تحفيز

(تم التحويل من التحفيز)
المحفزات غير المتجانسة الصلبة كما في المحولات المحفزة catalytic converter بالسيارة يتم طلاؤهم على بـُنى مصممة للحصول على أقصى مساحة سطحية لهم.
A low-temperature oxidation catalyst used to convert carbon monoxide to less toxic carbon dioxide at room temperature. It can also remove formaldehyde from the air.

التحفيز Catalysis ( /kəˈtælss/)، هو زيادة في معدل التفاعل الكيميائي بسبب مشاركة مادة إضافية تسمى المحفز[1] ( /ˈkætəlst/)، وهي مادة كيميائية تضاف بكميات قليلة للتفاعل الكيميائي بهدف تسريعه دون أن تتغير خواصها الكيميائية[2] بمعنى أنها قادرة على أن تزيد سرعة التفاعل الكيمائي عن طريق خفض طاقة التفاعل أو تنشيطه دون أن يحدث بها تغيير كيميائي دائم.[3] يسمى الحفاز أيضا بالعامل المساعد والمحفز، وهو ذو أهمية في الكيمياء وعلم الأحياء. ويعرف بأنه قادر على تغيير معدل التفاعل تسريعه أو إباطئه دون أن يـُستهلك، أو يحدث به تغير كيميائي. والإنزيمات محفزات تنشط التفاعلات الحيوية.توفر المحفزات طرقا أخرى للتفاعل الكميائي تتميز بطاقة تنشيط منخفضة عن تلك التي يستهلكها التفاعل الغير محفز.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المنظور التقني

التفاعل المحفز هو:

ـ تفكك H2O2 بيروكسيد الهدروجين (الماء الأكسجيني) أكسيد المنغنيز MnO2 (IV)x.

ـ نترتة البنزن حمض الكبريت المركز. ـ اصطناع النشادر بعملية هابر الحديد.

ـ تحويل SO2 إلى SO3 في طريقة التماس في صناعة حمض الكبريت أكسيد الفانديوم V2O5 (V)X.

ـ هدرجة الرابطة المضاعفة النيكل.


المبادئ العامة للتحفيز

التحفيز وتنشيط التفاعل

مخطط طاقة الوضع العام يوضح تأثير عامل مساعد في تفاعل كيميائي مطلق للحرارة افتراضي. وجود العامل المساعد يفتح سبيل تفاعل مختلف (مبين باللون الأحمر) بطاقة تنشيط أقل. النتيجة النهائية والحركية الحرارية العمومية يبقوا كما هم.

وحتى يحدث التفاعل بين المتفاعلات لا يكفي اصطدامها بعضها ببعض فحسب، بل ينبغي إلى جانب ذلك أن تصطدم بحد أدنى من الطاقة يساوي أو يزيد على مقدار محدد يأخذ اسماً خاصاً هو طاقة تنشيط التفاعل Ea.

ويمكن تعيين طاقة التنشيط على مخطط توزع ماكسويل بولتزمان.

المخطط (1).jpg


المخطط (2).jpg


المخطط (3).jpg


وهكذا فإن تلك الجسيمات الممثلة بالمساحة إلى يمين طاقة التنشيط هي فقط التي تتفاعل في الاصطدام. أما القسم الأعظم من الجسيمات فإنها لا تمتلك ما يكفي من الطاقة وسترتد بعد الاصطدام من دون تفاعل.

فلكي تزداد سرعة التفاعل يلزم العمل على زيادة عدد الاصطدامات الناجحة. وإحدى طرائق تحقيق ذلك تقوم على توفير طريقة (آلية) بديلة لحدوث التفاعل ذات طاقة تنشيط أدنى ويمثل ذلك بإزاحة طاقة التنشيط.

تؤدي إضافة الحفّاز إلى توفير مسار بديل للتفاعل، تكون طاقة التنشيط فيه أدنى.

فليس عمل الحفّاز خفض طاقة التنشيط بل توفير مسار بديل للتفاعل بطاقة تنشيط أدنى.

أنواع التحفيز

المحفزات يمكن أن تكون إما غير متجانسة أو متجانسة، حسب ما إذا كان المحفز متواجداً في نفس الحالة مثل substrate. المحفزات الحيوية غالباً ما يـُروا كمجموعة مختلفة.

تحفيز غير متجانس

The microporous molecular structure of the zeolite ZSM-5 is exploited in catalysts used in refineries
Zeolites are extruded as pellets for easy handling in catalytic reactors.

التحفيز غير المتجانس يكون فيه طور المحفز مختلف عن طور المواد المتفاعلة، إذ يمكن أن يكون المحفز صلباً في حين تكون المواد المتفاعلة غازية أو سائلة، يتكون من أكثر من طور.

ـ هدرجة الرابطة المضاعفة −C =C-

لعل أبسط أمثلة هذا التفاعل ذلك الذي يجري في تفاعل الإيتين والهدروجين بوجود حفاز من النيكل.

10743-17.jpg
جزئ ايتين ممتز على سطح النيكل.jpg


جزئ هيدروجين يمتز وينقسم إلى ذرتين.jpg
ذرة هيدروحين تشكل رابطة مع احدى ذرات الكربون.jpg


سطح الوسيط.jpg

[[صورة: سطح الوسيط جاهز لامتزاز مزيد من جزيئات الايتين والهيدروجين.jpg|200px|يمين]]


ولعل هذا التفاعل عديم الجدوى من الناحية العملية، إذ يتحول فيه الإيتين ـ المادة الكبيرة الفائدة ـ إلى الإيتان عديم الفائدة نسبياً، غير أن التفاعل نفسه يحدث مع أي مادة عضوية تحتوي على الرابطة المضاعفة −C =C- [ر: الهدرجة] ولعل من أهم تطبيقات هذا التفاعل هدرجة الزيوت النباتية لصناعة المرغرين.

تمتز في هذا التفاعل جزيئات الإيتين على سطح النيكل إذ تنكسر الرابطة بين ذرات الكربون وتقوم الإلكترونات بربط الذرات بسطح النيكل كما في الشكل (1).

وتمتز على سطح النيكل جزيئات الهدروجين التي تنقسم إلى ذرات يمكنها التجول على سطح النيكل.

وإذا قيض لذرة الهدروجين الانتشار مقتربة من إحدى ذرات الكربون المرتبطة، تنقلب الرابطة بين الكربون إلى رابطة بين الكربون والهدروجين الشكل (3).

وينفلت عندها هذا الطرف من جزيء الإيتين من السطح ويعقب ذلك حدوث الشيء ذاته للطرف الآخر من الجزيء.

وكما في السابق تكوّن إحدى ذرات الهدروجين رابطة مع الكربون مع انفلات هذا الطرف أيضاً من السطح. وهكذا يصبح سطح النيكل جاهزاً من جديد لاستقبال جزيء متفاعِل آخر.

يقوم هذا النوع من الحفازات بتغيير الجزيئات السامة مثل CO وأنواع أكاسيد النتروجين في عوادم السيارات إلى جزيئات غير مؤذية مثل CO2 و N2 وذلك باستخدام حفازات غير متجانسة مثل البلاتين والبالاديوم والروديوم.

ترسَّب هذه المعادن على شكل طبقات رقيقة على حامل من السيراميك مما يجعل مساحة سطح الحفاز أعظمياً وبالتالي استخدام مقدار أصغري منه. ففي تفاعل CO مع أحادي أكسيد النتروجين ـ على سبيل المثال ـ يمتز كل من أحادي أكسيد الكربون وأحادي أكسيد النتروجين ـ كما في المثال السابق ـ على سطح الحفّاز ليتفاعلا متحولين إلى ثنائي أكسيد الكربون CO2 وآزوت (نتروجين) N2.

3 ـ استخدام أكسيد الفاناديوم V2O5 في اصطناع حمض الكبريت بطريقة التماس.

يحوَّل ثنائي أكسيد الكبريت في هذه الطريقة إلى ثلاثي أكسيد بإمرار SO2 والأكسجين على سطح حفّاز من أكسيد الفاناديوم:

10743-21.jpg


ويختلف عمل الحفّاز هنا عنه في الأمثلة السابقة بأن الغازات تتفاعل في الواقع على الحفّاز وتؤدي إلى تغييره مؤقتاً، ويوضح هذا المثال مقدرة المعادن الانتقالية ومركباتها على الحفز بسبب مقدرتها على تغيير حالة أكسدتها. يتأكسد ثنائي أكسيد الكبريت إلى ثلاثي أكسيد الكبريت بوساطة أكسيد الفاناديوم V2O5 ويختَزَل أكسيد الفاناديوم (V) في هذه العملية إلى أكسيد الفاناديوم (I V):

10743-22.jpg


ثمَّ يتأكسد V2O4 بالأكسجين متحولاً إلى V2O5 من جديد.

10743-4.jpg


وهكذا يعود الحفّاز في نهاية التفاعل كيمياوياً إلى الحال التي كان عليها قبل التفاعل.



. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التحفيز المتجانس

يكون الحفّاز في هذا النوع في الطور نفسه الذي توجد فيه المتفاعلات، إذ يكون الجميع إما في طور واحد غازي وإما سائل، ويدرج فيما يلي بعض الأمثلة على هذا النوع من الحفز.

1ـ تفاعل أيون (شاردة) البرسلفات مع أيون اليوديد: وهو مثال على التفاعل الحفزي المتجانس في الطور السائل.

يعد أيون البرسلفات -S2O82 عاملاً مؤكسداً قوياً في حين يعدّ أيون اليوديد - I عاملاً مرجعاً يتأكسد بسهولة بأيون البرسلفات، إلا أن التفاعل يجري في الطور المائي ببطء واضح بين هذين النوعين من الأيونات. ويتضح السبب عند النظر في المعادلة:

10743-8.jpg


إذ يحتاج التفاعل إلى حدوث الاصطدام بين أيونين كلاهما سالب. يستخدم لتسريع هذا التفاعل حفّاز من الحديد (II) أو الحديد (III) يضاف إلى محلول التفاعل. ويدل استخدام الحديد هنا وهو معدن انتقالي على مقدرة هذا النوع من المواد على الوساطة (الحفز) بسبب مقدرتها على تغيير حالة أكسدتها. فإذا استخدم حفّاز من الحديد (II) يقوم أيون البرسلفات بأكسدة الحديد (II) إلى الحديد (III) ويرجَع أيون البرسلفات في هذا التفاعل إلى أيون الكبريتات.

10743-2.jpg


ويعد أيون الحديد (III) مؤكسِداً قوياً يستطيع أكسدة أيون اليوديد إلى اليود، ويرجَع الحديد (III) إلى الحديد (II) مرة ثانية:

10743-3.jpg


وفي كلتا العمليتين يتضمن التفاعل اصطداماً بين أيونات سالبة وأخرى موجبة الأمر الذي يعد أسهل منه في الاصطدام بين أيونين كلاهما سالب في التفاعل من دون حفاز.

ويحدث التفاعل نفسه ـ ولكن بترتيب مختلف ـ عندما يستخدم حفّاز من (Fe(III بدلاً من (Fe(II.

2ـ تخريب أوزون الجو

يعد هذا مثال التفاعلات المؤذية للبيئة إذ توجد المتفاعلات والحفاز والمنتجات جميعاً في طور غازي واحد.

يتكون الأوزون O3 ويتفكك على الدوام في الجو العالي بتأثير الأشعة فوق البنفسجية. تمتص جزيئات الأكسجين العادي الأشعة فوق البنفسجية وتنقسم إلى ذرات الأكسجين التي تمتلك الكترونات عازبة. وتسمى هذه الذرات جذوراً حرة free radicals وتتصف بأنها شديدة الفعالية. وتتحد الآن جذور الأكسجين مع جزيئات الأكسجين العادية مكونة الأوزون.

10743-12.jpg


كذلك يمكن للأوزون أن ينفصم معطياً الأكسجين العادي وجذور الأكسجين وذلك بامتصاصه الأشعة فوق البنفسجية:

10743-11.jpg


ويمضي تكون الأوزون وانفصامه على نحو مستمر، الأمر الذي يسهم في منع قدر كبير من الإشعاع فوق البنفسجي الضار من الوصول إلى سطح الأرض.

ويأتي الإنسان بنشاطاته المتنوعة على سطح الأرض «والمؤذية» في كثير منها ليخرب الأوزون الذي يكون في العادة طبقة جد رقيقة تحيط بالكرة الأرضية. وبالتالي يمنعه من امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. يطلق الإنسان إلى الجو نوعاً من المركبات الكيمياوية المسماة كلورو فلورو كربون (ومثالهاCF2Cl2) التي تستخدم في الحلالات الهوائية (إيروسولات) aerosols ومواد انجماد. تتفكك هذه المركبات ببطء في الجو و تطلق ذرات الكلور، أي جذور الكلور الحرة التي تحفز تخريب الأوزون، ويحدث ذلك وفق مرحلتين: ينقسم في أولاها الأوزون ويتكون جذر حر جديد:

10743-7.jpg


ويعاد تكوين الحفّاز Cl بتفاعل ثانٍ بين الجذر الحر ClO وذرة O التي سبق بيان كيفية تكونها.

10743-9.jpg


ويستمر جذر الكلور في أداء مهمته التخريبية بحيث يمكن لكل جذر كلور أن يخرب بضعة آلاف من جزيئات الأوزون.

3ـ الحفز الذاتي

أكسدة حمض الحمّاض بأيونات فوق المنگنات (المنگنيز هنا بدرجة أكسدة +7).

يُحفَّز التفاعل في هذه الحالة بواحد من منتجاته ولعل أكسدة محلول حمض الحماض بمحلول محمض من منگنات (VII) البوتاسيوم (المعروفة باسم فوق منگنات البوتاسيوم) مثال بسيط على الحفز الذاتي:

10743-1.jpg


يتصف هذا التفاعل بأنه شديد البطء عند درجة الحرارة العادية ويستخدم في المعايرة الحجمية لتعيين تركيز محلول منگنات (VII) البوتاسيوم ويجري عادة عند درجة حرارة قريبة من 60 ْس ومع ذلك فهو تفاعل بطيء ولاسيما في بدايته.

يحفَّز التفاعل بأيونات المنگنير (II) ولأنها ليست موجودة قبل بدء التفاعل لذلك ينطلق بسرعة جد منخفضة عند درجة الحرارة العادية ولكن تركيز أيونات المنگنير (II) يزداد مع استمرار التفاعل مما يدفع به للتسارع. ويمكن تمثيل هذا التأثير برسم تركيز أحد المتفاعلات بدلالة الزمن كما هو مبيَّن في المخطط البياني (4).

المخطط (4).jpg
المخطط (5).jpg


يبدو التفاعل بطيئاً في البدء (تفاعل غير محفَّز) ثمَّ يتسارع التفاعل مع تكون الحفاز (+Mn2) ثمَّ يتباطأ التفاعل لتناقص تراكيز المتفاعلات في النهاية.

ويختلف هذا الشكل عن المخطط البياني (5) الممثل لسرعة التفاعل الاعتياد.[4]

المحفزات الكهربائية

المحفزات العضوية

أهمية التحفيز

left: Partially caramelised cube sugar, right: burning cube sugar with ash as catalyst


تصنيع الطاقة

المواد الكيميائية السائبة

الكيماويات الدقيقة

التصنيع الغذائي

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

علم الأحياء

في البيئة

التاريخ

المستقبلات، السموم والمثيرات

السوق الحالية

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ http://goldbook.iupac.org/C00876.html
  2. ^ الدريس, سعود (2009). المحفزات. مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية: معهد بحوث البترول والصناعات البتروكيميائية. {{cite book}}: Cite has empty unknown parameters: |lay-date=, |subscription=, |nopp=, |last-author-amp=, |name-list-format=, |lay-source=, |registration=, and |lay-summary= (help); Missing |author1= (help)
  3. ^ منظمة الأغذية والزراعة
  4. ^ حسن كلاوي. "الوساطة". الموسوعة العربية.

وصلات خارجية