ما هي الحفازات أو الوسائط
كثيرًا ما نصادف كلمة الحفازات أو الوسائط أثناء دراسة التفاعلات الكيميائية في دروس الكيمياء، إذ أن بعض التفاعلات الكيميائية تحدث مباشرةً بمجرد ضم المواد مع بعضها البعض، لكن بعضها الآخر يتطلب وقتًا طويلًا ووسطاء ومواد لإتمام التفاعل، هذه المواد هي الحفازات التي سنتعرف عليها في مقالنا.
ما هي الحفّازات
الحفازات أو الوسائط أو المحفزات جميعها مصطلحاتٌ تشير إلى المواد المستخدمة لتعديل التفاعلات الكيميائية لأغراضٍ تجاريةٍ، إذ تعتمد المصانع في عملها على المحفزات لصناعة كل شيءٍ بدءًا من البلاستيك إلى الأدوية وتكرير النفط، حيث يتم التفاعل بسرعةٍ أكبر باستخدام الحفازات بحيث تصبح الجزيئات التي تستغرق سنواتٍ لإتمام التفاعل قادرةً على ذلك خلال ثوانٍ معدودةٍ..
خلال أي تفاعلٍ كيميائيٍّ تتفكك الروابط الكيميائية بين ذرات الجُزيئات المتفاعلة لتوليد روابط جديدة مع ذرات المواد الأخرى، تتم هذه العملية في بعض التفاعلات بسهولةٍ، لكنها في بعضها الآخر تكون أكثر صعوبةً؛ وذلك بسبب الاستقرار الكبير لجزيئات المواد المتفاعلة، الأمر الذي يزيد الوقت اللازم لفك ارتباطات ذراتها، لذا تتم إضافة المحفزات لتسهيل عملية الانقسام وإعادة ترابط الذرات مع الذرات الأخرى وجعلها تتم بكفاءةً وسرعةٍ أكبر، وذلك عن طريق تخفيض طاقة التنشيط للتفاعل الكيميائي، أي كأن تقوم ببناء طريقٍ مرصوفٍ تسلكه الذرات بدلًا من أن تسلك الطرق الوعرة، بعد انتهاء الحفازات من عملها تتنحى جانبًا كما دخلت (تحافظ على تركيبها وحجمها) دون أن تأثر على النتائج..
خصائص الحفازات
تتمتع الحفازات بالعديد من الخصائص المهمة، منها:
- تبقى الحفازات في نهاية التفاعل كما كانت في بدايته، أي لا يطرأ عليها أي تغييرٍ في كتلتها أو تركيبها الكيميائي.
- لا تحتاج التفاعلات سوى كميات قليلة من المحفزات لإتمام التفاعل.
- لا تغير الحافزات ثابت توازن التفاعلات الكيميائية.
- تعمل المحفزات بأقصى حدٍّ من نشاطها عند درجة حرارةٍ معينةً تُعرف باسم درجة الحرارة المثلى للمحفز.
- يحدد نوع المحفز نوع المواد الناتجة من التفاعل.
- لا يمكن للمحفزات أن تحدث أي ردة فعلٍ غير متوقعةٍ أو تفاعل جديد.
- يوجد بعض المواد التي تزيد من نشاط عمل المحفز تعرف باسم المسرعات، أو تقلل منه وتُعرف عندها باسم المثبطات..
أنواع الحفازات
تقسم الحفازات إلى عدة أنواعٍ مختلفةً بناءً على حاجات أو متطلبات التفاعل، منها:
- الحفازات الإيجابية: هي المحفازات التي تزيد من معدل التفاعل الكيميائي من خلال تقليل طاقة التنشيط اللازمة للتفاعل، فيتم الحصول على كمياتٍ أكبر من المواد بعد انتهاء التفاعل، ومن أمثلتها أوكسيد الحديد الذي يستخدم في عملية هابر، وهي طريقةٌ صناعيّةٌ لتحضير غاز النشادر (الأمونيا NH3).
- الحفازات السلبية: هي المحفازات التي تقلل من معدل التفاعل الكيميائي من خلال زيادة طاقة التنشيط اللازمة للبدء بالتفاعل، الأمر الذي يسبب قلة نتائج التفاعل، من أمثلتها الأسيتانيليد الذي يؤخر تحلل بيروكسيد الهيدروجين في الماء والأكسجين.
- الحفازات الكيميائية: تعد هذه المحفازات نوعًا من المحفازات الإيجابية، إذ تزيد من معدل التفاعلات الكيميائية، وتقسم إلى ثلاثة أنواعٍ اعتمادًا على طبيعة المادة المستخدمة في التحفيز، وهي:
- الحفازات غير المتجانسة: تكون المواد المستخدمة في هذا النوع من التحفيز مختلفةً بطبيعتها المادية عن المواد الكيميائية، أي على سبيل المثال تكون المواد الكيميائية المطلوب تفاعلها ذات طبيعةٍ غازيةٍ بينما المحفز ذو طبيعةٍ صلبةٍ أو سائلةٍ، مثل عملية تصنيع حمض الكبريتيك (H2SO4)، إذ يكون كل من ثاني أوكسيد الكبريت والأوكسجين غاز، بينما يكون المحفز المستخدم هو خامس أكسيد الفناديوم الصلب (V₂O₅).
- الحفازات المتجانسة: تكون المواد المستخدمة في هذا النوع من التحفيز مماثلةً بطبيعتها المادية للمواد الكيميائية المتفاعلة، على سبيل المثال في عملية تحضير حمض الكبريتيك (H2SO4) يمكن استخدام غاز أحادي أوكسيد النيتريك (NO) لإتمام التفاعل بين ثاني أوكسيد الكبريت (SO2) والأوكسجين(O2).
- الحفازات الذاتية: في هذا النوع لا يتم إضافة أي محفزاتٍ بل تعمل المواد الكيميائية المتفاعلة نفسها كمحفزاتٍ، على سبيل المثال في تفاعل البيرمنغنات (MnO4) مع حمض الأكساليك (H2C2O4) تعمل شوارد Mn+2 كمحفزٍ للتفاعل..
- الإنزيمات: هي عبارةٌ عن مجموعةٍ من البروتينات المكونة من الحموض الامينية والتي تعمل كمحفزاتٍ في تفاعلات الكيمياء الحيوية، إذ تلعب دورًا أساسيًّا في تفاعلات الضمن في الجسم، بدءًا من نسخ المواد الوراثية إلى عملية الهضم، تحوي هذه الأنزيمات على جزيئاتٍ تسمى مواقع ربط الركائز (أو المستقبلات)، أما الجزيئات التي ستعمل عليها تسمى الركائز، تكون الأحماض الأمينية المكونة للأنزيمات ذات توزيعٍ مختلفٍ للشحنات على أطرافها، وهي الميزة التي تكسبها خصائصها التحفيزية..