نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على ما يفعله العامل الحفاز من حيث تأثيره على معدل التفاعل الكيميائي. وسنتعرف أيضًا على كيفية عمل العامل الحفاز، وأسباب استخدام العوامل الحفازة في العمليات الكيميائية الصناعية.
تحدث التفاعلات الكيميائية عادة عندما تخلط جزيئات المتفاعلات معًا، ويتصادم بعضها ببعض. على سبيل المثال، يمكننا خلط غاز الميثان مع غاز الأكسجين. تتحرك جسيمات غاز الميثان والأكسجين بحرية، وتصطدم الجزيئات بعضها ببعض على نحو متكرر. لكن التفاعل الكيميائي لا يحدث في ظل الظروف العادية. في هذه الحالة، لا يحدث احتراق أو اشتعال تلقائي. وإنما نحتاج إلى إضافة شرارة أو لهب لبدء التفاعل بدفعة قوية.
في المقابل، يبدو أن بعض التفاعلات الكيميائية تبدأ من تلقاء نفسها. فيعد الفوسفور الأبيض عنصرًا خطيرًا إذا ترك في وجود الهواء. وعادة ما يحفظ تحت الماء. فعندما يجف في الهواء، يتصاعد منه دخان أولًا، ثم يشتعل من تلقاء نفسه. فهو يتفاعل تلقائيًّا مع الأكسجين الموجود في الهواء لإنتاج أكسيد الفوسفور. لفهم ما يجعل التفاعلات الكيميائية تحدث، من الواضح أننا بحاجة إلى استكشاف الأسباب الكامنة وراء بدء بعض التفاعلات بسهولة من تلقاء نفسها، في حين يحتاج البعض الآخر إلى التسخين أولًا، وصولًا إلى درجات حرارة عالية أحيانًا.
لكي يحدث التفاعل الكيميائي، يجب أن تتصادم جسيمات المتفاعلات بعضها ببعض أولًا. إذا خلطنا غاز الميثان وغاز الأكسجين معًا، فلن يكون هناك نقص في التصادمات بين هذه الجزيئات كل ثانية؛ لأن كليهما في الحالة الغازية. لكن يجب أيضًا أن تتصادم هذه الجسيمات بطاقة تكفي لتفكك الروابط الكيميائية داخل هذه الجزيئات المتفاعلة. في هذه التصادمات، يعرف الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتفكك الروابط وإحداث ما نسميه تصادمًا ناجحًا باسم طاقة التنشيط. طاقة التنشيط هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لحدوث التفاعل.
في العديد من التفاعلات، ويتضمن ذلك تفاعل غاز الميثان مع غاز الأكسجين، تكون طاقة التنشيط هذه مرتفعة للغاية. لذا في درجات الحرارة العادية، ترتد الجسيمات المتفاعلة بعضها عن بعض عند اصطدامها. فلا تتفكك الروابط، ولا يحدث تفاعل كيميائي. معظم التصادمات في درجات الحرارة العادية ليست تصادمات ناجحة. بالنسبة إلى تفاعل الميثان والأكسجين، تكون الطاقة الكيميائية المخزنة في المتفاعلات أكبر من الطاقة الكيميائية المخزنة في النواتج.
والفرق بين مستوى طاقة المتفاعلات ومستوى طاقة النواتج يسمى تغير الطاقة لهذا التفاعل. غالبًا ما يشار إلى تغيير الطاقة بالرمز Δ𝐻. وهذا رمز مثلث كبير مع الحرف 𝐻. تغير الطاقة لتفاعل الميثان مع الأكسجين يكون سالبًا؛ حيث تنطلق الحرارة إلى البيئة المحيطة. والتفاعل الذي تنطلق فيه الحرارة إلى البيئة المحيطة يوصف بالتفاعل الطارد للحرارة. جميع تفاعلات الاحتراق طاردة للحرارة. وتفاعل الميثان مع الأكسجين تفاعل احتراق.
في تفاعل الميثان مع الأكسجين، وهو تفاعل طارد للحرارة يطلق الحرارة إلى البيئة المحيطة، تكون طاقة التنشيط مرتفعة بما يكفي لضمان عدم تفاعل الميثان والأكسجين آليًّا أو تلقائيًّا أحدهما مع الآخر في درجات الحرارة العادية. ونحتاج إلى وضع بعض الطاقة الإضافية في خليط المتفاعلات أولًا لتوفير طاقة التنشيط اللازمة لتفكك الروابط وبدء التفاعل. هذه الكمية الإضافية من الطاقة تسمى طاقة التنشيط على مخطط مستوى الطاقة الموجود هنا. يستمر بعد ذلك التفاعل آليًّا أو تلقائيًّا؛ حيث يطلق طاقة حرارية كافية في العملية لمواصلة الحصول على تصادمات ناجحة.
يتشابه الوضع مع التفاعل الماص للحرارة؛ حيث تمتص الحرارة من البيئة المحيطة وينتهي الحال بالنواتج عند مستوى طاقة أعلى مقارنة بالمتفاعلات التي بدأنا بها. والتفاعلات الماصة للحرارة، شأنها شأن جميع التفاعلات الكيميائية، تتطلب طاقة تنشيط لتبدأ. لذا يجب رفع مستوى طاقة المتفاعلات ليصبح أعلى من مستوى النواتج لتوفير طاقة التنشيط هذه. هذا موضح في مخطط مستوى الطاقة.
تلخيصًا لما ذكر حتى الآن، من الأصعب بدء بعض التفاعلات مقارنة بغيرها؛ لأن لديها طاقة تنشيط مرتفعة. تحدث بعض التفاعلات ببطء شديد، أو قد لا تحدث على الإطلاق في الظروف العادية؛ لأن لديها طاقة تنشيط مرتفعة. كيف يمكننا إذن جعل هذه التفاعلات ذات طاقة التنشيط المرتفعة تحدث؟
بيروكسيد الهيدروجين مادة سائلة يمكن أن تتفكك لتكوين الماء وغاز الأكسجين. هذا التفاعل بطيء جدًّا في الظروف العادية. ولن ترى العديد من فقاعات غاز الأكسجين تتكون في بيروكسيد الهيدروجين السائل. إذا أضفنا كمية صغيرة من مسحوق أسود يسمى ثاني أكسيد المنجنيز إلى بيروكسيد الهيدروجين، فسنرى زيادة مفاجئة في عدد فقاعات الأكسجين التي تنتج كل ثانية. يزيد ثاني أكسيد المنجنيز من معدل إنتاج فقاعات الأكسجين. فهو يزيد من معدل التفاعل زيادة كبيرة في هذه الحالة.
لقد انتقلنا من حالة تنتج فيها بضع فقاعات من غاز الأكسجين بين الحين والآخر إلى إنتاج العديد من فقاعات غاز الأكسجين في فترة زمنية قصيرة جدًّا. يعمل ثاني أكسيد المنجنيز عاملًا حفازًا. والعامل الحفاز مادة تزيد من معدل التفاعل دون أن تتعرض إلى تغير كيميائي دائم. يوضح مخطط منحنى الطاقة لتفكك بيروكسيد الهيدروجين أن تغير الطاقة الكلي سالب. لذلك فإن تفكك بيروكسيد الهيدروجين تفاعل طارد للحرارة. هذه هي الحالة التي يتقدم فيها التفاعل في وجود عامل حفاز أو بدونه.
وكما هو الحال مع جميع التفاعلات الكيميائية، هناك طاقة تنشيط مرتبطة بعملية التفكك هذه. إذا أضفنا عاملًا حفازًا إلى المادة المتفاعلة، فسنجد أن طاقة التنشيط أقل بكثير مما تكون عليه في حالة عدم وجود عامل حفاز. فالعوامل الحفازة تعمل على تسريع معدل التفاعل الكيميائي. وهي تفعل ذلك من خلال تقديم طريق أو مسار بديل لحدوث التفاعل. وأهم شيء هنا هو أن مسار التفاعل البديل هذا له طاقة تنشيط أقل. ومع طاقة التنشيط الأقل، تؤدي نسبة أكبر بكثير من تصادمات الجسيمات المتفاعلة إلى تفكك الروابط وحدوث تفاعل. وبذلك تحدث تصادمات أكثر نجاحًا كل ثانية، ويزداد معدل التفاعل.
هذا الوضع يشبه الذهاب في رحلة إلى جبل مون بلان، أعلى جبل في فرنسا. يمكننا بذل الكثير من الطاقة في التسلق إلى قمة مون بلان وزيارة إيطاليا على الجانب الآخر. هذا هو طريق الطاقة العالية. وفي المقابل، يمكننا المرور عبر النفق بسهولة تامة بدلًا من ذلك. وسيكون ذلك طريقًا ذا طاقة أقل، وأسرع كثيرًا.
صرنا الآن نعلم أن العوامل الحفازة تسرع التفاعلات الكيميائية من خلال توفير مسار تفاعل بديل ذي طاقة تنشيط أقل. كيف إذن تشارك العوامل الحفازة في التفاعل الكيميائي؟ على الرغم من أن العوامل الحفازة تبقى دون أي تغيير كيميائي في نهاية التفاعل الذي تحفزه ويمكن استعادتها، فمن الخطأ القول إن العوامل الحفازة لا تشارك كيميائيًّا أو تتغير أثناء التفاعل الذي تحفزه.
يمكن للعوامل الحفازة تركيز الجسيمات المتفاعلة على سطحها. وتتحرك هذه الجسيمات المتفاعلة بشكل عشوائي، وأحيانًا يصطدم بعضها ببعض في أثناء هذه العملية. وبفعل ذلك، تضعف العوامل الحفازة الروابط في الجسيمات المتفاعلة. وهذه هي الطريقة التي تقل بها طاقة تنشيط التفاعل. في نهاية التفاعل، تطلق النواتج، ولا يتغير العامل الحفاز كيميائيًّا. ويمكننا القول إنه يتجدد كيميائيًّا. فهو لا يستهلك ولا يستنفد، كما يحدث للمتفاعلات بصورة طبيعية في أثناء التفاعل الكيميائي. لهذا السبب، فإن المعادلة الكلية للتفاعل الكيميائي لا تتضمن عادة العامل الحفاز. ويمكن كتابة العامل الحفاز فوق السهم بدلًا من ذلك.
نظرًا لأن العوامل الحفازة لا تستهلك أثناء التفاعل الكيميائي، يلزم استخدام كمية صغيرة منها فقط في كل حالة. في المحول الحفزي كذلك الموجود في أنبوب عادم السيارة القريب من المحرك، تدخل غازات سامة مثل أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين إلى المحول الحفزي. تتغير هذه الغازات السامة كيميائيًّا إلى غازات أكثر أمانًا، مثل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، والتي تخرج من أنبوب العادم.
في كثير من الحالات، مثل حالة المحول الحفزي في أنابيب عادم السيارة، نجد أن كمية صغيرة من العامل الحفاز تنتشر على مساحة سطح كبيرة. في درجات حرارة التشغيل العادية، يكون ذلك ساخنًا للغاية. من المهم أن نتذكر هنا أن رفع درجة حرارة التفاعل يزيد من معدل التفاعل أكثر بكثير من استخدام كمية أكبر من العامل الحفاز. كلا هذين العاملين؛ أي مساحة السطح ودرجة الحرارة، يساعدان في تحسين كفاءة العامل الحفاز مع إبقاء الكمية المستخدمة في حدها الأدنى.
تحتوي غالبًا العوامل الحفازة على فلزات أو عناصر انتقالية موجودة في الفئة المركزية من الجدول الدوري. بعض هذه الفلزات باهظة الثمن، مثل البلاتين والبلاديوم اللذين يستخدمان في المحول الحفزي. يمكن بالطبع استعادة هذه الفلزات في نهاية عمر السيارة. على الرغم من أن بعض العوامل الحفازة الصناعية الشائعة تحتوي على فلزات ثمينة، فإن العديد من العوامل الحفازة تحتوي على فلزات أكثر شيوعًا ورخيصة نسبيًّا.
في عملية هابر، تنتج الأمونيا. الأمونيا مادة بادئة مهمة للأسمدة التي تساعد في تحسين غلة المحاصيل. في عملية هابر، يتفاعل غاز النيتروجين مع غاز الهيدروجين. لا يتفاعل النيتروجين والهيدروجين عادة معًا ما لم تستخدم درجات حرارة مرتفعة وضغوط عالية جدًّا. في عملية هابر، يستخدم الحديد عاملًا حفازًا لخفض طاقة التنشيط والسماح للتفاعل بالاستمرار عند درجات حرارة منخفضة بمعدل تفاعل معقول.
الوضع هنا معقد؛ لأن هذا التفاعل انعكاسي. يعمل الحديد عاملًا حفازًا على تسريع معدلات التفاعل الأمامي والانعكاسي بالتساوي، وهو ما يسمح للخليط بالوصول إلى الاتزان في وعاء المفاعل في وقت أقل. ونحصل على بعض الأمونيا في وقت أقل، بغض النظر عن مردود هذه العملية الانعكاسية. وأي أمونيا تكونت في وعاء المفاعل تخضع للتبريد والإسالة والتجميع. ونعيد تدوير النيتروجين والهيدروجين غير المتفاعلين، ثم نعيدهما إلى وعاء المفاعل.
توفر العوامل الحفازة كميات هائلة من الطاقة في الصناعة من خلال السماح للتفاعلات بالاستمرار عند درجات حرارة منخفضة بمعدل معقول. وهذا يوفر المال نظرًا للطاقة الباهظة التي يوفرها والوقت؛ نظرًا لأن التفاعل يحدث بمعدل أسرع مقارنة بما يحدث دون عامل حفاز. لذلك فإن الفائدة الاقتصادية لاستخدام العامل الحفاز ضخمة. وغالبًا ما تفوق تكلفة العامل الحفاز.
والآن دعونا نلق نظرة على سؤال لاختبار فهمنا للعوامل الحفازة.
يستخدم ثاني أكسيد المنجنيز عاملًا حفازًا في تفاعل تفكك بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين. أي العبارات الآتية غير صحيحة عن استخدام MnO2 عاملًا حفازًا؟ 2H2O2 المائي ينتج 2H2O سائلًا زائد O2 غازًا. (أ) تكون الأكسجين بسرعة أكبر. (ب) إنتاج كمية أكبر من الأكسجين. (ج) كتلة MnO2 قبل وبعد التفاعل متساوية. (د) توافر مسار بديل للتفاعل بفعل العامل الحفاز. (هـ) عدم تغير العامل الحفاز عند نهاية التجربة.
يسألنا هذا السؤال عن سلوك عامل حفاز، وهو ثاني أكسيد المنجنيز، في تفاعل تفكك. في تفاعل التفكك هذا، يتفكك متفاعل واحد فقط، وهو بيروكسيد الهيدروجين، ليكون نواتج جديدة. والنواتج هنا هي الماء وغاز الأكسجين. يكون تفاعل التفكك هذا بطيئًا جدًّا في ظل الظروف العادية عند درجة حرارة الغرفة. لن نلاحظ خروج الكثير من فقاعات غاز الأكسجين من محلول بيروكسيد الهيدروجين على الإطلاق. ولكن هذا الوضع يتغير بسرعة إذا أضيفت كمية صغيرة من العامل الحفاز الصلب، ثاني أكسيد المنجنيز، إلى محلول بيروكسيد الهيدروجين.
سيلاحظ حدوث فوران سريع بمجرد إضافة المسحوق الأسود إلى بيروكسيد الهيدروجين. سيزيد العامل الحفاز، ثاني أكسيد المنجنيز، من معدل تفكك بيروكسيد الهيدروجين. وسينتج المزيد من غاز الأكسجين، الذي سيشاهد على هيئة فقاعات، لكل وحدة زمنية مع زيادة معدل التفاعل. من المؤكد أن غاز الأكسجين سينتج بسرعة أكبر. لذا هذه العبارة صحيحة؛ ومن ثم ليست الإجابة الصحيحة. تذكر أننا نبحث في هذا السؤال عن عبارة غير صحيحة.
لاحظ أن غاز الأكسجين، وهو أحد النواتج، ينشأ من جزيئات بيروكسيد الهيدروجين. وفقًا للمعادلة الموزونة، يلزم وجود جزيئين من بيروكسيد الهيدروجين لإنتاج جزيء واحد من غاز الأكسجين. إذا كانت لدينا كمية ثابتة من جزيئات بيروكسيد الهيدروجين في بداية التفاعل، فيمكننا إنتاج كمية ثابتة من جزيئات الأكسجين في أثناء تفاعل التفكك. لا تؤدي إضافة العامل الحفاز ثاني أكسيد المنجنيز إلى تغيير كمية غاز الأكسجين الناتج. وإنما تؤدي إلى زيادة معدل التفاعل فقط.
تنتج نفس الكمية من غاز الأكسجين في وقت أقل بكثير. لا يظهر ثاني أكسيد المنجنيز في معادلة التفاعل الكلية. وستكون كمية غاز الأكسجين الناتجة هي نفسها في وجود العامل الحفاز أو بدونه. هذا يعني أن العبارة التي تشير إلى إنتاج كمية أكبر من غاز الأكسجين غير صحيحة. لذلك، من المرجح أن تكون الإجابة الصحيحة.
لكن دعونا ننظر في الخيارات الأخرى أولًا قبل اختيار هذه الإجابة. يمكننا أخذ جرام واحد من العامل الحفاز ثاني أكسيد المنجنيز، وتسجيل كتلته، وإضافته إلى بيروكسيد الهيدروجين في بداية التفاعل. عند اكتمال التفاعل، ستحتوي الكأس الزجاجية على ماء سائل نقي وثاني أكسيد المنجنيز فقط في صورة خليط. يمكن ترشيح ثاني أكسيد المنجنيز وتجفيفه وتسجيل كتلته بميزان دقيق. وسنجد أنه لم يتغير كيميائيًّا، وفي الواقع ستكون الكتلة المستخلصة مساوية بالضبط للكتلة المستخدمة في بداية التفاعل.
لن يتغير العامل الحفاز MnO2 في نهاية التجربة، كما ستكون كتلة MnO2 قبل وبعد التفاعل متساوية. تذكر أن العامل الحفاز يشارك في التفاعل الكيميائي. وقد يتغير كيميائيًّا أثناء هذا التفاعل، ولكنه يتجدد في نهاية التفاعل. كلتا هاتين العبارتين صحيحتان. ومن ثم ليس أي منهما الإجابة الصحيحة.
تفكك بيروكسيد الهيدروجين تفاعل طارد للحرارة. يمكننا عرض هذا على مخطط مستوى الطاقة. وتغير الطاقة لهذا التفاعل سالب. يزيد العامل الحفاز MnO2 من معدل التفاعل الكيميائي عن طريق توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. ومن خلال تقليل طاقة التنشيط للتفاعل، تنجح نسبة أكبر من التصادمات بين جزيئات المتفاعلات. والتصادمات الناجحة هي تلك التي تتفكك فيها الروابط الكيميائية وتؤدي إلى حدوث التفاعل. ومن ثم، نرى تصادمات أكثر نجاحًا في الثانية ومعدل تفاعل أسرع. العبارة الأخيرة التي تفيد بأن العامل الحفاز يوفر مسارًا بديلًا للتفاعل عبارة صحيحة؛ ومن ثم فهي ليست الإجابة الصحيحة. فنحن نبحث عن عبارة غير صحيحة.
وبناء عليه، فإن العبارة القائلة بأنه ستنتج كمية أكبر من الأكسجين هي الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.
دعونا نلخص الدرس بمراجعة سريعة للنقاط الرئيسية. تزيد العوامل الحفازة من معدل تكون النواتج في التفاعل الكيميائي. تزيد العوامل الحفازة من معدل التفاعل من خلال تقديم مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. لا تستهلك العوامل الحفازة في التفاعل. وتوفر العوامل الحفازة الوقت والمال في التفاعلات الصناعية.
