תגובה כימית, בצורה הפשטנית ביותר, היא מפגש פורה בין שתי מולקולות או יותר. הכוונה במילים "מפגש פורה" היא שבמהלך המפגש נוצר לפחות קשר חדש אחד, שיצר מולקולה חדשה שלא הייתה קיימת קודם. לעתים המפגש כרוך גם בשבירת קשרים ישנים, אבל פעמים רבות פשוט כלום לא קורה כששתי מולקולות נפגשות.

מהתיאור הזה עולות כמה שאלות חשובות: מה גורם לתגובה כימית להתרחש? מה גורם לכך שקשרים מסוימים ישברו ואחרים ייווצרו? ומה מייחד את המולקולות שמגיבות זו עם זו לעומת אלה שלא נוצרת תגובה ביניהן?

התשובה לכל השאלות האלה הטמונה במילה אחת – אנרגיה.

דמיינו לעצמכם שהמפגש בין המולקולות נערך במשרד של רואה חשבון שמאזן אנרגיות במקום כסף. רואה החשבון בודק מהו הערך האנרגטי של המולקולות לפני שהן מגיבות, מה הערך האנרגטי העתידי של המולקולות החדשות אחרי התגובה, ומודד גם ערך אנרגטי חשוב נוסף שקובע פעמים רבות אם התגובה תתרחש או לא. האנרגיה הזו נקראת אנרגיית שפעול, או אנרגיית אקטיבציה.

אם נעשה הקבלה גסה לחיי היומיום, אפשר לדמיין מצב שבו לפני התגובה אתם יושבים על הספה מול הטלוויזיה ואתם רעבים. במצב הזה אתם חסרי מנוח והערך האנרגטי שלכם גבוה יחסית. אחרי התגובה (כלומר אחרי שקפצתם למטבח לאכול משהו) אתה חוזרים לספה, אבל אתם שבעים, מרוצים וקצת מנומנמים, לכן הערך האנרגטי שלכם נמוך יחסית. אנרגיית השפעול במצב שמתואר היא האנרגיה שאתם צריכים להוציא כדי להכין לעצמכם כריך ולאכול אותו.

אנרגיית השפעול היא האנרגיה שמפרידה בין המצב הרעב שלכם למצב השבע וקובעת אם תעברו ממצב למצב. אם אנרגיית השפעול גבוהה מדי, כלומר נדרשת השקעת אנרגיה גדולה כדי לעבור ממצב רעב למצב שבע, ייתכן מאוד שתישארו רעבים. לדוגמה, אם אין לכם אוכל זמין ואתם צריכים לצאת מהבית וללכת ברגל כמה קילומטרים בגשם זלעפות עד לחנות הקרובה, כנראה תעדיפו להישאר רעבים.

מצב דומה קיים גם בתגובה כימית. ה"מגיבים", או חומרי המוצא, נמצאים ברמת אנרגיה מסוימת, יש גבעה אנרגטית שמייצגת את אנרגיית השפעול ובפסגתה המולקולות המעורבות נמצאות במצב שנקרא "מצב המעבר". בצד השני של הגבעה האנרגטית נמצאים תוצרי התגובה, ברמת אנרגטית משלהם.

 תרשים: האנרגיה במהלך תגובה כימית

רמת אנרגיה נמוכה מתארת מצב יציב יותר, שכן הנטייה הטבעית של חומרים היא לשאוף למצב היציב ביותר, כלומר למצב האנרגטי הנמוך ביותר. כפי שאפשר לראות בתרשים, המצב של המגיבים וגם של התוצרים יציב יחסית ולעומתם, האנרגיה במצב המעבר גבוהה והוא אינו יציב, לכן ההתקדמות ממצב המעבר אל התוצרים היציבים מועדפת מאוד מבחינה אנרגטית. מכאן נובע שברגע שאנו משקיעים מספיק אנרגיה כדי להגיע למצב המעבר, התגובה תמשיך בקלות עד לתוצרים הסופיים.

ההשקעה המשמעותית ביותר של אנרגיה בתגובה היא זו שתקפיץ את המגיבים מעל המחסום האנרגטי הזה שנקרא "אנרגיית השפעול". ההגעה למצב המעבר דורשת הרבה אנרגיה ודורשת גם זמן. משום כך, אם אנו רוצים לבצע תגובה כלשהי אך לצמצם את כמות האנרגיה והזמן הנדרשים, עלינו למצוא דרך חלופית להתקדמות התגובה שעוקפת את מחסום האנרגיה הזה. הפעולה הזו נעשית על ידי "זרזים" (קטליזטורים).

הסרטון הבא נותן הסבר פשוט, מעניין וטוב שמתאר מאין נובעת אנרגיית השפעול ואיך זרזים ביולוגיים מיוחדים שנקראים אנזימים מזרזים תגובה כימית.


אנרגיית האקטיבציה ותגובה כימית  | הסרטון הופק בידי TED-Ed

כשאנשים צריכים לבצע פעולה כלשהיא, למשל ללכת להתקלח, לצאת לריצה או להכין עבודה לבית הספר, פעמים רבות דרושה דחיפה ראשונית שתגרום להם להתחיל את הפעולה. אחרי הדחיפה הראשונית הזאת ההמשך בדרך כלל הרבה יותר קל. למולקולות אמנם אין רצון חופשי, אך נראה שהן דומות לבני האדם במובן הזה, ופעמים רבות הן זקוקות לדחיפה אנרגטית קלה שתניע את התגובה הכימית.

אז בפעם הבאה שאתם רוצים לצאת לריצה אבל אין לכם כוח, תזכרו שגם מולקולות צריכות לפעמים דחיפה ראשונית. ההתחלה קשה, אבל ההמשך קל ונעים יותר. מניסיוני, יכול להיות שתיזכרו באמצע הדרך שבעצם אתם אוהבים לרוץ ולא תבינו למה אתם לא עושים את זה יותר. התשובה, כבר הבנתם, טמונה בדחיפה הראשונית.

איתן אוקסנברג
מאסטרנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

תגובה אחת

  • shran

    אנרגיית השפעול שווה לאנרגיית הקשר

    האם אנרגיית השפעול שווה לאנרגיית הקשר , האם אותה אנרגיה שמשקיעים על מנת שתתרחש תגובה , היא האנרגייה לשבירת הקשרים הכימים בכדי שיתקבלו תוצרים ?