רובנו מתמודדים עם קשיים לבצע פעולות בסיסיות פשוט כי אין לנו די אנרגיה לבצע אותן. בבוקר, כשאנו מתעוררים, ניצבת בפנינו למשל אחת הדילמות הקשות ביותר – האם לקום או להמשיך לישון? ההכרעה תלויה בכמות האנרגיה שאנו מצליחים להשקיע בפעולה. אם הצלחנו לאסוף מספיק אנרגיה אנחנו קמים מהמיטה, שוטפים פנים ומתחילים את היום. אך לא פעם אנחנו נרדמים מחדש ומאחרים לעבודה. לעתים אנחנו חייבים את עזרתם של ההורים או בני הזוג, כדי שימשכו אותנו בכוח מהמיטה ויכריחו אותנו להתחיל את היום נגד רצוננו.
בדומה לפעולות בסיסיות שאנו עושים באופן יומיומי, גם מולקולות מבצעות פעולות רבות שדורשות אנרגיה ולעתים גם עזרה חיצונית. אחת הפעולות הללו היא תגובה (ריאקציה) כימית שמחברת בין המולקולות ליצירת מולקולה חדשה או כמה מולקולות. בתגובה כימית בין חומצות אמינו, למשל, נוצרים חלבונים ואילו בתגובה בין פחמן דו-חמצני (CO2) ומים (H2O) נוצרים חמצן (O2) וגלוקוז בתהליך הפוטוסינתזה.
על מנת ששתי מולקולות יגיבו ביניהן הן צריכות להיות קרובות מספיק זו לזו, מסודרות בכיוון שיאפשר את החיבור ביניהן וצריכה להיות להן מספיק אנרגיה כדי ליצור קשר כימי (קוולנטי) ביניהן. האנרגיה הדרושה ליצירת הקשר הכימי נקראת אנרגיית שפעול.
התגובה הכימית כרוכה באינטראקציה בין מולקולות שנקראות "מגיבים", שיוצרות יחד מולקולות חדשות שנקראות "תוצרים". אולם לפני יצירת התוצר הסופי, בדרך כלל לפרק זמן קצר, נוצר תוצר ביניים לא יציב שהאנרגיה שלו גבוהה יותר מזו של המגיבים. תוצר הביניים הוא שלב הכרחי בתהליך התגובה והוא הסיבה לקיומה של אנרגיית שפעול בתגובות כימיות.
המשוואה של ארהניוס
את המושג "אנרגיית שפעול" טבע לראשונה הכימאי השבדי סוונטה ארהניוס, שתיאר את התלות של קצב הריאקציה בטמפרטורה באמצעות משוואה הקרויה על שמו: משוואת ארהניוס. הוא מצא שככל שאנרגיית השפעול (Ea) נמוכה יותר, כך התגובה הכימית מתרחשת מהר יותר ולהפך. כלומר ככל שרמת האנרגיה של תוצר הביניים נמוכה יותר, כך המעבר ממגיבים לתוצרים יהיה מהיר יותר בטמפרטורה מסוימת.
רמת האנרגיה בתגובה כימית ותיאור קצב התגובה באמצעות משוואת ארהניוס
בתמיסה, מולקולות נעות כל הזמן ומתנגשות זו בזו, כך שכל התנגשות יכולה ליצור ביניהן תגובה כימית. אם האנרגיה שנוצרת כתוצאה מההתנגשות גבוהה יותר מאנרגית השפעול הדרושה ליצירת תוצר הביניים, התגובה הכימית תצא אל הפועל.
אך מדוע קצב התגובה תלוי באנרגיית השפעול? לשם כך נתבונן בדוגמה הבאה.
דמיינו את עצמכם נדרשים לדחוף סלע לנקודה מסוימת כשביניכם לבינה חוצץ הר. הטיפוס במעלה ההר ידרוש מכם אנרגיה רבה מאוד, שגודלה הוא כגודל אנרגיית השפעול. אם לא תהיה לכם די אנרגיה לעבור את ההר, הסלע יתגלגל בחזרה למקומו ההתחלתי, כלומר לתוצרים. אולם אם תהיה לכם די אנרגיה להגיע לפסגת ההר וליצור את תוצר הביניים, לא תדרשו להשקיע אנרגיה נוספת מכיוון שכעת כל שתצטרכו לעשות יהיה לגלגל את הכדור במורד ההר ולקבל את התוצרים. אם תתבקשו כעת לחזור על הפעולה ולעבור הר נמוך יותר (קו אפור) המעבר יהיה קל הרבה יותר ולכן ידרוש מכם פחות זמן.
השקעת האנרגיה במהלך תגובה כימית והתלות של קצב התגובה באנרגיית השפעול
עם עזרה קטנה מחבר
קיימות תגובות כימיות רבות שדורשות אנרגיית שפעול גבוהה מאוד שמקשה על המגיבים להתפתח לתוצרים. אחד הפתרונות הוא להעלות את הטמפרטורה ולזרז את הריאקציה. אולם כשמדובר בתגובות שמתרחשות בגופנו איננו יכולים לבצע את זה, ואילו בייצור תעשייתי העלאת הטמפרטורה דורשת הוצאה כספית גדולה.
לכן הפתרון הנפוץ ביותר לזירוז תגובות כימיות הוא באמצעות עזרה מבחוץ. כפי שאנו נזקקים לעזרתם של אחרים כשאין לנו די אנרגיה לקום בבוקר, כך גם אנו יכולים לעזור למגיבים להפוך לתוצרים. זירוז חיצוני של תגובות כימיות עושים באמצעות זרזים (קטליזטורים) שמייצבים את תוצר הביניים ומורידים את אנרגיית השפעול. וכפי שצוין ותואר בדוגמה הקודמת, קצב התגובה גדל ככל שאנרגיית השפעול קטנה.
אחת הדוגמאות הנפוצות לזרזים בגופנו הם חלבונים שנקראים אנזימים. ללא עזרת האנזימים, תגובות כימיות רבות וחשובות בגופנו, כמו יצירת חלבונים או בניית הדנ"א שלנו, לא היו מתרחשות כלל, או שהיו מתרחשות בקצב אטי כל כך שלא היה מאפשר חיים כמו שאנו מכירים אותם.
אז בפעם הבאה שלא תצליחו לקום מהמיטה בבוקר, פשוט תחפשו לכם זרז שיעשה את זה בשבילכם.
הסרטון הופק במסגרת TED-Ed
רן טבעוני
דוקטורנט, 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 במענה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
