التحفيز

التحفيز ( / kə ˈ t æ l ə s ɪ s / ) هو زيادة معدل التفاعل الكيميائي بسبب إضافة مادة تُعرف باسم المحفز [1] [2] ( / ˈ k æ t əl ɪ s t / ). لا يستهلك التفاعل المحفزات وتظل دون تغيير بعده. [3] إذا كان التفاعل سريعًا ويعاد تدوير المحفز بسرعة، فغالبًا ما تكون كميات صغيرة جدًا من المحفز كافية؛ [4] يعد الخلط ومساحة السطح ودرجة الحرارة عوامل مهمة في معدل التفاعل. تتفاعل المحفزات عمومًا مع متفاعل واحد أو أكثر لتكوين وسيطات تعطي لاحقًا ناتج التفاعل النهائي، في عملية تجديد المحفز.
تحدث زيادة المعدل لأن المحفز يسمح بحدوث التفاعل بواسطة آلية بديلة قد تكون أسرع كثيرًا من الآلية غير المحفزة. ومع ذلك، تظل الآلية غير المحفزة ممكنة، بحيث لا يمكن للمعدل الإجمالي (المحفز بالإضافة إلى غير المحفز) أن يزداد إلا في وجود المحفز ولا ينخفض أبدًا. [5]
يمكن تصنيف التحفيز إما على أنه متجانس ، حيث تكون مكوناته موزعة في نفس الطور (عادةً غازي أو سائل) مثل المتفاعل، أو غير متجانس ، حيث لا تكون مكوناته في نفس الطور. غالبًا ما تُعتبر الإنزيمات والمحفزات الحيوية الأخرى فئة ثالثة.
التحفيز موجود في كل مكان في الصناعة الكيميائية من جميع الأنواع. [6] تشير التقديرات إلى أن 90٪ من جميع المنتجات الكيميائية المنتجة تجاريًا تنطوي على محفزات في مرحلة ما من عملية تصنيعها.
مصطلح "محفز" مشتق من الكلمة اليونانية καταλύειν ، kataluein ، والتي تعني "فك" أو "حل". تم اختراع مفهوم التحفيز بواسطة الكيميائية إليزابيث فولهام ، بناءً على عملها الجديد في تجارب الأكسدة والاختزال. [7] [8]
المبادئ العامة
مثال
ومن الأمثلة التوضيحية على ذلك تأثير المحفزات في تسريع تحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين :
- 2H2O2 → 2H2O + O2
يحدث هذا التفاعل لأن منتجات التفاعل أكثر استقرارًا من المركب الأولي، ولكن هذا التحلل بطيء جدًا لدرجة أن محاليل بيروكسيد الهيدروجين متوفرة تجاريًا. في وجود محفز مثل ثاني أكسيد المنغنيز، يستمر هذا التفاعل بسرعة أكبر بكثير. يُرى هذا التأثير بسهولة من خلال فوران الأكسجين. [9] لا يتم استهلاك المحفز في التفاعل، ويمكن استعادته دون تغيير وإعادة استخدامه إلى أجل غير مسمى. وفقًا لذلك، يُقال إن ثاني أكسيد المنغنيز يحفز هذا التفاعل. في الكائنات الحية، يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة الإنزيمات (البروتينات التي تعمل كمحفزات) مثل الكاتالاز .
ومن الأمثلة الأخرى تأثير المحفزات على تلوث الهواء وتقليل كمية أول أكسيد الكربون. ويعد تطوير المحفزات النشطة والانتقائية لتحويل أول أكسيد الكربون إلى منتجات مرغوبة أحد أهم أدوار المحفزات. يساعد استخدام المحفزات لهدرجة أول أكسيد الكربون في إزالة هذا الغاز السام والحصول أيضًا على مواد مفيدة. [10]
الوحدات
الوحدة المشتقة من النظام الدولي للوحدات لقياس النشاط التحفيزي للمحفز هي الكاتال ، والتي يتم قياسها بالمول في الثانية. يمكن وصف إنتاجية المحفز برقم الدوران (أو TON) والنشاط التحفيزي بتردد الدوران (TOF)، وهو وحدة TON لكل وقت. المكافئ الكيميائي الحيوي هو وحدة الإنزيم . لمزيد من المعلومات حول كفاءة التحفيز الأنزيمي، راجع المقال حول الإنزيمات .
آليات التفاعل التحفيزي
بشكل عام، تحدث التفاعلات الكيميائية بشكل أسرع في وجود محفز لأن المحفز يوفر آلية تفاعل بديلة (مسار تفاعل) ذات طاقة تنشيط أقل من الآلية غير المحفزة. في الآليات المحفزة، يتم تجديد المحفز. [11] [12] [13] [14]
كمثال بسيط يحدث في الطور الغازي، يمكن تحفيز التفاعل 2SO 2 + O 2 → 2SO 3 عن طريق إضافة أكسيد النيتريك . يحدث التفاعل في خطوتين:
- 2NO + O2 → 2NO2 ( تحديد المعدل)
- NO 2 + SO 2 → NO + SO 3 (سريع)
يتم تجديد محفز أكسيد النيتروجين. المعدل الإجمالي هو معدل الخطوة البطيئة [14]
- v = 2k1 [ NO] 2 [O2 ] .
من أمثلة التحفيز غير المتجانس تفاعل الأكسجين والهيدروجين على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO 2 أو تيتانيا ) لإنتاج الماء. أظهر المجهر النفقي الماسح أن الجزيئات تخضع للامتصاص والتفكك . تنتشر ذرات الأكسجين والهيدروجين المنفصلة المرتبطة بالسطح معًا. حالات التفاعل الوسيطة هي: HO 2 و H 2 O 2 ثم H 3 O 2 وناتج التفاعل ( ثنائيات جزيئات الماء ) ، وبعد ذلك يتم امتصاص جزيء الماء من سطح المحفز. [15] [16]
طاقة التفاعل

تعمل المحفزات على تمكين مسارات تختلف عن التفاعلات غير المحفزة. تتمتع هذه المسارات بطاقة تنشيط أقل . وبالتالي، فإن المزيد من التصادمات الجزيئية لديها الطاقة اللازمة للوصول إلى حالة الانتقال . وبالتالي، يمكن للمحفزات تمكين التفاعلات التي قد يتم حظرها أو إبطائها بخلاف ذلك بواسطة حاجز حركي. قد يزيد المحفز من معدل التفاعل أو الانتقائية، أو يمكّن التفاعل عند درجات حرارة أقل. يمكن توضيح هذا التأثير من خلال رسم تخطيطي لملف الطاقة .
في التفاعل الأولي المحفز ، لا تغير المحفزات مدى التفاعل: ليس لها تأثير على التوازن الكيميائي للتفاعل. لا تتأثر نسبة معدلات التفاعل الأمامي والعكسي (انظر أيضًا الديناميكا الحرارية ). يصف القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب عدم تغيير المحفز للتوازن الكيميائي للتفاعل. افترض أن هناك محفزًا يغير التوازن. سيؤدي إدخال المحفز إلى النظام إلى حدوث تفاعل للانتقال إلى التوازن الجديد، مما ينتج عنه طاقة. يعد إنتاج الطاقة نتيجة ضرورية لأن التفاعلات تكون عفوية فقط إذا تم إنتاج طاقة جيبس الحرة ، وإذا لم يكن هناك حاجز طاقة، فلا توجد حاجة إلى محفز. بعد ذلك، فإن إزالة المحفز سيؤدي أيضًا إلى حدوث تفاعل ينتج طاقة؛ أي أن الإضافة وعملية عكسها، الإزالة، ستنتجان طاقة. وبالتالي، فإن المحفز الذي يمكنه تغيير التوازن سيكون آلة حركة دائمة ، وهو تناقض لقوانين الديناميكا الحرارية. [17] وبالتالي، فإن المحفزات لا تغير ثابت التوازن. (ومع ذلك، يمكن للمحفز تغيير تركيزات التوازن من خلال التفاعل في خطوة لاحقة. ثم يتم استهلاكه أثناء تقدم التفاعل، وبالتالي فهو أيضًا متفاعل. ومن الأمثلة التوضيحية التحلل المائي للإسترات المحفز بالقاعدة ، حيث يتفاعل حمض الكربوكسيل الناتج على الفور مع المحفز القاعدي وبالتالي يتحول توازن التفاعل نحو التحلل المائي.)
يعمل المحفز على تثبيت حالة الانتقال أكثر من تثبيته لمادة البدء، فهو يقلل من الحاجز الحركي عن طريق تقليل الفرق في الطاقة بين مادة البدء وحالة الانتقال، ولا يغير الفرق في الطاقة بين مواد البدء والمنتجات (الحاجز الديناميكي الحراري)، أو الطاقة المتاحة (التي توفرها البيئة على شكل حرارة أو ضوء).
المفاهيم ذات الصلة
بعض ما يسمى بالمحفزات هي في الواقع محفزات أولية . تتحول المحفزات الأولية إلى محفزات في التفاعل. على سبيل المثال، يفقد محفز ويلكينسون RhCl(PPh 3 ) 3 ربيطة ثلاثية فينيل فوسفين قبل الدخول في الدورة الحفزية الحقيقية. المحفزات الأولية أسهل في التخزين ولكن يتم تنشيطها بسهولة في الموقع . وبسبب خطوة التنشيط المسبق هذه، تنطوي العديد من التفاعلات الحفزية على فترة تحريض .
في التحفيز التعاوني ، تسمى الأنواع الكيميائية التي تعمل على تحسين النشاط التحفيزي بالمحفزات المساعدة أو المحفزات .
في التحفيز المترادف يتم ربط اثنين أو أكثر من المحفزات المختلفة في تفاعل وعاء واحد.
في التحفيز الذاتي ، يكون المحفز ناتجًا للتفاعل الكلي، على النقيض من جميع أنواع التحفيز الأخرى التي تمت مناقشتها في هذه المقالة. أبسط مثال على التحفيز الذاتي هو تفاعل من النوع A + B → 2 B، في خطوة واحدة أو عدة خطوات. التفاعل الكلي هو فقط A → B، بحيث يكون B ناتجًا. ولكن نظرًا لأن B هو أيضًا متفاعل، فقد يكون موجودًا في معادلة المعدل ويؤثر على معدل التفاعل. مع تقدم التفاعل، يزداد تركيز B ويمكن أن يسرع التفاعل كمحفز. في الواقع، يسرع التفاعل نفسه أو يتم تحفيزه ذاتيًا. ومن الأمثلة على ذلك تحلل الإستر مثل الأسبرين إلى حمض كربوكسيلي وكحول . في حالة عدم إضافة محفزات حمضية، يحفز ناتج حمض الكربوكسيل التحلل المائي.
يشير التحفيز القابل للتبديل إلى نوع من التحفيز حيث يمكن تبديل المحفز بين حالات أساسية مختلفة تمتلك تفاعلية مميزة، عادةً عن طريق تطبيق حافز خارجي. [18] تسمح هذه القدرة على تبديل المحفز بشكل عكسي بالتحكم المكاني الزمني في النشاط التحفيزي والانتقائية. يمكن أن تشمل المحفزات الخارجية المستخدمة لتبديل المحفز تغييرات في درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني أو الضوء أو [19] المجالات الكهربائية أو إضافة عوامل كيميائية.
يمكن أن يعمل المحفز الحقيقي جنبًا إلى جنب مع المحفز التضحوي . يتم استهلاك المحفز الحقيقي في التفاعل الأولي وتحويله إلى شكل غير نشط. يجدد المحفز التضحوي المحفز الحقيقي لدورة أخرى. يتم استهلاك المحفز التضحوي في التفاعل، وعلى هذا النحو، فهو ليس محفزًا حقًا، ولكنه كاشف. على سبيل المثال، يعد رباعي أكسيد الأوزميوم (OsO 4 ) كاشفًا جيدًا للهيدروكسيل، ولكنه سام للغاية ومكلف. في ثنائي الهيدروكسيل أبجون ، يجدد المحفز التضحوي N-ميثيل مورفولين N-أكسيد (NMMO) OsO 4 ، ولا تكون هناك حاجة إلا إلى كميات محفزة من OsO 4 .
تصنيف
يمكن تصنيف التحفيز على أنه متجانس أو غير متجانس . التحفيز المتجانس هو التحفيز الذي تتشتت مكوناته في نفس الطور (عادةً غازي أو سائل) مثل جزيئات المتفاعل . التحفيز غير المتجانس هو التحفيز الذي لا تكون مكونات التفاعل فيه في نفس الطور. غالبًا ما تُعتبر الإنزيمات والمحفزات الحيوية الأخرى فئة ثالثة. تنطبق مبادئ آلية مماثلة على التحفيز غير المتجانس والمتجانس والحيوي.
التحفيز غير المتجانس

تعمل المحفزات غير المتجانسة في طور مختلف عن المتفاعلات . معظم المحفزات غير المتجانسة عبارة عن مواد صلبة تعمل على ركائز في خليط تفاعل سائل أو غازي . تشمل المحفزات غير المتجانسة المهمة الزيوليت والألومينا [20] وأكاسيد من الدرجة الأعلى والكربون الجرافيتي وأكاسيد المعادن الانتقالية والمعادن مثل نيكل راني للهدرجة وأكسيد الفاناديوم (V) لأكسدة ثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت من خلال عملية التلامس . [21]
من المعروف وجود آليات متنوعة للتفاعلات على الأسطح ، اعتمادًا على كيفية حدوث الامتزاز ( Langmuir-Hinshelwood و Eley-Rideal و Mars -van Krevelen ). [22] إن المساحة السطحية الإجمالية للمادة الصلبة لها تأثير مهم على معدل التفاعل. فكلما كان حجم جسيم المحفز أصغر، كلما كانت مساحة السطح أكبر لكتلة معينة من الجسيمات.
يحتوي المحفز غير المتجانس على مواقع نشطة ، وهي الذرات أو الوجوه البلورية التي يرتبط بها الركيزة بالفعل. المواقع النشطة هي ذرات ولكنها غالبًا ما توصف بأنها وجه (حافة، سطح، خطوة، إلخ) من مادة صلبة. قد يكون معظم الحجم ولكن أيضًا معظم سطح المحفز غير المتجانس غير نشط تحفيزيًا. يعد اكتشاف طبيعة الموقع النشط تحديًا تقنيًا.
على سبيل المثال، غالبًا ما يوصف المحفز لعملية هابر لتخليق الأمونيا من النيتروجين والهيدروجين بأنه الحديد . لكن الدراسات التفصيلية والعديد من التحسينات أدت إلى محفزات عبارة عن خليط من الحديد والبوتاسيوم والكالسيوم وأكسيد الألومنيوم. [ 23] تمتص الغازات المتفاعلة على المواقع النشطة على جزيئات الحديد. بمجرد الامتصاص جسديًا، تتفكك الكواشف جزئيًا أو كليًا وتشكل روابط جديدة. بهذه الطريقة يتم كسر الرابطة الثلاثية القوية بشكل خاص في النيتروجين، وهو أمر نادر للغاية في الطور الغازي بسبب طاقة التنشيط العالية. وبالتالي، تنخفض طاقة تنشيط التفاعل الكلي، ويزداد معدل التفاعل. [24] مكان آخر حيث يتم تطبيق محفز غير متجانس هو في أكسدة ثاني أكسيد الكبريت على أكسيد الفاناديوم (V) لإنتاج حمض الكبريتيك . [21] العديد من المحفزات غير المتجانسة هي في الواقع مواد نانوية.
عادةً ما تكون المحفزات غير المتجانسة " مدعمة "، مما يعني أن المحفز منتشر على مادة ثانية تعمل على تعزيز الفعالية أو تقليل تكلفتها. تمنع الدعامات أو تقلل من تكتل وتلبيد جزيئات المحفز الصغيرة، مما يعرض مساحة سطح أكبر، وبالتالي يكون للمحفزات نشاط نوعي أعلى (لكل جرام) على الدعامة. في بعض الأحيان يكون الدعامة مجرد سطح يتم نشر المحفز عليه لزيادة مساحة السطح. في كثير من الأحيان، يتفاعل الدعامة والمحفز، مما يؤثر على التفاعل الحفزي. يمكن أيضًا استخدام الدعامات في تخليق الجسيمات النانوية من خلال توفير مواقع لجزيئات فردية من المحفز للارتباط كيميائيًا. الدعامات هي مواد مسامية ذات مساحة سطح عالية، وأكثرها شيوعًا الألومينا أو الزيوليت أو أنواع مختلفة من الكربون المنشط . تشمل الدعامات المتخصصة ثاني أكسيد السيليكون وثاني أكسيد التيتانيوم وكربونات الكالسيوم وكبريتات الباريوم . [25]
المحفزات الكهربائية
في سياق الكيمياء الكهربائية ، وخاصة في هندسة خلايا الوقود ، تُستخدم محفزات مختلفة تحتوي على معادن لتعزيز معدلات نصف التفاعلات التي تتكون منها خلية الوقود. يعتمد أحد الأنواع الشائعة من المحفزات الكهربائية لخلايا الوقود على جسيمات نانوية من البلاتين مدعومة بجزيئات كربون أكبر قليلاً . عند ملامسة أحد الأقطاب الكهربائية في خلية الوقود، يزيد هذا البلاتين من معدل اختزال الأكسجين إما إلى الماء أو إلى هيدروكسيد أو بيروكسيد الهيدروجين .
التحفيز المتجانس
تعمل المحفزات المتجانسة في نفس الطور مثل المتفاعلات. عادةً ما يتم إذابة المحفزات المتجانسة في مذيب مع الركائز. يتضمن أحد أمثلة التحفيز المتجانس تأثير H + على استرة الأحماض الكربوكسيلية، مثل تكوين أسيتات الميثيل من حمض الأسيتيك والميثانول . [26] تشمل العمليات عالية الحجم التي تتطلب محفزًا متجانسًا هيدروفورميل ، وهيدروكسيل السليل ، وهيدروكسيد السيانيد . بالنسبة للكيميائيين غير العضويين، غالبًا ما يكون التحفيز المتجانس مرادفًا للمحفزات العضوية المعدنية . [27] ومع ذلك، فإن العديد من المحفزات المتجانسة ليست عضوية معدنية، ويتضح ذلك من خلال استخدام أملاح الكوبالت التي تحفز أكسدة البارازيلين إلى حمض التريفثاليك .
التحفيز العضوي
في حين تجتذب المعادن الانتقالية أحيانًا معظم الاهتمام في دراسة التحفيز، يمكن للجزيئات العضوية الصغيرة التي لا تحتوي على معادن أن تظهر أيضًا خصائص تحفيزية، كما يتضح من حقيقة أن العديد من الإنزيمات تفتقر إلى المعادن الانتقالية. عادةً، تتطلب المحفزات العضوية تحميلًا أعلى (كمية المحفز لكل وحدة كمية من المتفاعل، معبرًا عنها بكمية مول% من المادة ) من المحفزات القائمة على المعادن الانتقالية (أيونات)، ولكن هذه المحفزات متوفرة تجاريًا بكميات كبيرة، مما يساعد على خفض التكاليف. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اعتُبرت هذه المحفزات العضوية "جيلًا جديدًا" وتنافس المحفزات التقليدية المحتوية على المعادن (أيونات). من المفترض أن تعمل المحفزات العضوية بشكل مشابه للإنزيمات الخالية من المعادن باستخدام، على سبيل المثال، التفاعلات غير التساهمية مثل الرابطة الهيدروجينية . ينقسم تخصص التحفيز العضوي إلى تطبيق المحفزات العضوية التساهمية (مثل البرولين ، DMAP ) وغير التساهمية (مثل التحفيز العضوي للثيويوريا ) بالإشارة إلى الارتباط والتفاعل المفضل بين المحفز والركيزة ، على التوالي. مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2021 مناصفةً لبنجامين ليست وديفيد دبليو سي ماكميلان "لتطوير التحفيز العضوي غير المتماثل". [28]
المحفزات الضوئية
التحفيز الضوئي هو الظاهرة التي يمكن فيها للحفاز أن يستقبل الضوء لتوليد حالة مثارة تؤثر على تفاعلات الأكسدة والاختزال. [29] عادة ما يتم إنتاج الأكسجين الأحادي عن طريق التحفيز الضوئي. المحفزات الضوئية هي مكونات الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة .
الإنزيمات والمحفزات الحيوية
في علم الأحياء، الإنزيمات هي محفزات تعتمد على البروتين في عملية التمثيل الغذائي والهدم . معظم المحفزات الحيوية هي إنزيمات، ولكن فئات أخرى من الجزيئات الحيوية غير القائمة على البروتين تظهر أيضًا خصائص تحفيزية بما في ذلك الريبوزيمات ، والريبوزيمات الديوكسي الاصطناعية . [30]
يمكن اعتبار المحفزات الحيوية وسيطًا بين المحفزات المتجانسة وغير المتجانسة، على الرغم من أن الإنزيمات القابلة للذوبان هي محفزات متجانسة والإنزيمات المرتبطة بالغشاء هي محفزات غير متجانسة. تؤثر العديد من العوامل على نشاط الإنزيمات (والمحفزات الأخرى) بما في ذلك درجة الحرارة والرقم الهيدروجيني وتركيز الإنزيمات والركيزة والمنتجات. يعد الماء أحد المواد الكيميائية المهمة بشكل خاص في التفاعلات الأنزيمية، وهو نتاج العديد من تفاعلات تكوين الروابط ومتفاعل في العديد من عمليات كسر الروابط.
في التحفيز الحيوي ، يتم استخدام الإنزيمات لإعداد العديد من المواد الكيميائية الأساسية بما في ذلك شراب الذرة عالي الفركتوز والأكريلاميد .
يمكن لبعض الأجسام المضادة وحيدة النسيلة التي يكون هدف ارتباطها جزيئًا مستقرًا يشبه حالة الانتقال في تفاعل كيميائي أن تعمل كمحفزات ضعيفة لهذا التفاعل الكيميائي عن طريق خفض طاقة التنشيط الخاصة به. [31] تسمى هذه الأجسام المضادة المحفزة أحيانًا " أبزيمات ".
دلالة

تشير التقديرات إلى أن 90% من جميع المنتجات الكيميائية المنتجة تجاريًا تتضمن محفزات في مرحلة ما من عملية تصنيعها. في عام 2005، أنتجت العمليات التحفيزية حوالي 900 مليار دولار من المنتجات في جميع أنحاء العالم. [33] التحفيز منتشر على نطاق واسع لدرجة أنه لا يمكن تصنيف المناطق الفرعية بسهولة. فيما يلي بعض المناطق ذات التركيز الخاص.
معالجة الطاقة
تستخدم عملية تكرير البترول بشكل مكثف التحفيز من أجل الألكلة ، والتكسير التحفيزي (تفكيك الهيدروكربونات طويلة السلسلة إلى قطع أصغر)، وإصلاح النفتا وإصلاح البخار (تحويل الهيدروكربونات إلى غاز اصطناعي ). حتى العادم الناتج عن حرق الوقود الأحفوري يتم معالجته عن طريق التحفيز: المحولات الحفزية ، والتي تتكون عادة من البلاتين والروديوم ، تعمل على تفكيك بعض المنتجات الثانوية الأكثر ضررًا لعوادم السيارات.
- 2 CO + 2 NO → 2 CO 2 + N 2
فيما يتعلق بالوقود الاصطناعي، هناك عملية قديمة ولكنها لا تزال مهمة وهي عملية فيشر-تروبش لتخليق الهيدروكربونات من غاز التخليق ، والتي تتم معالجتها من خلال تفاعلات تحول الماء والغاز ، والتي يحفزها الحديد. ينتج تفاعل ساباتييه غاز الميثان من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يتطلب وقود الديزل الحيوي والوقود الحيوي المرتبط به المعالجة من خلال كل من المحفزات غير العضوية والحيوية.
تعتمد خلايا الوقود على المحفزات لكل من التفاعلات الأنودية والكاثودية.
تولد السخانات التحفيزية حرارة بدون لهب من مصدر الوقود القابل للاشتعال.
المواد الكيميائية السائبة

يتم إنتاج بعض المواد الكيميائية الأكبر حجمًا عن طريق الأكسدة الحفزية، وغالبًا ما تستخدم الأكسجين . تشمل الأمثلة حمض النيتريك (من الأمونيا)، وحمض الكبريتيك (من ثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت من خلال عملية التلامس )، وحمض التريفثاليك من البارازيلين، وحمض الأكريليك من البروبيلين أو البروبان ، والأكريلونيتريل من البروبان والأمونيا. [22]
يعد إنتاج الأمونيا أحد أكبر العمليات حجمًا وأكثرها استهلاكًا للطاقة. في عملية هابر ، يتم دمج النيتروجين مع الهيدروجين فوق محفز أكسيد الحديد. [34] يتم تحضير الميثانول من أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون ولكن باستخدام محفزات النحاس والزنك.
غالبًا ما يتم تحضير البوليمرات السائبة المشتقة من الإيثيلين والبروبيلين عبر تحفيز زيجلر-ناتا . يتم اشتقاق البوليستر والبولي أميدات والأيزوسيانات عبر تحفيز الحمض والقاعدة .
تتطلب معظم عمليات الكربونيل محفزات معدنية، ومن الأمثلة على ذلك عملية حمض الأسيتيك لشركة مونسانتو والهيدروفورميلاشن .
المواد الكيميائية الدقيقة
يتم تحضير العديد من المواد الكيميائية الدقيقة عن طريق التحفيز؛ وتشمل الأساليب تلك الخاصة بالصناعات الثقيلة بالإضافة إلى العمليات الأكثر تخصصًا والتي قد تكون باهظة التكلفة بشكل كبير على نطاق واسع. تشمل الأمثلة تفاعل هيك وتفاعلات فريدل-كرافت . نظرًا لأن معظم المركبات النشطة بيولوجيًا كيرالية ، يتم إنتاج العديد من المستحضرات الصيدلانية عن طريق التحفيز الانتقائي الضوئي ( التخليق التحفيزي غير المتماثل ). يمكن تصنيع (R)-1،2-Propandiol، وهو مقدمة لليفوفلوكساسين المضاد للبكتيريا ، بكفاءة من هيدروكسي أسيتون باستخدام محفزات تعتمد على معقدات BINAP -ruthenium، في الهدرجة غير المتماثلة Noyori : [35]

تجهيز الأغذية
أحد التطبيقات الأكثر وضوحًا للتحفيز هو الهدرجة (التفاعل مع غاز الهيدروجين ) للدهون باستخدام محفز النيكل لإنتاج السمن . [36] يتم تحضير العديد من المواد الغذائية الأخرى عن طريق التحفيز الحيوي (انظر أدناه).
بيئة
يؤثر التحفيز على البيئة من خلال زيادة كفاءة العمليات الصناعية، ولكن التحفيز يلعب أيضًا دورًا مباشرًا في البيئة. ومن الأمثلة البارزة على ذلك الدور التحفيزي للجذور الحرة للكلور في تحلل الأوزون . تتشكل هذه الجذور من خلال عمل الأشعة فوق البنفسجية على مركبات الكلورو فلورو كربون (CFCs).
- Cl · + O3 → ClO · + O2
- ClO · + O · → Cl · + O 2
تاريخ
مصطلح "محفز"، والذي يُعرَّف على نطاق واسع بأنه أي شيء يزيد من معدل العملية، مشتق من الكلمة اليونانية καταλύειν، والتي تعني "إلغاء" أو "فك" أو "التقاط". تم اختراع مفهوم التحفيز من قبل الكيميائية إليزابيث فولهام ووصفه في كتاب عام 1794، بناءً على عملها الجديد في تفاعلات الأكسدة والاختزال. [7] [8] [37] تمت دراسة أول تفاعل كيميائي في الكيمياء العضوية استخدم محفزًا عن علم في عام 1811 بواسطة جوتليب كيرشوف ، الذي اكتشف تحويل النشا إلى جلوكوز المحفز بالحامض. استخدم يونس جاكوب بيرزيليوس مصطلح التحفيز لاحقًا في عام 1835 [38] لوصف التفاعلات التي يتم تسريعها بواسطة مواد تظل دون تغيير بعد التفاعل. عملت فولهام ، التي سبقت بيرزيليوس، بالماء بدلاً من المعادن في تجارب الاختزال الخاصة بها. كان من بين الكيميائيين الآخرين الذين عملوا في مجال التحفيز في القرن الثامن عشر إيلهارد ميتشرليش [39] الذي أشار إليه باسم عمليات التلامس ، ويوهان فولفجانج دوبرينر [40] [41] الذي تحدث عن فعل التلامس. وقد طور مصباح دوبرينر ، وهو ولاعة تعتمد على الهيدروجين وإسفنجة البلاتين ، والتي حققت نجاحًا تجاريًا في عشرينيات القرن التاسع عشر ولا تزال مستمرة حتى اليوم. اكتشف همفري ديفي استخدام البلاتين في التحفيز. [42] في ثمانينيات القرن التاسع عشر، بدأ فيلهلم أوستوالد في جامعة لايبزيغ تحقيقًا منهجيًا في التفاعلات التي تحفزها وجود الأحماض والقواعد، ووجد أن التفاعلات الكيميائية تحدث بمعدلات محدودة وأن هذه المعدلات يمكن استخدامها لتحديد نقاط قوة الأحماض والقواعد. لهذا العمل، حصل أوستوالد على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1909 . [43] أجرى فلاديمير إيباتيف بعضًا من أقدم التفاعلات على المستوى الصناعي، بما في ذلك اكتشاف وتسويق عملية الترابط وتطوير المحفزات للهدرجة. [44]
المثبطات والسموم والمحفزات
المادة المضافة التي تخفض معدل التفاعل تسمى مثبط التفاعل إذا كانت قابلة للعكس، والمادة المحفزة تسمى سامة إذا كانت غير قابلة للعكس. [1] المحفزات هي مواد تزيد من النشاط التحفيزي، على الرغم من أنها ليست محفزات في حد ذاتها. [45]
يشار إلى المثبطات أحيانًا باسم "المحفزات السلبية" لأنها تقلل من معدل التفاعل. [46] ومع ذلك، فإن مصطلح المثبط مفضل لأنها لا تعمل عن طريق إدخال مسار تفاعل بطاقة تنشيط أعلى؛ وهذا لن يخفض المعدل لأن التفاعل سيستمر في الحدوث من خلال المسار غير المحفز. بدلاً من ذلك، تعمل إما عن طريق تعطيل المحفزات أو عن طريق إزالة وسيطات التفاعل مثل الجذور الحرة. [46] [11] في التحفيز غير المتجانس ، يثبط الكوك المحفز، الذي يصبح مغطى بمنتجات جانبية بوليمرية .
قد يعمل المثبط على تعديل الانتقائية بالإضافة إلى المعدل. على سبيل المثال، في هدرجة الألكينات إلى ألكينات ، يمكن استخدام محفز البلاديوم (Pd) "المسموم" جزئيًا بخلات الرصاص (II) (Pb(CH 3 CO 2 ) 2 ) ( محفز ليندلار ). [47] بدون إبطال مفعول المحفز، سيتم هدرجة الألكين الناتج إلى ألكان . [48] [49]
يمكن للمثبط أن ينتج هذا التأثير عن طريق، على سبيل المثال، تسميم أنواع معينة فقط من المواقع النشطة بشكل انتقائي. آلية أخرى هي تعديل هندسة السطح. على سبيل المثال، في عمليات الهدرجة، تعمل المستويات الكبيرة من سطح المعدن كمواقع لتحفيز التحلل الهيدروجيني بينما تكون المواقع التي تحفز هدرجة المواد غير المشبعة أصغر. وبالتالي، فإن السم الذي يغطي السطح بشكل عشوائي يميل إلى خفض عدد المستويات الكبيرة غير الملوثة ولكنه يترك مواقع أصغر نسبيًا خالية، وبالتالي تغيير انتقائية الهدرجة مقابل التحلل الهيدروجيني. هناك العديد من الآليات الأخرى الممكنة أيضًا.
يمكن للمحفزات تغطية السطح لمنع إنتاج حصيرة من الكوك، أو حتى إزالة مثل هذه المواد بنشاط (على سبيل المثال، الرينيوم على البلاتين في عملية التبلور ). ويمكنها المساعدة في تشتت المادة الحفازة أو الارتباط بالكواشف.
انظر أيضا
- التفاعل الكيميائي
- أبزيم
- التحفيز الحمضي (يشمل التحفيز القاعدي)
- التحفيز الذاتي
- BIG-NSE (كلية الدراسات العليا للعلوم الطبيعية والهندسة في برلين)
- علوم وتكنولوجيا التحفيز (مجلة الكيمياء)
- نظرية الرنين التحفيزي
- المحفز الكهربائي
- المحفزات البيئية
- تحفيز الانزيم
- المحفزات الصناعية
- مجهر قوة مسبار كلفن
- كاشف محدد
- مفهوم موربورن
- مساعد صيدلاني
- تحفيز حدود الطور
- محفز نقل الطور
- التحفيز الضوئي
- ريبوزيم (محفز حيوي للحمض النووي الريبي)
- إنزيمات السومو
- تخفيض درجة الحرارة المبرمجة
- مطيافية الامتزاز الحراري
مراجع
- IUPAC ، Compendium of Chemical Terminology ، الطبعة الثانية ("الكتاب الذهبي") (1997). النسخة المصححة على الإنترنت: (2006–) "catalyst". doi :10.1351/goldbook.C00876
- ^ ab "Catalyst". IUPAC Compendium of Chemical Terminology . Oxford: Blackwell Scientific Publications. 2009. doi :10.1351/goldbook.C00876. ISBN 978-0-9678550-9-7.
- ^ ماسل، ريتشارد الأول (2001). الحركية الكيميائية والتحفيز . نيويورك: وايلي-إنترسانس. ISBN 0-471-24197-0.
- ^ شتاينفيلد، جيفري آي؛ فرانسيسكو، جوزيف إس؛ هاس، ويليام إل. (1999). الحركية الكيميائية والديناميكيات (الطبعة الثانية). برنتيس هول. ص. 147. رقم ISBN 0-13-737123-3يتم تعريف المحفز
على أنه مادة كيميائية تعمل على زيادة معدل التفاعل الكيميائي دون أن تستهلك نفسها في التفاعل.
- ^ ليرنر، لويز (2011). "7 أشياء قد لا تعرفها عن التحفيز". مختبر أرجون الوطني .
- ^ Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982). Physical Chemistry . Benjamin/Cummings. p. 425. ISBN 0-8053-5682-7لا تعمل المثبطات
عن طريق إدخال مسار تفاعل أعلى؛ وهذا لن يقلل من المعدل، حيث سيستمر التفاعل في الحدوث بالآلية البديلة
- ^ كارول، جريجوري ت.؛ كيرشمان، ديفيد ل. (23 يناير 2023). "وحدة ترشيح الدخان الجراحية التحفيزية تقلل مستويات الفورمالديهايد في بيئة غرفة العمليات المحاكاة". ACS Chemical Health & Safety . 30 (1): 21–28. doi :10.1021/acs.chas.2c00071. ISSN 1871-5532. S2CID 255047115.
- ^ ab Laidler, Keith J.; Cornish-Bowden, Athel (1997). ""إليزابيث فولهام واكتشاف التحفيز: 100 عام قبل بوخنر"" (PDF) . في كورنيش-بودن، أثيل (المحرر). بيرة جديدة في زجاجة قديمة: إدوارد بوخنر ونمو المعرفة الكيميائية الحيوية . فالنسيا: جامعة فالنسيا. ص 123-126. ISBN 9788437033280. مؤرشف من الأصل (PDF) في 23 يناير 2015 . تم الاسترجاع 14 مارس 2021 .
- ^ ab Rayner-Canham, Marelene; Rayner-Canham, Geoffrey William (2001). Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century . الجمعية الكيميائية الأمريكية. ISBN 978-0-8412-3522-9.
- ^ "الجني في القارورة". جامعة مينيسوتا . 2 مارس 2005. مؤرشف من الأصل في 5 أبريل 2008.
- ^ توركاشفاند، مصطفى؛ سرباداني تفريشي، سعيدة؛ دي ليو، نورا هـ. (مايو 2023). "دراسة نظرية الكثافة الوظيفية لعملية هدرجة أول أكسيد الكربون فوق سطح الكوبالت (001): الآثار المترتبة على عملية فيشر-تروبش". المحفزات . 13 (5): 837. doi : 10.3390/catal13050837 . ISSN 2073-4344.
- ^ ab Laidler، KJ and Meiser، JH (1982) الكيمياء الفيزيائية ، Benjamin / Cummings، p. 425. ISBN 0-618-12341-5 .
- ^ Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982). Physical Chemistry . Benjamin/Cummings. ص 424-425. ISBN 0-8053-5682-7.
- ^ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2006). Atkins' Physical Chemistry (الطبعة الثامنة). WHFreeman. ص. 839. ISBN 0-7167-8759-8
يعمل المحفز على خفض طاقة تنشيط التفاعل من خلال توفير مسار بديل يتجنب الخطوة البطيئة التي تحدد معدل التفاعل غير
المحفز - ^ ab Steinfeld, Jeffrey I.; Francisco, Joseph S.; Hase, William L. (1999). Chemical Kinetics and Dynamics (الطبعة الثانية). Prentice Hall. ص 147-150. ISBN 0-13-737123-3يظهر تركيز المحفز
[C] في تعبير المعدل، ولكن ليس في نسبة التوازن.
- ^ جاكوبي، ميتش (16 فبراير 2009). "صنع الماء خطوة بخطوة". أخبار الكيمياء والهندسة . ص 10.
- ^ Matthiesen J, Wendt S, Hansen JØ, Madsen GK, Lira E, Galliker P, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard E, Hammer B, Besenbacher F (2009). "مراقبة جميع الخطوات الوسيطة للتفاعل الكيميائي على سطح أكسيد بواسطة المجهر النفقي الماسح". ACS Nano . 3 (3): 517–26. CiteSeerX 10.1.1.711.974 . doi :10.1021/nn8008245. ISSN 1520-605X. PMID 19309169.
- ^ روبرتسون، أ. ج. ب. (1970) تحفيز تفاعلات الغازات بواسطة المعادن . دار لوجوس للنشر، لندن.
- ^ Vlatković, Matea; Collins, Beatrice SL; Feringa, Ben L. (2016). "Dynamic Responsive Systems for Catalytic Function". الكيمياء: مجلة أوروبية . 22 (48): 17080–17111. doi : 10.1002/chem.201602453 . PMID 27717167.
- ^ Roelz M, Butschke B, Breit B (مايو 2024). "ربائط NHC المتكاملة مع الأزوبنزين: منصة متعددة الاستخدامات لتحفيز المعادن القابلة للتبديل بالضوء المرئي". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 146 (19): 13210-13225. doi : 10.1021/jacs.4c01138 . PMID 38709955.
- ^ شفيق، إقراش؛ شفيق، سومير؛ أختر، بارفين؛ يانغ، وينشو؛ حسين، مريد (23 يونيو 2020). "التطورات الأخيرة في حفازات إزالة الكبريت من الألومينا المدعومة بالهيدروجين لإنتاج منتجات تكرير خالية من الكبريت: مراجعة فنية". مراجعات الحفز . 64 (1): 1-86. doi :10.1080/01614940.2020.1780824. ISSN 0161-4940. S2CID 225777024.
- ^ ab Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2005). Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Prentice-Hall. p. 805. ISBN 0130-39913-2.
- ^ ab Knözinger, Helmut and Kochloefl, Karl (2002) "Heterogeneous Catalysis and Solid Catalysts" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH, Weinheim. doi :10.1002/14356007.a05_313
- ^ Appl, Max (2006). "Ammonia". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . doi :10.1002/14356007.a02_143.pub2. ISBN 3527306730.
- ^ "كيمياء الفاناديوم". Chemistry LibreTexts . 3 أكتوبر 2013. تم الاسترجاع في 8 يوليو 2022 .
- ^ تشادها، أوتكارش؛ سيلفراج، سينثيل كوماران؛ أشوكان، هريديا؛ هاريهاران، ساي ب. ماثيو بول، V.؛ فينكاتارانجان، فيشال؛ باراماسيفام ، فيلموروجان (8 فبراير 2022). “المواد النانوية المعقدة في التحفيز للتطبيقات الكيميائية الهامة: من التوليف ومعالجة المواد الهيدروكربونية إلى تطبيقات الطاقة المتجددة”. التقدم في علوم وهندسة المواد . 2022 : e1552334. دوى : 10.1155/2022/1552334 . ردمك 1687-8434.
- ^ Behr, Arno (2002) "Organmetallic Vehicles and Homogeneous Catalysis" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry ، Wiley-VCH، Weinheim. doi :10.1002/14356007.a18_215
- ^ Elschenbroich، C. (2006) المعادن العضوية . وايلي-VCH: واينهايم. ردمك 978-3-527-29390-2
- ^ "جائزة نوبل في الكيمياء 2021". NobelPrize.org .
- ^ ميلشيوري، باولو (2022). "مقدمة: العمليات التحفيزية الضوئية الكيميائية". المراجعات الكيميائية . 122 (2): 1483-1484. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00993 . PMID 35078320. S2CID 246287799.
- ^ نيلسون، دي إل وكوكس، إم إم (2000) ليهينجر، مبادئ الكيمياء الحيوية الطبعة الثالثة. وورث للنشر: نيويورك. رقم ISBN 1-57259-153-6 .
- ^ الأجسام المضادة التحفيزية موضحة ببساطة. Documentroot.com (2010-03-06). تم الاسترجاع في 2015-11-11.
- ^ Solovev, Alexander A.; Sanchez, Samuel; Mei, Yongfeng; Schmidt, Oliver G. (2011). "Tunable catalytic tubular micro-pumps working at low concentrates ofhydrogen peroxide" (PDF) . الكيمياء الفيزيائية، الفيزياء الكيميائية . 13 (21): 10131–35. Bibcode :2011PCCP...1310131S. doi :10.1039/C1CP20542K. PMID 21505711. مؤرشف من الأصل (PDF) في 28 مارس 2019.
- ^ 1.4.3 كفاءة العمليات الصناعية محفوظ في 17 مايو 2008 على موقع Wayback Machine . climatetechnology.gov
- ^ سميل، فاكلاف (2004). إثراء الأرض: فريتز هابر، كارل بوش، وتحويل إنتاج الغذاء العالمي (الطبعة الأولى). كامبريدج، ماساتشوستس: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. رقم ISBN 9780262693134.
- ^ دوب، بافيل أ.؛ جوردون، جون سي. (2018). "دور وظيفة N–H المرتبطة بالمعادن في المحفزات الجزيئية من نوع نويوري". مراجعات الطبيعة للكيمياء . 2 (12): 396-408. doi :10.1038/s41570-018-0049-z. S2CID 106394152.
- ^ كلارك، جيم (أكتوبر 2013). "أنواع التحفيز". Chemguide.
- ^ بارد ليندستروم ولارس جيه بيترسون (2003) "تاريخ موجز للتحفيز" كاتيك ، 7 (4): 130-38.
- ^ Berzelius, JJ (1835) Årsberättelsen om framsteg i fysik och kemi [التقرير السنوي عن التقدم في الفيزياء والكيمياء]. ستوكهولم، السويد: الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. بعد مراجعة بحث إيلهارد ميتشرليخ حول تكوين الأثير، صاغ بيرسيليوس كلمة katalys (الحفز) في ص. 245:
Original: Jag skall derföre، för att begagna en kemien välkänd härledning، kalla den kroppers katalytiska kraft، sönderdelning genom denna kraft katalys، كما هو الحال مع طلب تحليل يتم الحصول عليه من المحاصيل التي يتم زرعها في kemis كا فرندسكابن.
الترجمة : لذلك، سأستخدم اشتقاقًا معروفًا في الكيمياء، وأسمي الأجسام [المحفزة] [أي المواد] القوة المحفزة وتحلل الأجسام [الأخرى] بواسطة هذه القوة التحفيز ، تمامًا كما نشير بكلمة التحليل إلى فصل مكونات الأجسام عن طريق التقارب الكيميائي المعتاد.
- ^ ميتشرليش ، إي (1834). "Ueber die Aetherbildung" [حول تكوين الأثير]. Annalen der Physik und Chemie . 31 (18): 273-82. بيب كود :1834AnP...107..273M. دوى :10.1002/andp.18341071802.
- ^ دوبيرينر (1822). "Glühendes Verbrennen des Alkohols durch verschiedene erhitzte Metalle und Metalloxyde" [حرق الكحول المتوهج بواسطة معادن ساخنة مختلفة وأكاسيد فلزية]. مجلة الكيمياء والفيزياء . 34 : 91-92.
- ^ دوبرينر (1823). "Neu entdeckte merkwürdige Eigenschaften des Platinsuboxyds, des oxydirten Schwefel-Platins und des metallischen Platinstaubes" [الخصائص الرائعة المكتشفة حديثًا لأكسيد البلاتين وكبريتيد البلاتين المؤكسد وغبار البلاتين المعدني]. مجلة الكيمياء والفيزياء . 38 : 321-26.
- ^ دافي، همفري (1817). "بعض التجارب والملاحظات الجديدة حول احتراق المخاليط الغازية، مع شرح لطريقة الحفاظ على استمرار الضوء في مخاليط الغازات القابلة للاشتعال والهواء بدون لهب". المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن . 107 : 77-85. doi :10.1098/rstl.1817.0009. S2CID 97988261.
- ^ روبرتس، م.و. (2000). "ميلاد المفهوم التحفيزي (1800-1900)". رسائل التحفيز . 67 (1): 1-4. doi :10.1023/A:1016622806065. S2CID 91507819.
- ^ نيكولاس، كريستوفر ب. (21 أغسطس 2018). "الجفاف، والديينات، والأوكتان العالي، والضغوط العالية: مساهمات من فلاديمير نيكولايفيتش إيباتيف، والد التحفيز". ACS Catalysis . 8 (9): 8531–39. doi : 10.1021/acscatal.8b02310 .
- ^ Dhara SS; Umare SS (2018). كتاب مدرسي في الكيمياء الهندسية. الهند: S. Chand Publishing. ص. 66. ISBN 9789352830688.
- ^ ab Laidler, KJ (1978) الكيمياء الفيزيائية مع التطبيقات البيولوجية ، Benjamin/Cummings. ص 415-417. ISBN 0-8053-5680-0 .
- ^ Lindlar H.; Dubuis R. (2016). "محفز البالاديوم للاختزال الجزئي للأسيتيلينات". التركيبات العضوية . doi :10.15227/orgsyn.046.0089؛ المجلدات المجمعة ، المجلد 5، ص 880.
- ^ Jencks, WP (1969) Catalysis in Chemistry and Enzymology McGraw-Hill, New York. ISBN 0-07-032305-4
- ^ بندر، مايرون إل؛ كومياما، ماكوتو وبيرجيرون، رايموند جيه (1984) الكيمياء العضوية الحيوية للتحفيز الأنزيمي وايلي إنترساينس، هوبوكين، الولايات المتحدة ISBN 0-471-05991-9
روابط خارجية
- المساعدات العلمية: صفحة المحفزات لمادة العلوم في المرحلة الثانوية
- عرض جامعة WA هيرمان التقنية أرشفة 28 أكتوبر 2005 في آلة Wayback .
- محفز الألوميت، مختبر كامياما ساكوراي، اليابان
- مجموعة الكيمياء غير العضوية والتحفيز، جامعة أوتريخت، هولندا
- مركز الكيمياء السطحية والتحفيز
- مجموعة الكربونات والحفازات، جامعة كونسيبسيون، تشيلي
- مركز تمكين التقنيات الجديدة من خلال التحفيز، مركز NSF للابتكار الكيميائي، الولايات المتحدة الأمريكية
- "الفقاعات تشغل المحفزات الكيميائية" أرشيف 22 يوليو 2012، على موقع واي باك مشين ، مجلة ساينس نيوز الإلكترونية، 6 أبريل 2009.
