتاج 100000 طن في السنة”. وإذا تمّ بناء مفاعلات إضافية بحيث يتم زيادة حجم التفاعل في المصنع، فمن الواضح أنّ معدل التفاعل الإجمالي سيزداد. وبالمثل، إذا تمّ أيضًا زيادة كمية الخلايا أو الإنزيم المستخدم في كل مفاعل، فسيتم تحسين معدل الإنتاج الإجمالي بشكل أكبر.
- المعدل الحجمي: نظرًا لأنّ الكتلة الكلية للمادة المتفاعلة المحولة في خليط التفاعل تعتمد على حجم النظام، فمن الملائم غالبًا تحديد معدل التفاعل كمعدل لكل وحدة حجم، وهي وحدات المعدل الحجمي. حيث يتم استخدام معدل التفاعل المعبر عنه على أساس الحجم لحساب الاختلافات في الحجم بين أنظمة التفاعل.
معدل محدد: التفاعلات البيولوجية تنطوي على محفزات الإنزيم والخلايا. نظرًا لأنّ المعدل الإجمالي للتحويل يعتمد على كمية المحفز الموجود، فمن المفيد أحيانًا تحديد معدل التفاعل كمعدل لكل كمية من الإنزيم أو الخلايا المشاركة في التفاعل.
من ناحية أخرى، نادرًا ما تُعرف كتلة إنزيم معين مضاف إلى التفاعل؛ تحتوي معظم مستحضرات الإنزيم التجارية على عدة مكونات بنسب غير معروفة ومتغيرة اعتمادًا على الدُفعة التي تم الحصول عليها من الشركة المصنعة. وللتغلب على هذه الصعوبات، غالبًا ما يتم التعبير عن كمية الإنزيم كوحدات نشاط مقاسة في ظل ظروف محددة.
عادةً ما تؤخذ وحدة واحدة من الإنزيم على أنّها الكمية التي تحفز تحويل 1 ميكرولتر من الركيزة في الدقيقة عند درجة الحرارة المثلى ودرجة الحموضة وتركيز الركيزة.
لا تعد المعدلات الحجمية والإجمالية انعكاسًا مباشرًا لأداء المحفز؛ يتم تمثيل هذا من خلال المعدل المحدد. كما يتم استخدام معدلات محددة عند مقارنة الأنزيمات أو الخلايا المختلفة. وفي معظم الحالات، لا يعتمد المعدل المحدد على حجم النظام أو كمية المحفز الموجود.
بعض الحذر ضروري عند تفسير النتائج لمعدل التفاعل. على سبيل المثال: إذا تمّ إجراء عمليتي تخمير باستخدام خطوط خلوية مختلفة، وكان معدل التفاعل الحجمي أكبر في التخمير الأول منه في الثانية، فلا يجب أن تقفز إلى استنتاج مفاده أنّ خط الخلية في التجربة الأولى “أفضل” ، أو قادرة على زيادة نشاط التمثيل الغذائي.
قد يكون السبب في أنّ المعدل الحجمي الأسرع يرجع إلى أنّ المخمر الأول يتم تشغيله بكثافة خلية أعلى من الثانية، ممّا يؤدي إلى قياس معدل أسرع لكل وحدة حجم. كما يجب مقارنة السلالات المختلفة من الكائن الحي من حيث معدلات تفاعلها المحددة، وليس من حيث المعدل الحجمي أو الإجمالي.
الإنتاجية الكلية والحجمية والمحددة هي مفاهيم مترابطة في تصميم العملية. على سبيل المثال :يمكن تحقيق إنتاجية إجمالية عالية باستخدام محفز ذي نشاط نوعي منخفض إذا تمّ تحميل المفاعل بتركيز محفز مرتفع. وإذا لم يكن ذلك ممكنًا، فستكون الإنتاجية الحجمية منخفضة نسبيًا، وستكون هناك حاجة إلى مفاعل أكبر لتحقيق الإنتاجية الإجمالية المطلوبة.
ما هي علاقة نظرية الاصطدام بمعدل التفاعل؟
في حين أنّ معدلات التفاعل تجريبية بطبيعتها، فإنّ نظرية الاصطدام توفر وسيلة لتقدير معدل التفاعل. تؤدي نظرية الاصطدام إلى اعتماد معدل التفاعل الصحيح على التركيزات ودرجة الحرارة. استنادًا إلى نظرية الاصطدام، تكون معظم التفاعلات القابلة للتطبيق ثنائية الجزيء. كما أن التفاعلات مع أكثر من ثلاثة جزيئات غير مواتية. لذلك، عادةً ما يشتمل التفاعل الأولي على ثلاثة جزيئات أو أقل على جانبي التفاعل.
يمكن فصل التفاعلات غير الأولية إلى خطوات تفاعل أولية أو مسارات تفاعل. يمكن تحليل نظام التفاعل الذي يشكل تفاعلًا غير أولي كما لو كان المرء يتعامل مع نظام تفاعل متعدد. في العديد من المناسبات، نجد أنّ تبسيط التفاعل غير الأولي ضروري. حيث تكون بعض خطوات التفاعل أسرع من الأخرى، أو أنّ بعض أو كل من وسيطة التفاعل موجودة في نظام التفاعل بكمية ضئيلة فقط.
