المحفزات

وتعرف المحفزات (الوسطاء ) بأنها مادة كيميائية تضاف بكميات قليلة للتفاعل الكيميائي بهدف زيادة سرعته دون أن تغير في خواصه الكيميائية رغم إمكانية حدوث تغيرات في خواصها الفيزيائية.

وهي تسرع التفاعلات الكيميائية القابلة للحدوث من الناحية الحركية الحرارية ( الترموديناميك ) و هي لا تستطيع أن تغير من وضع التوازن في حال التفاعلات العكوسة لأن فعلها الحفزي يسرع كلا التفاعلين الأمامي والخلفي بالمقدار نفسه.

و تُحدث زيادة سرعة التفاعل بسبب قدرة المحفز على تخفيض طاقة تنشيط التفاعل ( أقل كمية من الطاقة تحتاجها الجزيئات المتفاعلة للوصول إلى المركب النشط, وتكوين نواتج ).

يعود استخدام المواد المحفزة إلى عام 1831 م حيث استخدم البلاتين في عملية أكسدة ثنائي أكسيد الكبريت إلى حمض الكبريت, و في عام 1838 م استخدم البلاتين أيضا في أكسدة النشادر إلى حمض الآزوت, وتتالت بعد ذلك الصناعات الكيميائية التي تقوم على استخدام أنواع لا تعد ولا تحصى من المواد المحفزة و مازالت تتطور إلى يومنا هذا و خصوصا بعد اكتشاف النفط حيث أن للمحفزات أهمية بالغة في الصناعات البتروكيميائية من خلال عمليات التصنيع المختلفة   ( هدرجة, نزع هيدروجين, أكسدة, إرجاع, بلمرة, كربلة ). حيث أنها تعمل على خفض تكلفة المنتج و تحسين الإنتاج.

خصائص المحفزات:

للمحفزات خصائص عديدة من أهمها: الفعالية و الانتقائية و التسمم و فيما يلي تعرف بهذه الخصائص:

1-         الفعالية:  و تعرف الفعالية (Activity ) بأنها قدرة المحفز على تحويل المواد المتفاعلة إلى نواتج,  و تحسب  بقياس السرعة النوعية ( Specific Rate )

2-         الانتقائية:  و تعرف الانتقائية (Selectivity ) بأنها قدرة المحفز على إنتاج المركب المطلوب,      دون تشكل مركبات ثانوية أخرى .

3-         التسمم: يحدث التسمم (Poisoning ) نتيجة وجود شوائب في المواد المتفاعلة أو في المحفز أو في كليهما, حيث يكون ارتباط هذه الشوائب بالمحفز أقوى من ارتباطها بالمواد المتفاعلة. و بالتالي لا يستطيع المحفز العمل .

أنواع المحفزات:

يمكن تصنيف المحفزات حسب نوع المحفز و الوسط المستخدم فيه إلى نوعين:

1-  محفزات متجانسة: و تعرف المحفزات المتجانسة (Homogeneous Catalysts ) بأنها المحفزات التي توجد في طور المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل, مثال: أكسدة الإيتيلين لتكوين الإست الدهيد باستخدام كلوريد البلاد يوم كمحفز في محلول كلوريد النحاس.  وتصنف المحفزات المتجانسة إلى عدة أصناف:

            ( أ ) حامضية: وهي إما مواد قادرة على منح البروتونات مثل حمض الكبريت ( المحفز لعمليات

                    الأسترة و التصبن و إماهة الأوليفينات و تحضير المشتقات العطرية الؤلكلة.

                    أو مواد قادرة على استقبال أزواج إلكترونية مثل (AlCl₃ و BF₃ ) و غيرها.

            ( ب) قاعدية: مثل (NaOH, KOH ) و التي تدخل كمحفزات في تفاعلات التكاثف للمركبات

                     الكربونيلية كالألدهيدات و الكيتونات.

            ( جـ ) عضوية معدنية: مثل محفز زكلر ناتا و الذي يتكون من [ Al(C₂H₅)₃ + TiCl₄ ] و الذي

                      يعد من المحفزات الشائعة في بلمرة الأليفينات أحادية و ثنائية الرابطة المضاعفة.

                 ( د ) معقدات : و تشمل العناصر الانتقالية مثل ( Mo, W ,V, Co, Pd ) .

2-  محفزات غير متجانسة: تعرف المحفزات غير المتجانسة (Heterogeneous Catalysts ) بأنها المحفزات التي توجد في طور مختلف عن طور المواد المتفاعلة فقد يوجد المحفز في الطور الصلب         و المواد في الحالة السائلة أو الغازية, و يتم التفاعل على سطح المحفز بامتزاز المواد المتفاعلة و عليه فهي أكثر فعالية عندما توجد على شكل مسحوق.

و تتلخص آلية الحفز غير المتجانس في الخطوات التالية:

              - انتشار جزيئات المواد المتفاعلة على سطح المحفز

              - امتزاز فيزيائي أو كيميائي للمواد المتفاعلة على سطح المحفز

              - تفاعل الجزيئات الممتزة على سطح المحفز لتكوين مركب وسطي.

              - انتزاز المواد الناتجة من على سطح المحفز.

              - انتشار المواد الناتجة بعيدا عن سطح المحفز.

و تصنف المحفزات غير المتجانسة إلى:

          (  أ ) حمضية : مثل سيليكات الألمنيوم و الزيولايت المستعملة في عمليات التكسير الحراري

                 لمكونات النفط و حامض الفوسفور المدعم على الفحم الفعال في بلمرة البر وبلين

          ( ب) مؤكسدة: و تشمل الأكاسيد المعدنية التي منها: ( V₂O₃ ) في أكسدة ثنائي أكسيد الكبريت  

                       (MoO₃-Bi₂O₃ ) في تحضير سيانيد الأكريل من البر وبلين

              ( جـ ) مرجعة: كالمعادن أو بعض مركباتها كـالكوبالت و النيكل و البلاتين و الفضة و النحاس..

                        و تستخدم هذه المحفزات بشكل عام في عمليتي ( إضافة الماء و هدرجة الأوليفينات ).

تصنيف المواد المحفزة:

تصنف المواد المحفزة وفق المجموعات التالية:

1- الفلزات و الخلائط و المركبات المعدنية: ويمكن تفصيل هذا النوع من المحفزات فيما يلي:

     - الفلزات: وتتصف بأنها تتفاعل بعنف مع الأكسجين و الماء. تعتمد الفعالية الحفزية للفلزات في تفاعلات

        الأكسدة و الإرجاع على خصائص الامتزاز الكيميائي, وبشكل عام تزداد الفعالية من اليسار إلى اليمين

        في الأدوار من 4 إلى 6 في مجموعة الفلزات (8B ) في الجدول الدوري.

-  الخلائط : وهي عبارة عن مزيج من فلز فعال حفزيا مع فلز آخر فعال أو غير فعال يمكن أن يزيد أو

    ينقص من الفعالية. وتستخدم هذه الأنواع من مزائج الفلزات لتحسين فعالية أو انتقائية المادة المحفزة   

    فعلى سبيل المثال تضاف كمية صغيرة من الذهب إلى الفضة لتحسين أدائه في أكسدة الإيتيلن.

- المواد الداعمة: و هي المواد التي تتوضع عليها المواد الفعالة و يكون الهدف من استخدامها :

1- تحسين مردود العملية الحفزية

2- الحصول على أعلى انتقائية و فعالية.

3- مقاومة أفضل للتثبيط الحراري

   و هي تتمتع بـ:  

       1- درجة انصهار مرتفعة

       2- سمية عالية      

       3- خصائص ميكانيكية ثابتة 

      4- وظائف ثنائية الفعالية

   و هي إما حامضية مثل SiO3     أو قاعدية مثل MgO        أو متعادلة مثل MgAl₂O₄

- المثبطات: و يمكن استخدامها لتحسين انتقائية المحفزات الفلزية, من خلال تثبيط التفاعلات غير

         المرغوب فيها فعلى سبيل المثال: يضاف ثنائي كلور الإيثان كمثبط لمحفز الفضة المستخدم كمحفز في

         أكسدة الإيثيلن لتجنب احتراقه.

     - المواد المنشطة: و تستخدم عادة بكميات قليلة للحصول على فعالية أو انتقائية أو ثباتية مرغوب فيها.

     - المركبات الفلزية:  وهي عبارة عن مجموعات من المعادن مثل (FeTi – LaNi₅ ) و تتصف بامتزاز

       كيميائي مرتفع للهيدروجين لذلك فهي تستخدم في عمليات الهدرجة و تصنيع النشادر و المتينة

       (Methanation ) و تما كب الألكينات.

2- الأمـــــــــلاح: تشمل الأملاح المستخدمة في عمليات التحفيز ما يلي:

- الهاليدات: مثل (AlCl₃ ) المستخدم في عمليات الألكلة و التماكب و إعادة الترتيب

                     (CuCl₂ ) المستخدم في عمليات الأكسدة المكلورة حيث يضاف له كلوريد البوتاسيوم

- الكبريتات: مثل كبريتات النحاس و كبريتات الألمنيوم المستخدمتين في تماكب الرابطة المضاعفة

- الفوسفات مثل فوسفات النيكل و الكالسيوم (Ca₈Ni(PO₄)₈ ) المستخدمة في عملية نزع الهيدروجين من

  البيوتين وعمليات التعطير ( Aromatization ).

3- الكبـريتيـدات: الكبريتيدات عبارة عن مركبات كبريتية فلزية مثل كبريتيدات النيكل و الكوبالت و الحديد

      و المولبيديوم و التنغستين تستخدم في عمليات الأكسدة و الإرجاع و التفاعلات التي تحتاج إلى حفز

      حمضي, و من أهم التفاعلات التي تقوم بتحفيزها عمليات التكسير

      الهيدروجيني للسوائل الناتجة عن الفحم و بقايا التقطير الإسفلتي.

4- الأحمـــاض:  و تتضمن أكاسيد عناصر الدور الثالث كأكاسيد الصوديوم و المغنزيوم و الألمنيوم

     والسيلكون و الفوسفور, حيث تبدي هذه المحفزات انتقالا من الصفة القاعدية و الإمفوتورية إلى الصفة

      الحمضية. وهناك نوع آخر من المحفزات الحمضية مثل حمض الكبريت أو حمض الفسفور المحملين

      على السيليكا جل.

5- القــــواعــد: و تتضمن أكاسيد و هيدروكسيلات و كربونات و سيليكات لفلزات المعادن القلوية و القلوية

     الترابية. تطبيقاتها قليلة مثل:    تكاثف الأسيتون بوجود هيدروكسيد البار يوم.

                                                بلمرة البوتادئين بوجود فلز الصوديوم.

6- معقدات التساند الفلزية:  (Metal Coordination Complexes ) و تستخدم فيها الفلزات الانتقالية

     لتحفيز عد كبير من التفاعلات, حيث تبدي انتقائية عالية و تعد من المحفزات المتجانسة, وكأمثلة:

              - محفزات:  [RuCl₆]^-2 و  Fe(CO)₅  المستخدمان في الهدرجة

              - المحفز:  [Co(CO)₄] المستخدم في عملية الهيدروفورملة (Hydro formulation ).

يبين الجدول (1 و 2 ) أهم التطبيقات الصناعية التي تستخدم الحفازات :

                                                      الجدول ( 1)

                                                    الجدول ( 2 )