أنواع مختلفة من المحفزات

في الكيمياء ، أ عامل حفاز هي مادة تعمل على تسريع معدل التفاعل دون أن يتم استهلاكها في التفاعل. أي تفاعل يستخدم عامل حفاز يسمى الحفز. كن حذرًا بشأن هذا التمييز عند قراءة مادة الكيمياء ؛ المحفز (محفزات الجمع) هو مادة فيزيائية ، لكن التحفيز (الجمع "المحفزات") هو عملية.

نظرة عامة على كل فئة من فئات المحفزات هي نقطة انطلاق مفيدة في تعلم الكيمياء التحليلية وفهم ما يحدث على المستوى الجزيئي عندما تخلط المواد معًا ويحدث تفاعل. المحفزات والتفاعلات التحفيزية المرتبطة بها تأتي في ثلاثة أنواع رئيسية: المحفزات المتجانسة ، المحفزات غير المتجانسة والمحفزات الحيوية (تسمى عادة الإنزيمات). تشمل الأنواع الأقل شيوعًا ولكن لا تزال مهمة من أنشطة المحفز التحفيز الضوئي والتحفيز البيئي والعمليات التحفيزية الخضراء.

غالبية المحفزات الصلبة عبارة عن معادن (مثل البلاتين أو النيكل) أو المعادن القريبة (مثل السيليكون والبورون والألمنيوم) المرتبطة بعناصر مثل الأكسجين والكبريت. من المرجح أن تتكون المحفزات الموجودة في الطور السائل أو الغازي من عنصر واحد ، على الرغم من أنه يمكن دمجها معه يمكن نشر المذيبات والمواد الأخرى ، والمحفزات الصلبة داخل مادة صلبة أو سائلة تعرف باسم مادة حاملة.

المحفزات تسرع التفاعلات عن طريق خفض طاقة التفعيل ه_أ لرد فعل من شأنه أن يستمر بدون المحفز ، ولكن ببطء أكبر. تحتوي هذه التفاعلات على منتج أو منتجات ذات طاقة إجمالية أقل من تلك الخاصة بالمتفاعل أو المتفاعلات ؛ لو لم يكن الأمر كذلك ، فلن تحدث هذه التفاعلات بدون إضافة طاقة خارجية. ولكن للانتقال من حالة الطاقة الأعلى إلى حالة الطاقة المنخفضة ، يجب أن "تتجاوز المنتجات الحدبة" أولاً ، وهذا "الحدبة" هي حرف E_أ. تعمل المحفزات في جوهرها على تنعيم المطبات على طول طريق التفاعل والطاقة من خلال تسهيلها على المواد المتفاعلة للوصول إلى طاقة "المنحدر السفلي" للتفاعل ببساطة عن طريق خفض ارتفاع "قمة التل".

تتميز الأنظمة الكيميائية بأمثلة على المحفزات الإيجابية والسلبية ، حيث تميل الأولى إلى تسريع معدل التفاعل وتعمل المحفزات السلبية على إبطائها. يمكن أن يكون كلاهما مفيدًا ، اعتمادًا على النتيجة المحددة المرغوبة.

تؤدي المحفزات عملها عن طريق الارتباط المؤقت بأحد المواد المتفاعلة أو تعديلها كيميائيًا بطريقة أخرى وتغييرها الفيزيائية التشكل ، أو الشكل ثلاثي الأبعاد ، بطريقة تسهل تحويل المادة المتفاعلة أو المتفاعلات إلى أحد منتجات. تخيل وجود كلب يتدحرج في الوحل ويحتاج إلى النظافة قبل أن يتمكن من الدخول. سيخرج الطين من الكلب من تلقاء نفسه في النهاية ، ولكن إذا كان بإمكانك فعل شيء يحث الكلب في اتجاه مرشة الفناء حتى يتم رش الطين من فروه بسرعة ، كنت ستعمل في الواقع "كعامل مساعد" للكلب القذر على "رد فعل" الكلب النظيف.

في أغلب الأحيان ، يتم تكوين منتج وسيط غير معروض في أي ملخص عادي للتفاعل من مادة متفاعلة ومحفز ، و عندما يتم تغيير هذا المركب إلى منتج نهائي واحد أو أكثر ، يتم تجديد المحفز كما لو لم يحدث أي شيء منه في أي وقت. الكل. كما سترى قريبًا ، يمكن أن تتم هذه العملية بعدة طرق.

يعتبر رد الفعل محفزًا بشكل متجانس عندما يكون المحفز والمتفاعل (المتفاعلات) في نفس الحالة الفيزيائية أو المرحلة. يحدث هذا غالبًا مع أزواج المحفز الغازي المتفاعل. تشمل أنواع المحفزات المتجانسة الأحماض العضوية التي يتم فيها استبدال ذرة الهيدروجين المتبرع بها بمعدن ، عدد المركبات التي تمزج الكربون والعناصر المعدنية بشكل ما ، ومركبات الكربونيل المرتبطة بالكوبالت أو حديد.

مثال على هذا النوع من التحفيز الذي يتضمن السوائل هو تحويل أيونات البرسلفات واليوديد إلى أيون الكبريتات واليود:

س₂ا₈^2- + 2 أنا^- → 2 SO₄^2- + أنا₂

رد الفعل هذا سيواجه صعوبة في المضي قدمًا من تلقاء نفسه على الرغم من الطاقة الإيجابية ، لأن كليهما تكون المواد المتفاعلة سالبة الشحنة ، وبالتالي فإن خصائصها الكهروستاتيكية تتعارض مع المواد الكيميائية الخاصة بها الصفات. ولكن إذا تمت إضافة أيونات الحديد ، التي تحمل شحنة موجبة ، إلى الخليط ، فإن الحديد "يشتت" الشحنات السالبة ويتحرك التفاعل للأمام بسرعة.

الحفز الغازي المتجانس الذي يحدث بشكل طبيعي هو تحويل غاز الأكسجين ، أو O₂، في الغلاف الجوي للأوزون ، أو O₃، حيث جذور الأكسجين (O^-) وسيطة. هنا ، الضوء فوق البنفسجي القادم من الشمس هو المحفز الحقيقي ، لكن كل مركب مادي موجود في نفس الحالة (الغازية).

يعتبر رد الفعل محفزًا بشكل غير متجانس عندما يكون المحفز والمتفاعل (المتفاعلات) في مراحل مختلفة ، مع حدوث التفاعل عند السطح البيني بينهما (الأكثر شيوعًا ، "الحدود" الغازية الصلبة). تشتمل بعض المحفزات غير المتجانسة الأكثر شيوعًا على مواد صلبة غير عضوية - أي غير محتوية على الكربون - مثل العناصر المعادن ، والكبريتيدات والأملاح المعدنية ، فضلا عن القليل من المواد العضوية ، من بينها الهيدروبيروكسيدات والأيونات المبادلات.

الزيوليت هي فئة مهمة من المحفزات غير المتجانسة. هذه مواد صلبة بلورية تتكون من وحدات متكررة من SiO₄. ترتبط وحدات من أربعة من هذه الجزيئات المرتبطة ببعضها البعض لتشكيل هياكل مختلفة من الحلقات والأقفاص. يؤدي وجود ذرة الألومنيوم في البلورة إلى عدم توازن الشحنة ، والذي يقابله بروتون (أي أيون الهيدروجين).

الإنزيمات عبارة عن بروتينات تعمل كمحفزات في الأنظمة الحية. تحتوي هذه الإنزيمات على مكونات تسمى مواقع ربط الركيزة ، أو المواقع النشطة ، حيث تلتصق الجزيئات المشاركة في التفاعل تحت التحفيز. الأجزاء المكونة لجميع البروتينات هي أحماض أمينية ، ولكل من هذه الأحماض الفردية توزيع شحنة غير متساوٍ من طرف إلى آخر. هذه الخاصية هي السبب الرئيسي لامتلاك الإنزيمات لقدرات تحفيزية.

يتناسب الموقع النشط على الإنزيم مع الجزء الصحيح من الركيزة (المادة المتفاعلة) بدلاً من المفتاح الذي يدخل القفل. لاحظ أن المحفزات الموصوفة سابقًا غالبًا ما تحفز مجموعة من التفاعلات غير المتشابهة ، وبالتالي لا تمتلك درجة الخصوصية الكيميائية التي تمتلكها الإنزيمات.

بشكل عام ، عند وجود المزيد من الركيزة والمزيد من الإنزيم ، سيستمر التفاعل بسرعة أكبر. ولكن إذا تم إضافة المزيد والمزيد من الركيزة دون إضافة المزيد من الإنزيم أيضًا ، فإن كل الإنزيم تصبح مواقع الارتباط مشبعة ، وقد وصل التفاعل إلى أقصى معدل له لهذا الإنزيم تركيز. يمكن تمثيل كل تفاعل محفز بواسطة إنزيم من حيث المنتجات الوسيطة المتكونة بسبب وجود الإنزيم. هذا ، بدلاً من الكتابة:

S → P

لإظهار تحول الركيزة إلى منتج ، يمكنك تصوير هذا على النحو التالي:

E + S → ES → E + P.

حيث يكون المصطلح الأوسط هو مركب الركيزة الإنزيمية (ES).

على الرغم من تصنيف الإنزيمات كفئة محفز متميزة عن تلك المذكورة أعلاه ، يمكن أن تكون إما متجانسة أو غير متجانسة.

تعمل الإنزيمات على النحو الأمثل ضمن نطاق ضيق لدرجة الحرارة ، وهو أمر منطقي نظرًا لأن درجة حرارة جسمك لا تتقلب بأكثر من بضع درجات في الظروف العادية. تدمر الحرارة الشديدة العديد من الإنزيمات وتؤدي إلى فقدانها لشكلها ثلاثي الأبعاد المحدد ، وهي عملية تسمى تغيير الطبيعة التي تنطبق على جميع البروتينات.