شارح الدرس: العوامل الحفَّازة العلوم • الصف الثالث الإعدادي

في هذا الشارح سوف نتعلَّم كيف نَصِف ونفسِّر تأثير العوامل الحفَّازة، ومنها الإنزيمات، على معدَّل التفاعلات الكيميائية.

العوامل الحفَّازة هي المواد التي يمكن أن تسرِّع أو تبطِّئ التفاعلات الكيميائية. ويمكنها فعل ذلك دون أن تُستهلَك أو تتغيَّر كيميائيًّا، أثناء تحوُّل المتفاعِلات إلى نواتج. فيظل لديها نفس البنية والخواص قبل التفاعل الكيميائي وبعده. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن لسطح عامل حفَّاز فلزي أن يسرِّع تفاعلًا ما، بجعل المواد تتحد معًا لتشكِّل جزيئات الناتج.

يمكن أن تسرِّع العوامل الحفَّازة التفاعلات الكيميائية؛ لأن لها القدرة على تغيير كيفية تحويل المتفاعِلات إلى نواتج. يمكن جعل المتفاعِلات الكيميائية تتفاعل بطاقة أقل في وجود العامل الحفَّاز المناسب. يمكن للعوامل الحفَّازة أن تجعل التفاعلات الكيميائية تحدث بسهولة عن طريق ارتباطها بجزيئات المتفاعِلات أثناء التفاعل الكيميائي. وينفصل العامل الحفَّاز عن جزيئات المتفاعِلات عندما تتحوَّل إلى نواتج.

يظل لدى العوامل الحفَّازة، نفس الخواص الكيميائية قبل أي تفاعل كيميائي وبعده. يستخدم معظم الكيميائيين كمية صغيرة نسبيًّا من مادة العامل الحفَّاز لتغيير معدل التفاعل؛ لأن سطح العامل الحفَّاز نفسه يمكن استخدامه أكثر من مرة دون أن يُستهلَك. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن استخدام سطح العامل الحفَّاز لإسراع تفاعل بين الجزيئات الخضراء والصفراء.

الإنزيمات عوامل حفَّازة حيوية تُصَنَّع تقريبًا داخل كل نوع من أنواع الخلايا. تكون الإنزيمات عادةً بروتينات كبيرة ذات شكل معقَّد. وهي تحفِّز الكثير من التفاعلات المهمة. بعض الإنزيمات تجعل الجزيئات الطويلة تتكسَّر إلى جزيئات صغيرة بمعدل سريع جدًّا. بعض الإنزيمات الأخرى تجعل الجزيئات الصغيرة تتفاعل معًا وتشكِّل جزيئات أكبر بمعدل سريع جدًّا. توضِّح الصورة الآتية كيف يستطيع الإنزيم أن يكسِّر جزيئات النشا الطويلة سريعًا إلى وحدات سكر أصغر.

العوامل الحفَّازة الموجبة هي المواد التي لديها القدرة على تسريع التفاعل الكيميائي. يمكن إضافة هذه العوامل الحفَّازة الموجبة إلى خليط التفاعل لجعل التفاعل الكيميائي يحدث بشكل أسرع. العوامل الحفَّازة السالبة هي المواد التي لديها القدرة على إبطاء أو تثبيط التفاعل الكيميائي. يمكن إضافة هذه العوامل الحفَّازة السالبة إلى خليط التفاعل لجعل التفاعل الكيميائي يحدث بسرعة أقل.

توضِّح الصورة الآتية كيف يتغيَّر مُعدَّل التفاعل الكيميائي إذا أُضيفت العوامل الحفَّازة الموجبة والسالبة إلى خليط التفاعل. يوضِّح الخط الأخضر كيف تتحوَّل المتفاعِلات إلى نواتج، عندما لا تكون مرتبطة بعامل حفَّاز. ويوضِّح الخط الأزرق كيف تتحوَّل المتفاعِلات نفسها إلى نواتج، عندما تكون مرتبطة بعامل حفَّاز موجب. ويوضِّح الخط الأحمر كيف تتحوَّل المتفاعِلات إلى نواتج عندما تكون مرتبطة بعامل حفَّاز سالب. تتغيَّر كمية الناتج المُنتَجة في كل ثانية تغيُّرًا ملحوظًا إذا حدث التفاعل في وجود عامل حفَّاز.

يمكن استخدام مخططات مستوى الطاقة لفهم السبب الذي يجعل العوامل الحفَّازة تجعل التفاعلات الكيميائية تحدث أسرع. توضِّح الصورة الآتية أنه يجب إضافة حدٍّ أدنى من الطاقة إلى المتفاعِلات لجعلها تتفاعل معًا وتتحوَّل إلى جزيئات النواتج. يُغيِّر العامل الحفَّاز الحد الأدنى من الطاقة التي يجب إضافتها إلى جزيئات المتفاعِل لجعلها تتفاعل وتنتج جزيئات الناتج. كمية الطاقة اللازمة لإحداث التفاعل الكيميائي تكون أقل إذا حدث التفاعل في وجود العامل الحفَّاز.

مثال ٥: تحديد كيف يؤثِّر العامل الحفَّاز على طاقة تفاعل كيميائي

يوضِّح المُخطَّط الآتي الطاقة اللازمة لحدوث تفاعُل كيميائي. كيف يؤثر العامل الحفاز الموجب على هذه الطاقة؟

1. يجعلها تزيد.
2. لن يؤثِّر عليها.
3. يجعلها تقل.

الحل

توضِّح الصورة أنه يجب إضافة كمية معيَّنة من الطاقة إلى المتفاعِلات لجعلها تخضع لتفاعل كيميائي. يمثِّل السهم الأحمر ذو الاتجاهين كمية الطاقة التي يجب إضافتها إلى المتفاعِلات لتحويلها إلى جزيئات الناتج. يمكن أن يقلِّل العامل الحفَّاز طول هذا السهم. فيُمكن أن يغيِّر العامل الحفَّاز سير عملية التفاعل؛ بحيث تتطلَّب طاقة أقل لتحويل المتفاعِلات إلى نواتج. يمكن استخدام هذا السبب لتحديد أن الخيار (ج) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

يمكن فهم تأثير العوامل الحفَّازة الموجبة باستخدام بعض التجارب البسيطة. يمكن استخدام أدوات معملية بسيطة لتوضيح أن جزيئات بيروكسيد الهيدروجين تتفكَّك أسرع في وجود العامل الحفَّاز المناسب.

توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن لطالب استخدام أدوات معملية بسيطة نسبيًّا لفهم كيف يمكن للعامل الحفَّاز ثاني أكسيد المنجنيز () أن يُسرِّع من تفكيك سائل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وغاز الأكسجين.

خطوات: تحديد كيف يؤثِّر العامل الحفَّاز ثاني أكسيد المنجنيز على تفكُّك جزيئات بيروكسيد الهيدروجين

الشكل الآتي يوضِّح الإعداد لهذا التفاعل.

خطوات إجراء هذه التجربة كالآتي:

1. علِّق أنبوبَي اختبار متماثلين على حاملين بماسِكَيْن.
2. املأ أنبوبَي الاختبار بمقدار ١٠ سم^٣ من سائل بيروكسيد الهيدروجين.
3. أضِفْ كمية صغيرة من مسحوق ثاني أكسيد المنجنيز إلى أحد أنبوبَي الاختبار.
4. لاحِظ أنبوبَي الاختبار لتحديد العيِّنة التي تُطلِق فقَّاعات الأكسجين بمعدل أسرع.

يجب أن توضِّح التجربة أن بيروكسيد الهيدروجين يتفكَّك أسرع في وجود العامل الحفَّاز ثاني أكسيد المنجنيز. يعمل مسحوق ثاني أكسيد المنجنيز باعتباره عاملًا حفَّازًا موجبًا في هذه التجربة، وهو يجعل جزيئات بيروكسيد الهيدروجين المتفاعلة تتكسَّر أسرع.

ويمكن أيضًا خلط بيروكسيد الهيدروجين مع البطاطا الحلوة لجعل جزيئات بيروكسيد الهيدروجين تتفكَّك أسرع. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن لطالب استخدام مجموعة مختلفة تمامًا من الأدوات المعملية لتوضيح كيف تعمل الإنزيمات الطبيعية على تسريع تفكُّك جزيئات بيروكسيد الهيدروجين.

خطوات: تحديد كيف تؤثِّر قطعة من البطاطا الحلوة على تفكُّك جزيئات بيروكسيد الهيدروجين

الشكل الآتي يوضِّح الإعداد لهذا التفاعل.

خطوات إجراء هذه التجربة كالآتي:

1. املأ كأسين زجاجيتين متماثلتين بمقدار ٣٠٠ سم^٣ من سائل بيروكسيد الهيدروجين.
2. اقطع قطعة صغيرة من البطاطا الحلوة وأَضِفها إلى إحدى الكأسين.
3. لاحِظ الكأسين لتحديد العيِّنة التي تُطلِق فقاعات الأكسجين بمعدل أسرع.

يجب على الطلاب أن يلاحظوا ظهور الكثير من فقاعات الغاز (الأكسجين) عند حافة عيِّنة البطاطا الحلوة. تعمل البطاطا الحلوة باعتبارها عاملًا حفَّازا موجبًا في هذه التجربة؛ لأنها تجعل جزيئات بيروكسيد الهيدروجين تتحوَّل إلى جزيئات ناتج غازية بسرعة أكبر. يمكن أن تُسرِّع البطاطا الحلوة عملية تفكُّك جزيئات بيروكسيد الهيدروجين؛ لأنها تحتوي على تركيز عالٍ نسبيًّا من إنزيم الأكسيديز.

استخدم الكيميائيون العوامل الحفَّازة الفلزية على مدار العقود الأخيرة لتسريع تفكُّك الملوِّثات الغازية، وتحويلها إلى نواتج أقل سمية. معظم السيارات التي أُنتجت أثناء ثمانينيات القرن العشرين وبعدها صُمِّمت لتكون مزوَّدة بمحوِّلات حفزية. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن استخدام المحوِّلات الحفزية لتسريع تفكُّك الملوِّثات الغازية وتحويلها إلى نواتج أقل ضررًا مثل جزيئات الماء والنيتروجين.

تحتوي المحوِّلات الحفزية على بِنًى كبيرة تشبه قرص العسل مصنوعة من فلزات حفزية مثل البلاتين. تحتوي هذه البِنى التي تُشبه قرص العسل على مساحات سطح كبيرة جدًّا، ويمكن أن تتفاعل المحوِّلات الحفزية مع العديد من الغازات الضارة قبل أن تُطرَد من محرِّك السيارة عبر مخرج العادم.

يَستخدِم البشر العوامل الحفَّازة كل يوم لتحضير جميع أنواع المواد الكيميائية المختلفة، ولتحسين جميع أنواع التفاعلات الكيميائية المهمة. لدى معظم الناس وفرة من إنزيم اللاكتيز، وهو الإنزيم المسئول عن تسريع تفكُّك سكريات اللاكتوز، لكن بعض الأشخاص لا يتحمَّلون اللاكتوز، وعادةً ما تُضَاف إنزيمات اللاكتيز إلى اللبن لتسهيل هضمه.

تُضاف الإنزيمات أيضًا إلى المنظفات المستخدَمة في غسيل الملابس وغسالات الأطباق لجعلها أكثر فاعليةً في تكسير البقايا الدهنية والقاذورات. وكذلك يستخدم الطهاة العوامل الحفَّازة لتعزيز تفاعل ميلارد وجعل قشرة فطيرة البريتزل ذات لون بني فاتح للشهية بصورة أكبر. بل إن عوامل حفَّازة جديدة أُضيفت إلى أشياء مثل النوافذ لمنحها القدرة على تكسير القاذورات والتنظيف الذاتي.