يعلم الجميع أنه كلما قلت التكلفة في الصناعة كلما كانت المنتجات أكثر مبيعًا ومفضلة لدى الكثير من الناس، كما أن الشركات تبحث دائمًا عما يقلل تكلفة منتجاتها خاصة إذا كان المنتج غالي السعر على المستهلك ويتطلب مواد غالية الثمن في تصنيعه.

من أهم الأشياء التي تقلل تكلفة الصناعة هي المواد الحفازة كما سنبين لذا فإن المواد الحفازة هي أحد أهم الأشياء التي يسعى العلماء عليها لدورها الكبير في تقليل تكلفة الصناعة إلى حد كبير جدًا وهي الآن من أهم الجوانب في الكيمياء لأهميتها الكبيرة في التأثير على حياة البشر.

أحد أهم الصناعات التي إزدهرت بسبب المواد الحفازة هي صناعة الأمونيا حيث كانت تكلفتها عالية للغاية في الفترة ما قبل الحرب العالمية الاولى وقلت التكلفة جدًا فيما بعد عن طريق إضافة الحديد كعامل حفاز لتقليل الطاقة المطلوبة للتفاعل والذي قلل تكلفة الصناعة مباشرة فيما يسمى بطريقة هابر بوش نسبة للشخصين الذين طورا هذه الطريقة، أفادت هذه الطريقة البشرية إفادة عظيمة حيث أن إنتاج المخصبات الصناعية يعتمد مباشرة على الأمونيا والتي تعتمد عليها الزراعة بشكل أساسي، فبدون هذه الطريقة ما كنا لنرى هذا العدد من البشر الذين يعيشون على الكوكب في يومنا هذا.

تعريف:

تعريف المواد الحفازة يظهر في إسمها حيث أنها تعمل كمحفز للتفاعل فمثلا إذا كان التفاعل لا يحدث في درجة حرارة الغرفة في ظروفه العادية فان التفاعل يتم إذا تم إضافة العامل الحفاز إليه. إن العامل الحفاز بشكل عام هي المادة التي تعمل على تسريع معدل التفاعل باستخدام طاقة اقل من التي يتطلبها التفاعل بدون العامل الحفاز على ان تخرج من التفاعل كما هي لم يتغير في تركيبها شيء.

أهميتها:

كما ذكرنا من قبل فإن الأهمية الكبرى للعوامل الحفازة هي في تسهيل التفاعل عن طريق تقليل الطاقة والتكلفة التي يتطلبها مما يقلل من تكلفة الصناعة، لذا فإن معظم الصناعات في العالم تعتمد على العوامل الحفازة بنسبة تتراوح بين 85 الى 95% مما يثبت الأهمية الكبيرة لهذا الفرع في العلم، بالإضافة إلى أهميتها الكبيرة في الصناعة فإن للعوامل الحفازة أهمية كبيرة أيضا داخل الجسم فمعظم التفاعلات داخل جسم الإنسان هي تفاعلات محفزة عن طريق الإنزيمات والتي تعتبر عوامل حفازة متخصصة للغاية وبدون هذه الإنزيمات كان الجسم سيستهلك كمية عالية من الطاقة أكبر بكثير من قدرته مما سيؤدي إلى توقفه عن العمل، لذا كما نرى فإن العوامل الحفازة تعتبر أحد أهم أساسيات الحياة.

طريقة عملها:

طريقة العمل الأساسية للمحفزات هي بتقليل الطاقة التي يحتاجها التفاعل لكي يبدأ والتي تسمى بطاقة التنشيط (activation energy)، العامل الحفاز في الحقيقة لا يقلل طاقة التنشيط الخاصة بالتفاعل ولكنه يعمل على توفير طريق بديل ليسلكه التفاعل ويكون هذا الطريق أقل في استهلاكه للطاقة، لذا فوظيفة العلماء في هذا المجال هي إيجاد هذا الطريق الأسهل للتفاعل.

خلال هذه التفاعلات يتكون ما يسمى بالمركب الوسيط(intermediates) وهو عبارة عن الجزيئات المتكونة من تفاعل المادة الحفازة مع المواد الخام للتفاعل، هذه المواد تتفاعل مع بعضها البعض أو مع مواد التفاعل لتنتج المركبات النهائية المطلوبة من التفاعل وتستهلك هذه العملية طاقة أقل من تلك التي يستهلكها التفاعل بدون المواد الحفازة؛ في نهاية هذا التفاعل تخرج المواد الحفازة من التفاعل كما دخلت اليه، إن معظم هذه التفاعلات تكون معقدة وليس من السهل إكتشاف وجودها.

هذه الصورة توضح الشكل الذي يمكن أن يكون عليه التفاعل، في حالة التفاعل بدون العامل الحفاز يحتاج التفاعل إلى طاقة كبيرة كما هو موضح بالقوس المشار إليه بالسهم الأحمر والمكتوب عليه non-catalytic energy barrier، ولكن في حالة وجود العامل الحفاز قلت الطاقة المطلوبة للتفاعل، فقد ارتبط العامل الحفاز مع أحد مواد التفاعل مكونًا مركبًا وسيطًا ثم قامت مادة التفاعل الأخرى بالارتباط بهما ومع القليل من الطاقة ظهر ناتج التفاعل والمادة الحفازة (كما يظهر في المربع المنطقة المحاطة باللون الأصفر)، إذا فنحن نسعى إلى سلوك طريق سهل بإضافة العامل الحفاز يستهلك القليل من الطاقة بدلا من سلوك الطريق الوعر بدون العامل الحفاز والذي يستهلك الكثير من الطاقة.

أنواع التفاعلات المحفزة:

يمكن تقسيم التفاعلات المحفزة إلى نوعين أساسيين مختلفين وهما متجانسة (homogeneous) وغير متجانسة (heterogeneous)، دعنا نفرق في البداية بين الحالة المتجانسة والحالة غير المتجانسة، إن الحالة المتجانسة هي التي يكون فيها كل المكونات مندمجة معًا ولا يمكن التفريق بينهما بالعين المجردة مثل الماء والسكر فكلاهما متجانسان معًا في المحلول، اما الحالة غير المتجانسة تستطيع فيها التفريق بين الأشياء وبعضها البعض مثل الرمل والهواء أو الرمل والماء فأحدهما في حالة صلبة والاخر في حالة سائلة؛ نفس الأمر ينطبق على التفاعلات المحفزة، فإذا كان العامل الحفاز مثلًا ذائب مع مواد التفاعل في محلول فكلاهما في نفس الحالة ومندمجين معًا والذي يكون تفاعلًا متجانسًا، أما إذا كان العامل الحفاز صلبًا ومواد التفاعل سائلة او غازية يكون التفاعل غير متجانس؛ السبب الرئيسي في تفريق النوعين بهذه الطريقة هي أن التعامل مع كل حالة من الحالتين يكون مختلفا تمامًا.

الإنزيمات:

إن كلمة الإنزيمات تطلق في الأساس على المواد الحفازة الموجودة في الكائنات الحية وبعض منها تم استخدامه في بعض الصناعات ، إن الانزيمات هي العوامل الحفازة الأكثر تخصصًا وكفاءة حتى الان، هذا لأن كل إنزيم يتفاعل مع مركب محدد ولا يتفاعل مع المركبات الأخرى في الخلية على الرغم من تواجد العديد من المركبات المختلفة حوله فهو يعمل مثل القفل والمفتاح فلكل قفل مفتاح واحد فقط، أيضا هذا هو الحال بالنسبة للإنزيمات فلكل إنزيم مركب معين يعمل على تحفيز تفاعله ليعطي الناتج؛ الإنزيمات تعتبر من أهم العوامل الحفازة إن لم تكن أهمها على الإطلاق إذ أن معظم التفاعلات التي تحدث في الكائنات الحية تحتاج إلى طاقة عالية للغاية لتتم والتي لا تستطيع الخلايا الحية تحملها على الإطلاق، وهنا يقوم الإنزيم بدوره كعامل حفاز في تقليل الطاقة المطلوبة للتفاعل مما يمُكِن الخلايا من الإستمرار في أداء دورها.

إعداد / Mohamed Taweela

مراجعة / Esraa Adel

المصادر/

1. http://sc.egyres.com/e5TDM
2. http://sc.egyres.com/r22bp
3. http://sc.egyres.com/44HjY