معنى التفاعل الكيمائي وتصنيفاته يُعنى علم الكيمياء بدراسة خواص المواد و التحولات التي تخضع لها هذه المواد والطاقة التي تمتصها أو تطلقها أثناء حدوث هذه التفاعلات، ويهتم علم الكيمياء أيضًا بدراسة هياكل المواد وتركيبها، سواء أكانت هذه المواد تتكون من عناصر منفردة أو مركبات معقدة، حيث إن جميع المواد المصنعة والطبيعية تتكون من نوع واحد أو خليط من العناصر الكيميائية، وتعد ذرات العناصر الكيميائية هي الجزيئات الأولية لبناء المادة مع أن هذه الذرات تتكون من مكونات أصغر تقع في النطاق دون الذري، ولكن لا يهتم علم الكيمياء بهذا النطاق لأنه يركز على دراسة ذرات العناصر، وفي هذا المقال سيتم التركيز على تصنيف التفاعلات الكيميائية بشكل أوسع.[١]
المحتويات
فروع علم الكيمياء
قبل الحديث عن تصنيف التفاعلات الكيميائية لا بد من الحديث عن فروع علم الكيمياء، فهذه الفروع ترتبط بشكل وثيق في تصنيف التفاعلات الكيميائية المختلفة، وهنالك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تقسيم علم الكيمياء، فقد تشمل فروع علم الكيمياء كلًا من كيمياء البوليمرات والكيمياء الجيولوجية والهندسة الكيميائية، ولكن في ما يأتي سيتم ذكر الأقسام الرئيسة في فروع علم الكيمياء:[٢]
- الكيمياء العضوية:وهي الفرع الذي يهتم بدراسة عنصر الكربون ومركباته، بحيث يعد هذا الفرع دراسةً لكيمياء الحياة.
- الكيمياء غير العضوية:وهي الفرع الذي يهتم بدراسة المركبات التي لا تشملها الكيمياء العضوية، أي المركبات التي لا تحتوي على روابط بين عنصري الكربون والهيدروجين، إذ يهتم هذا الفرع بدراسة المعادن بشكل كبير.
- الكيمياء التحليلية:وهي الفرع الذي يهتم بدراسة كيمياء المواد وكيفية تطوير أدوات جديدة لقياس خواص هذه المواد.
- الكيمياء الفيزيائية:وهي الفرع الذي يطبق مبادئ الفيزياء في دراسة الكيمياء، بحيث يطبق كلًا من مبادئ الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم في العلوم الكيميائية.
- الكيمياء الحيوية:وهي الفرع الذي يهتم بدراسة العمليات الكيميائية التي تحصل داخل الكائنات الحية المختلفة.
أبرز علماء الكيمياء
قبل الحديث عن تصنيف التفاعلات الكيميائية لا بدّ من ذكر أبرز علماء الكيمياء الذين ساهموا في اكتشاف خواص المواد ومبادئ هذا العلم الواسع، فلقد سعى العلماء منذ العصور القديمة إلى تحديد المواد وكيفية استخدامها وتغييرها في البيئة المحيطة بهم، وفي ما يأتي سيتم ذكر بعض أشهر العلماء في هذا المجال علم مر العصور:[٣]
- جابر بن حيان: يعد ابن حيان أبو الكيمياء، فهو أول من استخدم الطرق العلمية في دراسة المواد، ولقد قام بدراسة التقطير والتبلور والتسامي والتبخر، كما قام بوضع نظام تصنيف كيميائي مبكر للمواد المختلفة.
- روبرت بويل: قام بويل بدراسة الغازات، حيث اكتشف العلاقة العكسية بين حجم الغاز وضغطه.
- جوزيف بريستلي: قام بريستلي بدحض فكرة أن الهواء عنصر لا يتجزأ، فقد استطاع عزل الأكسجين وسبعة غازات أخرى من الهواء، كما درس العلاقة المباشرة بين ضغط الغاز ودرجة الحرارة.
- أنطوان لافوازييه: ساعد أنطوان لافوازييه في تطوير النظام المتري لتوحيد الأوزان والمقاييس، كما قام باكتشاف قانون حفظ الكتلة.
- أميديو أفوغادرو: قام أفوغادرو بتوضيح الفرق بين الذرات والجزيئات، ولقد سمي ثابت أفوغادرو على شرف هذا العالم، إذ يطلق هذا الثابت على عدد الجزيئات الثابت الموجود في المول الواحد.
- جون دالتون: وضع دالتون مبادئ النظرية الذرية الأولى للمادة، والتي تنص على أن العناصر مكونة من وحدات صغيرة تدعى الذرات وعلى أن ذرات العنصر الواحد متماثلة، وأن الذرات تندمج أو تفصل أو يعاد ترتيبها في التفاعلات الكيميائية.
- إرنست راذرفورد: أثبت راذرفورد أن الذرة تتألف من منطقة صغيرة موجبة الشحنة تدور حولها جزيئات أصغر حجمًا ذات شحنة سالبة في مدارات خاصة.
- نيلز بور: قام بور بحل قصور نموذج راذرفورد للذرة بالاعتماد على معلومات العالم بلانك، بحيث افترض أن الإلكترونات موجودة في مستويات مختلفة من الطاقة حول النواة، وأن هذه الإلكترونات تشع فوتونات حين تنتقل من مستوى طاقة عالي إلى مستوى طاقة أقل.
- جيمس تشادويك: حصل تشادويك على جائزة نوبل لاكتشافه وجود جزيئات محايدة في نواة الذرة والتي تعرف باسم النيوترونات.
مفهوم التفاعل الكيميائي
قبل الحديث عن تصنيف التفاعلات الكيميائية لا بد من فهم معنى التفاعل الكيميائي، بحيث يعرف التفاعل الكيميائي على أنه تغير كيميائي يؤدي إلى تشكيل مواد جديدة، ويمكن تمثيل التفاعل الكيميائي بمعادلة كيميائية تشير إلى أعداد ذرات العناصر وأنواعها وتنظيمها على شكل جزيئات أو أيونات، بحيث يتم كتابة رموز المواد المتفاعلة على الطرف الأيسر، بينما تكتب رموز المواد الناتجة على الطرف الأيمن من المعادلة، ويفصل بين هذين الطرفين سهم أحادي الاتجاه أو مزدوجًا بالاعتماد على نوع التفاعل، بحيث يشير السهم المزدوج إلى التفاعلات العكسية، كما من الممكن أن توضع رموز حالة المادة في أقواس بجانب رموز العناصر أو المركبات، وفيما يأتي مثال على التفاعلات الكيميائية والذي يمثل تفاعل ذرات الحديد Fe مع ذرات الكبريت S لإنتاج كبريتيد الحديد:[٤]
8Fe + S8 → 8FeS
مع أنّ التفاعلات الكيميائية تعتمد بشكل رئيس على الذرات إلا أنه عادةً ما تشارك الإلكترونات فقط في تشكيل الروابط الكيميائية وتكسيرها أثناء التفاعلات الكيميائية، كما تكون خصائص المواد المتفاعلة مختلفةً عن خصائص المواد الناتجة، وهنالك عدد من العوامل التي تؤثر على سرعة التفاعلات الكيميائية، وهي كالآتي:[٤]
- تركيز المواد المتفاعلة.
- مساحة سطح التفاعل.
- درجة الحرارة.
- الضغط.
- وجود المحفزات.
- وجود الضوء وبخاصة الأشعة فوق البنفسجية.
- طاقة التفاعل.
أسباب حدوث التفاعلات الكيميائية
قبل الحديث عن تصنيف التفاعلات الكيميائية لا بد من معرفة الأسباب المؤدية إلى حدوث التفاعلات الكيميائية المختلفة، إذ تحدث هذه التفاعلات في كل مكان في الطبيعة، كما تعد إحدى الضروريات التي تقوم عليها الحياة، وفي ما يأتي سيتم ذكر أهم الأسباب المؤدية لحدوث التفاعلات الكيميائية:[٥]
- التصادمات: إذ تزداد احتمالية حدوث التفاعلات الكيميائية عند اصطدام جزيئين بالتوجيه الصحيح والقوة الكافية، ولكن لا تعد هذه التصادمات كافية لحدوث التفاعل، إذ يجب أن تمتلك المواد المتصادمة القدرة على الارتباط مع بعضها البعض، فلا يستطيع الهيليوم مثلًا التفاعل مع الغازات الأخرى إذا اصطدم بها، لأن المدار الخارجي لذرات الهيليوم ممتلئ بالإلكترونات.
- الإنتروبيا: تعد الإنتروبيا مقياسًا للاضطراب داخل نظام ما، إذ ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الإنتروبيا لنظام مغلق ما لا يمكن أن تقل، فإذا زاد تفاعل ما من قيمة الإنتروبيا فإن هذا التفاعل سيكون تلقائيًا.
- حالة التوازن: مع أن بعض التفاعلات تكون تلقائيةً إلا أن هذا لا يعني أنه هذه التفاعلات ستحدث بسرعة، إذ يمكن أن تصل هذه التفاعلات إلى حالة من الاتزان، بحيث تلاحظ هذه الحالة عند حدوث تفاعلين معاكسين بسرعة متساوية، فبالتالي لن تزداد كمية المواد الناتجة والمتفاعلة.
تصنيف التفاعلات الكيميائية
يختلف تصنيف التفاعلات الكيميائية باختلاف طريقة النظر إلى التفاعلات، فمن الممكن أن تصنف حسب نوع المواد الناتجة أو حسب نوع المواد المتفاعلة أو حسب نتائج التفاعل أو حسب آلية التفاعل، وفي ما يأتي سيتم ذكر أنواع التفاعلات التابعة للتصنيفات المختلفة:[٦]
- تصنيف التفاعلات الكيميائية وفقًا لنوعية المواد الناتجة
- تفاعلات تكوين الغاز: حيث تقوم العديد من التفاعلات بإنتاج أنواع مختلفة من الغازات في المواد الناتجة كغاز ثاني أكسيد الكربون وغاز كبريتيد الهيدروجين وغاز الأمونيا وغاز ثاني أكسيد الكبريت.
- تفاعلات الترسيب: حيث تنتج بعض التفاعلات مركبات غير قابلة للذوبان في النهاية، وقد يحصل هذا الأمر عند خلط أيونات موجبة الشحنة مع أيونات سالبة الشحنة في التفاعلات الكيميائية.
- تصنيف التفاعلات الكيميائية وفقًا لنوعية المواد المتفاعلة
- تفاعلات الأكسدة والاختزال بحيث يحدث هذا النوع من التفاعلات بين عامل اختزال وعامل مؤكسد بحيث ينتقل إلكترون واحد أو أكثر من ذرات عامل الاختزال إلى ذرات العامل المؤكسد.
- تفاعلات الحموض والقواعد: تحدث هذه التفاعلات بين حمض وقاعدة، بحيث قام العالم جيلبرت لويس بتعريف القاعدة على أنها المادة التي تفقد زوجًا من الإلكترونات، بينما عرف الحمض على أنه المادة التي تكتسب هذا الزوج.
- تصنيف التفاعلات الكيميائية وفقًا لنتائج التفاعل
- تفاعلات التحلل: تتطلب هذه التفاعلات طاقة لبدأ التفاعل، بحيث يتم فيها تكسير المركبات الكيميائية إلى مركبات أبسط.
- تفاعلات الاستبدال والحذف والإضافة: يتم استبدال ذرة أو مجموعة من الذرات بذرة أو مجموعة أخرى في تفاعلات الاستبدال، بينما تحدث تفاعلات الحذف عند إزالة ذرة أو مجموعة من الذرات من مركب ما، أما بالنسبة لتفاعلات الإضافة فهي عكس تفاعلات الحذف.
- تفاعلات البلمرة: تحدث هذه التفاعلات عن طريق ربط الجزيئات الصغيرة معًا لتشكل مركبات ذات وزن جزيئي مرتفع.
- تفاعلات الذوبان والتحليل المائي: تحصل تفاعلات الذوبان حين يكون المذيب أحد المواد المتفاعلة، ففي تفاعلات التحليل المائي يكون الماء مذيبًا ومادةً متفاعلةً في الوقت ذاته.
- تصنيف التفاعلات الكيميائية وفقًا لنوعية المواد الناتجة
- التفاعلات المتسلسلة: تحدث هذه التفاعلات حين تدخل نواتج التفاعل الأول في التفاعل الذي يليه، بحيث تستمر هذه السلسلة حتى الخطوة النهائية.
- تفاعلات التحلل الضوئي: تبدأ هذه التفاعلات أو تستمر بالاعتماد على امتصاص الأشعة الكهرومغناطيسية، إذ يعد تحلل الأوزون إلى أكسجين أحد الأمثلة على هذه التفاعلات.
من الممكن تصنيف التفاعلات الكيميائية أيضًا إلى خمسة أنواع رئيسة وهي: تفاعلات الحموض والقواعد، تفاعلات الأكسدة والاختزال، تفاعلات الاستبدال، تفاعلات التوليف أو التكوين وتفاعلات التحلل أو التفكك، بحيث سيتم الحديث عن جميع هذه التفاعلات بالتفصيل في الفقرات الآتية.[٧]
تفاعلات الحموض والقواعد
تنتمي تفاعلات الحموض والقواعد إلى تصنيف التفاعلات الكيميائية الأساسية، حيث يحدث هذا النوع من التفاعلات بين الحموض والقواعد المختلفة لتنتج الماء وأحد الأملاح، ومن الممكن أن تستخدم هذه التفاعلات في تحديد قيمة الرقم الهيدروجيني، ولقد قام عدد من العلماء بتعريف الحموض والقواعد على مر العصور، فقد قام كل من أرهينوس وبرونستد ولوري ولويس بتقديم تعاريف مختلفة للحموض والقواعد، وهنالك ثلاثة حالات لتفاعلات الحموض والقواعد وهي كالآتي:[٨]
- تفاعل كمي: يحصل بين حمض قوي وقاعدة قوية، ففي المثال الآتي لا تكون أيونات الكلور Cl وأيونات الصوديوم Na موضع التركيز في التفاعل، بل تكون أيونات الهيدروجين H وأيونات الهيدروكسيد هي أساس التفاعل بحيث تتفاعل معًا لتنتج الماء، بينما يتكون ملح كلوريد الصوديوم كناتج ثانوي.
HCl + NaOH→ H2O + NaCl
- تفاعل غير كمي: يحدث عند تفاعل حمض قوي مع قاعدة ضعيفة أو عند تفاعل قاعدة قوية مع حمض ضعيف بسبب إنتاج محلول منظم في كلتا الحالتين.
- تفاعل توازن: يحدث عند تفاعل حمض ضعيف مع قاعدة ضعيفة بحيث يكون التفاعل منعكسًا وله ثابت توازن يرمز له بالرمز K.
تفاعلات الأكسدة والاختزال
تنتمي تفاعلات الأكسدة والاختزال إلى تصنيف التفاعلات الكيميائية الأساسية، بحيث يستخدم هذا النوع من التفاعلات في تخزين الطاقة داخل البطاريات وفي معالجة الصور الفوتوغرافية وفي إنتاج الطاقة داخل الأنظمة الحيوية المختلفة، وفي السابق كانت تفاعلات الأكسدة والاختزال مرتبطةً بذرات الأكسجين، ولكن فيما بعد تم تعريف عملية الاختزال على أنها العملية التي تكسب فيها الذرة إلكترونًا وبالتالي تقل موجبية هذه الذرة عن طريق التقليل من قيمة عدد التأكسد، بينما تم تعريف الأكسدة على أنها العملية التي تفقد فيه الذرة إلكترونًا وبالتالي تزاد موجبية هذه الذرة عن طريق زيادة قيمة عدد التأكسد، وفي ما يأتي معادلات تبين مفهوم تفاعلات الأكسدة والاختزال، بحيث يرمز Fe إلى الحديد، ويرمز Ce إلى السيريوم، ويرمز e إلى الإلكترونات المتبادلة، بينما ترمز الأرقام المرتفعة إلى أعداد التأكسد:[٩]
- تفاعل الأكسدة والاختزال: Fe+2 + Ce+4 → Fe+3 + Ce+3
- نصف تفاعل الأكسدة: Fe+2 → e– + Fe+3
- نصف تفاعل الاختزال: Ce+4 + e– → Ce+3
تفاعلات الاستبدال
تنتمي تفاعلات الاستبدال إلى تصنيف التفاعلات الكيميائية الأساسية، إذ تقسم تفاعلات الاستبدال إلى تفاعلات استبدال أحادي وتفاعلات استبدال ثنائي، ويشير اسم كل منهما إلى عدد العناصر التي يتم استبدالها في التفاعل الواحد، حيث يتم استبدال عنصر واحد بآخر في تفاعلات الاستبدال الأحادي، بينما يتم استبدال عنصرين في تفاعلات الاستبدال الثنائي، وفي ما يأتي سيتم ذكر بعض الأمثلة على أنواع الاستبدال:[٧]
- تفاعلات الاستبدال الأحادي:
- استبدال المعادن.
- استبدال الهيدروجين.
- استبدال الهالوجينات.
- تفاعلات الاستبدال الثنائي:
- تفاعلات الترسيب.
- تفاعلات إنتاج الغازات.
- تفاعلات إنتاج المركبات الجزيئية.
تفاعلات التوليف وتفاعلات التفكك
تنتمي تفاعلات التوليف إلى تصنيف التفاعلات الكيميائية الأساسية، إذ يتم دمج مادتين أو أكثر معًا لتكوين مادة واحدة جديدة، ومن أشهر الأمثلة على تفاعلات التوليف والتي تحدث بكثرة هي تفاعلات عنصر الأكسجين لتكوين الأكاسيد، إذ تتفاعل كل من المعادن واللافلزات بسهولة مع الأكسجين في معظم الظروف، فيتفاعل معدن المغنيسيوم Mg مع غاز الأكسجين O2 لينتج أكسيد المغنيسيوم وفقًا للمعادلة الآتية:[٧]
2Mg +O2 → 2MgO
تنتمي تفاعلات التفكك أيضًا إلى تصنيف التفاعلات الكيميائية الأساسية، إذ تحدث هذه التفاعلات عندما ينقسم مركب ما إلى مادتين أو أكثر، وتتطلب معظم التفاعلات التي تنتمي إلى هذا النوع طاقةً سواء أكانت على شكل حرارة أو ضوء أو كهرباء، وتعد المركبات الثنائية هي أبسط أشكال المركبات التي تخضع لتفاعلات التفكك، فعند تسخين أكسيد الزئبق 2HgO فإنه يتفكك إلى الزئبق وغاز الأكسجين وفقًا للمعادلة الآتية:[٧]
2HgO → 2Hg+O2
