الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

42الحفز

تبقى قارورة من محلول بيروكسيد الهيدروجين في خزانة الحمّام شهورًا دون تغيّر. فإذا صُبّ على ركبة مسلوخة أزبد فورًا: فشيء ما في الدم يجعله يتفكك في ثوانٍ إلى ماء وأكسجين. وذلك الشيء لا يُستهلك، ولا يظهر في معادلة التفاعل. إنه حفّاز. والحفّازات تجعل معظم الصناعة الكيميائية ممكنة، وتنقّي عوادم السيارات، وتدير كل تفاعل من تفاعلات الحياة.

ما تعرفه من قبل

سرعة التفاعل والعوامل الحركية التي تغيّرها (الفصل 41). والآلية سلسلة من الخطوات الأولية، مرورًا بوسائط (الفصل 40).

42.1 ما الحفّاز

تعريف 42.1 (الحفّاز، الحفز)

الحفّاز نوع كيميائي يجعل التفاعل أسرع دون أن يُستهلك: فهو يشارك في الآلية لكنه يُعاد، دون تغيّر، في النهاية، ولا يظهر في المعادلة الإجمالية. وتسريع التفاعل بحفّاز هو الحفز.

قضية 42.2 (الحفّاز يغيّر الطريق لا الوجهة)

يفتح الحفّاز آلية مختلفة، حواجزها الطاقية أدنى من حاجز التفاعل غير المحفَّز، فتنجح نسبة أكبر من اللقاءات بين الجسيمات. ولا يغيّر النواتج المتكوّنة، ولا الحالة النهائية المبلوغة؛ بل يبلغها أسرع فحسب.

برهان. نقبله: فالمخطط الطاقي يُدرس في مجلد السنة الأولى. أما أن الحالة النهائية لا تتغير فيأتي من أن الحفّاز يُعاد: فالتفاعل الإجمالي، بمتفاعلاته ونواتجه، هو نفسه. ∎

يسارًا: الطاقة على امتداد التفاعل؛ يمر الطريق المحفَّز بوسيط وحاجزين أدنى. يمينًا: الأكسجين المنطلق من محلول بيروكسيد الهيدروجين؛ يسرّع الحفّاز التفاعل، لكن الحجم النهائي هو نفسه. (منحنيات نموذجية.)

42.2 الحفز المتجانس

تعريف 42.3 (الحفز المتجانس وغير المتجانس)

يكون الحفز حفزًا متجانسًا حين يكون الحفّاز في طور المتفاعلات نفسه (مثلًا مذابًا معها)، وحفزًا غير متجانس حين يكون في طور آخر، غالبًا صلب تبلغ المتفاعلاتُ سطحَه من غاز أو سائل.

مثال 42.4 (أيونات اليوديد وبيروكسيد الهيدروجين)

يتفكك بيروكسيد الهيدروجين وحده ببطء شديد: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . فإذا أذيب فيه قليل من يوديد البوتاسيوم، أزبد فورًا. فأيون اليوديد يفتح طريقًا من خطوتين:

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

وبجمع الخطوتين نعود إلى $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : فأيون اليوديد، المستهلك في الخطوة الأولى والمُعاد في الثانية، هو الحفّاز؛ والأيون $\ce{IO-}$ وسيط.

مثال 42.5 (أيونات الحديد (III))

تحفّز أيونات الحديد (III) أيضًا هذا التفكك، عبر المزدوجة $\ce{Fe^{3+}}/\ce{Fe^{2+}}$ (الفصل 35): فهي تؤكسد أولًا بيروكسيد الهيدروجين، $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ ، ثم تُؤكسد أيونات الحديد (II) المتكوّنة من جديد بمزيد من بيروكسيد الهيدروجين، $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . فيصير اللون البرتقالي الباهت للمحلول مخضرًّا بينما ينطلق الغاز، ثم يعود حين يُستهلك بيروكسيد الهيدروجين: دليل على أن الحفّاز يشارك ثم يتجدد.

42.3 الحفز غير المتجانس

كثير من الحفّازات الصناعية أجسام صلبة: فلزات كالبلاتين والبلاديوم والنيكل والحديد، أو أكاسيد. ويجري التفاعل على سطحها، في ثلاث مراحل: تُمسك جزيئات المتفاعلات على السطح (تُمتزّ)، حيث تضعف روابطها؛ ثم تتفاعل هناك؛ ثم تغادر النواتج السطح، فيتحرر لجزيئات جديدة. لذلك يُصنع الحفّاز بأكبر سطح ممكن: مسحوقًا ناعمًا، أو طبقة رقيقة على حامل مسامي.

إضافة الهيدروجين إلى الإيثين على سطح فلز: امتزاز، ثم تفاعل، ثم مغادرة السطح. ويُعاد الفلز دون تغيّر.

مثال 42.6 (المحوّل الحفّاز)

يحوي عادم محرك البنزين أحادي أكسيد الكربون وأحادي أكسيد النيتروجين، وكلاهما سام، ووقودًا لم يحترق. وفي المحوّل الحفّاز، وهو قرص خزفي على هيئة خلية نحل مغطى بالبلاتين والروديوم، تتفاعل على سطح الفلز:

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

وتحترق الهيدروكربونات إلى ثنائي أكسيد الكربون وماء. وتعبر الغازات المحوّل في جزء من الثانية، وهي مدة أقصر من أن يجري فيها أي تفاعل دون حفّاز.

محوّل حفّاز في مقطع طولي: آلاف القنوات الرفيعة تمنح غازات العادم سطحًا هائلًا مغطى بالفلز.

محوّل حفّاز مفتوح: قلبه على هيئة خلية نحل.

لمحة تاريخية — هابر وبوش والأمونيا

في مطلع القرن العشرين اكتشف الكيميائي فريتز هابر كيف يُجمع نيتروجين الهواء بالهيدروجين، $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ ، على حفّاز أساسه الحديد، وحوّل المهندس كارل بوش ذلك إلى عملية صناعية. وما زالت تجري اليوم عند 400 إلى $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ وتحت 150 إلى $250\,\mathrm{atm}$ . وفي سنة 2024 صنع العالم أمونيا تحوي نحو 150 مليون طن من النيتروجين، معظمها للأسمدة: فجزء كبير من النيتروجين الموجود في الغذاء الذي نأكله مرّ بحفّاز من هذا النوع.

42.4 الإنزيمات

تعريف 42.7 (الإنزيم)

الإنزيم بروتين يصنعه كائن حي ويحفّز تفاعلًا واحدًا من تفاعلات كيميائه. والإنزيمات فعّالة جدًا وانتقائية جدًا: فكل منها لا يناسب إلا جزيئات قليلة، وتعمل على أفضل وجه في مجال ضيق من درجة الحرارة والحموضة.

مثال 42.8 (الكاتالاز)

يتكوّن بيروكسيد الهيدروجين في الخلايا ناتجًا ثانويًا، وهو ضار بها. وإنزيم الكاتالاز، الموجود في الدم والكبد وكثير من الأنسجة النباتية، يفككه إلى ماء وأكسجين بسرعة هائلة: وذلك هو الزبد على الركبة المسلوخة، أو على شريحة بطاطس نيئة. أما البطاطس المسلوقة فلا تعطي زبدًا: فقد أتلف التسخين شكل الإنزيم.

بيروكسيد الهيدروجين على شريحة بطاطس نيئة: الكاتالاز يعمل.

42.5 الانتقائية

تعريف 42.9 (الحفّاز الانتقائي)

حين تستطيع المتفاعلات نفسها أن تعطي عدة تفاعلات، فإن الحفّاز الانتقائي يسرّع أحدها أكثر بكثير من غيره، فيحدد بذلك النواتج التي تتكوّن.

مثال 42.10 (مصيران للإيثانول)

بخار الإيثانول الساخن المار فوق الألومينا يفقد الماء ويعطي الإيثين، $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (حذف)؛ والمار فوق النحاس الساخن يفقد الهيدروجين ويعطي الإيثانال، $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . المتفاعل نفسه، وحفّازان، وناتجان.

ملاحظة 42.11 (الصناعة والحياة تقومان على الحفّازات)

معظم منتجات الصناعة الكيميائية، من الوقود إلى البلاستيك والأسمدة، تُصنع بحفّازات؛ وإيجاد حفّاز أنشط أو أكثر انتقائية يوفّر الطاقة ويقلل النفايات. وكل تفاعل في الخلية الحية يحفّزه إنزيم.

السلامة

بيروكسيد الهيدروجين المركّز مؤكسد قوي قد يغذي حريقًا، ويحرق الجلد والعينين، وهو ضار إذا ابتُلع. ومحاليله المخففة في المختبر تحتاج هي أيضًا إلى نظارتين واقيتين وقفازين؛ وتفككه يطلق الأكسجين، فلا يُجرى أبدًا في وعاء مغلق.

42.6 تمارين

تمرين 42.1 ★

في تفكك بيروكسيد الهيدروجين المحفَّز بأيونات اليوديد، أي الأنواع متفاعلات، وأيها نواتج، وأيها الحفّاز، وأيها وسيط؟

حل

حل التمرين 42.1.

المتفاعل: $\ce{H2O2}$ . النواتج: $\ce{H2O}$ و $\ce{O2}$ . الحفّاز: $\ce{I-}$ (مستهلك في الخطوة 1، ومُعاد في الخطوة 2). الوسيط: $\ce{IO-}$ (يتكوّن في الخطوة 1، ويُستهلك في الخطوة 2).

تمرين 42.2 ★

حفز متجانس أم غير متجانس: أيونات اليوديد في محلول بيروكسيد الهيدروجين؛ البلاتين في محوّل حفّاز؛ الحديد في تصنيع الأمونيا؛ أيونات الحديد (III) في محلول بيروكسيد الهيدروجين؟

حل

حل التمرين 42.2.

متجانس؛ غير متجانس؛ غير متجانس؛ متجانس.

تمرين 42.3 ★

في المخططين الطاقيين، أي الطريقين حاجزه أعلى؟ وهل الطاقتان الابتدائية والنهائية هما نفسهما في الطريقين؟ وماذا يعني ذلك بالنسبة إلى النواتج؟

حل

حل التمرين 42.3.

الطريق غير المحفَّز. والمستويان الابتدائي والنهائي هما نفسهما: فتتكوّن النواتج نفسها، مع إطلاق الطاقة نفسها؛ ولا يختلف إلا الطريق.

تمرين 42.4 ★

لماذا لا يظهر الحفّاز في المعادلة الإجمالية للتفاعل؟

حل

حل التمرين 42.4.

يُستهلك في خطوة ويُعاد في أخرى: فهو يظهر في طرفي مجموع الخطوات، فيُحذف منهما.

تمرين 42.5 ★

لماذا تُستعمل الحفّازات الصلبة في الصناعة مساحيق ناعمة أو طبقات رقيقة على حوامل مسامية؟

حل

حل التمرين 42.5.

يجري التفاعل على السطح: فكلما كبر السطح، كثرت الجزيئات التي يمكنها أن تتفاعل في آن واحد، للكتلة نفسها من الحفّاز (الغالي في الغالب).

تمرين 42.6 ★★

اجمع خطوتي تفكك بيروكسيد الهيدروجين المحفَّز بالحديد (III)، وبيّن أن أيونات الحديد وأيونات الهيدروجين تُحذف من الطرفين.

حل

حل التمرين 42.6.

المجموع: $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . وأيونات الحديد وأيونات الهيدروجين تظهر في الطرفين فتُحذف: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

تمرين 42.7 ★★

اقرأ منحنيي الأكسجين المنطلق. كم من الوقت تستغرق كل تجربة لإطلاق نصف الحجم النهائي؟ وبأي عامل يقصّر الحفّاز هذه المدة؟

حل

حل التمرين 42.7.

نصف $72\,\mathrm{mL}$ يساوي $36\,\mathrm{mL}$ : ويُبلغ بعد نحو $35\,\mathrm{min}$ دون حفّاز و $3.5\,\mathrm{min}$ معه. فالحفّاز يقصّر المدة عشر مرات.

تمرين 42.8 ★★

لا يُستعمل البنزين المحتوي على الرصاص في السيارات المزودة بمحوّل حفّاز: إذ يترسب الرصاص على البلاتين ويبقى عليه. اشرح لماذا يُتلف ذلك المحوّل، مع أن البلاتين لا يُستهلك في التفاعل العادي.

حل

حل التمرين 42.8.

يجري التفاعل على سطح البلاتين؛ والرصاص يغطيه ويبقى، فلا تعود الغازات تبلغ الفلز. فالحفّاز «مسموم»: موجود لكنه بلا فائدة.

تمرين 42.9 ★★

يقيس طالب الزبد الذي تنتجه شرائح البطاطس في بيروكسيد الهيدروجين عند 10 و25 و37 و60 و $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : فيزداد الزبد حتى نحو $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، ثم يقل، ويكاد يختفي عند $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فسّر جزأي المنحنى.

حل

حل التمرين 42.9.

حتى نحو $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، يتسارع التفاعل بارتفاع درجة الحرارة، ككل تفاعل. وفوق ذلك، يفقد الإنزيم، وهو بروتين، شكله ومعه نشاطه؛ وعند $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ يتلف.

تمرين 42.10 ★★

اكتب معادلة التفاعل في المحوّل الحفّاز بين أحادي أكسيد الكربون وأحادي أكسيد النيتروجين، وتحقق من أنها موزونة. ولماذا يُزال الملوِّثان معًا؟

حل

حل التمرين 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2، O 4 = 4، N 2 = 2. يتأكسد أحادي أكسيد الكربون بأحادي أكسيد النيتروجين، الذي يُختزل: فكل ملوِّث يزيل الآخر.

تمرين 42.11 ★★

يطلق $10.0\,\mathrm{mL}$ من محلول بيروكسيد الهيدروجين $72\,\mathrm{mL}$ من الأكسجين عند $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ حين يتفكك كليًا. احسب كمية الأكسجين ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )، ثم تركيز المحلول من بيروكسيد الهيدروجين.

حل

حل التمرين 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ؛ $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ في $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

تمرين 42.12 ★★★

يعطي بخار الإيثانول المار فوق الألومينا الإيثين؛ وفوق النحاس يعطي الإيثانال. اكتب المعادلتين، وأعطِ فئة الأولى، واشرح ما الحفّاز الانتقائي.

حل

حل التمرين 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ ، وهو حذف؛ $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . والحفّاز الانتقائي يسرّع تفاعلًا واحدًا من عدة تفاعلات ممكنة أكثر بكثير من غيره، فيحدد بذلك الناتج.

تمرين 42.13 ★★★

يجعل حفّاز تفاعلًا أسرع بعشر مرات. فيدّعي طالب أنه يعطي أيضًا عشرة أضعاف الناتج. صحّح الادعاء، مستعينًا بمنحنيي الأكسجين المنطلق.

حل

حل التمرين 42.13.

لا يغيّر الحفّاز الحالة النهائية: فالمنحنيان مع الحفّاز ودونه ينتهيان عند الحجم نفسه من الأكسجين. فيُحصل على الكمية نفسها من الناتج، لكن أسرع فحسب.

تمرين 42.14 ★★★

يفكك جزيء من الكاتالاز بضعة ملايين من جزيئات بيروكسيد الهيدروجين في الثانية. فإذا أخذنا $5 \times 10^{6}$ في الثانية، فكم من الوقت يستغرق جزيء إنزيم واحد لتفكيك مول واحد من بيروكسيد الهيدروجين؟ وكم جزيئًا من الإنزيم يلزم لتفكيكه في ثانية واحدة؟ (حساب لرتب المقادير؛ والسرعة معطى من معطيات التمرين.)

حل

حل التمرين 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ ، أي نحو أربعة مليارات سنة. ولإنجاز ذلك في ثانية واحدة: $1.2 \times 10^{17}$ جزيء من الإنزيم، أي $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

تمرين 42.15 ★★★

صنع العالم نحو 150 مليون طن من النيتروجين في الأمونيا سنة 2024. فما كتلة الأمونيا الموافقة؟ وما كمية ثنائي النيتروجين التي جُمعت؟

حل

حل التمرين 42.15.

الأمونيا $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . وذرات النيتروجين: $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ ، أي $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ من $\ce{N2}$ .

42.7 مسألة: بيروكسيد الحلّاق

مسألة 42.1

مسألة نهاية الأسبوع — ما تركيز بيروكسيد الهيدروجين «20 حجمًا»؟

يستعمل الحلّاقون محاليل بيروكسيد الهيدروجين موسومة «بالأحجام»: فالمحلول «20 حجمًا» هو الذي يطلق $1\,\mathrm{L}$ منه $20\,\mathrm{L}$ من الأكسجين حين يتفكك كليًا، والغاز مقيس عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ وتحت الضغط الجوي العادي، حيث يشغل المول الواحد من الغاز $22.4\,\mathrm{L}$ .

الجزء الأول — التفكك.

اكتب معادلة تفكك بيروكسيد الهيدروجين.
أهذا التفكك تفاعل أكسدة واختزال؟ جد المؤكسد والمختزل (فبيروكسيد الهيدروجين هو الاثنان معًا).
لماذا تبقى القارورة صالحة شهورًا، مع أن التفاعل ممكن؟

الجزء الثاني — ما معنى «20 حجمًا».

ما كمية الأكسجين التي يطلقها $1\,\mathrm{L}$ من المحلول؟
استنتج كمية بيروكسيد الهيدروجين في $1\,\mathrm{L}$ .
أعطِ التركيز المولي.
احسب الكتلة المولية لبيروكسيد الهيدروجين والتركيز الكتلي.
ماذا تعني «10 أحجام» بالمول في اللتر؟

الجزء الثالث — حفّازان.

تضاف إلى عيّنة قطرة دم (كاتالاز)، وإلى أخرى بضع قطرات من كلوريد الحديد (III). فأي نوع من الحفز في كل حالة؟
اكتب خطوتي الحفز بالحديد (III) وتحقق من أن مجموعهما هو التفكك.
مستعينًا بمنحنيي الأكسجين المنطلق، صف كيف يتغير حجم الأكسجين مع الحفّاز ودونه، وما الذي يبقى على حاله.
لماذا يتغير لون عيّنة محفَّزة بالحديد (III) خلال التفاعل ثم يعود في النهاية؟
لماذا لا تجعل البطاطس المسلوقة المحلول يُزبد؟

الجزء الرابع — القارورة.

ما حجم الأكسجين، مقيسًا عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، الذي يمكن أن تطلقه قارورة سعتها $100\,\mathrm{mL}$ ؟
كم يساوي هذا الحجم عند $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )؟
لماذا يجب أن تسمح سدادة هذه القارورة للغاز بالخروج ببطء؟
عويرت قارورة خُزّنت مدة طويلة فوُجد أنها تحوي $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . فكم «حجمًا» يمثل ذلك الآن؟
ما الكسر الذي تفكك من بيروكسيد الهيدروجين؟
اذكر الجواب النهائي: ما التركيز المولي لمحلول بيروكسيد الهيدروجين «20 حجمًا»؟

حل

حل المسألة 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. نعم: فبيروكسيد الهيدروجين هو مؤكسد المزدوجة $\ce{H2O2}/\ce{H2O}$ ومختزل المزدوجة $\ce{O2}/\ce{H2O2}$ ؛ فهو يؤكسد نفسه ويختزلها.

3. التفاعل دون حفّاز بطيء جدًا.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. مولان من بيروكسيد الهيدروجين لكل مول من الأكسجين: $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. النصف: $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. الكاتالاز: إنزيم، مذاب، أي حفّاز حيوي؛ وأيونات الحديد (III): حفز متجانس.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ و $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ؛ ومجموعهما $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. مع الحفّاز يرتفع الحجم أسرع بكثير؛ ويستقر المنحنيان عند الحجم النهائي نفسه.

12. تتحول أيونات الحديد (III) (البرتقالية) إلى حديد (II) (أخضر باهت) في الخطوة الأولى وتعود إلى حديد (III) في الثانية؛ وفي النهاية يعود الحديد كله حديدًا (III).

13. أتلف الغلي الإنزيم.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ ، أي $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. التفكك البطيء يطلق الأكسجين، الذي يرفع الضغط في قارورة محكمة الإغلاق.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ من الأكسجين في اللتر، أي $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : «16.8 حجمًا».

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد