فيديو السؤال: فهم السبب الذي يجعل من الجسيمات النانوية للفلزات مواد نشطة للغاية الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

أي من الأسباب الآتية يوضح لماذا يعتبر جرام واحد من جسيمات الذهب النانوية عاملًا حفازًا أفضل من جرام واحد من فلز الذهب الصلب؟ (أ) لأن الجسيمات النانوية لها كتلة أقل. (ب) لأن الجسيمات النانوية لها مساحة سطح أصغر. (ج) لأن الجسيمات النانوية لها حجم أكبر. (د) لأن الجسيمات النانوية لها مساحة سطح أكبر. (هـ) لأن الجسيمات النانوية لها كتلة أكبر.

مطلوب منا في هذا السؤال توضيح السبب في اعتبار جرام واحد من جسيمات الذهب النانوية عاملًا حفازًا أفضل من جرام واحد من فلز الذهب الصلب. قبل أن نناقش القدرة الحفزية، دعونا نلق نظرة على جرام واحد من الجسيمات النانوية وجرام واحد من الفلز الصلب. يمكن أن تتخذ الفلزات أشكالًا مختلفة، حتى إنها قد تتخذ شكل صفائح وأسلاك؛ لأنها قابلة للطرق والسحب. لكن للتبسيط، دعونا نتخيل جرامًا واحدًا من فلز الذهب على شكل مكعب. كتلة هذا المكعب تساوي جرامًا واحدًا، وحجمه يساوي طوله في ارتفاعه في عرضه، ومساحة سطحه الكلية تساوي طول أحد الأوجه في ارتفاعه مضروبًا في عدد الأوجه الستة للمكعب.

ولكن الجرام الواحد من جسيمات الذهب النانوية يتكون من العديد من الجسيمات الصغيرة. إذا تخيلنا على سبيل التبسيط أنها كلها على شكل مكعبات، فيظل بإمكاننا القول إن الكتلة الكلية تساوي جرامًا واحدًا. وسيكون الحجم الكلي مساويًا لهذه القيمة هنا، على الرغم من أن حجم كل جسيم على حدة سيكون صغيرًا جدًّا. لكن مساحة السطح الكلية لجميع الجسيمات النانوية لا تساوي مساحة سطح فلز الذهب الصلب. في الواقع، مساحة سطح جرام واحد من جسيمات الذهب النانوية كبيرة جدًّا بالفعل، على الرغم من أننا لن نجري عملية حسابية لإثبات ذلك. على سبيل المقارنة، فإن هذه القيمة هنا؛ أي مساحة سطح جرام واحد من فلز الذهب الصلب، صغيرة نسبيًّا.

حتى الآن، رأينا أن جرامًا واحدًا من جسيمات الذهب النانوية وجرامًا واحدًا من فلز الذهب الصلب لهما الكتلة نفسها. ومن ثم، نستبعد أن تكون الكتلة عاملًا في النشاط الحفزي والقدرة الحفزية. وعلى الرغم من أن كتلة كل جسيم نانوي على حدة أصغر من جرام واحد من فلز الذهب الصلب، فإن الكتلة الكلية لفلز الذهب لا تزال هي نفسها. ومن ثم، يمكننا استبعاد الخيارين (أ) و(هـ)؛ لأن الجسيمات النانوية ليس لها كتلة أقل أو أكبر من الكتلة الكلية لجرام واحد من فلز الذهب الصلب، بل لها الكتلة نفسها.

كما رأينا أيضًا أن الحجم الكلي لجرام واحد من جسيمات الذهب النانوية وجرام واحد من فلز الذهب الصلب متساويان. وبما أن هذا العامل متماثل، فإنه لا يمكن أن يوضح سبب اعتبار الجسيمات النانوية عوامل حفازة أفضل من الفلز الصلب. ومن ثم، يمكننا استبعاد الخيار (ج). فالحجم الكلي للجسيمات النانوية ليس أكبر من حجم فلز الذهب الصلب، بل هو نفسه.

يتبقى لدينا عامل واحد يختلف بين جرام واحد من الجسيمات النانوية وجرام واحد من الفلز الصلب، وهو مساحة السطح. الذهب في صورة جسيمات نانوية له مساحة سطح أكبر بكثير من الذهب الصلب الذي له نفس الكتلة. للكتلة نفسها من المادة، كلما كانت الجسيمات أصغر زادت مساحة السطح. ومن ثم، يتعرض المزيد من ذرات السطح لجسيمات المتفاعلات. وبذلك، يحفز المزيد من التفاعلات كل ثانية؛ مما يجعل هذه الجسيمات النانوية الصغيرة عوامل حفازة أفضل.

وأخيرًا، أي من الأسباب الآتية يوضح لماذا يعتبر جرام واحد من جسيمات الذهب النانوية عاملًا حفازًا أفضل من جرام واحد من فلز الذهب الصلب؟ الإجابة هي (د). لأن الجسيمات النانوية لها مساحة سطح أكبر.