شارح الدرس: العوامل الحفَّازة الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نوضِّح تأثير العوامل الحفَّازة على معدَّل التفاعُل.

إن العديد من التفاعُلات في المجال الصناعي، حتى في خلايا الكائنات الحية، كانت ستحدث ببطء شديد، ولن تكون مُفيدة دون شيء يَزيد من سرعتها. لذلك يَستخدِم مصنِّعو المواد الكيميائية عادة العوامل الحفَّازة لتسريع معدَّل التفاعُلات، وتَستخدِم خلايا الكائنات الحية العوامل الحفَّازة الحيوية التي تُسمَّى الإنزيمات لفعل الشيء نفسه. العامل الحفَّاز مادة تَزيد من معدَّل التفاعُل الكيميائي، لكنها نفسها لا تتغيَّر كيميائيًّا في نهاية التفاعُل.

ولكي يَحدث تفاعُل كيميائي، يجب أولًا أن تصطدم جسيمات المتفاعِلات بعضها ببعض. في بعض الأحيان، حتى عندما تصطدم الجسيمات، قد لا يَنتُج عن الاصطدام تفاعُل كيميائي. على سبيل المثال، لا يتفاعَل غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين تلقائيًّا في ظلِّ الظروف العادية عندما تصطدم جسيماتهما:

لا يتفاعَل غاز وغاز في ظلِّ الظروف العادية؛ لأن الجسيمات يجب أن تصطدم في وجود كمية من الطاقة تكفي للتفاعُل، وهذا لا يحدث في ظلِّ الظروف العادية. فهما بحاجةٍ إلى حدٍّ أدنى من الطاقة لكي يحدث التفاعُل. هذا الحدُّ الأدنى من الطاقة اللازمة لكي تتفاعَل الجسيمات بعضها مع بعض عند تصادمها يُسمَّى طاقة التنشيط.

وإذا اصطدمتِ الجسيمات في وجود كمية كافية من الطاقة وفي الاتجاه الصحيح، فستتكسَّر الروابط في المتفاعِلات، وستتكوَّن روابط جديدة لإنتاج الناتج، وهو الأمونيا. وهذا تفاعُل انعكاسي. التغيُّر في الإنثالبي () في التفاعُل الأمامي سالب؛ لذلك فالتفاعُل الأمامي طاردٌ للحرارة:

طاقة التنشيط اللازمة لتفاعُل الغازين ، مرتفعة؛ لذلك لحثِّ تفاعُل الغازين ، ، يجب توفير الكثير من الطاقة. ويُمكن تحقيق ذلك عن طريق تسخين نظام التفاعُل بدرجة كبيرة، أو عن طريق زيادة ضغطه، أو عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة من خلال إضافة عامل حفَّاز مناسب.

وفي مجال الصناعة، يُستخدَم الحديد عاملًا حفَّازًا في تفاعُل غاز النيتروجين وغاز الهيدروجين لإنتاج الأمونيا. وتُسمَّى هذه العملية عملية هابر-بوش.

يُمكننا التغلُّب على حاجز طاقة التنشيط بإضافة الحديد عاملًا حفَّازًا. تعمل العوامل الحفَّازة عن طريق تقليل كمية طاقة التنشيط اللازمة لحدوث تصادم ناجح بين جزيئات المتفاعِلات. يوضِّح منحنى التفاعُل الآتي سنامَيْ طاقة التنشيط ، أحدهما دون وجود عامل حفَّاز، والآخَر في وجود عامل حفَّاز، للتفاعُل الأمامي الطارد للحرارة.

لاحِظ أن طاقة التنشيط في التفاعُل الأمامي تكون أقلَّ عند وجود الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا: بوجود العامل الحفَّاز ≺ دون العامل الحفَّاز.

نتيجة لوجود عامل حفَّاز، تقلُّ الطاقة اللازمة من أجل حدوث تصادم ناجح بين جزيئات النيتروجين والهيدروجين المتفاعِلة. وهذا يتسبَّب في حدوث المزيد من التصادمات الناجحة على نحو أكثر تكرارًا، عند درجة حرارة معيَّنة. هذه كيفية زيادة معدَّل التفاعُل من خلال وجود عامل حفَّاز.

يوضِّح الخط الأحمر في الشكل «مسارًا بديلًا للتفاعُل». في هذا المسار، تكون جزيئات المتفاعِلات موجَّهة بطريقة تزيد من احتمال حدوث تصادم ناجح أو مرتبطة مؤقَّتًا بالعامل الحفَّاز، وتكوِّن مركَّبًا وَسِيطًا يتطلَّب طاقة أقلَّ لتكوين النواتج، مقارنة بالمتفاعِلات فقط. هاتان الآليتان مثالان لمسار بديل لتفاعُل محفَّز، وتقدِّمان خطوات مختلفة لتفاعُل غير محفَّز.

يُمكننا طرح بوجود عامل حفَّاز من دون وجود عامل حفَّاز:

الفرق، ، هو مقدار انخفاض طاقة التنشيط نتيجة لنشاط العامل الحفَّاز.

الفرق في الطاقة بين النواتج والمتفاعِلات، ، هو نفسه لكلٍّ من التفاعُلات المحفَّزة وغير المحفَّزة. تؤثِّر العوامل الحفَّازة على طاقة التنشيط اللازمة لحدوث التفاعُل وليس تغيُّر الإنثالبي.

منحنى التفاعُل الآتي هو منحنى التفاعُل العكسي. وهو يوضِّح طاقة التنشيط بوجود الحديد عاملًا حفَّازًا ودون وجوده.

يوضِّح منحنى التفاعُل أن دون عامل حفَّاز ≻ بوجود عامل حفَّاز، ينطبق أيضًا على التفاعُل العكسي الماصِّ للحرارة.

مثال ٢: تفسير منحنيات التفاعُل بوجود العوامل الحفَّازة أو دون وجودها

في المُخطَّطين الآتيين، أيُّ حرفين يُشِيران إلى مسارات التفاعُل المُحفَّز؟

الحل

يعمل العامل الحفَّاز على تسريع معدَّل التفاعُل عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة لتفاعل المتفاعِلات بعضها مع بعض. في منحنى التفاعُل الأول السابق، طاقة تنشيط المسار (ب) أقلُّ من طاقة تنشيط المسار (أ). إذن (ب) هو التفاعُل المحفَّز، و(أ) هو التفاعُل غير المحفَّز.

في منحنى التفاعُل الثاني، طاقة تنشيط المسار (د) أقلُّ من طاقة تنشيط المسار (ج). إذن (د) هو التفاعُل المحفَّز، و(ج) هو التفاعُل غير المحفَّز.

الإجابة الصحيحة هي (ب) و(د).

يوضِّح الشكل الآتي كيف تتحوَّل جزيئات الغازين ، إلى الأمونيا عن طريق خطوات تفاعُل بديلة نتيجة لوجود الحديد عاملًا حفَّازًا.

في الخطوة (1)، تُمتَصُّ جزيئات المتفاعِلات على سطح الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا وتتفكَّك، أو تنفصل، إلى ذرات النيتروجين وذرات الهيدروجين. في الخطوة (2)، تتفاعَل ثلاث ذرات من الهيدروجين مع ذرة نيتروجين وترتبط بها، الواحدة تلو الأخرى، لتكوين جزيء أمونيا. في الخطوة الأخيرة، تنطلِق الأمونيا، أو تُمتَزُّ من سطح العامل الحفَّاز.

إن إضافة ذرات الهيدروجين خطوة خطوة إلى ذرة النيتروجين يمثِّل مسارًا بديلًا يتطلَّب طاقة أقلَّ من طاقة تفاعُل جزيئات ، بعضها مع بعض دون عامل حفَّاز.

على الرغم من أن العامل الحفَّاز يرتبط ارتباطًا مؤقَّتًا بجسيمات المتفاعِلات خلال التفاعُل، فإنه في نهاية التفاعُل، يعود إلى حالته الأصلية. لا تُشارِك العوامل الحفَّازة في التفاعُل ولا تتغيَّر كيميائيًّا في النهاية. وهذا يجعل العوامل الحفَّازة قابِلة لإعادة الاستخدام.

نحتاج إلى كميات صغيرة جدًّا من العوامل الحفَّازة؛ لأن نفس جسيمات العامل الحفَّاز تُستخدَم عدَّة مرَّات. لا تؤدِّي زيادة كمية العامل الحفَّاز بالضرورة إلى وجود فرق واضِح في التفاعُل؛ حيث تتحقَّق الفاعلية العالية بوجود كمية صغيرة من العامل الحفَّاز. إن مساحة سطح العامل الحفَّاز، أو عدد جسيمات العامل الحفَّاز المُعرَّضة لجسيمات المتفاعِلات، هي التي يُمكن أن تؤثِّر تأثيرًا كبيرًا على معدَّل التفاعُل. تؤدِّي زيادة مساحة سطح العامل الحفَّاز الصُّلب عن طريق طحنه إلى مسحوق دقيق، أو تمريره خلال شبكة دقيقة، إلى زيادة عدد جسيمات العامل الحفَّاز المُعرَّضة لجسيمات المتفاعِلات؛ ومن ثَمَّ زيادة معدَّل التفاعُل.

مثال ٣: فهْم كيف تؤثِّر العوامل الحفَّازة على معدَّلات التفاعُلات ومردوداتها

تعتمد التجربة (أ) على عامل حفَّاز. إذا استُخدِمت كمية أكبر من العامل الحفَّاز، فما التغيُّرات التي تحدث للتمثيل البياني على الأرجح؟

1. يظلُّ التمثيل البياني بنفس الشكل، ويُصبِح الحجم النهائي للغاز الناتج أقلَّ.
2. يصبح التمثيل البياني أقلَّ انحدارًا في البداية، ويظلُّ الحجم النهائي للغاز الناتج ثابتًا.
3. يظلُّ التمثيل البياني بنفس الشكل، ويُصبِح الحجم النهائي للغاز الناتج أكبر.
4. يصبح التمثيل البياني أكثر انحدارًا في البداية، ويظلُّ الحجم النهائي للغاز الناتج ثابتًا.
5. يصبح التمثيل البياني أقلَّ انحدارًا في البداية، ويُصبِح الحجم النهائي للغاز الناتج أقلَّ.

الحل

هناك حاجة فقط لكمية صغيرة من العامل الحفَّاز لتسريع معدَّل التفاعُل الكيميائي إلى حدٍّ كبير. وإضافة المزيد من العامل الحفَّاز لن يَزيد المعدَّل إلَّا قليلًا؛ وبذلك، في هذا التفاعُل، تؤدِّي إضافة المزيد من العامل الحفَّاز إلى جعل التمثيل البياني أكثر انحدارًا في البداية.

لا تؤثِّر العوامل الحفَّازة على كمية الناتج، وإنما تُسرِّع فقط معدَّل تكوينه. في هذا التفاعُل، يظلُّ الحجم النهائي للغاز الناتج ثابتًا بغضِّ النظر عمَّا إذا كان قد استُخدِم القليل أو الكثير من العامل الحفَّاز.

والإجابة الصحيحة هي الخيار (د)، يصبح التمثيل البياني أكثر انحدارًا في البداية، ويظلُّ الحجم النهائي للغاز الناتج ثابتًا.

لا تُذكَر صيغة العامل الحفَّاز عادة في المعادلة الكيميائية؛ لأن العوامل الحفَّازة لا تتغيَّر كيميائيًّا في نهاية التفاعُل، ولا تُعتبَر العوامل الحفَّازة جزءًا من المتفاعِلات ولا النواتج. ولكنْ في بعض الأحيان تُكتَب صيغة العامل الحفَّاز فوق الأسهم؛ على سبيل المثال، يُمكن كتابة Fe فوق الأسهم للتعبير عن الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا في عملية هابر-بوش:

يُعَدُّ استخدام العوامل الحفَّازة مُفيدًا للغاية للمُصنِّعين. أولًا: تُسرِّع العوامل الحفَّازة التفاعُلات، وهو ما يوفِّر الوقت. يُمكن إجراء التفاعُلات بصورة أسرع عندما يكون العامل الحفَّاز موجودًا، ويُمكن إنتاج المزيد من الناتج المطلوب في فترة زمنية محدَّدة. وبهذه الطريقة، تجعل العوامل الحفَّازة إنتاج المواد أكثر كفاءة. ثانيًا: التفاعُلات التي تحتاج عادة إلى درجات حرارة مرتفعة للغاية دون استخدام العامل الحفَّاز تحتاج إلى إدخال قدْرٍ أقلَّ من الطاقة عند استخدام العامل الحفَّاز. تُوَفَّر الطاقة والمال؛ لأن درجات الحرارة المرتفعة تصبح غير ضرورية عند وجود عامل حفَّاز.

على الرغم من ذلك، تتطلَّب بعض التفاعُلات عوامل حفَّازة متخصِّصة جدًّا ومكلِّفة. إلى جانب الحديد، يُعَدُّ العديد من العناصر الانتقالية عوامل حفَّازة فعَّالة بكميات صغيرة للغاية، لكنها مكلِّفة. يُعَدُّ الروديوم، والبالاديوم، وأحيانًا البلاتين، أمثلة على الفلزات الانتقالية الأكثر استخدامًا باعتبارها عوامل حفَّازة.

في الحقيقة، بمرور فترة من الزمن، قد تتلوَّث العوامل الحفَّازة، أو «تُسمَّم» من خلال ارتباطها بأنواع كيميائية معيَّنة؛ فعلى سبيل المثال، يرتبط الحديد بقوة بالكبريت. في حالة وجود ملوِّثات الكبريت في عملية هابر-بوش، يُمكن أن يُسمَّم الحديد باعتباره عاملًا حفَّازًا عن طريق الارتباط بمركَّبات الكبريت. وبذلك يصبح العامل الحفَّاز أقلَّ كفاءة، وسيتعيَّن علينا استخلاصُه وتنظيفه أو استبداله. لتجنُّب تلوث العوامل الحفَّازة الباهِظة الثمن، يحاول المُصنِّعون استخدام متفاعِلات نقية.

يوضِّح الجدول بعض العوامل الحفَّازة المُهِمَّة في مجال الصناعة وفي حياتنا اليومية.

تَنتُج معظم هذه العوامل الحفَّازة من فلزات انتقالية. أحد هذه الأمثلة هو استخدام البلاتين، والروديوم، والبالاديوم في وحدات المحوِّلات الحفزية في المركَّبات الحديثة؛ حيث يؤدِّي استخدام العوامل الحفَّازة في المحوِّلات الحفزية إلى اختزال المركَّبات المُضرَّة في غازات العادم إلى مركَّبات أكثر أمنًا وأقلَّ سُمِّيَّة. توضِّح الصورة الآتية وحدة المحوِّل الحفزي، وهي جزء من نظام العادم.

تحفِّز خلايا الكائنات الحية التفاعُلات باستخدام العوامل الحفَّازة الحيوية البروتينية والتي تُسمَّى الإنزيمات.

يوضِّح الشكل الآتي كيف أن للإنزيم موقعًا نَشِطًا معيَّنًا يُمكن أن يرتبط به جزيء مادة متفاعِلة (متفاعِل) أو أكثر. وبوجوده في الموقع النَّشِط، يحدث التفاعُل بطاقة تنشيط أقلَّ، وينطلق الناتج أو النواتج من الإنزيم، ويتبقَّى الإنزيم في حالته الأصلية.

وأحد الأمثلة لإنزيم تَستخدِمه الخلايا لتحفيز التفاعُل هو إنزيم الكتاليز. يُنتِج معظم الكائنات الحية هذا الإنزيم. يَحمي الكتاليز الكائن الحي من التلف الناتج عن الأكسدة بواسطة بيروكسيد الهيدروجين ()، وهو مادة تَنتُج خلال العمليات الأيضية. يحوِّل الإنزيم إلى نواتج أقلَّ ضررًا، وهي الماء والأكسجين.

يتفكَّك بمفرده، دون عامل حفَّاز، ولكنْ ببطء شديد. يؤدِّي إنزيم الكتاليز إلى حدوث عملية التفكُّك بسرعة أكبر بكثير، وهو ما يُقلِّل الزمن الذي تتعرَّض فيه المكوِّنات الخلوية لـ المؤكسِد.