הרבה גורמים משפיעים על הקצב של תגובות כימיות. הנושא קשור לתחום הקינטיקה הכימית והוא ענף מושך מאוד למחקר, מכיוון שיש ערך כלכלי רב בהאצת תגובות כימיות בתעשייה.
הדבר הראשון צריך להבין שתגובות כימיות דורשות מגע בין האטומים והמולקולות המגיבות. כוחות פיסיקליים כמו הכוח האלקטרומגנטי אמנם משפיעים בעוצמה על פני מרחקים ארוכים יחסית, אבל מאחר שתגובה כימית דורשת מעבר פיזי של אלקטרונים, פרוטונים (במקרה של תגובת חומצה-בסיס) או אפילו של אטומים שלמים ממקום למקום, תוך יצירה ופירוק של קשרים כימיים, חובה שיהיה מגע ישיר בין המגיבים. לכן, כל דבר שמגביר את המגע בין מגיבים בתגובה כימית מעלה גם את הקצב שלה:

לחץ: ככל שהלחץ בין מגיבים גזיים גבוה יותר גבוה, המרחק הממוצע בין המולקולות מצטמצם, מספר ההתנגשויות ביניהן גובר וקצב התגובה גובר1.
ריכוז: ככה שהריכוז גבוה יותר בתגובה בין מומסים, הצפיפות בתמיסה תיגדל, יגדל מספר ההתנגשויות ליחידת זמן וקצב התגובה יעלה.

ערבוב ובחישה: אפילו האמצעי המכני הפשוט הזה מעלה את מספר ההתנגשויות בין המגיבים ומגביר את קצב התגובה. השיטה הפשוטה הזאת נמצאת בשימוש נרחב בכל הסינתזות האורגניות במעבדה ובתעשייה).
טמפרטורה: הטמפרטורה מעלה את מהירות התנועה של אטומים ומולקולות, מגבירה כך את הסיכוי שיתנגשו, ולכן גם את קצב הריאקציה. אבל טמפרטורה עושה יותר מזה: היא מעלה את האנרגיה הממוצעת של כל חלקיק וכך מעלה את מספר ההתנגשויות ה'פוריות' (התנגשויות שמובילות לתגובה). תגובה כימית דורשת תמיד השקעת אנרגיה ראשונית המכונה "אנרגיית שיפעול", שתוציא אל הפועל את השלב הראשון של התגובה – למשל פירוק קשר כימי קיים בתוך מולקולה כדי ליצור מולקולה חדשה. טמפרטורה גבוהה מקנה לכל חלקיק את אנרגיית השיפעול הדרושה ומאיצה את התגובה. למעשה, העלאת טמפרטורה תעלה תמיד את קצב התגובה הכימית1, כך שמדובר באמצעי אגרסיבי ויעיל ביותר.
העלאת שטח הפנים של המגיבים: מאחר שהמגיבים צריכים להיפגש זה עם זה, ככל ששטח הפנים שלהם יותר גדול כך יגדל קצב התגובה. לכן, ככלל, גזים יגיבו מהר יותר מנוזלים, שיגיבו מהר יותר ממוצקים. במוצק – רק השטח החיצוני מגיב, כך שההגעה לתגובה עשויה לארוך אפילו שנים (תחשבו לרגע על גוש ברזל שמחליד באוויר במשך כמה שנים). כדי להאיץ תגובה של מוצקים אפשר להמיס אותם בממס (שמפריד את האטומים/מולקולות/יונים לחלקיקים בודדים) או לטחון אותם לאבקה. אלומיניום, למשל, לא נשרף באוויר, אבל אם טוחנים אותו לאבקה דקה ונושפים אותה על להבה הוא מתלקח מיד באש אדירה – בגלל הגדלת שטח הפנים שלו.
נוסף על השיטות הכלליות הללו להגברת קצב ההתנגשויות, אפשר להשתמש בשיטות ספציפיות יותר אך לא פחות יעילות:
שימוש בזרזים (קטליזטורים): זרזים הם חומרים כימיים שמאפשרים להוציא את התגובה אל הפועל בצורה שדורשת פחות אנרגיית שיפעול, ולכן מעלים את הסיכוי שתגובה תצא אל הפועל.


ציור סכמטי המדגים את השפעת הזרז על אנרגיית השיפעול, בתגובה בין X ו-Y ליצירת החומר Z (התמונות עובדו מתוך ויקיפדיה)

הזרזים עצמם אמנם משתתפים בתגובה אבל לחזורים בסופה למצבם הקודם, כך שבסך הכול הם אינם משתנים במהלך התגובה. שתי דוגמאות:
1) המתכות פלטינה ופלדיום משמשות זרזים לתגובות בין גזים ונמצאות למשל בממיר הקטליטי שבאגזוז המכונית. זה קורה משום שגזים נוטים להיספח אליהם ולעתים להתפרק לאטומים המגיבים אותם, ואז להגיב על פני המתכת ולהשתחרר בחזרה בתור גזים.
2) האנזימים בגוף האדם הם בעצם זרזים בעלי יעילות אדירה, ויכולים להגביר את קצב התגובות הכימיות פי מיליארד ויותר. הם עושים זאת בין היתר בשל היותם מעיין מכונות זעירות, 'ננו-מכונות' שיכולות לתפוס מולקולות ולקרבן זו לזו בדיוק בזווית המתאימה לתגובה, וכך מעלות את יעילות המפגש למאה אחוז. בעוד שבהתנגשויות אקראיות בין מולקולות בתמיסה, למשל, בגלל סטטיסטיקה פשוטה, הסיכוי ששתי מולקולות יתנגשו זו בזו בדיוק בזווית ובמקום שאמור להגיב הוא אפסי. הריבוזום בתא הוא מעיין ננו-מכונה המורכבת מאוסף גדול של חלבונים ואנזימים ומוציאה לפועל את תגובת ייצור החלבונים על פי הקוד של הדנ"א
נוסף על כל אלה, גורם אחד אינו תלוי בגורמים חיצוניים אלא רק באופי המולקולות: מולקולות קטנות יגיבו מהר יותר ממולקולות גדולות, תגובות של מעבר פרוטון מהירות מאוד (תגובות חומצה-בסיס), וכו'.

-----------------------------------------------------

1 אין להתבלבל עם גורמים תרמודינמיים כמו עיקרון לה-שטלייה, שעלולים להסיט את כיוון שיווי המשקל של התגובה בעקבות שינוי לחץ או טמפרטורה. בכל מקרה, שיווי המשקל יושג מהר יותר בלחץ גבוה יותר ובטמפרטורה גבוהה יותר.

שימו לב למידע נוסף על הנושא (שאלת הרחבה) בפורום שבתחתית הדף.

9 תגובות

  • איתי

    שאלה על לחץ

    איך העלאת לחץ של גז אינרטי תשפיע על קצב התגובה?
    למשל בתגובה בין נוזל לגז באוירה של גז שלא משתתף בתגובה

  • אילה

    בחישה וערבוב אינם זהים להגדלת שטח הפנים?

    הרי בחישה וערבוב מאפשרים הגדלה של שטח המגע בין המגיבים, ולפיכך נראה לי הגיוני שהם מהווים דוגמא פרטית להגדלת שטח הפנים של החומרים בתמיסה (על אף שאין כאן שינוי בצורת החומרים עצמם, אלא רק התערבות בהערכות ביניהם).

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא

    לא - זה אמנם דומה אבל לא זהה.
    אם זה היה זהה - אזי לא היתה כל תרומה לערבוב תמיסה, כי הערבוב כבר לא משנה את שטח הפנים של התמיסה, אבל העובדה היא שערבוב כן מגביר קצב תגובה ולכן ראוי להגדירו כגורם נפרד.
    בנוסף - אם נלך לקו ההגדרות הכוללני שהצעת - אז גם הגדלת לחץ והגדלת ריכוז מגדילים את שטח פני המגיבים...

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אילה

    תודה! בתכנית הלימודים של מגמת כימיה

    הגורמים שמשפיעים על קצב התגובה שאותם התלמידים צריכים להכיר הם:
    1. טמפרטורה
    2. ריכוז
    3. שטח פנים
    4. סוג המגיבים / אנרגיית שפעול
    וכן זרזים ולחץ (ראה עמ' 17 במסמך ההלימה http://www.hemda.org.il/download/files/chimya[1].pdf )

    כך שבזכותך נוספו לרשימתי הנקודות שראיתי במאמרך, ולו להעשרת התלמידים מעבר לגורמים המופיעים בתכנית הלימודים.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תוספת

    הי אילה
    יש לנו באתר אוסף מרשים של חומרים שיכולים לעזור לך בהוראה כמו סרטונים, מצגות, אפליקציות ומאמרים. את מוזמנת "לטייל" באתר ולהשתמש בכל מה שאת צריכה. אם יש נושא ספציפי שמעניין אותך תגידי ונשלח לך קישורים לחומרים שיש לנו בו.
    כל טוב
    ארז

  • ליאור

    שאלה בנוגע למאמר

    בכמה זמן הקטאליזטור שנמצא בגרעין התא מזרז את התהליכים הביוכימיים שבתוך מולקולת הדנ"א? שכן במאמר כתוב שהסיכויים להתנגשות עולים ל100% וגם שקצב התגובות הכימיות עולה פי מיליארד, (גם ממוצע של זמן זה טוב).

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    אין קטליזטור בודד בתוך תא, אלא רבים מאוד מאוד (מאות ואולי אפילו אלפים) כך שכמובן אין זמן בודד, כל תגובה כימית לגופה. למשל - הריבוזום בתאים מצליח לחבר חומצות אמינו אחת לשנייה בקצב של 20 לשנייה (אחת כל 0.05 שניות). כאשר אני ביצעתי את התגובה של חיבור 2 חומצות אמינו אחת לשנייה במעבדה כימית בזמן לימודי, עם כל ההגנות וההפעלות שהיה צריך לעשות, זה לקח זמן ברוטו של 8 שעות (שתי מעבדות של 4 שעות כל אחת).

  • תומר

    כיצד למעשה קטליזאטור מוריד את אנרגיית השפעול?

    לא הבנתי את החלק הזה האם את יכול להסביר אותו יותר בפירוט? תודה

  • אבי סאייג.

    תשובה

    אנרגיית השיפעול תלוייה בדרך/במנגנון בו מתרחשת התגובה, צריך להבין שתגובה כימית כמעט אף פעם (ואולי באמת אף פעם) לא מתרחשת בשלב אחד, כפי שהיא נרשמת בצורת משוואת תגובה – אלא התגובה מורכבת ממספר תת תהליכים (לעיתים מעל 10 שלבים) לדוגמא: התנגשות מולקולות, מעבר אנרגיה ממולקולה למולקולה ועירור האלקטרונים לרמה גבוהה יותר, היפרדות המולקולות, שבירת קשר כימי במולקולה המעוררת, התנגשות נוספת בין 2 מולקולות מעוררות, מעבר אלקטרון ביניהם תוך יצירת 2 יונים, מולקולה טעונה חיובית מתנגשת עם מולקולה אחרת ויש ונוצר ביניהם קשר חדש, מעבר מטען בין מולקולה טעונה שלילית למולקולה החדשה וסיום התגובה. חלק מהשלבים דורשים אנרגיה – שמסתכמת באנרגיית השיפעול של התהליך כולו. אבל – מה שחשוב לנו זה רק התוצר הסופי, לא מעניין אותנו באיזה מנגנון הוא נוצר. זרז מאפשר את יצירת התגובה במנגנון אחר לפעמים במנגנון בעל תת-שלבים אחרים לגמרי (למשל מונע כל צורך בהתנגשויות של מולקולות בכדי להעביר אנרגיה כי מפרק קשרים כימיים בעצמו), ולכן גם בעלי תצרוכת אנרגטית אחרת, ואם הזרז טוב – בסה"כ אנרגיית השיפעול יורדת. תחשוב על זה כמו מסע מתל-אביב לאילת, אפשר להגיע באופניים, באוטובוס או במטוס, בכל שלושת המיקרים מגיעים מתל אביב לאילת, אבל מסע באמצעות מטוס הוא המהיר ביותר. מקווה שעכשיו זה יותר ברור. (בכל מקרה, לא פשוט כלל למצוא זרז טוב - שגם מאפשר את יצירת התגובה בנתיב חדש וגם באמת מוריד אנרגיית שיפעול, וגם בנושא זה התעשיות הכימיות משקיעות מיליוני דולרים של מחקר בכל שנה)

    אבי