تحفيز

المواد المحفزة

ومن جهة أخرى، المواد المنشطة: هي مواد تستعمل للحصول على فعالية أو انتقائية أو ثباتية مرغوب بها.

وفي هذا السياق، المواد الداعمة: هي مواد تحمل عليها المواد الفعالة لتحسين مردود العملية الحفزية ومن أمثلتها الأكاسيد القاعدية مثل أكسيد المغنيزيوم وأكسيد الكالسيوم، والأكاسيد الحامضية مثل الأمونيا والسيليكا والمتعادلة مثل سيلكات الكالسيوم وأمونيات المغنيزيوم.

وفي السياق ذاته، الكبريتيدات: هي مركبات فلزية مثل كبريتيدات النيكل والكوبالت والحديد والموليبدنوم والتنجستن.

من جانب آخر، محفزات ثنائية الوظيفة: وهي محفزات متعددة الوظائف تتركب من محفزين أو أكثر، ومثل هذه الأنواع تستعمل في عمليات إعادة التشكيل الفلزي والتكسير بوجود الهيدروجين.

وفي هذا الصدد، القواعد: تشتمل محفزات القواعد الصلبة على أكاسيد وهيدروكسيدات وكربونات وسيليكات لفلزات قلوية ترابية وكذلك هيدريداتها وأميداتها والمبدلات الأيونية العضوية.

الكبريتات: منها كبريتات الألمنيوم والنحاس والبوتاسيوم.

الأملاح: وتشتمل على:

وفي السياق ذاته، الخلائط: هي عبارة عن مزيج من فلز فعال حفزياً مع فلز فعال أو غير فعال يمكن أن يزيد أو ينقص من الفعالية. ومن أمثلتها خلائط البلاتين مع الروديوم المستعملة في أكسدة النشادر والإريديوم مع النحاس المستعملة في عمليات إعادة التشكل الحفزي للألكانات.

ومن ناحية أخرى، هاليدات الفلزات: وتشتمل على كلوريد الألمنيوم، كلوريد النحاس، ثلاثي ورباعي كلوريد التيتانيوم.

ومن ناحية أخرى، أكاسيد شبة موصلة: هي مواد محفزة فعالة بشكل خاص لتفاعلات الأكسدة والاختزال.

إضافةً إلى ذلك، أكاسيد فلزية: هي أكاسيد بعض عناصر المجموعة الثانية والثالثة والرابعة والخامسة والعناصر الانتقالية وعناصر مجموعتي الانثانيوم والأكتنيوم وتنقسم هذه الأكاسيد إلى مجموعتين:

الفوسفات: فوسفات النيكل كالسيوم وفوسفات الألمنيوم.

من جانب آخر، الفلزات: مثل العناصر الانتقالية في الجدول الدوري ومن أهمها البلاتين والفضة والبلاديوم والموليبدنوم والكوبالت. وتتميز بفعالية عالية تجاه الأكسدة والهدرجة وإعادة التشكيل ونزع الهيدروجين.

ومن ناحية أخرى، مركبات فلزية: هي مجموعات الفلزات مثل (Fe-Ti)، (LaNi5) (CeCo3) تستعمل عادة في عمليات الهدرجة نظراً لصفتها الامتيازية العالية.

• معقدات تساندية فلزية: تستعمل في عمليات الهدرجة والبلمرة والأكسدة وغيرها.
• من أهم المواد المحفزة في الكيمياء:
• الكادميوم
• الزيوليت

وفي هذا السياق، المثبطات: تستعمل لتحسين انتقائية المحفزات الفلزية أو تثبيط التفاعل غير المرغوب به أو تسريع تفاعل ما مرغوب به.

في هذا الإطار، الأحماض: يتضمن هذا النوع من الحفزات الأكاسيد الصلبة لعناصر الدورة الثالثة من الجدول الدوري مثل أكاسيد الصوديوم والمغنيزيوم والألمنيوم والفسفور. وتتضمن كذلك أنواعاً أخرى من المحفزات الحامضية الصلبة مثل حمض الكبريت وحمض الفسفور المحملة على داعم.

إضافةً إلى ذلك، أكاسيد عازلة: تستعمل كمواد داعمة ومحفزة للتفاعلات القاعدية ومنها أكاسيد العناصر الغير انتقالية.

أمثلة

في هذا الإطار، ومثال ذلك زيادة سرعة تفكك كلورات البوتاسيوم بالحرارة عن طريق إضافة المحفز ثاني أكسيد المنجنيز إلى الكلورات. ويتبقى ثاني أكسيد المنجنيز كما هو في نهاية التفاعل. وعندما يؤدي المحفز إلى إعاقة التفاعل الكيميائي يطلق عليه «حافز سلبي».

مبدأ العمل

في هذا الإطار، ويوضح المنحنى الأحمر مسار تل الطاقة باستخدام المحفز، حيث يسير التفاعل عبر مركب وسطي.

من جهة ثانية، فيجري التفاعل أولا بارتباط المحفز بأحد المواد المتفاعلة مكونا مركبا وسطيا، ثم يسلمه إلى المادة الثانية الداخلة في التفاعل فينشأ جزيء المادة الناتجة. وينفصل المحفز ليعمل من جديد. ويوضح المنحنى الأحمر في الشكل كيف يخفض المحفز الكمون الكيميائي فيسهل التفاعل.

:

علاوةً على ذلك، ويتكون المركب الناتج AB عند النهاية الصغرى الحمراء، ثم ينفصل المحفز K ثانيا:

يسير التفاعل بين المادتين A و B على المنوال الآتي:

كذلك، ويعتمد الكمون الكيميائي على عدة عوامل منها القوى الرابطة بين الذرات في الجزيء الناتج.

وفي السياق ذاته، تنبع طريقة عمل المحفز من إمكانيته لتغيير سير التفاعل بحيث يخفض من طاقة التنشيط اللازمة لسير التفاعل. فلابد وأن تعبر المواد المتفاعلة تل الكمون الكيميائي لكي تتحد وتنتقل من اليسار إلى اليمين مكونة المركب Z. ويعمل المحفز على خفض طاقة الكمون الكيميائي (وتسمى أحيانا طاقة تنشيط) فيسهل التفاعل.

تبلغ طاقة التنشيط في حالة عدم وجود المحفز

الصناعة

وفي هذا السياق، التشرب: يتم غمر الداعم المسامي في محلول من المكون الفعال، مع إزالة المحلول الزائد بواسطة الترشيح أو القوة النابذة أو التقطير.

في هذا الإطار، الترسيب: تتم بتحضير الراسب البلوري أو اللابلوري أو الهلامي من أملاح المعادن المكونة للمحفز.

إضافةً إلى ذلك، تشكيل المواد المحفزة: يتم تشكيل المحفزات المستعملة في مفاعلات الطبقة الثابتة بواسطة آلات وقوالب خاصة إلى أشكال كروية أو أسطوانية مصمتة أو أسطوانية مفرغة أو حلقات أو حبيبات بأحجام مختلفة.

تُصْنَع المحفزات وفق ما يلي:

من جانب آخر، الانصهار: تتم بصهر بعض أنواع الأكاسيد الفلزية مثل Fe3O4 المحتوي على كميات قليلة من أكسيد الألمنيوم وأكسيد البوتاسيوم وأكسيد الكالسيوم.

ومن جهة أخرى، التجفيف والكلسنة: تعتمد مسامية المحفز المترسب على إجراءات التجفيف المستعملة لإزالة الرطوبة وماء الإهامة ويتم التجفيف عادة في أفران دوارة وتتم عملية الكلسنة بالمعالجة الحرارية بالأكسدة بوجود الأكسجين أو الهواء عند درجات حرارة عالية.

وفي هذا السياق، الاختزال: يتم تحضير المحفزات المعدنية بواسطة اختزال أكاسيد أو كلوريدات المكون الفعال وذلك باستخدام غاز الهيدروجين المخفف بغاز النيتروجين.

صفات

• يتصف المحفز الإيجابي بعدة صفات أهمها:
• أن يبقى المحفز دون تغيير في نهاية التفاعل الكيميائي.
• تـُحدث كمية صغيرة من المحفز تغير كبيراً في معدل التفاعل الكيميائي.

وفي هذا السياق، تتناسب سرعة التفاعل إلى حد ما مع كمية المحفز المستعمل في بعض الحالات.

في هذا الإطار، كل محفز له فعل نوعي "Specific" ويعني هذا أن المحفز الذي يصلح لتفاعل معين قد لا يكون له أي تأثير على تفاعل آخر.

في هذا الإطار، لا يحدث المحفز أي تغير في حالة التوازن الكيميائي، ولكنه يزيد من سرعة الوصول إلى حالة التوازن.

التطبيقات

نزع الهيدروجين من الألكانات: للحصول على مركبات أوليفينية.

من جهة ثانية، الألكلة: مثل ألكلة الأيزوبيوتان مع مركبات أوليفينة لإنتاج مواد إضافة لتحسين خواص وقود السيارات.

إضافةً إلى ذلك، إعادة التشكيل الحفزي: للنفثا لإنتاج وقود سيارات برقم أوكتان مرتفع.

وفي هذا الصدد، التكسير الحفزي: للمقطرات الثقيلة لإنتاج وقود السيارات والديزل ووقود الطائرات.

من جهة ثانية، التماكب: مثل تماكب النفثا أو البيوتان النظامي أو البنتان أو الهكسان لإنتاج مركبات هيدروكربونية متفرعة.

علاوةً على ذلك، تستعمل المحفزات في عمليات تكرير البترول والصناعات البتروكيميائية والكميائية غير العضوية ومن أهم العمليات التي تستعمل فيها المحفزات:

• الأكسدة: للحصول على مركبات أكسجينية عضوية.
• البلمرة:' للحصول على بوليمرات متنوعة وبوليمرات مشتركة.
• اقرأ كذلك
• تركيز
• معدل التفاعل
• ثابت معدل التفاعل
• توازن ترموديناميكي
• توازن دينامي
• تحفيز غير متجانس
• جزء مولي
• كتلة مولية
• نظام حركة حرارية
• قانون فاعلية الكتلة
• درجة التفاعل
• حفاز كرابتري
• روابط خارجية

عمليات التحفيز

في هذا الإطار، تحفيز متجانس: تحفيز يكون فيه طور المحفز من نفس طور المواد المتفاعلة. ويتكون من طور واحد (صلب أو سائل أو غاز).

وفي السياق ذاته، تحفيز أنزيمي: تحفيز تستعمل فيه مواد إنزيمية كمحفزات في التفاعلات الحيوية أو الحيوكيميائية.

من جانب آخر، تحفيز غير متجانس: تحفيز يكون فيه طور المحفز مختلف عن طور المواد المتفاعلة، إذ يمكن أن يكون المحفز صلباً في حين تكون المواد المتفاعلة غازية أو سائلة، يتكون من أكثر من طور.

محفز السيارة

وفي هذا الصدد، في محفز السيارة يتفاعل الغاز السام أول أكسيد الكربون (CO) ومركبات كربوهيدرات غير محترقة مع أكاسيد النتروجين

علاوةً على ذلك، ومن وجهة حماية البيئة فعن الاختيار السليم لنوع المحفز يعمل على خفض الطاقة المستهلكة، وخفض كميات المواد غير المرغوب فيها. ومن ضمن ذلك تنقية غازات العادم الصادرة من الصناعة وفي إنتاج الطاقة الكهربائية.

وفي السياق ذاته، كما تطبق المحفزات لتنقية عادم السيارة، حيث تمنع وجود مواد ضارة وتحويلها إلى مواد أقل ضررا.مثال:

من جانب آخر، وهو غير سام (ثاني أكسيد الكربون غاز خانق)، ونيتروجين وماء (H2O). وبذلك ينقي المحفز الغازات الضارة من عادم السيارة. وتستعمل في السيارات محفزات مصنوعة من البلاتين.

في هذا الإطار، وفي حالة إنتاج نواتج متعددة من خلال استخدام محفزات فيعمل المهندسون الكيميائيون على اختيار نوع المحفز المناسب للتفاعل، ويلعب هذا الاختيار دورا رئيسيا في عملية الإنتاج. ويختار المحفز عل أساس قدرته على تسريع التفاعل المرغوب، في نفس الوقت يجب تلافي منتجات غير مرغوب فيها أو أن توجد بنسب مهملة.

وفي هذا الصدد، يظهر تأثير المحفزات بشكل طبيعي من حولنا فمثلاً في الكائنات الحية تسير أغلب التفاعلات الكيميائية الحيوية مثل التنفس والتمثيل الضوئي أو إنتاج الطاقة من الغذاء ويدخل فيها عمل محفزات. وتتكون المحفزات في الكائنات الحية من بروتينات خاصة وإنزيمات.

NOx والأكسجين (O2) وتنتج ثاني أكسيد الكربون (CO2)

إضافةً إلى ذلك، ونظرا لأن المحفزات تخفض من طاقة التنشيط اللازمة للتفاعلات الكيميائية فهي تطبق كثيرا في الصناعة. ويجرى نحو 80 % من التفاعلات الكيميائية في الصناعة باستخدام المحفزات. وبدون المحفزات لاستغرقت التفاعلات الكيميائية أزمنة طويلة وقد لا تتم على الإطلاق.

وكما نرى نجد أن طاقة التنشيط

ومن ضمن استخدامات المحفزات تنقية عادم السيارة.

في تلك الحالة أقل.

من جهة ثانية، مع ملاحظة أن المحفز لا يغير من التوازن الكيميائي للتفاعل، حيث يكون تأثير المحفز متساويا في اتجاهي التفاعل (اتجاه التفاعل والتفاعل العكسي)، ولكن فاعلية المحفز هي أن يصل النظام إلى حالة التوازن بطريقة أسرع.

كذلك، ونأخذ مثال احتراق الهيدروجين باتحاده مع الأكسجين ليتكون الماء. هذا التفاعل تفاعل مناسب من وجهة الترموديناميكا حيث أن الطاقة الكلية للناتج AB أقل من مجموع الطاقتين الداخليتين للهيدروجين والأكسجين. فكان من المنتظر أن يسير التفاعل من نفسه، ولكن بسبب لزوم طاقة التنشيط (تل طاقة) عند درجة حرارة الغرفة يمتنع بدء التفاعل (يحتاج الهيدروجين والأكسجين لطاقة تنشيط مساوية للتغلب على تل الكمون الكيميائي، بذلك يسير التفاعل وينتج الماء). وفي وجود محفز من البلاتين تنخفض طاقة التنشيط مما يساعد على سير التفاعل في درجات حرارة منخفضة مثل درجة حرارة الغرفة.