परिचय

1. कटैलिसीस के सामान्य प्रावधान और नियमितता

2. सजातीय कटैलिसीस

3. एसिड और बेस कटैलिसीस

4. जटिल यौगिकों द्वारा उत्प्रेरित सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं

5. एंजाइमेटिक कटैलिसीस

6. विषम उत्प्रेरण

निष्कर्ष

प्रयुक्त स्रोतों की सूची

परिचय

उत्प्रेरण उत्प्रेरक की उपस्थिति में प्रतिक्रिया की दर में परिवर्तन की घटना है। उत्प्रेरकों से युक्त अभिक्रियाएँ उत्प्रेरक कहलाती हैं। वे पदार्थ जो किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाते हैं, जबकि समग्र प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप अपरिवर्तित रहते हैं, उत्प्रेरक कहलाते हैं।

कई अलग-अलग प्रकार के उत्प्रेरक और क्रिया के कई अलग-अलग तंत्र हैं। उत्प्रेरक चक्रों से गुजरता है जिसमें वह पहले बंधा होता है, फिर पुनर्जीवित होता है, फिर से बंधा होता है, और इसी तरह कई बार। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को एक अलग तरीके से आगे बढ़ने की अनुमति देता है, और उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में तेज गति से होता है। सक्रियण ऊर्जा को कम करके, पूर्व-घातीय कारक या दोनों को बढ़ाकर गति को बढ़ाया जा सकता है।

उत्प्रेरक एक साथ आगे और पीछे दोनों प्रतिक्रियाओं को तेज करता है, जिससे समग्र प्रतिक्रिया का संतुलन स्थिर रहता है। यदि ऐसा नहीं होता, तो पदार्थ को पुन: उत्पन्न करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग करके एक सतत गति मशीन का निर्माण करना संभव होता

1. कटैलिसीस के सामान्य प्रावधान और नियमितता

उत्प्रेरक सजातीय और विषम में विभाजित हैं। एक सजातीय उत्प्रेरक एक ही चरण में अभिकारकों के साथ होता है, एक विषम एक एक स्वतंत्र चरण बनाता है जो उस चरण से एक इंटरफ़ेस द्वारा अलग किया जाता है जिसमें अभिकारक स्थित होते हैं। विशिष्ट सजातीय उत्प्रेरक अम्ल और क्षार हैं। धातु, उनके ऑक्साइड और सल्फाइड विषमांगी उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

एक ही प्रकार की प्रतिक्रियाएं सजातीय और विषम उत्प्रेरक दोनों के साथ आगे बढ़ सकती हैं। इस प्रकार, एसिड समाधान के साथ, ठोस अल 2 ओ 3, टीआईओ 2, थओ 2, एल्युमिनोसिलिकेट्स और अम्लीय गुणों वाले जिओलाइट्स का उपयोग किया जाता है। मूल गुणों वाले विषम उत्प्रेरक: CaO, BaO, MgO।

विषम उत्प्रेरक, एक नियम के रूप में, एक अत्यधिक विकसित सतह होती है, जिसके लिए उन्हें एक निष्क्रिय वाहक (सिलिका जेल, एल्यूमिना, सक्रिय कार्बन, आदि) पर वितरित किया जाता है।

प्रत्येक प्रकार की प्रतिक्रिया के लिए, केवल कुछ उत्प्रेरक प्रभावी होते हैं। पहले ही उल्लेख किए गए एसिड-बेस के अलावा, ऑक्सीकरण-कमी उत्प्रेरक भी हैं; उन्हें एक संक्रमण धातु या उसके यौगिक (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3) की उपस्थिति की विशेषता है। इस मामले में, संक्रमण धातु के ऑक्सीकरण राज्य को बदलकर उत्प्रेरण किया जाता है।

कई अभिक्रियाएं उत्प्रेरक की सहायता से की जाती हैं जो संक्रमण धातु (Ti, Rh, Ni) के परमाणु या आयन पर अभिकारकों के समन्वय के माध्यम से कार्य करती हैं। इस तरह के कटैलिसीस को समन्वय कटैलिसीस कहा जाता है।

यदि उत्प्रेरक में चिरल गुण होते हैं, तो वैकल्पिक रूप से निष्क्रिय सब्सट्रेट से एक वैकल्पिक रूप से सक्रिय उत्पाद प्राप्त किया जाता है।

आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी में, कई उत्प्रेरकों की प्रणालियों का अक्सर उपयोग किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक प्रतिक्रिया के विभिन्न चरणों को तेज करता है। उत्प्रेरक दूसरे उत्प्रेरक द्वारा किए गए उत्प्रेरक चक्र के चरणों में से एक की गति को भी बढ़ा सकता है। यह वह जगह है जहां "उत्प्रेरण का उत्प्रेरण" या दूसरे स्तर का उत्प्रेरण होता है।

एंजाइम जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक की भूमिका निभाते हैं।

उत्प्रेरकों को सर्जक से अलग किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, पेरोक्साइड मुक्त कणों में टूट जाते हैं जो कट्टरपंथी श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को शुरू कर सकते हैं। प्रतिक्रिया के दौरान आरंभकर्ताओं का उपभोग किया जाता है, इसलिए उन्हें उत्प्रेरक नहीं माना जा सकता है।

अवरोधकों को कभी-कभी गलती से नकारात्मक उत्प्रेरक माना जाता है। लेकिन अवरोधक, जैसे कि कट्टरपंथी श्रृंखला प्रतिक्रियाएं, मुक्त कणों के साथ प्रतिक्रिया करती हैं और उत्प्रेरक के विपरीत, संरक्षित नहीं होती हैं। अन्य अवरोधक (उत्प्रेरक विष) उत्प्रेरक से बंधते हैं और उसे निष्क्रिय कर देते हैं, जो कि नकारात्मक उत्प्रेरण के बजाय उत्प्रेरण दमन है। नकारात्मक कटैलिसीस सिद्धांत रूप में असंभव है: यह प्रतिक्रिया के लिए एक धीमा मार्ग प्रदान करेगा, लेकिन प्रतिक्रिया, निश्चित रूप से, तेजी से आगे बढ़ेगी, इस मामले में, उत्प्रेरित नहीं, पथ।

उत्प्रेरक प्रतिक्रिया उत्पादों में से एक हो सकता है। इस मामले में, प्रतिक्रिया को ऑटोकैटलिटिक कहा जाता है, और घटना को ऑटोकैटलिसिस कहा जाता है। उदाहरण के लिए, Fe 2+ के Mn0 4 . के साथ ऑक्सीकरण के दौरान

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ \u003d 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0

परिणामी Mn 2+ आयन प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को उत्प्रेरित करते हैं।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं प्रकृति में अत्यंत सामान्य हैं। इनमें से सबसे आश्चर्यजनक एंजाइमों के साथ प्रतिक्रियाएं हैं, जो जीवित जीवों में कई प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करती हैं। उद्योग में उत्प्रेरक का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। नाइट्रिक और सल्फ्यूरिक एसिड का उत्पादन, अमोनिया, सिंथेटिक रबर का उत्पादन, आदि। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के बिना असंभव। उत्प्रेरक का उपयोग औषधीय पदार्थों के उत्पादन में किया जाता है: फेनासेटिन, गियाकोल, सुगंधित यौगिकों के हलोजन डेरिवेटिव, आदि। Mn (IV), Ni, Co, Fe, AlC1 3 , TeC1 3 ऑक्साइड उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

सजातीय और विषम उत्प्रेरण हैं, लेकिन उनमें से किसी के लिए मुख्य नियमितताएं इस प्रकार हैं:

1. उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के प्रारंभिक कार्य में सक्रिय रूप से भाग लेता है, प्रतिक्रिया में प्रतिभागियों में से एक के साथ मध्यवर्ती यौगिकों का निर्माण करता है, या सभी अभिकारकों के साथ एक सक्रिय परिसर। प्रत्येक प्रारंभिक क्रिया के बाद, यह पुनर्जीवित होता है और प्रतिक्रियाशील पदार्थों के नए अणुओं के साथ बातचीत कर सकता है।

2. उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर उत्प्रेरक की मात्रा के समानुपाती होती है।

3. उत्प्रेरक में क्रिया की चयनात्मकता होती है। यह एक प्रतिक्रिया की दर को बदल सकता है और दूसरे की दर को प्रभावित नहीं कर सकता।

4. उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को एक अलग तरीके से आगे बढ़ने की अनुमति देता है, और उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में इसकी तुलना में तेज गति से होता है।

सक्रियण ऊर्जा को कम करके, पूर्व-घातीय कारक या दोनों को बढ़ाकर गति को बढ़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एसीटैल्डिहाइड सीएच 3 सीएचओ सीएच 4 + सीओ का थर्मल अपघटन आयोडीन वाष्प द्वारा उत्प्रेरित होता है, जिससे सक्रियण ऊर्जा में ~ 55 kJ/mol की कमी होती है। यह कमी लगभग 10,000 के कारक द्वारा स्थिर दर में वृद्धि का कारण बनती है।

5. उत्प्रेरक थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति को प्रभावित नहीं करता है। यह समान रूप से आगे और पीछे दोनों प्रतिक्रियाओं की दर को बदलता है।

6. जब कुछ पदार्थ, जिन्हें प्रमोटर कहा जाता है, जोड़े जाते हैं, उत्प्रेरक की गतिविधि बढ़ जाती है; अवरोधकों को जोड़ने से प्रतिक्रिया की दर कम हो जाती है।

2. सजातीय कटैलिसीस

सजातीय कटैलिसीस में, उत्प्रेरक एक सजातीय समाधान में एक अणु या आयन है। सजातीय उत्प्रेरण के मामले में, उत्प्रेरक और सभी अभिकारक एक सामान्य चरण बनाते हैं।

सजातीय कटैलिसीस के सिद्धांत की मुख्य धारणा यह विचार है कि प्रतिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक के अस्थिर मध्यवर्ती यौगिक अभिकारकों के साथ बनते हैं, जो तब उत्प्रेरक के पुनर्जनन के साथ विघटित होते हैं:

ए + बी + के = (ए-बी-के)* डी + के

इस प्रतिक्रिया की दर

वी = के एनसी एसी बीसी क

उत्प्रेरक सांद्रता के समानुपाती होता है, और दर स्थिरांक अरहेनियस समीकरण का पालन करता है। यह प्रतिक्रिया दो चरणों में आगे बढ़ सकती है:

कटैलिसीस सजातीय एसिड एंजाइमैटिक विषम

इस मामले में, दो मामले संभव हैं। पहले चरण में, उत्प्रेरक और प्रारंभिक उत्पाद में परिसर के अपघटन की दर दूसरे चरण की दर से बहुत अधिक है, जिसमें अंतिम उत्पाद बनता है। इसलिए, इस प्रकार के कटैलिसीस में परिसरों की एकाग्रता, जिन्हें अरहेनियस कॉम्प्लेक्स कहा जाता है, कम है। दूसरे मामले में, परिसर के अपघटन की दर दूसरे चरण की दर के अनुरूप है। मध्यवर्ती परिसर की एकाग्रता महत्वपूर्ण और स्थिर है। इस प्रकार के संकुलों को वैन्ट हॉफ संकुल कहते हैं।

दूसरा मामला, जैसा कि अधिक विशिष्ट है, पर अधिक विस्तार से विचार किया जाएगा। चूंकि मध्यवर्ती यौगिक एए प्रारंभिक सामग्री के साथ संतुलन में है, प्रत्यक्ष (v 1) और रिवर्स (v 2) प्रतिक्रियाओं (1) की दरें बराबर होनी चाहिए। उनके लिए गतिज समीकरणों को संकलित करते हुए, हम प्राप्त करते हैं:

कहाँ पे (साथ को"-- साथ एके") उत्प्रेरक की सांद्रता है जिसने प्रतिक्रिया नहीं की; साथ लेकिन,साथ एके"-- पदार्थ ए और मध्यवर्ती यौगिक एए की संतुलन सांद्रता क्रमशः।

(2) से हम मध्यवर्ती यौगिक की सांद्रता पाते हैं:

पूरी प्रक्रिया की समग्र दर (v) सबसे धीमी अवस्था की दर से निर्धारित होती है, इस मामले में दूसरी। फिर

(4) मध्यवर्ती यौगिक (3) की सांद्रता में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

समीकरण (5) दो सीमित व्यवस्थाओं के अस्तित्व की संभावना को इंगित करता है:

दोनों ही मामलों में, प्रतिक्रिया दर उत्प्रेरक की एकाग्रता के सीधे आनुपातिक है, लेकिन प्रारंभिक सामग्री के लिए प्रतिक्रिया क्रम अलग है। पहले मामले में, यह दो के बराबर है, और दूसरे में - एक के लिए। सीमित व्यवस्थाओं के बाहर, प्रतिक्रिया का क्रम भिन्नात्मक होगा।

सजातीय कटैलिसीस का एक उदाहरण एसीटैल्डिहाइड सीएच 3 सीएच 4 + सीओ के थर्मल अपघटन की प्रतिक्रिया है, जो आयोडीन वाष्प द्वारा उत्प्रेरित होता है। आयोडीन वाष्प की अनुपस्थिति में इ ए=191.0 kJ/mol, उनकी उपस्थिति में इ ए= 136.0 केजे/मोल। दर स्थिरांक 10,000 के कारक से बढ़ता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रतिक्रिया दो चरणों में होती है:

सीएच 3 सोन + आई 2 \u003d सीएच 3 आई + एचआई + सीओ

सीएच 3 आई + HI \u003d सीएच 4 + आई 2

प्रत्येक चरण की सक्रियण ऊर्जा गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा से कम होती है।

सजातीय कटैलिसीस में कई एसिड-बेस प्रतिक्रियाएं, जटिल गठन प्रतिक्रियाएं, रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं, कई हाइड्रोजनीकरण, सल्फेशन प्रतिक्रियाएं आदि शामिल हैं।

3. एसिड और बेस कटैलिसीस

कई प्रतिक्रियाओं में एसिड और बेस उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, यानी, प्रतिक्रिया में भाग लेते हुए, वे स्वयं खपत नहीं होते हैं (हाइड्रोलिसिस, अल्किलेशन, एस्टरीफिकेशन इत्यादि की प्रतिक्रियाएं। एसिड-बेस कटैलिसीस तीन प्रकार के होते हैं:

1) विशिष्ट एसिड (बेसिक) कटैलिसीस, जिसमें एच + या ओएच आयन क्रमशः उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं;

2) कुल एसिड (बेस) कटैलिसीस, जो किसी भी प्रोटॉन डोनर (स्वीकर्ता) द्वारा किया जाता है;

3) लुईस एसिड और बेस द्वारा किए गए इलेक्ट्रोफिलिक (न्यूक्लियोफिलिक) कटैलिसीस।

प्रथम आदेश दर स्थिर कएक बफर समाधान में प्रतिक्रिया के लिए [एच +], [ओएच -], [एचए], [ए -], यानी का एक रैखिक कार्य हो सकता है:

के \u003d के 0 + के 1 [एच+] + के 2 [ओएच -] + के 3 [चालू] + के 4 [ए -]

इस अभिव्यक्ति में क 0 - सभी उत्प्रेरक आयनों की अनुपस्थिति में पहले क्रम की दर स्थिरांक: [एच +], [ओएच -], [एनए], [ए -], एक के टी - उत्प्रेरक गुणांक।

यदि केवल k 1 [H +] पद ही महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, तो वे कहते हैं कि प्रतिक्रिया हाइड्रोजन आयनों द्वारा विशिष्ट उत्प्रेरण में प्रकट होती है। यदि कोई सदस्य प्रबल होता है क 3 [एचए], प्रतिक्रिया को सामान्य एसिड कटैलिसीस के अधीन कहा जाता है। यदि सदस्य प्रबल होता है क 4 [ए -], तो प्रतिक्रिया को एक सामान्य बेस कटैलिसीस की कार्रवाई के अधीन कहा जाता है।

विशिष्ट एसिड-बेस कटैलिसीस के लिए जब गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर कम होती है (क 0 = 0) को लघुगणक रूप में दर्शाया जा सकता है:

अम्लीय घोल के लिए:

क्षारीय समाधान के लिए:

समीकरण इंगित करते हैं कि, विशिष्ट एसिड-बेस कटैलिसीस के मामले में, दर स्थिरांक का लघुगणक माध्यम के पीएच पर रैखिक रूप से निर्भर करता है।

हाइड्रोजन आयनों की उत्प्रेरक क्रिया का तंत्र यह है कि एक प्रोटॉन का एक मध्यवर्ती यौगिक और मूल पदार्थ का एक अणु बनता है। इस प्रक्रिया के कारण, प्रारंभिक पदार्थ में मौजूद रासायनिक बंधन ढीले हो जाते हैं, सक्रियण ऊर्जा कम हो जाती है, और फिर BH + का प्रोटोनेटेड रूप प्रतिक्रिया उत्पाद और उत्प्रेरक में विघटित हो जाता है।

4. जटिल यौगिकों द्वारा उत्प्रेरित सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं

औद्योगिक परिस्थितियों में कमी, हाइड्रोजनीकरण, ऑक्सीकरण, आइसोमेराइजेशन, पोलीमराइजेशन की प्रतिक्रियाएं उत्प्रेरक - जटिल यौगिकों (आवर्त सारणी Fe, Co, Ni, Ru, साथ ही Cu, Fg के समूह VIII के धातु आयनों) की उपस्थिति में की जाती हैं। , एचजी, सीआर, एमएन)। उत्प्रेरक क्रिया का सार यह है कि धातु आयन इलेक्ट्रॉनों के दाताओं या स्वीकर्ता के रूप में कार्य करते हैं। केंद्रीय धातु आयन के चारों ओर समन्वित प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच रासायनिक संपर्क अणुओं के ध्रुवीकरण और व्यक्तिगत बांडों की ऊर्जा में कमी से सुगम होता है। केंद्रीय धातु आयन एक पुल है जो प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण की सुविधा प्रदान करता है।

धातु आयन की उत्प्रेरक गतिविधि प्रतिक्रिया में प्रतिभागियों के साथ आयन की बाध्यकारी ऊर्जा पर निर्भर करती है। यदि बंधन ऊर्जा उच्च या निम्न है, तो धातु आयन कमजोर उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शित करता है। पहले मामले में, धातु आयन प्रतिक्रिया करने वाले अणुओं से इतनी मजबूती से बंधे होते हैं कि वे प्रतिक्रिया से हटा दिए जाते हैं। दूसरे मामले में, प्रतिक्रिया करने वाले अणु समाधान में मौजूद अन्य लिगैंड को विस्थापित नहीं कर सकते हैं। समन्वय-संतृप्त संकुल प्राप्त होते हैं, जो सक्रिय उत्प्रेरक नहीं होते हैं।

जटिल उत्प्रेरकों की संरचना को विनियमित करने में व्यापक संभावनाओं के कारण, समूह VIII तत्वों के आयनों वाले एंजाइमों से युक्त कई प्रतिक्रियाओं का अनुकरण करना संभव हो गया।

5. एंजाइमेटिक कटैलिसीस

एंजाइम सबसे आश्चर्यजनक उत्प्रेरक हैं। जीवों में कई प्रतिक्रियाएं उनके साथ जुड़ी होती हैं, और इसलिए उन्हें अक्सर जैविक उत्प्रेरक कहा जाता है। एंजाइमैटिक कटैलिसीस पारंपरिक कटैलिसीस की तुलना में अधिक जटिल घटना है। एंजाइमेटिक कटैलिसीस प्रक्रियाओं का उच्च संगठन एक जीवित जीव में बातचीत की ख़ासियत से निर्धारित होता है, जो एंजाइमों और सब्सट्रेट्स की आणविक संरचना के एक विशेष संयोजन से जुड़ा होता है, जिसे एंजाइमी प्रतिक्रियाओं में रिएक्टेंट्स कहा जाता है।

एंजाइम प्रोटीन होते हैं, अर्थात। पेप्टाइड बॉन्ड से जुड़े अमीनो एसिड से बने होते हैं। एंजाइम अणु में वैकल्पिक ध्रुवीय समूह COOH, NH 2 , NH, OH, SH, आदि के साथ-साथ हाइड्रोफोबिक समूह भी होते हैं। एक एंजाइम की प्राथमिक संरचना विभिन्न अमीनो एसिड के प्रत्यावर्तन के क्रम से निर्धारित होती है। थर्मल अराजक गति के परिणामस्वरूप, एंजाइम मैक्रोमोलेक्यूल झुकता है और ढीले कॉइल में कॉइल करता है। पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के अलग-अलग वर्गों के बीच अंतर-आणविक संपर्क होता है, जिससे हाइड्रोजन बांड बनते हैं। एंजाइम की द्वितीयक संरचना एक ढीले माध्यम के रूप में प्रकट होती है। प्रत्येक एंजाइम के लिए, माध्यमिक संरचना काफी निश्चित है। एंजाइम के सक्रिय उत्प्रेरक केंद्र में ऐसे समूह शामिल होते हैं जो सब्सट्रेट अणुओं को एक निश्चित स्थिति में उन्मुख करते हैं। सक्रिय केंद्र एक मैट्रिक्स की तरह है, जिसमें केवल एक निश्चित संरचना के अणु शामिल हो सकते हैं। एंजाइमैटिक कटैलिसीस के तंत्र में एंजाइम की सक्रिय साइटों की सब्सट्रेट के साथ एक एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स बनाने के लिए बातचीत होती है, जो तब कई परिवर्तनों से गुजरती है, जिसके परिणामस्वरूप एक प्रतिक्रिया उत्पाद प्रकट होता है। मध्यवर्ती चरणों में से प्रत्येक को कम सक्रियण ऊर्जा की विशेषता है, जो प्रतिक्रिया की तीव्र प्रगति में योगदान देता है। यह एंजाइमों की उच्च गतिविधि की व्याख्या करता है।

एंजाइमों को वर्गों में विभाजित किया जाता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वे किस प्रकार की प्रतिक्रिया उत्प्रेरित करते हैं: ऑक्सीडोरेक्टेसेस (रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं), ट्रांसफरेज़ (रासायनिक समूहों के एक यौगिक से दूसरे में स्थानांतरण को उत्प्रेरित करते हैं), हाइड्रोलिसिस (हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं), लाइसिस (विभिन्न बांडों को तोड़ते हैं) , आइसोमेरेज़ (आइसोमेरिक परिवर्तन करना), लिगेज (संश्लेषण प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करना)। जैसा कि देखा जा सकता है, एंजाइम विशिष्टता और चयनात्मकता में भिन्न होते हैं। कुछ एक निश्चित प्रकार की प्रतिक्रियाओं के पूरे वर्ग को उत्प्रेरित करते हैं, कुछ केवल एक प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करते हैं।

कई एंजाइमों में धातु आयन (धातु एंजाइम) होते हैं। मेटलोएंजाइम में, धातु आयन केलेट कॉम्प्लेक्स बनाते हैं जो एंजाइम की सक्रिय संरचना प्रदान करते हैं। ऑक्सीकरण की एक चर डिग्री वाली धातुएं (Fe, Mn, Cu) रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग लेती हैं, जिससे ऑक्सीकरण एजेंट को इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है। कई दर्जनों कार्बनिक यौगिक ज्ञात हैं जो हाइड्रोजन और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का कार्य करते हैं। इनमें विटामिन के डेरिवेटिव होते हैं।

भारी धातु आयन (Ag + , Hg + , Pb 2+) एंजाइमों के सक्रिय समूहों को अवरुद्ध कर सकते हैं।

विभिन्न एंजाइमों की क्रिया का आकलन करने के लिए, आणविक गतिविधि की अवधारणा पेश की गई थी, जो प्रति मिनट एक एंजाइम अणु की क्रिया के तहत परिवर्तित होने वाले सब्सट्रेट अणुओं की संख्या से निर्धारित होती है। ज्ञात एंजाइमों में सबसे सक्रिय कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ है, जिसकी आणविक गतिविधि ~ 36 मिलियन अणु प्रति मिनट है।

एक एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया की दर एंजाइम की एकाग्रता के सीधे आनुपातिक होती है। कम सब्सट्रेट सांद्रता पर, सब्सट्रेट के संबंध में प्रतिक्रिया पहले क्रम की होती है। उच्च सांद्रता में, प्रतिक्रिया दर स्थिर रहती है और प्रतिक्रिया क्रम शून्य हो जाता है (एंजाइम पूरी तरह से सब्सट्रेट से संतृप्त होता है)। प्रतिक्रिया दर माध्यम के तापमान और अम्लता पर निर्भर करती है।

जीवन की सभी अभिव्यक्तियों में एंजाइमेटिक कटैलिसीस एक बड़ी भूमिका निभाता है, जहां हम जीवित प्राणियों के बारे में बात कर रहे हैं। शरीर की महत्वपूर्ण गतिविधि को बढ़ाने और चयापचय में सुधार करने के लिए, कई एंजाइम तैयार किए गए हैं जो दवाओं के रूप में उपयोग किए जाते हैं। पाचन एंजाइमों के अपर्याप्त उत्पादन से जुड़े जठरांत्र संबंधी मार्ग के कार्य के उल्लंघन के लिए एंजाइम की तैयारी का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। तो, गैस्ट्र्रिटिस के कुछ रूपों में पेप्सिन या पैनक्रिएटिन की तैयारी का उपयोग किया जाता है। एंजाइमों का उपयोग उन मामलों में भी सफलतापूर्वक किया जाता है जहां प्रोटीन संरचनाओं को नष्ट करना आवश्यक होता है जो बड़ी मात्रा में जमा हो जाते हैं (जलने के लिए, शुद्ध घाव, फेफड़ों के शुद्ध-सूजन संबंधी रोग, आदि)। इन मामलों में, प्रोटोलिटिक एंजाइम का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रोटीन का तेजी से हाइड्रोलिसिस होता है और प्यूरुलेंट संचय के पुनर्जीवन की सुविधा होती है। कई संक्रामक रोगों के उपचार के लिए, लाइसोजाइम की तैयारी का उपयोग किया जाता है, जो कुछ रोगजनक बैक्टीरिया की झिल्ली को नष्ट कर देता है। रक्त के थक्कों (रक्त वाहिकाओं के अंदर रक्त के थक्के) को घोलने वाले एंजाइम बहुत महत्वपूर्ण होते हैं। यह रक्त में पाया जाने वाला प्लास्मिन है; अग्नाशयी एंजाइम - ट्रिप्सिन और काइमोट्रिप्सिन। उनके आधार पर, विभिन्न योजक के साथ, औषधीय एंजाइम की तैयारी बनाई गई है - स्ट्रेप्टोकिनेज, स्ट्रेप्टेस और अन्य दवा में उपयोग किए जाते हैं।

6. विषम उत्प्रेरण

इंटरफ़ेस पर विषम उत्प्रेरण किया जाता है। पहली बार देखी गई विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रीस्टली (1778) द्वारा सक्रिय मिट्टी पर एथिल अल्कोहल के निर्जलीकरण द्वारा की गई थी:

सी 2 एच 5 ओएच -- सी 2 एच 4 + एच 2 ओ

19वीं शताब्दी के पूर्वार्ध में, बड़ी संख्या में कार्य विषम उत्प्रेरण के लिए समर्पित थे। एक ठोस की उत्प्रेरक क्रिया की सैद्धांतिक व्याख्या के लिए कई कार्य समर्पित किए गए हैं। भविष्य में, सिद्धांत का विकास प्रायोगिक डेटा जमा करने, उत्प्रेरक तैयार करने के तरीकों को विकसित करने, नई उत्प्रेरक प्रक्रियाओं की खोज और अध्ययन करने, रासायनिक उद्योग में उत्प्रेरण की शुरुआत करने और विषम उत्प्रेरण के सिद्धांत को विकसित करने के मार्ग के साथ-साथ चला गया। . हालांकि, प्रयोगकर्ताओं की सफलता की तुलना में सिद्धांतकारों की सफलता बहुत अधिक मामूली थी। और यह कोई संयोग नहीं है।

यद्यपि उत्प्रेरक और गैर-उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के बीच कोई मौलिक अंतर नहीं है, दोनों ही रासायनिक गतिकी के नियमों का पालन करते हैं, दोनों ही मामलों में प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थों की प्रणाली कुछ विशेष सक्रिय अवस्था से गुजरती है, विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में विशिष्ट विशेषताएं देखी जाती हैं। सबसे पहले, एक ठोस शरीर दिखाई देता है, जिसके गुणों पर सभी घटनाएं अनिवार्य रूप से निर्भर करती हैं। इसलिए, यह आकस्मिक नहीं है कि विषम उत्प्रेरण के सिद्धांत में प्रगति ठोस के सिद्धांत के विकास के साथ अटूट रूप से जुड़ी हुई है। चूंकि प्रक्रिया सतह पर आगे बढ़ती है, उत्प्रेरक सतह की संरचना का ज्ञान कटैलिसीस के सिद्धांत के विकास के लिए निर्णायक है। इससे उत्प्रेरण के सिद्धांत के विकास और सोखना घटना के प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अध्ययन के विकास के बीच घनिष्ठ संबंध होता है। विषम प्रक्रियाओं की जटिलता और उनकी अंतर्निहित विशिष्टता इस तथ्य की ओर ले जाती है कि इस क्षेत्र में सैद्धांतिक शोध अभी तक पूरा नहीं हुआ है। अब तक, हम कई सैद्धांतिक अवधारणाओं के अस्तित्व के बारे में बात कर सकते हैं, जो पहले सन्निकटन में, कुछ प्रयोगात्मक तथ्यों को सामान्यीकृत करते हैं।

व्यवहार में, दो प्रकार के विषम उत्प्रेरण सबसे अधिक बार सामने आते हैं:

1) प्रक्रियाएं, जिनमें से उत्प्रेरक ठोस चरण में है, और अभिकारक तरल चरण में हैं;

2) प्रक्रियाएं, जिनमें से उत्प्रेरक ठोस चरण में है, और अभिकारक गैस चरण में हैं। प्रतिक्रिया, एक नियम के रूप में, होती है (और कुछ मल्टीस्टेज प्रक्रियाओं में शुरू होती है) चरण सीमा पर, यानी। एक ठोस शरीर की सतह पर - एक उत्प्रेरक।

विषम प्रक्रिया को पाँच चरणों में विभाजित किया जा सकता है:

1) उत्प्रेरक सतह (प्रसार) के लिए अभिकारकों का परिवहन;

2) उत्प्रेरक सतह पर अभिकारकों का अधिशोषण;

3) सतह पर प्रतिक्रिया;

4) उत्प्रेरक सतह की रिहाई के साथ प्रतिक्रिया उत्पादों का अवशोषण;

5) प्रतिक्रिया उत्पादों का आयतन (प्रसार) में परिवहन।

प्रक्रिया की स्थितियों और इसकी विशेषताओं के आधार पर, पांच चरणों में से कोई भी सबसे धीमा हो सकता है, और परिणामस्वरूप, उत्प्रेरक प्रक्रिया की दर उनमें से किसी के द्वारा सीमित की जा सकती है। उत्प्रेरक की गतिविधि के तुलनात्मक मूल्यांकन के लिए, निर्धारण कारक सतह पर प्रतिक्रिया दर है। इसलिए, ऐसे मामलों में जहां उत्प्रेरक की गतिविधि का मूल्य प्राप्त करना महत्वपूर्ण है, वे प्रक्रिया को इस तरह से संचालित करने का प्रयास करते हैं कि दर दूसरे, तथाकथित गतिज चरण द्वारा निर्धारित की जाती है।

अधिशोषण और विशोषण के अपने नियम हैं। अधिशोषण अंतरापृष्ठ पर किसी पदार्थ की सांद्रता में स्वतःस्फूर्त परिवर्तन की प्रक्रिया है। वह पदार्थ जिसकी सतह पर अधिशोषण होता है, कहलाता है शोषक अधिशोषक कहलाता है सोखना विषम उत्प्रेरण में, अधिशोषक उत्प्रेरक है, और अधिशोषक अभिकारक (सब्सट्रेट) का अणु है। उत्प्रेरक पर सब्सट्रेट का सोखना सतह पर स्थित उत्प्रेरक के अणुओं (परमाणुओं) और सब्सट्रेट के अणुओं (भौतिक सोखना) के बीच उत्पन्न होने वाली बातचीत की ताकतों के कारण किया जा सकता है। उत्प्रेरक के अणुओं (परमाणुओं) और अभिकारक के अणुओं के बीच एक रासायनिक संपर्क (रासायनिक सोखना या रसायन विज्ञान) हो सकता है। सोखने के परिणामस्वरूप, सिस्टम का क्रम बढ़ता है, सिस्टम की ऊर्जा कम हो जाती है, और प्रतिक्रिया की सक्रियता ऊर्जा कम हो जाती है।

विषम प्रक्रियाओं के लिए, किसी द्रव या गैस के आंतरिक आयतन से ठोस सतह तक किसी पदार्थ की गति का विशेष महत्व है। बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रियाएं प्रसार के नियमों का पालन करती हैं।

निष्कर्ष

तेल शोधन और पेट्रोकेमिस्ट्री में उत्प्रेरक और उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के महत्व को कम करके आंका नहीं जा सकता है। आखिरकार, वे आधुनिक मानव समाज की जरूरतों को पूरा करने के सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्रों में तकनीकी प्रगति के आधार हैं। मुद्दा यह है, सबसे पहले, विभिन्न क्षेत्रों के तेल में आमतौर पर गैसोलीन के अनुरूप केवल 5 से 20% हल्के-उबलते अंश होते हैं। ऑटोमोबाइल और हवाई परिवहन के आधुनिक विकास के साथ गैसोलीन की आवश्यकता बहुत अधिक है। इसी समय, तेल से सीधे आसुत मोटर ईंधन आमतौर पर खराब गुणवत्ता वाले होते हैं। अन्य आधुनिक प्रसंस्करण विधियों के संयोजन में उत्प्रेरक क्रैकिंग और सुधार के उपयोग से तेल के वजन के 75% तक अत्यधिक सक्रिय गैसोलीन की उपज बढ़ाना संभव हो जाता है। धातु उत्प्रेरक का उपयोग करके कोयले के उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण द्वारा मोटर ईंधन भी प्राप्त किया जाता है।

धातु और ऑक्साइड उत्प्रेरक पर हाइड्रोकार्बन के आगे उत्प्रेरक प्रसंस्करण से उपभोक्ता वस्तुओं के उत्पादन में आवश्यक मध्यवर्ती उत्पाद प्राप्त करना संभव हो जाता है। उनसे प्राप्त अधिकांश मोनोमर्स और पॉलिमर तेल, कोयला, शेल और प्राकृतिक गैस से प्राप्त हाइड्रोकार्बन और उनके डेरिवेटिव के प्रसंस्करण के लिए उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के उत्पाद हैं। औषधीय पदार्थों के लिए डिटर्जेंट, रंजक के उत्पादन में उत्प्रेरक प्रक्रियाएं महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं।

मध्यवर्ती (और जैविक प्रौद्योगिकी के उत्पाद) देने वाला मुख्य कार्बनिक संश्लेषण मुख्य रूप से उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं पर आधारित है। आधुनिक समाज के जीवन में बहुत महत्व के रासायनिक उद्योग के ऐसे उत्पाद हैं जैसे सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया और नाइट्रिक एसिड। राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था की लगभग सभी शाखाएँ इन पदार्थों या उनकी सहायता से प्राप्त अन्य रासायनिक यौगिकों का उपभोग करती हैं। इनके आधार पर करोड़ों टन खनिज उर्वरकों का उत्पादन होता है, जिसके बिना खेतों की उपज को बढ़ाना या बनाए रखना भी असंभव है। रासायनिक, पेट्रोकेमिकल, खाद्य, प्रकाश और अन्य उद्योगों में सैकड़ों उद्योग सल्फ्यूरिक, नाइट्रिक एसिड, अमोनिया और उनके डेरिवेटिव का उपयोग करते हैं। इन यौगिकों का उपयोग धातुकर्म और धातु उद्योग में भी किया जाता है।

इस बीच, अमोनिया से सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया और नाइट्रिक एसिड का बड़े पैमाने पर उत्पादन केवल उपयुक्त उत्प्रेरक की खोज और उनके उपयोग के तरीकों के विकास के लिए संभव हो गया।

प्रयुक्त स्रोतों की सूची

1) ए.पी. बेलीव। भौतिक और कोलाइडल रसायन। एम.: गोएटार-मीडिया, 2008

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4) इमयानितोव एन.एस. धातु जटिल कटैलिसीस में कई उत्प्रेरकों की प्रणाली। // समन्वय रसायन। 1984.

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एस. आई. लेवचेनकोव

भौतिक और कोलाइड रसायन

दक्षिणी संघीय विश्वविद्यालय (आरएसयू) के जीव विज्ञान संकाय के छात्रों के लिए व्याख्यान का सार

2.3 उत्प्रेरक प्रक्रियाएं

किसी दिए गए तापमान पर रासायनिक प्रतिक्रिया की दर सक्रिय परिसर के गठन की दर से निर्धारित होती है, जो बदले में, सक्रियण ऊर्जा के मूल्य पर निर्भर करती है। कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, सक्रिय परिसर की संरचना में ऐसे पदार्थ शामिल हो सकते हैं जो स्टोइकोमेट्रिक रूप से अभिकारक नहीं हैं; जाहिर है, इस मामले में, प्रक्रिया की सक्रियता ऊर्जा का मूल्य भी बदल जाता है। कई संक्रमण राज्यों की उपस्थिति के मामले में, प्रतिक्रिया मुख्य रूप से सबसे कम सक्रियण अवरोध वाले पथ के साथ आगे बढ़ेगी।

कटैलिसीस उन पदार्थों की उपस्थिति में रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को बदलने की घटना है जिनकी अवस्था और मात्रा प्रतिक्रिया के बाद अपरिवर्तित रहती है।

अंतर करना सकारात्मकऔर नकारात्मकउत्प्रेरण (क्रमशः, प्रतिक्रिया दर में वृद्धि और कमी), हालांकि अक्सर "उत्प्रेरण" शब्द का अर्थ केवल सकारात्मक उत्प्रेरण होता है; ऋणात्मक उत्प्रेरण कहलाता है निषेध.

एक पदार्थ जो एक सक्रिय परिसर की संरचना का हिस्सा है, लेकिन स्टोइकोमेट्रिक रूप से एक अभिकारक नहीं है, उत्प्रेरक कहलाता है। सभी उत्प्रेरकों को ऐसे सामान्य गुणों की विशेषता होती है जैसे कि विशिष्टता और क्रिया की चयनात्मकता।

विशेषताउत्प्रेरक केवल एक प्रतिक्रिया या एक ही प्रकार की प्रतिक्रियाओं के समूह को तेज करने की क्षमता में निहित है और अन्य प्रतिक्रियाओं की दर को प्रभावित नहीं करता है। उदाहरण के लिए, कई संक्रमण धातु (प्लैटिनम, तांबा, निकल, लोहा, आदि) हाइड्रोजनीकरण प्रक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक हैं; एल्यूमीनियम ऑक्साइड जलयोजन प्रतिक्रियाओं आदि को उत्प्रेरित करता है।

चयनात्मकताउत्प्रेरक - दी गई परिस्थितियों में संभव समानांतर प्रतिक्रियाओं में से एक को तेज करने की क्षमता। इसके कारण, विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग करके, एक ही प्रारंभिक सामग्री से विभिन्न उत्पाद प्राप्त करना संभव है:

: सीओ + एच 2 -> सीएच 3 ओएच	: सी 2 एच 5 ओएच -> सी 2 एच 4 + एच 2 ओ
: सीओ + एच 2 -> सीएच 4 + एच 2 ओ	: सी 2 एच 5 ओएच -> सीएच 3 सीएचओ + एच 2

सकारात्मक कटैलिसीस के साथ प्रतिक्रिया दर में वृद्धि का कारण सक्रियण ऊर्जा में कमी है जब प्रतिक्रिया उत्प्रेरक की भागीदारी के साथ सक्रिय परिसर के माध्यम से आगे बढ़ती है (चित्र। 2.8)।

चूंकि, अरहेनियस समीकरण के अनुसार, रासायनिक प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक सक्रियता ऊर्जा पर तेजी से निर्भर है, बाद में कमी से दर स्थिरांक में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। दरअसल, अगर हम मानते हैं कि उत्प्रेरक और गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए अरहेनियस समीकरण (II.32) में पूर्व-घातीय कारक करीब हैं, तो दर स्थिरांक के अनुपात के लिए हम लिख सकते हैं:

यदि ΔE A = -50 kJ/mol है, तो दर स्थिरांक का अनुपात 2.7·10 6 गुना होगा (वास्तव में, व्यवहार में, E A में इस तरह की कमी से प्रतिक्रिया दर लगभग 10 5 गुना बढ़ जाती है)।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उत्प्रेरक की उपस्थिति प्रक्रिया के परिणामस्वरूप थर्मोडायनामिक क्षमता में परिवर्तन के परिमाण को प्रभावित नहीं करती है और इसलिए, कोई उत्प्रेरक थर्मोडायनामिक रूप से असंभव प्रक्रिया को सहज नहीं बना सकता है (एक ऐसी प्रक्रिया का जिसका ΔG (ΔF) शून्य से बड़ा है)। उत्प्रेरक प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं के लिए संतुलन स्थिरांक के मूल्य को नहीं बदलता है; इस मामले में उत्प्रेरक का प्रभाव केवल एक संतुलन राज्य की उपलब्धि में तेजी लाने में होता है।

अभिकारकों और उत्प्रेरक की चरण अवस्था के आधार पर, सजातीय और विषम उत्प्रेरण को प्रतिष्ठित किया जाता है।

चावल। 2.8उत्प्रेरक के बिना रासायनिक प्रतिक्रिया का ऊर्जा आरेख (1)
और एक उत्प्रेरक (2) की उपस्थिति में।

2.3.1 सजातीय उत्प्रेरण।

सजातीय उत्प्रेरण एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया है जिसमें अभिकारक और उत्प्रेरक एक ही चरण में होते हैं। सजातीय उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के मामले में, उत्प्रेरक अभिकर्मकों के साथ मध्यवर्ती प्रतिक्रियाशील उत्पाद बनाता है। कुछ प्रतिक्रिया पर विचार करें

ए + बी -> सी

एक उत्प्रेरक की उपस्थिति में, दो तेज कदम उठाए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप मध्यवर्ती यौगिक एए के कणों का निर्माण होता है और फिर (सक्रिय जटिल AVK # के माध्यम से) उत्प्रेरक पुनर्जनन के साथ अंतिम प्रतिक्रिया उत्पाद होता है:

ए + के -> एके

एके + वी -> सी + के

ऐसी प्रक्रिया का एक उदाहरण एसीटैल्डिहाइड का अपघटन है, जिसकी सक्रियता ऊर्जा E A = 190 kJ/mol है:

सीएच 3 सीएचओ -> सीएच 4 + सीओ

आयोडीन वाष्प की उपस्थिति में, यह प्रक्रिया दो चरणों में आगे बढ़ती है:

सीएच 3 सीएचओ + आई 2 -> सीएच 3 आई + एचआई + सीओ

सीएच 3 आई + एचआई -> सीएच 4 + आई 2

उत्प्रेरक की उपस्थिति में इस प्रतिक्रिया की सक्रियता ऊर्जा में कमी 54 kJ/mol है; इस मामले में, प्रतिक्रिया दर स्थिरांक लगभग 105 के कारक से बढ़ जाती है। सजातीय कटैलिसीस का सबसे आम प्रकार एसिड कटैलिसीस है, जिसमें हाइड्रोजन आयन एच + उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं।

2.3.2 ऑटोकैटलिसिस।

ऑटोकैटलिसिस- अपने उत्पादों में से एक द्वारा रासायनिक प्रतिक्रिया के उत्प्रेरक त्वरण की प्रक्रिया। एक उदाहरण हाइड्रोजन आयनों द्वारा उत्प्रेरित एस्टर का हाइड्रोलिसिस है। हाइड्रोलिसिस के दौरान बनने वाला एसिड प्रोटॉन के निर्माण से अलग हो जाता है, जो हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया को तेज करता है। ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया की एक विशेषता यह है कि यह प्रतिक्रिया उत्प्रेरक की एकाग्रता में निरंतर वृद्धि के साथ आगे बढ़ती है। इसलिए, प्रतिक्रिया की प्रारंभिक अवधि में, इसकी दर बढ़ जाती है, और बाद के चरणों में, अभिकर्मकों की एकाग्रता में कमी के परिणामस्वरूप, दर घटने लगती है; एक ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया के उत्पाद के गतिज वक्र में एक विशेषता एस-आकार का रूप होता है (चित्र। 2.9)।

चावल। 2.9ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया उत्पाद का काइनेटिक वक्र

2.3.3 विषम उत्प्रेरण।

विषम उत्प्रेरण - उत्प्रेरक और अभिकारकों द्वारा गठित चरणों के बीच इंटरफेस में होने वाली उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं। सजातीय उत्प्रेरण के मामले की तुलना में विषम उत्प्रेरक प्रक्रियाओं का तंत्र बहुत अधिक जटिल है। प्रत्येक विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया में, कम से कम छह चरणों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

1. उत्प्रेरक सतह पर प्रारंभिक सामग्री का प्रसार।

2. कुछ मध्यवर्ती यौगिकों के निर्माण के साथ सतह पर प्रारंभिक सामग्री का सोखना:

ए + बी + के -> एवीके

3. अधिशोषित अवस्था का सक्रियण (इसके लिए आवश्यक ऊर्जा प्रक्रिया की वास्तविक सक्रियता ऊर्जा है):

एवीके -> एवीके #

4. adsorbed प्रतिक्रिया उत्पादों के गठन के साथ सक्रिय परिसर का अपघटन:

एबीके # –> सीडीके

5. उत्प्रेरक सतह से प्रतिक्रिया उत्पादों का अवशोषण।

डीК -> + डी +

6. उत्प्रेरक सतह से प्रतिक्रिया उत्पादों का प्रसार।

हेटेरोकैटलिटिक प्रक्रियाओं की एक विशिष्ट विशेषता उत्प्रेरक को बढ़ावा देने और जहर देने की क्षमता है।

पदोन्नति- ऐसे पदार्थों की उपस्थिति में उत्प्रेरक की गतिविधि में वृद्धि जो स्वयं इस प्रक्रिया (प्रवर्तक) के उत्प्रेरक नहीं हैं। उदाहरण के लिए, धातु निकल द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के लिए

सीओ + एच 2 -> सीएच 4 + एच 2 ओ

निकल उत्प्रेरक में सेरियम की एक छोटी सी अशुद्धता की शुरूआत से उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज वृद्धि होती है।

विषाक्तता- कुछ पदार्थों (तथाकथित उत्प्रेरक जहर) की उपस्थिति में उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज कमी। उदाहरण के लिए, अमोनिया संश्लेषण प्रतिक्रिया (उत्प्रेरक - स्पंज आयरन) के लिए, प्रतिक्रिया मिश्रण में ऑक्सीजन या सल्फर यौगिकों की उपस्थिति लौह उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज कमी का कारण बनती है; उसी समय, उत्प्रेरक की प्रारंभिक पदार्थों को सोखने की क्षमता बहुत कम हो जाती है।

विषम उत्प्रेरक प्रक्रियाओं की इन विशेषताओं की व्याख्या करने के लिए, जी। टेलर ने निम्नलिखित धारणा बनाई: उत्प्रेरक की पूरी सतह उत्प्रेरक रूप से सक्रिय नहीं है, लेकिन केवल इसके कुछ खंड - तथाकथित। सक्रिय केंद्र , जो उत्प्रेरक की क्रिस्टल संरचना में विभिन्न दोष हो सकते हैं (उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक की सतह पर उभार या अवसाद)। वर्तमान में, विषमांगी उत्प्रेरण का कोई एकीकृत सिद्धांत नहीं है। धातु उत्प्रेरक के लिए, a बहुगुण सिद्धांत . बहुगुण सिद्धांत के मुख्य प्रावधान इस प्रकार हैं:

1. उत्प्रेरक का सक्रिय केंद्र परिवर्तन के दौर से गुजर रहे अणु की संरचना के अनुसार ज्यामितीय में उत्प्रेरक की सतह पर स्थित एक निश्चित संख्या में सोखना केंद्रों का एक समूह है।

2. जब प्रतिक्रियाशील अणुओं को सक्रिय केंद्र पर सोख लिया जाता है, तो एक मल्टीप्लेट कॉम्प्लेक्स बनता है, जिसके परिणामस्वरूप बांड पुनर्वितरित होते हैं, जिससे प्रतिक्रिया उत्पादों का निर्माण होता है।

गुणकों के सिद्धांत को कभी-कभी सक्रिय केंद्र और प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच ज्यामितीय समानता का सिद्धांत कहा जाता है। विभिन्न प्रतिक्रियाओं के लिए, सक्रिय केंद्र में सोखना केंद्रों (जिनमें से प्रत्येक को एक धातु परमाणु के साथ पहचाना जाता है) की संख्या भिन्न होती है - 2, 3, 4, आदि। ऐसे सक्रिय केन्द्रों को क्रमशः द्वैत, त्रिक, चतुर्भुज आदि कहा जाता है। (सामान्य मामले में, एक गुणक, जिसके लिए सिद्धांत का नाम है)।

उदाहरण के लिए, मल्टीप्लेट्स के सिद्धांत के अनुसार, संतृप्त मोनोहाइड्रिक अल्कोहल का डिहाइड्रोजनेशन एक डबल पर होता है, और साइक्लोहेक्सेन का डिहाइड्रोजनेशन - एक सेक्सेट पर (चित्र। 2.10 - 2.11); मल्टीप्लेट सिद्धांत ने धातुओं की उत्प्रेरक गतिविधि को उनके परमाणु त्रिज्या से जोड़ना संभव बना दिया।

चावल। 2.10अल्कोहल का डीहाइड्रोजनीकरण एक दुगने पर

चावल। 2.11एक सेक्सेट पर साइक्लोहेक्सेन का निर्जलीकरण

2.3.4 एंजाइमी कटैलिसीस।

एंजाइमी कटैलिसीस - एंजाइमों की भागीदारी के साथ होने वाली उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं - प्रोटीन प्रकृति के जैविक उत्प्रेरक। एंजाइमी कटैलिसीस में दो विशिष्ट विशेषताएं हैं:

1. उच्च गतिविधि , जो अकार्बनिक उत्प्रेरक की गतिविधि से अधिक परिमाण के कई आदेश हैं, जो एंजाइमों द्वारा प्रक्रिया की सक्रियता ऊर्जा में बहुत महत्वपूर्ण कमी से समझाया गया है। तो, Fe 2+ आयनों द्वारा उत्प्रेरित हाइड्रोजन पेरोक्साइड के अपघटन की प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक 56 s -1 है; एंजाइम उत्प्रेरित द्वारा उत्प्रेरित समान अभिक्रिया की दर स्थिरांक 3.5·10 7 है, अर्थात। एंजाइम की उपस्थिति में प्रतिक्रिया एक लाख गुना तेजी से आगे बढ़ती है (प्रक्रियाओं की सक्रियता ऊर्जा क्रमशः 42 और 7.1 kJ/mol है)। एसिड और यूरिया की उपस्थिति में यूरिया हाइड्रोलिसिस की दर स्थिरांक परिमाण के तेरह आदेशों से भिन्न होती है, जो कि 7.4 · 10 -7 और 5 · 10 6 एस -1 (सक्रियण ऊर्जा क्रमशः 103 और 28 kJ/mol है)।

2. उच्च विशिष्टता . उदाहरण के लिए, एमाइलेज स्टार्च के टूटने को उत्प्रेरित करता है, जो समान ग्लूकोज इकाइयों की एक श्रृंखला है, लेकिन सुक्रोज के हाइड्रोलिसिस को उत्प्रेरित नहीं करता है, जिसका अणु ग्लूकोज और फ्रुक्टोज के टुकड़ों से बना होता है।

एंजाइमी कटैलिसीस के तंत्र के बारे में आम तौर पर स्वीकृत विचारों के अनुसार, सब्सट्रेट एस और एंजाइम एफ बहुत तेजी से बनने वाले एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स एफएस के साथ संतुलन में हैं, जो मुक्त एंजाइम की रिहाई के साथ प्रतिक्रिया उत्पाद पी में अपेक्षाकृत धीरे-धीरे विघटित होता है; इस प्रकार, एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स के प्रतिक्रिया उत्पादों में अपघटन का चरण दर-निर्धारण (सीमित) है।

एफ+एस<––>एफएस -> एफ + पी

एंजाइम की निरंतर सांद्रता पर सब्सट्रेट की एकाग्रता पर एंजाइमेटिक प्रतिक्रिया की दर की निर्भरता के अध्ययन से पता चला है कि सब्सट्रेट की एकाग्रता में वृद्धि के साथ, प्रतिक्रिया दर पहले बढ़ जाती है और फिर बदलना बंद हो जाती है (चित्र। 2.12) और सब्सट्रेट की एकाग्रता पर प्रतिक्रिया दर की निर्भरता निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित है:

(II.45)

छोटी मात्रा में पदार्थों (उत्प्रेरक) की क्रिया के तहत रासायनिक प्रतिक्रियाओं का त्वरण, जो स्वयं प्रतिक्रिया के दौरान नहीं बदलते हैं। उत्प्रेरक प्रक्रियाएं हमारे जीवन में बहुत बड़ी भूमिका निभाती हैं। एंजाइम नामक जैविक उत्प्रेरक जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के नियमन में शामिल होते हैं। कई औद्योगिक प्रक्रियाएं उत्प्रेरक के बिना संभव नहीं होंगी।

उत्प्रेरक का सबसे महत्वपूर्ण गुण चयनात्मकता है, अर्थात। कई संभव में से केवल कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर को बढ़ाने की क्षमता। यह उन प्रतिक्रियाओं की अनुमति देता है जो व्यावहारिक उपयोग के लिए सामान्य परिस्थितियों में बहुत धीमी हैं, और वांछित उत्पादों के गठन को सुनिश्चित करती हैं।

उत्प्रेरकों के उपयोग ने रासायनिक उद्योग के तेजी से विकास में योगदान दिया। वे व्यापक रूप से तेल शोधन में उपयोग किए जाते हैं, विभिन्न उत्पादों को प्राप्त करते हैं, नई सामग्री (उदाहरण के लिए, प्लास्टिक) बनाते हैं, जो पहले इस्तेमाल किए गए लोगों की तुलना में अक्सर सस्ता होता है। आधुनिक रासायनिक उत्पादन का लगभग 90% उत्प्रेरक प्रक्रियाओं पर आधारित है। उत्प्रेरक प्रक्रियाएं पर्यावरण संरक्षण में एक विशेष भूमिका निभाती हैं।

1835 में स्वीडिश रसायनज्ञ जे. बर्जेलियस ने पाया कि कुछ पदार्थों की उपस्थिति में कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर काफी बढ़ जाती है। ऐसे पदार्थों के लिए, उन्होंने "उत्प्रेरक" (ग्रीक से।

उत्प्रेरण- विश्राम)। बर्जेलियस के अनुसार, उत्प्रेरक में प्रतिक्रिया में शामिल अणुओं में परमाणुओं के बीच के बंधन को कमजोर करने की विशेष क्षमता होती है, इस प्रकार उनकी बातचीत को सुविधाजनक बनाता है। उत्प्रेरक के काम के बारे में विचारों के विकास में एक महान योगदान जर्मन भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू ओस्टवाल्ड द्वारा किया गया था, जिन्होंने 1880 में एक उत्प्रेरक को एक पदार्थ के रूप में परिभाषित किया था जो प्रतिक्रिया दर को बदलता है।

आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, उत्प्रेरक प्रतिक्रियाशील अणुओं के साथ एक जटिल बनाता है, जो रासायनिक बंधों द्वारा स्थिर होता है। पुनर्व्यवस्था के बाद, यह परिसर उत्पादों और उत्प्रेरक को छोड़ने के लिए अलग हो जाता है। एक अणु के परिवर्तन की एक आणविक प्रतिक्रिया के लिए

X से Y पूरी प्रक्रिया के रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता हैएक्स + बिल्ली। ® एक्स-बिल्ली। ® वाई-बिल्ली। ® वाई + बिल्ली। मुक्त उत्प्रेरक के साथ फिर से बंध जाता हैएक्स , और पूरे चक्र को कई बार दोहराया जाता है, जिससे बड़ी मात्रा में उत्पाद - पदार्थ का निर्माण होता हैवाई। सामान्य परिस्थितियों में कई पदार्थ एक दूसरे के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया में प्रवेश नहीं करते हैं। तो, कमरे के तापमान पर हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड एक दूसरे के साथ बातचीत नहीं करते हैं, क्योंकि अणु में परमाणुओं के बीच बंधन होता हैएच 2 काफी मजबूत होता है और अणु द्वारा हमला करने पर टूटता नहीं हैसीओ . उत्प्रेरक अणुओं को एक साथ लाता है H2 और CO उनके साथ संबंध बनाकर। पुनर्व्यवस्था के बाद, उत्प्रेरक-अभिकारक परिसर परमाणुओं से युक्त उत्पाद बनाने के लिए अलग हो जाता हैसी, एच, और ओ। अक्सर, जब एक ही पदार्थ परस्पर क्रिया करते हैं, तो विभिन्न उत्पाद बनते हैं। उत्प्रेरक किसी विशेष उत्पाद के निर्माण के लिए सबसे अनुकूल मार्ग के साथ प्रक्रिया को निर्देशित कर सकता है। के बीच प्रतिक्रिया पर विचार करेंसीओ और एच2 . तांबे युक्त उत्प्रेरक की उपस्थिति में, मेथनॉल व्यावहारिक रूप से एकमात्र प्रतिक्रिया उत्पाद है:सबसे पहले, सीओ और एच अणु 2 उत्प्रेरक सतह पर सोख लिया। फिर सीओ अणु उत्प्रेरक के साथ रासायनिक बंधन बनाते हैं (रसायनशोधन होता है), अविभाजित रूप में शेष। हाइड्रोजन के अणु भी उत्प्रेरक की सतह पर रसायनयुक्त होते हैं, लेकिन एक ही समय में अलग हो जाते हैं। पुनर्व्यवस्था के परिणामस्वरूप, संक्रमण परिसर एच-कैट।- CH2OH . एक परमाणु जोड़ने के बादएच परिसर टूट जाता है रिलीज करने के लिएसीएच 3 ओएच और उत्प्रेरक। एक निकल उत्प्रेरक की उपस्थिति में, CO और H . दोनों 2 एक अलग रूप में सतह पर रसायनयुक्त होते हैं, और कैट-सीएच कॉम्प्लेक्स बनता है 3 . प्रतिक्रिया के अंतिम उत्पाद CH . हैं 4 और एच 2 ओ:
उत्प्रेरक कणों से भरे रिएक्टर के माध्यम से प्रतिक्रिया मिश्रण, जो गैसीय या तरल अवस्था में होता है, को पारित करके अधिकांश उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं कुछ दबावों और तापमानों पर की जाती हैं। प्रतिक्रिया की स्थिति का वर्णन करने और उत्पादों की विशेषता के लिए निम्नलिखित अवधारणाओं का उपयोग किया जाता है। अंतरिक्ष वेग - प्रति इकाई समय में उत्प्रेरक के एक इकाई आयतन से गुजरने वाली गैस या तरल का आयतन। उत्प्रेरक गतिविधि - उत्प्रेरक द्वारा प्रति इकाई समय में उत्पादों में परिवर्तित अभिकारकों की मात्रा। रूपांतरण किसी दी गई प्रतिक्रिया में परिवर्तित पदार्थ का अनुपात है। चयनात्मकता एक निश्चित उत्पाद की मात्रा का उत्पादों की कुल मात्रा (आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त) का अनुपात है। उपज - किसी दिए गए उत्पाद की मात्रा का प्रारंभिक सामग्री की मात्रा का अनुपात (आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है)। उत्पादकता - प्रति इकाई आयतन प्रति इकाई समय में बनने वाले प्रतिक्रिया उत्पादों की मात्रा। उत्प्रेरक के प्रकार उत्प्रेरकों को उनके द्वारा बढ़ावा देने वाली प्रतिक्रिया की प्रकृति, उनकी रासायनिक संरचना या उनके भौतिक गुणों के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। लगभग सभी रासायनिक तत्वों और पदार्थों में एक डिग्री या किसी अन्य के लिए उत्प्रेरक गुण होते हैं - स्वयं या अधिक बार, विभिन्न संयोजनों में। उनके भौतिक गुणों के अनुसार, उत्प्रेरक सजातीय और विषम में विभाजित हैं। विषमांगी उत्प्रेरक ठोस होते हैं जो सजातीय होते हैं और अभिकारकों के समान गैसीय या तरल माध्यम में बिखरे होते हैं।

कई विषम उत्प्रेरक में धातुएं होती हैं। कुछ धातुएँ, विशेष रूप से वे जो . से संबंधित हैं

आठवीं तत्वों की आवधिक प्रणाली का समूह, स्वयं उत्प्रेरक गतिविधि है; एक विशिष्ट उदाहरण प्लेटिनम है। लेकिन अधिकांश धातुएं यौगिकों की संरचना में होने के कारण उत्प्रेरक गुण प्रदर्शित करती हैं; उदाहरण - एल्यूमिना (एल्यूमीनियम ऑक्साइड)अल 2 ओ 3)। अनेक विषमांगी उत्प्रेरकों का एक असामान्य गुण उनका बड़ा पृष्ठीय क्षेत्रफल है। वे कई छिद्रों से प्रवेश करते हैं, जिनका कुल क्षेत्रफल कभी-कभी 500 वर्ग मीटर तक पहुंच जाता है 2 उत्प्रेरक के प्रति 1 ग्राम। कई मामलों में, एक बड़े सतह क्षेत्र वाले ऑक्साइड एक सब्सट्रेट के रूप में कार्य करते हैं, जिस पर धातु उत्प्रेरक कण छोटे समूहों के रूप में जमा होते हैं। यह उत्प्रेरक सक्रिय धातु के साथ गैस या तरल चरण में अभिकर्मकों की कुशल बातचीत सुनिश्चित करता है। विषम उत्प्रेरक का एक विशेष वर्ग जिओलाइट्स हैं - एल्युमिनोसिलिकेट समूह के क्रिस्टलीय खनिज (सिलिकॉन और एल्यूमीनियम के यौगिक)। हालांकि कई विषम उत्प्रेरकों का एक बड़ा सतह क्षेत्र होता है, उनके पास आमतौर पर केवल कुछ ही सक्रिय साइटें होती हैं, जो कुल सतह क्षेत्र के एक छोटे से हिस्से के लिए जिम्मेदार होती हैं। उत्प्रेरक जहर नामक रासायनिक यौगिकों की थोड़ी मात्रा की उपस्थिति में उत्प्रेरक अपनी गतिविधि खो सकते हैं। ये पदार्थ सक्रिय केंद्रों से बंधते हैं, उन्हें अवरुद्ध करते हैं। सक्रिय केंद्रों की संरचना का निर्धारण गहन शोध का विषय है।

सजातीय उत्प्रेरकों की रासायनिक प्रकृति भिन्न होती है - अम्ल (H .)

2 SO 4 या H 3 RO 4 ), क्षार (NaOH .) ), कार्बनिक अमाइन, धातु, अक्सर संक्रमणकालीन ( Fe या Rh ), लवण, ऑर्गोमेटेलिक यौगिकों या कार्बोनिल्स के रूप में। उत्प्रेरक में एंजाइम भी शामिल होते हैं - प्रोटीन अणु जो जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। कुछ एंजाइमों की सक्रिय साइट में एक धातु परमाणु होता है ( Zn, Cu, Fe या Mo)। धातु युक्त एंजाइम छोटे अणुओं से युक्त प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं (ओ 2, सीओ 2 या एन 2 ) एंजाइमों में बहुत अधिक गतिविधि और चयनात्मकता होती है, लेकिन वे केवल कुछ शर्तों के तहत काम करते हैं, जैसे कि जीवित जीवों में प्रतिक्रियाएं होती हैं। उद्योग अक्सर तथाकथित का उपयोग करता है। स्थिर एंजाइम। उत्प्रेरक कैसे काम करते हैं ऊर्जा। कोई भी रासायनिक प्रतिक्रिया तभी आगे बढ़ सकती है जब अभिकारक ऊर्जा अवरोध को पार कर लें, और इसके लिए उन्हें एक निश्चित ऊर्जा प्राप्त करनी होगी। जैसा कि हम पहले ही कह चुके हैं, उत्प्रेरक अभिक्रियाएक्स ® वाई क्रमिक चरणों की एक श्रृंखला के होते हैं। प्रत्येक को दौड़ने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है।इ सक्रियण ऊर्जा कहलाती है। प्रतिक्रिया निर्देशांक के साथ ऊर्जा में परिवर्तन अंजीर में दिखाया गया है। एक।

पहले गैर-उत्प्रेरक, "थर्मल" पथ पर विचार करें। एक प्रतिक्रिया होने के लिए, अणुओं की संभावित ऊर्जा

एक्स ऊर्जा बाधा से अधिक होना चाहिएइटी . उत्प्रेरक प्रतिक्रिया में तीन चरण होते हैं। पहला एक्स-कैट कॉम्प्लेक्स का गठन है। (रसायन सोखना), जिसकी सक्रियता ऊर्जा हैइविज्ञापन . दूसरा चरण एक्स-कैट पुनर्व्यवस्था है।®Y -बिल्ली। सक्रियण ऊर्जा के साथइबिल्ली , और अंत में, तीसरा - सक्रियण ऊर्जा के साथ उजाड़नाइदेस; इविज्ञापन, इकैट और इडेस बहुत छोटा इटी . चूंकि प्रतिक्रिया दर सक्रियण ऊर्जा पर तेजी से निर्भर करती है, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया किसी दिए गए तापमान पर थर्मल की तुलना में बहुत तेजी से आगे बढ़ती है।

एक उत्प्रेरक की तुलना एक प्रशिक्षक-मार्गदर्शक से की जा सकती है जो पर्वत श्रृंखला के माध्यम से पर्वतारोहियों (प्रतिक्रिया करने वाले अणुओं) का मार्गदर्शन करता है। वह पास के माध्यम से एक समूह का नेतृत्व करता है और फिर अगले के लिए लौटता है। पास के माध्यम से पथ शीर्ष (प्रतिक्रिया के थर्मल चैनल) के माध्यम से बहुत कम है, और समूह बिना कंडक्टर (उत्प्रेरक) की तुलना में संक्रमण को तेज करता है। यह भी संभव है कि समूह अपने दम पर रिज को पार नहीं कर पाता।

कटैलिसीस के सिद्धांत। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के तंत्र की व्याख्या करने के लिए सिद्धांतों के तीन समूहों का प्रस्ताव किया गया है: ज्यामितीय, इलेक्ट्रॉनिक और रासायनिक। ज्यामितीय सिद्धांतों में, उत्प्रेरक के सक्रिय केंद्रों के परमाणुओं के ज्यामितीय विन्यास और उत्प्रेरक के लिए बाध्य करने के लिए जिम्मेदार प्रतिक्रियाशील अणुओं के उस हिस्से के परमाणुओं के बीच पत्राचार पर मुख्य ध्यान दिया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक सिद्धांत इस विचार पर आधारित हैं कि रसायन विज्ञान चार्ज ट्रांसफर से जुड़े इलेक्ट्रॉनिक इंटरैक्शन के कारण होता है, अर्थात। ये सिद्धांत उत्प्रेरक के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए उत्प्रेरक गतिविधि से संबंधित हैं। रासायनिक सिद्धांत एक उत्प्रेरक को एक रासायनिक यौगिक के रूप में विशेषता गुणों के साथ मानता है जो अभिकारकों के साथ रासायनिक बंधन बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक अस्थिर संक्रमण परिसर का निर्माण होता है। उत्पादों की रिहाई के साथ परिसर के अपघटन के बाद, उत्प्रेरक अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। बाद के सिद्धांत को अब सबसे पर्याप्त माना जाता है।

आणविक स्तर पर, एक उत्प्रेरक गैस चरण प्रतिक्रिया को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है। एक प्रतिक्रियाशील अणु उत्प्रेरक की सक्रिय साइट से जुड़ता है, जबकि दूसरा इसके साथ बातचीत करता है, सीधे गैस चरण में होता है। एक वैकल्पिक तंत्र भी संभव है: प्रतिक्रियाशील अणु उत्प्रेरक के पड़ोसी सक्रिय साइटों पर अधिशोषित होते हैं और फिर एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। जाहिर है, इस तरह से अधिकांश उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं आगे बढ़ती हैं।

एक अन्य अवधारणा से पता चलता है कि उत्प्रेरक सतह पर परमाणुओं की स्थानिक व्यवस्था और इसकी उत्प्रेरक गतिविधि के बीच एक संबंध है। कई हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं सहित कुछ उत्प्रेरक प्रक्रियाओं की दर, सतह पर उत्प्रेरक रूप से सक्रिय परमाणुओं की पारस्परिक व्यवस्था पर निर्भर नहीं करती है; दूसरों की गति, इसके विपरीत, सतह परमाणुओं के स्थानिक विन्यास में परिवर्तन के साथ महत्वपूर्ण रूप से बदलती है। एक उदाहरण नियोपेंटेन से आइसोपेंटेन का आइसोमेराइजेशन है और उत्प्रेरक सतह पर बाद में आइसोब्यूटेन और मीथेन के साथ-साथ क्रैकिंग है।

पीटी-अल 2 ओ 3। उद्योग में उत्प्रेरक का आवेदन अब हम जिस तीव्र औद्योगिक विकास का अनुभव कर रहे हैं, वह नई रासायनिक प्रौद्योगिकियों के विकास के बिना संभव नहीं होता। काफी हद तक, यह प्रगति उत्प्रेरकों के व्यापक उपयोग से निर्धारित होती है, जिसकी सहायता से निम्न-श्रेणी के कच्चे माल को उच्च-मूल्य वाले उत्पादों में परिवर्तित किया जाता है। लाक्षणिक रूप से, उत्प्रेरक आधुनिक कीमियागर का दार्शनिक पत्थर है, केवल यह सोने में नहीं, बल्कि कच्चे माल को दवाओं, प्लास्टिक, रासायनिक अभिकर्मकों, ईंधन, उर्वरक और अन्य उपयोगी उत्पादों में बदल देता है।

शायद सबसे पहली उत्प्रेरक प्रक्रिया जिसे मनुष्य ने उपयोग करना सीखा वह किण्वन है। सुमेरियों को 3500 ईसा पूर्व में मादक पेय तैयार करने की विधि के बारे में पता था।

से। मी. शराब; बीयर।

कटैलिसीस के व्यावहारिक अनुप्रयोग में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर वनस्पति तेल के उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण द्वारा मार्जरीन का उत्पादन था। पहली बार, औद्योगिक पैमाने पर यह प्रतिक्रिया 1900 के आसपास की गई थी। और 1920 के दशक से शुरू होकर, एक के बाद एक, नए कार्बनिक पदार्थों, मुख्य रूप से प्लास्टिक के उत्पादन के लिए उत्प्रेरक विधियों का विकास किया गया। मुख्य बिंदु ओलेफिन, नाइट्राइल, एस्टर, एसिड आदि का उत्प्रेरक उत्पादन था। - प्लास्टिक के रासायनिक "निर्माण" के लिए "ईंटें"।

उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के औद्योगिक उपयोग की तीसरी लहर 1930 के दशक में होती है और तेल शोधन से जुड़ी होती है। मात्रा के मामले में, इस उत्पादन ने जल्द ही अन्य सभी को बहुत पीछे छोड़ दिया। तेल शोधन में कई उत्प्रेरक प्रक्रियाएं होती हैं: क्रैकिंग, रिफॉर्मिंग, हाइड्रोसल्फोनेशन, हाइड्रोक्रैकिंग, आइसोमेराइजेशन, पोलीमराइजेशन और अल्काइलेशन।

और अंत में, कटैलिसीस के उपयोग में चौथी लहर पर्यावरण संरक्षण से संबंधित है। इस क्षेत्र में सबसे प्रसिद्ध उपलब्धि ऑटोमोबाइल निकास गैसों के लिए एक उत्प्रेरक कनवर्टर का निर्माण है। 1975 से कारों में लगे कैटेलिटिक कन्वर्टर्स ने हवा की गुणवत्ता में सुधार लाने में बड़ी भूमिका निभाई है और इस तरह कई लोगों की जान बचाई है।

लगभग एक दर्जन नोबेल पुरस्कार कटैलिसीस और संबंधित क्षेत्रों के क्षेत्र में काम करने के लिए दिए गए हैं।

उत्प्रेरक प्रक्रियाओं का व्यावहारिक महत्व इस तथ्य से प्रमाणित होता है कि नाइट्रोजन का हिस्सा, जो औद्योगिक रूप से प्राप्त नाइट्रोजन युक्त यौगिकों का हिस्सा है, सभी नाइट्रोजन का लगभग आधा हिस्सा है जो खाद्य उत्पादों का हिस्सा है। प्राकृतिक रूप से उत्पादित नाइट्रोजन यौगिकों की मात्रा सीमित है, इसलिए आहार प्रोटीन का उत्पादन उर्वरकों के साथ मिट्टी में प्रयुक्त नाइट्रोजन की मात्रा पर निर्भर करता है। सिंथेटिक अमोनिया के बिना आधी मानवता को भी खिलाना असंभव होगा, जो लगभग विशेष रूप से हैबर-बॉश उत्प्रेरक प्रक्रिया द्वारा निर्मित होता है।

उत्प्रेरकों का दायरा लगातार बढ़ रहा है। यह भी महत्वपूर्ण है कि कटैलिसीस पहले से विकसित प्रौद्योगिकियों की दक्षता में काफी वृद्धि कर सकता है। जिओलाइट्स के उपयोग के माध्यम से उत्प्रेरक क्रैकिंग में सुधार एक उदाहरण है।

हाइड्रोजनीकरण। हाइड्रोजन परमाणु और कुछ अन्य अणु की सक्रियता से बड़ी संख्या में उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं जुड़ी होती हैं, जिससे उनकी रासायनिक बातचीत होती है। इस प्रक्रिया को हाइड्रोजनीकरण कहा जाता है और तेल शोधन और कोयले (बर्गियस प्रक्रिया) से तरल ईंधन के उत्पादन के कई चरणों को रेखांकित करता है।

कोयले से विमानन गैसोलीन और मोटर ईंधन का उत्पादन जर्मनी में द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान विकसित किया गया था, क्योंकि इस देश में कोई तेल क्षेत्र नहीं हैं। बर्गियस प्रक्रिया कार्बन में हाइड्रोजन का सीधा जोड़ है। कोयले को हाइड्रोजन की उपस्थिति में दबाव में गर्म किया जाता है और एक तरल उत्पाद प्राप्त होता है, जिसे बाद में विमानन गैसोलीन और मोटर ईंधन में संसाधित किया जाता है। आयरन ऑक्साइड का उपयोग उत्प्रेरक के साथ-साथ टिन और मोलिब्डेनम पर आधारित उत्प्रेरक के रूप में किया जाता है। युद्ध के दौरान, बर्गियस प्रक्रिया का उपयोग करके 12 जर्मन कारखानों में प्रति दिन लगभग 1,400 टन तरल ईंधन प्राप्त किया गया था।

एक अन्य प्रक्रिया, फिशर - ट्रॉप्सच, में दो चरण होते हैं। सबसे पहले, कोयले को गैसीकृत किया जाता है, अर्थात। जलवाष्प और ऑक्सीजन के साथ अपनी प्रतिक्रिया करें और हाइड्रोजन और कार्बन ऑक्साइड का मिश्रण प्राप्त करें। लोहे या कोबाल्ट युक्त उत्प्रेरकों का उपयोग करके इस मिश्रण को तरल ईंधन में परिवर्तित किया जाता है। युद्ध की समाप्ति के साथ, जर्मनी में कोयले से सिंथेटिक ईंधन का उत्पादन बंद कर दिया गया था।

1973-1974 में तेल प्रतिबंध के बाद तेल की कीमतों में वृद्धि के परिणामस्वरूप, कोयले से गैसोलीन के उत्पादन के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य विधि विकसित करने के लिए जोरदार प्रयास किए गए। इस प्रकार, कोयले का प्रत्यक्ष द्रवीकरण दो चरणों वाली प्रक्रिया का उपयोग करके अधिक कुशलता से किया जा सकता है जिसमें कोयले को पहले एल्यूमिना-कोबाल्ट-मोलिब्डेनम उत्प्रेरक के साथ अपेक्षाकृत कम और फिर उच्च तापमान पर संपर्क किया जाता है। ऐसे सिंथेटिक गैसोलीन की लागत तेल से प्राप्त की तुलना में अधिक है।

अमोनिया। रासायनिक दृष्टिकोण से सबसे सरल हाइड्रोजनीकरण प्रक्रियाओं में से एक हाइड्रोजन और नाइट्रोजन से अमोनिया का संश्लेषण है। नाइट्रोजन एक बहुत ही निष्क्रिय पदार्थ है। डिस्कनेक्ट करने के लिएएन एन इसके अणु को 200 kcal . कोटि की ऊर्जा की आवश्यकता होती है/ मोल. हालांकि, नाइट्रोजन परमाणु अवस्था में लौह उत्प्रेरक की सतह से बंधता है, और इसके लिए केवल 20 किलो कैलोरी की आवश्यकता होती है।/ मोल. लोहे के साथ हाइड्रोजन बांड और भी अधिक आसानी से। अमोनिया का संश्लेषण निम्नानुसार होता है:
यह उदाहरण एक उत्प्रेरक की आगे और पीछे दोनों प्रतिक्रियाओं को समान रूप से तेज करने की क्षमता को दिखाता है, अर्थात। तथ्य यह है कि उत्प्रेरक रासायनिक प्रतिक्रिया की संतुलन स्थिति को नहीं बदलता है।वनस्पति तेल का हाइड्रोजनीकरण। व्यवहार में सबसे महत्वपूर्ण हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं में से एक मार्जरीन, खाना पकाने के तेल और अन्य खाद्य उत्पादों के लिए वनस्पति तेलों का अधूरा हाइड्रोजनीकरण है। वनस्पति तेल सोयाबीन, कपास के बीज और अन्य फसलों से प्राप्त किए जाते हैं। इनमें एस्टर शामिल हैं, अर्थात् फैटी एसिड के ट्राइग्लिसराइड्स, अलग-अलग डिग्री के असंतोष के साथ। ओलिक एसिड सीएच 3 (सीएच 2) 7 सीएच \u003d सीएच (सीएच 2) 7 COOH में एक C=C दोहरा बंधन होता है, लिनोलिक एसिड में दो और लिनोलेनिक एसिड में तीन होते हैं। इस बंधन को तोड़ने के लिए हाइड्रोजन का योग तेलों को ऑक्सीकरण (बाधापन) से रोकता है। इससे उनका गलनांक बढ़ जाता है। प्राप्त अधिकांश उत्पादों की कठोरता हाइड्रोजनीकरण की डिग्री पर निर्भर करती है। अत्यधिक शुद्ध हाइड्रोजन वातावरण में सब्सट्रेट या रैनी निकल उत्प्रेरक पर जमा निकेल के महीन पाउडर की उपस्थिति में हाइड्रोजनीकरण किया जाता है।निर्जलीकरण। डिहाइड्रोजनीकरण भी एक औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण उत्प्रेरक प्रतिक्रिया है, हालांकि इसके आवेदन का पैमाना अतुलनीय रूप से छोटा है। इसकी मदद से, उदाहरण के लिए, स्टाइरीन, एक महत्वपूर्ण मोनोमर प्राप्त होता है। ऐसा करने के लिए, लोहे के आक्साइड युक्त उत्प्रेरक की उपस्थिति में डीहाइड्रोजननेट एथिलबेन्जीन; पोटेशियम और कुछ संरचनात्मक स्टेबलाइजर भी प्रतिक्रिया में योगदान करते हैं। औद्योगिक पैमाने पर, प्रोपेन, ब्यूटेन और अन्य अल्केन्स डीहाइड्रोजनीकृत होते हैं। एल्यूमिना-क्रोमियम उत्प्रेरक की उपस्थिति में ब्यूटेन का निर्जलीकरण ब्यूटेन और ब्यूटाडीन पैदा करता है।एसिड कटैलिसीस. उत्प्रेरकों के एक बड़े वर्ग की उत्प्रेरक गतिविधि उनके अम्लीय गुणों के कारण होती है। आई. ब्रोंस्टेड और टी. लोरी के अनुसार, अम्ल एक ऐसा यौगिक है जो एक प्रोटॉन दान करने में सक्षम है। प्रबल अम्ल आसानी से अपने प्रोटॉन क्षारों को दान कर देते हैं। अम्लता की अवधारणा को जी. लेविस के कार्यों में और विकसित किया गया, जिन्होंने एक एसिड को एक ऐसे पदार्थ के रूप में परिभाषित किया जो इस इलेक्ट्रॉन जोड़े के समाजीकरण के कारण एक सहसंयोजक बंधन के गठन के साथ एक दाता पदार्थ से एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी को स्वीकार करने में सक्षम है। कार्बेनियम आयन बनाने वाली प्रतिक्रियाओं के बारे में विचारों के साथ इन विचारों ने विभिन्न उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के तंत्र को समझने में मदद की, विशेष रूप से उनमें हाइड्रोकार्बन शामिल हैं।

एक एसिड की ताकत को आधारों के एक सेट का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है जो एक प्रोटॉन जोड़ने पर रंग बदलते हैं। यह पता चला है कि कुछ औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण उत्प्रेरक बहुत मजबूत एसिड की तरह व्यवहार करते हैं। इनमें एक फ्राइडल-शिल्प उत्प्रेरक शामिल है जैसे कि

HCl-AlCl 2 O 3 (या HAlCl 4 .) ), और एल्युमिनोसिलिकेट्स। एक एसिड की ताकत एक बहुत ही महत्वपूर्ण विशेषता है, क्योंकि यह प्रोटॉन की दर निर्धारित करती है, एसिड कटैलिसीस की प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है।

तेल क्रैकिंग में प्रयुक्त एल्युमिनोसिलिकेट्स जैसे उत्प्रेरक की गतिविधि उनकी सतह पर ब्रोंस्टेड और लुईस एसिड की उपस्थिति से निर्धारित होती है। इनकी संरचना सिलिका (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) की संरचना के समान होती है, जिसमें कुछ परमाणु होते हैं

सी 4+ परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापितअल3+. इस मामले में उत्पन्न होने वाले अतिरिक्त ऋणात्मक आवेश को संबंधित धनायनों द्वारा निष्प्रभावी किया जा सकता है। यदि धनायन प्रोटॉन हैं, तो एल्युमिनोसिलिकेट ब्रोंस्टेड एसिड की तरह व्यवहार करता है:
एसिड उत्प्रेरक की गतिविधि एक मध्यवर्ती उत्पाद के रूप में कार्बोनियम आयन के गठन के साथ हाइड्रोकार्बन के साथ प्रतिक्रिया करने की उनकी क्षमता से निर्धारित होती है। ऐल्किलकार्बेनियम आयनों में एक धनावेशित कार्बन परमाणु होता है जो तीन ऐल्किल समूहों से बंधा होता है और/ या हाइड्रोजन परमाणु। वे कार्बनिक यौगिकों से जुड़ी कई प्रतिक्रियाओं में बनने वाले मध्यवर्ती के रूप में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। एसिड उत्प्रेरक की क्रिया के तंत्र को आइसोमेराइजेशन प्रतिक्रिया के उदाहरण द्वारा चित्रित किया जा सकता हैएन -ब्यूटेन से आइसोब्यूटेन की उपस्थिति मेंएचसीएल - एएलसीएल 3 या पीटी - सीएल - अल 2 ओ 3 . सबसे पहले, ओलेफिन सी की एक छोटी राशि 4 एच 8 एक एसिड उत्प्रेरक के लिए एक सकारात्मक चार्ज हाइड्रोजन आयन को बनाने के लिए जोड़ता हैएम तृतीयक कार्बेनियम आयन. फिर ऋणात्मक आवेशित हाइड्राइड आयनएच - से अलग हो गया एन -ब्यूटेन आइसोब्यूटेन और सेकेंडरी ब्यूटाइलकार्ब बनाने के लिएई नहीं डी-आयन। अंतिम पुनर्व्यवस्था के परिणामस्वरूप बन जाता हैतृतीयक कार्ब ई नि आयन। यह श्रृंखला अगले अणु से एक हाइड्राइड आयन के उन्मूलन के साथ जारी रह सकती हैएन- ब्यूटेन, आदि:
ज़रूरी o तृतीयक कार्बेनियम आयन प्राथमिक या द्वितीयक आयनों की तुलना में अधिक स्थायी होते हैं। नतीजतन, वे मुख्य रूप से उत्प्रेरक सतह पर मौजूद होते हैं, और इसलिए ब्यूटेन आइसोमेराइजेशन का मुख्य उत्पाद आइसोब्यूटेन होता है।

एसिड उत्प्रेरक का व्यापक रूप से तेल शोधन में उपयोग किया जाता है - हाइड्रोकार्बन का क्रैकिंग, अल्काइलेशन, पोलीमराइजेशन और आइसोमेराइजेशन

(यह सभी देखें रसायन और तेल शोधन के तरीके). इन प्रक्रियाओं में उत्प्रेरक की भूमिका निभाने वाले कार्बेनियम आयनों की क्रिया का तंत्र स्थापित किया गया है। इसी समय, वे कई प्रतिक्रियाओं में भाग लेते हैं, जिसमें बड़े अणुओं को विभाजित करके छोटे अणुओं का निर्माण, अणुओं का संयोजन (ओलेफिन के साथ ओलेफिन या आइसोपैराफिन के साथ ओलेफिन), आइसोमेराइजेशन द्वारा संरचनात्मक पुनर्व्यवस्था, पैराफिन और सुगंधित हाइड्रोकार्बन का निर्माण शामिल है। हाइड्रोजन स्थानांतरण द्वारा।

एसिड कटैलिसीस के नवीनतम औद्योगिक अनुप्रयोगों में से एक है, आइसोब्यूटिलीन या आइसोमाइलीन में अल्कोहल के अतिरिक्त लीडेड ईंधन का उत्पादन। गैसोलीन में ऑक्सीजन युक्त यौगिकों के जुड़ने से निकास गैसों में कार्बन मोनोऑक्साइड की सांद्रता कम हो जाती है। मिथाइल

टर्टा -ब्यूटाइल ईथर (एमटीबीई) 109 की सम्मिश्रण ऑक्टेन संख्या के साथ गैसोलीन में टेट्राएथिल लेड की शुरूआत का सहारा लिए बिना उच्च संपीड़न अनुपात वाले ऑटोमोबाइल इंजन के संचालन के लिए आवश्यक उच्च-ऑक्टेन ईंधन प्राप्त करना संभव बनाता है। ऑक्टेन संख्या 102 और 111 के साथ ईंधन का उत्पादन भी आयोजित किया जाता है।मूल कटैलिसीस. उत्प्रेरक की गतिविधि उनके मूल गुणों से निर्धारित होती है। ऐसे उत्प्रेरकों का एक पुराना और प्रसिद्ध उदाहरण सोडियम हाइड्रॉक्साइड है जिसका उपयोग साबुन के निर्माण में वसा को हाइड्रोलाइज या सैपोनिफाई करने के लिए किया जाता है, और एक हालिया उदाहरण पॉलीयूरेथेन प्लास्टिक और फोम के उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले उत्प्रेरक हैं। आइसोसाइनेट के साथ अल्कोहल की बातचीत से यूरेथेन बनता है, और यह प्रतिक्रिया बेसिक की उपस्थिति में तेज हो जाती हैअमाइन प्रतिक्रिया के दौरान, आइसोसाइनेट अणु में आधार कार्बन परमाणु से जुड़ा होता है, जिसके परिणामस्वरूप नाइट्रोजन परमाणु पर एक नकारात्मक चार्ज दिखाई देता है और शराब के संबंध में इसकी गतिविधि बढ़ जाती है। एक विशेष रूप से प्रभावी उत्प्रेरक ट्राइएथिलीनडायमाइन है। पॉलीयूरेथेन प्लास्टिक पॉलीओल्स (पॉलीअल्कोहल) के साथ डायसोसायनेट की प्रतिक्रिया करके प्राप्त किया जाता है। जब आइसोसाइनेट पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो पहले से बना urethane विघटित हो जाता हैसीओ 2 . जब पॉलीअल्कोहल और पानी का मिश्रण डायसोसायनेट्स के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो परिणामी पॉलीयूरेथेन फोम गैसीय के साथ फोम करता है CO2। दोहरी क्रिया उत्प्रेरक. ये उत्प्रेरक दो प्रकार की प्रतिक्रियाओं को गति देते हैं और दो रिएक्टरों के माध्यम से श्रृंखला में अभिकारकों को पारित करने से बेहतर परिणाम देते हैं जिनमें प्रत्येक में केवल एक प्रकार का उत्प्रेरक होता है। यह इस तथ्य के कारण है कि डबल-एक्टिंग उत्प्रेरक की सक्रिय साइटें एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, और उनमें से एक पर बनने वाला मध्यवर्ती उत्पाद तुरंत दूसरे पर अंतिम उत्पाद में बदल जाता है।

उत्प्रेरक को बढ़ावा देने वाले हाइड्रोकार्बन आइसोमेराइजेशन के साथ हाइड्रोजन सक्रिय करने वाले उत्प्रेरक का संयोजन एक अच्छा परिणाम देता है। हाइड्रोजन की सक्रियता कुछ धातुओं द्वारा की जाती है, और एसिड द्वारा हाइड्रोकार्बन का आइसोमेराइजेशन। नेफ्था को गैसोलीन में परिवर्तित करने के लिए तेल शोधन में उपयोग किया जाने वाला एक प्रभावी दोहरे-अभिनय उत्प्रेरक एसिड एल्यूमिना पर जमा प्लेटिनम को बारीक रूप से फैलाता है। नेफ्था घटकों जैसे मिथाइलसाइक्लोपेंटेन (MCP) को बेंजीन में बदलने से गैसोलीन की ऑक्टेन संख्या बढ़ जाती है। सबसे पहले, एमसीपी उत्प्रेरक के प्लैटिनम भाग पर उसी कार्बन बैकबोन के साथ ओलेफिन में डिहाइड्रोजनीकृत होता है; तब ओलेफिन उत्प्रेरक के एसिड भाग में जाता है, जहां यह साइक्लोहेक्सिन को आइसोमेराइज करता है। उत्तरार्द्ध प्लैटिनम भाग में जाता है और बेंजीन और हाइड्रोजन को डीहाइड्रोजन करता है।

दोहरी कार्रवाई उत्प्रेरक तेल सुधार में काफी तेजी लाते हैं। उनका उपयोग सामान्य पैराफिन को आइसोपैराफिन में आइसोमेराइज करने के लिए किया जाता है। उत्तरार्द्ध, गैसोलीन अंशों के समान तापमान पर उबलते हैं, मूल्यवान हैं क्योंकि उनके पास सीधे हाइड्रोकार्बन की तुलना में उच्च ऑक्टेन संख्या है। इसके अलावा, परिवर्तन

एन -ब्यूटेन से आइसोब्यूटेन डीहाइड्रोजनीकरण के साथ है, जो एमटीबीई के उत्पादन में योगदान देता है।स्टीरियो स्पेसिफिक पोलीमराइजेशन. इतिहास में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थरकटैलिसीस के बारे में आया उत्प्रेरक पोलीमराइजेशन की खोजए-ओलेफिन गठन के साथ स्टीरियोरेगुलरएक्स पॉलिमर ओव। उत्प्रेरक के लिए स्टीरियो स्पेसिफिकबहुलकीकरण के. ज़िग्लर द्वारा खोजे गए थे जब उन्होंने प्राप्त पॉलिमर के असामान्य गुणों की व्याख्या करने की कोशिश की। एक अन्य रसायनज्ञ, जे. नट्टा ने सुझाव दिया कि ज़िग्लर पॉलिमर की विशिष्टता उनकी स्टीरियोरेगुलरिटी से निर्धारित होती है। एक्स-रे विवर्तन प्रयोगों से पता चला है कि ज़िग्लर उत्प्रेरक की उपस्थिति में प्रोपलीन से तैयार पॉलिमर अत्यधिक क्रिस्टलीय होते हैं और वास्तव में एक स्टीरियोरेगुलर संरचना होती है। इस तरह के आदेशित संरचनाओं का वर्णन करने के लिए, नट्टा ने शब्दों की शुरुआत की "आइसोटैक्टिक ' और 'सिंडियोटैक्टिक'। उस मामले में जहां कोई आदेश नहीं है, "एटैक्टिक" शब्द का प्रयोग किया जाता है:समूहों के संक्रमण धातुओं वाले ठोस उत्प्रेरक की सतह पर एक स्टीरियो-विशिष्ट प्रतिक्रिया होती है IVA - VIII (जैसे Ti, V, Cr, Zr .) ), जो अपूर्ण रूप से ऑक्सीकृत अवस्था में हैं, और कार्बन या हाइड्रोजन युक्त कोई भी यौगिक, जो समूहों से धातु के साथ जुड़ा हुआ हैमैं-III . इस तरह के उत्प्रेरक का एक उत्कृष्ट उदाहरण बातचीत के दौरान बनने वाला अवक्षेप हैहेप्टेन में TiCl 4 और Al(C 2 H 5) 3, जहां टाइटेनियम कम किया जाता है त्रिसंयोजक राज्य के लिए। यहअसाधारण रूप से सक्रियसिस्टम सामान्य तापमान और दबाव पर प्रोपलीन के पोलीमराइजेशन को उत्प्रेरित करता है।उत्प्रेरक ऑक्सीकरण. ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के रसायन विज्ञान को नियंत्रित करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग महान वैज्ञानिक और व्यावहारिक महत्व का है। कुछ मामलों में, ऑक्सीकरण पूर्ण होना चाहिए, उदाहरण के लिए, कार निकास गैसों में सीओ और हाइड्रोकार्बन संदूषकों को बेअसर करते समय।अधिक बार, हालांकि, यह वांछनीय है कि ऑक्सीकरण अधूरा हो, उदाहरण के लिए उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली कई प्रक्रियाओं में हाइड्रोकार्बन को मूल्यवान मध्यवर्ती में परिवर्तित करने के लिए जैसे -CHO, -COOH, -C-CO, - सीएन. इस मामले में, सजातीय और विषम उत्प्रेरक दोनों का उपयोग किया जाता है। सजातीय उत्प्रेरक का एक उदाहरण एक संक्रमण धातु परिसर है जिसका उपयोग ऑक्सीकरण के लिए किया जाता हैजोड़ा -ज़ाइलीन से टेरेफ्थेलिक एसिड, जिसके एस्टर पॉलिएस्टर फाइबर के उत्पादन के लिए आधार के रूप में काम करते हैं।विषम ऑक्सीकरण उत्प्रेरक. ये उत्प्रेरक आमतौर पर जटिल ठोस ऑक्साइड होते हैं। उत्प्रेरक ऑक्सीकरण दो चरणों में होता है। सबसे पहले, ऑक्साइड ऑक्सीजन को ऑक्साइड सतह पर अधिशोषित हाइड्रोकार्बन अणु द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। हाइड्रोकार्बन का ऑक्सीकरण होता है और ऑक्साइड का अपचयन होता है। अपचयित ऑक्साइड ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है और अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। वैनेडियम उत्प्रेरक का उपयोग करते हुए, फ़ेथलिक एनहाइड्राइड नेफ़थलीन या ब्यूटेन के आंशिक ऑक्सीकरण द्वारा प्राप्त किया जाता है।मीथेन डीहाइड्रोडीमराइजेशन द्वारा एथिलीन का उत्पादन। डीहाइड्रोडीमराइजेशन के माध्यम से एथिलीन का संश्लेषण प्राकृतिक गैस को अधिक आसानी से परिवहन योग्य हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित करने की अनुमति देता है। प्रतिक्रिया 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O 850 ° . पर किया जाता है विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग करके; उत्प्रेरक के साथ प्राप्त सर्वोत्तम परिणामली - एमजीओ . संभवतः, मीथेन अणु से हाइड्रोजन परमाणु को अलग करके मिथाइल रेडिकल के गठन के माध्यम से प्रतिक्रिया आगे बढ़ती है। दरार अपूर्ण रूप से कम ऑक्सीजन द्वारा की जाती है, उदाहरण के लिए, O 2 2- . गैस चरण में मिथाइल रेडिकल एक ईथेन अणु बनाने के लिए पुनर्संयोजन करते हैं और बाद में डीहाइड्रोजनीकरण के दौरान एथिलीन में परिवर्तित हो जाते हैं। अपूर्ण ऑक्सीकरण का एक अन्य उदाहरण सिल्वर या आयरन-मोलिब्डेनम उत्प्रेरक की उपस्थिति में मेथनॉल का फॉर्मलाडेहाइड में रूपांतरण है।जिओलाइट्स। जिओलाइट विषमांगी उत्प्रेरकों का एक विशेष वर्ग बनाते हैं। ये एक व्यवस्थित मधुकोश संरचना के साथ एल्युमिनोसिलिकेट होते हैं, जिनमें से कोशिका का आकार कई कार्बनिक अणुओं के आकार के बराबर होता है। उन्हें आणविक चलनी भी कहा जाता है। सबसे बड़ी रुचि जिओलाइट्स हैं, जिनमें से छिद्र 8-12 ऑक्सीजन आयनों (चित्र 2) से युक्त छल्ले से बनते हैं। कभी-कभी छिद्र ओवरलैप हो जाते हैं, जैसा कि ZSM-5 जिओलाइट (चित्र 3) में होता है, जिसका उपयोग गैसोलीन अंश में मेथनॉल के हाइड्रोकार्बन में अत्यधिक विशिष्ट रूपांतरण के लिए किया जाता है। गैसोलीन में महत्वपूर्ण मात्रा में सुगंधित हाइड्रोकार्बन होते हैं और इसलिए इसकी उच्च ऑक्टेन संख्या होती है। उदाहरण के लिए, न्यूजीलैंड में, खपत किए गए सभी गैसोलीन का एक तिहाई इस तकनीक का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। मेथनॉल आयातित मीथेन से प्राप्त किया जाता है। उत्प्रेरक जो वाई-जिओलाइट्स के समूह को बनाते हैं, मुख्य रूप से उनके असामान्य अम्लीय गुणों के कारण उत्प्रेरक क्रैकिंग की दक्षता में काफी वृद्धि करते हैं। एल्युमिनोसिलिकेट्स को जिओलाइट्स से बदलने से गैसोलीन की उपज में 20% से अधिक की वृद्धि संभव हो जाती है।

इसके अलावा, जिओलाइट प्रतिक्रियाशील अणुओं के आकार के संबंध में चयनात्मक होते हैं। उनकी चयनात्मकता छिद्रों के आकार के कारण होती है जिसके माध्यम से केवल कुछ आकार और आकार के अणु ही गुजर सकते हैं। यह शुरुआती सामग्री और प्रतिक्रिया उत्पादों दोनों पर लागू होता है। उदाहरण के लिए, स्टेरिक प्रतिबंधों के कारण

जोड़ा -ज़ाइलीन अधिक चमकदार की तुलना में अधिक आसानी से बनता हैऑर्थो- और मेटा -आइसोमर। उत्तरार्द्ध जिओलाइट (छवि 4) के छिद्रों में "बंद" हैं।

जिओलाइट्स के उपयोग ने कुछ औद्योगिक प्रौद्योगिकियों में एक वास्तविक क्रांति ला दी है - गैस तेल और मशीन तेल का डीवैक्सिंग, सुगंधित यौगिकों के क्षारीकरण द्वारा प्लास्टिक के उत्पादन के लिए रासायनिक मध्यवर्ती प्राप्त करना, ज़ाइलिन आइसोमेराइज़ेशन, टोल्यूनि का अनुपातहीन होना और तेल का उत्प्रेरक क्रैकिंग। जिओलाइट यहाँ विशेष रूप से प्रभावी है

जेडएसएम-5। उत्प्रेरक और पर्यावरण संरक्षण. वायु प्रदूषण को कम करने के लिए उत्प्रेरकों का उपयोग अंत में शुरू हुआ 19 40. 1952 में, ए। हेगन-स्मिथ ने पाया कि हाइड्रोकार्बन और नाइट्रोजन ऑक्साइड, जो निकास गैसों का हिस्सा हैं, प्रकाश पर प्रतिक्रिया करके ऑक्सीडेंट (विशेष रूप से, ओजोन) बनाते हैं, जो आंखों में जलन पैदा करते हैं और अन्य अवांछनीय प्रभाव देते हैं। लगभग उसी समय, वाई। हौड्री ने ऑक्सीकरण द्वारा निकास गैसों के उत्प्रेरक शुद्धिकरण के लिए एक विधि विकसित कीसीओ और हाइड्रोकार्बन तकसीओ 2 और एच 2 ए। 1970 में, स्वच्छ वायु घोषणा (1977 में संशोधित, 1990 में विस्तारित) तैयार की गई थी जिसमें 1975 के सभी नए वाहनों को उत्प्रेरक कन्वर्टर्स से लैस करने की आवश्यकता थी। निकास गैसों की संरचना के लिए मानदंड स्थापित किए गए हैं। चूंकि गैसोलीन जहर उत्प्रेरक में सीसा यौगिकों को जोड़ा गया है, इसलिए एक चरण-आउट कार्यक्रम अपनाया गया है। नाइट्रोजन ऑक्साइड की मात्रा को कम करने की आवश्यकता पर भी ध्यान आकर्षित किया गया था।

उत्प्रेरक विशेष रूप से ऑटोमोटिव कन्वर्टर्स के लिए बनाए गए हैं, जिसमें सक्रिय घटकों को एक छत्ते की संरचना के साथ एक सिरेमिक सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है, जिससे कोशिकाओं के माध्यम से निकास गैसें गुजरती हैं। सब्सट्रेट धातु ऑक्साइड की एक पतली परत के साथ लेपित है, उदाहरण के लिए

अल2ओ3 जिस पर उत्प्रेरक लगाया जाता है - प्लैटिनम, पैलेडियम या रोडियम। थर्मल पावर प्लांटों में प्राकृतिक ईंधन के दहन के दौरान बनने वाले नाइट्रोजन ऑक्साइड की सामग्री को ग्रिप गैसों में अमोनिया की थोड़ी मात्रा जोड़कर और टाइटेनियम-वैनेडियम उत्प्रेरक के माध्यम से पारित करके कम किया जा सकता है।एंजाइम। एंजाइम प्राकृतिक उत्प्रेरक हैं जो एक जीवित कोशिका में जैव रासायनिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। वे ऊर्जा विनिमय, पोषक तत्वों के टूटने, जैवसंश्लेषण प्रतिक्रियाओं की प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं। कई जटिल कार्बनिक प्रतिक्रियाएं उनके बिना आगे नहीं बढ़ सकती हैं। एंजाइम सामान्य तापमान और दबाव पर कार्य करते हैं, उनमें बहुत अधिक चयनात्मकता होती है और वे परिमाण के आठ आदेशों द्वारा प्रतिक्रियाओं की दर को बढ़ाने में सक्षम होते हैं। इन फायदों के बावजूद, केवल लगभग। ज्ञात 15,000 एंजाइमों में से 20 का उपयोग बड़े पैमाने पर किया जाता है।

मनुष्य हजारों वर्षों से एंजाइमों का उपयोग रोटी सेंकने, मादक पेय, पनीर और सिरका बनाने के लिए कर रहा है। अब एंजाइमों का उपयोग उद्योग में भी किया जाता है: चीनी के प्रसंस्करण में, सिंथेटिक एंटीबायोटिक्स, अमीनो एसिड और प्रोटीन के उत्पादन में। प्रोटियोलिटिक एंजाइम जो हाइड्रोलिसिस प्रक्रियाओं को तेज करते हैं, डिटर्जेंट में जोड़े जाते हैं।

बैक्टीरिया की मदद से

क्लोस्ट्रीडियम एसिटोब्यूटाइलिकम एच. वीज़मैन ने स्टार्च का एसीटोन और ब्यूटाइल अल्कोहल में एंजाइमेटिक रूपांतरण किया। प्रथम विश्व युद्ध के दौरान इंग्लैंड में एसीटोन प्राप्त करने की इस पद्धति का व्यापक रूप से उपयोग किया गया था, और द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, यूएसएसआर में इसकी मदद से ब्यूटाडीन रबर बनाया गया था।

पेनिसिलिन, साथ ही स्ट्रेप्टोमाइसिन और विटामिन के संश्लेषण के लिए सूक्ष्मजीवों द्वारा उत्पादित एंजाइमों के उपयोग द्वारा एक असाधारण बड़ी भूमिका निभाई गई थी।

बी12. एंजाइमेटिक रूप से उत्पादित एथिल अल्कोहल का व्यापक रूप से ऑटोमोटिव ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है। ब्राजील में, लगभग 10 मिलियन कारों में से एक तिहाई से अधिक गन्ने से प्राप्त 96% एथिल अल्कोहल पर चलती हैं, और शेष गैसोलीन और एथिल अल्कोहल (20%) के मिश्रण पर चलती हैं। ईंधन के उत्पादन की तकनीक, जो कि गैसोलीन और अल्कोहल का मिश्रण है, संयुक्त राज्य अमेरिका में अच्छी तरह से विकसित है। 1987 में, लगभग। 4 बिलियन लीटर शराब, जिसमें से लगभग 3.2 बिलियन लीटर का उपयोग ईंधन के रूप में किया गया था। तथाकथित में विभिन्न अनुप्रयोग भी पाए जाते हैं। स्थिर एंजाइम। ये एंजाइम एक ठोस वाहक से जुड़े होते हैं, जैसे सिलिका जेल, जिसके ऊपर अभिकर्मकों को पारित किया जाता है। इस पद्धति का लाभ यह है कि यह एंजाइम के साथ सब्सट्रेट के कुशल संपर्क, उत्पादों को अलग करने और एंजाइम के संरक्षण को सुनिश्चित करता है। स्थिर एंजाइमों के औद्योगिक उपयोग का एक उदाहरण आइसोमेराइज़ेशन हैडी - ग्लूकोज से फ्रुक्टोज। तकनीकी पहलू उत्प्रेरकों के उपयोग के बिना आधुनिक तकनीकों की कल्पना नहीं की जा सकती है। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं 650 . तक के तापमान पर आगे बढ़ सकती हैं° सी और 100 एटीएम या उससे अधिक का दबाव। यह गैसीय और ठोस पदार्थों के बीच संपर्क से जुड़ी समस्याओं को हल करने और उत्प्रेरक कणों के हस्तांतरण के साथ एक नए तरीके से हल करना आवश्यक बनाता है। प्रक्रिया के कुशल होने के लिए, इसके मॉडलिंग को गतिज, थर्मोडायनामिक और हाइड्रोडायनामिक पहलुओं को ध्यान में रखना चाहिए। यहां कंप्यूटर मॉडलिंग का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, साथ ही तकनीकी प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए नए उपकरणों और विधियों का भी उपयोग किया जाता है।

1960 के दशक में अमोनिया के उत्पादन में महत्वपूर्ण प्रगति हुई थी। अधिक सक्रिय उत्प्रेरक के उपयोग ने जल वाष्प के अपघटन के दौरान हाइड्रोजन उत्पादन के तापमान को कम करना संभव बना दिया, जिसके कारण दबाव कम करना संभव हो गया और, परिणामस्वरूप, उत्पादन लागत को कम करना, उदाहरण के लिए, सस्ते के उपयोग के माध्यम से केन्द्रापसारक कम्प्रेसर। नतीजतन, अमोनिया की लागत आधे से अधिक गिर गई, इसके उत्पादन में भारी वृद्धि हुई, और इस संबंध में, खाद्य उत्पादन में वृद्धि हुई, क्योंकि अमोनिया एक मूल्यवान उर्वरक है।

तरीके। कटैलिसीस के क्षेत्र में अनुसंधान पारंपरिक और विशेष दोनों तरीकों का उपयोग करके किया जाता है। रेडियोधर्मी लेबल, एक्स-रे, इन्फ्रारेड और रमन (रमन) स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी विधियों का उपयोग किया जाता है; गतिज माप किए जाते हैं, उनकी गतिविधि पर उत्प्रेरक प्राप्त करने के तरीकों के प्रभाव का अध्ययन किया जाता है। विभिन्न दबावों पर नाइट्रोजन भौतिक सोखना की माप के आधार पर ब्रूनौअर-एम्मेट-टेलर विधि (बीईटी विधि) द्वारा उत्प्रेरक के सतह क्षेत्र का निर्धारण बहुत महत्वपूर्ण है। ऐसा करने के लिए, उत्प्रेरक की सतह पर एक मोनोलेयर के गठन के लिए आवश्यक नाइट्रोजन की मात्रा निर्धारित करें, और अणु के व्यास को जानकरएन 2 , कुल क्षेत्रफल की गणना करें। कुल सतह क्षेत्र का निर्धारण करने के अलावा, विभिन्न अणुओं का रासायनिक शोषण किया जाता है, जिससे सक्रिय केंद्रों की संख्या का अनुमान लगाना और उनके गुणों के बारे में जानकारी प्राप्त करना संभव हो जाता है।

परमाणु स्तर पर उत्प्रेरकों की सतह संरचना का अध्ययन करने के लिए शोधकर्ताओं के पास विभिन्न तरीके हैं। अनूठी जानकारी आपको विधि प्राप्त करने की अनुमति देती है

EXAFS . स्पेक्ट्रोस्कोपिक विधियों में, यूवी, एक्स-रे, और ऑगर फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का तेजी से उपयोग किया जा रहा है। माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री और आयन स्कैटरिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी में बहुत रुचि है। उत्प्रेरक परिसरों की प्रकृति का अध्ययन करने के लिए एनएमआर माप का उपयोग किया जाता है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप आपको उत्प्रेरक की सतह पर परमाणुओं की व्यवस्था को देखने की अनुमति देता है। दृष्टिकोण उद्योग में उत्प्रेरक प्रक्रियाओं का पैमाना हर साल बढ़ रहा है। पर्यावरण प्रदूषकों को बेअसर करने के लिए उत्प्रेरकों का तेजी से उपयोग किया जा रहा है। गैस और कोयले से हाइड्रोकार्बन और ऑक्सीजन युक्त सिंथेटिक ईंधन के उत्पादन में उत्प्रेरक की भूमिका बढ़ रही है। ईंधन ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में किफायती रूपांतरण के लिए ईंधन सेल बनाना बहुत आशाजनक लगता है।

कटैलिसीस की नई अवधारणाएं कई मूल्यवान गुणों के साथ बहुलक सामग्री और अन्य उत्पादों को प्राप्त करना संभव बनाती हैं, ऊर्जा उत्पादन विधियों में सुधार करती हैं, खाद्य उत्पादन में वृद्धि करती हैं, विशेष रूप से सूक्ष्मजीवों की मदद से अल्केन्स और अमोनिया से प्रोटीन के संश्लेषण के माध्यम से। एंजाइमों और ऑर्गोमेटेलिक यौगिकों के उत्पादन के लिए आनुवंशिक रूप से इंजीनियर विधियों को विकसित करना संभव हो सकता है जो उनकी उत्प्रेरक गतिविधि और चयनात्मकता में प्राकृतिक जैविक उत्प्रेरक तक पहुंचते हैं।

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रासायनिक प्रौद्योगिकी में अंतर्निहित अधिकांश प्रक्रियाएं उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि उत्प्रेरक की शुरूआत के साथ, पदार्थों की बातचीत की दर काफी बढ़ जाती है। इस मामले में, निर्माता समान अवधि में लागत कम कर सकते हैं या अधिक प्रतिक्रिया उत्पाद प्राप्त कर सकते हैं। इसीलिए प्रौद्योगिकीविदों के प्रशिक्षण में कटैलिसीस के अध्ययन पर बहुत ध्यान दिया जाता है। हालाँकि, यह घटना प्रकृति में भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। तो, विशेष पदार्थ जीवित जीवों में जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के पाठ्यक्रम को नियंत्रित करते हैं, जिससे चयापचय प्रभावित होता है।

कटैलिसीस की अवधारणा

इस रासायनिक घटना का सार विशेष अभिकर्मकों का उपयोग करके पदार्थों के परिवर्तन की दर को विनियमित करना है जो इस प्रक्रिया को धीमा या तेज कर सकते हैं। इस मामले में, कोई सकारात्मक या नकारात्मक कटैलिसीस की बात करता है। ऑटोकैटलिसिस की घटना भी होती है, जब रासायनिक प्रतिक्रिया के मध्यवर्ती उत्पादों में से एक प्रतिक्रिया दर को प्रभावित करता है। उत्प्रेरक प्रक्रियाएं विविध हैं, वे तंत्र, यौगिकों के एकत्रीकरण की स्थिति और दिशा में भिन्न हैं।

वे पदार्थ जो रासायनिक अंतःक्रियाओं को धीमा करते हैं, अवरोधक कहलाते हैं, और जो उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं उन्हें उत्प्रेरक कहा जाता है। वे और अन्य दोनों अपने एक या अधिक प्रतिभागियों के साथ बार-बार मध्यवर्ती बातचीत के माध्यम से प्रतिक्रिया दर को बदलते हैं। इसी समय, वे उत्पादों की संरचना में शामिल नहीं हैं और पदार्थों के परिवर्तन के चक्र के अंत के बाद बहाल हो जाते हैं। इसलिए, उत्प्रेरक की भागीदारी प्रतिक्रिया समीकरण में स्टोइकोमेट्रिक रूप से परिलक्षित नहीं होती है, लेकिन केवल पदार्थों की बातचीत के लिए एक शर्त के रूप में इंगित की जाती है।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के प्रकार

रासायनिक प्रतिक्रिया में भाग लेने वाले पदार्थों के एकत्रीकरण की स्थिति के अनुसार, निम्न हैं:

• सजातीय प्रतिक्रियाएं - अभिकारक, उत्पाद और उत्प्रेरक एकत्रीकरण (चरण) की एक ही अवस्था में होते हैं, जबकि पदार्थों के अणु समान रूप से पूरे आयतन में वितरित होते हैं;
• इंटरफेसियल उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं - अमिश्रणीय तरल पदार्थों के इंटरफेस पर होती हैं, और उत्प्रेरक की भूमिका इसके माध्यम से अभिकर्मकों के हस्तांतरण में कम हो जाती है;
• विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं - उनमें, उत्प्रेरक में अभिकर्मकों से अलग एकत्रीकरण की स्थिति होती है, और यह स्वयं इंटरफ़ेस पर किया जाता है;
• विषम-सजातीय प्रतिक्रियाएं - उत्प्रेरक के साथ इंटरफेस में शुरू की जाती हैं, और प्रतिक्रिया मात्रा में जारी रहती हैं;
• माइक्रोहेटेरोजेनस प्रतिक्रियाएं - एक ठोस उत्प्रेरक के छोटे कण तरल चरण के पूरे आयतन पर मिसेल बनाते हैं।

अभिकर्मकों के साथ बातचीत पर उत्प्रेरक के ऑक्सीकरण राज्य में बदलाव के साथ, रेडॉक्स कटैलिसीस भी होता है। इस तरह के परिवर्तनों को उत्प्रेरक ऑक्सीकरण और कमी प्रतिक्रिया कहा जाता है। रासायनिक उत्पादन में सबसे आम है सल्फ्यूरिक एसिड के उत्पादन में सल्फर डाइऑक्साइड का ट्राइऑक्साइड में ऑक्सीकरण।

उत्प्रेरक के प्रकार

एकत्रीकरण की स्थिति के अनुसार, उत्प्रेरक तरल (H 2 SO 4, H 3 RO 4), ठोस (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) और गैसीय (BF ​​3) होते हैं।

पदार्थ के प्रकार के अनुसार, उत्प्रेरकों को वर्गीकृत किया जाता है:

• धातु - शुद्ध, मिश्र धातु, ठोस या झरझरा आधार (Fe, Pt, Ni, Cu) पर जमा हो सकती है;
• एम एम ई एन प्रकार के धातु यौगिक - सबसे आम ऑक्साइड एमजीओ, अल 2 ओ 3, एमओओ 3, आदि हैं;
• एसिड और बेस - एसिड-बेस उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोग किया जाता है, ये लुईस एसिड, ब्रोंस्टेड, आदि हो सकते हैं;
• धातु परिसरों - इस समूह में संक्रमण धातुओं के लवण भी शामिल हैं, जैसे कि PdCl 2 , Ni(CO) 4 ;
• एंजाइम (वे एंजाइम भी हैं) जैव उत्प्रेरक हैं जो जीवित जीवों में होने वाली प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक संरचना की बारीकियों के अनुसार, डी-उत्प्रेरक को डी-इलेक्ट्रॉनों और डी-ऑर्बिटल्स के साथ-साथ एस, पी-उत्प्रेरक के साथ प्रतिष्ठित किया जाता है, जिसका केंद्र वैलेंस एस और पी-इलेक्ट्रॉनों वाला एक तत्व है।

उत्प्रेरक के गुण

प्रभावी ढंग से उपयोग करने के लिए, उन पर आवश्यकताओं की एक विस्तृत सूची लागू की जाती है, जो किसी विशेष प्रक्रिया के लिए भिन्न होती है। लेकिन सबसे महत्वपूर्ण उत्प्रेरक के निम्नलिखित दो गुण हैं:

• विशिष्टता केवल एक प्रतिक्रिया या समान परिवर्तनों की एक श्रृंखला को प्रभावित करने के लिए उत्प्रेरक की क्षमता में निहित है और दूसरों की दर को प्रभावित नहीं करती है। इस प्रकार, प्लैटिनम का उपयोग अक्सर कार्बनिक हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं में किया जाता है।
• चयनात्मकता कई संभावित समानांतर प्रतिक्रियाओं में से एक को तेज करने की क्षमता की विशेषता है, जिससे सबसे महत्वपूर्ण उत्पाद की उपज में वृद्धि होती है।

उत्प्रेरक प्रतिक्रिया दर

पदार्थों की परस्पर क्रिया में तेजी का कारण उत्प्रेरक के साथ एक सक्रिय परिसर का निर्माण है, जिससे सक्रियण ऊर्जा में कमी आती है।

रासायनिक कैनेटीक्स के मूल अभिधारणा के अनुसार, किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर सीधे प्रारंभिक पदार्थों की सांद्रता के उत्पाद के समानुपाती होती है, जो उनके स्टोइकोमेट्रिक गुणांक के अनुरूप शक्तियों में ली जाती हैं:

वी = के सी ए एक्स ∙ सी बी वाई ∙ सी डी जेड,

जहाँ k एक रासायनिक प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक है, संख्यात्मक रूप से उसी प्रतिक्रिया की दर के बराबर है, बशर्ते कि प्रारंभिक यौगिकों की सांद्रता 1 mol/l हो।

अरहेनियस समीकरण के अनुसार, k सक्रियण ऊर्जा पर निर्भर करता है:

के \u003d ए क्स्प ^ (-ई ए / आरटी)।

ये नियमितता उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए भी मान्य हैं। दर स्थिरांक के अनुपात के लिए समीकरण द्वारा इसकी पुष्टि की जाती है:

के के / के = ए के / ए ∙ expक्स्प^((ई ए-ई एके)/आरटी),

जहां सूचकांक K वाले चर उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं को संदर्भित करते हैं।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के चरण

सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए, दो मुख्य चरण पर्याप्त हैं:

1. एक सक्रिय परिसर का गठन: ए + के -> एए।
2. अन्य प्रारंभिक पदार्थों के साथ सक्रिय परिसर की सहभागिता: एए + बी ―> सी + के।

सामान्य रूप में, A + B -> C के रूप का एक समीकरण लिखा जाता है।

विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं का तंत्र जटिल है। निम्नलिखित छह चरण प्रतिष्ठित हैं:

1. उत्प्रेरक सतह पर प्रारंभिक यौगिकों को लाना।
2. उत्प्रेरक सतह द्वारा प्रारंभिक अभिकर्मकों का सोखना और एक मध्यवर्ती परिसर का निर्माण: A + B + K ―> AVK।
3. परिणामी परिसर का सक्रियण: VC ―> VC * ।
4. जटिल यौगिक का अपघटन, जबकि बनने वाले उत्पाद उत्प्रेरक द्वारा अधिशोषित होते हैं: * > सीडीके।
5. उत्प्रेरक सतह द्वारा परिणामी उत्पादों का विशोषण: सीडीके > सी + डी + के।
6. उत्प्रेरक से उत्पादों को हटाना।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के उदाहरण

उत्प्रेरक का उपयोग न केवल रासायनिक उद्योग में किया जाता है। अपने दैनिक जीवन में कोई भी व्यक्ति विभिन्न उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं का सामना करता है। यह, उदाहरण के लिए, घावों के उपचार में हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उपयोग है। हाइड्रोजन पेरोक्साइड, जब रक्त के साथ बातचीत करता है, तो इसके प्रभाव में विघटित होना शुरू हो जाता है:

2एच 2 ओ 2 -> ओ 2 + 2 एच 2 ओ।

आधुनिक कारों में, यह विशेष उत्प्रेरक कक्षों से सुसज्जित है जो हानिकारक गैसीय पदार्थों के अपघटन में योगदान करते हैं। उदाहरण के लिए, प्लैटिनम या रोडियम नाइट्रोजन ऑक्साइड प्रदूषण को कम करने में मदद करता है, जो टूटकर हानिरहित O 2 और N 2 बनाता है।

कुछ टूथपेस्ट में एंजाइम होते हैं जो प्लाक और खाद्य मलबे को तोड़ते हैं।

रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर विभिन्न पदार्थों की उपस्थिति में नाटकीय रूप से बढ़ सकती है जो अभिकारक नहीं हैं और प्रतिक्रिया उत्पादों का हिस्सा नहीं हैं। इस उल्लेखनीय घटना को कहा जाता है कटैलिसीस(ग्रीक "कैटलिसिस" से - विनाश)। वह पदार्थ जो मिश्रण में अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है, कहलाता है उत्प्रेरकप्रतिक्रिया के पहले और बाद में इसकी मात्रा अपरिवर्तित रहती है। उत्प्रेरक किसी विशेष वर्ग के पदार्थों का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं। विभिन्न प्रतिक्रियाओं में, धातु, ऑक्साइड, एसिड, लवण और जटिल यौगिक एक उत्प्रेरक प्रभाव प्रदर्शित कर सकते हैं। जीवित कोशिकाओं में रासायनिक प्रतिक्रियाएं उत्प्रेरक प्रोटीन के नियंत्रण में आगे बढ़ती हैं जिन्हें कहा जाता है एंजाइम।रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दरों को बढ़ाने के लिए कटैलिसीस को एक वास्तविक रासायनिक कारक माना जाना चाहिए, क्योंकि उत्प्रेरक सीधे प्रतिक्रिया में शामिल होता है। तापमान बढ़ाने की तुलना में प्रतिक्रिया को तेज करने के लिए कटैलिसीस अक्सर अधिक शक्तिशाली और कम जोखिम भरा तरीका होता है। यह जीवित जीवों में रासायनिक प्रतिक्रियाओं के उदाहरण में स्पष्ट रूप से प्रकट होता है। प्रोटीन के हाइड्रोलिसिस जैसी प्रतिक्रियाएं, जिन्हें प्रयोगशालाओं में लंबे समय तक गर्म करके क्वथनांक तक ले जाना पड़ता है, पाचन के दौरान शरीर के तापमान पर गर्म किए बिना आगे बढ़ते हैं।

पहली बार, 1818 में फ्रांसीसी रसायनज्ञ एल जे टेनार्ड (1777-1857) द्वारा कटैलिसीस की घटना देखी गई थी। उन्होंने पाया कि कुछ धातुओं के ऑक्साइड, जब हाइड्रोजन पेरोक्साइड को एक समाधान में जोड़ा जाता है, तो इसका अपघटन होता है। 3% हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान में पोटेशियम परमैंगनेट क्रिस्टल जोड़कर इस तरह के अनुभव को पुन: उत्पन्न करना आसान है। नमक KMp0 4 Mn0 2 में बदल जाता है, और ऑक्साइड की क्रिया के तहत घोल से ऑक्सीजन जल्दी निकल जाती है:

प्रतिक्रिया दर पर उत्प्रेरक का सीधा प्रभाव सक्रियण ऊर्जा में कमी के साथ जुड़ा हुआ है। सामान्य तापमान में कमी? और 20 kJ/mol तक दर स्थिरांक को लगभग 3000 गुना बढ़ा देता है। ढाल ई लेज्यादा मजबूत हो सकता है। हालांकि, सक्रियण ऊर्जा में कमी उत्प्रेरक की क्रिया की बाहरी अभिव्यक्ति है। प्रतिक्रिया एक निश्चित मूल्य की विशेषता है ई. वीजो केवल तभी बदल सकता है जब प्रतिक्रिया स्वयं बदल जाए। एक ही उत्पाद देते हुए, अतिरिक्त पदार्थ की भागीदारी के साथ प्रतिक्रिया एक अलग पथ के साथ, विभिन्न चरणों के माध्यम से और एक अलग सक्रियण ऊर्जा के साथ आगे बढ़ती है। यदि इस नए पथ पर सक्रियण ऊर्जा कम है और प्रतिक्रिया इसी तरह तेज है, तो हम कहते हैं कि यह पदार्थ उत्प्रेरक है।

उत्प्रेरक एक अभिकारक के साथ परस्पर क्रिया करता है, जिससे कुछ मध्यवर्ती यौगिक बनते हैं। प्रतिक्रिया के बाद के चरणों में से एक में, उत्प्रेरक पुनर्जीवित होता है - यह प्रतिक्रिया को उसके मूल रूप में छोड़ देता है। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया में भाग लेने वाले अभिकर्मक, एक उत्प्रेरक की भागीदारी के बिना एक दूसरे के साथ और धीमी गति से बातचीत करना जारी रखते हैं। इसलिए, उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं विभिन्न प्रकार की जटिल प्रतिक्रियाओं से संबंधित होती हैं जिन्हें श्रृंखला-समानांतर कहा जाता है। अंजीर पर। 11.8 उत्प्रेरक की सांद्रता पर स्थिर दर की निर्भरता को दर्शाता है। निर्भरता ग्राफ शून्य से नहीं गुजरता है, क्योंकि उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में प्रतिक्रिया रुकती नहीं है।

चावल। 11.8.

देखने योग्य स्थिरांक कयोग के रूप में व्यक्त के आप+ और कश्मीर सी (के)

उदाहरण 11.5। -500 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, सल्फर ऑक्साइड (IV) की ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया

जो सल्फ्यूरिक एसिड के औद्योगिक उत्पादन के चरणों में से एक है, बहुत धीमा है। तापमान में और वृद्धि अस्वीकार्य है, क्योंकि संतुलन बाईं ओर शिफ्ट हो जाता है (एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया) और उत्पाद की उपज बहुत अधिक गिर जाती है। लेकिन यह प्रतिक्रिया विभिन्न उत्प्रेरकों द्वारा त्वरित होती है, जिनमें से एक नाइट्रिक ऑक्साइड (II) हो सकती है। सबसे पहले, उत्प्रेरक ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है:

और फिर एक ऑक्सीजन परमाणु को सल्फर ऑक्साइड (IV) में स्थानांतरित करता है:

इस प्रकार, प्रतिक्रिया का अंतिम उत्पाद बनता है और उत्प्रेरक पुन: उत्पन्न होता है। प्रतिक्रिया के लिए, एक नए पथ के साथ बहने की संभावना खोली गई, जिसमें दर स्थिरांक में काफी वृद्धि हुई:

नीचे दिया गया चित्र S0 2 ऑक्सीकरण प्रक्रिया के दोनों मार्गों को दर्शाता है। एक उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में, प्रतिक्रिया केवल धीमी गति से और उत्प्रेरक की उपस्थिति में दोनों के साथ आगे बढ़ती है।

उत्प्रेरण दो प्रकार के होते हैं - सजातीयऔर विषम।पहले मामले में, उत्प्रेरक और अभिकर्मक गैस मिश्रण या समाधान के रूप में एक सजातीय प्रणाली बनाते हैं। सल्फर ऑक्साइड ऑक्सीकरण का एक उदाहरण सजातीय उत्प्रेरण है। एक सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर अभिकारकों की सांद्रता और उत्प्रेरक की सांद्रता दोनों पर निर्भर करती है।

विषम उत्प्रेरण में, उत्प्रेरक शुद्ध रूप में ठोस होता है या पर समर्थित होता है वाहक।उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम को एस्बेस्टस, एल्यूमिना आदि पर तय किया जा सकता है। उत्प्रेरक सतह - सक्रिय केंद्रों पर विशिष्ट बिंदुओं पर अभिकर्मक अणुओं को गैस या समाधान से सोख (अवशोषित) किया जाता है और एक ही समय में सक्रिय होते हैं। रासायनिक परिवर्तन के बाद, परिणामी उत्पाद अणुओं को उत्प्रेरक सतह से हटा दिया जाता है। सक्रिय केंद्रों पर कण परिवर्तन के कार्य दोहराए जाते हैं। अन्य कारकों में, एक विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर उत्प्रेरक सामग्री के सतह क्षेत्र पर निर्भर करती है।

विषम उत्प्रेरण विशेष रूप से उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। यह एक उत्प्रेरक के साथ संपर्क तंत्र के माध्यम से अभिकर्मकों के मिश्रण के पारित होने के साथ एक सतत उत्प्रेरक प्रक्रिया को पूरा करने में आसानी के कारण है।

उत्प्रेरक चुनिंदा रूप से कार्य करते हैं, दूसरों को प्रभावित किए बिना एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार की प्रतिक्रिया या यहां तक ​​​​कि एक प्रतिक्रिया को तेज करते हैं। यह न केवल प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग करना संभव बनाता है, बल्कि प्रारंभिक सामग्री को वांछित उत्पादों में उद्देश्यपूर्ण रूप से परिवर्तित करने के लिए भी संभव बनाता है। Fe 2 0 3 उत्प्रेरक पर 450 डिग्री सेल्सियस पर मीथेन और पानी कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन में परिवर्तित हो जाते हैं:

850 डिग्री सेल्सियस पर समान पदार्थ कार्बन मोनोऑक्साइड (II) और हाइड्रोजन बनाने के लिए निकल सतह पर प्रतिक्रिया करते हैं:

कटैलिसीस रसायन विज्ञान के उन क्षेत्रों से संबंधित है जिनमें सटीक सैद्धांतिक भविष्यवाणियां करना अभी तक संभव नहीं है। पेट्रोलियम उत्पादों, प्राकृतिक गैस, अमोनिया उत्पादन और कई अन्य के प्रसंस्करण के लिए सभी औद्योगिक उत्प्रेरक श्रमसाध्य और लंबे प्रयोगात्मक अध्ययनों के आधार पर विकसित किए गए हैं।

मानव आर्थिक गतिविधि में रासायनिक प्रक्रियाओं की गति को नियंत्रित करने की क्षमता का अमूल्य महत्व है। रासायनिक उत्पादों के औद्योगिक उत्पादन में, आमतौर पर तकनीकी रासायनिक प्रक्रियाओं की दरों में वृद्धि करना आवश्यक होता है, और उत्पादों के भंडारण में, ऑक्सीजन, पानी आदि के अपघटन या जोखिम की दर को कम करना आवश्यक होता है। ज्ञात पदार्थ जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को धीमा कर सकते हैं। उन्हें कहा जाता है अवरोधकों, या नकारात्मक उत्प्रेरक।अवरोधक वास्तविक उत्प्रेरक से मौलिक रूप से भिन्न होते हैं क्योंकि वे सक्रिय प्रजातियों (मुक्त कण) के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जो एक कारण या किसी अन्य कारण से किसी पदार्थ या उसके वातावरण में उत्पन्न होते हैं और मूल्यवान अपघटन और ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं का कारण बनते हैं। अवरोधकों का धीरे-धीरे सेवन किया जाता है, जिससे उनकी सुरक्षात्मक क्रिया समाप्त हो जाती है। सबसे महत्वपूर्ण प्रकार के अवरोधक एंटीऑक्सिडेंट हैं, जो विभिन्न सामग्रियों को ऑक्सीजन के प्रभाव से बचाते हैं।

यह भी याद रखना चाहिए कि उत्प्रेरकों की मदद से क्या हासिल नहीं किया जा सकता है। वे केवल सहज प्रतिक्रियाओं को तेज करने में सक्षम हैं। यदि प्रतिक्रिया अनायास नहीं चलती है, तो उत्प्रेरक इसे तेज करने में सक्षम नहीं होगा। उदाहरण के लिए, कोई उत्प्रेरक पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित नहीं कर सकता है। इस प्रक्रिया को विद्युत कार्य खर्च करते हुए केवल इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा ही किया जा सकता है।

उत्प्रेरक अवांछित प्रक्रियाओं को भी सक्रिय कर सकते हैं। हाल के दशकों में 20-25 किमी की ऊंचाई पर वायुमंडल की ओजोन परत का क्रमिक विनाश हुआ है। यह माना जाता है कि कुछ पदार्थ ओजोन के क्षय में शामिल हैं, उदाहरण के लिए, औद्योगिक उद्यमों द्वारा वातावरण में उत्सर्जित हलोजनयुक्त हाइड्रोकार्बन, साथ ही साथ घरेलू उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है।