نسخة الفيديو النصية
لماذا يمكن استخدام الجسيمات النانوية بكميات ضئيلة جدًّا في صورة عوامل حفازة فعالة؟ (أ) لأن نسبة مساحة سطحها إلى حجمها عالية. (ب) لأنها قابلة للاشتعال. (ج) لأنها فلزات انتقالية. (د) لأن تفاعليتها منخفضة. (هـ) لأنها خفيفة الوزن.
الجسيمات النانوية هي جسيمات صغيرة جدًّا من المادة. وهي عادة ما تحتوي على بضع مئات قليلة من الذرات، وتتجمع هذه الذرات في هيئة كرات أو أشكال هندسية ثلاثية الأبعاد أو أنابيب أو ألياف نانوية. وتتراوح أحجام هذه الجسيمات بين واحد و100 نانومتر في القطر أو الطول أو العرض. وفي بعض الحالات، تعتبر الجسيمات الأصغر من 500 نانومتر أيضًا جسيمات نانوية.
النانو يعني جزءًا واحدًا من المليار. أي إن النانومتر الواحد يساوي جزءًا من المليار من المتر، أو واحدًا في 10 أس سالب تسعة متر. الجزء من المليار من المتر يساوي 0.000000001 متر. ومن ثم، فإن الجسيمات النانوية التي قطرها 20 أو 17 نانومترًا مثلًا، هي في الواقع جسيمات صغيرة جدًّا. ما الذي يميز الجسيمات النانوية إذن؟
عندما يكون قطر الجسيمات أصغر من 100 نانومتر، فإنها تختلف في خواصها عن المواد المتكتلة. ففي المواد المتكتلة، تكون الخواص مستقلة عن حجم الجسيمات ولا تعتمد عليها. على سبيل المثال، تظل درجة الانصهار، واللون، والتفاعلية ثابتة في المادة المتكتلة، بغض النظر عن حجم الجسيمات أو كمية المادة المتكتلة الموجودة. دعونا نستخدم مثالًا محددًا.
إذا كان عنصر الذهب، ورمزه Au، على صورة مادة متكتلة، وليس على صورة جسيمات نانوية صغيرة، وبغض النظر عن الكمية الموجودة منه، فإن درجة انصهاره هي 1064 درجة سلزية. ويكون لونه أصفر ذهبيًّا، كما يكون خاملًا أو غير متفاعل. أما بالنسبة إلى الجسيمات النانوية، فإن خواصها تعتمد على حجم الجسيمات وترتبط بها. لنأخذ الذهب كمثال مرة أخرى.
بالنسبة إلى جسيمات الذهب النانوية، التي يبلغ حجمها 1.4 نانومتر تقريبًا، تتراوح درجة الانصهار بين 23 و25 درجة سلزية. وغالبًا ما يتراوح لون جسيمات الذهب النانوية من الأحمر الداكن إلى الأسود في المحلول بناء على حجمها. وهذه الجسيمات النانوية متفاعلة، ويمكن استخدامها أيضًا في صورة عوامل حفازة.
يوضح لنا التمثيل البياني كيف أن خاصية ما، مثل درجة الانصهار، تعتمد على نصف قطر الجسيم. وعلى الرغم من عدم وجود أي قيم معطاة، يمكننا ملاحظة نمط عام. في هذه الحالة، تكون الخاصية، أي درجة الانصهار، ثابتة أو شبه ثابتة تقريبًا بالنسبة إلى أحجام الجسيمات الكبيرة. وفي هذه الحالة، تشهد الخاصية، أي درجة الانصهار، تغيرًا كبيرًا عند أحجام الجسيمات الصغيرة جدًّا. دعونا نستكشف باختصار حجم الجسيم بدلالة نسبة مساحة السطح إلى الحجم.
دعونا نقارن بين جسيم كبير وجسيم صغير. سنستخدم المكعبات لتسهيل الأمر. تمثل الأعداد طول كل ضلع، وسنتجاهل الوحدات الآن. إذا حسبنا مساحة سطح الجسيم الكبير، فهناك ستة أوجه للمكعب. ومساحة سطح كل وجه تساوي الطول في العرض. وبالتعويض بهذه القيم، نجد أن مساحة السطح الكلية للجسيم الأكبر هي 150 وحدة مربعة. عند فعل الشيء نفسه مع الجسيم الصغير، نجد أن مساحة السطح هي ست وحدات مربعة.
دعونا الآن نحسب حجم كل جسيم. الحجم هو الطول في العرض في الارتفاع. وبالتعويض بالقيم، نجد أن حجم الجسيم الكبير يساوي 125 وحدة مكعبة، وبالنسبة إلى حجم الجسيم الصغير فهو يساوي وحدة مكعبة واحدة. دعونا الآن نكتب مساحة السطح والحجم في صورة نسبة. بالنسبة إلى الجسيم الكبير، لدينا 150 إلى 125، وبالنسبة إلى الجسيم الصغير، لدينا ستة إلى واحد. وبتبسيط ذلك، نجد أنه بالنسبة إلى الجسيم الأكبر، لدينا 1.2 إلى واحد. والآن يمكننا أن نقارن نسبة مساحة السطح إلى الحجم لكلا الجسيمين.
يمكننا أن نلاحظ أنه فيما يخص الجسيم الكبير، نسبة مساحة السطح إلى الحجم صغيرة. ونحن نعرف ذلك لأن هناك اختلافًا ضئيلًا جدًّا في المقدار بين 1.2 وواحد. ولكن بالنسبة إلى الجسيم الصغير، فمساحة السطح إلى الحجم كبيرة. ونحن نعرف ذلك لأن ستة أكبر بكثير من واحد. ونسبة مساحة السطح إلى الحجم الكبيرة أو العالية هي التي تعطي الجسيمات النانوية خصائصها المميزة.
إذن السبب في إمكانية استخدام الجسيمات النانوية بكميات ضئيلة جدًّا في صورة عوامل حفازة فعالة هو الإجابة (أ) لأن نسبة مساحة سطحها إلى حجمها عالية.
