بســـــم الله الرحمـــــن الرحيــــــم
ما الذي كان سيحدث لحياتنا على سطح الأرض لو أن التفاعلات الكيميائية بين العناصر أو المركبات كانت تحدث بسرعة كبيرة جدا وبمجرد التقاء احدها بالآخر.
تصور معنا ما كان يمكن أن يحدث إذا التقى غاز الهيدروجين بغاز الأكسجين وتفاعلا معا في الحال لتكوين الماء، أو إذا تلامس الحديد مع أكسجين الهواء الرطب وتفاعل معه فورا مكونا أكسيد الحديد الذي يظهر على هيئة مسحوق أحمر أو بني اللون، لو أن هذا حدث لما بقيت قطعة حديد على وجه الأرض، ولفقد الحديد صلابته المعروفة والتي جعلتنا نستخدمه في كثير من الأغراض .
وينطبق ذلك أيضا على بقية الغازات الأخرى التي نعرفها ونستخدمها في حياتنا اليومية، فسوف تتفاعل أيضا مع أكسجين الهواء في الحال، وتتحول إلى مساحيق مثل التراب، لا نفع فيها ولا جدوى منها، كما يحدث أيضا شيئا مماثل لكل المواد العضوية المعقدة التركيب، والتي تمتلئ بها خلايانا وخلايا جميع الكائنات الحية الأخرى ، و لتحولت هذه المواد العضوية إلى مواد بسيطة مثل أكاسيد الكربون والكبريت والفسفور وغيرها بمجرد ملامستها لأكسجين الهواء.
ولو أن التفاعلات الكيميائية كانت تحدث بهذه السرعة الفائقة لتغيرت طبيعة الأرض واختلفت اختلافا كبيرا عما هي عليه الآن، ولا بد أن سطح الأرض في هذه الحالة كان سيبدو غريبا بشكل كبير، فهو سيصبح بهذا الأسلوب عالما خاليا من كل أنواع الحياة ، و خاليا أيضا من الكيمياء، فكل التفاعلات الكيميائية التي جيب حدوثها قد حدثت بالفعل ، وكل ما سيتبقى على سطح الأرض في هذه الحالة عبارة عن مركبات أو مواد شديدة الثبات ولا يوجد لها أي ميل للتفاعل الكيميائي فيما بينها .
ومن حسن الحظ أن هذا الأمر لا يحدث إلا في القليل النادر، فأغلب التفاعلات الكيميائية تحدث ببطء كبير، ولا يحدث اغلبها عادة إلا إذا توافرت لها بعض الشروط والظروف المناسبة الخاصة ، فهناك حاجز سحري يعرف باسم (الطـــــاقة) ، وهذا الحاجز يمنع المواد من التفاعل فيما بينها إلا إذا وصلت طاقتها إلى حد معين يعرف باسم طاقة التنشيط ، أو زادت عليها قليلا .
وقد تبين بالتجربة أن لكل مادة طاقة تنشيط خاصة بها، ومن الطبيعي أن تكون طاقة أي مادة في الظروف العادية اقل بكثير من طاقة التنشيط الخاصة بها، ولهذا لا تتفاعل المواد مع بعضها في الظروف المعتادة بسبب قلة طاقتها.
ويؤدي رفع طاقة المادة إلى زيادة حركة جزيئاتها، ويلاحظ انه في الظروف المعتادة تكون حركة جزيئات المادة بطيئة، ومع ذلك فان عددا قليلا من هذه الجزيئات تكون سرعته كبيرة وتصل طاقتها إلى حدود طاقة التنشيط، ولكن نظرا لان عدد هذه الجزيئات النشيطة والسريعة قليل إلى حد كبير، فان التفاعل الكيميائي لا يحدث إلا بين مثل هذه الجزيئات النشيطة قليلة العدد، ولهذا قد يتعذر علينا ملاحظة هذا التفاعل الكيميائي، ويقال عندئذ أن التفاعل يحدث ببطء شديد ويكاد يكون متوقفا تماما.
وعند رفع درجة حرارة المادة تزداد حركة الجزيئات ويزداد عدد الجزيئات التي تملك قدرا من الطاقة مساويا لطاقة التنشيط، فيزداد بذلك معدل التفاعل بشكل ملحوظ.
وإذا أخذنا خليط غازي الأكسجين والهيدروجين مثالا لهذه التفاعلات، فإننا نجد انه عند درجة حرارة الغرفة لا يوجد بالخليط إلا عدد ضئيل جدا من الجزيئات عالية الطاقة، أي الجزيئات التي وصلت طاقتها إلى طاقة التنشيط أو زادت عليها، وتبدأ هذه الجزيئات في التفاعل معا، ولكن نظرا لضآلة عدد هذه الجزيئات فان التفاعل الكيميائي يكون متناهيا في البطء وغير ملحوظ على الإطلاق ، ولا تظهر بالخليط أية قطرات من الماء .
أما عند رفع درجة حرارة هذا الخليط، تبدأ أعداد هذه الجزيئات النشيطة وعالية الطاقة في الزيادة ومعنى ذلك أن عددا أكبر من جزيئات كل من الأكسجين والهيدروجين يستطيع أن يتعدى هذا الحاجز السحري للطاقة، وبذلك يصبح التفاعل بينهما محسوسا إلى حد كبير، وتبدأ بعض القطرات من الماء في التكون على سطح الإناء الحاوي لهذا الخليط.
وعند وصول درجة حرارة خليط الغازين إلى 550ْ س، فان كل الجزيئات الموجودة بهذا الخليط تصبح طاقتها مساوية لطاقة التنشيط؛ ولهذا يحدث التفاعل بينها جميعا في لحظة واحدة مما يؤدي إلى حدوث ما يشبه الانفجار.
و يتضح مما سبق أن حاجز الطاقة حاجز سحري فعلا فإذا كانت طاقة الجزيئات أقل من هذا الحاجز لا يسري التفاعل بينها، أو قد يسري ببطء شديد، أما إذا تعدت طاقة الجزيئات هذا الحاجز فان التفاعل الكيميائي يحدث في الحال.
ويتبين مما سبق أيضا أن درجة الحرارة كانت عاملا مساعدا على بدء التفاعل الكيميائي، وبمعنى آخر كانت عامل حفز يحتاج الأمر إلى وجوده حتى تتم مثل هذه التفاعلات.
وهناك عوامل حفز أخرى كثيرة اخرى تساعد على رفع التفاعل الكيميائي، ومثال ذلك أن إدخال سلك من البلاتين في خليط غازي الأكسجين والهيدروجين يبقى كما هو ولا يحدث به تغير من أي نوع ، فهو لم يكن طرفا في هذا التفاعل، وبذلك لا يتغير شكله أو وزنه أو تركيبه الكيميائي .
وأول من لاحظ هذه الظاهرة العالم الألماني " دوبراينر"، وتعرف هذه الظاهرة الآن باسم " الحفز" Catalysis
وعوامل الحفز المعروفة كثيرة، فهي قد تكون على هيئة فلزات او مساحيق صلبة أو أكاسيد أو أملاح أو قواعد مختلفة الأنواع، وقد يستخدم كل منها على حدة أو تستخدم على هيئة مخاليط من أكثر من نوع منها.
ويرجع التقدم الهائل في علم الكيمياء في خلال القرن العشرين إلى استخدام كثير من عوامل الحفز في أغلب التفاعلات الكيميائية، فكثير من هذه التفاعلات لا يسري إلا في وجود عامل مساعد، وحتى التفاعلات الحيوية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية تتم عادة بمساعدة عوامل حفز خاصة يطلق عليها اسم الإنزيمات، وهي مواد عضوية لا يستغنى عنها في جسم الكائن الحي.
ويلاحظ أن بعض عوامل الحفز لها أثر نوعي خاص بها، فقد يصلح الواحد منها لحفز تفاعل معين، ولا يصلح لحفز تفاعل آخر، ومثال ذلك أننا إذا استبدلنا سلك البلاتين في التفاعل بين غازي الأكسجين والهيدروجين، ويسلك الحديد أو بسلك من الألومنيوم، فان التفاعل بين هذين الغازين لا يحدث بل يبقى الخليط كما هو، ولهذا توصف عوامل الحفز بأن لها خاصية انتقائية .
ومن أمثلة تفاعلات الحفز المشهورة العملية التي تتم فيها هدرجة الزيوت غير المشبعة وتحويلها إلى مسلى صناعي في وجود غاز الهيدروجين إلى الرابطة الغير مشبعة في الزيت الصناعي ، وعادة ما يكون عامل الحفز في هذا التفاعل هو فلز البلاتين المجزأ تجزيئا دقيقا .
كذلك يستخدم عامل حفز في تحضير غاز النشادر في الصناعة؛ لأن التفاعل الكيميائي بين غازي الهيدروجين والنيتروجين تفاعل محدود الكفاءة حتى في وجود الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة، ولكن معدل هذا التفاعل يزداد كثيرا في وجود عامل حفز من خليط من أكاسيد البوتاسيوم والألومنيوم مع فلز الحديد الذي يكون على هيئة برادة دقيقة الحبيبات .
وهناك مواد أخرى تعرف باسم " المعجلات" Promotors وهي مواد تزيد من نشاط عامل الحفز وترفع من قدرته على زيادة معدل التفاعل، وهذه المعجلات لا تعد عوامل حفز، فهي عندما تستخدم وحدها لا تغير معدل التفاعل الكيميائي لا بالسلب ولا بالإيجاب، ولكن يظهر أثرها فقط عندما يوجد معها عامل حفز.
ومن أمثلة هذه المعجلات وجود بعض الشوائب في سلك البلاتين المستخدم في حفز التفاعل بين الأكسجين والهيدروجين فان وجود آثار من الحديد أو الألومنيوم أو السليكون في سلك البلاتين يزيد كثيرا من قدرة الحفز، ويؤدي إلى زيادة معدل التفاعل بين الغازين بنسبة أكبر مما يسببه سلك البلاتين النقي ، وبذلك يمكن اعتبار هذه الشوائب من المعجلات رغم أن الحديد أو الألومنيوم أو السليكون لا تؤدي إلى حفز التفاعل عند استخدامها وحدها.
وهناك أيضا بعض المواد التي تقلل من فعل عامل الحفز ويطلع عليها " المثبطات"، وبعض هذه المواد قد يقلل من معدل التفاعل الكيميائي ، وبعضها الآخر قد يوقف التفاعل كلية .
ويمكن للضوء أن يقوم بعمل عامل الحفز في بعض الحالات ، ومثال ذلك أننا إذا خلطنا غازي الهيدروجين والكلور معا ووضعنا هذا الخليط في مكان مظلم بعيدا عن الضوء ، فان التفاعل بينهما يسري ببطء شديد وقد لا يمكن ملاحظته ، أما إذا عرضنا هذا الخليط لضوء الشمس المباشر ، فان التفاعل يحدث بينهما في الحال ،وقد ينفجر الخليط بعنف.
وسبه فعل الضوء في هذا التفاعل فعل درجة الحرارة ، فإذا رفعت درجة حرارة خليط غازي الكلور والهيدروجين إلى 700ْس ، فان التفاعل يحدث في الحال وينفجر الخليط ، والسبب في ذلك أن رفع درجة الحرارة زاد من حركة الجزيئات ورفع طاقتها إلى طاقة التنشيط وبذلك زادت أعداد الاصطدامات التي تحدث بينهما فتحولت إلى ذرات مفردة نشيطة تفاعلت معا في الحال مكونة كلوريد الهيدروجين .
ويحدث شيء مماثل في حالة الضوء، فالضوء يتكون من كمات من الطاقة ، ( من الفوتونات ) وبكل كمة من هذه الكمات طاقة عالية تزيد على الطاقة اللازمة لتنشيط الجزيئات ، وعندما تصطدم إحدى هذه الكمات بجزيء الكلور مثلا، فان الطاقة التي تحملها كمة الضوء تنتقل إلى جزيء الكلور ، وتؤدي إلى فصل هذا الجزيء إلى ذرتين مفردتين من الكلور على درجة عالية من النشاط.
وتعرف ذرات الكلور الناتجة بأنها ذرات مثارة ، وهي ذرات عالية الطاقة ، وهي عندما تصطدم بجزيئات الهيدروجين تنتزع منها ذرة هيدروجين واحدة وتترك الذرة الأخرى في حالة مثارة ، وسريعا ما تهاجم ذرة الهيدروجين المثارة جزيئا آخر من الكلور لتنتزع منه ذرة كلور وتترك الأخرى في حالة مثارة، وتتكرر هذه العملية بسرعة هائلة ، وقد لا تستغرق إلا جزءا واحدا من الثانية وتؤدي بذلك إلى انفجار الخليط .
وتعرف مثل هذه التفاعلات باسم ( التفاعلات المتسلسلة ) وهي تفاعلات تحدث بسرعة هائلة، ولا ينتهي التفاعل الذي قد لا يأخذ أكثر من جزء من الثانية ، إلا بعد أن تتفاعل معا كل ذرات الهيدروجين الكلور.
د. احمد مدحت اسلام
اطيب تحياتي >> ترانيــــم
عرض المشاركات
'>
