შესავალი

1. კატალიზის ზოგადი დებულებები და კანონზომიერებები

2. ჰომოგენური კატალიზი

3. მჟავა და ბაზის კატალიზი

4. რთული ნაერთებით კატალიზებული ჰომოგენური კატალიზური რეაქციები

5. ფერმენტული კატალიზი

6. ჰეტეროგენული კატალიზი

დასკვნა

გამოყენებული წყაროების სია

შესავალი

კატალიზი არის რეაქციის სიჩქარის ცვლილების ფენომენი კატალიზატორების თანდასწრებით. რეაქციებს, რომლებიც მოიცავს კატალიზატორებს, ეწოდება კატალიზური. ნივთიერებებს, რომლებიც ზრდის ქიმიური რეაქციის სიჩქარეს, ხოლო მთლიან რეაქციაში უცვლელი რჩება, კატალიზატორები ეწოდება.

არსებობს მრავალი სხვადასხვა ტიპის კატალიზატორი და მოქმედების მრავალი განსხვავებული მექანიზმი. კატალიზატორი გადის ციკლებს, რომლებშიც ის ჯერ არის შეკრული, შემდეგ რეგენერირებული, ისევ შეკრული და ასე შემდეგ მრავალჯერ. კატალიზატორი საშუალებას აძლევს რეაქციას განსხვავებულად განვითარდეს და უფრო სწრაფად, ვიდრე ეს ხდება კატალიზატორის არარსებობის შემთხვევაში. სიჩქარე შეიძლება გაიზარდოს აქტივაციის ენერგიის შემცირებით, წინასწარ ექსპონენციალური ფაქტორის გაზრდით ან ორივე ერთად.

კატალიზატორი ერთდროულად აჩქარებს როგორც წინა, ასევე საპირისპირო რეაქციებს, ისე რომ მთლიანი რეაქციის წონასწორობის მუდმივი უცვლელი რჩება. ეს რომ ასე არ იყოს, მაშინ შესაძლებელი იქნებოდა მუდმივი მოძრაობის მანქანის აგება კატალიზატორის გამოყენებით მატერიის რეგენერაციისთვის.

1. კატალიზის ზოგადი დებულებები და კანონზომიერებები

კატალიზატორები იყოფა ერთგვაროვან და ჰეტეროგენებად. ჰომოგენური კატალიზატორი რეაგენტებთან ერთსა და იმავე ფაზაშია, ჰეტეროგენული კი ქმნის დამოუკიდებელ ფაზას, რომელიც გამოყოფილია ინტერფეისით იმ ფაზისგან, რომელშიც განლაგებულია რეაგენტები. ტიპიური ერთგვაროვანი კატალიზატორებია მჟავები და ფუძეები. ლითონები, მათი ოქსიდები და სულფიდები გამოიყენება როგორც ჰეტეროგენული კატალიზატორები.

იგივე ტიპის რეაქციები შეიძლება გაგრძელდეს როგორც ერთგვაროვანი, ასევე ჰეტეროგენული კატალიზატორებით. ამრიგად, მჟავა ხსნარებთან ერთად გამოიყენება მყარი Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , ალუმინოსილიკატები და მჟავე თვისებების მქონე ცეოლიტები. ჰეტეროგენული კატალიზატორები ძირითადი თვისებებით: CaO, BaO, MgO.

ჰეტეროგენულ კატალიზატორებს, როგორც წესი, აქვთ მაღალგანვითარებული ზედაპირი, რისთვისაც ისინი ნაწილდება ინერტულ მატარებელზე (სილიკა გელი, ალუმინა, გააქტიურებული ნახშირბადი და სხვ.).

თითოეული ტიპის რეაქციისთვის ეფექტურია მხოლოდ გარკვეული კატალიზატორები. უკვე ნახსენები მჟავატუტოვანის გარდა, არსებობს ჟანგვის აღმდგენი კატალიზატორები; ისინი ხასიათდებიან გარდამავალი ლითონის ან მისი ნაერთის არსებობით (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). ამ შემთხვევაში კატალიზი ხორციელდება გარდამავალი ლითონის ჟანგვის მდგომარეობის შეცვლით.

მრავალი რეაქცია ტარდება კატალიზატორების დახმარებით, რომლებიც მოქმედებენ რეაგენტების კოორდინაციის გზით გარდამავალი ლითონის ატომზე ან იონზე (Ti, Rh, Ni). ასეთ კატალიზს კოორდინაციის კატალიზს უწოდებენ.

თუ კატალიზატორს აქვს ქირალური თვისებები, მაშინ ოპტიკურად აქტიური პროდუქტი მიიღება ოპტიკურად არააქტიური სუბსტრატიდან.

თანამედროვე მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში ხშირად გამოიყენება რამდენიმე კატალიზატორის სისტემა, რომელთაგან თითოეული აჩქარებს რეაქციის სხვადასხვა სტადიას. კატალიზატორს ასევე შეუძლია გაზარდოს სხვა კატალიზატორის მიერ განხორციელებული კატალიზური ციკლის ერთ-ერთი ეტაპის სიჩქარე. სწორედ აქ ხდება „კატალიზის კატალიზი“ ანუ მეორე დონის კატალიზი.

ფერმენტები ასრულებენ კატალიზატორების როლს ბიოქიმიურ რეაქციებში.

კატალიზატორები უნდა გამოირჩეოდნენ ინიციატორებისგან. მაგალითად, პეროქსიდები იშლება თავისუფალ რადიკალებად, რომლებსაც შეუძლიათ რადიკალური ჯაჭვური რეაქციების დაწყება. რეაქციის დროს ინიციატორები მოიხმარენ, ამიტომ ისინი არ შეიძლება ჩაითვალოს კატალიზატორებად.

ინჰიბიტორები ზოგჯერ შეცდომით განიხილება უარყოფით კატალიზატორებად. მაგრამ ინჰიბიტორები, როგორიცაა რადიკალური ჯაჭვის რეაქციები, რეაგირებენ თავისუფალ რადიკალებთან და, კატალიზატორებისგან განსხვავებით, არ არის დაცული. სხვა ინჰიბიტორები (კატალიზური შხამები) უკავშირდებიან კატალიზატორს და ახდენენ მას დეაქტივაციას, რაც არის კატალიზის ჩახშობა და არა უარყოფითი კატალიზი. უარყოფითი კატალიზი პრინციპში შეუძლებელია: ის უზრუნველყოფს რეაქციის უფრო ნელ გზას, მაგრამ რეაქცია, რა თქმა უნდა, უფრო სწრაფ, ამ შემთხვევაში, არა კატალიზირებულ გზას გაივლის.

კატალიზატორი შეიძლება იყოს რეაქციის ერთ-ერთი პროდუქტი. ამ შემთხვევაში რეაქციას ეწოდება ავტოკატალიტიკური, ხოლო თავად ფენომენს ავტოკატალიზი. მაგალითად, Fe 2+ Mn0 4-ით დაჟანგვის დროს

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

მიღებული Mn 2+ იონები რეაქციის მსვლელობის კატალიზებას ახდენენ.

კატალიზური რეაქციები ბუნებაში ძალზე გავრცელებულია. მათგან ყველაზე გასაკვირი არის ფერმენტებთან რეაქციები, რომლებიც ცოცხალ ორგანიზმებში მრავალ რეაქციას ახორციელებენ. კატალიზატორები ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში. აზოტის და გოგირდის მჟავების, ამიაკის წარმოება, სინთეზური რეზინის წარმოება და ა.შ. შეუძლებელია კატალიზური რეაქციების გარეშე. სამკურნალო ნივთიერებების წარმოებაში გამოიყენება კატალიზატორები: ფენაცეტინი, გუააკოლი, არომატული ნაერთების ჰალოგენური წარმოებულები და სხვა. კატალიზატორებად გამოიყენება Mn(IV), Ni, Co, Fe, AlC1 3, TeC1 3 ოქსიდები.

არსებობს ჰომოგენური და ჰეტეროგენული კატალიზი, მაგრამ რომელიმე მათგანისთვის ძირითადი კანონზომიერებები შემდეგია:

1. კატალიზატორი აქტიურად მონაწილეობს რეაქციის ელემენტარულ აქტში, აყალიბებს ან შუალედურ ნაერთებს რეაქციის ერთ-ერთ მონაწილესთან, ან გააქტიურებულ კომპლექსს ყველა რეაგენტთან ერთად. ყოველი ელემენტარული მოქმედების შემდეგ, ის რეგენერირებულია და შეუძლია ურთიერთქმედება რეაქციაში მყოფი ნივთიერებების ახალ მოლეკულებთან.

2. კატალიზური რეაქციის სიჩქარე კატალიზატორის რაოდენობის პროპორციულია.

3. კატალიზატორს აქვს მოქმედების სელექციურობა. მას შეუძლია შეცვალოს ერთი რეაქციის სიჩქარე და არ იმოქმედოს მეორის სიჩქარეზე.

4. კატალიზატორი საშუალებას აძლევს რეაქციას განვითარდეს სხვაგვარად და უფრო სწრაფი ტემპით, ვიდრე ეს ხდება კატალიზატორის არარსებობის შემთხვევაში.

სიჩქარე შეიძლება გაიზარდოს აქტივაციის ენერგიის შემცირებით, წინასწარ ექსპონენციალური ფაქტორის გაზრდით ან ორივე ერთად. მაგალითად, აცეტალდეჰიდის CH 3 CHO CH 4 + CO თერმული დაშლა კატალიზებულია იოდის ორთქლით, რაც იწვევს აქტივაციის ენერგიის შემცირებას ~55 კჯ/მოლ-ით. ეს შემცირება იწვევს სიჩქარის მუდმივობის ზრდას დაახლოებით 10000-ით.

5. კატალიზატორი არ მოქმედებს თერმოდინამიკური წონასწორობის პოზიციაზე. ის თანაბრად ცვლის როგორც წინა, ასევე საპირისპირო რეაქციების სიჩქარეს.

6. როდესაც ემატება გარკვეული ნივთიერებები, სახელწოდებით პრომოტორები, იზრდება კატალიზატორის აქტივობა; ინჰიბიტორების დამატება ამცირებს რეაქციის სიჩქარეს.

2. ჰომოგენური კატალიზი

ერთგვაროვანი კატალიზის დროს კატალიზატორი არის მოლეკულა ან იონი ერთგვაროვან ხსნარში. ჰომოგენური კატალიზის შემთხვევაში, კატალიზატორი და ყველა რეაგენტი ქმნიან ერთ საერთო ფაზას.

ერთგვაროვანი კატალიზის თეორიის მთავარი ვარაუდი არის იდეა, რომ რეაქციის დროს წარმოიქმნება კატალიზატორის არასტაბილური შუალედური ნაერთები რეაქტორებთან, რომლებიც შემდეგ იშლება კატალიზატორის რეგენერაციასთან ერთად:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

ამ რეაქციის სიჩქარე

v=k ნგ აგ ბგ კ

პროპორციულია კატალიზატორის კონცენტრაციისა და სიჩქარის მუდმივი ემორჩილება არენიუსის განტოლებას. ეს რეაქცია შეიძლება გაგრძელდეს ორ ეტაპად:

კატალიზური ერთგვაროვანი მჟავა ფერმენტული ჰეტეროგენული

ამ შემთხვევაში შესაძლებელია ორი შემთხვევა. პირველ ეტაპზე კომპლექსის კატალიზატორად და საწყის პროდუქტად დაშლის სიჩქარე ბევრად აღემატება მეორე ეტაპის სიჩქარეს, რომელშიც ყალიბდება საბოლოო პროდუქტი. ამიტომ, კომპლექსების კონცენტრაცია, რომლებსაც არენიუსის კომპლექსებს უწოდებენ ამ ტიპის კატალიზში, დაბალია. მეორე შემთხვევაში, კომპლექსის დაშლის სისწრაფე შეესაბამება მეორე ეტაპის სიჩქარეს. შუალედური კომპლექსის კონცენტრაცია მნიშვნელოვანი და სტაციონარულია. ამ ტიპის კომპლექსებს ვან'ტ ჰოფის კომპლექსებს უწოდებენ.

მეორე შემთხვევა, როგორც უფრო ტიპიური, უფრო დეტალურად იქნება განხილული. ვინაიდან შუალედური ნაერთი AA წონასწორობაშია საწყის მასალებთან, პირდაპირი (v 1) და საპირისპირო (v 2) რეაქციების სიჩქარე (1) თანაბარი უნდა იყოს. მათთვის კინეტიკური განტოლებების შედგენით ვიღებთ:

სადაც (თან ერთად რომ"--თან ერთად AK") არის კატალიზატორის კონცენტრაცია, რომელიც არ რეაგირებდა; თან მაგრამ, თან AK"-- A ნივთიერების წონასწორული კონცენტრაციები და შუალედური ნაერთი AA, შესაბამისად.

(2)-დან ვპოულობთ შუალედური ნაერთის კონცენტრაციას:

მთელი პროცესის საერთო სიჩქარე (v) განისაზღვრება ყველაზე ნელი ეტაპის, ამ შემთხვევაში მეორეს სიჩქარით. მერე

(4) შუალედური ნაერთის (3) კონცენტრაციის ჩანაცვლებით, მივიღებთ:

განტოლება (5) მიუთითებს ორი შემზღუდველი რეჟიმის არსებობის შესაძლებლობაზე:

ორივე შემთხვევაში რეაქციის სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია კატალიზატორის კონცენტრაციასთან, მაგრამ საწყისი მასალების რეაქციის რიგი განსხვავებულია. პირველ შემთხვევაში უდრის ორს, ხოლო მეორეში - ერთს. შემზღუდავი რეჟიმების მიღმა, რეაქციის თანმიმდევრობა იქნება წილადი.

ჰომოგენური კატალიზის მაგალითია აცეტალდეჰიდის CH 3 CH 4 + CO თერმული დაშლის რეაქცია, რომელიც კატალიზებულია იოდის ორთქლით. იოდის ორთქლის არარსებობის შემთხვევაში ე ა=191.0 კჯ/მოლი, მათი თანდასწრებით ე ა= 136,0 კჯ/მოლ. სიჩქარის მუდმივი იზრდება 10000-ჯერ. ეს იმიტომ ხდება, რომ რეაქცია ორ ეტაპად მიმდინარეობს:

CH 3 SON + I 2 \u003d CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI \u003d CH 4 + I 2

თითოეული საფეხურის აქტივაციის ენერგია ნაკლებია არაკატალიზური რეაქციის აქტივაციის ენერგიაზე.

ჰომოგენური კატალიზი მოიცავს ბევრ მჟავა-ტუტოვან რეაქციას, კომპლექსურ რეაქციებს, რედოქს რეაქციებს, მრავალრიცხოვან ჰიდროგენიზაციას, სულფატირების რეაქციას და ა.შ.

3. მჟავა და ბაზის კატალიზი

მჟავები და ფუძეები ბევრ რეაქციაში მოქმედებენ როგორც კატალიზატორი, ანუ რეაქციაში მონაწილე, ისინი თავად არ მოიხმარენ (ჰიდროლიზის, ალკილაციის, ესტერიფიკაციის რეაქციები და ა.შ. მჟავა-ტუტოვანი კატალიზის სამი ტიპი არსებობს:

1) სპეციფიკური მჟავა (ძირითადი) კატალიზი, რომელშიც H + ან OH იონები ემსახურებიან, როგორც კატალიზატორი;

2) საერთო მჟავა (ფუძე) კატალიზი, რომელსაც ახორციელებს ნებისმიერი პროტონის დონორი (მიმღები);

3) ელექტროფილური (ნუკლეოფილური) კატალიზი, რომელსაც ახორციელებს ლუისის მჟავები და ფუძეები.

პირველი რიგის განაკვეთის მუდმივი კრეაქცია ბუფერულ ხსნარში შეიძლება იყოს [H + ], [OH - ], [HA], [A - ]-ის წრფივი ფუნქცია, ე.ი.:

k \u003d k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH -] + k 3 [ON] + k 4 [A -]

ამ გამოთქმაში კ 0 -- პირველი რიგის სიჩქარის მუდმივი ყველა კატალიზური იონის არარსებობის შემთხვევაში: [H + ], [OH - ], [NA], [A - ], a k t -- კატალიზური კოეფიციენტები.

თუ მხოლოდ ტერმინი k 1 [H + ] თამაშობს მნიშვნელოვან როლს, მაშინ ისინი ამბობენ, რომ რეაქცია ვლინდება წყალბადის იონების სპეციფიკური კატალიზით. თუ წევრი ჭარბობს კ 3 [HA], ნათქვამია, რომ რეაქცია ექვემდებარება ზოგად მჟავას კატალიზებას. თუ წევრი ჭარბობს კ 4 [A - ], მაშინ ნათქვამია, რომ რეაქცია ექვემდებარება საერთო ბაზის კატალიზის მოქმედებას.

სპეციფიკური მჟავა-ტუტოვანი კატალიზისთვის, როდესაც არაკატალიზური რეაქციის სიჩქარე დაბალია (კ 0 = 0) შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ლოგარითმული ფორმით:

მჟავე ხსნარებისთვის:

ტუტე ხსნარებისთვის:

განტოლებები მიუთითებს, რომ სპეციფიკური მჟავა-ტუტოვანი კატალიზის შემთხვევაში, სიჩქარის მუდმივის ლოგარითმი ხაზობრივად დამოკიდებულია გარემოს pH-ზე.

წყალბადის იონების კატალიზური მოქმედების მექანიზმი არის ის, რომ წარმოიქმნება პროტონის შუალედური ნაერთი და საწყისი ნივთიერების მოლეკულა. ამ პროცესის გამო, საწყის ნივთიერებაში არსებული ქიმიური ბმები იხსნება, აქტივაციის ენერგია მცირდება და შემდეგ BH + პროტონირებული ფორმა იშლება რეაქციის პროდუქტად და კატალიზატორად.

4. რთული ნაერთებით კატალიზებული ჰომოგენური კატალიზური რეაქციები

რედუქციის, ჰიდროგენიზაციის, დაჟანგვის, იზომერიზაციის, პოლიმერიზაციის რეაქციები სამრეწველო პირობებში ტარდება კატალიზატორების - რთული ნაერთების (პერიოდიული ცხრილის VIII ჯგუფის ლითონის იონები Fe, Co, Ni, Ru, აგრეთვე Cu, Fg) თანდასწრებით. , Hg, Cr, Mn). კატალიზური მოქმედების არსი მდგომარეობს იმაში, რომ ლითონის იონები მოქმედებენ როგორც ელექტრონების დონორი ან მიმღები. ქიმიურ ურთიერთქმედება მოლეკულებს შორის, რომლებიც კოორდინირებულია ცენტრალური მეტალის იონის გარშემო, ხელს უწყობს მოლეკულების პოლარიზაციას და ცალკეული ობლიგაციების ენერგიის დაქვეითებას. ცენტრალური ლითონის იონი არის ხიდი, რომელიც ხელს უწყობს ელექტრონულ გადასვლებს მოლეკულებს შორის.

ლითონის იონის კატალიზური აქტივობა დამოკიდებულია იონის შებოჭვის ენერგიაზე რეაქციის მონაწილეებთან. თუ შეკვრის ენერგია მაღალი ან დაბალია, ლითონის იონი ავლენს სუსტ კატალიზურ აქტივობას. პირველ შემთხვევაში, ლითონის იონები იმდენად ძლიერად არის დაკავშირებული მორეაქტიულ მოლეკულებთან, რომ ისინი ამოღებულია რეაქციისგან. მეორე შემთხვევაში, მორეაქტიულ მოლეკულებს არ შეუძლიათ ხსნარში არსებული სხვა ლიგანდების გადაადგილება. მიიღება კოორდინაციით გაჯერებული კომპლექსები, რომლებიც არ არიან აქტიური კატალიზატორები.

რთული კატალიზატორების შემადგენლობის რეგულირების ფართო შესაძლებლობების გამო, შესაძლებელი გახდა რიგი რეაქციების სიმულაცია VIII ჯგუფის ელემენტების იონების შემცველი ფერმენტების მონაწილეობით.

5. ფერმენტული კატალიზი

ფერმენტები ყველაზე საოცარი კატალიზატორებია. ცოცხალ ორგანიზმებში მრავალი რეაქცია მათთან არის დაკავშირებული და ამიტომ მათ ხშირად ბიოლოგიურ კატალიზატორებსაც უწოდებენ. ფერმენტული კატალიზი უფრო რთული მოვლენაა, ვიდრე ჩვეულებრივი კატალიზი. ფერმენტული კატალიზის პროცესების მაღალი ორგანიზაცია განისაზღვრება ცოცხალ ორგანიზმში ურთიერთქმედების თავისებურებით, რომელიც დაკავშირებულია ფერმენტების და სუბსტრატების მოლეკულური სტრუქტურის სპეციალურ კომბინაციასთან, რომლებსაც რეაქტორებს უწოდებენ ფერმენტულ რეაქციებში.

ფერმენტები არის ცილები, ე.ი. შედგება ამინომჟავებისგან, რომლებიც დაკავშირებულია პეპტიდური ბმებით. ფერმენტის მოლეკულას აქვს მონაცვლეობითი პოლარული ჯგუფები COOH, NH 2, NH, OH, SH და ა.შ., ასევე ჰიდროფობიური ჯგუფები. ფერმენტის პირველადი სტრუქტურა განისაზღვრება სხვადასხვა ამინომჟავების მონაცვლეობის თანმიმდევრობით. თერმული ქაოტური მოძრაობის შედეგად ფერმენტის მაკრომოლეკულა იღუნება და ხვეული ხვდება ფხვიერ ხვეულებად. ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედება ხდება პოლიპეპტიდური ჯაჭვის ცალკეულ მონაკვეთებს შორის, რაც იწვევს წყალბადის ბმების წარმოქმნას. ფერმენტის მეორადი სტრუქტურა ჩნდება ფხვიერი საშუალების სახით. თითოეული ფერმენტისთვის მეორადი სტრუქტურა საკმაოდ განსაზღვრულია. ფერმენტის აქტიური კატალიზური ცენტრი მოიცავს ჯგუფებს, რომლებიც ორიენტირებენ სუბსტრატის მოლეკულებს გარკვეულ პოზიციაზე. აქტიური ცენტრი ჰგავს მატრიცას, რომელიც შეიძლება შეიცავდეს მხოლოდ გარკვეული სტრუქტურის მოლეკულას. ფერმენტული კატალიზის მექანიზმი შედგება ფერმენტის აქტიური ადგილების ურთიერთქმედებაში სუბსტრატთან ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსის წარმოქმნით, რომელიც შემდეგ განიცდის რამდენიმე ტრანსფორმაციას, რის შედეგადაც ჩნდება რეაქციის პროდუქტი. ყოველი შუალედური საფეხური ხასიათდება უფრო დაბალი აქტივაციის ენერგიით, რაც ხელს უწყობს რეაქციის სწრაფ პროგრესს. ეს ხსნის ფერმენტების მაღალ აქტივობას.

ფერმენტები იყოფა კლასებად, იმისდა მიხედვით, თუ რა ტიპის რეაქცია ახდენენ მათ კატალიზებას: ოქსიდორედუქტაზები (ატალიზებს რედოქს რეაქციებს), ტრანსფერაზებს (ატალიზებს ქიმიური ჯგუფების გადატანას ერთი ნაერთიდან მეორეში), ჰიდროლაზები (ჰიდროლიზის რეაქციების კატალიზაცია), ლიაზები (არღვევს სხვადასხვა ბმებს). იზომერაზები (ახორციელებენ იზომერულ გარდაქმნებს), ლიგაზები (აკატალიზებენ სინთეზის რეაქციებს). როგორც ხედავთ, ფერმენტები განსხვავდებიან სპეციფიკურობითა და სელექციურობით. ზოგი ახდენს გარკვეული ტიპის რეაქციების მთელ კლასს, ზოგი კი მხოლოდ ერთ რეაქციას.

ბევრი ფერმენტი შეიცავს ლითონის იონებს (მეტალის ფერმენტებს). მეტალოფერმენტებში ლითონის იონები ქმნიან ქელატურ კომპლექსებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ ფერმენტის აქტიურ სტრუქტურას. ჟანგვის ცვლადი ხარისხის მქონე ლითონები (Fe, Mn, Cu) მონაწილეობენ რედოქს რეაქციებში, ახორციელებენ ელექტრონების გადატანას ჟანგვის აგენტზე. ცნობილია რამდენიმე ათეული ორგანული ნაერთი, რომლებიც ასრულებენ წყალბადის და ელექტრონის გადაცემის ფუნქციებს. ისინი შეიცავს ვიტამინების წარმოებულებს.

მძიმე მეტალის იონებს (Ag +, Hg +, Pb 2+) შეუძლიათ დაბლოკოს ფერმენტების აქტიური ჯგუფები.

სხვადასხვა ფერმენტების მოქმედების შესაფასებლად დაინერგა მოლეკულური აქტივობის კონცეფცია, რომელიც განისაზღვრება სუბსტრატის მოლეკულების რაოდენობით, რომლებიც გარდაიქმნება ერთი ფერმენტის მოლეკულის მოქმედებით წუთში. ცნობილი ფერმენტებიდან ყველაზე აქტიურია კარბოანჰიდრაზა, რომლის მოლეკულური აქტივობა შეადგენს ~ 36 მილიონ მოლეკულას წუთში.

ფერმენტის მიერ კატალიზებული რეაქციის სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია ფერმენტის კონცენტრაციისა. სუბსტრატის დაბალი კონცენტრაციის დროს რეაქცია პირველი რიგისაა სუბსტრატთან მიმართებაში. მაღალი კონცენტრაციის დროს რეაქციის სიჩქარე მუდმივი რჩება და რეაქციის რიგი ხდება ნულოვანი (ფერმენტი მთლიანად გაჯერებულია სუბსტრატით). რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია საშუალო ტემპერატურასა და მჟავიანობაზე.

ფერმენტული კატალიზი უზარმაზარ როლს ასრულებს ცხოვრების ყველა გამოვლინებაში, სადაც საუბარია ცოცხალ არსებებზე. ორგანიზმის სასიცოცხლო აქტივობის გასაზრდელად და მეტაბოლიზმის გასაუმჯობესებლად, შეიქმნა მრავალი ფერმენტული პრეპარატი, რომლებიც გამოიყენება სამკურნალოდ. ფერმენტული პრეპარატები ფართოდ გამოიყენება კუჭ-ნაწლავის ტრაქტის ფუნქციის დარღვევისთვის, რომელიც დაკავშირებულია საჭმლის მომნელებელი ფერმენტების არასაკმარის წარმოებასთან. ასე რომ, გასტრიტის ზოგიერთი ფორმის დროს გამოიყენება პეპსინის ან პანკრეატინის პრეპარატები. ფერმენტები წარმატებით გამოიყენება იმ შემთხვევებშიც, როდესაც საჭიროა დიდი რაოდენობით ცილოვანი წარმონაქმნების განადგურება (დამწვრობის, ჩირქოვანი ჭრილობების, ფილტვების ჩირქოვან-ანთებითი დაავადებების დროს და სხვ.). ამ შემთხვევებში გამოიყენება პროტოლიზური ფერმენტები, რაც იწვევს ცილების სწრაფ ჰიდროლიზს და ხელს უწყობს ჩირქოვანი დაგროვების რეზორბციას. რიგი ინფექციური დაავადებების სამკურნალოდ გამოიყენება ლიზოზიმის პრეპარატები, რომლებიც ანადგურებენ ზოგიერთი პათოგენური ბაქტერიის გარსს. ძალიან მნიშვნელოვანია ფერმენტები, რომლებიც ხსნიან თრომბებს (სისხლის შედედება სისხლძარღვებში). ეს არის სისხლში ნაპოვნი პლაზმინი; პანკრეასის ფერმენტები - ტრიფსინი და ქიმოტრიფსინი. მათ საფუძველზე, სხვადასხვა დანამატებით, შეიქმნა სამკურნალო ფერმენტული პრეპარატები - სტრეპტოკინაზა, სტრეპტაზა და მედიცინაში გამოყენებული სხვა.

6. ჰეტეროგენული კატალიზი

ჰეტეროგენული კატალიზი ხორციელდება ინტერფეისზე. პირველი დაფიქსირებული ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქცია განხორციელდა პრისტლის (1778) ეთილის სპირტის დეჰიდრატაციით აქტიურ თიხაზე:

C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O

XIX საუკუნის პირველ ნახევარში დიდი რაოდენობით შრომა მიეძღვნა ჰეტეროგენულ კატალიზს. მრავალი ნაშრომი მიეძღვნა მყარი ნივთიერების კატალიზური მოქმედების თეორიულ ახსნას. მომავალში დოქტრინის განვითარება წავიდა როგორც ექსპერიმენტული მონაცემების დაგროვების, კატალიზატორების მომზადების მეთოდების შემუშავების, ახალი კატალიზური პროცესების აღმოჩენისა და შესწავლის, კატალიზის ქიმიურ მრეწველობაში დანერგვის გზაზე და ჰეტეროგენული კატალიზის თეორიის განვითარების გზაზე. . თუმცა, თეორეტიკოსების წარმატება ბევრად უფრო მოკრძალებული იყო, ვიდრე ექსპერიმენტატორების წარმატება. და ეს შემთხვევითი არ არის.

მიუხედავად იმისა, რომ არ არსებობს ფუნდამენტური განსხვავება კატალიზურ და არაკატალიტიკურ პროცესებს შორის, რომლებიც ემორჩილება ქიმიური კინეტიკის კანონებს, ორივე შემთხვევაში რეაქციაში მყოფი ნივთიერებების სისტემა გადის სპეციალურ აქტიურ მდგომარეობას, სპეციფიკური მახასიათებლები შეინიშნება ჰეტეროგენულ კატალიზურ რეაქციებში. უპირველეს ყოვლისა, ჩნდება მყარი სხეული, რომლის თვისებებზე არსებითად არის დამოკიდებული ყველა ფენომენი მთლიანობაში. ამიტომ, შემთხვევითი არ არის, რომ ჰეტეროგენული კატალიზის თეორიის მიღწევები განუყოფლად არის დაკავშირებული მყარი ნივთიერებების თეორიის განვითარებასთან. ვინაიდან პროცესი ზედაპირზე მიმდინარეობს, კატალიზატორის ზედაპირის სტრუქტურის ცოდნა გადამწყვეტია კატალიზის თეორიის განვითარებისთვის. აქედან გამომდინარეობს მჭიდრო კავშირი კატალიზის თეორიის განვითარებასა და ადსორბციის ფენომენების ექსპერიმენტული და თეორიული შესწავლის განვითარებას შორის. ჰეტეროგენული პროცესების სირთულე და მათი თანდაყოლილი სპეციფიკა განაპირობებს იმ ფაქტს, რომ თეორიული კვლევა ამ სფეროში ჯერ არ დასრულებულა. ჯერჯერობით შეგვიძლია ვისაუბროთ რამდენიმე თეორიული ცნების არსებობაზე, რომლებიც პირველი მიახლოებით აზოგადებენ გარკვეულ ექსპერიმენტულ ფაქტებს.

პრაქტიკაში, ჰეტეროგენული კატალიზის ორი ტიპი ყველაზე ხშირად გვხვდება:

1) პროცესები, რომელთა კატალიზატორი მყარ ფაზაშია, ხოლო რეაგენტები თხევად ფაზაში;

2) პროცესები, რომელთა კატალიზატორი მყარ ფაზაშია, ხოლო რეაგენტები გაზურ ფაზაში. რეაქცია, როგორც წესი, ხდება (და ზოგიერთ მრავალსაფეხუროვან პროცესებში იწყება) ფაზის საზღვარზე, ე.ი. მყარი სხეულის ზედაპირზე - კატალიზატორი.

ჰეტეროგენული პროცესი შეიძლება დაიყოს ხუთ ეტაპად:

1) რეაგენტების ტრანსპორტირება კატალიზატორის ზედაპირზე (დიფუზია);

2) რეაქტიული ნივთიერებების ადსორბცია კატალიზატორის ზედაპირზე;

3) რეაქცია ზედაპირზე;

4) რეაქციის პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირის გამოყოფით;

5) რეაქციის პროდუქტების ტრანსპორტირება მოცულობაში (დიფუზია).

პროცესის პირობებიდან და მისი მახასიათებლებიდან გამომდინარე, ხუთი ეტაპიდან რომელიმე შეიძლება იყოს ყველაზე ნელი და, შესაბამისად, კატალიზური პროცესის სიჩქარე შეიძლება შეიზღუდოს რომელიმე მათგანით. კატალიზატორების აქტივობის შედარებითი შეფასებისთვის, განმსაზღვრელი ფაქტორია ზედაპირზე რეაქციის სიჩქარე. ამიტომ, იმ შემთხვევებში, როდესაც მნიშვნელოვანია კატალიზატორის აქტივობის ღირებულების მიღება, ისინი ცდილობენ პროცესი ისე წარმართონ, რომ სიჩქარე განისაზღვროს მეორე, ე.წ. კინეტიკური ეტაპით.

ადსორბციას და დეზორბციას აქვს თავისი კანონები.ადსორბცია არის ნივთიერების კონცენტრაციის სპონტანური ცვლილების პროცესი ინტერფეისზე. ნივთიერება, რომლის ზედაპირზე ადსორბცია ხდება ე.წ ადსორბენტი. ადსორბენტი ე.წ ადსორბირება. ჰეტეროგენული კატალიზის დროს ადსორბენტი არის კატალიზატორი, ხოლო ადსორბატი არის რეაქტანტის (სუბსტრატის) მოლეკულა. სუბსტრატის ადსორბცია კატალიზატორზე შეიძლება განხორციელდეს ზედაპირზე მდებარე კატალიზატორის მოლეკულებსა (ატომებსა) და სუბსტრატის მოლეკულებს შორის წარმოქმნილი ურთიერთქმედების ძალების გამო (ფიზიკური ადსორბცია). ქიმიური ურთიერთქმედება (ქიმიური ადსორბცია ან ქიმისორბცია) შეიძლება მოხდეს კატალიზატორის მოლეკულებსა (ატომებს) და რეაქტანტის მოლეკულებს შორის. ადსორბციის შედეგად იზრდება სისტემის მოწესრიგება, მცირდება სისტემის ენერგია და მცირდება რეაქციის აქტივაციის ენერგია.

ჰეტეროგენული პროცესებისთვის ნივთიერების მოძრაობას სითხის ან აირის შიდა მოცულობიდან მყარ ზედაპირზე განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს. მასობრივი გადაცემის პროცესები ემორჩილება დიფუზიის კანონებს.

დასკვნა

ნავთობის გადამუშავებასა და ნავთობქიმიაში კატალიზატორებისა და კატალიზური პროცესების მნიშვნელობა არ შეიძლება გადაჭარბებული იყოს. ყოველივე ამის შემდეგ, ისინი წარმოადგენენ ტექნიკური პროგრესის საფუძველს თანამედროვე ადამიანური საზოგადოების საჭიროებების დაკმაყოფილების ყველაზე მნიშვნელოვან სფეროებში. უპირველეს ყოვლისა, საქმე იმაშია, რომ სხვადასხვა საბადოების ნავთობი ჩვეულებრივ შეიცავს მხოლოდ 5-დან 20%-მდე მსუბუქი დუღილის ფრაქციებს, რომლებიც შეესაბამება ბენზინს. ბენზინის საჭიროება საავტომობილო და საჰაერო ტრანსპორტის თანამედროვე განვითარებასთან ერთად უზარმაზარია. ამავდროულად, უშუალოდ ზეთისგან გამოხდილი საავტომობილო საწვავი ჩვეულებრივ უხარისხო აღმოჩნდება. კატალიზური კრეკინგისა და რეფორმირების გამოყენება დამუშავების სხვა თანამედროვე მეთოდებთან ერთად შესაძლებელს ხდის გაზარდოს მაღალაქტიური ბენზინის გამოსავლიანობა ნავთობის წონის 75%-მდე. საავტომობილო საწვავი ასევე მიიღება ქვანახშირის კატალიზური ჰიდროგენაციით ლითონის კატალიზატორების გამოყენებით.

ნახშირწყალბადების შემდგომი კატალიზური დამუშავება ლითონისა და ოქსიდის კატალიზატორებზე შესაძლებელს ხდის სამომხმარებლო საქონლის წარმოებაში საჭირო შუალედური პროდუქტების მიღებას. მათგან მიღებული მონომერებისა და პოლიმერების უმეტესობა არის კატალიზური პროცესების პროდუქტები ნახშირწყალბადების და მათი წარმოებულების გადამუშავებისთვის, რომლებიც მიიღება ნავთობიდან, ქვანახშირიდან, ფიქლისგან და ბუნებრივი აირით. კატალიზური პროცესები მნიშვნელოვან როლს ასრულებს სარეცხი საშუალებების, სამკურნალო ნივთიერებების საღებავების წარმოებაში.

ძირითადი ორგანული სინთეზი, რომელიც იძლევა შუამავლებს (და ორგანული ტექნოლოგიის პროდუქტებს) ძირითადად ეფუძნება კატალიზურ რეაქციებს. თანამედროვე საზოგადოების ცხოვრებაში დიდი მნიშვნელობა აქვს ქიმიური მრეწველობის ისეთ პროდუქტებს, როგორიცაა გოგირდის მჟავა, ამიაკი და აზოტის მჟავა. ამ ნივთიერებებს ან მათი დახმარებით მიღებულ სხვა ქიმიურ ნაერთებს სახალხო მეურნეობის თითქმის ყველა დარგი მოიხმარს. მათ საფუძველზე იწარმოება ათობით მილიონი ტონა მინერალური სასუქი, რომლის გარეშეც შეუძლებელია მინდვრების მოსავლიანობის გაზრდა ან თუნდაც შენარჩუნება. ასობით ქიმიური, ნავთობქიმიური, კვების, მსუბუქი და სხვა ინდუსტრია იყენებს გოგირდის, აზოტის მჟავებს, ამიაკას და მათ წარმოებულებს. ეს ნაერთები ასევე გამოიყენება მეტალურგიულ და ლითონის მრეწველობაში.

იმავდროულად, ამიაკისგან გოგირდის, ამიაკის და აზოტის მჟავის ფართომასშტაბიანი წარმოება შესაძლებელი გახდა მხოლოდ შესაბამისი კატალიზატორების აღმოჩენისა და მათი გამოყენების მეთოდების შემუშავების წყალობით.

გამოყენებული წყაროების სია

1) A.P. ბელიაევი. ფიზიკური და კოლოიდური ქიმია. M.: GOETAR-Media, 2008 წ

2) ი.პ. მუხლენოვი. კატალიზატორის ტექნოლოგია. მ.: ბუკინისტი, 2007 წ

3)ქიმიური ენციკლოპედია. -- მ.: საბჭოთა ენციკლოპედია, 1990 წ.

4) იმიანიტოვი ნ.ს. რამდენიმე კატალიზატორის სისტემები ლითონის კომპლექსის კატალიზში. // საკოორდინაციო ქიმია. 1984 წ.

მსგავსი დოკუმენტები

ლითონის კომპლექსური კატალიზის პროცესის არსი და მახასიათებლები. ლითონის კომპლექსების თვისებები, რომლებიც განსაზღვრავენ კატალიზურ აქტივობას. ფერმენტული კატალიზის მოდელირება. ლითონის კომპლექსური კატალიზის გამოყენება, უპირატესობები და უარყოფითი მხარეები.

ანგარიში, დამატებულია 03/16/2015


ჰომოგენური კატალიზის ზოგადი თეორიები. კატალიზის პროცესის ეტაპები და რეაქციის სიჩქარე. წყალბადის ზეჟანგის დისპროპორციულობის კატალიზური რეაქციის კინეტიკა Fe2+ კატალიზატორის სხვადასხვა ოდენობის თანდასწრებით, pH-ის გავლენა რეაქციის სიჩქარეზე.

ტესტი, დამატებულია 09/18/2012


ქიმიური რეაქციის სიჩქარის განსაზღვრა. აღმოჩენის ისტორია, კონცეფცია და კატალიზური რეაქციების ტიპები. ქიმიის გამოჩენილი მოღვაწეების მოსაზრებები კატალიზის ფენომენზე, მის ფიზიკურ და ქიმიურ ასპექტებზე. ჰეტეროგენული კატალიზის მექანიზმი. ფერმენტული კატალიზი ბიოქიმიაში.

რეზიუმე, დამატებულია 14/11/2010


კატალიზის, კატალიზატორისა და კატალიზური პროცესის ცნებები, მათი სხვადასხვა განმარტებები. კატალიზატორების მიერ რეაქციების დაჩქარების მექანიზმები. ქიმიური (არაბიოლოგიური) კატალიზი. დიეთილის ეთერის სინთეზი ალკოჰოლიდან გოგირდმჟავას მონაწილეობით. კატალიზის თეორიები.

რეზიუმე, დამატებულია 01/26/2009


ლითონის კატალიზატორები, ჰეტეროგენული კატალიზის შერეული და მრავალფუნქციური კატალიზატორები. კატალიზატორის მოთხოვნები. ჰეტეროგენული კატალიზის თეორიები. მულტიპლექსის და ელექტრონული თეორია. აქტიური ანსამბლების თეორია. კატალიზი ბუნებრივი აირის გადამუშავებაში.

საკურსო ნაშრომი, დამატებულია 05/06/2014


კატალიზის განმარტება და მისი როლი ინდუსტრიაში. შერჩევითობა და ზოგადი იდეები "ქიმიური რეაქციის მექანიზმის" კონცეფციის შესახებ. კატალიზური სისტემების კლასიფიკაცია ფაზებისა და რეაქციების ტიპების მიხედვით. ადსორბცია და ძირითადი მოთხოვნები სამრეწველო კატალიზატორებისთვის.

რეზიუმე, დამატებულია 01/26/2009


არენდიაზონიუმის მარილების დუღილის მეთოდები. ფენოლების თერმოდინამიკური მჟავიანობის ანალიზი. ფენოლის აცილაციის, მჟავა კატალიზისა და ფენოქსიძმარმჟავას დახასიათება. კოლბე-შმიტის რეაქციის თავისებურებები, ფენოქსიძმარმჟავას მიღების მეთოდი.

ტესტი, დამატებულია 03/28/2012


თერმოქიმიის საგანი ქიმიური რეაქციების თერმული ზემოქმედების შესწავლა. ქიმიური კინეტიკური და კატალიზის პროცესების სახეები. რეაქციის ენთალპია (თერმული ეფექტი). რეაქციის სიჩქარე, მასის მოქმედების კანონი. ქიმიური წონასწორობის მუდმივი, კატალიზატორის ეფექტი.

პრეზენტაცია, დამატებულია 19/10/2014


ფერმენტები (ფერმენტები) არის ბიოლოგიური კატალიზატორები, რომლებიც გამოიყენება რძემჟავა პროდუქტების წარმოებაში. ფერმენტების ნომენკლატურის საერთაშორისო წესები. ფერმენტები შეიძლება იყოს მხოლოდ გლობულური ცილები. ცილის სტრუქტურის დონეები. ფერმენტული კატალიზის კინეტიკა.

რეზიუმე, დამატებულია 01/26/2009


ბიოლოგიური კატალიზატორების კონცეფცია, ფერმენტების მოქმედება ცოცხალ სისტემებში და მათი კლასიფიკაცია. ბიოლოგიური კატალიზატორების აქტივობაზე მოქმედი ფაქტორები. ნივთიერებები, რომლებსაც კოენზიმები ეწოდება. ფერმენტული კატალიზის კინეტიკა, მიქაელის-მენტენის განტოლება.

S. I. ლევჩენკოვი

ფიზიკური და კოლოიდური ქიმია

სამხრეთ ფედერალური უნივერსიტეტის (RSU) ბიოლოგიის ფაკულტეტის სტუდენტებისთვის ლექციების რეზიუმე

2.3 კატალიზური პროცესები

ქიმიური რეაქციის სიჩქარე მოცემულ ტემპერატურაზე განისაზღვრება გააქტიურებული კომპლექსის წარმოქმნის სიჩქარით, რაც, თავის მხრივ, დამოკიდებულია აქტივაციის ენერგიის მნიშვნელობაზე. ბევრ ქიმიურ რეაქციაში, გააქტიურებული კომპლექსის სტრუქტურა შეიძლება შეიცავდეს ნივთიერებებს, რომლებიც არ არიან სტოქიომეტრიულად რეაქტორები; ცხადია, ამ შემთხვევაში იცვლება პროცესის აქტივაციის ენერგიის მნიშვნელობაც. რამდენიმე გარდამავალი მდგომარეობის არსებობის შემთხვევაში, რეაქცია ძირითადად გაგრძელდება აქტივაციის ყველაზე დაბალი ბარიერის გასწვრივ.

კატალიზი არის ქიმიური რეაქციის სიჩქარის შეცვლის ფენომენი ნივთიერებების არსებობისას, რომელთა მდგომარეობა და რაოდენობა უცვლელი რჩება რეაქციის შემდეგ.

გამოარჩევენ დადებითიდა უარყოფითიკატალიზი (შესაბამისად, რეაქციის სიჩქარის მატება და შემცირება), თუმცა ხშირად ტერმინი „კატალიზი“ ნიშნავს მხოლოდ დადებით კატალიზს; უარყოფითი კატალიზი ეწოდება დათრგუნვა.

ნივთიერებას, რომელიც არის გააქტიურებული კომპლექსის სტრუქტურის ნაწილი, მაგრამ სტექიომეტრიულად არ არის რეაქტიული, ეწოდება კატალიზატორი. ყველა კატალიზატორი ხასიათდება ისეთი ზოგადი თვისებებით, როგორიცაა მოქმედების სპეციფიკა და სელექციურობა.

სპეციფიკაკატალიზატორი მდგომარეობს მის უნარში, დააჩქაროს მხოლოდ ერთი რეაქცია ან იგივე ტიპის რეაქციების ჯგუფი და არ იმოქმედოს სხვა რეაქციების სიჩქარეზე. მაგალითად, მრავალი გარდამავალი ლითონი (პლატინი, სპილენძი, ნიკელი, რკინა და სხვ.) არის ჰიდროგენიზაციის პროცესების კატალიზატორი; ალუმინის ოქსიდი ახდენს ჰიდრატაციის რეაქციებს და ა.შ.

შერჩევითობაკატალიზატორი - მოცემულ პირობებში შესაძლებელი ერთ-ერთი პარალელური რეაქციის დაჩქარების უნარი. ამის გამო, შესაძლებელია სხვადასხვა კატალიზატორის გამოყენებით სხვადასხვა პროდუქტის მიღება ერთი და იგივე საწყისი მასალისგან:

: CO + H 2 ––> CH 3 OH	: C 2 H 5 OH -–> C 2 H 4 + H 2 O
: CO + H 2 --> CH 4 + H 2 O	: C 2 H 5 OH -–> CH 3 CHO + H 2

დადებითი კატალიზით რეაქციის სიჩქარის ზრდის მიზეზი არის აქტივაციის ენერგიის შემცირება, როდესაც რეაქცია მიმდინარეობს გააქტიურებულ კომპლექსში კატალიზატორის მონაწილეობით (ნახ. 2.8).

ვინაიდან, არენიუსის განტოლების მიხედვით, ქიმიური რეაქციის სიჩქარის მუდმივი ექსპონენტურად არის დამოკიდებული აქტივაციის ენერგიაზე, ამ უკანასკნელის შემცირება იწვევს სიჩქარის მუდმივობის მნიშვნელოვან ზრდას. მართლაც, თუ ვივარაუდებთ, რომ არენიუსის განტოლებაში (II.32) კატალიზური და არაკატალიზური რეაქციების პრეექსპონენციალური ფაქტორები ახლოსაა, მაშინ სიჩქარის მუდმივთა თანაფარდობისთვის შეგვიძლია დავწეროთ:

თუ ΔE A = –50 კჯ/მოლი, მაშინ სიჩქარის მუდმივების თანაფარდობა იქნება 2,7·10 6-ჯერ (მართლაც, პრაქტიკაში, E A-ს ასეთი შემცირება ზრდის რეაქციის სიჩქარეს დაახლოებით 10 5-ჯერ).

უნდა აღინიშნოს, რომ კატალიზატორის არსებობა გავლენას არ ახდენს პროცესის შედეგად თერმოდინამიკური პოტენციალის ცვლილების სიდიდეზე და, შესაბამისად, არცერთ კატალიზატორს არ შეუძლია თერმოდინამიკურად შეუძლებელი პროცესი სპონტანურად აქციოს (პროცესის, რომლის ΔG (ΔF) ნულზე მეტია). კატალიზატორი არ ცვლის წონასწორობის მუდმივის მნიშვნელობას შექცევადი რეაქციებისთვის; კატალიზატორის ეფექტი ამ შემთხვევაში შედგება მხოლოდ წონასწორული მდგომარეობის მიღწევის დაჩქარებაში.

რეაგენტებისა და კატალიზატორის ფაზური მდგომარეობიდან გამომდინარე, განასხვავებენ ჰომოგენურ და ჰეტეროგენულ კატალიზს.

ბრინჯი. 2.8ქიმიური რეაქციის ენერგეტიკული დიაგრამა კატალიზატორის გარეშე (1)
და კატალიზატორის თანდასწრებით (2).

2.3.1 ჰომოგენური კატალიზი.

ჰომოგენური კატალიზი არის კატალიზური რეაქცია, რომელშიც რეაქტორები და კატალიზატორი ერთსა და იმავე ფაზაში არიან. ჰომოგენური კატალიზური პროცესების შემთხვევაში, კატალიზატორი აყალიბებს შუალედურ რეაქტიულ პროდუქტებს რეაგენტებთან ერთად. განვიხილოთ რაიმე რეაქცია

A + B ––> C

კატალიზატორის თანდასწრებით ტარდება ორი სწრაფი ნაბიჯი, რის შედეგადაც წარმოიქმნება შუალედური ნაერთის AA ნაწილაკები და შემდეგ (გააქტიურებული კომპლექსის AVK # მეშვეობით) საბოლოო რეაქციის პროდუქტი კატალიზატორის რეგენერაციით:

A + K ––> AK

AK + V -–> C + K

ასეთი პროცესის მაგალითია აცეტალდეჰიდის დაშლა, რომლის აქტივაციის ენერგიაა E A = 190 კჯ/მოლი:

CH 3 CHO --> CH 4 + CO

იოდის ორთქლის არსებობისას ეს პროცესი ორ ეტაპად მიმდინარეობს:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI -–> CH 4 + I 2

ამ რეაქციის აქტივაციის ენერგიის შემცირება კატალიზატორის არსებობისას არის 54 კჯ/მოლი; ამ შემთხვევაში, რეაქციის სიჩქარის მუდმივი იზრდება დაახლოებით 105-ჯერ. ერთგვაროვანი კატალიზის ყველაზე გავრცელებული ტიპია მჟავა კატალიზი, რომელშიც წყალბადის იონები H+ მოქმედებს როგორც კატალიზატორი.

2.3.2 ავტოკატალიზი.

ავტოკატალიზი- ქიმიური რეაქციის კატალიზური აჩქარების პროცესი მისი ერთ-ერთი პროდუქტის მიერ. ამის მაგალითია წყალბადის იონების მიერ კატალიზებული ეთერების ჰიდროლიზი. ჰიდროლიზის დროს წარმოქმნილი მჟავა იშლება პროტონების წარმოქმნით, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის რეაქციას. ავტოკატალიტიკური რეაქციის თავისებურება ის არის, რომ ეს რეაქცია მიმდინარეობს კატალიზატორის კონცენტრაციის მუდმივი ზრდით. ამიტომ რეაქციის საწყის პერიოდში მისი სიჩქარე მატულობს და შემდგომ ეტაპებზე რეაგენტების კონცენტრაციის შემცირების შედეგად სისწრაფე იწყებს კლებას; ავტოკატალიტიკური რეაქციის პროდუქტის კინეტიკურ მრუდს აქვს დამახასიათებელი S- ფორმის (ნახ. 2.9).

ბრინჯი. 2.9ავტოკატალიტიკური რეაქციის პროდუქტის კინეტიკური მრუდი

2.3.3 ჰეტეროგენული კატალიზი.

ჰეტეროგენული კატალიზი - კატალიზური რეაქციები, რომლებიც ხდება კატალიზატორისა და რეაქტანტების მიერ წარმოქმნილ ფაზებს შორის ინტერფეისზე. ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესების მექანიზმი ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე ჰომოგენური კატალიზის შემთხვევაში. თითოეულ ჰეტეროგენულ კატალიზურ რეაქციაში შეიძლება გამოიყოს მინიმუმ ექვსი ეტაპი:

1. საწყისი მასალების დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირზე.

2. საწყისი მასალების ადსორბცია ზედაპირზე ზოგიერთი შუალედური ნაერთის წარმოქმნით:

A + B + K -–> AVK

3. ადსორბირებული მდგომარეობის გააქტიურება (ამისთვის საჭირო ენერგია არის პროცესის ნამდვილი აქტივაციის ენერგია):

AVK ––> AVK #

4. გააქტიურებული კომპლექსის დაშლა ადსორბირებული რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნით:

ABK # ––> CDK

5. რეაქციის პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირიდან.

СDК ––> С + D + К

6. რეაქციის პროდუქტების დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირიდან.

ჰეტეროკატალიტიკური პროცესების სპეციფიკური მახასიათებელია კატალიზატორის დაწინაურებისა და მოწამვლის უნარი.

დაწინაურება- კატალიზატორის აქტივობის ზრდა იმ ნივთიერებების არსებობისას, რომლებიც თავად არ არიან ამ პროცესის კატალიზატორები (პრომოტერები). მაგალითად, მეტალის ნიკელის მიერ კატალიზებული რეაქციისთვის

CO + H 2 --> CH 4 + H 2 O

ნიკელის კატალიზატორში ცერიუმის მცირე მინარევების შეყვანა იწვევს კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრ ზრდას.

მოწამვლა- კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრი დაქვეითება გარკვეული ნივთიერებების არსებობისას (ე.წ. კატალიზური შხამები). მაგალითად, ამიაკის სინთეზის რეაქციისთვის (კატალიზატორი - ღრუბლის რკინა) რეაქციულ ნარევში ჟანგბადის ან გოგირდის ნაერთების არსებობა იწვევს რკინის კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრ დაქვეითებას; ამავდროულად, კატალიზატორის უნარი შეწოვოს საწყისი ნივთიერებები ძალიან ოდნავ მცირდება.

ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესების ამ თავისებურებების ასახსნელად გ.ტეილორმა დაუშვა შემდეგი ვარაუდი: კატალიზატორის მთელი ზედაპირი არაა კატალიზურად აქტიური, არამედ მხოლოდ მისი ზოგიერთი მონაკვეთი - ე.წ. აქტიური ცენტრები , რაც შეიძლება იყოს კატალიზატორის კრისტალური სტრუქტურის სხვადასხვა დეფექტი (მაგალითად, კატალიზატორის ზედაპირზე ამოვარდნილობა ან ჩაღრმავება). ამჟამად არ არსებობს ჰეტეროგენული კატალიზის ერთიანი თეორია. ლითონის კატალიზატორებისთვის ა მრავალჯერადი თეორია . მრავლობითი თეორიის ძირითადი დებულებები შემდეგია:

1. კატალიზატორის აქტიური ცენტრი არის გარკვეული რაოდენობის ადსორბციული ცენტრების ერთობლიობა, რომელიც მდებარეობს კატალიზატორის ზედაპირზე, გეომეტრიული შესაბამისად, ტრანსფორმაციის პროცესში მყოფი მოლეკულის სტრუქტურის შესაბამისად.

2. აქტიურ ადგილზე მორეაქტიული მოლეკულების შეწოვისას წარმოიქმნება მრავლობითი კომპლექსი, რის შედეგადაც ხდება ბმების გადანაწილება, რაც იწვევს რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნას.

მრავლობითების თეორიას ზოგჯერ უწოდებენ გეომეტრიული მსგავსების თეორიას აქტიურ ცენტრსა და მოლეკულებს შორის. სხვადასხვა რეაქციისთვის აქტიურ ცენტრში ადსორბციული ცენტრების რაოდენობა (რომელთაგან თითოეული იდენტიფიცირებულია ლითონის ატომთან) განსხვავებულია - 2, 3, 4 და ა.შ. ასეთ აქტიურ ცენტრებს ეძახიან შესაბამისად დუბლი, სამეული, ოთხმაგი და ა.შ. (ზოგად შემთხვევაში, მულტიპლეტი, რომელსაც თეორია ეკუთვნის თავის სახელს).

მაგალითად, მრავლობითი თეორიის მიხედვით, გაჯერებული მონოჰიდრული სპირტების დეჰიდროგენაცია ხდება დულეტზე, ხოლო ციკლოჰექსანის დეჰიდროგენაცია - სექსტეტზე (სურ. 2.10 - 2.11); მრავალჯერადი თეორიამ შესაძლებელი გახადა ლითონების კატალიზური აქტივობის დაკავშირება მათ ატომურ რადიუსთან.

ბრინჯი. 2.10სპირტების დეჰიდროგენაცია დულეტზე

ბრინჯი. 2.11ციკლოჰექსანის დეჰიდროგენაცია სექსტეტზე

2.3.4 ფერმენტული კატალიზი.

ფერმენტული კატალიზი - კატალიზური რეაქციები, რომლებიც წარმოიქმნება ფერმენტების - ცილოვანი ბუნების ბიოლოგიური კატალიზატორების მონაწილეობით. ფერმენტულ კატალიზს აქვს ორი დამახასიათებელი თვისება:

1. მაღალი აქტივობა , რომელიც რამდენიმე რიგით აღემატება არაორგანული კატალიზატორების აქტივობას, რაც აიხსნება ფერმენტების მიერ პროცესის აქტივაციის ენერგიის ძალზე მნიშვნელოვანი შემცირებით. ასე რომ, Fe 2+ იონების მიერ კატალიზებული წყალბადის ზეჟანგის დაშლის რეაქციის სიჩქარის მუდმივია 56 s -1; ფერმენტ კატალაზას მიერ კატალიზებული იგივე რეაქციის სიჩქარის მუდმივი არის 3,5·107, ე.ი. რეაქცია ფერმენტის თანდასწრებით მილიონჯერ უფრო სწრაფად მიმდინარეობს (პროცესების აქტივაციის ენერგიებია, შესაბამისად, 42 და 7,1 კჯ/მოლი). შარდოვანას ჰიდროლიზის სიჩქარის მუდმივები მჟავისა და ურეაზას თანდასწრებით განსხვავდება სიდიდის ცამეტი რიგით, რაც შეადგენს 7.4·10 -7 და 5·10 6 s -1 (აქტივაციის ენერგია არის 103 და 28 კჯ/მოლი, შესაბამისად).

2. მაღალი სპეციფიკა . მაგალითად, ამილაზა ახდენს სახამებლის დაშლას, რომელიც წარმოადგენს გლუკოზის იდენტური ერთეულების ჯაჭვს, მაგრამ არ ახდენს საქაროზის ჰიდროლიზს, რომლის მოლეკულა შედგება გლუკოზისა და ფრუქტოზის ფრაგმენტებისგან.

ფერმენტული კატალიზის მექანიზმის შესახებ საყოველთაოდ მიღებული იდეების მიხედვით, სუბსტრატი S და ფერმენტ F წონასწორობაშია ძალიან სწრაფად წარმოქმნილ ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსთან FS, რომელიც შედარებით ნელა იშლება რეაქციის P პროდუქტამდე თავისუფალი ფერმენტის გამოთავისუფლებით; ამრიგად, ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსის რეაქციის პროდუქტებად დაშლის სტადია არის სიჩქარის განმსაზღვრელი (ლიმიტირება).

F+S<––>FS ––> F+P

ფერმენტული რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულების შესწავლამ სუბსტრატის კონცენტრაციაზე ფერმენტის მუდმივ კონცენტრაციაზე აჩვენა, რომ სუბსტრატის კონცენტრაციის მატებასთან ერთად, რეაქციის სიჩქარე ჯერ იზრდება და შემდეგ წყვეტს ცვლილებას (ნახ. 2.12) და რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულება სუბსტრატის კონცენტრაციაზე აღწერილია შემდეგი განტოლებით:

(II.45)

ქიმიური რეაქციების დაჩქარება მცირე რაოდენობით ნივთიერებების (კატალიზატორების) მოქმედებით, რომლებიც თავად არ იცვლება რეაქციის დროს. კატალიზური პროცესები დიდ როლს თამაშობს ჩვენს ცხოვრებაში. ბიოქიმიური პროცესების რეგულირებაში მონაწილეობენ ბიოლოგიური კატალიზატორები სახელწოდებით ფერმენტები. ბევრი სამრეწველო პროცესი შეუძლებელი იქნებოდა კატალიზატორების გარეშე.

კატალიზატორების ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა სელექციურობა, ე.ი. მრავალი შესაძლოდან მხოლოდ გარკვეული ქიმიური რეაქციების სიჩქარის გაზრდის უნარი. ეს საშუალებას აძლევს რეაქციებს, რომლებიც ძალიან ნელია ნორმალურ პირობებში, იყოს პრაქტიკული გამოყენება და უზრუნველყოფს სასურველი პროდუქტების ფორმირებას.

კატალიზატორების გამოყენებამ ხელი შეუწყო ქიმიური მრეწველობის სწრაფ განვითარებას. ისინი ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში, სხვადასხვა პროდუქციის მოპოვებაში, ახალი მასალების (მაგალითად, პლასტმასის) შესაქმნელად, ხშირად უფრო იაფი ვიდრე ადრე გამოყენებული. თანამედროვე ქიმიური წარმოების დაახლოებით 90% ეფუძნება კატალიზურ პროცესებს. კატალიზური პროცესები განსაკუთრებულ როლს თამაშობს გარემოს დაცვაში.

1835 წელს შვედმა ქიმიკოსმა ჯ.ბერცელიუსმა აღმოაჩინა, რომ გარკვეული ნივთიერებების არსებობისას გარკვეული ქიმიური რეაქციების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იზრდება. ასეთი ნივთიერებებისთვის მან შემოიღო ტერმინი "კატალიზატორი" (ბერძნულიდან.

კატალიზი - დასვენება). ბერცელიუსის აზრით, კატალიზატორებს აქვთ განსაკუთრებული უნარი, შეასუსტონ ატომებს შორის კავშირი რეაქციაში მონაწილე მოლეკულებში, რითაც ხელი შეუწყონ მათ ურთიერთქმედებას. კატალიზატორების მუშაობის შესახებ იდეების განვითარებაში დიდი წვლილი შეიტანა გერმანელმა ფიზიკოსმა ვ. ოსტვალდმა, რომელმაც 1880 წელს კატალიზატორი განსაზღვრა, როგორც ნივთიერება, რომელიც ცვლის რეაქციის სიჩქარეს.

თანამედროვე კონცეფციების თანახმად, კატალიზატორი აყალიბებს კომპლექსს მორეაქტიულ მოლეკულებთან, რომელიც სტაბილიზირებულია ქიმიური ბმებით. გადაწყობის შემდეგ, ეს კომპლექსი იშლება პროდუქტებისა და კატალიზატორის გასათავისუფლებლად. მოლეკულის გარდაქმნის მონომოლეკულური რეაქციისთვის

X-მდე Y მთელი პროცესი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც X + კატა. ® X -კატა. ® Y -კატა. ® Y + კატა. განთავისუფლებული კატალიზატორი ხელახლა უკავშირდება X და მთელი ციკლი მრავალჯერ მეორდება, რაც უზრუნველყოფს დიდი რაოდენობით პროდუქტის - ნივთიერების წარმოქმნასი . ბევრი ნივთიერება ნორმალურ პირობებში არ შედის ქიმიურ რეაქციაში ერთმანეთთან. ასე რომ, წყალბადი და ნახშირბადის მონოქსიდი ოთახის ტემპერატურაზე არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რადგან ატომებს შორის კავშირი მოლეკულაშია. H2 საკმარისად ძლიერია და არ ტყდება მოლეკულის შეტევისას CO . კატალიზატორი აერთიანებს მოლეკულებს H2 და CO მათთან კავშირების დამყარებით. გადაწყობის შემდეგ, კატალიზატორი-რეაქტიული კომპლექსი იშლება და წარმოიქმნება ატომების შემცველი პროდუქტი C, H და O. ხშირად, როდესაც ერთი და იგივე ნივთიერებები ურთიერთქმედებენ, წარმოიქმნება სხვადასხვა პროდუქტი. კატალიზატორს შეუძლია წარმართოს პროცესი კონკრეტული პროდუქტის ფორმირებისთვის ყველაზე ხელსაყრელ გზაზე. განვიხილოთ რეაქცია შორის CO და H2 . სპილენძის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით, მეთანოლი პრაქტიკულად ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია:თავდაპირველად, CO და H მოლეკულები 2 შეიწოვება კატალიზატორის ზედაპირზე. შემდეგ CO-ს მოლეკულები ქმნიან ქიმიურ კავშირებს კატალიზატორთან (ხდება ქიმიისორბცია), რჩებიან არადისოცირებულ ფორმაში. წყალბადის მოლეკულები ასევე ქიმიორბირებულია კატალიზატორის ზედაპირზე, მაგრამ ამავე დროს იშლება. გადაწყობის შედეგად გარდამავალი კომპლექსი H-Cat.- CH2OH . ატომის დამატების შემდეგჰ კომპლექსი იშლება გასათავისუფლებლად CH 3 OH და კატალიზატორი. ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით, CO და H 2 ზედაპირზე ქიმიურად შეიწოვება დისოცირებულ ფორმაში და წარმოიქმნება Cat.-CH კომპლექსი 3 . რეაქციის საბოლოო პროდუქტებია CH 4 და H 2 O:
კატალიზური რეაქციების უმეტესობა ტარდება გარკვეულ წნევასა და ტემპერატურაზე რეაქციული ნარევის გავლის გზით, რომელიც არის აირისებრ ან თხევად მდგომარეობაში, კატალიზატორის ნაწილაკებით სავსე რეაქტორში. შემდეგი ცნებები გამოიყენება რეაქციის პირობების აღსაწერად და პროდუქტების დასახასიათებლად. სივრცის სიჩქარე - გაზის ან სითხის მოცულობა, რომელიც გადის კატალიზატორის მოცულობის ერთეულში დროის ერთეულში. კატალიზური აქტივობა - რეაგენტების რაოდენობა, რომლებიც გარდაიქმნება კატალიზატორის მიერ პროდუქტებად დროის ერთეულზე. კონვერტაცია არის ნივთიერების პროპორცია, რომელიც გარდაიქმნება მოცემულ რეაქციაში. სელექციურობა არის გარკვეული პროდუქტის ოდენობის თანაფარდობა პროდუქციის მთლიან რაოდენობასთან (ჩვეულებრივ გამოხატულია პროცენტულად). მოსავლიანობა - მოცემული პროდუქტის ოდენობის თანაფარდობა საწყისი მასალის რაოდენობასთან (ჩვეულებრივ გამოხატულია პროცენტულად). პროდუქტიულობა - რეაქციის პროდუქტების რაოდენობა, რომლებიც წარმოიქმნება ერთეულ მოცულობაზე ერთეულ დროში. კატალიზატორების ტიპები კატალიზატორები კლასიფიცირდება რეაქციის ბუნების მიხედვით, რომელსაც ისინი ხელს უწყობენ, მათი ქიმიური შემადგენლობით ან ფიზიკური თვისებების მიხედვით. თითქმის ყველა ქიმიურ ელემენტს და ნივთიერებას აქვს ამა თუ იმ ხარისხით კატალიზური თვისებები - თავისთავად ან, უფრო ხშირად, სხვადასხვა კომბინაციებში. მათი ფიზიკური თვისებების მიხედვით, კატალიზატორები იყოფა ერთგვაროვან და ჰეტეროგენებად. ჰეტეროგენული კატალიზატორები არის მყარი ნივთიერებები, რომლებიც ერთგვაროვანია და დისპერსიულია იმავე აირისებრ ან თხევად გარემოში, როგორც რეაგენტები.

ბევრი ჰეტეროგენული კატალიზატორი შეიცავს ლითონებს. ზოგიერთი ლითონი, განსაკუთრებით დაკავშირებული

VIII ელემენტების პერიოდული სისტემის ჯგუფი, რომელსაც აქვს კატალიზური მოქმედება; ტიპიური მაგალითია პლატინა. მაგრამ მეტალების უმეტესობა ავლენს კატალიზურ თვისებებს, რომლებიც ნაერთების შემადგენლობაშია; მაგალითად - ალუმინი (ალუმინის ოქსიდი Al 2 O 3). მრავალი ჰეტეროგენული კატალიზატორის უჩვეულო თვისებაა მათი დიდი ზედაპირი. მათში შედის მრავალი ფორები, რომელთა საერთო ფართობი ზოგჯერ 500 მ აღწევს 2 კატალიზატორის 1 გ-ზე. ხშირ შემთხვევაში, დიდი ზედაპირის მქონე ოქსიდები ემსახურება როგორც სუბსტრატს, რომელზედაც ლითონის კატალიზატორის ნაწილაკები დეპონირდება მცირე მტევნის სახით. ეს უზრუნველყოფს გაზის ან თხევადი ფაზის რეაგენტების ეფექტურ ურთიერთქმედებას კატალიზურად აქტიურ ლითონთან. ჰეტეროგენული კატალიზატორების განსაკუთრებულ კლასს წარმოადგენენ ცეოლიტები - ალუმოსილიკატების ჯგუფის კრისტალური მინერალები (სილიციუმის და ალუმინის ნაერთები). მიუხედავად იმისა, რომ ბევრ ჰეტეროგენულ კატალიზატორს აქვს დიდი ზედაპირის ფართობი, მათ ჩვეულებრივ აქვთ მხოლოდ მცირე რაოდენობის აქტიური უბნები, რომლებიც მთლიანი ზედაპირის ფართობის მცირე ნაწილს შეადგენს. კატალიზატორებს შეუძლიათ დაკარგონ აქტივობა მცირე რაოდენობით ქიმიური ნაერთების არსებობისას, რომელსაც კატალიზატორის შხამი ეწოდება. ეს ნივთიერებები აკავშირებს აქტიურ ცენტრებს, ბლოკავს მათ. აქტიური ცენტრების სტრუქტურის განსაზღვრა ინტენსიური კვლევის საგანია.

ჰომოგენურ კატალიზატორებს აქვთ განსხვავებული ქიმიური ბუნება - მჟავები (H

2 SO 4 ან H 3 RO 4 ), ფუძეები (NaOH ), ორგანული ამინები, ლითონები, ყველაზე ხშირად გარდამავალი ( Fe ან Rh ), მარილების, ორგანული მეტალის ნაერთების ან კარბონილების სახით. კატალიზატორებში ასევე შედის ფერმენტები - ცილის მოლეკულები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ რეაქციებს. ზოგიერთი ფერმენტის აქტიური ადგილი შეიცავს ლითონის ატომს ( Zn, Cu, Fe ან Mo). მეტალის შემცველი ფერმენტები ახდენენ რეაქციის კატალიზაციას მცირე მოლეკულებთან ( O 2, CO 2 ან N 2 ). ფერმენტებს აქვთ ძალიან მაღალი აქტივობა და სელექციურობა, მაგრამ ისინი მუშაობენ მხოლოდ გარკვეულ პირობებში, მაგალითად, როდესაც რეაქციები ხდება ცოცხალ ორგანიზმებში. ინდუსტრია ხშირად იყენებს ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. როგორ მუშაობს კატალიზატორები ენერგია. ნებისმიერი ქიმიური რეაქცია შეიძლება გაგრძელდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ რეაგენტები გადალახავენ ენერგეტიკულ ბარიერს და ამისთვის მათ უნდა შეიძინონ გარკვეული ენერგია. როგორც უკვე ვთქვით, კატალიზური რეაქცია X ® Y შედგება თანმიმდევრული ეტაპებისგან. თითოეულს სჭირდება ენერგია სირბილისთვის.ე აქტივაციის ენერგიას უწოდებენ. ენერგიის ცვლილება რეაქციის კოორდინატთან ერთად ნაჩვენებია ნახ. ერთი.

ჯერ განვიხილოთ არაკატალიზური, „თერმული“ გზა. რეაქცია რომ მოხდეს, მოლეკულების პოტენციური ენერგია

X უნდა აღემატებოდეს ენერგეტიკულ ბარიერსეტ . კატალიზური რეაქცია შედგება სამი ეტაპისგან. პირველი არის X-Cat კომპლექსის ფორმირება. (ქიმიისორბცია), რომლის აქტივაციის ენერგია არისერეკლამები . მეორე ეტაპი არის X-Cat-ის გადაწყობა.® Y -Კატა. აქტივაციის ენერგიითეკატა და ბოლოს, მესამე - დეზორბცია აქტივაციის ენერგიითედეს; ერეკლამები, ეკატი და ეგაცილებით პატარაა ეტ . ვინაიდან რეაქციის სიჩქარე ექსპონენტურად არის დამოკიდებული აქტივაციის ენერგიაზე, კატალიზური რეაქცია გაცილებით სწრაფად მიმდინარეობს, ვიდრე თერმული მოცემულ ტემპერატურაზე.

კატალიზატორი შეიძლება შევადაროთ ინსტრუქტორ-გიდს, რომელიც ხელმძღვანელობს მთამსვლელებს (რეაქტიული მოლეკულები) მთის ქედის გავლით. ის მიჰყავს ერთ ჯგუფს უღელტეხილზე და შემდეგ ბრუნდება მეორეზე. გზა უღელტეხილზე გაცილებით დაბალია, ვიდრე ის, რაც ზევით (რეაქციის თერმული არხი) გადის და ჯგუფი გადასასვლელს უფრო სწრაფად აკეთებს, ვიდრე გამტარის (კატალიზატორის) გარეშე. შესაძლებელია კიდეც, ჯგუფმა თავისით საერთოდ ვერ გადალახა ქედი.

კატალიზის თეორიები. კატალიზური რეაქციების მექანიზმის ასახსნელად შემოთავაზებულია თეორიების სამი ჯგუფი: გეომეტრიული, ელექტრონული და ქიმიური. გეომეტრიულ თეორიებში მთავარი ყურადღება ეთმობა შესაბამისობას კატალიზატორის აქტიური ცენტრების ატომების გეომეტრიულ კონფიგურაციასა და რეაქტიული მოლეკულების იმ ნაწილის ატომებს შორის, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კატალიზატორთან შეკავშირებაზე. ელექტრონული თეორიები დაფუძნებულია იმ აზრზე, რომ ქიმისორბცია გამოწვეულია ელექტრონული ურთიერთქმედებით, რომელიც დაკავშირებულია მუხტის გადაცემასთან, ე.ი. ეს თეორიები კატალიზურ აქტივობას კატალიზატორის ელექტრონულ თვისებებს უკავშირებს. ქიმიური თეორია კატალიზატორს განიხილავს, როგორც დამახასიათებელი თვისებების მქონე ქიმიურ ნაერთს, რომელიც აყალიბებს ქიმიურ კავშირებს რეაგენტებთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება არასტაბილური გარდამავალი კომპლექსი. პროდუქტების გამოყოფით კომპლექსის დაშლის შემდეგ, კატალიზატორი უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ეს უკანასკნელი თეორია ახლა ყველაზე ადეკვატურად ითვლება.

მოლეკულურ დონეზე, კატალიზური გაზის ფაზის რეაქცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად. ერთი რეაქტიული მოლეკულა უკავშირდება კატალიზატორის აქტიურ ადგილს, ხოლო მეორე ურთიერთქმედებს მასთან უშუალოდ აირის ფაზაში ყოფნისას. შესაძლებელია ალტერნატიული მექანიზმიც: მორეაქტიული მოლეკულები შეიწოვება კატალიზატორის მეზობელ აქტიურ უბნებზე და შემდეგ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. როგორც ჩანს, ასე მიმდინარეობს კატალიზური რეაქციების უმეტესობა.

სხვა კონცეფცია ვარაუდობს, რომ არსებობს კავშირი კატალიზატორის ზედაპირზე ატომების სივრცით განლაგებასა და მის კატალიზურ აქტივობას შორის. ზოგიერთი კატალიზური პროცესის, მათ შორის მრავალი ჰიდროგენიზაციის რეაქციის სიჩქარე, არ არის დამოკიდებული ზედაპირზე კატალიზურად აქტიური ატომების ურთიერთგანლაგებაზე; პირიქით, სხვების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იცვლება ზედაპირის ატომების სივრცითი კონფიგურაციის ცვლილებით. მაგალითია ნეოპენტანის იზომერიზაცია იზოპენტანში და ამ უკანასკნელის ერთდროული კრეკინგი იზობუტანისა და მეთანის კატალიზატორის ზედაპირზე.

Pt-Al 2 O 3. კატალიზის გამოყენება ინდუსტრიაში სწრაფი ინდუსტრიული ზრდა, რომელსაც ჩვენ ახლა განვიცდით, შეუძლებელი იქნებოდა ახალი ქიმიური ტექნოლოგიების განვითარების გარეშე. ამ პროგრესს დიდწილად განსაზღვრავს კატალიზატორების ფართო გამოყენება, რომელთა დახმარებით დაბალი ხარისხის ნედლეული გარდაიქმნება მაღალი ღირებულების პროდუქტად. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, კატალიზატორი თანამედროვე ალქიმიკოსის ფილოსოფიური ქვაა, მხოლოდ ის არ აქცევს ტყვიას ოქროდ, არამედ ნედლეულს წამლებად, პლასტმასად, ქიმიურ რეაგენტებად, საწვავად, სასუქებად და სხვა სასარგებლო პროდუქტებად.

შესაძლოა, პირველივე კატალიზური პროცესი, რომლის გამოყენებაც ადამიანმა ისწავლა, არის დუღილი. ალკოჰოლური სასმელების მომზადების რეცეპტები შუმერებისთვის ცნობილი იყო ჯერ კიდევ 3500 წ.

Სმ. ᲦᲕᲘᲜᲝ; ლუდი.

კატალიზის პრაქტიკულ გამოყენებაში მნიშვნელოვანი ეტაპი იყო მარგარინის წარმოება მცენარეული ზეთის კატალიზური ჰიდროგენაციით. პირველად, ეს რეაქცია სამრეწველო მასშტაბით განხორციელდა დაახლოებით 1900 წელს. და 1920-იანი წლებიდან, ერთმანეთის მიყოლებით, შემუშავდა კატალიზური მეთოდები ახალი ორგანული მასალების, პირველ რიგში, პლასტმასის წარმოებისთვის. მთავარი პუნქტი იყო ოლეფინების, ნიტრილების, ეთერების, მჟავების და ა.შ. კატალიზური წარმოება. - "აგური" პლასტმასის ქიმიური "კონსტრუქციისთვის".

კატალიზური პროცესების სამრეწველო გამოყენების მესამე ტალღა ხდება 1930-იან წლებში და დაკავშირებულია ნავთობის გადამუშავებასთან. მოცულობის თვალსაზრისით, ამ წარმოებამ მალევე დატოვა ყველა დანარჩენი. ნავთობის გადამუშავება შედგება რამდენიმე კატალიზური პროცესისგან: კრეკინგი, რეფორმირება, ჰიდროსულფონაცია, ჰიდროკრეკინგი, იზომერიზაცია, პოლიმერიზაცია და ალკილაცია.

და ბოლოს, კატალიზის გამოყენების მეოთხე ტალღა დაკავშირებულია გარემოს დაცვასთან. ყველაზე ცნობილი მიღწევა ამ სფეროში არის კატალიზატორის შექმნა საავტომობილო გამონაბოლქვი აირებისთვის. კატალიზატორი, რომელიც მანქანებში 1975 წლიდან არის დაყენებული, დიდი როლი ითამაშა ჰაერის ხარისხის გაუმჯობესებაში და ამ გზით მრავალი სიცოცხლე გადაარჩინა.

ათამდე ნობელის პრემია მიენიჭა კატალიზის და მასთან დაკავშირებულ სფეროებში მუშაობისთვის.

კატალიზური პროცესების პრაქტიკული მნიშვნელობა მოწმობს იმით, რომ აზოტის წილი, რომელიც წარმოადგენს ინდუსტრიულად მიღებული აზოტის შემცველ ნაერთების ნაწილს, შეადგენს აზოტის დაახლოებით ნახევარს, რომელიც საკვები პროდუქტების ნაწილია. ბუნებრივად წარმოქმნილი აზოტის ნაერთების რაოდენობა შეზღუდულია, ამიტომ დიეტური ცილების გამომუშავება დამოკიდებულია ნიადაგში სასუქებით შეტანილი აზოტის რაოდენობაზე. შეუძლებელი იქნებოდა კაცობრიობის ნახევრის გამოკვებაც კი სინთეზური ამიაკის გარეშე, რომელიც წარმოიქმნება თითქმის ექსკლუზიურად Haber-Bosch-ის კატალიზური პროცესით.

კატალიზატორების სპექტრი მუდმივად ფართოვდება. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ კატალიზმა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს ადრე შემუშავებული ტექნოლოგიების ეფექტურობა. ამის მაგალითია კატალიზური კრეკინგის გაუმჯობესება ცეოლიტების გამოყენებით.

ჰიდროგენიზაცია. კატალიზური რეაქციების დიდი რაოდენობა დაკავშირებულია წყალბადის ატომისა და ზოგიერთი სხვა მოლეკულის გააქტიურებასთან, რაც იწვევს მათ ქიმიურ ურთიერთქმედებას. ამ პროცესს ეწოდება ჰიდროგენიზაცია და საფუძვლად უდევს ნავთობის გადამუშავების და ნახშირისგან თხევადი საწვავის წარმოების ბევრ ეტაპს (ბერგიუსის პროცესი).

საავიაციო ბენზინის და საავტომობილო საწვავის წარმოება ქვანახშირისგან განვითარდა გერმანიაში მეორე მსოფლიო ომის დროს, რადგან ამ ქვეყანაში ნავთობის საბადოები არ არის. ბერგიუსის პროცესი არის წყალბადის პირდაპირი დამატება ნახშირბადში. ქვანახშირი თბება წნევით წყალბადის თანდასწრებით და მიიღება თხევადი პროდუქტი, რომელიც შემდეგ გადამუშავდება საავიაციო ბენზინში და საავტომობილო საწვავად. რკინის ოქსიდი გამოიყენება როგორც კატალიზატორი, ასევე კატალიზატორები კალის და მოლიბდენის საფუძველზე. ომის დროს დღეში დაახლოებით 1400 ტონა თხევადი საწვავი მოიპოვებოდა 12 გერმანულ ქარხანაში ბერგიუსის პროცესის გამოყენებით.

კიდევ ერთი პროცესი, ფიშერი - ტროპში, ორი ეტაპისგან შედგება. ჯერ ნახშირი გაზიფიცირებულია, ე.ი. განახორციელეთ მისი რეაქცია წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან და მიიღეთ წყალბადის და ნახშირბადის ოქსიდების ნარევი. ეს ნარევი გარდაიქმნება თხევად საწვავად რკინის ან კობალტის შემცველი კატალიზატორების გამოყენებით. ომის დამთავრებისთანავე გერმანიაში ქვანახშირისგან სინთეტიკური საწვავის წარმოება შეწყდა.

ნავთობის ფასების ზრდის შედეგად, რომელიც მოჰყვა ნავთობის ემბარგოს 1973-1974 წლებში, ენერგიული ძალისხმევა გატარდა ნახშირისგან ბენზინის წარმოების ეკონომიკურად მომგებიანი მეთოდის შემუშავებაზე. ამრიგად, ნახშირის პირდაპირი გათხევადება შეიძლება უფრო ეფექტურად განხორციელდეს ორეტაპიანი პროცესის გამოყენებით, რომლის დროსაც ნახშირი პირველად დაუკავშირდება ალუმინის-კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორს შედარებით დაბალ და შემდეგ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე. ასეთი სინთეზური ბენზინის ღირებულება უფრო მაღალია, ვიდრე ნავთობისგან მიღებული.

ამიაკი. ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი უმარტივესი პროცესი ქიმიური თვალსაზრისით არის ამიაკის სინთეზი წყალბადისა და აზოტისგან. აზოტი ძალიან ინერტული ნივთიერებაა. გათიშვა N-N მის მოლეკულას სჭირდება 200 კკალ-ის რიგის ენერგია/ მოლი. თუმცა, აზოტი ატომურ მდგომარეობაში აკავშირებს რკინის კატალიზატორის ზედაპირს და ამას მხოლოდ 20 კკალ სჭირდება./ მოლი. წყალბადის ბმა რკინას კიდევ უფრო ადვილად უკავშირებს. ამიაკის სინთეზი შემდეგნაირად მიმდინარეობს:
ეს მაგალითი ასახავს კატალიზატორის უნარს, დააჩქაროს როგორც წინა, ისე საპირისპირო რეაქციები თანაბრად, ე.ი. ის ფაქტი, რომ კატალიზატორი არ ცვლის ქიმიური რეაქციის წონასწორობას.მცენარეული ზეთის ჰიდროგენიზაცია. ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ჰიდროგენიზაციის რეაქცია პრაქტიკაში არის მცენარეული ზეთების არასრული ჰიდროგენაცია მარგარინში, სამზარეულოს ზეთში და სხვა საკვებ პროდუქტებში. მცენარეული ზეთები მიიღება სოიოს, ბამბის თესლისა და სხვა კულტურებისგან. მათ შორისაა ეთერები, კერძოდ, ცხიმოვანი მჟავების ტრიგლიცერიდები სხვადასხვა ხარისხით გაჯერებულობით. ოლეინის მჟავა CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH-ს აქვს ერთი C=C ​​ორმაგი ბმა, ლინოლის მჟავას აქვს ორი და ლინოლენის მჟავას აქვს სამი. წყალბადის დამატება ამ კავშირის გასაწყვეტად ხელს უშლის ზეთების დაჟანგვას (გაფუჭებას). ეს ზრდის მათ დნობის წერტილს. მიღებული პროდუქტების უმეტესობის სიმტკიცე დამოკიდებულია ჰიდროგენიზაციის ხარისხზე. ჰიდროგენიზაცია ხორციელდება ნიკელის თხელი ფხვნილის თანდასწრებით, რომელიც დეპონირებულია სუბსტრატზე ან Raney ნიკელის კატალიზატორზე მაღალ გაწმენდილ წყალბადის ატმოსფეროში.დეჰიდროგენაცია. დეჰიდროგენაცია ასევე ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზური რეაქციაა, თუმცა მისი გამოყენების მასშტაბები შეუდარებლად მცირეა. მისი დახმარებით, მაგალითად, მიიღება სტირონი, მნიშვნელოვანი მონომერი. ამისათვის, რკინის ოქსიდის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით ეთილბენზოლის დეჰიდროგენაცია; კალიუმი და ზოგიერთი სტრუქტურული სტაბილიზატორი ასევე ხელს უწყობს რეაქციას. სამრეწველო მასშტაბით პროპანი, ბუტანი და სხვა ალკანები დეჰიდროგენირებულია. ბუტანის დეჰიდროგენაცია ალუმინის-ქრომის კატალიზატორის თანდასწრებით წარმოქმნის ბუტენებს და ბუტადიენს.მჟავა კატალიზი. კატალიზატორების დიდი კლასის კატალიზური აქტივობა განპირობებულია მათი მჟავე თვისებებით. ი. ბრონსტედისა და ტ. ლოურის აზრით, მჟავა არის ნაერთი, რომელსაც შეუძლია პროტონის შემოწირულობა. ძლიერი მჟავები ადვილად აძლევენ თავიანთ პროტონებს ფუძეებს. მჟავიანობის კონცეფცია შემდგომში განვითარდა გ. ლუისის ნაშრომებში, რომელმაც განსაზღვრა მჟავა, როგორც ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ელექტრონული წყვილი დონორი ნივთიერებიდან კოვალენტური ბმის წარმოქმნით ამ ელექტრონული წყვილის სოციალიზაციის გამო. ეს იდეები, იდეებთან ერთად რეაქციების შესახებ, რომლებიც ქმნიან კარბენიუმის იონებს, დაეხმარა სხვადასხვა კატალიზური რეაქციების მექანიზმის გაგებას, განსაკუთრებით მათ შორის ნახშირწყალბადებს.

მჟავის სიძლიერე შეიძლება განისაზღვროს ფუძეების ნაკრების გამოყენებით, რომლებიც ფერს იცვლის პროტონის დამატებისას. გამოდის, რომ ზოგიერთი ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზატორი იქცევა ძალიან ძლიერი მჟავების მსგავსად. მათ შორისაა Friedel-Crafts კატალიზატორი, როგორიცაა

HCl-AlCl 2 O 3 (ან HAlCl 4 ), და ალუმინოსილიკატები. მჟავის სიძლიერე ძალზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, რადგან ის განსაზღვრავს პროტონაციის სიჩქარეს, რაც მთავარი ეტაპია მჟავას კატალიზის პროცესში.

ისეთი კატალიზატორების აქტივობა, როგორიცაა ალუმინოსილიკატები, რომლებიც გამოიყენება ნავთობის კრეკში, განისაზღვრება ბრონსტედისა და ლუისის მჟავების არსებობით მათ ზედაპირზე. მათი აგებულება სილიციუმის დიოქსიდის (სილიციუმის დიოქსიდი) სტრუქტურის მსგავსია, რომელშიც ზოგიერთი ატომია

Si 4+ შეცვალა ატომები Al3+. ჭარბი უარყოფითი მუხტი, რომელიც წარმოიქმნება ამ შემთხვევაში, შეიძლება განეიტრალდეს შესაბამისი კათიონებით. თუ კათიონები პროტონებია, მაშინ ალუმინის სილიკატი ბრონსტედის მჟავას მსგავსად იქცევა:
მჟავა კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება ნახშირწყალბადებთან ურთიერთქმედების უნარით კარბენიუმის იონის, როგორც შუალედური პროდუქტის წარმოქმნით. ალკილკარბენიუმის იონები შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნახშირბადის ატომს, რომელიც დაკავშირებულია სამ ალკილის ჯგუფთან და/ ან წყალბადის ატომები. ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ, როგორც შუამავლები, რომლებიც წარმოიქმნება მრავალ რეაქციაში, რომლებიც მოიცავს ორგანულ ნაერთებს. მჟავა კატალიზატორების მოქმედების მექანიზმი შეიძლება ილუსტრირებული იყოს იზომერიზაციის რეაქციის მაგალითითნ -ბუტანიდან იზობუტანამდე თანდასწრებით HCl - AlCl 3 ან Pt - Cl - Al 2 O 3 . პირველი, მცირე რაოდენობით ოლეფინი C 4 H 8 ამაგრებს დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონს მჟავას კატალიზატორზე, რათა წარმოიქმნასმ მესამეული კარბენიუმის იონი. მერე უარყოფითად დამუხტული ჰიდრიდის იონი H - გაყოფილი ნ -ბუტანი წარმოქმნის იზობუტანს და მეორად ბუტილკარბსარ არის d-ion. ბოლო გადაწყობის შედეგად ხდებამესამეული ნახშირწყლები და იონი. ეს ჯაჭვი შეიძლება გაგრძელდეს შემდეგი მოლეკულიდან ჰიდრიდის იონის გამოდევნითნ- ბუტანი და ა.შ.:
არსებითი o რომ მესამეული კარბენიუმის იონები უფრო სტაბილურია, ვიდრე პირველადი ან მეორადი. შედეგად, ისინი ძირითადად გვხვდება კატალიზატორის ზედაპირზე და, შესაბამისად, ბუტანის იზომერიზაციის ძირითადი პროდუქტია იზობუტანი.

მჟავა კატალიზატორები ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში - ნახშირწყალბადების კრეკინგი, ალკილაცია, პოლიმერიზაცია და იზომერიზაცია.

(იხილეთ ასევე ქიმია და ნავთობის გადამუშავების მეთოდები). დადგენილია კარბენიუმის იონების მოქმედების მექანიზმი, რომლებიც ასრულებენ კატალიზატორების როლს ამ პროცესებში. ამავდროულად, ისინი მონაწილეობენ უამრავ რეაქციაში, მათ შორის მცირე მოლეკულების წარმოქმნაში დიდის გაყოფით, მოლეკულების ერთობლიობა (ოლეფინი ოლეფინთან ან ოლეფინი იზოპარაფინთან), სტრუქტურულ გადაწყობაში იზომერიზაციით, პარაფინების და არომატული ნახშირწყალბადების წარმოქმნა. წყალბადის გადაცემით.

მჟავა კატალიზის ერთ-ერთი უახლესი სამრეწველო გამოყენება არის ტყვიის შემცველი საწვავის წარმოება ალკოჰოლის დამატებით იზობუტილენში ან იზოამილენში. ბენზინში ჟანგბადიანი ნაერთების დამატება ამცირებს ნახშირბადის მონოქსიდის კონცენტრაციას გამონაბოლქვი აირებში. მეთილის-

ტერტ -ბუტილის ეთერი (MTBE) შერეული ოქტანური რიცხვით 109 ასევე შესაძლებელს ხდის მაღალი ოქტანური საწვავის მიღებას, რომელიც საჭიროა საავტომობილო ძრავის მუშაობისთვის მაღალი შეკუმშვის კოეფიციენტით, ბენზინში ტეტრაეთილის ტყვიის შეყვანის გარეშე. ასევე ორგანიზებულია საწვავის წარმოება ოქტანური ნომრებით 102 და 111.ძირითადი კატალიზი. კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება მათი ძირითადი თვისებებით. ასეთი კატალიზატორების ძველი და კარგად ცნობილი მაგალითია ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, რომელიც გამოიყენება საპნის წარმოებაში ცხიმების ჰიდროლიზებისთვის ან საპონიფიკაციოდ, ხოლო ბოლო მაგალითია კატალიზატორები, რომლებიც გამოიყენება პოლიურეთანის პლასტმასის და ქაფის წარმოებაში. ურეთანი წარმოიქმნება ალკოჰოლის იზოციანატთან ურთიერთქმედებით და ეს რეაქცია აჩქარებულია ძირითადი ელემენტების თანდასწრებით.ამინები. რეაქციის დროს ფუძე მიმაგრებულია ნახშირბადის ატომს იზოციანატის მოლეკულაში, რის შედეგადაც აზოტის ატომზე ჩნდება უარყოფითი მუხტი და იზრდება მისი აქტივობა ალკოჰოლთან მიმართებაში. განსაკუთრებით ეფექტური კატალიზატორია ტრიეთილენდიამინი. პოლიურეთანის პლასტმასი მიიღება დიიზოციანატების პოლიოლებთან (პოლიალქოოლებთან) რეაქციით. როდესაც იზოციანატი რეაგირებს წყალთან, ადრე წარმოქმნილი ურეთანი იშლება და გამოიყოფა. CO2 . როდესაც პოლიალკოჰოლებისა და წყლის ნაზავი ურთიერთქმედებს დიიზოციანატებთან, პოლიურეთანის ქაფი იქმნება აირით. CO2. ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები. ეს კატალიზატორები აჩქარებენ ორი ტიპის რეაქციას და იძლევა უკეთეს შედეგს, ვიდრე რეაქტორების სერიით გადატანა ორ რეაქტორში, რომელთაგან თითოეული შეიცავს მხოლოდ ერთი ტიპის კატალიზატორს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ორმაგი მოქმედების კატალიზატორის აქტიური ადგილები ძალიან ახლოს არის ერთმანეთთან და ერთ-ერთ მათგანზე წარმოქმნილი შუალედური პროდუქტი მაშინვე გადაიქცევა მეორეზე საბოლოო პროდუქტად.

წყალბადის გამააქტიურებელი კატალიზატორის ნახშირწყალბადების იზომერიზაციის ხელშემწყობ კატალიზატორთან კომბინაცია კარგ შედეგს იძლევა. წყალბადის გააქტიურებას ახორციელებს ზოგიერთი ლითონი, ხოლო ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია მჟავებით. ეფექტური ორმაგი მოქმედების კატალიზატორი, რომელიც გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში ნაფტას ბენზინად გადაქცევისთვის, არის წვრილად დაშლილი პლატინა, რომელიც დეპონირებულია მჟავა ალუმინაზე. ნაფტას კომპონენტების, როგორიცაა მეთილციკლოპენტანი (MCP) ბენზოლად გარდაქმნა ზრდის ბენზინის ოქტანურ რაოდენობას. პირველი, MCP დეჰიდროგენირებულია კატალიზატორის პლატინის ნაწილზე ოლეფინად იგივე ნახშირბადის ხერხემალით; შემდეგ ოლეფინი გადადის კატალიზატორის მჟავე ნაწილში, სადაც იზომერირდება ციკლოჰექსენამდე. ეს უკანასკნელი გადადის პლატინის ნაწილზე და დეჰიდროგენდება ბენზოლად და წყალბადად.

ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები მნიშვნელოვნად აჩქარებენ ნავთობის რეფორმირებას. ისინი გამოიყენება ნორმალური პარაფინების იზოპარაფინებად იზომერიზაციისთვის. ეს უკანასკნელი, რომელიც ადუღდება იმავე ტემპერატურაზე, როგორც ბენზინის ფრაქციები, ღირებულია, რადგან მათ აქვთ უფრო მაღალი ოქტანური რიცხვი სწორი ნახშირწყალბადებთან შედარებით. გარდა ამისა, ტრანსფორმაცია

ნ -ბუტანს იზობუტანამდე თან ახლავს დეჰიდროგენაცია, რაც ხელს უწყობს MTBE-ს წარმოებას.სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაცია. მნიშვნელოვანი ეტაპი ისტორიაშიკატალიზი მოხდა კატალიზური პოლიმერიზაციის აღმოჩენაა-ოლეფინები ფორმირებით სტერეორეგულარული x პოლიმერი ov. კატალიზატორებისკენ სტერეოსპეციფიკურიპოლიმერიზაცია აღმოაჩინა კ.ზიგლერმა, როდესაც ცდილობდა აეხსნა მის მიერ მიღებული პოლიმერების უჩვეულო თვისებები. კიდევ ერთი ქიმიკოსი, ჯ.ნატა, ვარაუდობს, რომ ზიგლერის პოლიმერების უნიკალურობა განისაზღვრება მათი სტერეორეგულარობა. რენტგენის დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ზიგლერის კატალიზატორების თანდასწრებით პროპილენისგან მომზადებული პოლიმერები ძალიან კრისტალურია და მართლაც აქვთ სტერეორეგულარული სტრუქტურა. ასეთი მოწესრიგებული სტრუქტურების აღსაწერად ნატამ შემოიტანა ტერმინები "იზოტაქტიკა და "სინდიოტაქტიკური". იმ შემთხვევაში, როდესაც არ არის წესრიგი, გამოიყენება ტერმინი "ატაქტიკა":სტერეოსპეციფიკური რეაქცია მიმდინარეობს მყარი კატალიზატორების ზედაპირზე, რომლებიც შეიცავს ჯგუფების გარდამავალ ლითონებს. IVA - VIII (როგორიცაა Ti, V, Cr, Zr ), რომლებიც არიან არასრულად დაჟანგულ მდგომარეობაში და ნახშირბადის ან წყალბადის შემცველი ნებისმიერი ნაერთი, რომელიც დაკავშირებულია ჯგუფის ლითონთან. I-III . ასეთი კატალიზატორის კლასიკური მაგალითია ურთიერთქმედების დროს წარმოქმნილი ნალექი TiCl 4 და Al(C 2 H 5 ) 3 ჰეპტანში, სადაც ტიტანი მცირდება სამვალენტიან მდგომარეობამდე. ესგამორჩეულად აქტიურისისტემა ახდენს პროპილენის პოლიმერიზაციას ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე.კატალიზური დაჟანგვა. კატალიზატორების გამოყენებას ჟანგვის პროცესების ქიმიის გასაკონტროლებლად დიდი სამეცნიერო და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ზოგიერთ შემთხვევაში, დაჟანგვა უნდა დასრულდეს, მაგალითად, მანქანის გამონაბოლქვი აირებში CO და ნახშირწყალბადების დამაბინძურებლების განეიტრალებისას.თუმცა, უფრო ხშირად, სასურველია, რომ დაჟანგვა იყოს არასრული, მაგალითად, მრავალ პროცესებში, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში ნახშირწყალბადების ღირებულ შუალედებად გადაქცევისთვის, რომლებიც შეიცავს ფუნქციურ ჯგუფებს, როგორიცაა -CHO, -COOH, -C-CO, - CN. ამ შემთხვევაში გამოიყენება როგორც ერთგვაროვანი, ასევე ჰეტეროგენული კატალიზატორები. ერთგვაროვანი კატალიზატორის მაგალითია გარდამავალი ლითონის კომპლექსი, რომელიც გამოიყენება ჟანგვისთვისწყვილი -ქსილენი ტერეფთალის მჟავამდე, რომლის ეთერები ემსახურება პოლიესტერის ბოჭკოების წარმოების საფუძველს.ჰეტეროგენული დაჟანგვის კატალიზატორები. ეს კატალიზატორები, როგორც წესი, რთული მყარი ოქსიდებია. კატალიზური დაჟანგვა ხდება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, ოქსიდის ჟანგბადი იჭერს ნახშირწყალბადის მოლეკულას, რომელიც ადსორბირებულია ოქსიდის ზედაპირზე. ნახშირწყალბადი იჟანგება და ოქსიდი მცირდება. შემცირებული ოქსიდი რეაგირებს ჟანგბადთან და უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ვანადიუმის კატალიზატორის გამოყენებით, ფთალიუმის ანჰიდრიდი მიიღება ნაფტალინის ან ბუტანის ნაწილობრივი დაჟანგვით.ეთილენის წარმოება მეთანის დეჰიდროდიმერიზაციით. დეჰიდროდიმერიზაციის გზით ეთილენის სინთეზი საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირი გარდაიქმნას უფრო ადვილად ტრანსპორტირებად ნახშირწყალბადებად. რეაქცია 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O ხორციელდება 850 ° -ზე სხვადასხვა კატალიზატორების გამოყენებით; საუკეთესო შედეგი მიღებული კატალიზატორით Li - MgO . სავარაუდოდ, რეაქცია მიმდინარეობს მეთილის რადიკალის წარმოქმნით მეთანის მოლეკულიდან წყალბადის ატომის გამოყოფით. გაყოფა ხორციელდება არასრულად შემცირებული ჟანგბადით, მაგალითად, ო 2 2- . მეთილის რადიკალები აირის ფაზაში რეკომბინირებულია ეთანის მოლეკულის შესაქმნელად და შემდგომ დეჰიდროგენაციის დროს გარდაიქმნება ეთილენად. არასრული დაჟანგვის კიდევ ერთი მაგალითია მეთანოლის ფორმალდეჰიდად გარდაქმნა ვერცხლის ან რკინა-მოლიბდენის კატალიზატორის თანდასწრებით.ცეოლიტები. ცეოლიტები შეადგენენ ჰეტეროგენული კატალიზატორების სპეციალურ კლასს. ეს არის ალუმინოსილიკატები მოწესრიგებული თაფლისებრი სტრუქტურით, რომელთა უჯრედის ზომა შედარებულია მრავალი ორგანული მოლეკულის ზომასთან. მათ ასევე უწოდებენ მოლეკულურ საცერებს. ყველაზე დიდი ინტერესია ცეოლიტები, რომელთა ფორებს ქმნიან 8-12 ჟანგბადის იონისგან შემდგარი რგოლები (ნახ. 2). ზოგჯერ ფორები ერთმანეთს ემთხვევა, როგორც ZSM-5 ცეოლითში (ნახ. 3), რომელიც გამოიყენება მეთანოლის ბენზინის ფრაქციის ნახშირწყალბადებად გადაქცევისთვის. ბენზინი შეიცავს მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატულ ნახშირწყალბადებს და, შესაბამისად, აქვს მაღალი ოქტანური რიცხვი. მაგალითად, ახალ ზელანდიაში მოხმარებული ბენზინის მესამედი ამ ტექნოლოგიით არის მიღებული. მეთანოლი მიიღება იმპორტირებული მეთანისგან. კატალიზატორები, რომლებიც ქმნიან Y-ცეოლიტების ჯგუფს, მნიშვნელოვნად ზრდის კატალიზური კრეკინგის ეფექტურობას, ძირითადად მათი უჩვეულო მჟავე თვისებების გამო. ალუმინოსილიკატების ცეოლითებით ჩანაცვლება შესაძლებელს ხდის ბენზინის მოსავლიანობის 20%-ზე მეტით გაზრდას.

გარდა ამისა, ცეოლიტები შერჩევითია მოლეკულების მოლეკულების ზომით. მათი სელექციურობა განპირობებულია ფორების ზომით, რომლებშიც მხოლოდ გარკვეული ზომისა და ფორმის მოლეკულები შეიძლება გაიარონ. ეს ეხება როგორც საწყის მასალებს, ასევე რეაქციის პროდუქტებს. მაგალითად, სტერილური შეზღუდვების გამო

წყვილი -ქსილენი უფრო ადვილად წარმოიქმნება, ვიდრე უფრო მოცულობითიორთო- და მეტა - იზომერები. ეს უკანასკნელი „ჩაკეტილია“ ცეოლითის ფორებში (სურ. 4).

ცეოლიტების გამოყენებამ ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა ზოგიერთ სამრეწველო ტექნოლოგიაში - გაზის ზეთის და მანქანათმცოდნეობის დეცვილაცია, ქიმიური შუალედური ნივთიერებების მიღება პლასტმასის წარმოებისთვის არომატული ნაერთების ალკილაციით, ქსილენის იზომერიზაციით, ტოლუოლის დისპროპორციულობით და ზეთის კატალიზური კრეკით. აქ განსაკუთრებით ეფექტურია ცეოლიტი

ZSM-5. კატალიზატორები და გარემოს დაცვა. ჰაერის დაბინძურების შესამცირებლად კატალიზატორების გამოყენება დასასრულს დაიწყო 19 40-იანი წლები. 1952 წელს A. Hagen-Smith-მა აღმოაჩინა, რომ ნახშირწყალბადები და აზოტის ოქსიდები, რომლებიც გამონაბოლქვი აირების ნაწილია, რეაგირებენ სინათლეზე და წარმოქმნიან ოქსიდანტებს (კერძოდ, ოზონს), რომლებიც აღიზიანებენ თვალებს და აძლევენ სხვა არასასურველ ეფექტებს. დაახლოებით ამავე დროს, ი. ჰუდრიმ შეიმუშავა გამონაბოლქვი აირების კატალიზური გაწმენდის მეთოდი დაჟანგვის გზით. CO და ნახშირწყალბადები მდე CO 2 და H 2 ა. 1970 წელს ჩამოყალიბდა სუფთა ჰაერის დეკლარაცია (შესწორებული 1977, გაფართოვდა 1990 წელს), რომელიც მოითხოვდა 1975 წლის მოდელების ყველა ახალი მანქანა აღჭურვილი იყოს კატალიზური გადამყვანებით. დადგენილია გამონაბოლქვი აირების შემადგენლობის ნორმები. მას შემდეგ, რაც ტყვიის ნაერთები დაემატა ბენზინის შხამის კატალიზატორებს, მიღებულია ეტაპობრივი პროგრამა. ყურადღება გამახვილდა აზოტის ოქსიდების შემცველობის შემცირების აუცილებლობაზეც.

კატალიზატორები შეიქმნა სპეციალურად საავტომობილო გადამყვანებისთვის, რომლებშიც აქტიური კომპონენტები დეპონირებულია თაფლისებრი სტრუქტურის მქონე კერამიკულ სუბსტრატზე, რომლის უჯრედებშიც გადის გამონაბოლქვი აირები. სუბსტრატი დაფარულია ლითონის ოქსიდის თხელი ფენით, მაგალითად

Al2O3 რომელზედაც გამოიყენება კატალიზატორი - პლატინი, პალადიუმი ან როდიუმი. თბოელექტროსადგურებში ბუნებრივი საწვავის წვის დროს წარმოქმნილი აზოტის ოქსიდების შემცველობა შეიძლება შემცირდეს გამონაბოლქვი აირებში მცირე რაოდენობით ამიაკის დამატებით და ტიტან-ვანადიუმის კატალიზატორის გავლით.ფერმენტები. ფერმენტები არის ბუნებრივი კატალიზატორები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ პროცესებს ცოცხალ უჯრედში. ისინი მონაწილეობენ ენერგიის გაცვლის, საკვები ნივთიერებების დაშლის, ბიოსინთეზის რეაქციებში. ბევრი რთული ორგანული რეაქცია მათ გარეშე ვერ გაგრძელდება. ფერმენტები ფუნქციონირებენ ჩვეულებრივ ტემპერატურასა და წნევაზე, აქვთ ძალიან მაღალი სელექციურობა და შეუძლიათ გაზარდონ რეაქციების სიჩქარე სიდიდის რვა რიგით. მიუხედავად ამ უპირატესობებისა, მხოლოდ დაახლ. 15000 ცნობილი ფერმენტიდან 20 ფართო მასშტაბით გამოიყენება.

ადამიანი ათასობით წლის განმავლობაში იყენებს ფერმენტებს პურის გამოსაცხობად, ალკოჰოლური სასმელების, ყველისა და ძმრის დასამზადებლად. ახლა ფერმენტები გამოიყენება ინდუსტრიაშიც: შაქრის გადამუშავებაში, სინთეზური ანტიბიოტიკების, ამინომჟავების და ცილების წარმოებაში. სარეცხ საშუალებებს ემატება პროტეოლიზური ფერმენტები, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის პროცესებს.

ბაქტერიების დახმარებით

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann-მა ჩაატარა სახამებლის ფერმენტული გარდაქმნა აცეტონად და ბუტილ სპირტად. აცეტონის მიღების ეს მეთოდი ფართოდ გამოიყენებოდა ინგლისში პირველი მსოფლიო ომის დროს, ხოლო მეორე მსოფლიო ომის დროს სსრკ-ში მისი დახმარებით ამზადებდნენ ბუტადიენურ რეზინას.

განსაკუთრებით დიდი როლი ითამაშა მიკროორგანიზმების მიერ წარმოებული ფერმენტების გამოყენებამ პენიცილინის სინთეზისთვის, ასევე სტრეპტომიცინისა და ვიტამინის.

B12. ფერმენტულად წარმოებული ეთილის სპირტი ფართოდ გამოიყენება საავტომობილო საწვავად. ბრაზილიაში დაახლოებით 10 მილიონი მანქანის მესამედი მუშაობს შაქრის ლერწმისგან მიღებული ეთილის სპირტის 96%-ზე, ხოლო დანარჩენი ბენზინისა და ეთილის სპირტის ნარევზე (20%). საწვავის წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც წარმოადგენს ბენზინისა და ალკოჰოლის ნარევს, კარგად არის განვითარებული აშშ-ში. 1987 წელს დაახლ. 4 მილიარდი ლიტრი ალკოჰოლი, საიდანაც დაახლოებით 3,2 მილიარდი ლიტრი საწვავად იქნა გამოყენებული. სხვადასხვა აპლიკაციები ასევე გვხვდება ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. ეს ფერმენტები დაკავშირებულია მყარ გადამზიდავთან, როგორიცაა სილიკა გელი, რომელზედაც რეაგენტები გადადის. ამ მეთოდის უპირატესობა ის არის, რომ უზრუნველყოფს სუბსტრატების ეფექტურ კონტაქტს ფერმენტთან, პროდუქტების გამოყოფას და ფერმენტის შენარჩუნებას. იმობილიზებული ფერმენტების სამრეწველო გამოყენების ერთ-ერთი მაგალითია იზომერიზაციად - გლუკოზა ფრუქტოზამდე. ტექნოლოგიური ასპექტები თანამედროვე ტექნოლოგიები წარმოუდგენელია კატალიზატორების გამოყენების გარეშე. კატალიზური რეაქციები შეიძლება გაგრძელდეს 650-მდე ტემპერატურაზე° C და წნევა 100 ატმ ან მეტი. ეს აუცილებელს ხდის პრობლემების გადაჭრას, რომლებიც დაკავშირებულია აირისებრ და მყარ ნივთიერებებს შორის კონტაქტთან და კატალიზატორის ნაწილაკების გადატანასთან ახლებურად. იმისათვის, რომ პროცესი ეფექტური იყოს, მისმა მოდელირებამ უნდა გაითვალისწინოს კინეტიკური, თერმოდინამიკური და ჰიდროდინამიკური ასპექტები. აქ ფართოდ გამოიყენება კომპიუტერული მოდელირება, ასევე ახალი ინსტრუმენტები და მეთოდები ტექნოლოგიური პროცესების კონტროლისთვის.

1960-იან წლებში მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ამიაკის წარმოებაში. უფრო აქტიური კატალიზატორის გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა წყალბადის წარმოების ტემპერატურის დაწევა წყლის ორთქლის დაშლის დროს, რის გამოც შესაძლებელი გახდა წნევის დაქვეითება და, შესაბამისად, წარმოების ხარჯების შემცირება, მაგალითად, იაფის გამოყენებით. ცენტრიდანული კომპრესორები. შედეგად, ამიაკის ღირებულება ნახევარზე მეტით დაეცა, იყო მისი წარმოების უზარმაზარი ზრდა და ამასთან დაკავშირებით - გაიზარდა საკვების წარმოება, რადგან ამიაკი არის ღირებული სასუქი.

მეთოდები. კატალიზის სფეროში კვლევები ტარდება როგორც ტრადიციული, ისე სპეციალური მეთოდებით. გამოიყენება რადიოაქტიური ეტიკეტები, რენტგენის, ინფრაწითელი და რამანის (რამანის) სპექტროსკოპია, ელექტრონული მიკროსკოპის მეთოდები; ტარდება კინეტიკური გაზომვები, შესწავლილია კატალიზატორების მიღების მეთოდების გავლენა მათ აქტივობაზე. დიდი მნიშვნელობა აქვს კატალიზატორის ზედაპირის ფართობის განსაზღვრას Brunauer-Emmett-Teller მეთოდით (BET მეთოდი), რომელიც ეფუძნება აზოტის ფიზიკური ადსორბციის გაზომვას სხვადასხვა წნევაზე. ამისათვის დაადგინეთ აზოტის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა კატალიზატორის ზედაპირზე მონოფენის ფორმირებისთვის და მოლეკულის დიამეტრის ცოდნა N 2 , გამოთვალეთ მთლიანი ფართობი. მთლიანი ზედაპირის ფართობის განსაზღვრის გარდა, ტარდება სხვადასხვა მოლეკულების ქიმიორბცია, რაც შესაძლებელს ხდის აქტიური ცენტრების რაოდენობის შეფასებას და მათი თვისებების შესახებ ინფორმაციის მოპოვებას.

მკვლევარებს ხელთ აქვთ ატომურ დონეზე კატალიზატორების ზედაპირის სტრუქტურის შესწავლის სხვადასხვა მეთოდი. უნიკალური ინფორმაცია საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მეთოდი

EXAFS . სპექტროსკოპიულ მეთოდებს შორის სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ულტრაიისფერი, რენტგენი და აუგერის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია. დიდი ინტერესია მეორადი იონის მასის სპექტრომეტრია და იონების გაფანტვის სპექტროსკოპია. NMR გაზომვები გამოიყენება კატალიზური კომპლექსების ბუნების შესასწავლად. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი საშუალებას გაძლევთ ნახოთ ატომების განლაგება კატალიზატორის ზედაპირზე. პერსპექტივები მრეწველობაში კატალიზური პროცესების მასშტაბები ყოველწლიურად იზრდება. კატალიზატორები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება გარემოს დამაბინძურებლების გასანეიტრალებლად. იზრდება კატალიზატორების როლი ნახშირწყალბადების და ჟანგბადის შემცველი სინთეზური საწვავის წარმოებაში გაზისა და ნახშირისგან. როგორც ჩანს, ძალიან პერსპექტიულია საწვავის უჯრედების შექმნა საწვავის ენერგიის ელექტრო ენერგიად ეკონომიური გადაქცევისთვის.

კატალიზის ახალი კონცეფციები შესაძლებელს გახდის პოლიმერული მასალების და მრავალი ღირებული თვისების მქონე სხვა პროდუქტების მიღებას, ენერგიის წარმოების მეთოდების გაუმჯობესებას, საკვების წარმოების გაზრდას, კერძოდ, მიკროორგანიზმების დახმარებით ალკანებისა და ამიაკის ცილების სინთეზით. შესაძლოა შესაძლებელი იყოს გენეტიკურად ინჟინერიული მეთოდების შემუშავება ფერმენტებისა და მეტალური ორგანოების ნაერთების წარმოებისთვის, რომლებიც უახლოვდებიან ბუნებრივ ბიოლოგიურ კატალიზატორებს მათი კატალიზური აქტივობითა და სელექციურობით.

ლიტერატურაგეითსი B.K. კატალიზური პროცესების ქიმია . მ., 1981 წ
ბორესკოვი გ.კ. კატალიზი. თეორიისა და პრაქტიკის კითხვები . ნოვოსიბირსკი, 1987 წ
განკინ V.Yu., Gankin Yu.V.კატალიზის ახალი ზოგადი თეორია . ლ., 1991 წ
ტოკაბე კ. კატალიზატორები და კატალიზური პროცესები . მ., 1993 წ

ქიმიური ტექნოლოგიების ძირითადი პროცესები კატალიზური რეაქციებია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ კატალიზატორის შემოღებით, ნივთიერებების ურთიერთქმედების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იზრდება. ამ შემთხვევაში, მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ ხარჯები ან მიიღონ მეტი რეაქციის პროდუქტი იმავე პერიოდში. ამიტომაც დიდი ყურადღება ეთმობა კატალიზის შესწავლას ტექნოლოგების მომზადებაში. თუმცა, ეს ფენომენი ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ბუნებაში. ასე რომ, სპეციალური ნივთიერებები არეგულირებს ცოცხალ ორგანიზმებში ბიოქიმიური რეაქციების მიმდინარეობას, რითაც გავლენას ახდენს მეტაბოლიზმზე.

კატალიზის კონცეფცია

ამ ქიმიური ფენომენის არსი არის ნივთიერებების ტრანსფორმაციის სიჩქარის რეგულირება სპეციალური რეაგენტების გამოყენებით, რომლებსაც შეუძლიათ შეანელონ ან დააჩქარონ ეს პროცესი. ამ შემთხვევაში საუბარია დადებით ან უარყოფით კატალიზზე. ასევე არსებობს ავტოკატალიზის ფენომენი, როდესაც ქიმიური რეაქციის ერთ-ერთი შუალედური პროდუქტი გავლენას ახდენს რეაქციის სიჩქარეზე. კატალიზური პროცესები მრავალფეროვანია, ისინი განსხვავდებიან მექანიზმებით, ნაერთების აგრეგაციის მდგომარეობით და მიმართულებით.

ნივთიერებებს, რომლებიც ანელებენ ქიმიურ ურთიერთქმედებას, ინჰიბიტორებს უწოდებენ, ხოლო მათ, რომლებიც აჩქარებენ კატალიზურ რეაქციებს, კატალიზატორები. ორივე და სხვები ცვლის რეაქციის სიჩქარეს განმეორებითი შუალედური ურთიერთქმედებით მის ერთ ან რამდენიმე მონაწილესთან. ამავე დროს, ისინი არ შედის პროდუქტების შემადგენლობაში და აღდგება ნივთიერებების ტრანსფორმაციის ციკლის დასრულების შემდეგ. მაშასადამე, კატალიზატორის მონაწილეობა არ აისახება რეაქციის განტოლებაში სტექიომეტრიულად, მაგრამ მხოლოდ მითითებულია, როგორც ნივთიერებების ურთიერთქმედების პირობა.

კატალიზური რეაქციების სახეები

ქიმიურ რეაქციაში მონაწილე ნივთიერებების აგრეგაციის მდგომარეობის მიხედვით გამოირჩევა:

• ერთგვაროვანი რეაქციები - რეაგენტები, პროდუქტები და კატალიზატორი აგრეგაციის ერთსა და იმავე მდგომარეობაშია (ფაზა), ხოლო ნივთიერებების მოლეკულები თანაბრად ნაწილდება მთელ მოცულობაში;
• ინტერფეისური კატალიზური რეაქციები - წარმოიქმნება შეურევი სითხეების ინტერფეისზე და კატალიზატორის როლი მცირდება მასში რეაგენტების გადაცემამდე;
• ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქციები - მათში კატალიზატორს აქვს რეაქტიული ნივთიერებებისგან განსხვავებული აგრეგაციის მდგომარეობა და ის თავად ხორციელდება ინტერფეისზე;
• ჰეტეროგენულ-ერთგვაროვანი რეაქციები - იწყება კატალიზატორის ინტერფეისზე და გრძელდება რეაქციის მოცულობაში;
• მიკროჰეტეროგენული რეაქციები - მყარი კატალიზატორის მცირე ნაწილაკები ქმნიან მიცელებს თხევადი ფაზის მთელ მოცულობაზე.

ასევე არსებობს რედოქს კატალიზი, რომელსაც თან ახლავს კატალიზატორის დაჟანგვის მდგომარეობის ცვლილება რეაგენტებთან ურთიერთქმედებისას. ასეთ გარდაქმნებს კატალიზური ჟანგვის და შემცირების რეაქციები ეწოდება. ქიმიურ წარმოებაში ყველაზე გავრცელებულია გოგირდის დიოქსიდის დაჟანგვა ტრიოქსიდში გოგირდის მჟავის წარმოებისას.

კატალიზატორების სახეები

აგრეგაციის მდგომარეობის მიხედვით, კატალიზატორები არის თხევადი (H 2 SO 4, H 3 RO 4), მყარი (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) და აირისებრი (BF 3).

ნივთიერების ტიპის მიხედვით, კატალიზატორები იყოფა:

• ლითონები - შეიძლება იყოს სუფთა, შენადნობები, მყარი ან დეპონირებული ფოროვან ბაზაზე (Fe, Pt, Ni, Cu);
• M m E n ტიპის ლითონის ნაერთები - ყველაზე გავრცელებული ოქსიდებია MgO, Al 2 O 3, MoO 3 და ა.შ.;
• მჟავები და ფუძეები - გამოიყენება მჟავა-ტუტოვანი კატალიზური რეაქციებისთვის, ეს შეიძლება იყოს ლუისის მჟავები, ბრონსტედი და ა.შ.;
• ლითონის კომპლექსები - ამ ჯგუფში ასევე შედის გარდამავალი ლითონების მარილები, როგორიცაა PdCl 2, Ni(CO) 4;
• ფერმენტები (ისინი ასევე ფერმენტებია) არის ბიოკატალიზატორები, რომლებიც აჩქარებენ რეაქციებს, რომლებიც მიმდინარეობს ცოცხალ ორგანიზმებში.

ელექტრონული სტრუქტურის სპეციფიკის მიხედვით განასხვავებენ d- კატალიზატორებს, რომლებსაც აქვთ d-ელექტრონები და d-ორბიტალები, აგრეთვე s, p- კატალიზატორები, რომელთა ცენტრი არის ელემენტი ვალენტური s და p-ელექტრონებით.

კატალიზატორების თვისებები

ეფექტიანად გამოსაყენებლად, მათ მიმართ გამოიყენება მოთხოვნების საკმაოდ ვრცელი ჩამონათვალი, რომელიც განსხვავდება კონკრეტული პროცესისთვის. მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი არის კატალიზატორების შემდეგი ორი თვისება:

• სპეციფიკა მდგომარეობს კატალიზატორების უნარში, მოახდინოს გავლენა მხოლოდ ერთ რეაქციაზე ან მსგავსი გარდაქმნების სერიაზე და არ იმოქმედოს სხვათა სიჩქარეზე. ამრიგად, პლატინა ყველაზე ხშირად გამოიყენება ორგანული ჰიდროგენიზაციის რეაქციებში.
• სელექციურობა ხასიათდება რამდენიმე შესაძლო პარალელური რეაქციის დაჩქარების უნარით, რითაც გაზრდის ყველაზე მნიშვნელოვანი პროდუქტის მოსავლიანობას.

კატალიზური რეაქციის სიჩქარე

ნივთიერებების ურთიერთქმედების დაჩქარების მიზეზი არის კატალიზატორთან აქტიური კომპლექსის წარმოქმნა, რაც იწვევს აქტივაციის ენერგიის შემცირებას.

ქიმიური კინეტიკის ძირითადი პოსტულატის მიხედვით, ნებისმიერი ქიმიური რეაქციის სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია საწყისი ნივთიერებების კონცენტრაციების პროდუქტის, რომლებიც მიღებულია მათი სტექიომეტრიული კოეფიციენტების შესაბამისი სიმძლავრით:

v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z,

სადაც k არის ქიმიური რეაქციის სიჩქარის მუდმივი, რიცხობრივად იგივე რეაქციის სიჩქარის ტოლი, იმ პირობით, რომ საწყისი ნაერთების კონცენტრაცია არის 1 მოლ/ლ.

არენიუსის განტოლების მიხედვით, k დამოკიდებულია აქტივაციის ენერგიაზე:

k \u003d A ∙ exp ^ (-E A / RT).

ეს კანონზომიერებები ასევე მოქმედებს კატალიზური რეაქციებისთვის. ეს დასტურდება სიჩქარის მუდმივების თანაფარდობის განტოლებით:

k K / k = A K /A ∙ exp^((E A -E AK)/RT),

სადაც ცვლადები K ინდექსით ეხება კატალიზურ რეაქციებს.

კატალიზური რეაქციების ეტაპები

ჰომოგენური კატალიზური რეაქციებისთვის საკმარისია ორი ძირითადი ნაბიჯი:

1. გააქტიურებული კომპლექსის ფორმირება: A + K -> AA.
2. გააქტიურებული კომპლექსის ურთიერთქმედება სხვა საწყის ნივთიერებებთან: AA + B ―> C + K.

ზოგადი ფორმით იწერება A + B -> C ფორმის განტოლება.

ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქციების მექანიზმი რთულია. შემდეგი ექვსი ეტაპი გამოირჩევა:

1. საწყისი ნაერთების მოტანა კატალიზატორის ზედაპირზე.
2. საწყისი რეაგენტების ადსორბცია კატალიზატორის ზედაპირით და შუალედური კომპლექსის წარმოქმნა: A + B + K ―> AVK.
3. მიღებული კომპლექსის გააქტიურება: ΑVC ―> ΑVC * .
4. რთული ნაერთის დაშლა, ხოლო წარმოქმნილი პროდუქტები ადსორბირდება კატალიზატორის მიერ: ΑВК * ―> CDK.
5. მიღებული პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირით: CDK ―> C + D + K.
6. პროდუქტების მოცილება კატალიზატორიდან.

კატალიზური რეაქციების მაგალითები

კატალიზატორები გამოიყენება არა მხოლოდ ქიმიურ მრეწველობაში. ნებისმიერ ადამიანს ყოველდღიურ ცხოვრებაში აწყდება სხვადასხვა კატალიზური რეაქცია. ეს არის, მაგალითად, წყალბადის ზეჟანგის გამოყენება ჭრილობების სამკურნალოდ. წყალბადის ზეჟანგი, სისხლთან ურთიერთობისას, იწყებს დაშლას:

2H 2 O 2 -> O 2 + 2H 2 O.

თანამედროვე მანქანებში იგი აღჭურვილია სპეციალური კატალიზური კამერებით, რომლებიც ხელს უწყობენ მავნე აირისებრი ნივთიერებების დაშლას. მაგალითად, პლატინა ან როდიუმი ხელს უწყობს აზოტის ოქსიდის დაბინძურების შემცირებას, რომელიც იშლება უვნებელი O 2 და N 2 ფორმირებისთვის.

ზოგიერთი კბილის პასტა შეიცავს ფერმენტებს, რომლებიც ანადგურებს ნადების და საკვების ნარჩენებს.

ქიმიური რეაქციების სიჩქარე შეიძლება მკვეთრად გაიზარდოს სხვადასხვა ნივთიერებების თანდასწრებით, რომლებიც არ არიან რეაგენტები და არ არიან რეაქციის პროდუქტების ნაწილი. ამ გასაოცარ ფენომენს ე.წ კატალიზი(ბერძნულიდან "katalysis" - განადგურება). ნივთიერებას, რომელიც ზრდის რეაქციის სიჩქარეს ნარევში ეწოდება კატალიზატორი.მისი რაოდენობა რეაქციამდე და მის შემდეგ უცვლელი რჩება. კატალიზატორები არ წარმოადგენენ ნივთიერებების რაიმე განსაკუთრებულ კლასს. სხვადასხვა რეაქციებში ლითონებს, ოქსიდებს, მჟავებს, მარილებს და კომპლექსურ ნაერთებს შეუძლიათ გამოავლინონ კატალიზური ეფექტი. ცოცხალ უჯრედებში ქიმიური რეაქციები მიმდინარეობს კატალიზური ცილების კონტროლის ქვეშ ფერმენტები.კატალიზი უნდა ჩაითვალოს ნამდვილ ქიმიურ ფაქტორად ქიმიური რეაქციების სიჩქარის გაზრდისას, ვინაიდან კატალიზატორი უშუალოდ მონაწილეობს რეაქციაში. კატალიზი ხშირად უფრო ძლიერი და ნაკლებად სარისკოა რეაქციის დაჩქარებაში, ვიდრე ტემპერატურის ამაღლება. ეს აშკარად გამოიხატება ცოცხალ ორგანიზმებში ქიმიური რეაქციების მაგალითზე. რეაქციები, როგორიცაა ცილების ჰიდროლიზი, რომელიც ლაბორატორიებში უნდა ჩატარდეს დუღილის წერტილამდე ხანგრძლივი გაცხელებით, მონელების პროცესში მიმდინარეობს სხეულის ტემპერატურაზე გაცხელების გარეშე.

პირველად კატალიზის ფენომენი დააფიქსირა ფრანგმა ქიმიკოსმა L.J. Tenard-მა (1777-1857) 1818 წელს. მან აღმოაჩინა, რომ გარკვეული ლითონების ოქსიდები, როდესაც წყალბადის ზეჟანგი ემატება ხსნარს, იწვევს მის დაშლას. ასეთი გამოცდილების რეპროდუცირება ადვილია კალიუმის პერმანგანატის კრისტალების დამატებით 3% წყალბადის ზეჟანგის ხსნარში. მარილი KMp0 4 იქცევა Mn0 2-ად და ჟანგბადი სწრაფად გამოიყოფა ხსნარიდან ოქსიდის მოქმედებით:

კატალიზატორის პირდაპირი მოქმედება რეაქციის სიჩქარეზე დაკავშირებულია აქტივაციის ენერგიის შემცირებასთან. ნორმალურ ტემპერატურაზე დაიკლებს? და 20 კჯ/მოლ-ით ზრდის სიჩქარის მუდმივობას დაახლოებით 3000-ჯერ. დაქვეითება ე ლშეიძლება ბევრად უფრო ძლიერი იყოს. თუმცა, აქტივაციის ენერგიის შემცირება კატალიზატორის მოქმედების გარეგანი გამოვლინებაა. რეაქცია ხასიათდება გარკვეული მნიშვნელობით E. vრომელიც შეიძლება შეიცვალოს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ თავად რეაქცია შეიცვლება. ერთი და იგივე პროდუქტების მიცემით, რეაქცია დამატებული ნივთიერების მონაწილეობით მიმდინარეობს სხვა გზაზე, სხვადასხვა ეტაპებზე და განსხვავებული აქტივაციის ენერგიით. თუ ამ ახალ გზაზე აქტივაციის ენერგია უფრო დაბალია და რეაქციაც შესაბამისად უფრო სწრაფია, მაშინ ჩვენ ვამბობთ, რომ ეს ნივთიერება არის კატალიზატორი.

კატალიზატორი ურთიერთქმედებს ერთ-ერთ რეაგენტთან, აყალიბებს შუალედურ ნაერთს. რეაქციის ერთ-ერთ მომდევნო ეტაპზე კატალიზატორი რეგენერირებულია - ის რეაქციას ტოვებს თავდაპირველ ფორმაში. რეაგენტები, რომლებიც მონაწილეობენ კატალიზურ რეაქციაში, აგრძელებენ ურთიერთქმედებას ერთმანეთთან და ნელი გზის გასწვრივ კატალიზატორის მონაწილეობის გარეშე. მაშასადამე, კატალიზური რეაქციები მიეკუთვნება კომპლექსურ რეაქციებს, რომელსაც ეწოდება პარალელურად სერია. ნახ. 11.8 გვიჩვენებს სიჩქარის მუდმივის დამოკიდებულებას კატალიზატორის კონცენტრაციაზე. დამოკიდებულების გრაფიკი არ გადის ნულს, რადგან კატალიზატორის არარსებობის შემთხვევაში რეაქცია არ ჩერდება.

ბრინჯი. 11.8.

დაკვირვებადი მუდმივი კჯამის სახით გამოხატული k u+ & k c(k)

მაგალითი 11.5. -500 °C ტემპერატურაზე, გოგირდის ოქსიდის დაჟანგვის რეაქცია (IV)

რომელიც გოგირდმჟავას სამრეწველო წარმოების ერთ-ერთი ეტაპია, ძალიან ნელია. ტემპერატურის შემდგომი მატება მიუღებელია, ვინაიდან წონასწორობა მარცხნივ გადადის (ეგზოთერმული რეაქცია) და პროდუქტის მოსავლიანობა ძალიან იკლებს. მაგრამ ამ რეაქციას აჩქარებს სხვადასხვა კატალიზატორები, რომელთაგან ერთ-ერთი შეიძლება იყოს აზოტის ოქსიდი (II). პირველი, კატალიზატორი რეაგირებს ჟანგბადთან:

და შემდეგ გადასცემს ჟანგბადის ატომს გოგირდის ოქსიდში (IV):

ამრიგად, რეაქციის საბოლოო პროდუქტი იქმნება და კატალიზატორი რეგენერირებულია. რეაქციისთვის გაიხსნა ახალი ბილიკის გასწვრივ დინების შესაძლებლობა, რომელშიც მნიშვნელოვნად გაიზარდა სიჩქარის მუდმივები:

ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზე ნაჩვენებია S0 2 დაჟანგვის პროცესის ორივე გზა. კატალიზატორის არარსებობის შემთხვევაში, რეაქცია მიმდინარეობს მხოლოდ ნელი გზის გასწვრივ, ხოლო კატალიზატორის არსებობისას, ორივეს გასწვრივ.

არსებობს ორი სახის კატალიზი - ერთგვაროვანიდა ჰეტეროგენული.პირველ შემთხვევაში, კატალიზატორი და რეაგენტები ქმნიან ერთგვაროვან სისტემას გაზის ნარევის ან ხსნარის სახით. გოგირდის ოქსიდის დაჟანგვის მაგალითია ერთგვაროვანი კატალიზი. ჰომოგენური კატალიზური რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია როგორც რეაგენტების კონცენტრაციაზე, ასევე კატალიზატორის კონცენტრაციაზე.

ჰეტეროგენული კატალიზის დროს კატალიზატორი არის მყარი სუფთა სახით ან მხარდაჭერილი გადამზიდავი.მაგალითად, პლატინი, როგორც კატალიზატორი, შეიძლება დაფიქსირდეს აზბესტზე, ალუმინაზე და ა.შ. რეაგენტის მოლეკულები ადსორბირდება (შეიწოვება) გაზიდან ან ხსნარიდან კატალიზატორის ზედაპირის კონკრეტულ წერტილებში - აქტიურ ცენტრებში და ერთდროულად აქტიურდებიან. ქიმიური ტრანსფორმაციის შემდეგ მიღებული პროდუქტის მოლეკულები გამოიდევნება კატალიზატორის ზედაპირიდან. ნაწილაკების ტრანსფორმაციის აქტები მეორდება აქტიურ ცენტრებში. სხვა ფაქტორებთან ერთად, ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია კატალიზური მასალის ზედაპირის ფართობზე.

ჰეტეროგენული კატალიზი განსაკუთრებით ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში. ეს განპირობებულია უწყვეტი კატალიზური პროცესის განხორციელების სიმარტივით რეაგენტების ნარევის გავლისას კატალიზატორის საკონტაქტო აპარატის მეშვეობით.

კატალიზატორები მოქმედებენ შერჩევით, აჩქარებენ ძალიან სპეციფიკურ ტიპის რეაქციას ან თუნდაც ერთ რეაქციას სხვებზე გავლენის გარეშე. ეს შესაძლებელს ხდის კატალიზატორების გამოყენებას არა მხოლოდ რეაქციების დასაჩქარებლად, არამედ საწყისი მასალების მიზანმიმართულად გარდაქმნას სასურველ პროდუქტად. მეთანი და წყალი 450 ° C ტემპერატურაზე Fe 2 0 3 კატალიზატორზე გარდაიქმნება ნახშირორჟანგად და წყალბადად:

იგივე ნივთიერებები 850 °C-ზე რეაგირებენ ნიკელის ზედაპირზე და წარმოქმნიან ნახშირბადის მონოქსიდს (II) და წყალბადს:

კატალიზი მიეკუთვნება ქიმიის იმ სფეროებს, რომლებშიც ჯერ კიდევ შეუძლებელია ზუსტი თეორიული პროგნოზების გაკეთება. ნავთობპროდუქტების, ბუნებრივი აირის, ამიაკის წარმოების და მრავალი სხვა გადამუშავების ყველა სამრეწველო კატალიზატორი შემუშავებულია შრომატევადი და ხანგრძლივი ექსპერიმენტული კვლევების საფუძველზე.

ქიმიური პროცესების სიჩქარის კონტროლის უნარს შეუფასებელი მნიშვნელობა აქვს ადამიანის ეკონომიკურ საქმიანობაში. ქიმიური პროდუქტების სამრეწველო წარმოებისას, როგორც წესი, საჭიროა ტექნოლოგიური ქიმიური პროცესების ტემპების გაზრდა, ხოლო პროდუქტების შენახვისას საჭიროა დაშლის ან ჟანგბადის, წყლის და ა.შ. ცნობილი ნივთიერებები, რომლებსაც შეუძლიათ ქიმიური რეაქციების შენელება. მათ ეძახიან ინჰიბიტორები, ან უარყოფითი კატალიზატორები.ინჰიბიტორები ძირეულად განსხვავდებიან რეალური კატალიზატორებისგან იმით, რომ ისინი რეაგირებენ აქტიურ სახეობებთან (თავისუფალი რადიკალები), რომლებიც ამა თუ იმ მიზეზით წარმოიქმნება ნივთიერებაში ან მის გარემოში და იწვევენ ღირებულ დაშლისა და დაჟანგვის რეაქციებს. ინჰიბიტორები თანდათანობით მოიხმარენ და სრულდება მათი დამცავი მოქმედება. ინჰიბიტორების ყველაზე მნიშვნელოვანი ტიპია ანტიოქსიდანტები, რომლებიც იცავს სხვადასხვა მასალებს ჟანგბადის ზემოქმედებისგან.

ასევე უნდა გავიხსენოთ ის, რისი მიღწევაც შეუძლებელია კატალიზატორების დახმარებით. მათ შეუძლიათ მხოლოდ სპონტანური რეაქციების დაჩქარება. თუ რეაქცია სპონტანურად არ მიმდინარეობს, მაშინ კატალიზატორი ვერ შეძლებს მის აჩქარებას. მაგალითად, არცერთ კატალიზატორს არ შეუძლია წყლის დაშლა წყალბადად და ჟანგბადად. ეს პროცესი შეიძლება განხორციელდეს მხოლოდ ელექტროლიზით, ელექტრო სამუშაოების გატარების დროს.

კატალიზატორებს ასევე შეუძლიათ არასასურველი პროცესების გააქტიურება. ბოლო ათწლეულების განმავლობაში, ატმოსფეროს ოზონის შრის თანდათანობით განადგურება მოხდა 20-25 კმ სიმაღლეზე. ვარაუდობენ, რომ ზოგიერთი ნივთიერება მონაწილეობს ოზონის დაშლაში, მაგალითად, ჰალოგენირებული ნახშირწყალბადები, რომლებიც გამოიყოფა ატმოსფეროში სამრეწველო საწარმოების მიერ, ასევე გამოიყენება საყოფაცხოვრებო მიზნებისთვის.