أنواع العوامل المساعدة ومفهومها في الكيمياء

مقدمة في العوامل المساعدة

في الكيمياء تعد العوامل المساعدة عبارة عن مواد يتم إضافتها للتفاعل الكيميائي؛ من أجل زيادة سرعة التفاعل دون أن يتم استهلاك هذه المواد، كما أنها غالبا تضاف العوامل المساعدة بكميات قليلة، وهي تعمل على تقليل طاقة التنشيط للتفاعل، وهناك أيضا شيء مشابه وهي الإنزيمات التي هي عبارة عن محفزات تظهر بشكل طبيعي وتكون مسؤولة عن الكثير من التفاعلات الكيميائية الحيوية الأساسية.

في الواقع إن أغلب المحفزات أو العوامل المساعدة الصلبة تكون عبارة عن إما معادن أو أكاسيد وكبريتيدات وهاليدات العناصر المعدنية والعناصر شبه المعدنية سواء من البورون أو الألمنيوم أو السيليكون، كما وتستعمل المحفزات من النوع الغازي أو السائل بشكل منتشر إما في شكلها النقي أو ربما في توليفة مع مواد حاملة أو مذيبات مناسبة، كما أنه عادة ما تكون المحفزات الصلبة مشتتة في مواد أخرى تعرف باسم حوامل المحفزات.

في الصورة العامة فإن العملية التحفيزية هي عبارة عن عملية يحدث فيها تفاعل كيميائي بين كلا من المحفزات أو العوامل المساعدة مع المتفاعل؛ من أجل تكوين مواد وسيطة تكون قادرة على التفاعل بسهولة أكبر مع بعضها البعض، أو مع مادة متفاعلة أخرى من أجل الحصول على الناتج النهائي المطلوب، وأثناء التفاعل بين المواد الوسيطة والمتفاعلات يتم تجديد المحفز.

في الحقيقة فإن هناك اختلاف في نمط التفاعل بين كلا من العوامل المساعدة والمتفاعلات بشكل واضح، حيث أنه عادة ما تكون في المواد المساعدة الصلبة معقدة، ومن هذه التفاعلات هي التفاعلات الحمضية والقاعدية وتفاعلات الأكسدة والاختزال بالإضافة إلى تكوين معقدات التنسيق وتشكيل الجذور الحرة.

مع المواد المساعدة الصلبة تتأثر طريقة التفاعل الكيميائي بشكل واضح بخصائص السطح وكلا من الهياكل الإلكترونية أو الهياكل البلورية، كما أن بعض المواد المساعدة الصلبة المعينة تعرف باسم المحفزات ذو الوظائف المتعددة وهي تكون تمتلك المقدرة على أكثر من نمط واحد من التفاعل مع المواد المتفاعلة كما وتستخدم المحفزات ثنائية الوظيفة على نطاق واسع لإصلاح التفاعلات في صناعة البترول.

تشكل التفاعلات المحفزة أساس العديد من العمليات الكيميائية الصناعية، حيث يعتبر تصنيع المحفز أو العامل المساعد بحد ذاته عملية صناعية سريعة النمو، والجدول التالي سيوضح بعض العمليات الكيميائية والمحفزات المستخدمة:

تاريخ العوامل المساعدة والمحفزات

• مصطلح التحفيز (من الكلمة اليونانية kata “down” و lyein “loosen”) استخدمه الكيميائي السويدي العظيم يونس جاكوب برزيليوس في عام 1835 ميلادي؛ لربط مجموعة من الملاحظات التي قام بها الكيميائيون الآخرون في أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن الثامن عشر.

• القرن التاسع عشر، تضمنت هذه التحولات المعززة لمادة النشا إلى سكر بواسطة الأحماض التي لاحظها غوتليب كيرشوف لأول مرة، وهناك ملاحظات السيد ديفي أن عنصر البلاتين يسرع من عملية احتراق مجموعة متنوعة من الغازات.

• تم اكتشاف استقرار بيروكسيد الهيدروجين في المحلول الحمضي، ولكن أيضا يتحلل في وجود كلا من القلويات والمعادن المختلفة مثل معدن المنغنيز ومعدن الفضة ومعدن البلاتين ومعدن الذهب، والملاحظة أن أكسدة الكحول إلى حمض الأسيتيك تتم في وجود البلاتين المقسم بدقة.

• في عام 1834 ميلادي قام العالم الإنجليزي مايكل فاراداي بفحص قوة صفيحة البلاتين؛ من أجل إنجاز إعادة تركيب الهيدروجين الغازي والأكسجين (وهي نواتج التحليل الكهربائي للماء) وتأخر إعادة التركيب بسبب وجود غازات أخرى مثل الإيثيلين والكربون وأول أكسيد.

• أكد فاراداي أن من لابد وجود سطح معدني نظيف تمامًا للنشاط، حيث أنه من الممكن للغازات المثبطة أن تتنافس مع الغازات المتفاعلة وبالتالي قمع النشاط.

• تضمنت العديد من الفنون التقنية البدائية تطبيقات غير واعية للمحفزات، ولقد تم توسيع النظر بالعوامل المساعدة والمحفزات والاهتمام بها على مدى الأيام ومع تطور العلم والكيمياء، وجدت العوامل المساعدة نفسها عمل مهم في العديد من التفاعلات.

تصنيف العوامل المساعدة وأنواعها

من الممكن أن يتم تصنيف المحفزات بشكل عام وفقًا لحالتها الفيزيائية أو طبيعتها الكيميائية أو ربما طبيعة التفاعلات التي تحفزها، قد تكون المحفزات غازات أو سوائل أو مواد صلبة، وقد تكون متجانسة أو غير متجانسة:

المحفزات أو العوامل المساعدة المتجانسة

عندما يتواجد كلا من العامل المساعد والمواد المتفاعلة معًا في حالة واحدة من المادة، عادةً إما كغاز أو سائل فمن الشائع أن يتم تصنيف التفاعلات كحالات تحفيز متجانس، وتعمل أكاسيد النيتروجين كمحفزات لأكسدة ثاني أكسيد الكبريت في عملية غرفة الرصاص لإنتاج حمض الكبريتيك، وهو مثال على التحفيز المتجانس حيث يكون المحفز والمتفاعلات عبارة عن غازات.

تعمل آثار بخار الماء على تحفيز بعض تفاعلات الغاز مثلا تفاعل أول أكسيد الكربون والأكسجين، والذي يستمر ببطء فقط في الظروف الجافة، وهناك حمض الكبريتيك المستخدم كمحفز؛ والذي يساهم في تكوين ثنائي إيثيل إيثر من كحول الإيثيل هو مثال على التحفيز المتجانس في الطور السائل، وبهذه الطريقة يمكن أن يتم تحويل كميات كبيرة من الكحول إلى الأثير بشحنة واحدة من حامض الكبريتيك.

أفضل مثال على تفاعل تسلسلي يبدأ بالضوء هو التوليف الضوئي للهيدروجين (H2) والكلور (Cl2)، ويمكن تكوين ما يصل إلى مليون جزيء من كلوريد الهيدروجين عن طريق امتصاص كمية ضوء واحدة (يُشار إليها بـ hν).

المحفزات غير المتجانسة

تُعرف العديد من العمليات التحفيزية التي لا يوجد فيها المحفز والمتفاعلات في نفس المرحلة أي لا يشتركان بحالة المادة، وهذه التفاعلات التحفيزية تسمى غير المتجانسة، وهي تشمل التفاعلات بين الغازات أو السوائل أو كليهما على سطح محفز صلب.

ونظرًا لأن السطح هو المكان الذي يحدث فيه التفاعل، فإنه يتم تحضيره بشكل عام بطرق تنتج مساحات واسعة لكل وحدة من المحفز، ولقد تم استعمال المعادن المقسمة بدقة والشاش المعدني أيضا والمعادن المدمجة في المصفوفات الداعمة والأغشية المعدنية في التحفيز غير المتجانس الحديث، كما ويتم استخدام المعادن نفسها أو يتم تحويلها إلى أكاسيد أو كبريتيدات أو هاليدات.

كما يتم امتصاص الهيدروجين كيميائيًا بسهولة بواسطة العديد من المعادن حتى في درجات حرارة الهواء السائل (أقل من -180 درجة مئوية [290 درجة فهرنهايت])، مع سلسلة من محفزات الهدرجة ونزع الهيدروجين مثل أكسيد الزنك وأكسيد الكروم (ZnO – Cr2O3) وغالبًا ما يحدث امتصاص الهيدروجين فوق درجة حرارة الغرف.