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.[1]

دور مادة الحفاز في التفاعل الكيميائي

بشكل عام ، تعد مادة الحفاز تفاعلًا كيميائيًا بين المحفز والمفاعل ، مكونة مواد وسيطة كيميائية قادرة على التفاعل بسهولة أكبر مع بعضها البعض أو مع مفاعل آخر ، وذلك لتشكيل المنتج النهائي المطلوب ، وأثناء التفاعل بين الوسطيات الكيميائية والمواد المتفاعلة ، يتم تجديد المحفز.

وتختلف طرق التفاعل بين المحفزات والمواد المتفاعلة بشكل كبير ، وفي المحفزات الصلبة غالبًا ما تكون معقدة ، والشكل النموذجي من هذه التفاعلات ، هو تفاعلات 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.

ومعظم المحفزات الصلبة هي معادن أو أكاسيد وكبريتيدات وهاليدات العناصر المعدنية ، والعناصر شبه المعدنية

البورون

والألمنيوم والسيليكون ، وتستخدم المحفزات الغازية والسائلة بشكل عام في شكلها النقي أو بالاشتراك مع ناقلات أو مذيبات مناسبة ؛ حيث تنتشر المحفزات الصلبة عادة في مواد أخرى تعرف باسم دعامات المحفز. وتشكل التفاعلات المحفزة أساس العديد من العمليات الكيميائية الصناعية ، ويعتبر تصنيع المحفز في حد ذاته عملية صناعية سريعة النمو في الوقت الحالي.[2]

أنواع مادة الحفاز

يتم تصنيف المحفزات في المقام الأول إلى أربعة أنواع هم الحفاز متجانس ، والحفاز غير المتجانس أو الصلب ، والمحفز المتجانس وغير المتجانس والمحفزات الحيوية.

أفضل أنواع مادة الحفاز

تعد المعادن مثل البلاتين والنيكل عوامل حفازة جيدة ؛ وذلك لأنها تمتاز بقوة كافية لحمل المواد المتفاعلة وتنشيطها ، ولكن ليس بقوة بحيث لا يمكن للمنتجات أن تنفصل.[3]

خصائص مادة الحفاز

تملك مادة الحفاز خصائص مهمة ومحددة ، تمنحها أهميتها بالنسبة للتفاعل الكيميائي الذي تدخل إليه ، ومن أبرز خصائص مادة الحفاز:

يظل المحفز بدون تغيير في الكتلة والتركيب الكيميائي ، وذلك أثناء التفاعل (نشاط المحفز).
تستخدم مادة الحفاز بمكية صغيرة ما يتوقعه العديد من الناس.
مادة الحفاز ثابتة التوازن لا تتغير.[4]

المحولات الحفازة

تغير 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 باهظة الثمن مثل البلاتين والبلاديوم والروديوم كمحفز غير متجانس. كما تودع المعادن كطبقات رقيقة على قرص العسل الخزفي ، وهذا يزيد من مساحة السطح ويحافظ على كمية المعادن المستخدمة إلى الحد الأدنى ، ثم يتم استخلاص التفاعل بين أول أكسيد الكربون وأول أكسيد النيتروجين في تلك العملية.[5]

أنواع التفاعلات الحفازة

يمكن تقسيم المحفزات إلى نوعين رئيسيين هما ؛ الحفز غير المتجانس والحفز المتجانس ، وفي التفاعل غير المتجانس ، يكون المحفز في طور مختلف عن المواد المتفاعلة، بينما في تفاعل متجانس ، يكون المحفز في نفس طور المواد المتفاعلة. فإذا نظرت إلى الخليط ورأيت حدودًا بين مكونين ، فإن هذه المواد في مراحل مختلفة ، ويتكون الخليط الذي يحتوي على مادة صلبة وسائلة من مرحلتين ، بينما يتكون مزيج من مواد كيميائية مختلفة في محلول واحد من مرحلة واحدة فقط ، لأنه لا يمكنك رؤية أي حدود بينهما. وقد تتساءل لماذا يختلف الطور عن مصطلح الحالة الفيزيائية (الصلبة أو السائلة أو الغازية) ؛ والإجابة لأنه يحتوي على المواد الصلبة والسوائل والغازات ، ولكنه في الواقع أكثر عمومية ، كما يمكن أن تنطبق أيضًا على سائلين مثل الزيت والماء ، فهما على سبيل المثال لا يذوبان في بعضهما البعض ، ويمكنك أن ترى الحد الفاصل بين السائلين.[6]

الحفز غير المتجانس

يتضمن الحفز غير المتجانس ، استخدام محفز في طور مختلف عن المواد المتفاعلة ، حيث تتضمن الأمثلة النموذجية محفزًا صلبًا مع المتفاعلات إما سوائل أو غازات.

مراحل الحفز غير المتجانس

يتم امتصاص واحد أو أكثر من المواد المتفاعلة على سطح المحفز في المواقع النشطة.
ثم يحدث الامتزاز وهو المكان الذي يلتصق فيه شيء ما بالسطح ، إنه ليس مثل الامتصاص حيث يتم تناول مادة داخل بنية مادة أخرى ، ويعني الإمتزاز ببساطة أن جزيئات المنتج تنفصل ، وهذا بدوره يترك الموقع النشط متاحًا لمجموعة جديدة من الجزيئات لإرفاقها والتفاعل معها.
ثم ترى الموقع النشط ، وهو عبارة عن جزء من السطح ، وهو جيد بشكل خاص في امتصاص الأشياء ومساعدتها على التفاعل.
ثم يحدث نوع من التفاعل بين سطح المحفز وجزيئات المتفاعل ، مما يجعلها أكثر تفاعلية ، وقد يتضمن هذا تفاعلًا فعليًا مع السطح ، أو بعض إضعاف الروابط في الجزيئات المرفقة.
ثم يحدث رد الفعل ، وفي هذه المرحلة ، قد يتم ربط كل من جزيئات المادة المتفاعلة بالسطح ، أو يمكن إرفاق أحدهما وضربه بواسطة الآخر الذي يتحرك بحرية في الغاز أو السائل.
يحتاج المحفز الجيد إلى امتصاص جزيئات المادة المتفاعلة بقوة كافية لتتفاعل ، ولكن ليس بقوة شديدة بحيث تلتصق جزيئات المنتج بشكل أو بآخر على السطح.
الفضة على سبيل المثال ، ليست محفزًا جيدًا لأنها لا تشكل ارتباطات قوية بما يكفي مع الجزيئات المتفاعلة ، والتنجستن من ناحية أخرى ، ليس محفزًا جيدًا لأنه يمتاز بقوة.
تعد المعادن مثل البلاتين والنيكل عوامل حفازة جيدة ؛ لأنها تمتاز بقوة كافية لحمل المواد المتفاعلة وتنشيطها ، ولكن ليس بقوة بحيث لا يمكن للمنتجات أن تنفصل.[7]

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 ، وتستخدم الرابطة المزدوجة بين فواصل ذرات الكربون والإلكترونات لربطها بسطح النيكل.
تمتز جزيئات الهيدروجين أيضًا على سطح النيكل ، وعندما يحدث هذا ، يتم تقسيم جزيئات الهيدروجين إلى ذرات ، يمكن أن تتحرك هذه على سطح النيكل.
إذا انتشرت ذرة الهيدروجين بالقرب من أحد ذرات الكربون المرتبط ، فسيتم استبدال الرابطة بين الكربون والنيكل بواحدة بين الكربون والهيدروجين.[8]

الحفز المتجانس

التحفيز المتجانس هو التحفيز في محلول بواسطة محفز قابل للذوبان ، يشير التحفيز المتجانس إلى التفاعلات الحفازة ؛ حيث يكون المحفز في نفس المرحلة مثل المواد المتفاعلة. ، وينطبق التحفيز المتجانس على التفاعلات في مرحلة الغاز وحتى في

المواد الصلبة

.

كذلك يعد الحفز المتجانس باستخدام مجمعات المعادن الانتقالية ، مجالًا بحثيًا ناميًا بشكل هائل في السنوات الأخيرة ، وقد تم الإعلان عن العديد من الاكتشافات الحفازة الرائعة من قبل الباحثين في الصناعة والأوساط الأكاديمية ، وتعد تلك المنطقة واحدة من المجالات البحثية المستخدمة في الصناعات الحديثة ، كإنتاج حمض الأسيتيك على سبيل المثال. وتعد الإنزيمات أبرز الأمثلة على المحفزات المتجانسة.[9]

مزايا الحفز المتجانس

تعتبر المحفزات المتجانسة فعالة في كونها انتقائية للغاية تجاه إنتاج المنتج المطلوب.
إذا كان التفاعل طاردا للحرارة ، فسوف يطلق الكثير من الحرارة ، لذلك من الأسهل إطلاق الحرارة من المحلول ، مقارنة لو كان المرء يستخدم محفزًا غير متجانس ، والذي يميل إلى أن يكون صلبًا غير قابل للذوبان في المحلول الذي يمتص المواد الموجودة في التفاعل معه.
يمكن للمفاعلات الوصول بسهولة إلى المحفز المتجانس ؛ لأنه موجود بالفعل في المحلول ، وهذا يعزز النشاط التحفيزي العالي.
من السهل توصيف الأنواع في المحلول ؛ على سبيل المثال مع تقنيات التحليل الطيفي المختلفة ، من الأنواع الممتززة على سطح صلب.

عيوب الحفز المتجانس

يجب فصل المحفز القادر على إذابة المحلول لاحقًا ، إذا كان سيتم إعادة تدويره لإعادة استخدامه ، وذلك وفقًا لمبادئ الكيمياء الخضراء.
قد يكون للمحفز المتجانس مشاكل في درجات الحرارة المرتفعة ، لأنه غير مرغوب فيه للمحلول ، الذي يحتوي على المحفز ، وأي مواد متفاعلة متطايرة للتبخر ، على الرغم من أن درجات الحرارة المرتفعة عادة ما تعزز تفاعلات أسرع.

أمثلة على الحفز المتجانس

رد الفعل بين أيونات البيرسلفات وأيونات اليوديد
أيونات بيرسلفات أو أيون بيروكسود كبريتات S2O82- ، وهي عوامل مؤكسدة قوية للغاية ، حيث تتأكسد أيونات اليود بسهولة كبيرة إمع

اليود

، ومع ذلك فإن التفاعل بينهما في المحلول في الماء بطيء جدًا ، حيث يحتاج التفاعل إلى تصادم بين أيونين سلبيين.
يمكن أن يكون المحفز إما أيونات الحديد (II) أو الحديد (III) ، التي يتم إضافتها إلى نفس المحلول ، هذا مثال جيد آخر على استخدام مركبات المعادن الانتقالية كمحفزات ؛ بسبب قدرتها على تغيير حالة الأكسدة.
تؤكسد أيونات البيرسلفات 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 يوديد اليود ، في هذه العملية يتم تقليلها مرة أخرى إلى أيونات الحديد (II) مرة أخرى.
تنطوي كلتا المرحلتين الفرديتين في التفاعل العام على تصادم بين

الأيونات الموجبة

والسالبة ، وسيكون هذا أكثر نجاحًا بكثير من الاصطدام بين أيونين سلبيين في التفاعل غير المحفز.
ماذا يحدث إذا استخدمت أيونات الحديد (III) كعامل حفاز بدلاً من أيونات الحديد (II) ، تحدث ردود الفعل ببساطة بترتيب مختلف.[10]