إن تحديد معدل التفاعل الكيميائي هو مهارة أساسية في الكيمياء تمكن العلماء من التنبؤ بما تحدثه التغيرات في التركيزات المتفاعلة من تأثير على سرعة التفاعل، وهذه المعرفة أساسية لفهم آليات التفاعل، وتعظيم العمليات الصناعية، وتصميم التجارب في مجالات تتراوح بين الكيمياء الأحيائية وعلم المواد، غير أن الطلاب بل وحتى الباحثين ذوي الخبرة كثيرا ما يقعون في فخ مشترك عندما تُحدث قوانين معدلا للارتباط، مما يؤدي إلى استخلاص استنتاجات خاطئة.

فهم قانون المعدل

A rate law is a mathematical expression that links the reaction rate to the concentrations of reactants. For a general reaction a]A + ]bB ⁇ products, the rate law is usually written as:

Rate = k [A]]m] [B]n]]

In this equation, k] is the rate constant (which depends on temperature), and ]m and n are the orders of the reaction with respect to A and B, respectively. The overall order is [FLTefficient]

وتأتي قوانين المعدل في شكلين رئيسيين: قوانين المعدلات المتمايزة التي تعبر عن المعدل كوظيفة تركز، وقوانين المعدلات المتكاملة، التي تتصل بالتركيز على الزمن، وفي حين أن كلاهما قيمان، فإن معظم القرارات التجريبية تبدأ في الشكل التفاضلي، باستخدام بيانات الأسعار الأولية لاستخراج الأوامر والمعدل المستمر.

حالات سوء التصرف المشتركة إلى تجنب عند تحديد القوانين ذات المعدل

1- استهلال أوامر الرد من معاملات التخزين

[FL] may not always persistent mistake is the belief that the co-step chemical equt directly give the reaction orders. This error stems from a misunderstanding of the rate law and the molecularity of elementary steps. [the rate2]

2 - إلغاء البيانات الأولية عن المعدلات في مواجهة قياسات التواريخ اللاحقة

ويرتكب العديد من الطلاب خطأ استخدام قياسات الأسعار بعد بدء التفاعل، حيث تكون تركيزات المنتجات كبيرة وقد تتداخل ردود الفعل الجانبية، ويصبح المعدل الأولي المحدد كمعدل حرج في وقت الصفر (أو أقل من الصفر) - هو مقياس نظيف لاعتماد التفاعل على التركيزات المتفاعلة، وفي وقت مبكر من التفاعل، فإن التركيزات المتفاعلة تكون على أعلى قيمها المعروفة، وليس هناك منتج يخلط بين القياسات.

3- عدم التحكم في الفارقات في طريقة المعدلات الأولية

ويعتمد أسلوب المعدلات الأولية على إجراء تجارب متعددة حيث يتفاوت تركيز أحد المتفاعلين بينما يُحتفَظ كل الآخر، والخطأ المشترك هو عدم التحكم بعناية في تركيزات المتفاعلين الآخرين - على سبيل المثال، وتغيير حجم الحل، وتضييق كل شيء دون قصد، وإذا لم يُبقي تركيز الأنواع باء ثابتاً حتى وإن كان متفاوتاً في الفئة ألف، فإن التغير الملحوظ في المعدل لا يمكن أن يعزى إلا إلى التركيزات الدقيقة.

4 - متوسط المعدل المتحقق من معدل Instantaneous (Initial)

وثمة خطأ مفاهيمي آخر متكرر هو استخدام المعدل المتوسط على مدى فترة زمنية كبديل للمعدل الأولي، حيث يُحدث متوسط المعدل (الرمزية)/الرقم) مع اقتطاعات ردود الفعل، لأن المعدل يعتمد على التركيز، والمعدل الأولي، على النقيض من ذلك، هو المعدل الفوري في البداية ذاتها، وهو مستقل عن التغيرات اللاحقة في التركيز، وعندما يحسب الطلاب المعدل المتوسط خلال الدقيقة الأولى ويستخدمون معدل التركيز الأولي، ولا سيما في فترة التركز الأولية.

5 - الوحدات المشرفة وآثارها

(أ) وحدات [م: صفر] [م: صفر] [م: 1] [م: 1] تغيير حسب الترتيب العام للرد، [م: 5]

6 - عدم المحاسبة المتعلقة بالتغيرات في درجة الحرارة

وتتأثر معدلات الحرارة بدرجة عالية من الحرارة، كما وصفها معادلة أرهينيوس، وإذا تغيرت درجة حرارة التفاعل بين التجارب حتى بدرجات قليلة، فإن المعدل الثابت قد يتحول، وقد يُقيد الترتيب الظاهري، ويجرى العديد من الطلاب محاكمات في أيام مختلفة دون رصد درجة الحرارة، ويجرىون دائما جميع التجارب على طريقة المعدلات الأولية بنفس درجة الحرارة، ويستخدمون في المثال طبقة مياه ثابتة من الحرارة().

7 - مرافقة وحدات القانون المتكامل

فالطرق التجريبية التي تستخدم قوانين المعدلات المتكاملة (قطع خطية للتركيز مقابل الوقت المحدد للحصول على طلب صفري، ورقم In[C] مقابل الوقت المحدد لأول مرة، ورقم 1/[C] مقابل الوقت المحدد للنظام الثاني) هي أدوات قوية، ولكنها كثيرا ما تكون غير مطبقة، وخطأ شائع هو جمع البيانات على مدى رد الفعل الكامل، ثم فرض قيود خطية دون التحقق من الآثار المتبقية أو مدى التسلسل البصري().

8 - إغفال أثر المحفزات أو المثبطات

وإذا كان هناك حفاز أو ممانع في خليط الرد (حتى على أنه مشوش)، فإنه يمكن أن يغير قانون المعدل دون استهلاكه، وينسى الطلاب أحياناً أن يحسبوا التركيز الحفاز في قانون المعدل، ولا سيما عندما يكون المحفز جزءاً صريحاً من المعادلة المتوازنة، وبالمثل، يمكن للمعوقات أن تبطئ ردود الفعل وتغير الأوامر الواضحة، وتتحقق دائماً من نظام رد الفعل بالنسبة لأي نوع من الأنواع التي قد تؤثر على المعدل، وتدرجه في المعدل المكتشف.

9 - استخدام المطوات غير الصحيحة في التعبير عن المسابقات

([FT]) عند كتابة قانون المعدل، من الأهمية بمكان تحديد المعدل فيما يتعلق بنوع محدد، ومعدل اختفاء متفاعل ومعدل ظهور منتج ما يرتبطان بعوامل غير متماثلة، مثلاً في الرد 2 ألف وباء، يبلغ معدل الاختفاء مرتين في معدل ظهور B.

10 - إغفال إجراء محاكمات متعددة لإعادة التأهيل

ويمكن أن يكون القياس الوحيد للمعدل الأولي مضللا بسبب أخطاء عشوائية (الخطأ في التقلبات، وأخطاء التوقيت، والتقلبات في درجة الحرارة) وبدون تكرار، لا توجد طريقة لتقييم دقة البيانات، والخطأ المشترك هو إدارة كل حالة تركز مرة واحدة فقط، والحصول على أوامر موثوقة، وإجراء ثلاث محاكمات على الأقل لكل حالة، والإبلاغ عن المعدل الأولي المتوسط، واستخدام الانحراف المعياري لتحديد ما إذا كانت البيانات متسقة بشكل تعسفي.

(ب) تحديد القوانين ذات المعدلات بدقة

ماجستير في طريقة المعدلات الأولية

ولا تزال هذه الطريقة هي معيار الذهب لتحديد الطلبات والمعدل ثابت، وتطبيقه بشكل صحيح:

  • إعداد سلسلة من التجارب التي تتفاوت فيها تركيز واحد فقط في كل مرة
  • قياس المعدل الأولي لكل تجربة باستخدام منحدر التركيز مقابل الوقت الذي يصل فيه إلى صفر (أو على فترات قصيرة جدا).
  • والمعدلات المقارنة: إذا ضاعفت [ألف] المعدل، فإن الترتيب هو 1؛ وإذا كان المعدل يعادل أربعة أضعاف، فإن الترتيب هو 2؛ وإذا ترك المعدل دون تغيير، فإن الترتيب لا يُطلب.
  • وبالنسبة لأكثر من رد فعل واحد، يكررون العملية لإيجاد كل أمر على حدة.
  • استخدام صحيفة أو برمجيات للرسم البياني لتحليل البيانات وحساب الطلبات بدقة.

استخدام الأساليب الفنية في أوامر الصلاحية

وبعد الحصول على أوامر من الأسعار الأولية، تطبيق مخططات قانون المعدل المتكامل للتحقق من الاتساق، وبالنسبة لرد الفعل الأولي المقترح، فإن مؤامرة (منتج) ضد الزمن؛ خط مستقيم يدعم افتراض أول درجة، وبالمثل، بالنسبة للمرسوم الثاني، المؤامرة 1/[المفاعل] ضد الزمن، وإذا كانت القطعة غير خطية، فمن المرجح أن يكون الترتيب المفترض غير صحيح.

Leverage the half —Life Method

وبالنسبة للردات البسيطة، يمكن أن يشير نصف العمر إلى الأمر، وبالنسبة لرد فعل أول من نوعه، فإن نصف العمر ثابت بغض النظر عن التركيز الأولي، وبالنسبة لرد فعل ثاني من نوعه، فإن نصف الحياة متناسبة مع التركيز الأولي، وبالنسبة للنصف من العمر يتناسب بشكل مباشر مع التركيز الأولي، فإن قياس نصف العمر عند تركيزات بداية مختلفة يمكن أن يوفر فحصا سريعا لنتائجك.

استخدام البرمجيات في البيانات المالية

ويمكن لأدوات تحليل البيانات الحديثة (مثل الإكسل أو أوريغين أو بيتون مع شركة سي بي) أن تؤدي تراجعاً غير خطي لتكييف القوانين مباشرة مع البيانات التجريبية، وهذا النهج يتفادى الكثير من المجازف في التخطيط اليدوي والتصوير، ولكن يجب أن تقرروا بعد ذلك نموذجاً (مثل الترتيب الأول والنظام الثاني) يستند إلى شكل البيانات، ولا تسمحوا تلقائياً باستخدام البرمجيات الكيميائية.

Validate with Reproducibility and Error Analysis

إجراء محاكمات متعددة وحساب عدم اليقين في معدلاتكم الأولية، وطلبات الإبلاغ والمعدل ثابت مع الأرقام المناسبة والعلامات الخاطئة، وإذا كان الخطأ في الأمر كبيرا (مثلا 0.8 01.3)، اعتبره أمرا تقريبيا وجمع المزيد من البيانات لصقله، فالوثائق الجيدة للأوضاع التجريبية (التاريخ، الصحة، القوة الأيونية، المذيبة) ضرورية لإعادة إنتاجه.

خاتمة

إن تحديد قانون المعدل هو حجر الزاوية في علم الأحياء الكيميائية، إذ يمكن من خلال الاعتراف بالأخطاء المشتركة وتفاديها، مثل فرض أوامر من المعامِلات، وتضليل بيانات الأسعار الأولية، وإهمال المراقبة المتغيرة، وتضليل الوحدات - الطلاب والباحثون، أن يحسنوا إلى حد كبير موثوقية تحليلاتهم الحركية، ويجمع النهج الأكثر نجاحا بين التصميم التجريبي الدقيق، والاستخدام المنهجي لطريقة الأسعار الأولية، والتأكيد عن طريق مخططات المدروس المدمجة للقانون.