واکنش ها کاتالیز می شوند. کاتالیزور در واکنش های شیمیایی

بیشتر فرآیندهای زیربنایی فناوری شیمیایی واکنش های کاتالیزوری هستند. این به این دلیل است که با معرفی یک کاتالیزور، میزان برهمکنش مواد به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. در این صورت، تولیدکنندگان می توانند هزینه ها را کاهش دهند یا محصولات واکنش بیشتری را در همان بازه زمانی بدست آورند. به همین دلیل است که در آموزش فناوران به مطالعه کاتالیزور توجه زیادی می شود. با این حال، این پدیده در طبیعت نیز نقش مهمی دارد. بنابراین، مواد خاص سیر واکنش های بیوشیمیایی را در موجودات زنده تنظیم می کنند و در نتیجه بر متابولیسم تأثیر می گذارند.

مفهوم کاتالیزور

ماهیت این پدیده شیمیایی تنظیم سرعت تبدیل مواد با استفاده از معرف های ویژه است که می تواند این فرآیند را کند یا تسریع کند. در این مورد، از کاتالیزور مثبت یا منفی صحبت می شود. همچنین پدیده اتوکاتالیز وجود دارد که یکی از محصولات میانی یک واکنش شیمیایی بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد. فرآیندهای کاتالیزوری متنوع هستند، آنها در مکانیسم، وضعیت تجمع ترکیبات و جهت متفاوت هستند.

موادی که برهمکنش‌های شیمیایی را کاهش می‌دهند، بازدارنده و آن‌هایی که واکنش‌های کاتالیزوری را تسریع می‌کنند، کاتالیزور نامیده می‌شوند. هم آن‌ها و هم سایرین، سرعت واکنش را با استفاده از تعامل میانی مکرر با یک یا چند نفر از شرکت‌کنندگان تغییر می‌دهند. در عین حال، آنها در ترکیب محصولات قرار نمی گیرند و پس از پایان چرخه تبدیل مواد بازسازی می شوند. بنابراین، مشارکت کاتالیزور از نظر استوکیومتری در معادله واکنش منعکس نمی شود، بلکه تنها به عنوان شرطی برای برهمکنش مواد نشان داده می شود.

انواع واکنش های کاتالیزوری

با توجه به وضعیت تجمع موادی که در یک واکنش شیمیایی شرکت می کنند، عبارتند از:

• واکنش های همگن - واکنش دهنده ها، محصولات و کاتالیزور در همان حالت تجمع (فاز) هستند، در حالی که مولکول های مواد به طور مساوی در سراسر حجم توزیع می شوند.
• واکنش های کاتالیزوری سطحی - در سطح مشترک مایعات غیر قابل امتزاج رخ می دهد و نقش کاتالیزور به انتقال معرف ها از طریق آن کاهش می یابد.
• واکنش های کاتالیزوری ناهمگن - در آنها، کاتالیزور حالت تجمعی متفاوت از واکنش دهنده ها دارد و خود روی سطح مشترک انجام می شود.
• واکنش‌های ناهمگن-همگن - در سطح مشترک با کاتالیزور آغاز می‌شوند و در حجم واکنش ادامه می‌یابند.
• واکنش های ریزهتروژن - ذرات کوچک یک کاتالیزور جامد میسل ها را در کل حجم فاز مایع تشکیل می دهند.

همچنین کاتالیز ردوکس وجود دارد که با تغییر در حالت اکسیداسیون کاتالیزور در اثر برهمکنش با معرف ها همراه است. چنین تبدیل‌هایی را واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش کاتالیزوری می‌نامند. رایج ترین روش در تولید مواد شیمیایی، اکسیداسیون دی اکسید گوگرد به تری اکسید در تولید اسید سولفوریک است.

انواع کاتالیزور

با توجه به حالت تجمع، کاتالیزورها مایع (H2SO4، H3RO4)، جامد (Pt، V2O5، Al2O3) و گازی (BF3) هستند.

با توجه به نوع ماده، کاتالیزورها به دو دسته تقسیم می شوند:

• فلزات - می توانند خالص، آلیاژی، جامد یا بر روی یک پایه متخلخل (آهن، پلاتین، نیکل، مس) قرار گیرند.
• ترکیبات فلزی از نوع M m En - رایج ترین اکسیدها MgO، Al 2 O 3، MoO 3 و غیره هستند.
• اسیدها و بازها - برای واکنش های کاتالیزوری اسید-باز استفاده می شود، اینها می توانند اسیدهای لوئیس، برونستد و غیره باشند.
• مجتمع های فلزی - این گروه همچنین شامل نمک های فلزات واسطه مانند PdCl 2 , Ni(CO) 4 است.
• آنزیم ها (آنها نیز آنزیم هستند) بیوکاتالیست هایی هستند که واکنش هایی را که در موجودات زنده انجام می شود سرعت می بخشند.

با توجه به مشخصات ساختار الکترونیکی، کاتالیزورهای d متمایز می شوند که دارای الکترون های d و اوربیتال های d و همچنین کاتالیزورهای s، p هستند که مرکز آنها عنصری با ظرفیت s و p-الکترون است.

خواص کاتالیزورها

برای استفاده مؤثر، فهرست نسبتاً گسترده ای از الزامات برای آنها اعمال می شود که برای یک فرآیند خاص متفاوت است. اما مهمترین آنها دو خاصیت کاتالیزور زیر است:

• ویژگی در توانایی کاتالیزورها برای تأثیرگذاری تنها بر یک واکنش یا مجموعه ای از تبدیل های مشابه است و بر سرعت واکنش های دیگر تأثیر نمی گذارد. بنابراین، پلاتین اغلب در واکنش های هیدروژناسیون آلی استفاده می شود.
• گزینش پذیری با توانایی تسریع یکی از چندین واکنش موازی ممکن مشخص می شود و در نتیجه بازده مهم ترین محصول را افزایش می دهد.

سرعت واکنش کاتالیزوری

دلیل تسریع برهمکنش مواد تشکیل یک کمپلکس فعال با یک کاتالیزور است که منجر به کاهش انرژی فعال سازی می شود.

طبق فرضیه اصلی سینتیک شیمیایی، سرعت هر واکنش شیمیایی با حاصلضرب غلظت مواد اولیه که در توان های مربوط به ضرایب استوکیومتری آنها گرفته می شود، نسبت مستقیم دارد:

v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z ,

که در آن k ثابت سرعت یک واکنش شیمیایی است که از نظر عددی برابر با سرعت همان واکنش است، مشروط بر اینکه غلظت ترکیبات شروع کننده 1 مول در لیتر باشد.

با توجه به معادله آرنیوس، k به انرژی فعال سازی بستگی دارد:

k \u003d A ∙ exp ^ (-E A / RT).

این نظم ها برای واکنش های کاتالیزوری نیز معتبر هستند. این با معادله نسبت ثابت های سرعت تایید می شود:

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

که در آن متغیرهای با شاخص K به واکنش های کاتالیزوری اشاره دارند.

مراحل واکنش های کاتالیزوری

برای واکنش های کاتالیزوری همگن، دو مرحله اصلی کافی است:

1. تشکیل کمپلکس فعال شده: A + K -> AA.
2. برهمکنش کمپلکس فعال شده با سایر مواد اولیه: AA + B -> C + K.

به صورت کلی معادله ای به شکل A + B -> C نوشته می شود.

مکانیسم واکنش های کاتالیزوری ناهمگن پیچیده است. شش مرحله زیر متمایز می شود:

1. آوردن ترکیبات اولیه به سطح کاتالیزور.
2. جذب معرف های اولیه توسط سطح کاتالیزور و تشکیل کمپلکس میانی: A + B + K ―> AVK.
3. فعال سازی کمپلکس حاصل: ΑVC ―> ΑVC * .
4. تجزیه ترکیب پیچیده، در حالی که محصولات تشکیل شده توسط کاتالیزور جذب می شوند: ΑВК * ―> CDK.
5. دفع محصولات حاصل توسط سطح کاتالیزور: CDK -> C + D + K.
6. حذف محصولات از کاتالیزور

نمونه هایی از واکنش های کاتالیزوری

کاتالیزورها نه تنها در صنایع شیمیایی استفاده می شوند. هر فردی در زندگی روزمره خود با واکنش های کاتالیزوری مختلفی مواجه است. به عنوان مثال، استفاده از پراکسید هیدروژن در درمان زخم ها است. پراکسید هیدروژن، هنگام تعامل با خون، تحت تأثیر عوامل زیر شروع به تجزیه می کند:

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

در خودروهای مدرن، مجهز به اتاقک های کاتالیزوری ویژه است که به تجزیه مواد مضر گازی کمک می کند. به عنوان مثال، پلاتین یا رودیم به کاهش آلودگی اکسید نیتروژن کمک می کند، که تجزیه می شود و O 2 و N 2 بی ضرر را تشکیل می دهد.

برخی از خمیردندان ها حاوی آنزیم هایی هستند که پلاک ها و بقایای غذا را تجزیه می کنند.

یکی از رایج ترین روش ها برای کنترل سرعت واکنش استفاده از کاتالیزور است.

کاتالیزورها- اینها موادی هستند که به طور فعال در مراحل میانی واکنش شرکت می کنند، سرعت فرآیند کلی را تغییر می دهند، اما در محصولات واکنش در حالت بدون تغییر یافت می شوند.

تغییر در سرعت واکنش در حضور کاتالیزور نامیده می شود کاتالیزورو خود واکنش ها واکنش های کاتالیزوری.

دو رویکرد برای طبقه بندی واکنش های کاتالیزوری وجود دارد.

1. با حضور مرز فاز، وجود دارد:

– کاتالیز همگنهنگامی که واکنش دهنده ها، کاتالیزور و محصولات واکنش در حجم یک فاز هستند.

– کاتالیز ناهمگنهنگامی که کاتالیزور و واکنش دهنده ها با محصولات واکنش در فازهای مختلف هستند. اغلب کاتالیزور یک فاز جامد را تشکیل می دهد، در حالی که واکنش دهنده ها و محصولات در فاز مایع یا در فاز گاز هستند.

2. با توجه به ماهیت تغییر در سرعت واکنش، این اتفاق می افتد:

– کاتالیزور مثبت، که در آن کاتالیزور سرعت واکنش را افزایش می دهد.

– کاتالیز منفی (مهار) که در آن کاتالیزور ( بازدارنده) سرعت واکنش را کاهش می دهد.

– اتوکاتالیزهنگامی که محصول واکنش نقش یک کاتالیزور را بازی می کند. به عنوان مثال، در هیدرولیز یک استر

CH 3 COOSH 3 + H 2 O CH 3 COOH + CH 3 OH

اسید استیک تشکیل شده در نتیجه واکنش یک یون هیدروژن را جدا می کند که شروع به ایفای نقش کاتالیزور برای واکنش هیدرولیز می کند. بنابراین، در ابتدا، یک واکنش آهسته پیشروی در طول زمان دارای سرعت فزاینده ای است.

برای توضیح مکانیسم واکنش های کاتالیزوری، پیشنهاد شد نظریه میانی. طبق این نظریه، با کاتالیزور مثبت، کاتالیزور ( به) یک ترکیب میانی با یکی از معرف ها با سرعت بالا تشکیل می دهد که همچنین به سرعت با معرف دوم تعامل می کند:

A + B D(به آرامی)

1) A + K AK(سریع)

2) AK + B D + K(سریع)

شکل 4a نشان می‌دهد که انرژی فعال‌سازی فرآیند غیرکاتالیستی بسیار بیشتر از انرژی‌های فعال‌سازی مرحله اول و دوم تبدیل کاتالیستی است. بنابراین، با کاتالیز مثبت نقش کاتالیزور کاهش انرژی فعال سازی واکنش است.

مسیر واکنش الف)

مسیر واکنش ب) مسیر واکنش الف)

شکل 4 نمودارهای انرژی واکنش کاتالیزوری (الف) و

واکنش مهار شده (ب)

در واکنش های بازداری، بازدارنده ( من) یک ترکیب میانی قوی را با سرعت بالا تشکیل می دهد ( هوش مصنوعی) که خیلی آهسته به محصول واکنش تبدیل می شود:

A + B D(به آرامی)

1) A + I AI(خیلی سریع)

2) AI + B D + I(خیلی آهسته)

شکل 4b نشان می دهد که مرحله اول بازداری، در مقایسه با فرآیند مهار نشده، انرژی فعال سازی کمتری دارد و بسیار سریع پیش می رود. در عین حال، انرژی فعال سازی مرحله دوم بازداری بسیار بیشتر از واکنش مهار نشده است. بنابراین، در واکنش های مهار شده نقش بازدارنده افزایش انرژی فعال سازی واکنش است.

ویژگی های آنزیماتیک

کاتالیز

آنزیم ها(از لات تخمیر- شروع کننده) - کاتالیزورهای بیولوژیکی موجود در تمام سیستم های بیولوژیکی. آنها تبدیل مواد را در بدن انجام می دهند و از این طریق متابولیسم را در آن هدایت و تنظیم می کنند. آنزیم ها به طور گسترده در صنایع غذایی و سبک استفاده می شوند. از نظر ماهیت شیمیایی، آنزیم ها یک مولکول پروتئین کروی هستند.

کاتالیز آنزیمی (بیوکاتالیز)- این شتاب واکنش های شیمیایی در سیستم های بیولوژیکی توسط پروتئین های خاص - آنزیم ها است. کاتالیز آنزیمی بر اساس همان قوانین شیمیایی است که اساس کاتالیز شیمیایی معمولی که در تولید مواد شیمیایی استفاده می شود. با این حال، کاتالیز آنزیمی ویژگی های خاص خود را دارد:

1. فعالیت بالاتردر مقایسه با کاتالیزورهای شیمیایی (افزایش سرعت 10 10 - 10 13 برابر). این به این دلیل است که واکنش های آنزیمی در تمام مراحل انرژی فعال سازی بسیار پایینی دارند (شکل 5).

2. بیشتر آنزیم ها متفاوت هستند خاص بودن عمل، به طوری که تقریباً هر واکنش تبدیل واکنش دهنده ( لایه) توسط یک آنزیم خاص وارد محصول می شود. دو نظریه در مورد ویژگی عملکرد آنزیم وجود دارد:

1) نظریه فیشر(نظریه "قفل کلید"): آنزیم و بستر باید از نظر ساختار فضایی مانند کلید قفل به یکدیگر نزدیک شوند.

2) نظریه کوشلند(تئوری "دست و دستکش"): آنزیم و بستر به طور جداگانه ممکن است اشکال فضایی متناظر با یکدیگر نداشته باشند، اما هنگامی که به آنها نزدیک شد، پیکربندی آنها به گونه ای تغییر می کند که مطابقت مکانی دقیق ممکن می شود.

3. آنزیم ها تمایل دارند پدیده غیر فعال سازی- تخریب مولکول آنزیم پس از برهمکنش با تعداد معینی از مولکول های سوبسترا. هرچه فعالیت آنزیم بیشتر باشد، سریعتر از بین می رود. پدیده غیرفعال سازی توسط نظریه کوشلند توضیح داده شده است. در واقع، هر چه آنزیم فعال تر باشد، تعامل شدیدتری با بستر دارد، که در آن مولکول آنزیم دچار تغییر شکل فضایی قابل توجهی می شود. چنین تغییر شکل های مکرری منجر به گسیختگی ضعیف ترین پیوندهای شیمیایی، یعنی تخریب مولکول آنزیم می شود.

4. هر آنزیم حاوی یک مولکول پروتئین است. تک جزئیفقط از یک مولکول پروتئین تشکیل شده اند دو جزئی- از یک مولکول پروتئین و یک جزء غیر پروتئینی مرتبط با آن (یک یون معدنی یا یک مولکول یک ترکیب آلی - اغلب یک مولکول ویتامین یا محصول تبدیل آن) - کوفاکتور. کمپلکس مولکولی یک پروتئین و یک کوفاکتور نامیده می شود هولوآنزیمکه بیشترین فعالیت کاتالیزوری را دارد. در ترکیب هولوآنزیم، قسمت پروتئینی نامیده می شود فرونو بخش غیر پروتئینی آگون. یک جزء پروتئینی فاقد کوفاکتور نامیده می شود آپوآنزیمو کوفاکتور جدا شده از مولکول پروتئین - کوآنزیم. به غیر از کوفاکتور، مولکول پروتئین دارای فعالیت بسیار کم است و کوآنزیم به عنوان کاتالیزور عموماً غیر فعال است.

5. بیشتر آنزیم ها تنظیم می شوندیعنی قادرند از حالت فعالیت کم به حالت فعالیت زیاد و بالعکس حرکت کنند. مکانیسم تنظیم یک سیستم پیچیده است که بدن به وسیله آن تمام عملکردهای خود را کنترل می کند.

6. آنزیم ها به تأثیر شرایط خارجی بسیار حساس هستند. آنها در محدوده نسبتاً باریکی از دماها و مقادیر pH فعال هستند.

مکانیسم واکنش های آنزیمی مشابه مکانیسم واکنش هایی است که توسط کاتالیزورهای شیمیایی کاتالیز می شوند:

S + E ES P + E،

یعنی در ابتدا خیلی سریع تشکیل می شود کمپلکس آنزیم-سوبسترا ES، که می تواند دوباره به بستر جدا شود اسو آنزیم E، بلکه به آرامی به محصول واکنش تبدیل می شود پ. در غلظت ثابت آنزیم، وابستگی نرخ اولیه تبدیل سوبسترا v0از غلظت اولیه آن شرح داده شده است معادله جنبشی مایکلیس-منتن:

v0 = ,

جایی که کیلومترو Vmax- پارامترهای جنبشی که مکانیسم عمل آنزیم را منعکس می کنند.

تکنیک تعیین این پارامترها بر اساس استفاده است معادلات لاین ویور-برککه با تبدیل معادله Michaelis-Menten به دست می آید:

= +

شکل 6 روش شناسی تعیین پارامترها را نشان می دهد کیلومترو Vmax. Vmax -حداکثر سرعت واکنش اولیه در غلظت معین آنزیم [ E] (شکل 7). فعالیت مولی آنزیم(a E) با رابطه تعیین می شود:

که تعداد مولکول های سوبسترای تبدیل شده توسط یک مولکول آنزیمی را در واحد زمان نشان می دهد. مثلا برای واکنش CO 2 + H 2 O H 2 CO 3کاتالیز شده توسط آنزیم خون کربنات دهیدراتاز و E \u003d 36 10 6 mol CO 2/ (min ∙ mol E)، یعنی 1 مولکول آنزیم در یک دقیقه تبدیل 36 میلیون مولکول را کاتالیز می کند. CO 2.

شکل 7 وابستگی سرعت اولیه واکنش آنزیمی به غلظت اولیه سوبسترا

پارامتر کیلومترمعنی مقدار بستر مورد نیاز برای اتصال نیمی از آنزیم موجود به کمپلکس آنزیم-سوبسترا و دستیابی به نیمی از حداکثر سرعت را دارد (شکل 7). از همین رو کیلومترمی توان از آن برای ارزیابی ویژگی عملکرد یک آنزیم خاص در رابطه با یک سوبسترا استفاده کرد. مثلا برای واکنش

مونوساکارید + ATPقند فسفات + ADP,

توسط آنزیم هگزوکیناز برای گلوکز به دست آمده کاتالیز می شود K m= 8∙10 –6 mol/l و برای آلوز K m= 8∙10 –3 mol/l. در نتیجه، آنزیم ترجیحاً با گلوکز تعامل دارد، زیرا برای رسیدن به همان نتیجه به 1000 برابر کمتر از آلوز نیاز دارد.

4. تعادل شیمیایی

هنگامی که به حالت تعادل شیمیایی رسید، تعداد مولکول های مواد تغییر نمی کند و در شرایط خارجی بدون تغییر در زمان ثابت می ماند. تعادل شیمیایی با ویژگی های زیر مشخص می شود:

1) برابری نرخ واکنش های مستقیم و معکوس؛

2) ثبات غلظت (فشار جزئی) اجزاء در شرایط خارجی ثابت؛

3) تحرک، یعنی توانایی بهبود خود به خود با جابجایی های کوچک.

4) تعادل با هر دو واکنش رو به جلو و معکوس حاصل می شود.

نمودار انرژی یک واکنش شیمیایی را در نظر بگیرید

A + B D(شکل 8). برای این واکنش:

شکل 8 نمودار انرژی یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر

در نتیجه، در یک دمای معین، واکنش های رو به جلو و معکوس دارای ثابت های سرعت مشخصی هستند. بنابراین، در واکنش های برگشت پذیر، منحنی های جنبشی شکل نشان داده شده در شکل 9 را دارند آ. از شکل مشخص است که پس از رسیدن به زمان t pغلظت اجزاء بدون تغییر باقی می ماند.

طبق قانون دراقدام توده ای

از شکل 9 بمشاهده می شود که پس از رسیدن به زمان تعادل tpبرابری سرعت به دست می آید. سپس

جایی که Kc= - ثابت تعادل شیمیایی که از غلظت تعادل اجزا تعیین می شود.

شکل 9 منحنی های جنبشی (الف) و وابستگی سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس به زمان (ب) برای یک واکنش برگشت پذیر

به طور کلی، برای واکنش

mA + nB qD + fE

ثابت تعادل توسط

بدین ترتیب، Kcیک پارامتر مشخصه سیستم واکنش در یک دمای معین است که نسبت غلظت اجزاء را در حالت تعادل شیمیایی تعیین می کند.

اگر واکنش در فاز گاز ادامه یابد، به جای غلظت، از فشار جزئی اجزای سیستم استفاده می شود. برای واکنش تعادلی بالا، ثابت تعادل که از فشار جزئی اجزا در حالت تعادل تعیین می‌شود، به صورت

برای گازهای ایده آل p i = C i RT. از همین رو

جایی که - تغییر در تعداد مول اجزا در طول واکنش است.

ارزش های Kcو Kpبه دما و ماهیت اجزای سیستم واکنش بستگی دارد.

از معادلات آرنیوس برای واکنش های مستقیم و معکوس به شرح زیر است:

لوگاریتم k pr=ln یک روابط عمومیو ln k arr=ln Arr

از آن به بعد

لوگاریتم K p=ln

جایی که ΔН prاثر حرارتی واکنش مستقیم است.

از معادله به دست می آید که وابستگی Kpشکل یک خط مستقیم دارد و برای آن (شکل 10)، از آنجا به شرح زیر است .

برای تعیین ΔH prروش تحلیلی مقدار را پیدا می کند Kpدر دو دمای مختلف و انجام محاسبات طبق فرمول

ΔH pr

شکل 10 تعیین اثر حرارتی یک واکنش گرماگیر مستقیم ( ΔН pr >0)

آخرین عبارت معادله انتگرال نامیده می شود ایزوبارهای یک واکنش شیمیایی. ثابت‌های تعادل را در دو دمای مختلف به هم مرتبط می‌کند و سیستم‌های تعادلی را توصیف می‌کند که در آن فشار کل با تغییر دما ثابت می‌ماند.

اگر حجم سیستم در هنگام تغییر دما ثابت بماند، مثلاً در واکنش‌های موجود در محلول‌ها، رابطه بین پارامترها از طریق بیان می‌شود. ایزوکور یک واکنش شیمیایی

ΔU pr .

با بحث در مورد جهت واکنش های شیمیایی از دیدگاه ترمودینامیک شیمیایی، اشاره شد که سیستم تحت شرایط در حالت تعادل شیمیایی قرار دارد. ∆G= 0. بر اساس این موقعیت، معادله ایزوترم های واکنش شیمیایی، که به شما امکان می دهد علامت را تعیین کنید ∆Gو بر این اساس، جهت واکنش شیمیایی تحت شرایط مخلوط کردن اجزای سیستم واکنش در نسبت های دلخواه:

ΔG= RT(ln-ln Kp)

جایی که p Aو p B- فشارهای جزئی دلخواه اجزاء به دست آمده از مخلوط کردن آنها.

رابطه مشابهی نیز برای سیستمی که اجزای آن در محلول هستند پیشنهاد شد.

مثلا برای واکنش

mA+nB qD+fE،

که تعادل آن در فاز مایع برقرار است، معادله ایزوترم واکنش شیمیایی به شکل زیر است:

ΔG= RT(ln-ln Kc)

کسر مولی اجزا در محلول که با مخلوط کردن مقدار دلخواه مواد به دست می آید کجاست. الف، ب، دو E.

تغییر تعادلتغییر دما، غلظت، فشار سیستمی که در حالت تعادل است، آن را از حالت تعادل خارج می کند. اما پس از مدت زمان معین، مجدداً یک حالت تعادل جدید در سیستم برقرار می شود که پارامترهای آن از قبل با حالت اولیه متفاوت است. چنین انتقالی از یک سیستم از یک حالت تعادلی به حالت تعادلی دیگر تحت شرایط متغیر، تغییر در تعادل نامیده می شود. برای افزایش بازده محصول هدف برای سیستم هایی که دارای ثابت های تعادلی کوچکی هستند استفاده می شود. علاوه بر این، روش تغییر تعادل می تواند فرآیندهای نامطلوب موازی را سرکوب کند.

اما در عین حال باید دو عامل را در نظر داشت که بر وضعیت تعادل تأثیر نمی گذارد. اولاً، معرفی یک کاتالیزور به یک سیستم تعادلی منجر به تغییر در تعادل نمی شود. کاتالیزور به طور همزمان انرژی فعال سازی واکنش های رو به جلو و معکوس را کاهش می دهد که منجر به افزایش سرعت هر دو واکنش به یک میزان می شود. در نتیجه استفاده از کاتالیزور، در مدت زمان کوتاه تری به حالت تعادل می رسد. دوم، در سیستم های تعادل ناهمگن، غلظت و فشار جزئی جامدات نامحلول و غیرفرار در بیان ثابت تعادل لحاظ نمی شود. مثلا برای واکنش FeO + CO Fe + CO 2ثابت تعادل به صورت تعریف شده است Kp= .

اثر دما.معادلات ایزوکورهاو ایزوبارهاپیش بینی جهت تغییر تعادل با تغییر دما را ممکن می سازد. به عنوان مثال، اگر سیستم در حالت تعادل باشد و واکنش رو به جلو گرمازا باشد (DH pr <0), то при повышении температуры (T 2 > T 1) نابرابری K p,2 K p,1. این نشان می دهد که در حالت تعادل جدید، فشار جزئی محصولات واکنش کمتر خواهد بود، یعنی واکنش به سمت چپ تغییر می کند.

افزایش دما تعادل را در جهت یک واکنش گرماگیر و کاهش دما در جهت یک واکنش گرمازا تغییر می دهد.

بنابراین، بالاترین بازده محصولات حاصل می شود:

برای واکنش های گرمازا در دماهای پایین؛

برای واکنش های گرماگیر در دماهای بالا.

تأثیر تمرکز (فشار جزئی).معادله ایزوترم هاامکان پیش‌بینی جهت تغییر تعادل در زمانی که غلظت هر جزء از سیستم تعادل تغییر می‌کند. بگذارید سیستم در حالت تعادل باشد. سپس ΔG= 0 و غلظت اجزاء در معادله ایزوترم با مقادیر تعادلی مطابقت دارد و = Kc. اگر بخشی از محصولات واکنش از سیستم حذف شود، آنگاه با نسبت پارامترها حالت غیرتعادلی ایجاد می شود. Kcو به همین ترتیب، ΔG< 0. آخرین نابرابری یک شرط ترمودینامیکی برای وقوع خود به خودی یک واکنش مستقیم است. در نتیجه، با تبدیل بخشی از معرف‌های اولیه به محصولات واکنش - با جابجایی تعادل به سمت راست، حالت تعادل جدیدی حاصل می‌شود.

افزایش غلظت (فشار جزئی) معرف های اولیه تعادل را به سمت تشکیل محصولات تغییر می دهد و کاهش غلظت آنها (فشار جزئی) - به سمت تبدیل معکوس محصولات به محصولات اصلی. افزایش غلظت (فشار جزئی) محصولات باعث تغییر تعادل در جهت واکنش معکوس و کاهش غلظت آنها (فشار جزئی) در جهت واکنش مستقیم می شود.

بنابراین برای افزایش بازده محصول واکنش، باید با خروج تدریجی محصولات از سیستم واکنش، غلظت (فشار جزئی) معرف های اولیه را افزایش داد یا غلظت (فشار جزئی) محصولات را کاهش داد.

تاثیر فشار کل سیستم. اجازه دهید یک سیستم فاز گازی تعادلی داده شود mA nB، برای کدام n m، یعنی واکنش مستقیم با افزایش تعداد مولکول ها ادامه می یابد.

طبق قانون دالتون، p A = p∙y Aو p B = p∙y B، جایی که آر- فشار کل در سیستم؛ r A, r Bفشار جزئی اجزا هستند. y A، y Bکسر مولی اجزا در فاز گاز هستند. سپس معادله ایزوترم به شکل زیر در می آید

اگر تحت فشار باشد ص 1پس سیستم در تعادل است

.

افزایش فشار به p 2 سیستم را از حالت تعادل خارج می کند. زیرا ( p-t) 0، سپس رابطه زیر از پارامترهای سیستم بوجود می آید

و ∆G> 0.

این شرایط ترمودینامیکی برای وقوع واکنش معکوس است. در نتیجه، با افزایش فشار، حالت تعادل جدیدی در نتیجه تبدیل معکوس محصول ایجاد خواهد شد. که دربه اتصال اصلی آ، در نتیجه تعداد کل مولکول های سیستم کاهش می یابد.

با جمع بندی نتایج به دست آمده می توان به نتایج زیر دست یافت:

افزایش فشار کل سیستم باعث تغییر تعادل در جهت واکنشی می شود که با کاهش تعداد مولکول ها اتفاق می افتد.

کاهش فشار کل سیستم منجر به تغییر تعادل به سمت واکنشی می شود که با افزایش تعداد مولکول ها ادامه می یابد.

تعمیم الگوهای تأثیر همه عوامل بر جهت تغییر تعادل منجر به قاعده ای به نام اصل لو شاتلیه:

اگر تأثیر خارجی بر روی یک سیستم تعادلی اعمال شود (تغییر دما، غلظت یا فشار جزئی اجزاء، فشار کل)، آنگاه به گونه ای واکنش نشان می دهد که تأثیر این تأثیر ضعیف می شود.

واکنش های فتوشیمیایی

واکنش های شیمیایی که تحت تأثیر نور انجام می شود نامیده می شود واکنش های فتوشیمیایی. مهم‌ترین واکنش‌های فتوشیمیایی شامل تشکیل ازن از اکسیژن مولکولی تحت تأثیر تابش فرابنفش خورشید است:

O 2 + h O

O + O 2 O 3 + O

ازن حاصله حدود 3اشعه ماوراء بنفش را در محدوده 250-260 mmk جذب می کند که تأثیر مخربی بر موجودات زنده دارد. یکی دیگر از واکنش های فتوشیمیایی مهم فتوسنتز است که منجر به جذب دی اکسید کربن از جو توسط گیاهان و آزاد شدن اکسیژن می شود. تجزیه فتوشیمیایی برمید نقره در قلب فرآیند عکاسی قرار دارد.

انرژی فوتون (کوانتومی تابشی) E) توسط رابطه تعیین می شود

E = h

جایی که ساعت- ثابت پلانک (h 6.626 10 J∙s)؛ - فرکانس تابش، s. طول موج نور مرئی، اشعه مادون قرمز و فرابنفش در محدوده 100 نانومتر تا 1000 نانومتر قرار دارد و انرژی آنها از 120 کیلوژول بر مول تا 1200 کیلوژول بر مول است. یک کوانتوم تابشی توسط یک الکترون منفرد از یک اتم در یک مولکول جذب می شود، در نتیجه این الکترون به سطح انرژی بالاتری می رود. در نتیجه، سه پیامد متفاوت جذب انرژی به شکل تشعشع وجود دارد:

1. یک اتم یا مولکول به حالت برانگیخته می رود:

A + h A *

M + h M *

2. تفکیک یک مولکول با تشکیل اتم یا رادیکال های آزاد:

AB + h A + B

3. آموزش و پرورش سادهیا یون های مولکولیبا حذف یک الکترون:

A + h A + +

AB + h AB + +

تمامی این فرآیندها تابع قوانین زیر هستند.

1. واکنش های فتوشیمیایی فقط می تواند توسط آن قسمت از تابش فرودی ایجاد شود که توسط سیستم واکنش جذب می شود. قانون گروتوس-دریپر).

2. هر کوانتوم تابشی جذب شده باعث تبدیل تنها یک مولکول می شود. قانون انیشتین استارک).

3. مقدار محصول تشکیل شده در نتیجه یک واکنش فتوشیمیایی با شدت تابش جذب شده و زمان قرار گرفتن متناسب است. قانون وانت هاف).

آخرین قانون را می توان به شکل ریاضی نشان داد:

m = kt،

جایی که مترجرم ماده تبدیل شده فتوشیمیایی، g است. قدرت تابش جذب شده است، یعنی. مقدار انرژی که شار نوری را از طریق واحد سطح در واحد زمان منتقل می کند، J / s. تی- زمان تابش، s. ک- ثابت سرعت واکنش، g/J.

در حین تأیید آزمایشی قوانین 1 و 2، گاهی اوقات یک اختلاف ظاهری مشاهده می شود. اولا، تعداد کوانتوم های جذب شده با تعداد مولکول های واکنش دهنده ماده برابر نیست، یعنی. گویی قانون انیشتین استارک نقض شده است. بنابراین، برای توصیف فرآیندهای فتوشیمیایی، مفهوم بازده کوانتومی، که برابر است با نسبت تعداد مولکولهای واکنش واقعی به تعداد کوانتومهای جذب شده. مقدار در محدوده 10 -3 تا 10 6 متفاوت است. در<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 نشت در سیستم واکنش زنجیره ای. در این حالت، کوانتوم تابش جذب شده باعث ظهور یک ذره فعال می شود که متعاقباً زنجیره ای از تبدیلات ثانویه ایجاد می کند.

دومابرخی از مواد نور را در ناحیه مرئی یا فرابنفش جذب نمی‌کنند، با این حال، وقتی تحت تابش قرار می‌گیرند، می‌توانند تغییر شکل دهند. بنابراین، همانطور که بود، قانون گروتگوس نقض می شود. معلوم شد که در این مورد کوانتوم تابش توسط مواد خاصی جذب می شود - حساس کننده های نور، که انرژی جذب شده را به ماده دیگری منتقل می کند که در نتیجه دچار دگرگونی شیمیایی می شود. بنابراین، نقض قانون گروتوس فقط آشکار است. به عنوان مثال، هیدروژن مولکولی نور با طول موج 253.7 نانومتر را جذب نمی کند. با این حال، هنگامی که مخلوطی از بخار جیوه و هیدروژن تحت تابش قرار می گیرد، فرآیند تجزیه مولکول های هیدروژن به اتم مشاهده می شود:

جیوه + ساعت جیوه *

جیوه * + H 2 جیوه + H + H

یک فرآیند حساس به نور مشابه است فتوسنتز- سنتز کربوهیدرات ها از مونوکسید کربن (IV) و آب، همراه با آزاد شدن اکسیژن. مولکول کلروفیل به عنوان یک حساس کننده برای این واکنش فتوشیمیایی عمل می کند. علاوه بر این، کلروفیل بانرژی تابش نور را جذب و جمع آوری می کند. پس از تحریک نوری، انرژی اضافی را به مولکول کلروفیل منتقل می کند آ، که سپس مستقیماً در فرآیند فتوسنتز شرکت می کند.

کل فرآیند فتوسنتز با واکنش زیر بیان می شود:

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O، G 0 \u003d 2861.9 کیلوژول در مول

فتوسنتز یک فرآیند ردوکس پیچیده است که واکنش های فتوشیمیایی را با واکنش های آنزیمی ترکیب می کند. در مکانیسم فتوسنتز، دو مرحله متمایز می شود - سبکو آبی تیره. مرحله نور شامل خود واکنش های فتوشیمیایی و واکنش های آنزیمی مرتبط با آنها است که اکسیداسیون آب را کامل می کند و نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات احیا شده را تشکیل می دهد. NADPH 2و آدنوزین تری فسفریک اسید ( ATP). در مرحله تاریک NADPH 2و ATPمولکول را بازیابی کنید CO 2قبل از CH 2 Oو سپس یک مونوساکارید در چرخه ای از واکنش های آنزیمی جفت شده که بدون مشارکت یک کوانتوم تابشی انجام می شود، تشکیل می شود.

خواص راه حل

اطلاعات کلی

راه حل هاتماس گرفت همگنسیستم های (تک فازی) متشکل از حلال ها، املاح و محصولات حاصل از برهمکنش آنها که غلظت آنها می تواند در محدوده وسیعی متفاوت باشد.

آنها می توانند جامد، مایع و گاز باشند. فرآیندهای موجود در اشیاء بیولوژیکی و فرآیندهای تکنولوژیکی در صنایع تبدیلی کشاورزی در محلول‌های آبی پیش می‌رود. بنابراین، در آینده، ما خود را به در نظر گرفتن تنها محلول های آبی مواد مختلف محدود می کنیم.

در طول انحلال، توزیع یکنواخت مولکول ها یا یون های ماده محلول در حجم حلال اتفاق می افتد. با این حال، انحلال را نمی توان به عنوان یک فرآیند فیزیکی صرفاً انتشار یک ماده به ماده دیگر در نظر گرفت. این امر با انتشار مقدار قابل توجهی گرما هنگامی که مواد خاصی در آب حل می شوند نشان می دهد. H2SO4، NaOHو دیگران). مشخص شده است که فعل و انفعالات شیمیایی بین مولکول های حلال و مولکول ها یا یون های املاح امکان پذیر است که با شکستن برخی از آنها و تشکیل پیوندهای شیمیایی دیگر همراه است. این منجر به تشکیل محصولاتی از برهمکنش حلال با املاح می شود که به نام حل شده ها،و در محلول های آبی هیدرات می کند. خود فرآیند تعامل نامیده می شود حل شدنیا هیدراتاسیون

در حال حاضر راه حل هایی در نظر گرفته شده است فیزیکی-سیستم های شیمیاییدر خواص خود جایگاهی میانی بین مخلوط های مکانیکی و ترکیبات شیمیایی را اشغال می کنند و دارای الگوهای فیزیکی و شیمیایی مشخصه خود هستند.

ویژگی اصلی هر راه حل آن است تمرکز. به عنوان یک قاعده، حلال جزء محلول است که به مقدار نسبتاً زیادی موجود است و حالت فاز آن را تعیین می کند. خواص فیزیکوشیمیایی محلول ها به غلظت آنها بستگی دارد. از این قبیل وابستگی ها زیاد است. همه آنها با این فرض به دست آمدند که راه حل است کامل. کاملراه حلی نامیده می شود که در آن:

1) غلظت ماده محلول بسیار کم است - کسر مول کمتر از 0.005 است.

2) املاح غیر فرار است، یعنی مولکول های آن نمی توانند فاز مایع را در فاز گاز ترک کنند.

3) هیچ نیروی برهمکنشی بین ذرات محلول وجود ندارد، یعنی گرمای اختلاط صفر است ( H p= 0) و تغییری در حجم سیستم وجود ندارد ( Vp = 0);

کاتاملیس-شتاب انتخابی یکی از جهت‌های مجاز ترمودینامیکی یک واکنش شیمیایی تحت اثر یک کاتالیزور (ها) که مکرراً وارد یک برهمکنش شیمیایی میانی با شرکت‌کنندگان در واکنش می‌شود و ترکیب شیمیایی آن را پس از هر چرخه فعل و انفعالات شیمیایی میانی بازیابی می‌کند. . اصطلاح "کاتالیز" در سال 1835 توسط دانشمند سوئدی یونس یاکوب برزلیوس معرفی شد.

پدیده کاتالیز در طبیعت گسترده است (بیشتر فرآیندهای رخ داده در موجودات زنده کاتالیزوری هستند) و به طور گسترده در فناوری (در پالایش نفت و پتروشیمی، در تولید اسید سولفوریک، آمونیاک، اسید نیتریک و غیره) استفاده می شود. بیشتر واکنش های صنعتی کاتالیزوری هستند.

کاتالیزورهاموادی که سرعت واکنش های شیمیایی را تغییر می دهند نامیده می شوند.

برخی کاتالیزورها واکنش را بسیار تسریع می کنند - کاتالیزور مثبت یا فقط کاتالیز، برخی دیگر سرعت کاتالیزور منفی را کاهش می دهند. نمونه هایی از کاتالیز مثبت عبارتند از تولید اسید سولفوریک، اکسیداسیون آمونیاک به اسید نیتریک با استفاده از کاتالیزور پلاتین و غیره.

با توجه به تأثیر بر سرعت واکنش، کاتالیز به دو دسته مثبت (سرعت واکنش افزایش می یابد) و منفی (سرعت واکنش کاهش می یابد) تقسیم می شود. در مورد دوم، یک فرآیند مهار اتفاق می افتد که نمی توان آن را "کاتالیز منفی" در نظر گرفت، زیرا بازدارنده در طول واکنش مصرف می شود.

کاتالیز می تواند همگن و ناهمگن (تماسی) باشد. در کاتالیزور همگن، کاتالیزور در همان فاز واکنش دهنده ها است، در حالی که کاتالیزورهای ناهمگن در فاز متفاوت هستند.

کاتالیز همگن

یک مثالکاتالیز همگن تجزیه پراکسید هیدروژن در حضور یون های ید است. واکنش در دو مرحله انجام می شود:

H2 O2+I> H2O+IO، H2O2+io> H2O + O2+ من

در کاتالیز همگن، عمل کاتالیزور به این دلیل است که با واکنش دهنده ها برهمکنش می کند و ترکیبات واسطه ای را تشکیل می دهد که منجر به کاهش انرژی فعال سازی می شود.

کاتالیز ناهمگن

در کاتالیز ناهمگن، شتاب فرآیند معمولاً روی سطح یک جسم جامد - کاتالیزور اتفاق می افتد، بنابراین فعالیت کاتالیزور به اندازه و خواص سطح آن بستگی دارد. در عمل، کاتالیزور معمولاً روی یک تکیه گاه متخلخل جامد پشتیبانی می شود.

مکانیسم کاتالیز ناهمگن پیچیده تر از کاتالیز همگن است. مکانیسم کاتالیز ناهمگن شامل پنج مرحله است که همه آنها برگشت پذیر هستند.

• 1. انتشار واکنش دهنده ها به سطح یک جامد
• 2. جذب فیزیکی در محل های فعال سطح یک ماده جامد از مولکول های واکنش دهنده و سپس جذب شیمیایی آنها
• 3. واکنش شیمیایی بین مولکول های واکنش دهنده
• 4. دفع محصولات از سطح کاتالیزور
• 5. انتشار محصول از سطح کاتالیزور به جریان عمومی

نمونه ای از کاتالیز ناهمگن، اکسیداسیون SO 2 به SO 3 بر روی کاتالیزور V 2 O 5 در تولید اسید سولفوریک (روش تماس) است.

بیشتر واکنش‌های کاتالیزوری بر روی کاتالیزورهای متخلخل انجام می‌شود که سطح داخلی آن از منافذ و کانال‌هایی با اندازه‌ها و طول‌های مختلف تشکیل شده است. این منافذ ممکن است جدا شده یا به یکدیگر متصل شوند. عامل اصلی تعیین کننده سرعت و ماهیت حرکت گازها در منافذ کاتالیزور اندازه منافذ است. سرعت حرکت آزاد مولکول ها می تواند به 1000 متر بر ثانیه برسد و کاهش سرعت حرکت در منافذ با برخورد بین مولکول های گاز و با دیواره های منافذ همراه است.

بیشتر واکنش‌های کاتالیزوری غیرانتخابی هستند، که محدودیت‌های شناخته شده‌ای را بر روش‌های تحلیل جنبشی تحمیل می‌کند.

بیشتر واکنش های کاتالیزوری شامل چندین نوع مختلف اتم و مولکول است. البته تعیین مکانیسم واکنش و ماهیت نیروهای وارده بین این اتم ها و مولکول ها و بین آنها و سطح کار دشواری است، اما می توان با مطالعه رفتار جذب یک نوع اتم یا مولکول آن را ساده کرد. . چنین مطالعاتی نشان داده است که وقتی مولکول‌های خاصی روی جاذب‌های خاصی جذب می‌شوند، پیوند موجود در مولکول شکسته می‌شود و دو پیوند با جاذب ظاهر می‌شود. در این حالت، مولکول جذب شده به دو اتم جذب شده تبدیل می شود. این فرآیند یک واکنش شیمیایی سطحی است و اتم های جذب شده تشکیل شده را اتم های جذب شیمیایی می نامند. اگر چنین واکنشی در دماهای به اندازه کافی پایین رخ ندهد و مولکول های جذب شده به دو اتم جذب شده تجزیه نشوند، به چنین مولکول هایی جذب فیزیکی می گویند.

اس. آی. لوچنکوف

شیمی فیزیکی و کلوئیدی

چکیده سخنرانی برای دانشجویان دانشکده زیست شناسی دانشگاه فدرال جنوبی (RSU)

2.3 فرآیندهای کاتالیزوری

سرعت یک واکنش شیمیایی در یک دمای معین با سرعت تشکیل کمپلکس فعال شده تعیین می شود که به نوبه خود به مقدار انرژی فعال سازی بستگی دارد. در بسیاری از واکنش های شیمیایی، ساختار کمپلکس فعال شده ممکن است شامل موادی باشد که از نظر استوکیومتری واکنش دهنده نیستند. بدیهی است که در این حالت مقدار انرژی فعال سازی فرآیند نیز تغییر می کند. در صورت وجود چندین حالت گذار، واکنش عمدتاً در مسیری با کمترین مانع فعال سازی پیش خواهد رفت.

کاتالیز پدیده تغییر سرعت یک واکنش شیمیایی در حضور موادی است که حالت و کمیت آنها پس از واکنش بدون تغییر باقی می ماند.

تمیز دادن مثبتو منفیکاتالیز (به ترتیب افزایش و کاهش سرعت واکنش)، اگرچه اغلب اصطلاح "کاتالیز" فقط به معنای کاتالیز مثبت است. کاتالیز منفی نامیده می شود بازداری.

ماده ای که بخشی از ساختار یک کمپلکس فعال شده است، اما از نظر استوکیومتری واکنش دهنده نیست، کاتالیزور نامیده می شود. همه کاتالیزورها با ویژگی های کلی مانند ویژگی و انتخاب عمل مشخص می شوند.

اختصاصیکاتالیزور در توانایی آن نهفته است که فقط یک واکنش یا گروهی از واکنش‌های مشابه را تسریع می‌کند و بر سرعت واکنش‌های دیگر تأثیر نمی‌گذارد. به عنوان مثال، بسیاری از فلزات واسطه (پلاتین، مس، نیکل، آهن، و غیره) کاتالیزور برای فرآیندهای هیدروژناسیون هستند. اکسید آلومینیوم واکنش های هیدراتاسیون و غیره را کاتالیز می کند.

گزینش پذیریکاتالیزور - توانایی شتاب بخشیدن به یکی از واکنش های موازی ممکن در شرایط معین. به همین دلیل، می توان با استفاده از کاتالیزورهای مختلف، محصولات مختلفی را از مواد اولیه یکسان بدست آورد:

: 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

دلیل افزایش سرعت واکنش با کاتالیز مثبت، کاهش انرژی فعال سازی زمانی است که واکنش از طریق کمپلکس فعال شده با مشارکت کاتالیزور پیش می رود (شکل 2.8).

از آنجایی که، طبق معادله آرنیوس، ثابت سرعت یک واکنش شیمیایی به طور تصاعدی به انرژی فعال سازی وابسته است، کاهش در دومی باعث افزایش قابل توجهی در ثابت سرعت می شود. در واقع، اگر فرض کنیم که عوامل پیش‌نمایی در معادله آرنیوس (II.32) برای واکنش‌های کاتالیزوری و غیرکاتالیستی نزدیک باشند، برای نسبت ثابت‌های سرعت می‌توانیم بنویسیم:

اگر ΔE A = -50 کیلوژول بر مول، آنگاه نسبت ثابت های سرعت 2.7·10 6 برابر خواهد بود (در واقع، در عمل، چنین کاهشی در E A سرعت واکنش را تقریباً 10 5 برابر افزایش می دهد).

لازم به ذکر است که وجود یک کاتالیزور بر میزان تغییر پتانسیل ترمودینامیکی در نتیجه فرآیند تأثیر نمی گذارد و بنابراین، هیچ کاتالیزوری نمی تواند یک فرآیند غیرممکن ترمودینامیکی را خود به خود ایجاد کند (فرآیندی که ΔG (ΔF) آن بزرگتر از صفر است). کاتالیزور مقدار ثابت تعادل را برای واکنش های برگشت پذیر تغییر نمی دهد. اثر کاتالیزور در این مورد فقط در تسریع دستیابی به یک حالت تعادل است.

بسته به حالت فاز واکنش دهنده ها و کاتالیزور، کاتالیز همگن و ناهمگن متمایز می شوند.

برنج. 2.8نمودار انرژی یک واکنش شیمیایی بدون کاتالیزور (1)
و در حضور کاتالیزور (2).

2.3.1 کاتالیز همگن.

کاتالیز همگن یک واکنش کاتالیزوری است که در آن واکنش دهنده ها و کاتالیزور در یک فاز هستند. در مورد فرآیندهای کاتالیزوری همگن، کاتالیزور محصولات واکنشی میانی را با معرف ها تشکیل می دهد. واکنشی را در نظر بگیرید

A + B ––> C

در حضور یک کاتالیزور، دو مرحله سریع انجام می شود که منجر به تشکیل ذرات ترکیب میانی AA و سپس (از طریق کمپلکس فعال شده AVK #) محصول نهایی واکنش با بازسازی کاتالیزور می شود:

A + K ––> AK

AK + V --> C + K

نمونه ای از چنین فرآیندی تجزیه استالدهید است که انرژی فعال سازی آن E A = 190 کیلوژول بر مول است:

CH 3 CHO --> CH 4 + CO

در حضور بخار ید، این فرآیند در دو مرحله انجام می شود:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI -–> CH 4 + I 2

کاهش انرژی فعال سازی این واکنش در حضور کاتالیزور 54 کیلوژول بر مول است. در این حالت ثابت سرعت واکنش تقریباً 105 افزایش می یابد. رایج ترین نوع کاتالیز همگن، کاتالیز اسیدی است که در آن یون های هیدروژن H+ به عنوان کاتالیزور عمل می کنند.

2.3.2 اتوکاتالیز.

اتوکاتالیز- فرآیند شتاب کاتالیزوری یک واکنش شیمیایی توسط یکی از محصولات آن. یک مثال هیدرولیز استرهایی است که توسط یون های هیدروژن کاتالیز می شوند. اسیدی که در طول هیدرولیز تشکیل می شود با تشکیل پروتون ها جدا می شود که واکنش هیدرولیز را تسریع می کنند. یکی از ویژگی های واکنش اتوکاتالیستی این است که این واکنش با افزایش مداوم غلظت کاتالیزور ادامه می یابد. بنابراین، در دوره اولیه واکنش، سرعت آن افزایش می یابد و در مراحل بعدی، در نتیجه کاهش غلظت معرف ها، سرعت شروع به کاهش می کند. منحنی جنبشی حاصل از یک واکنش اتوکاتالیستی دارای فرم مشخصه S شکل است (شکل 2.9).

برنج. 2.9منحنی جنبشی محصول واکنش اتوکاتالیستی

2.3.3 کاتالیز ناهمگن.

کاتالیز ناهمگن - واکنش های کاتالیزوری که در سطح مشترک بین فازهای تشکیل شده توسط کاتالیزور و واکنش دهنده ها رخ می دهد. مکانیسم فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن بسیار پیچیده تر از کاتالیز همگن است. در هر واکنش کاتالیزوری ناهمگن، حداقل شش مرحله قابل تشخیص است:

1. انتشار مواد اولیه به سطح کاتالیزور.

2. جذب مواد اولیه روی سطح با تشکیل برخی ترکیبات میانی:

A + B + K --> AVK

3. فعال سازی حالت جذب شده (انرژی مورد نیاز برای این انرژی فعال سازی واقعی فرآیند است):

AVK ––> AVK #

4. تجزیه کمپلکس فعال شده با تشکیل محصولات واکنش جذب شده:

ABK # ––> CDK

5. دفع محصولات واکنش از سطح کاتالیزور.

SDK ––> С + D + К

6. انتشار محصولات واکنش از سطح کاتالیزور.

ویژگی خاص فرآیندهای هتروکاتالیستی، توانایی کاتالیزور در ارتقاء و مسموم شدن است.

ترویج- افزایش فعالیت کاتالیزور در حضور موادی که خود کاتالیزورهای این فرآیند نیستند (پروفورتر). به عنوان مثال، برای واکنشی که توسط نیکل فلزی کاتالیز می شود

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

ورود ناخالصی کمی از سریم به کاتالیزور نیکل منجر به افزایش شدید فعالیت کاتالیزور می شود.

مسمومیت- کاهش شدید فعالیت کاتالیزور در حضور برخی مواد (به اصطلاح سموم کاتالیزوری). به عنوان مثال، برای واکنش سنتز آمونیاک (کاتالیزور - آهن اسفنجی)، وجود ترکیبات اکسیژن یا گوگرد در مخلوط واکنش باعث کاهش شدید فعالیت کاتالیزور آهن می شود. در عین حال، توانایی کاتالیزور برای جذب مواد اولیه بسیار اندکی کاهش می یابد.

برای توضیح این ویژگی‌های فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن، G. Taylor این فرض را مطرح کرد: تمام سطح کاتالیزور از نظر کاتالیزوری فعال نیست، بلکه فقط برخی از بخش‌های آن - به اصطلاح. مراکز فعال که ممکن است عیوب مختلف در ساختار کریستالی کاتالیست باشد (مثلاً برآمدگی یا فرورفتگی در سطح کاتالیزور). در حال حاضر، هیچ نظریه واحدی در مورد کاتالیز ناهمگن وجود ندارد. برای کاتالیزورهای فلزی، الف نظریه چندگانه . مفاد اصلی نظریه چندگانه به شرح زیر است:

1. مرکز فعال کاتالیزور مجموعه ای از تعداد معینی از مراکز جذب است که بر روی سطح کاتالیزور در مطابقت هندسی با ساختار مولکول در حال تغییر شکل قرار دارند.

2. هنگامی که مولکول های واکنش دهنده در مرکز فعال جذب می شوند، یک مجتمع چندگانه تشکیل می شود که در نتیجه پیوندها دوباره توزیع می شوند و منجر به تشکیل محصولات واکنش می شود.

نظریه چندگانه ها را گاهی نظریه شباهت هندسی بین مرکز فعال و مولکول های واکنش دهنده می نامند. برای واکنش های مختلف، تعداد مراکز جذب (که هر کدام با یک اتم فلز مشخص می شود) در مرکز فعال متفاوت است - 2، 3، 4 و غیره. این گونه مراکز فعال به ترتیب دوتایی، سه گانه، چهارگانه و غیره نامیده می شوند. (در حالت کلی، چندگانه، که نظریه نام خود را مدیون آن است).

به عنوان مثال، بر اساس تئوری چندگانه، هیدروژن زدایی از الکل های تک هیدرولیکی اشباع شده روی یک دوتایی، و هیدروژن زدایی سیکلوهگزان - روی یک ششتایی اتفاق می افتد (شکل 2.10 - 2.11). تئوری چندگانه ارتباط فعالیت کاتالیزوری فلزات را با شعاع اتمی آنها ممکن کرد.

برنج. 2.10هیدروژن زدایی الکل ها روی یک دوتایی

برنج. 2.11هیدروژن زدایی سیکلوهگزان بر روی یک سکست

2.3.4 کاتالیز آنزیمی.

کاتالیز آنزیمی - واکنش های کاتالیزوری که با مشارکت آنزیم ها رخ می دهد - کاتالیزورهای بیولوژیکی با طبیعت پروتئین. کاتالیز آنزیمی دو ویژگی مشخص دارد:

1. فعالیت بالا که چندین مرتبه بزرگتر از فعالیت کاتالیزورهای معدنی است که با کاهش بسیار چشمگیر انرژی فعال سازی فرآیند توسط آنزیم ها توضیح داده می شود. بنابراین، ثابت سرعت واکنش تجزیه پراکسید هیدروژن کاتالیز شده توسط یون های Fe 2 + 56 s -1 است. ثابت سرعت همان واکنش کاتالیز شده توسط آنزیم کاتالاز 3.5·107 است، یعنی. واکنش در حضور آنزیم یک میلیون بار سریعتر انجام می شود (انرژی فعال سازی فرآیندها به ترتیب 42 و 7.1 کیلوژول بر مول است). ثابت سرعت هیدرولیز اوره در حضور اسید و اوره آز با سیزده مرتبه قدر متفاوت است که به 7.4 · 10 -7 و 5 · 10 s -1 می رسد (انرژی فعال سازی به ترتیب 103 و 28 کیلوژول بر مول است).

2. ویژگی بالا . به عنوان مثال، آمیلاز تجزیه نشاسته را کاتالیز می کند که زنجیره ای از واحدهای گلوکز یکسان است، اما هیدرولیز ساکارز را که مولکول آن از قطعات گلوکز و فروکتوز تشکیل شده است، کاتالیز نمی کند.

بر اساس ایده های پذیرفته شده کلی در مورد مکانیسم کاتالیز آنزیمی، سوبسترای S و آنزیم F با یک کمپلکس آنزیم-سوبسترای بسیار سریع تشکیل شده در تعادل هستند که با آزادسازی آنزیم آزاد نسبتاً آهسته به محصول واکنش P تجزیه می شود. بنابراین، مرحله تجزیه کمپلکس آنزیم- سوبسترا به محصولات واکنش، تعیین کننده سرعت (محدود کننده) است.

F+S<––>FS ––> F+P

مطالعه وابستگی سرعت واکنش آنزیمی به غلظت سوبسترا در غلظت ثابت آنزیم نشان داد که با افزایش غلظت سوبسترا، سرعت واکنش ابتدا افزایش می‌یابد و سپس دیگر تغییر نمی‌کند (شکل 1). 2.12) و وابستگی سرعت واکنش به غلظت زیرلایه با معادله زیر توصیف می شود:

(II.45)

تسریع واکنش های شیمیایی تحت تأثیر مقادیر کمی از مواد (کاتالیزورها) که خود در طول واکنش تغییر نمی کنند. فرآیندهای کاتالیزوری نقش بزرگی در زندگی ما دارند. کاتالیزورهای بیولوژیکی به نام آنزیم در تنظیم فرآیندهای بیوشیمیایی نقش دارند. بسیاری از فرآیندهای صنعتی بدون کاتالیزور امکان پذیر نخواهد بود.

مهمترین خاصیت کاتالیزورها گزینش پذیری است، یعنی. توانایی افزایش سرعت تنها واکنش های شیمیایی خاص از بسیاری از واکنش های ممکن. این اجازه می دهد تا واکنش هایی که در شرایط عادی بسیار کند هستند، کاربرد عملی داشته باشند و تشکیل محصولات مورد نظر را تضمین می کند.

استفاده از کاتالیزورها به توسعه سریع صنایع شیمیایی کمک کرد. آنها به طور گسترده ای در پالایش نفت، به دست آوردن محصولات مختلف، ایجاد مواد جدید (به عنوان مثال، پلاستیک)، اغلب ارزان تر از آنچه قبلا استفاده می شد استفاده می شود. تقریباً 90 درصد از تولیدات شیمیایی مدرن مبتنی بر فرآیندهای کاتالیزوری است. فرآیندهای کاتالیزوری نقش ویژه ای در حفاظت از محیط زیست دارند.

در سال 1835، شیمیدان سوئدی J. Berzelius دریافت که در حضور برخی از مواد، سرعت واکنش های شیمیایی خاص به طور قابل توجهی افزایش می یابد. برای چنین موادی، او اصطلاح "کاتالیزور" (از یونانی.

کاتالیزور- آرامش). به گفته برزلیوس، کاتالیزورها توانایی ویژه ای در تضعیف پیوندهای بین اتم ها در مولکول های درگیر در واکنش دارند و در نتیجه برهمکنش آنها را تسهیل می کنند. فیزیکوشیمیدان آلمانی W. Ostwald که در سال 1880 کاتالیزور را به عنوان ماده ای که سرعت واکنش را تغییر می دهد تعریف کرد، سهم بزرگی در توسعه ایده ها در مورد عملکرد کاتالیزورها داشت.

بر اساس مفاهیم مدرن، یک کاتالیزور با مولکول های واکنش دهنده، کمپلکسی را تشکیل می دهد که توسط پیوندهای شیمیایی تثبیت می شود. پس از تنظیم مجدد، این مجموعه جدا می شود تا محصولات و کاتالیزور آزاد شود. برای یک واکنش تک مولکولی تبدیل یک مولکول

X تا Y کل فرآیند را می توان به صورت نمایش داد X + گربه. ® X -Cat. ® Y -Cat. ® Y + گربه. کاتالیزور آزاد شده مجدداً به آن متصل می شودایکس ، و کل چرخه بارها تکرار می شود و باعث تشکیل مقادیر زیادی محصول - ماده می شود Y . بسیاری از مواد در شرایط عادی وارد یک واکنش شیمیایی با یکدیگر نمی شوند. بنابراین، هیدروژن و مونوکسید کربن در دمای اتاق با یکدیگر تعامل ندارند، زیرا پیوند بین اتم ها در یک مولکول H2 به اندازه کافی قوی است و در اثر حمله مولکول نمی شکند CO . کاتالیزور مولکول ها را به هم می آورد H2 و CO با ایجاد ارتباط با آنها پس از بازآرایی، کمپلکس کاتالیزور-واکنشگر جدا می شود و محصولی حاوی اتم تشکیل می دهد C، H و O. اغلب، هنگامی که مواد یکسان برهم کنش می کنند، محصولات متفاوتی تشکیل می شوند. کاتالیزور می تواند فرآیند را در امتداد مسیر مطلوب برای تشکیل یک محصول خاص هدایت کند. واکنش بین را در نظر بگیرید CO و H2 . در حضور یک کاتالیزور حاوی مس، متانول عملا تنها محصول واکنش است:در ابتدا مولکول های CO و H 2 روی سطح کاتالیزور جذب می شود. سپس مولکول‌های CO با کاتالیزور پیوندهای شیمیایی ایجاد می‌کنند (جذب شیمیایی رخ می‌دهد)، و به شکل جدا نشده باقی می‌مانند. مولکول های هیدروژن نیز بر روی سطح کاتالیزور جذب شیمیایی می شوند، اما در همان زمان جدا می شوند. در نتیجه بازآرایی، مجتمع انتقال H-Cat.- CH2OH . پس از افزودن یک اتماچ مجتمع خراب می شود تا آزاد شود CH 3 OH و کاتالیزور. در حضور یک کاتالیزور نیکل، هر دو CO و H 2 روی سطح به شکل جدا شده جذب شیمیایی می شوند و کمپلکس Cat.-CH تشکیل می شود 3 . محصولات نهایی واکنش CH هستند 4 و H 2 O:
بیشتر واکنش های کاتالیزوری در فشارها و دماهای معینی با عبور دادن مخلوط واکنش که در حالت گازی یا مایع است از یک راکتور پر از ذرات کاتالیزور انجام می شود. مفاهیم زیر برای توصیف شرایط واکنش و توصیف محصولات استفاده می شود. سرعت فضایی - حجم گاز یا مایعی که از یک واحد حجم کاتالیزور در واحد زمان عبور می کند. فعالیت کاتالیزوری - مقدار واکنش دهنده های تبدیل شده توسط کاتالیزور به محصولات در واحد زمان. تبدیل نسبت ماده ای است که در یک واکنش معین تبدیل می شود. انتخاب پذیری نسبت مقدار یک محصول معین به مقدار کل محصولات است (معمولاً به صورت درصد بیان می شود). بازده - نسبت مقدار یک محصول معین به مقدار ماده اولیه (معمولاً به صورت درصد بیان می شود). بهره وری - مقدار محصولات واکنش تشکیل شده در واحد حجم در واحد زمان. انواع کاتالیزورها کاتالیزورها بر اساس ماهیت واکنشی که ترویج می کنند، ترکیب شیمیایی یا خواص فیزیکی آنها طبقه بندی می شوند. تقریباً همه عناصر و مواد شیمیایی به یک درجه یا دیگری دارای خواص کاتالیزوری هستند - به تنهایی یا اغلب در ترکیبات مختلف. کاتالیزورها با توجه به خواص فیزیکی به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم می شوند. کاتالیزورهای ناهمگن جامداتی هستند که همگن هستند و در محیط گازی یا مایع مشابه واکنش دهنده ها پراکنده می شوند.

بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن حاوی فلزات هستند. برخی از فلزات، به ویژه فلزات مربوط به

هشتم گروهی از سیستم تناوبی عناصر، به خودی خود دارای فعالیت کاتالیزوری هستند. یک نمونه معمولی پلاتین است. اما بیشتر فلزات دارای خواص کاتالیزوری هستند، زیرا در ترکیب ترکیبات قرار دارند. به عنوان مثال - آلومینا (اکسید آلومینیوم Al 2 O 3). یکی از ویژگی‌های غیرمعمول بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن، مساحت سطح بزرگ آنهاست. آنها توسط منافذ متعددی نفوذ می کنند که مساحت کل آنها گاهی به 500 متر می رسد 2 به ازای هر 1 گرم کاتالیزور در بسیاری از موارد، اکسیدهایی با سطح بزرگ به عنوان بستری عمل می کنند که ذرات کاتالیزور فلزی به شکل خوشه های کوچک بر روی آن رسوب می کنند. این امر برهمکنش موثر معرفها در فاز گاز یا مایع با فلز فعال کاتالیزوری را تضمین می کند. دسته خاصی از کاتالیزورهای ناهمگن زئولیت ها هستند - کانی های کریستالی از گروه آلومینوسیلیکات ها (ترکیبات سیلیکون و آلومینیوم). اگرچه بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن دارای مساحت سطح زیادی هستند، اما معمولاً فقط تعداد کمی مکان فعال دارند که بخش کوچکی از کل سطح را تشکیل می دهند. کاتالیزورها می توانند فعالیت خود را در حضور مقادیر کمی از ترکیبات شیمیایی به نام سم کاتالیست از دست بدهند. این مواد به مراکز فعال متصل می شوند و آنها را مسدود می کنند. تعیین ساختار مراکز فعال موضوع تحقیق فشرده است.

کاتالیزورهای همگن ماهیت شیمیایی متفاوتی دارند - اسیدها (H

2 SO 4 یا H 3 RO 4 ، بازها (NaOH آمین های آلی، فلزات، اغلب انتقالی ( Fe یا Rh )، به شکل نمک، ترکیبات آلی فلزی یا کربونیل. کاتالیزورها همچنین شامل آنزیم ها - مولکول های پروتئینی هستند که واکنش های بیوشیمیایی را تنظیم می کنند. محل فعال برخی از آنزیم ها حاوی یک اتم فلز است (روی، مس، آهن یا مو). آنزیم های حاوی فلز واکنش هایی را که شامل مولکول های کوچک است کاتالیز می کنند. O 2، CO 2 یا N 2 ). آنزیم ها فعالیت و گزینش پذیری بسیار بالایی دارند، اما فقط تحت شرایط خاصی مانند شرایطی که در آن واکنش ها در موجودات زنده رخ می دهد، کار می کنند. این صنعت اغلب از به اصطلاح استفاده می کند. آنزیم های بی حرکت کاتالیزورها چگونه کار می کنند انرژی. هر واکنش شیمیایی تنها در صورتی می تواند ادامه یابد که واکنش دهنده ها بر سد انرژی غلبه کنند و برای این کار باید انرژی خاصی را بدست آورند. همانطور که قبلاً گفتیم، واکنش کاتالیزوری X ® Y شامل یک سری مراحل متوالی است. هر کدام برای دویدن به انرژی نیاز دارند.E انرژی فعال سازی نامیده می شود. تغییر انرژی در امتداد مختصات واکنش در شکل نشان داده شده است. 1.

ابتدا مسیر غیر کاتالیزوری و «حرارتی» را در نظر بگیرید. برای انجام یک واکنش، انرژی پتانسیل مولکول ها

ایکس باید از سد انرژی فراتر رودEتی . واکنش کاتالیزوری شامل سه مرحله است. اولین مورد تشکیل مجموعه X-Cat است. (جذب شیمیایی) که انرژی فعال سازی آن استEتبلیغات . مرحله دوم بازآرایی X-Cat است.®Y -گربه با انرژی فعال سازیEگربه و در نهایت، سوم - دفع با انرژی فعال سازیE des; Eتبلیغات، Eکت و Eبسیار کوچکتر است Eتی . از آنجایی که سرعت واکنش به طور تصاعدی به انرژی فعال‌سازی بستگی دارد، واکنش کاتالیزوری بسیار سریع‌تر از حرارتی در دمای معین انجام می‌شود.

یک کاتالیزور را می توان به یک مربی-راهنما تشبیه کرد که کوهنوردان (مولکول های واکنش دهنده) را از طریق یک رشته کوه راهنمایی می کند. او یک گروه را از طریق پاس هدایت می کند و سپس برای گروه بعدی باز می گردد. مسیر عبوری بسیار پایین‌تر از مسیری است که از بالا (کانال حرارتی واکنش) می‌گذرد و گروه انتقال را سریع‌تر از بدون هادی (کاتالیزور) انجام می‌دهد. حتی ممکن است این گروه به تنهایی قادر به غلبه بر خط الراس نباشد.

نظریه های کاتالیزور سه گروه از نظریه ها برای توضیح مکانیسم واکنش های کاتالیزوری ارائه شده است: هندسی، الکترونیکی و شیمیایی. در تئوری های هندسی، توجه اصلی به تناظر بین پیکربندی هندسی اتم های مراکز فعال کاتالیزور و اتم های آن قسمت از مولکول های واکنش دهنده است که وظیفه اتصال به کاتالیزور را بر عهده دارد. تئوری های الکترونیکی بر این ایده مبتنی هستند که جذب شیمیایی ناشی از تعامل الکترونیکی مرتبط با انتقال بار است، یعنی. این نظریه ها فعالیت کاتالیزوری را به خواص الکترونیکی کاتالیزور مرتبط می کنند. تئوری شیمیایی کاتالیزور را به عنوان یک ترکیب شیمیایی با خواص مشخص در نظر می گیرد که با واکنش دهنده ها پیوندهای شیمیایی ایجاد می کند و در نتیجه یک کمپلکس انتقالی ناپایدار تشکیل می دهد. پس از تجزیه کمپلکس با انتشار محصولات، کاتالیزور به حالت اولیه خود باز می گردد. نظریه اخیر در حال حاضر کافی ترین تئوری در نظر گرفته می شود.

در سطح مولکولی، یک واکنش فاز گاز کاتالیزوری را می توان به صورت زیر نشان داد. یک مولکول واکنش دهنده به محل فعال کاتالیزور متصل می شود، در حالی که دیگری در حالی که مستقیماً در فاز گاز است با آن تعامل می کند. یک مکانیسم جایگزین نیز امکان پذیر است: مولکول های واکنش دهنده در مکان های فعال همسایه کاتالیزور جذب می شوند و سپس با یکدیگر تعامل می کنند. ظاهراً بیشتر واکنش‌های کاتالیزوری به این شکل است.

مفهوم دیگری نشان می دهد که بین آرایش فضایی اتم ها روی سطح کاتالیزور و فعالیت کاتالیزوری آن رابطه وجود دارد. سرعت برخی از فرآیندهای کاتالیزوری، از جمله بسیاری از واکنش های هیدروژناسیون، به آرایش متقابل اتم های فعال کاتالیزوری بر روی سطح بستگی ندارد. برعکس، سرعت دیگران با تغییر در پیکربندی فضایی اتم های سطح به طور قابل توجهی تغییر می کند. به عنوان مثال، ایزومریزاسیون نئوپنتان به ایزوپنتان و ترک خوردگی همزمان دومی به ایزوبوتان و متان در سطح کاتالیزور است.

Pt-Al 2 O 3 . کاربرد کاتالیزور در صنعت رشد سریع صنعتی که اکنون در حال تجربه آن هستیم بدون توسعه فناوری های شیمیایی جدید امکان پذیر نبود. تا حد زیادی، این پیشرفت با استفاده گسترده از کاتالیزورها مشخص می شود که به کمک آنها مواد خام با عیار پایین به محصولات با ارزش بالا تبدیل می شوند. به بیان تصویری، کاتالیزور سنگ فیلسوف کیمیاگر مدرن است، فقط سرب را به طلا تبدیل نمی کند، بلکه مواد خام را به دارو، پلاستیک، مواد شیمیایی، سوخت، کود و سایر محصولات مفید تبدیل می کند.

شاید اولین فرآیند کاتالیزوری که انسان یاد گرفت از آن استفاده کند تخمیر باشد. دستور تهیه نوشیدنی های الکلی در 3500 سال قبل از میلاد برای سومری ها شناخته شده بود.

سانتی متر. شراب؛ آبجو.

یک نقطه عطف قابل توجه در کاربرد عملی کاتالیز، تولید مارگارین با هیدروژنه کردن کاتالیزوری روغن نباتی بود. برای اولین بار، این واکنش در مقیاس صنعتی در حدود سال 1900 انجام شد. و از دهه 1920، روش های کاتالیزوری یکی پس از دیگری برای تولید مواد آلی جدید، در درجه اول پلاستیک، توسعه یافتند. نکته کلیدی تولید کاتالیزوری الفین ها، نیتریل ها، استرها، اسیدها و غیره بود. - "آجر" برای "ساخت" شیمیایی پلاستیک.

موج سوم استفاده صنعتی از فرآیندهای کاتالیزوری در دهه 1930 رخ می دهد و با پالایش نفت همراه است. از نظر حجم، این تولید به زودی بقیه را به مراتب پشت سر گذاشت. پالایش نفت شامل چندین فرآیند کاتالیزوری است: کراکینگ، رفرمینگ، هیدروسولفوناسیون، هیدروکراکینگ، ایزومریزاسیون، پلیمریزاسیون و آلکیلاسیون.

و در نهایت موج چهارم در استفاده از کاتالیزور مربوط به حفاظت از محیط زیست است. معروف ترین دستاورد در این زمینه ایجاد مبدل کاتالیزوری برای گازهای خروجی خودرو است. مبدل های کاتالیزوری که از سال 1975 در خودروها نصب شده اند، نقش زیادی در بهبود کیفیت هوا داشته اند و جان افراد زیادی را از این طریق نجات داده اند.

حدود دوازده جایزه نوبل برای کار در زمینه کاتالیزور و زمینه های مرتبط اعطا شده است.

اهمیت عملی فرآیندهای کاتالیزوری با این واقعیت مشهود است که سهم نیتروژن، که بخشی از ترکیبات حاوی نیتروژن است که به صورت صنعتی به دست می‌آید، حدود نیمی از کل نیتروژنی را تشکیل می‌دهد که بخشی از محصولات غذایی است. مقدار ترکیبات نیتروژن تولید شده به طور طبیعی محدود است، به طوری که تولید پروتئین جیره بستگی به مقدار نیتروژن اعمال شده به خاک با کود دارد. تغذیه حتی نیمی از بشریت بدون آمونیاک مصنوعی که تقریباً منحصراً توسط فرآیند کاتالیزوری هابر-بوش تولید می شود، غیرممکن خواهد بود.

دامنه کاتالیزورها به طور مداوم در حال گسترش است. همچنین مهم است که کاتالیزور می تواند کارایی فناوری های توسعه یافته قبلی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. به عنوان مثال، بهبود در ترک خوردگی کاتالیزوری از طریق استفاده از زئولیت ها است.

هیدروژناسیون تعداد زیادی از واکنش های کاتالیزوری با فعال شدن یک اتم هیدروژن و برخی مولکول های دیگر همراه است که منجر به برهمکنش شیمیایی آنها می شود. این فرآیند هیدروژناسیون نامیده می شود و زیربنای بسیاری از مراحل پالایش نفت و تولید سوخت مایع از زغال سنگ (فرایند Bergius) است.

تولید بنزین هواپیما و سوخت موتور از زغال سنگ در آلمان در طول جنگ جهانی دوم توسعه یافت، زیرا هیچ میدان نفتی در این کشور وجود ندارد. فرآیند Bergius افزودن مستقیم هیدروژن به کربن است. زغال سنگ تحت فشار در حضور هیدروژن گرم می شود و یک محصول مایع به دست می آید که سپس به بنزین هواپیما و سوخت موتور تبدیل می شود. از اکسید آهن به عنوان کاتالیزور و همچنین کاتالیزورهای مبتنی بر قلع و مولیبدن استفاده می شود. در طول جنگ، تقریباً 1400 تن سوخت مایع در روز در 12 کارخانه آلمانی با استفاده از فرآیند Bergius به دست آمد.

فرآیند دیگر، فیشر - تروپش، شامل دو مرحله است. ابتدا زغال سنگ گازی می شود، یعنی. واکنش آن را با بخار آب و اکسیژن انجام دهید و مخلوطی از هیدروژن و اکسید کربن بدست آورید. این مخلوط با استفاده از کاتالیزورهای حاوی آهن یا کبالت به سوخت مایع تبدیل می شود. با پایان جنگ، تولید سوخت مصنوعی از زغال سنگ در آلمان متوقف شد.

در نتیجه افزایش قیمت نفت که پس از تحریم نفتی در سال‌های 1973-1974 انجام شد، تلاش‌های شدیدی برای توسعه روش اقتصادی مناسب برای تولید بنزین از زغال سنگ صورت گرفت. بنابراین، مایع سازی مستقیم زغال سنگ را می توان با استفاده از یک فرآیند دو مرحله ای که در آن زغال سنگ ابتدا با یک کاتالیزور آلومینا-کبالت-مولیبدن در دمای نسبتاً پایین و سپس در دمای بالاتر تماس می گیرد، کارآمدتر انجام داد. هزینه چنین بنزین مصنوعی بالاتر از بنزین به دست آمده از نفت است.

آمونیاک. یکی از ساده ترین فرآیندهای هیدروژناسیون از دیدگاه شیمیایی، سنتز آمونیاک از هیدروژن و نیتروژن است. نیتروژن یک ماده بسیار بی اثر است. برای قطع ارتباط N-N مولکول آن به انرژی حدود 200 کیلو کالری نیاز دارد/ مول. با این حال، نیتروژن در حالت اتمی به سطح کاتالیزور آهن متصل می شود و این تنها به 20 کیلو کالری نیاز دارد./ مول. پیوند هیدروژنی با آهن حتی راحت تر. سنتز آمونیاک به شرح زیر است:
این مثال توانایی یک کاتالیزور برای تسریع هر دو واکنش رو به جلو و معکوس را به طور مساوی نشان می دهد، به عنوان مثال. این واقعیت که کاتالیزور موقعیت تعادل واکنش شیمیایی را تغییر نمی دهد.هیدروژنه کردن روغن نباتی یکی از مهم ترین واکنش های هیدروژناسیون در عمل، هیدروژنه شدن ناقص روغن های گیاهی به مارگارین، روغن پخت و پز و سایر محصولات غذایی است. روغن های گیاهی از دانه های سویا، دانه های پنبه و سایر محصولات به دست می آیند. آنها شامل استرها، یعنی تری گلیسیرید اسیدهای چرب با درجات مختلف غیراشباع هستند. اسید اولئیک CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH دارای یک پیوند دوگانه C=C، اسید لینولئیک دارای دو، و اسید لینولنیک دارای سه پیوند است. افزودن هیدروژن برای شکستن این پیوند از اکسید شدن (ترشیدگی) روغن ها جلوگیری می کند. این باعث افزایش نقطه ذوب آنها می شود. سختی اکثر محصولات به دست آمده به درجه هیدروژنه شدن بستگی دارد. هیدروژناسیون در حضور پودر نیکل ریز که بر روی یک بستر یا کاتالیزور نیکل رینی در یک اتمسفر هیدروژن بسیار خالص قرار گرفته است انجام می شود.هیدروژن زدایی هیدروژن زدایی همچنین یک واکنش کاتالیزوری مهم صنعتی است، اگرچه مقیاس کاربرد آن به طور غیرقابل مقایسه کوچکتر است. با کمک آن، به عنوان مثال، استایرن، یک مونومر مهم، به دست می آید. برای انجام این کار، اتیل بنزن را در حضور یک کاتالیزور حاوی اکسید آهن دهیدروژن کنید. پتاسیم و برخی تثبیت کننده های ساختاری نیز به واکنش کمک می کنند. در مقیاس صنعتی، پروپان، بوتان و سایر آلکان ها هیدروژنه می شوند. هیدروژن زدایی بوتان در حضور کاتالیزور آلومینا-کروم باعث تولید بوتن و بوتادین می شود.کاتالیز اسیدی. فعالیت کاتالیزوری دسته بزرگی از کاتالیزورها به دلیل خواص اسیدی آنهاست. طبق نظر I. Bronsted و T. Lowry، اسید ترکیبی است که قادر به اهدای یک پروتون است. اسیدهای قوی به راحتی پروتون های خود را به بازها اهدا می کنند. مفهوم اسیدیته بیشتر در آثار G. Lewis توسعه یافت، که اسید را به عنوان ماده ای تعریف کرد که قادر به پذیرش یک جفت الکترون از یک ماده دهنده با تشکیل یک پیوند کووالانسی به دلیل اجتماعی شدن این جفت الکترون است. این ایده‌ها، همراه با ایده‌هایی در مورد واکنش‌هایی که یون‌های کربنیوم را تشکیل می‌دهند، به درک مکانیسم واکنش‌های کاتالیزوری مختلف، به‌ویژه واکنش‌های مربوط به هیدروکربن‌ها کمک کردند.

قدرت یک اسید را می توان با استفاده از مجموعه ای از بازهایی که با اضافه شدن پروتون تغییر رنگ می دهند، تعیین کرد. به نظر می رسد که برخی از کاتالیزورهای مهم صنعتی مانند اسیدهای بسیار قوی عمل می کنند. اینها شامل یک کاتالیزور Friedel-Crafts مانند

HCl-AlCl 2 O 3 (یا HAlCl 4 و آلومینوسیلیکات ها. قدرت اسید یک ویژگی بسیار مهم است، زیرا سرعت پروتونه شدن را تعیین می کند، مرحله ای کلیدی در فرآیند کاتالیز اسید.

فعالیت کاتالیزورهایی مانند آلومینوسیلیکاتهای مورد استفاده در کراکینگ روغن با وجود اسیدهای برونستد و لوئیس بر روی سطح آنها تعیین می شود. ساختار آنها شبیه به ساختار سیلیس (سیلیس دی اکسید) است که در آن برخی از اتم ها وجود دارد

Si 4+ با اتم ها جایگزین شده است Al3+. بار منفی اضافی که در این حالت ایجاد می شود می تواند توسط کاتیون های مربوطه خنثی شود. اگر کاتیون ها پروتون باشند، آلومینوسیلیکات مانند اسید برونستد عمل می کند:
فعالیت کاتالیزورهای اسیدی با توانایی آنها در واکنش با هیدروکربن ها با تشکیل یون کربنیوم به عنوان یک محصول میانی تعیین می شود. یون های آلکیل کربنیوم حاوی یک اتم کربن با بار مثبت است که به سه گروه آلکیل پیوند خورده است./ یا اتم های هیدروژن آنها نقش مهمی را به عنوان واسطه های تشکیل شده در بسیاری از واکنش های مربوط به ترکیبات آلی ایفا می کنند. مکانیسم عمل کاتالیزورهای اسیدی را می توان با مثال واکنش ایزومریزاسیون نشان دادn -بوتان به ایزوبوتان در حضور HCl - AlCl 3 یا Pt - Cl - Al 2 O 3 . ابتدا مقدار کمی الفین C 4 H 8 یک یون هیدروژن با بار مثبت را به یک کاتالیزور اسیدی متصل می کند تا تشکیل شودمتر یون کاربنیوم سوم. سپس یون هیدرید با بار منفیح - جدا شدن از n بوتان برای تشکیل ایزوبوتان و بوتیل کرب ثانویه e بدون d-ion. آخر در نتیجه بازآرایی می شودیون کربوهیدرات سوم این زنجیره می تواند با حذف یک یون هیدرید از مولکول بعدی ادامه یابدn- بوتان و غیره:
ضروری است o اینکه یون های کاربنیوم سوم پایدارتر از یون های اولیه یا ثانویه هستند. در نتیجه عمدتاً روی سطح کاتالیزور وجود دارند و بنابراین محصول اصلی ایزومریزاسیون بوتان ایزوبوتان است.

کاتالیزورهای اسیدی به طور گسترده در پالایش نفت - کراکینگ، آلکیلاسیون، پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون هیدروکربن ها استفاده می شوند.

(همچنین ببینید شیمی و روشهای پالایش نفت). مکانیسم عمل یون های کربنیوم که نقش کاتالیزور را در این فرآیندها ایفا می کنند، مشخص شده است. در همان زمان، آنها در تعدادی از واکنش ها شرکت می کنند، از جمله تشکیل مولکول های کوچک با تقسیم مولکول های بزرگ، ترکیب مولکول ها (الفین با الفین یا الفین با ایزوپارافین)، بازآرایی ساختاری با ایزومریزاسیون، تشکیل پارافین ها و هیدروکربن های معطر. با انتقال هیدروژن

یکی از آخرین کاربردهای صنعتی کاتالیز اسیدی، تولید سوخت های سرب دار با افزودن الکل به ایزوبوتیلن یا ایزوآمیلن است. افزودن ترکیبات اکسیژن دار به بنزین باعث کاهش غلظت مونوکسید کربن در گازهای خروجی می شود. متیل

ترت بوتیل اتر (MTBE) با عدد اکتان ترکیبی 109 نیز این امکان را فراهم می کند که سوخت با اکتان بالا مورد نیاز برای عملکرد یک موتور خودرو با نسبت تراکم بالا بدون استفاده از ورود تترااتیل سرب به بنزین به دست آید. تولید سوخت با اعداد اکتان 102 و 111 نیز سازماندهی شده است.کاتالیزور پایه. فعالیت کاتالیزورها با خواص اساسی آنها تعیین می شود. یک نمونه قدیمی و شناخته شده از این گونه کاتالیزورها، هیدروکسید سدیم است که برای هیدرولیز یا صابون سازی چربی ها در ساخت صابون استفاده می شود و نمونه اخیر کاتالیزورهای مورد استفاده در تولید پلاستیک و فوم های پلی یورتان است. اورتان از برهمکنش الکل با ایزوسیانات تشکیل می شود و این واکنش در حضور بازی تسریع می شود.آمین ها در طی واکنش، پایه به اتم کربن موجود در مولکول ایزوسیانات متصل می شود که در نتیجه بار منفی روی اتم نیتروژن ظاهر می شود و فعالیت آن نسبت به الکل افزایش می یابد. یک کاتالیزور به خصوص موثر تری اتیلن دی آمین است. پلاستیک های پلی اورتان از واکنش دی ایزوسیانات ها با پلی ال ها (پلی الکل ها) به دست می آیند. هنگامی که ایزوسیانات با آب واکنش می دهد، یورتان تشکیل شده قبلی تجزیه می شود و آزاد می شود. CO2 . هنگامی که مخلوطی از پلی الکل ها و آب با دی ایزوسیانات ها برهم کنش می کند، فوم پلی یورتان حاصل با گاز کف می کند. CO2. کاتالیزورهای عمل دوگانه. این کاتالیزورها دو نوع واکنش را سرعت می‌بخشند و نتایج بهتری نسبت به عبور واکنش‌دهنده‌ها به صورت سری از دو راکتوری که هر کدام فقط یک نوع کاتالیزور دارند، می‌دهند. این به دلیل این واقعیت است که مکان های فعال کاتالیزور دوگانه بسیار نزدیک به یکدیگر هستند و محصول میانی تشکیل شده روی یکی از آنها بلافاصله به محصول نهایی روی دیگری تبدیل می شود.

ترکیب یک کاتالیزور فعال کننده هیدروژن با یک کاتالیزور تقویت کننده ایزومریزاسیون هیدروکربن نتیجه خوبی می دهد. فعال شدن هیدروژن توسط برخی فلزات و ایزومریزاسیون هیدروکربن ها توسط اسیدها انجام می شود. یک کاتالیزور موثر دو اثر که در پالایش نفت برای تبدیل نفتا به بنزین استفاده می شود، پلاتین ریز پراکنده شده بر روی آلومینا اسیدی است. تبدیل اجزای نفتا مانند متیل سیکلوپنتان (MCP) به بنزن باعث افزایش عدد اکتان بنزین می شود. ابتدا، MCP در قسمت پلاتین کاتالیزور به یک الفین با همان ستون فقرات کربنی تبدیل می شود. سپس الفین به قسمت اسیدی کاتالیزور می رود و در آنجا به سیکلوهگزن ایزومر می شود. دومی به قسمت پلاتین می رود و هیدروژنه به بنزن و هیدروژن می شود.

کاتالیزورهای عمل دوگانه به طور قابل توجهی اصلاح نفت را تسریع می کنند. از آنها برای ایزومریزاسیون پارافین های معمولی به ایزوپارافین ها استفاده می شود. دومی که در همان دماهایی می‌جوشد که کسرهای بنزینی می‌جوشند، زیرا دارای عدد اکتان بالاتری نسبت به هیدروکربن‌های مستقیم هستند. علاوه بر این، تحول

n بوتان به ایزوبوتان با هیدروژن زدایی همراه است و به تولید MTBE کمک می کند.پلیمریزاسیون استریو اختصاصی. یک نقطه عطف مهم در تاریخکاتالیز به وجود آمد کشف پلیمریزاسیون کاتالیزوریآالفین ها با تشکیل stereoreregular x پلیمر ov. به کاتالیزورها استریو خاصبسپارش زمانی که کی. شیمیدان دیگری، جی. ناتا، پیشنهاد کرد که منحصر به فرد بودن پلیمرهای زیگلر با نظم کلیشه ای آنها تعیین می شود. آزمایشات پراش اشعه ایکس نشان داده است که پلیمرهای تهیه شده از پروپیلن در حضور کاتالیزورهای زیگلر بسیار کریستالی هستند و در واقع ساختاری منظم دارند. برای توصیف چنین ساختارهای منظمی، ناتا اصطلاحات " را معرفی کرد.ایزوتاکتیک و «سیندیوتاکتیک». در مواردی که نظم وجود نداشته باشد، از اصطلاح "تکتیک" استفاده می شود:یک واکنش استریو اختصاصی بر روی سطح کاتالیزورهای جامد حاوی فلزات واسطه گروه ها انجام می شود. IVA - VIII (مانند Ti، V، Cr، Zr ) که در حالت اکسید شده ناقص هستند و هر ترکیب حاوی کربن یا هیدروژن که با فلزی از گروه ها مرتبط است. I-III . یک مثال کلاسیک از چنین کاتالیزوری، رسوبی است که در طول برهمکنش ایجاد می شود TiCl 4 و Al(C 2 H 5 ) 3 در هپتان، که در آن تیتانیوم احیا می شود به حالت سه ظرفیتی اینفوق العاده فعالاین سیستم پلیمریزاسیون پروپیلن را در دما و فشار معمولی کاتالیز می کند.اکسیداسیون کاتالیزوری. استفاده از کاتالیزورها برای کنترل شیمی فرآیندهای اکسیداسیون از اهمیت علمی و عملی بالایی برخوردار است. در برخی موارد، اکسیداسیون باید کامل باشد، برای مثال، هنگام خنثی کردن آلاینده‌های CO و هیدروکربنی در گازهای خروجی خودرو.با این حال، اغلب اوقات، مطلوب است که اکسیداسیون ناقص باشد، به عنوان مثال در بسیاری از فرآیندهایی که به طور گسترده در صنعت برای تبدیل هیدروکربن‌ها به واسطه‌های ارزشمند که حاوی گروه‌های عاملی مانند -CHO، -COOH، -C-CO، - استفاده می‌شوند. CN. در این مورد از کاتالیزورهای همگن و ناهمگن استفاده می شود. نمونه ای از یک کاتالیزور همگن، کمپلکس فلزات واسطه ای است که برای اکسیداسیون استفاده می شودجفت - زایلن به اسید ترفتالیک، استرهای آن به عنوان پایه ای برای تولید الیاف پلی استر عمل می کنند.کاتالیزورهای اکسیداسیون ناهمگن. این کاتالیزورها معمولاً اکسیدهای جامد پیچیده هستند. اکسیداسیون کاتالیزوری در دو مرحله انجام می شود. ابتدا اکسیژن اکسید توسط یک مولکول هیدروکربنی جذب شده روی سطح اکسید جذب می شود. هیدروکربن اکسید شده و اکسید احیا می شود. اکسید احیا شده با اکسیژن واکنش داده و به حالت اولیه خود باز می گردد. با استفاده از کاتالیزور وانادیوم، انیدرید فتالیک از اکسیداسیون جزئی نفتالین یا بوتان به دست می آید.تولید اتیلن با هیدرودیمریزاسیون متان سنتز اتیلن از طریق دی هیدرودیمریزاسیون اجازه می دهد تا گاز طبیعی به هیدروکربن های قابل حمل آسان تری تبدیل شود. واکنش 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O در 850 درجه انجام می شود با استفاده از کاتالیزورهای مختلف؛ بهترین نتایج به دست آمده با کاتالیزور Li - MgO . احتمالاً، واکنش از طریق تشکیل یک رادیکال متیل با جدا کردن یک اتم هیدروژن از یک مولکول متان انجام می شود. برش توسط اکسیژن ناقص کاهش یافته، به عنوان مثال، O انجام می شود 2 2- . رادیکال های متیل در فاز گاز برای تشکیل یک مولکول اتان مجدداً ترکیب می شوند و در طول هیدروژن زدایی بعدی به اتیلن تبدیل می شوند. مثال دیگری از اکسیداسیون ناقص، تبدیل متانول به فرمالدئید در حضور کاتالیزور نقره یا آهن-مولیبدن است.زئولیت ها زئولیت ها دسته خاصی از کاتالیزورهای ناهمگن را تشکیل می دهند. اینها آلومینوسیلیکاتها با ساختار لانه زنبوری منظمی هستند که اندازه سلول آنها با اندازه بسیاری از مولکولهای آلی قابل مقایسه است. به آنها الک مولکولی نیز می گویند. بیشترین علاقه زئولیت ها هستند که منافذ آنها توسط حلقه هایی متشکل از 8-12 یون اکسیژن تشکیل شده است (شکل 2). گاهی اوقات منافذ با هم همپوشانی دارند، مانند زئولیت ZSM-5 (شکل 3)، که برای تبدیل بسیار ویژه متانول به هیدروکربن های کسر بنزین استفاده می شود. بنزین حاوی مقادیر قابل توجهی هیدروکربن های معطر است و بنابراین دارای عدد اکتان بالایی است. برای مثال در نیوزلند یک سوم کل بنزین مصرفی با استفاده از این فناوری به دست می آید. متانول از متان وارداتی به دست می آید. کاتالیزورهایی که گروه زئولیت های Y را تشکیل می دهند به طور قابل توجهی بازده ترک خوردگی کاتالیزوری را به دلیل خواص اسیدی غیرمعمولشان افزایش می دهند. جایگزینی آلومینوسیلیکات ها با زئولیت ها افزایش بازدهی بنزین را تا بیش از 20 درصد ممکن می سازد.

علاوه بر این، زئولیت ها با توجه به اندازه مولکول های واکنش دهنده انتخابی هستند. گزینش پذیری آنها به دلیل اندازه منافذی است که مولکول هایی با اندازه و شکل خاصی می توانند از آن عبور کنند. این هم برای مواد اولیه و هم برای محصولات واکنش صدق می کند. به عنوان مثال، به دلیل محدودیت های فضایی

جفت - زایلن راحت تر از حجمی تر تشکیل می شودارتو- و متا -ایزومرها دومی در منافذ زئولیت "قفل شده" است (شکل 4).

استفاده از زئولیت ها انقلابی واقعی در برخی از فناوری های صنعتی ایجاد کرده است - موم زدایی نفت گاز و روغن ماشین، به دست آوردن واسطه های شیمیایی برای تولید پلاستیک با آلکیلاسیون ترکیبات معطر، ایزومریزاسیون زایلن، نامتناسب شدن تولوئن و کراکینگ کاتالیستی روغن. زئولیت به ویژه در اینجا موثر است

ZSM-5. کاتالیزورها و حفاظت از محیط زیست. استفاده از کاتالیزورها برای کاهش آلودگی هوا در پایان آغاز شددهه 1940. در سال 1952، A. Hagen-Smith دریافت که هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن، که بخشی از گازهای خروجی هستند، به نور واکنش می دهند و اکسیدان (به ویژه اوزون) را تشکیل می دهند، که چشم را تحریک می کند و اثرات نامطلوب دیگری ایجاد می کند. تقریباً در همان زمان، Y. Houdry روشی را برای تصفیه کاتالیزوری گازهای خروجی با اکسید کردن ابداع کرد. CO و هیدروکربن ها تا CO 2 و H 2 الف. در سال 1970، اعلامیه هوای پاک (تجدیدنظر شده در سال 1977، توسعه یافته در سال 1990) تدوین شد که بر اساس آن تمام خودروهای جدید از مدل های 1975 باید به مبدل های کاتالیزوری مجهز شوند. هنجارهایی برای ترکیب گازهای خروجی ایجاد شده است. از آنجایی که ترکیبات سرب به کاتالیزورهای سم بنزین اضافه شده است، یک برنامه حذف تدریجی اتخاذ شده است. همچنین توجه به نیاز به کاهش محتوای اکسیدهای نیتروژن جلب شد.

کاتالیزورهایی به طور خاص برای مبدل های خودرو ایجاد شده اند که در آنها اجزای فعال بر روی یک بستر سرامیکی با ساختار لانه زنبوری قرار می گیرند که از طریق سلول های آن گازهای خروجی عبور می کند. به عنوان مثال، بستر با یک لایه نازک از اکسید فلز پوشیده شده است

Al2O3 که یک کاتالیزور روی آن اعمال می شود - پلاتین، پالادیوم یا رودیوم. محتوای اکسیدهای نیتروژن تشکیل شده در طی احتراق سوخت های طبیعی در نیروگاه های حرارتی را می توان با افزودن مقادیر کمی آمونیاک به گازهای دودکش و عبور آنها از یک کاتالیزور تیتانیوم وانادیوم کاهش داد.آنزیم ها آنزیم ها کاتالیزورهای طبیعی هستند که فرآیندهای بیوشیمیایی را در یک سلول زنده تنظیم می کنند. آنها در فرآیندهای تبادل انرژی، تجزیه مواد مغذی، واکنش های بیوسنتز شرکت می کنند. بسیاری از واکنش های آلی پیچیده بدون آنها نمی توانند ادامه پیدا کنند. آنزیم ها در دما و فشار معمولی عمل می کنند، گزینش پذیری بسیار بالایی دارند و می توانند سرعت واکنش ها را تا هشت مرتبه بزرگی افزایش دهند. با وجود این مزایا، فقط حدود از 15000 آنزیم شناخته شده، 20 آنزیم در مقیاس بزرگ استفاده می شود.

انسان هزاران سال است که از آنزیم ها برای پخت نان، تولید مشروبات الکلی، پنیر و سرکه استفاده می کند. اکنون از آنزیم ها در صنعت نیز استفاده می شود: در فرآوری قند، در تولید آنتی بیوتیک های مصنوعی، اسیدهای آمینه و پروتئین ها. آنزیم های پروتئولیتیک که فرآیندهای هیدرولیز را تسریع می کنند به مواد شوینده اضافه می شوند.

با کمک باکتری

کلستریدیوم استوبوتیلیکوم H. Weizmann تبدیل آنزیمی نشاسته به استون و بوتیل الکل را انجام داد. این روش برای به دست آوردن استون در طول جنگ جهانی اول در انگلستان بسیار مورد استفاده قرار گرفت و در طول جنگ جهانی دوم لاستیک بوتادین با کمک آن در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد.

استفاده از آنزیم های تولید شده توسط میکروارگانیسم ها برای سنتز پنی سیلین و همچنین استرپتومایسین و ویتامین نقش بسیار مهمی داشت.

B12. اتیل الکل تولید شده به صورت آنزیمی به طور گسترده ای به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. در برزیل، بیش از یک سوم از حدود 10 میلیون خودرو با 96 درصد اتیل الکل حاصل از نیشکر و بقیه با مخلوطی از بنزین و اتیل الکل (20 درصد) کار می کنند. فناوری تولید سوخت که مخلوطی از بنزین و الکل است در ایالات متحده به خوبی توسعه یافته است. در سال 1987، تقریبا 4 میلیارد لیتر الکل که تقریباً 3.2 میلیارد لیتر آن به عنوان سوخت مصرف شده است. کاربردهای مختلف نیز در به اصطلاح یافت می شود. آنزیم های بی حرکت این آنزیم ها با یک حامل جامد مانند سیلیکاژل همراه هستند که معرف ها از روی آن عبور می کنند. مزیت این روش این است که تماس موثر لایه ها با آنزیم، جداسازی محصولات و حفظ آنزیم را تضمین می کند. یکی از نمونه های استفاده صنعتی از آنزیم های بی حرکت، ایزومریزاسیون است D -گلوکز به فروکتوز جنبه های تکنولوژیکی فناوری های مدرن را نمی توان بدون استفاده از کاتالیزورها تصور کرد. واکنش‌های کاتالیزوری می‌توانند تا دمای ۶۵۰ درجه ادامه داشته باشند° C و فشارهای 100 اتمسفر یا بیشتر. این امر حل مشکلات مربوط به تماس بین مواد گازی و جامد و انتقال ذرات کاتالیزور را به روشی جدید ضروری می کند. برای اینکه فرآیند موثر باشد، مدل سازی آن باید جنبه های جنبشی، ترمودینامیکی و هیدرودینامیکی را در نظر بگیرد. مدل‌سازی رایانه‌ای در اینجا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین ابزارها و روش‌های جدید برای کنترل فرآیندهای تکنولوژیکی استفاده می‌شود.

در دهه 1960 پیشرفت قابل توجهی در تولید آمونیاک حاصل شد. استفاده از یک کاتالیزور فعال تر باعث می شود که دمای تولید هیدروژن در هنگام تجزیه بخار آب کاهش یابد و به همین دلیل کاهش فشار و در نتیجه کاهش هزینه های تولید به عنوان مثال از طریق استفاده از روش های ارزان تر امکان پذیر شد. کمپرسورهای گریز از مرکز در نتیجه، هزینه آمونیاک بیش از نصف کاهش یافت، افزایش زیادی در تولید آن رخ داد، و در ارتباط با این - افزایش تولید مواد غذایی، زیرا آمونیاک یک کود ارزشمند است.

مواد و روش ها. تحقیقات در زمینه کاتالیز به دو روش سنتی و خاص انجام می شود. از برچسب های رادیواکتیو، اشعه ایکس، طیف سنجی مادون قرمز و رامان (رامان)، روش های میکروسکوپ الکترونی استفاده می شود. اندازه گیری های جنبشی انجام می شود، تاثیر روش های به دست آوردن کاتالیزور بر فعالیت آنها مورد مطالعه قرار می گیرد. تعیین سطح کاتالیزور با روش Brunauer-Emmett-Teller (روش BET) بر اساس اندازه گیری جذب فیزیکی نیتروژن در فشارهای مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. برای انجام این کار، مقدار نیتروژن مورد نیاز برای تشکیل تک لایه روی سطح کاتالیزور را تعیین کنید و قطر مولکول را بدانید. N 2 ، مساحت کل را محاسبه کنید. علاوه بر تعیین سطح کل، جذب شیمیایی مولکول های مختلف انجام می شود که تخمین تعداد مراکز فعال و کسب اطلاعات در مورد خواص آنها را ممکن می سازد.

محققان روش های مختلفی برای مطالعه ساختار سطحی کاتالیزورها در سطح اتمی در اختیار دارند. اطلاعات منحصر به فرد به شما امکان می دهد یک روش را بدست آورید

EXAFS . در میان روش های طیف سنجی، طیف سنجی فوتوالکترونی UV، اشعه ایکس و اوگر به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد. طیف سنجی جرمی یونی ثانویه و طیف سنجی پراکندگی یونی مورد توجه بسیار است. اندازه گیری NMR برای مطالعه ماهیت کمپلکس های کاتالیزوری استفاده می شود. میکروسکوپ تونلی روبشی به شما امکان می دهد آرایش اتم ها را روی سطح کاتالیزور مشاهده کنید. چشم اندازها مقیاس فرآیندهای کاتالیزوری در صنعت هر سال در حال افزایش است. کاتالیزورها به طور فزاینده ای برای خنثی کردن آلاینده های محیطی استفاده می شوند. نقش کاتالیزورها در تولید هیدروکربن ها و سوخت های مصنوعی حاوی اکسیژن از گاز و زغال سنگ در حال رشد است. ایجاد سلول های سوختی برای تبدیل اقتصادی انرژی سوخت به انرژی الکتریکی بسیار امیدوار کننده به نظر می رسد.

مفاهیم جدید کاتالیز به دست آوردن مواد پلیمری و سایر محصولات با خواص بسیار ارزشمند، بهبود روش های تولید انرژی، افزایش تولید مواد غذایی به ویژه با سنتز پروتئین ها از آلکان ها و آمونیاک با کمک میکروارگانیسم ها امکان پذیر خواهد بود. ممکن است بتوان روش‌های مهندسی ژنتیکی برای تولید آنزیم‌ها و ترکیبات آلی فلزی که به کاتالیزورهای بیولوژیکی طبیعی در فعالیت کاتالیزوری و گزینش‌پذیری نزدیک می‌شوند، توسعه داد.

ادبیاتگیتس بی.کی. شیمی فرآیندهای کاتالیزوری . م.، 1981
بورسکوف G.K. کاتالیزور. سوالات تئوری و عملی . نووسیبیرسک، 1987
Gankin V.Yu.، Gankin Yu.V.نظریه کلی جدید کاتالیز . L.، 1991
توکابه ک. کاتالیزورها و فرآیندهای کاتالیزوری . م.، 1993