לכל תגובה כימית יש קצב מעבר שבו מגיבים הופכים לתוצרים. הקצב מושפע מפרמטרים כמו טמפרטורה, לחץ ונפח. ביישומון שלפנינו נלמד על קצבי תגובות, שיווי משקל, אנרגיית השפעול ועוד. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
לפני שנתחיל לשחק ביישומון, אני ממליץ לכם לצפות בסרטונים: שיווי משקל כימי, הקשר הכימי, זירוז תגובות כימיות ומה גורם לתגובות כימיות להתרחש? כמו כן אני ממליץ לכם לצפות במצגות "כוח הכימיה" העוסקות בקשר הכימי ובקינטיקה ותרמודינמיקה ובמצגת אנרגיה.
כעת בואו נדון בכמה מושגי יסוד:
תגובה כימית: מפגש בין שתי מולקולות שגורם ליצירת מולקולה שלישית על ידי יצירה או שבירה של קשרים כימיים במולקולות.
שיווי משקל כימי: מצב שבו קצבי התגובה קדימה ואחורה קבועים, כך שריכוז התוצרים והמגיבים אינו משתנה לאורך זמן כל עוד התנאים לא משתנים. שיווי המשקל הזה מתואר על ידי משוואת לה-שטלייה.
אנרגיית שפעול: נקראת גם אנרגיית אקטיבציה. האנרגיה המינימלית הדרושה ליצירת תוצרים מהמגיבים.
מחסום אנרגטי: מצב שבו תגובה כימית אינה מתרחשת באופן ספונטני בתנאים התחלתיים מסוימים משום שאין במערכת מספיק אנרגיה.
כעת בואו נתחיל לשחק. היישומון מחולק לשלושה חלקים, שהראשון מביניהם עוסק בהתנגשות יחידה, כלומר שתי מולקולות שמתנגשות זו בזו במרחב ונוצרת ביניהן תגובה כימית. פיתחו בו את תצוגת האנרגיה ותצוגת ההפרדה. בחלון השמאלי מופיעה מולקולה ומתחתיה מעין מזרק. כשנמתח את המזרק ונשחרר אותו תיפלט ממנו מולקולה שתפגע במולקולה הראשונה. נסו לשחרר את המולקולה בעוצמות שונות (משיכה ארוכה או קצרה בבוכנה). מה קורה למולקולות? שימו לב מה קורה בתצוגת האנרגיה כשאתם מושכים את הבוכנה.
כעת נסו למצוא את הנקודה שאליה צריך למשוך את הבוכנה כדי ליצור תגובה. שימו לב שהקו הירוק מייצג את האנרגיה במערכת ושהגבעה מייצגת את המחסום האנרגטי.
עכשיו נסו למשוך את הבוכנה חלש מדי ואז העלו את הטמפרטורה. מה קורה? מדוע לדעתכם? מה קורה כשמחליפים את המולקולה המוזנקת (מצד שמאל)? מדוע לדעתכם?
שנו את התגובה (בצד ימין) ושימו לב שתצוגות האנרגיה שונות. נסו לראות אם המסקנות שאליהן הגעתם בחלק הקודם מתקיימות גם בתגובות אחרות. נסו גם לירות את המולקולה בזוויות ובעוצמות שונות וצפו במתרחש.
ראינו עד כה את הקשר בין האנרגיה שבמערכת, המחסום האנרגטי ויצירת תגובה כימית והסתכלנו על מערכת עם שתי מולקולות. בחלק השני ניכנס למערכת עם מולקלות רבות ונראה איך המצב הזה משפיע על התגובה.
תחילה בחרו באפשרויות "טבלה – עמודות" (צד ימין) ובתצוגת אנרגיה (אם היא איננה פתוחה כבר). כעת התחילו להכניס למערכת מולקולות של שני המגיבים. אם האנרגיה הכללית אינה גבוהה מספיק (הקו הירוק בגרף) תעלו את הטמפרטורה בתא באמצעות שינוי הטמפרטורה ההתחלתית או הטמפרטורה בתא . שימו לב שבניגוד לחלק הקודם, התנועה כאן איננה ישרה אלא זוויתית ולכן לא כל התנגשות גורמת ליצירת תגובה כימית. (מדוע?)
כעת, כאשר נוצרות תגובות כימיות, שימו לב לגרף העמודות מימין. ראו שתוצרים נוצרים אך גם נעלמים. מדוע זה קורה לדעתכם? אפסו את המערכת, החדירו תוצרים לתא והעלו את הטמפרטורה. מה קורה עכשיו? מדוע לדעתכם? איך המחסום האנרגטי בא כאן לידי ביטוי? גם כאן נסו לשחק עם תגובות אחרות וראו איך משפיע כל שינוי במחסום האנרטי.
החלק השלישי דומה מאוד לשני, פרט לזה שהפעם יש לכם שליטה גם על כמות המולקולות שנמצאת בתא, דבר שמאפשר לכם לראות איך נוצר שיווי משקל בתגובה.
סמנו את האפשרויות "טבלה – קו" ותצוגת אנרגיה (אם היא איננה פתוחה כבר). נסו לשחק בכמויות ובתגובות וראו כמה זמן דרוש לתגובה כדי להגיע לשיווי משקל (אין כמעט שינוי בכמות התוצרים והמגיבים לאורך זמן). שימו לב בתצוגה הקווית שכאשר יש שני מגיבים עם אותה כמות של מולקולות, הקווים שלהם מתמזגים ונדמה כאילו יש רק קו אחד. אפשר לפתור את הבעיה על ידי הכנסה לא סימטרית של מולקולות, כך שתמיד יהיו עודפי מגיבים ותוצרים.
אחרי שהגעתם לשיווי משקל, האם שינוי הטמפרטורה משפיע על שיווי המשקל? איך? האם הוספת מגיבים או תוצרים משפיעה על שיווי המשקל? איך? מדוע לדעתכם?
ביישומון הזה שיחקנו קצת עם תגובות כימיות בסיסיות ולמדנו בעזרתן על היווצרות שיווי משקל ועל אנרגיית שפעול וקצבי תגובה. אתם מוזמנים לשאול שאלות ולכתוב תגובות על תוצאות מעניינות שקיבלתם, ואיך אתם מפרשים אותן.
שאלה לדיון מדעי: כאשר אנחנו מריצים תגובה לאורך זמן אנו רואים שאף על פי שהמערכת נמצאת לכאורה בשיווי משקל, עדיין יש שינויים קלים בתוצרים ובמגיבים. מדוע?
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
