تحفيز

ملف:CatalysisScheme.png

شكل يبين أن العامل المساعد Catalyst يعمل على تنشيط التفاعل الكيميائي ، فبدلا من عبور التفاعل تل الطاقة العالي (أسود ، من اليسار إلى اليمين ) فهو يعبر في وجود المحفز تل طاقة أصغر (أحمر). delta G هي طاقة جيبس الحرة.

التحفيز أو العامل المساعد في الكيمياء وعلم الأحياء هو قدرة بعض المواد، التي تسمى محفزات، على تغيير معدل التفاعل تسريعه أو إباطئه دون أن تـُستهلك ، أو يحدث بها تغير كيميائي. وتعتبر الإنزيمات عاملا مساعدا (محفزات) على تنشيط التفاعلات الحيوية في الأحياء.

توفر المحفزات Catalyst طرقا أخرى للتفاعل الكميائي تتميز بطاقة تنشيط منخفضة عن تلك التي يستهلكها التفاعل الغير محفز. من أهم المواد المحفزة في الكيمياء عنصر الكادميوم.

ومثال ذلك زيادة سرعة تفكك كلورات البوتاسيوم بالحرارة عن طريق إضافة المحفز ثاني أكسيد المنجنيز إلى الكلورات . ويتبقى ثاني أكسيد المنجنيز كما هو في نهاية التفاعل. وعندما يؤدي المحفز إلى إعاقة التفاعل الكيميائي يطلق عليه "حافز سلبي" (بالإنجليزية: Negative Catalyst)

يتصف المحفز الإيجابي بعدة صفات أهمها:

1. ان يبقى المحفز دون تغيير في نهاية التفاعل الكيميائي.
2. تـُحدث كمية صغيرة من المحفز تغير كبيراً في معدل التفاعل الكيميائي.
3. لا يحدث المحفز أي تغير في حالة التوازن الكيميائي ,ولكنه يزيد من سرعة الوصول إلى حالة التوازن.
4. تتناسب سرعة التفاعل إلى حد ما مع كمية المحفز المستخدم في بعض الحالات.
5. كل محفز له فعل نوعي "Specific" ويعني هذا أن المحفز الذي يصلح لتفاعل معين قد لا يكون له أي تأثير على تفاعل أخر.

وتنقسم تفاعلات التحفيز إلى قسمين هما:

1. . االتحفيز المتجانس (بالإنجليزية: Homogeneous Catalysis)

وهو يتكون من طور واحد (صلب أو سائل أو غاز).

2. التحفيز غير المتجانس (بالإنجليزية: Heterogeneous Catalysis) ويتكون من أكثر من طور .

طريقة عمل المحفز

تنبع طريقة عمل المحفز من إمكانيته لتغيير سير التفاعل بحيث تخفض طاقة التنشيط اللازمة السير التفاعل. يسير التفاعل عادة هكذا : لا بد وأن تعبر المواد المتفاعلة تل الكمون الكيميائي لكي تتحد وتنتقل من اليسار إلى اليمين مكونة المركب Z . ويعمل المحفز على خفض طاقة الكمون الكيميائي (وتسمى أحيانا طاقة تنشيط) فيسهل التفاعل.

ملف:Potential energy profile-Catalysis DE.svg

تل الطاقة بين الجزيئات المتفاعلة في وجود المحفز (أحمر) ، وبدون المحفز (أسود).

ويعتمد الكمون الكيميائي على عدة عوامل منها القوى الرابطة بين الذرات في الجزيئ الناتج .

فيجري التفاعل أولا بارتباط المحفز بأحد المواد المتفاعلة مكونا مركبا وسطيا ، ثم يسلمه إلى المادة الثانية الداخلة في التفاعل فينشا جزيئ المادة الناتجة . وينفصل المحفز ليعمل من جديد . يوضح المنحنى الأحمر في الشكل كيف يخفض المحفز الكمون الكيميائي فيسهل التفاعل.

يسير التفاعل بين المادتين A و B على المنوال الآتي:

$\mathrm{A}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{\to }\mathrm{A}\mathrm{B}$

تبلغ طاقة التنشيط في حالة عدم وجود المحفز $E_{\mathrm{u}}$ ويوضح المنحنى الأحمر مسار تل الطاقة باستخدام المحفز ، حيث يسير التفاعل عبر مركب وسطي . $\mathrm{K}\mathrm{A}$ :

$\mathrm{K}\mathrm{+}\mathrm{A}\mathrm{\to }\mathrm{K}\mathrm{A}$

ويتكون المركب الناتج AB عند النهاية الصغرى الحمراء ، ثم ينفصل المحفز K ثانيا :

$\mathrm{K}\mathrm{A}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{\to }\mathrm{K}\mathrm{+}\mathrm{A}\mathrm{B}$

وكما نرى نجد أن طاقة التنشيط $E_{\mathrm{k}}$ في تلك الحالة أقل.

ونأخذ مثال احتراق الهيدروجين باتحاده مع الأكسجين ليتكون الماء. هذا التفاعل تفاعل مناسب من وجهة الترموديناميكا حيث أن الطاقة الكلية للناتج ABأقل من مجموع الطاقتين الداخليتين للهيدروجين و الأكسجين . فكان من المنتظر أن يسير التفاعل من نفسه ، ولكن بسبب لزوم طاقة التنشيط (تل طاقة) عند درجة حرارة الغرفة يمتنع بدء التفاعل (يحتاج الهيدروجين والاكسجين لطاقة تنشيط مساوية للتغلب على تل الكمون الكيميائي ، بذلك يسير التفاعل و ينتج الماء) . وفي وجود محفز من البلاتين تنخفض طاقة التنشيط مما يساعد على سير التفاعل في درجات حرارة منخفضة مثل درجة حرارة الغرفة . من ضمن استخدامات المحفزات تنقية عادم السيارة .

مع ملاحظة أن المحفز لا يغير من التوازن الكيميائي للتفاعل ، حيث يكون تأثير المحفز متساويا في اتجاهي التفاعل (أتجاه التفاعل و التفاعل العكسي)، ولكن فاعلية المحفز هي أن يصل النظام إلى حالة التوازن بطريقة أسرع .

استخدام المحفز في السيارة

ملف:Pot catalytique vue de la structure.jpg

محفز سيارة لتنقية العادم من الغازات الضارة.

ويظهر تأثير المحفزات كثيرا في الطبيعة . ففي الكائنات الحية تسير معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية مثل التنفس و التمثيل الضوئي أو انتاج الطاقة من الغذاء يدخل فيها عمل محفزات . وتتكون المحفزات في الكائنات الحية من بروتينات خاصة و إنزيمات.

ونظرا لأن المحفزات تخفض من طاقة التنشيط اللازمة للتفاعلات الكيميائية فهي تطبق كثيرا في الصناعة . ويجرى نحو 80 % من التفاعلات الكيميائية في الصناعة باستخدام المحفزات . وبدون المحفزات لاستغرقت التفاعلات الكيميائية أزمنة طويلة وقد لا تتم عل الإطلاق .

وفي حالة انتاج نواتج متعددة من خلال استخدام محفزات فيعمل الكيميائيون على اختيار نوع المحفز المناسب للتفاعل ، ويلعب هذا الاختيار دورا رئيسيا في عملية الانتاج . ويختار المحفز عل أساس قدرته على تسريع التفاعل المرغوب ، في نفس الوقت يجب تلافي منتجات غير مرغوب فيها أو أن توجد بنسب مهملة.

ومن وجهة حماية البيئة فغن الاختيار السليم لنوع المحفز يعمل على خفض الطاقة المستهلكة ، وخفض كميات المواد الغير مرغوب فيها . ومن ضمن ذلك تنقية غازات العادم الصادرة من الصناعة وفي إنتاج الطاقة الكهربائية.

كما تطبق المحفزات لتنقية عادم السيارة ، حيث تمنع وجود مواد ضارة وتحويلها إلى مواد أقل ضررا.

ملف:Heterogeneous cat.JPG

قطعة بلاتينية من محفز سيارة .

مثـــــال:

في محفز السيارة يتفاعل الغاز السام أول أكسيد الكربون (CO) ومركبات كربوهيدرات غير محترقة مع أكاسيد النتروجين NO_x و الأكسجين (O₂) وتنتج ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وهو غير سام (ثاني أكسيد الكربون غاز خانق) ، و نتروجين و ماء (H₂O). وبذلك ينقي المحفز الغازات الضارة من عادم السيارة . وتستخدم في السيارات محفزات مصنوعة من البلاتين .

اقرأ أيضا

• تركيز
• معدل التفاعل
• ثابت معدل التفاعل
• توازن ترموديناميكي
• توازن دينامي
• مول
• جزء مولي
• كتلة مولية
• نظام حركة حرارية
• قانون فاعلية الكتلة
• درجة التفاعل

bg:Катализа bs:Katalizator ca:Catalitzador cs:Katalyzátor cy:Catalysis da:Katalysator (kemi) de:Katalysator el:Κατάλυση Catalysis]] eo:Katalizilo es:Catálisis et:Katalüsaator fa:کاتالیزور fi:Katalyytti fr:Catalyse gl:Catalizador he:זרז hi:उत्प्रेरण hr:Katalizator ht:Katalizè hu:Katalizátor hy:Կատալիզատոր ia:Catalysator id:Katalis io:Katalizo is:Hvati it:Catalizzatore ja:触媒 kn:ವೇಗವರ್ಧನೆ ko:촉매 lt:Katalizatorius lv:Katalizators mk:Катализатор ms:Pemangkinan nl:Katalysator nn:Katalysator no:Katalysator nov:Katalise oc:Catalisador pl:Katalizator pt:Catalisador qu:Katalisachaq ro:Catalizator ru:Катализатор sh:Katalizator simple:Catalysis sk:Katalyzátor (chémia) sl:Katalizator sq:Katalizatori sr:Катализатор stq:Katalysator su:Katalis sv:Katalysator ta:வினைவேகமாற்றி te:ఉత్ప్రేరకాలు th:ตัวเร่งปฏิกิริยา tr:Kataliz uk:Каталізатор zh:催化剂