ماهي مادة الحفاز

مادة الحفاز هي مادة تسرع التفاعل الكيميائي ، ولكن لا يستهلكه التفاعل ؛ وهذا بالطبع يمنح استعادة المحفز كيميائيًا دون تغيير في نهاية التفاعل ، الذي تم استخدامه لتسريع أو التحفيز ، وتعد الإنزيمات أهم أنواع المحفزات التي تحدث بشكل طبيعي ، وهي المسؤولة عن العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية الأساسية.

دور مادة الحفاز في التفاعل الكيميائي

تعمل المادة الحفازية بشكل عام على تسهيل التفاعل الكيميائي بين المحفز والمفاعل، حيث تنتج مواد وسيطة كيميائية تساعد في تفاعل المواد المتفاعلة مع بعضها البعض أو مع مفاعل آخر لتكوين المنتج النهائي المطلوب، ويتم تجديد المحفز أثناء التفاعل بين المواد الوسيطة والمواد المتفاعلة.

تختلف طرق التفاعل بين المحفزات والمواد المتفاعلة بشكل كبير، وفي المحفزات الصلبة غالبا ما تكون تلك التفاعلات معقدة. وأمثلة شائعة على هذه التفاعلات هي التفاعلات القاعدة الحمضية، وتفاعلات الأكسدة والاختزال، وتشكيل معقدات التنسيق، وتشكيل الجذور الحرة.

بالإضافة إلى أن استخدام المحفزات الصلبة ، تقوم بالتأثير على آلية التفاعل بشدة ، خاصة ما يتعلق بخصائص السطح والهياكل الإلكترونية أو البلورية ، كما تعرف بعض المحفزات الصلبة ، بالمحفزات المتعددة الوظائف ، وهي قادرة على التفاعل مع المتفاعلات بأكثر من طريقة ؛ حيث تستخدم المحفزات ثنائية الوظائف على نطاق واسع لإصلاح ردود الفعل ، خاصة في صناعة النفط.

معظم المحفزات الصلبة هي معادن، وأكاسيد وكبريتيدات وهاليدات عناصر معدنية. بينما تشمل المحفزات الصلبة أيضا البورون والألمنيوم والسيليكون كعناصر شبه معدنية. يستخدم المحفزات الغازية والسائلة عموما في شكلها النقي أو بالتعاون مع ناقلات أو مذيبات مناسبة. وعادة ما توجد المحفزات الصلبة في مواد أخرى تسمى دعامات المحفز. تشكل التفاعلات المحفزة أساسا للعديد من العمليات الكيميائية الصناعية، ويعتبر تصنيع المحفز نفسه عملية صناعية سريعة النمو حاليا.

أنواع مادة الحفاز

تُصنَّف المحفزات في المقام الأول إلى أربعة أنواع، وهي: الحفاز المتجانس، والحفاز غير المتجانس أو الصلب، والمحفز المتجانس وغير المتجانس، والمحفزات الحيوية.

أفضل أنواع مادة الحفاز

تُعَدُّ المعادن مثل البلاتين والنيكل عوامل حفازة جيدة؛ لأنها تتميز بقوة كافية لحمل المواد المتفاعلة وتنشيطها، ولكن ليس بقوة تمنع منفصل المنتجات.

خصائص مادة الحفاز

تمتلك مادة الحفاز خصائص مهمة ومحددة تجعلها ذات أهمية بالنسبة للتفاعل الكيميائي الذي تشارك فيه، ومن أبرز خصائص مادة الحفاز:

• يبقى المحفز بنفس الكتلة والتركيب الكيميائي دون تغيير أثناء التفاعل (نشاط المحفز).
• يتم استخدام مادة الحفاز بكميات صغيرة وهو ما لا يتوقعه العديد من الناس.
• مادة الحفاز ثابتة التوازن لا تتغير.

المحولات الحفازة

يتم تحويل المحولات الحفازة الجزيئات السامة، مثل أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين المختلفة في عوادم السيارات، إلى جزيئات غير ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين، وتستخدم معادن ذات تكلفة عالية، مثل البلاتين والبلاديوم والروديوم، كمحفزات غير متجانسة. كما يتم إيداع المعادن كطبقات رقيقة على سطح العسل الخزفي، وهذا يزيد من مساحة السطح ويقلل من كمية المعادن المستخدمة إلى أدنى حد ممكن. ثم يتم استخلاص تفاعل بين أول أكسيد الكربون وأول أكسيد النيتروجين في هذه العملية.

أنواع التفاعلات الحفازة

يمكن تجزئة المحفزات إلى نوعين رئيسيين وهما: الحفز غير المتجانس والحفز المتجانس. في التفاعل غير المتجانس، يكون المحفز في مرحلة مختلفة عن المواد المتفاعلة، بينما في التفاعل المتجانس، يكون المحفز والمواد المتفاعلة في نفس المرحلة. إذا نظرت إلى الخليط ورأيت حدودا بين مكونين، فإن هذه المواد تكون في مراحل مختلفة. الخليط الذي يحتوي على مادة صلبة وسائلة يتكون من مرحلتين، بينما المزيج الذي يحتوي على مواد كيميائية مختلفة في محلول واحد يتكون من مرحلة واحدة فقط، لأنه لا يمكن رؤية أي حدود بينهما. قد تتساءل عن السبب في اختلاف الطور عن حالة المادة الفيزيائية (صلبة أو سائلة أو غازية). الإجابة هي أنه يحتوي على مواد صلبة وسوائل وغازات، ولكنه أكثر عمومية فعليا. يمكن أن ينطبق أيضا على سائلين مثل الزيت والماء، حيث لا يذوبان في بعضهما البعض، ويمكن رؤية الحد الفاصل بين السائلين.

الحفز غير المتجانس

يشمل الحفز غير المتجانس استخدام محفز في مرحلةٍ مختلفةٍ عن المواد المتفاعلة، حيث تشمل الأمثلة النموذجية استخدام محفزٍ صلبٍ مع متفاعلات سواءً كانت سوائل أو غازات.

مراحل الحفز غير المتجانس

• تتم عملية امتصاص واحد أو أكثر من المواد المتفاعلة على سطح المحفز في المواقع النشطة.
• يحدث الامتزاز عندما يلتصق شيء ما بالسطح، ولا يشبه الامتصاص الذي يحدث عندما يتم تناول مادة داخل بنية مادة أخرى، وببساطة يعني الامتزاز تفكك جزيئات المنتج، مما يترك الموقع النشط متاحًا لمجموعة جديدة من الجزيئات للالتصاق به والتفاعل معه.
• ثم يتم رؤية الموقع النشط، وهو جزء من السطح يتميز بامتصاصه الجيد للمواد ومساعدتها على التفاعل.
• يحدث نوع من التفاعل بين سطح المحفز وجزيئات المتفاعل مما يزيد تفاعليتها، ويمكن أن يشمل ذلك تفاعلا فعالاً مع السطح أو تضعيف روابط الجزيئات المرتبطة به.
• ثم يحدث رد فعل، وفي هذه المرحلة، يتم ربط جزيئات المواد المتفاعلة بالسطح، أو يمكنربط أحدهما بالآخر وتفاعلهما في الغاز أو السائل.
• يحتاج المحفز الجيد إلى امتصاص جزيئات المادة المتفاعلة بقوة كافية لتتفاعل، ولكن ليس بقوة شديدة حتى لا تتلتصق جزيئات المنتج بشكل غير مرغوب على السطح.
• على سبيل المثال، لا تعتبر الفضة محفزًا جيدًا لأنها لا تشكل ارتباطات قوية بما يكفي مع الجزيئات المتفاعلة، وعلى الجانب الآخر، لا يعتبر التنجستن محفزًا جيدًا لأنه يتميز بالقوة.
• تُعد المعادن مثل البلاتين والنيكل عامل حفاز جيد، حيث يتميزون بقوة كافية لحمل وتنشيط المواد المتفاعلة، دون أن تكون قوتهم كبيرة بشكل يمنع انفصال المنتجات.

أمثلة على الحفز غير المتجانس

• هدرجة رابطة مزدوجة الكربون والكربون ، وأبسط مثال على ذلك هو التفاعل بين الإيثين والهيدروجين في وجود محفز النيكل. فمن الناحية العملية ، هذا رد فعل لا طائل منه ، لأنك تقوم بتحويل الإيثين المفيد للغاية إلى إيثان عديم الفائدة نسبيًا. ومع ذلك سيحدث نفس التفاعل مع أي مركب يحتوي على رابطة مزدوجة بين الكربون والكربون. وأحد الاستخدامات الصناعية الهامة لهذا التفاعل أو الحفز هو ؛ هدرجة الزيوت النباتية لصنع السمن النباتي ، والذي ينطوي أيضًا على تفاعل رابطة مزدوجة من الكربون والكربون في الزيت النباتي مع الهيدروجين في وجود محفز النيكل.
• يتم امتصاص جزيئات الإيثين على سطح النيكل، ويتم استخدام الرابطة المزدوجة بين فواصل ذرات الكربون والإلكترونات لربطها بسطح النيكل.
• تتراكم جزيئات الهيدروجين أيضًا على سطح النيكل، وعندما يحدث ذلك، يتم تفكيك جزيئات الهيدروجين إلى ذرات، ويمكن لهذه الذرات التحرك على سطح النيكل.
• في حال انتشرت جزيئة الهيدروجين بالقرب من جزيء الكربون المرتبط، سيتم استبدال الرابطة بين الكربون والنيكل برابطة بين الكربون والهيدروجين.

الحفز المتجانس

يشير التحفيز المتجانس إلى التفاعلات الحفازة التي تحدث في محلول يتم فيها استخدام محفز قابل للذوبان، حيث يكون المحفز في نفس المرحلة مثل المواد المتفاعلة، ويمكن استخدام التحفيز المتجانس في التفاعلات التي تحدث في الغازات أو المواد الصلبة.

بناء على ذلك، يعتبر استخدام مجمعات المعادن الانتقالية كحفاز متجانس مجالا بحثيا متزايدا بشكل كبير في السنوات الأخيرة. تم الإعلان عن العديد من الاكتشافات الحفازة الرائعة من قبل الباحثين في الصناعة والأوساط الأكاديمية. تعد هذه المجالات واحدة من المجالات البحثية المستخدمة في الصناعات الحديثة، مثل إنتاج حمض الأسيتيك على سبيل المثال. وتعد الإنزيمات أحد أبرز أمثلة المحفزات المتجانسة.

مزايا الحفز المتجانس

• تعتبر المحفزات المتجانسة فعالة جدًا بسبب انتقائيتها العالية تجاه إنتاج المنتج المطلوب.
• إذا كان التفاعل طاردًا للحرارة، فإنه سيطلق الكثير من الحرارة، ولذلك يكون من الأسهل إطلاق الحرارة من المحلول بالمقارنة مع استخدام محفز غير متجانس والذي يكون عادةصلبًا وغير قابل للذوبان في المحلول الذي يمتص المواد الموجودة في التفاعل.
• يمكن للمفاعلات الوصول بسهولة إلى المحفز المتجانس؛ لأنه موجود بالفعل في المحلول، وهذا يزيد من نشاط التحفيز العالي.
• يسهل وصف الأنواع المختلفة في المحلول باستخدام تقنيات التحليل الطيفي المختلفة، ويمكن تمييز بعض الأنواع التي تعلق على سطح صلب.

عيوب الحفز المتجانس

• يجب فصل المحفز الذي يستخدم لإذابة المحلول في وقت لاحق، إذا كنت تخطط لإعادة استخدامه، وفقًا لمبادئ الكيمياء الخضراء.
• قد يواجه المحفز المتجانس مشكلات في درجات الحرارة المرتفعة، حيث لا يفضل استخدامه في المحلول الذي يحتوي على المحفز وأي مواد متفاعلة يمكن أن تتطاير وتتبخر. على الرغم من أن درجات الحرارة المرتفعة تعمل عادة على تحفيز التفاعلات بشكل أسرع.

أمثلة على الحفز المتجانس

• تفاعل بين أيونات البيرسولفات وأيونات اليودايد
• تتألف الأيونات من بيرسلفات أو بيروكسود كبريتات S2O82-، وهي عوامل مؤكسدة قوية جدا، حيث يتم تأكسد أيونات اليود بسهولة كبيرة إلى شكل يود، وعلى الرغم من ذلك، يحدث التفاعل بينهما في المحلول المائي ببطء شديد نظرا للحاجة لتصادم بين أيونين سلبيين.
• يمكن أن تشمل المحفزات أيونات الحديد (II) أو الحديد (III) التي يتم إضافتها إلى نفس المحلول، وهذا مثال آخر على استخدام مركبات المعادن الانتقالية كمحفزات؛ لأنها تتمتع بالقدرة على تغيير حالة الأكسدة.
• يؤدي أيونات البيرسلفات إلى تأكسد أيونات الحديد (II) إلى أيونات الحديد (III)، وفي هذه العملية يتم اختزال أيونات الكبريتات إلى أيونات الكبريتات.
• تعتبر أيونات الحديد (III) عوامل مؤكسدة قوية بما يكفي لأكسدة أيونات اليود اليوديدية، وفي هذه العملية يتم تخفيضها مرة أخرى إلى أيونات الحديد (II).
• كلتا المراحل الفردية في التفاعل العام تنطوي على تصادم بين الأيونات الموجبة والسالبة، وهذا التصادم سيكون أكثر نجاحا من تصادم اثنين من الأيونات السالبة في التفاعل غير المحفز.
• إذا تم استخدام أيونات الحديد (III) بدلاً من أيونات الحديد (II) كعامل حفاز، فسيتم حدوث ردود فعل بترتيب مختلف ببساطة.