Կատալիզացված ռեակցիաներ. Կատալիզը քիմիական ռեակցիաներում

Քիմիական տեխնոլոգիայի հիմքում ընկած գործընթացների մեծ մասը կատալիտիկ ռեակցիաներ են: Դա պայմանավորված է նրանով, որ կատալիզատորի ներդրմամբ զգալիորեն ավելանում է նյութերի փոխազդեցության արագությունը։ Միևնույն ժամանակ, արտադրողները կարողանում են նվազեցնել ծախսերը կամ ձեռք բերել ավելի շատ ռեակցիայի արտադրանք նույն ժամանակահատվածում: Այդ իսկ պատճառով տեխնոլոգների պատրաստման ժամանակ մեծ ուշադրություն է դարձվում կատալիզի ուսումնասիրությանը։ Սակայն այս երեւույթը նույնպես կարեւոր դեր է խաղում բնության մեջ։ Այսպիսով, հատուկ նյութերը կարգավորում են կենսաքիմիական ռեակցիաների առաջացումը կենդանի օրգանիզմներում՝ դրանով իսկ ազդելով նյութափոխանակության վրա։

Կատալիզացման հայեցակարգ

Այս քիմիական երևույթի էությունն այն է, որ կարգավորվի նյութերի փոխակերպման արագությունը՝ օգտագործելով հատուկ ռեակտիվներ, որոնք կարող են դանդաղեցնել կամ արագացնել այս գործընթացը: Այս դեպքում խոսվում է դրական կամ բացասական կատալիզի մասին։ Գոյություն ունի նաև ավտոկատալիզի երևույթը, որտեղ ռեակցիայի արագության վրա ազդում է քիմիական ռեակցիայի միջանկյալ արտադրանքներից մեկը։ Կատալիզական պրոցեսները բազմազան են, դրանք տարբերվում են մեխանիզմներով, միացությունների ագրեգացման վիճակով և ուղղությամբ։

Նյութերը, որոնք դանդաղեցնում են քիմիական փոխազդեցությունները, կոչվում են ինհիբիտորներ, իսկ այն նյութերը, որոնք արագացնում են կատալիտիկ ռեակցիաները՝ կատալիզատորներ։ Երկուսն էլ փոխում են ռեակցիայի արագությունը դրա մասնակիցներից մեկի կամ մի քանիսի հետ կրկնվող միջանկյալ փոխազդեցությունների միջոցով: Այնուամենայնիվ, դրանք ներառված չեն արտադրանքի բաղադրության մեջ և վերականգնվում են նյութի փոխակերպման ցիկլի ավարտից հետո։ Հետևաբար, կատալիզատորի մասնակցությունը ստոյխիոմետրիկորեն չի արտացոլվում ռեակցիայի հավասարման մեջ, այլ միայն նշվում է որպես նյութերի փոխազդեցության պայման։

Կատալիտիկ ռեակցիաների տեսակները

Ըստ քիմիական ռեակցիայի մասնակից նյութերի ագրեգացման վիճակի՝ դրանք առանձնանում են.

• միատարր ռեակցիաներ - ռեակտիվները, արտադրանքները և կատալիզատորները գտնվում են նույն ագրեգացման վիճակում (փուլ), մինչդեռ նյութերի մոլեկուլները հավասարաչափ բաշխված են ամբողջ ծավալով.
• միջերեսային կատալիտիկ ռեակցիաներ - տեղի են ունենում չխառնվող հեղուկների միջերեսում, և կատալիզատորի դերը կրճատվում է մինչև դրա միջոցով ռեակտիվների տեղափոխումը.
• տարասեռ կատալիտիկ ռեակցիաներ - դրանցում կատալիզատորն ունի ռեակտիվներից տարբեր ագրեգացման վիճակ, և ռեակցիան ինքնին իրականացվում է փուլային միջերեսում.
• տարասեռ-միատարր ռեակցիաներ - սկսվում են կատալիզատորի միջերեսում և շարունակվում են ռեակցիայի ծավալով.
• միկրոհետերոգեն ռեակցիաներ - պինդ կատալիզատորի փոքր մասնիկները հեղուկ փուլի ողջ ծավալով ձևավորում են միցելներ:

Գոյություն ունի նաև ռեդոքս կատալիզ, որն ուղեկցվում է ռեագենտների հետ փոխազդեցության ժամանակ կատալիզատորի օքսիդացման վիճակի փոփոխությամբ։ Նման փոխակերպումները կոչվում են կատալիտիկ օքսիդացման և նվազեցման ռեակցիաներ։ Քիմիական արտադրության մեջ ամենատարածված պրոցեսը ծծմբի երկօքսիդի եռօքսիդի օքսիդացումն է՝ ծծմբաթթու արտադրելու համար։

Կատալիզատորների տեսակները

Ըստ ագրեգացման վիճակի՝ կատալիզատորները լինում են հեղուկ (H 2 SO 4, H 3 PO 4), պինդ (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) և գազային (BF 3)։

Կախված նյութի տեսակից՝ կատալիզատորները դասակարգվում են.

• մետաղներ - կարող են լինել մաքուր, համաձուլվածքներ, պինդ կամ նստած ծակոտկեն հիմքի վրա (Fe, Pt, Ni, Cu);
• M m E n տեսակի մետաղական միացություններ - ամենատարածված օքսիդներն են MgO, Al 2 O 3, MoO 3 և այլն;
• թթուներ և հիմքեր - օգտագործվում են թթու-բազային կատալիտիկ ռեակցիաների համար, դրանք կարող են լինել Լյուիս թթուներ, Բրոնսթեդ թթուներ և այլն;
• մետաղական համալիրներ - այս խումբը ներառում է նաև անցումային մետաղների աղեր, օրինակ՝ PdCl 2, Ni(CO) 4;
• enzymes (aka enzymes) կենսակատալիզատորներ են, որոնք արագացնում են կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող ռեակցիաները:

Ըստ էլեկտրոնային կառուցվածքի առանձնահատկությունների՝ առանձնանում են d-կատալիզատորները, որոնք ունեն d-էլեկտրոններ և d-օրբիտալներ, ինչպես նաև s,p-կատալիզատորներ, որոնց կենտրոնը վալենտական ​​s և p-էլեկտրոններով տարր է։

Կատալիզատորների հատկությունները

Արդյունավետ օգտագործման համար դրանք ենթակա են պահանջների բավականին ընդարձակ ցանկի, որոնք տարբերվում են որոշակի գործընթացի համար: Բայց ամենակարևորը կատալիզատորների հետևյալ երկու հատկություններն են.

• Առանձնահատկությունը կայանում է նրանում, որ կատալիզատորները կարող են ազդել միայն մեկ ռեակցիայի կամ մի շարք նմանատիպ փոխակերպումների վրա և չազդել մյուսների արագության վրա: Այսպիսով, պլատինը առավել հաճախ օգտագործվում է օրգանական հիդրոգենացման ռեակցիաներում։
• Ընտրողականությունը բնութագրվում է մի քանի հնարավոր զուգահեռ ռեակցիաներից մեկը արագացնելու ունակությամբ՝ դրանով իսկ մեծացնելով ամենակարևոր արտադրանքի բերքատվությունը։

Կատալիզային ռեակցիայի արագությունը

Նյութերի փոխազդեցության արագացման պատճառը կատալիզատորի հետ ակտիվ համալիրի առաջացումն է, ինչը հանգեցնում է ակտիվացման էներգիայի նվազմանը։

Քիմիական կինետիկայի հիմնական պոստուլատի համաձայն, ցանկացած քիմիական ռեակցիայի արագությունը ուղիղ համեմատական ​​է սկզբնական նյութերի կոնցենտրացիաների արտադրանքին, որոնք վերցված են իրենց ստոյխիոմետրիկ գործակիցներին համապատասխանող հզորություններով.

v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z,

որտեղ k-ն քիմիական ռեակցիայի արագության հաստատուն է, որը թվայինորեն հավասար է նույն ռեակցիայի արագությանը, պայմանով, որ սկզբնական միացությունների կոնցենտրացիաները լինեն 1 մոլ/լ։

Ըստ Արենիուսի հավասարման՝ k-ն կախված է ակտիվացման էներգիայից.

k = A ∙ exp^(-E A / RT):

Նշված օրինաչափությունները վավեր են նաև կատալիտիկ ռեակցիաների համար: Սա հաստատվում է նաև արագության հաստատունների հարաբերակցության հավասարմամբ.

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

որտեղ K ինդեքսով փոփոխականները վերաբերում են կատալիտիկ ռեակցիաներին:

Կատալիտիկ ռեակցիաների փուլերը

Միատարր կատալիտիկ ռեակցիաների համար բավարար է երկու հիմնական փուլ.

1. Ակտիվացված համալիրի ձևավորում՝ A + K ―> AK:
2. Ակտիվացված համալիրի փոխազդեցությունը այլ ելակետային նյութերի հետ՝ AK + B ―> C + K:

Ընդհանուր ձևով գրվում է A + B ―> C ձևի հավասարում։

Տարասեռ կատալիտիկ ռեակցիաների մեխանիզմը բարդ է։ Առանձնացվում են հետևյալ վեց փուլերը.

1. Մեկնարկային միացությունները կատալիզատորի մակերեսին հասցնելը:
2. Մեկնարկային ռեակտիվների կլանումը կատալիզատորի մակերեսով և միջանկյալ համալիրի ձևավորում՝ A + B + K ―> AVK:
3. Ստացված կոմպլեքսի ակտիվացում՝ АВК ―> АВК * .
4. Բարդ միացության տարրալուծում, մինչդեռ ստացված արգասիքները ներծծվում են կատալիզատորի կողմից՝ АВК * ―> CDK:
5. Ստացված արտադրանքի կլանումը կատալիզատորի մակերեսով` CDK ―> C + D + K:
6. Արտադրանքի հեռացում կատալիզատորից:

Կատալիտիկ ռեակցիաների օրինակներ

Կատալիզատորները օգտագործվում են ոչ միայն քիմիական արդյունաբերության մեջ: Ցանկացած մարդ իր առօրյա կյանքում հանդիպում է տարբեր կատալիտիկ ռեակցիաների։ Սա, օրինակ, վերքերը բուժելիս ջրածնի պերօքսիդի օգտագործումն է։ Ջրածնի պերօքսիդը, երբ փոխազդում է արյան հետ, սկսում է քայքայվել հետևյալի ազդեցության տակ.

2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O:

Ժամանակակից մեքենաներում այն ​​հագեցած է հատուկ կատալիտիկ խցիկներով, որոնք նպաստում են վնասակար գազային նյութերի քայքայմանը։ Օրինակ՝ պլատինը կամ ռոդիումը օգնում են նվազեցնել շրջակա միջավայրի աղտոտումը ազոտի օքսիդներից, որոնք քայքայվում են՝ ձևավորելով անվնաս O 2 և N 2:

Որոշ ատամի մածուկներ պարունակում են ֆերմենտներ, որոնք սկսում են ափսեի և սննդի մնացորդների քայքայումը:

Ռեակցիայի արագությունը կարգավորելու ամենատարածված մեթոդներից մեկը կատալիզատորների օգտագործումն է:

Կատալիզատորներ- սրանք նյութեր են, որոնք ակտիվորեն մասնակցում են ռեակցիայի միջանկյալ փուլերին, փոխում են ընդհանուր գործընթացի արագությունը, բայց անփոփոխ վիճակում հայտնաբերվում են ռեակցիայի արտադրանքներում:

Կատալիզատորների առկայության դեպքում ռեակցիայի արագության փոփոխությունը կոչվում է կատալիզ, և ինքնին արձագանքները – կատալիտիկ ռեակցիաներ.

Կատալիզիկ ռեակցիաների դասակարգման երկու մոտեցում կա.

1. Ելնելով փուլային սահմանի առկայությունից՝ առանձնանում են.

– համասեռ կատալիզերբ ռեակտիվները, կատալիզատորները և ռեակցիայի արտադրանքները գտնվում են նույն փուլում.

– տարասեռ կատալիզերբ կատալիզատորը և ռեակցիայի արտադրանքներով ռեակտիվները գտնվում են տարբեր փուլերում. Հաճախ կատալիզատորը ձևավորում է պինդ փուլ, իսկ ռեակտիվները և արտադրանքները գտնվում են հեղուկ կամ գազային փուլում:

2. Ըստ ռեակցիայի արագության փոփոխության բնույթի՝ տեղի է ունենում.

– դրական կատալիզ, որի դեպքում կատալիզատորը մեծացնում է ռեակցիայի արագությունը.

– բացասական կատալիզ (արգելափակում), որի դեպքում կատալիզատորը ( արգելակիչ) դանդաղեցնում է ռեակցիայի արագությունը.

– ավտոկատալիզիերբ ռեակցիայի արտադրանքը խաղում է կատալիզատորի դեր. օրինակ՝ էսթերի հիդրոլիզում

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

Ռեակցիայի արդյունքում առաջացած քացախաթթուն պառակտում է ջրածնի իոնը, որը սկսում է հիդրոլիզի ռեակցիայի կատալիզատորի դեր կատարել։ Հետևաբար, սկզբնական դանդաղ ռեակցիան ժամանակի ընթացքում ավելի ու ավելի մեծանում է:

Կատալիտիկ ռեակցիաների մեխանիզմը բացատրելու համար առաջարկվել է միջանկյալ տեսություն. Համաձայն այս տեսության՝ դրական կատալիզում կատալիզատորը ( TO) մեծ արագությամբ ռեակտիվներից մեկի հետ ձևավորում է միջանկյալ միացություն, որը նույնպես արագ փոխազդում է երկրորդ ռեագենտի հետ.

A + B D(դանդաղ)

1) A + K AK(արագ)

2) AK + B D + K(արագ)

Նկար 4ա-ից պարզ է դառնում, որ ոչ կատալիտիկ գործընթացի ակտիվացման էներգիան շատ ավելի մեծ է, քան կատալիտիկ փոխակերպման առաջին և երկրորդ փուլերի ակտիվացման էներգիան: Այսպիսով, դրական կատալիզով Կատալիզատորի դերը ռեակցիայի ակտիվացման էներգիայի նվազեցումն է:

Ռեակցիայի ուղին ա)

Ռեակցիայի ուղին բ) Ռեակցիայի ուղին ա)

Նկար 4 Կատալիտիկ ռեակցիայի էներգետիկ դիագրամներ (ա) և

արգելակված ռեակցիա (բ)

Արգելակման ռեակցիաներում արգելակող ( Ի) մեծ արագությամբ առաջացնում է ուժեղ միջանկյալ միացություն ( AI), որը շատ դանդաղ վերածվում է ռեակցիայի արտադրանքի.

A + B D(դանդաղ)

1) A + I AI(շատ արագ)

2) AI + B D + I(Այնքան դանդաղ)

Նկար 4b-ից երևում է, որ արգելակման առաջին փուլը, համեմատած չարգելափակված գործընթացի հետ, ունի ավելի ցածր ակտիվացման էներգիա և ընթանում է շատ արագ: Միևնույն ժամանակ, արգելակման երկրորդ փուլի ակտիվացման էներգիան շատ ավելի մեծ է, քան չզսպված ռեակցիայի էներգիան։ Այսպիսով, արգելակված ռեակցիաներում արգելակողի դերը ռեակցիայի ակտիվացման էներգիայի ավելացումն է:

ԷՆԶԻՄԱՏԻՎԻ ԱՌԱՆՁՆԱՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ

ԿԱՏԱԼԻԶ

Ֆերմենտներ(լատ. fermentum– թթխմոր) – կենսաբանական կատալիզատորներ, որոնք առկա են բոլոր կենսաբանական համակարգերում: Նրանք իրականացնում են նյութերի փոխակերպումն օրգանիզմում՝ դրանով իսկ ուղղորդելով և կարգավորելով նրա նյութափոխանակությունը։ Ֆերմենտները լայնորեն կիրառվում են սննդի և թեթև արդյունաբերության մեջ։ Քիմիական բնույթով ֆերմենտները սպիտակուցի գնդաձեւ մոլեկուլ են։

Ֆերմենտային կատալիզ (բիոկատալիզ)– դա կենսաբանական համակարգերում քիմիական ռեակցիաների արագացումն է հատուկ սպիտակուցների՝ ֆերմենտների միջոցով: Ֆերմենտային կատալիզը հիմնված է նույն քիմիական սկզբունքների վրա, ինչ քիմիական արտադրության մեջ օգտագործվող սովորական քիմիական կատալիզի հիմքը: Այնուամենայնիվ, ֆերմենտային կատալիզն ունի իր առանձնահատկությունները.

1. Բարձրագույն գործունեությունհամեմատ քիմիական կատալիզատորների հետ (արագության աճ 10 10 – 10 13 անգամ): Դա տեղի է ունենում, քանի որ ֆերմենտային ռեակցիաները բոլոր փուլերում ունեն շատ ցածր ակտիվացման էներգիա (Նկար 5):

2. Ֆերմենտների մեծ մասը տարբեր է գործողության առանձնահատկությունըայնպես, որ ռեակտիվ նյութի փոխակերպման գրեթե յուրաքանչյուր ռեակցիա ( սուբստրատ) արտադրանքի մեջ իրականացվում է հատուկ ֆերմենտի միջոցով: Ֆերմենտի գործողության առանձնահատկությունների մասին երկու տեսություն կա.

1) Ֆիշերի տեսություն(«Բանալին-կողպեքի» տեսություն). ֆերմենտը և ենթաշերտը, ըստ իրենց տարածական կառուցվածքի, պետք է համապատասխանեն միմյանց, ինչպես բանալին իրենց կողպեքին.

2) Կոշլանդի տեսություն(«Ձեռքերի և ձեռնոցների» տեսություն). ֆերմենտը և սուբստրատը առանձին-առանձին կարող են չունենալ միմյանց համապատասխան տարածական ձևեր, բայց երբ մոտեցվում են միմյանց, դրանց կոնֆիգուրացիան փոխվում է այնպես, որ հնարավոր է դառնում խիստ տարածական համապատասխանություն:

3. Ֆերմենտները բնութագրվում են ապաակտիվացման երևույթ- ֆերմենտի մոլեկուլի ոչնչացում որոշակի քանակությամբ սուբստրատի մոլեկուլների հետ փոխազդեցությունից հետո: Որքան բարձր է ֆերմենտի ակտիվությունը, այնքան ավելի արագ է այն քայքայվում: Անակտիվացման երեւույթը բացատրվում է Կոշլանդի տեսությամբ։ Իսկապես, որքան ակտիվ է ֆերմենտը, այնքան ավելի ինտենսիվ է այն փոխազդում սուբստրատի հետ, որի ընթացքում ֆերմենտի մոլեկուլը ենթարկվում է զգալի տարածական դեֆորմացիայի։ Նման կրկնվող դեֆորմացիան հանգեցնում է ամենաթույլ քիմիական կապերի խզմանը, այսինքն՝ ֆերմենտի մոլեկուլի քայքայմանը։

4. Յուրաքանչյուր ֆերմենտ պարունակում է սպիտակուցի մոլեկուլ: Մեկ բաղադրիչբաղկացած է միայն սպիտակուցի մոլեկուլից, և երկու բաղադրիչ– սպիտակուցի մոլեկուլից և դրա հետ կապված ոչ սպիտակուցային բաղադրիչից (անօրգանական իոն կամ օրգանական միացության մոլեկուլ, ամենից հաճախ՝ վիտամինի մոլեկուլ կամ դրա փոխակերպման արդյունք) – կոֆակտոր. Սպիտակուցի և կոֆակտորի մոլեկուլային համալիրը կոչվում է հոլոֆերմենտ, որն ունի առավելագույն կատալիտիկ ակտիվություն։ Հոլոէնզիմի սպիտակուցային մասը կոչվում է ֆերոն, իսկ ոչ սպիտակուցային մասն է ագոն. Կոֆակտորից զուրկ սպիտակուցային բաղադրիչը կոչվում է ապոֆերմենտ, իսկ սպիտակուցի մոլեկուլից անջատված կոֆակտորն է կոֆերմենտ. Կոֆակտորից անջատված՝ սպիտակուցի մոլեկուլը շատ ցածր ակտիվություն ունի, և որպես կատալիզատոր կոֆերմենտը հիմնականում անգործուն է։

5. Ֆերմենտների մեծ մասի գործողությունը կարգավորվում է, այսինքն՝ կարողանում են ցածր ակտիվության վիճակից անցում կատարել բարձր ակտիվության վիճակի ու հետ։ Կարգավորող մեխանիզմը բարդ համակարգ է, որի միջոցով մարմինը վերահսկում է իր բոլոր գործառույթները:

6. Ֆերմենտները շատ զգայուն են արտաքին պայմանների ազդեցության նկատմամբ։ Նրանք ակտիվ են համեմատաբար նեղ ջերմաստիճանների և pH արժեքների դեպքում:

Ֆերմենտային ռեակցիաների մեխանիզմը նման է քիմիական կատալիզատորների կողմից կատալիզացված ռեակցիաների մեխանիզմին.

S + E ES P + E,

այսինքն սկզբում շատ արագ է ձևավորվում enzymesubstrate համալիր ES, որը կարող է հետ տարանջատվել սուբստրատի մեջ Սև ֆերմենտ Ե, այլեւ կամաց-կամաց վերածվել ռեակցիայի արտադրանքի Պ. Ֆերմենտի մշտական ​​կոնցենտրացիայի դեպքում սուբստրատի փոխակերպման սկզբնական արագության կախվածությունը v 0նկարագրված է իր սկզբնական կոնցենտրացիայից Միքայելիսի կինետիկ հավասարումը-Մենթեն:

v 0 = ,

Որտեղ Կ մԵվ Vmax- կինետիկ պարամետրեր, որոնք արտացոլում են ֆերմենտի գործողության մեխանիզմը:

Այս պարամետրերի որոշման մեթոդը հիմնված է օգտագործման վրա Lineweaver-Burk հավասարումներ, որը ստացվում է Միքայելիս–Մենտենի հավասարումը փոխակերպելով.

= +

Նկար 6-ում ներկայացված է պարամետրերի որոշման մեթոդաբանությունը Կ մԵվ Vmax. V max -ֆերմենտի տվյալ ֆերմենտի կոնցենտրացիայի առավելագույն սկզբնական ռեակցիան է [ Ե] (Նկար 7): Մոլային ֆերմենտային ակտիվություն(ա E) որոշվում է հարաբերությամբ.

որը ցույց է տալիս մեկ ֆերմենտի մոլեկուլով փոխարկվող սուբստրատի մոլեկուլների քանակը միավոր ժամանակում։ Օրինակ՝ ռեակցիայի համար CO 2 + H 2 O H 2 CO 3, կատալիզացված արյան ֆերմենտի կարբոնատդեհիդրատազով և E \u003d 36 10 6 մոլով CO 2/(min∙mol E), այսինքն՝ մեկ րոպեում ֆերմենտի 1 մոլեկուլ կատալիզացնում է 36 միլիոն մոլեկուլների փոխակերպումը։ CO 2.

Նկար 7 Ֆերմենտային ռեակցիայի սկզբնական արագության կախվածությունը սուբստրատի սկզբնական կոնցենտրացիայից

Պարամետր Կ մնշանակում է սուբստրատի քանակությունը, որն անհրաժեշտ է հասանելի ֆերմենտի կեսը ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի մեջ կապելու և առավելագույն արագության կեսը հասնելու համար (Նկար 7): Ահա թե ինչու Կ մկարող է օգտագործվել տվյալ սուբստրատի նկատմամբ որոշակի ֆերմենտի գործողության առանձնահատկությունը գնահատելու համար: Օրինակ՝ ռեակցիայի համար

մոնոսաքարիդ + ATPշաքարի ֆոսֆատ + ADF,

կատալիզացվում է գլյուկոզայի համար ստացված հեքսոկինազ ֆերմենտով Կ մ= 8∙10 –6 մոլ/լ, իսկ ալոզի համար Կ մ= 8∙10 –3 մոլ/լ. Հետևաբար, ֆերմենտը ավելի նախընտրելի է փոխազդում գլյուկոզայի հետ, քանի որ նույն արդյունքի հասնելու համար նրանից պահանջվում է 1000 անգամ ավելի քիչ, քան allose-ը:

4. ՔԻՄԻԱԿԱՆ ՀԱՎԱՍԱՐԱԿՈՒԹՅՈՒՆ

Երբ հասնում է քիմիական հավասարակշռության վիճակի, նյութերի մոլեկուլների թիվը դադարում է փոխվել և ժամանակի ընթացքում մշտական ​​է մնում արտաքին մշտական ​​պայմաններում: Քիմիական հավասարակշռությունը բնութագրվում է հետևյալ բնութագրերով.

1) առաջընթաց և հակադարձ ռեակցիաների արագությունների հավասարություն;

2) մշտական ​​արտաքին պայմաններում բաղադրիչների կոնցենտրացիաների (մասնակի ճնշումների) կայունությունը.

3) շարժունակություն, այսինքն ՝ փոքր տեղաշարժերով ինքնաբերաբար վերականգնելու ունակություն.

4) հավասարակշռությունը ձեռք է բերվում ինչպես առաջ, այնպես էլ հետադարձ ռեակցիաներով:

Դիտարկենք քիմիական ռեակցիայի էներգիայի դիագրամը

A + B D(Նկար 8): Այս արձագանքի համար.

Նկար 8 Հետադարձելի քիմիական ռեակցիայի էներգետիկ դիագրամ

Հետևաբար, տվյալ ջերմաստիճանում առաջընթաց և հակադարձ ռեակցիաներն ունեն լավ սահմանված արագության հաստատուններ: Հետևաբար, շրջելի ռեակցիաներում կինետիկ կորերն ունեն նկար 9-ում ներկայացված ձևը Ա. Նկարից երեւում է, որ ժամանակին հասնելուց հետո տ ռբաղադրիչների կոնցենտրացիաները մնում են անփոփոխ:

ըստ օրենքի ժամըզանգվածային ակցիա

Նկար 9-ից բԵրևում է, որ հավասարակշռության ժամանակին հասնելուց հետո tpձեռք է բերվել արագությունների հավասարություն. Հետո

Որտեղ Կկ= քիմիական հավասարակշռության հաստատունն է, որը որոշվում է բաղադրիչների հավասարակշռության կոնցենտրացիաներից:

Նկար 9 Կինետիկ կորեր (ա) և առաջ և հետադարձ ռեակցիաների արագության կախվածությունը ժամանակից (բ) շրջելի ռեակցիայի համար

Ընդհանուր առմամբ, արձագանքի համար

mA +nB qD +fE

հավասարակշռության հաստատունը տրվում է

Այսպիսով, Կկտվյալ ջերմաստիճանում ռեակցիայի համակարգի բնորոշ պարամետր է, որը որոշում է բաղադրիչների կոնցենտրացիաների հարաբերակցությունը քիմիական հավասարակշռության վիճակում։

Եթե ​​ռեակցիան տեղի է ունենում գազային փուլում, ապա կոնցենտրացիաների փոխարեն օգտագործվում են համակարգի բաղադրիչների մասնակի ճնշումները։ Վերոնշյալ հավասարակշռության ռեակցիայի համար հավասարակշռության հաստատունը, որը որոշվում է հավասարակշռության մեջ գտնվող բաղադրիչների մասնակի ճնշումից, գտնվում է որպես.

Իդեալական գազերի համար р i =C i RT. Ահա թե ինչու

որտեղ - ռեակցիայի ընթացքում բաղադրիչների մոլերի քանակի փոփոխությունն է:

Արժեքներ ԿկԵվ Կպկախված է ջերմաստիճանից և ռեակցիայի համակարգերի բաղադրիչների բնույթից:

Առջևի և հակադարձ ռեակցիաների Արենիուսի հավասարումներից հետևում է.

ln k pr= մատյան Մի պրև ln k arr.= մատյան A arr.

Այդ ժամանակվանից

ln Կ ր= մատյան

Որտեղ ԴН պր- ուղղակի ռեակցիայի ջերմային ազդեցություն.

Ստացված հավասարումից հետևում է, որ կախվածությունը Կպկարծես ուղիղ գիծ և դրա համար (Նկար 10), որից հետևում է .

Որոշելու համար ΔH պրգտնել արժեքը՝ օգտագործելով վերլուծական մեթոդը Կպերկու տարբեր ջերմաստիճաններում և հաշվարկներ կատարեք՝ օգտագործելով բանաձևը

ΔH պր

Նկար 10 Ուղղակի էնդոթերմիկ ռեակցիայի ջերմային ազդեցության որոշում ( ԴН պր >0)

Վերջին արտահայտությունը կոչվում է ինտեգրալ հավասարում քիմիական ռեակցիայի իզոբարներ. Այն կապում է հավասարակշռության հաստատունները երկու տարբեր ջերմաստիճաններում և նկարագրում է հավասարակշռության համակարգեր, որոնցում ընդհանուր ճնշումը մնում է հաստատուն, երբ ջերմաստիճանը փոխվում է:

Եթե, երբ ջերմաստիճանը փոխվում է, համակարգի ծավալը մնում է հաստատուն, ինչպես, օրինակ, լուծույթներում ռեակցիաների ժամանակ, ապա պարամետրերի միջև կապն արտահայտվում է. քիմիական ռեակցիայի իզոխորա

ΔU պր .

Քննարկելով քիմիական ռեակցիաների ուղղությունը քիմիական թերմոդինամիկայի տեսանկյունից՝ նշվել է, որ համակարգը գտնվում է պայմանով քիմիական հավասարակշռության վիճակում. ∆G= 0. Այս դիրքի հիման վրա ստացվում է հավասարումը քիմիական ռեակցիայի իզոթերմներ, որը թույլ է տալիս որոշել նշանը ∆Gև, համապատասխանաբար, քիմիական ռեակցիայի ուղղությունը պայմանով, որ ռեակցիայի համակարգի բաղադրիչները խառնվեն կամայական հարաբերակցությամբ.

ΔG= RT(ln – ln Կպ)

Որտեղ p ԱԵվ p V- բաղադրիչների կամայական մասնակի ճնշումները, որոնք ստացվում են դրանք խառնելով.

Նմանատիպ հարաբերություն առաջարկվել է մի համակարգի համար, որի բաղադրիչները լուծվում են:

Օրինակ՝ ռեակցիայի համար

mA+nB qD+fE,

որի հավասարակշռությունը հաստատված է հեղուկ փուլում, քիմիական ռեակցիայի իզոթերմային հավասարումն ունի հետևյալ ձևը.

ΔG= RT(ln - ln Կկ)

որտեղ են բաղադրիչների մոլային բաժինները լուծույթում, որը ստացվում է կամայական քանակությամբ նյութեր խառնելով Ա, Բ, ԴԵվ Ե.

Հավասարակշռության փոփոխություն.Հավասարակշռության վիճակում գտնվող համակարգի ջերմաստիճանի, կոնցենտրացիայի կամ ճնշման փոփոխությունը այն դուրս է հանում հավասարակշռությունից: Բայց որոշակի ժամանակ անց համակարգում կրկին հաստատվում է նոր հավասարակշռության վիճակ, որի պարամետրերն արդեն տարբերվում են սկզբնական վիճակից։ Համակարգի նման անցումը մի հավասարակշռության վիճակից մյուս հավասարակշռության վիճակի, երբ պայմանները փոխվում են, կոչվում է հավասարակշռության տեղաշարժ: Այն օգտագործվում է նպատակային արտադրանքի եկամտաբերությունը մեծացնելու համար այն համակարգերի համար, որոնք ունեն հավասարակշռության հաստատունների փոքր արժեքներ: Բացի այդ, հավասարակշռությունը փոխելու մեթոդը կարող է ճնշել զուգահեռ տեղի ունեցող անցանկալի գործընթացները:

Բայց հարկ է նկատի ունենալ երկու գործոն, որոնք չեն ազդում հավասարակշռության վիճակի վրա. Նախ, կատալիզատորը հավասարակշռության համակարգ ներմուծելը չի ​​հանգեցնում հավասարակշռության փոփոխության: Կատալիզատորը միաժամանակ նվազեցնում է առաջնային և հակադարձ ռեակցիաների ակտիվացման էներգիան, ինչը հանգեցնում է երկու ռեակցիաների արագության բարձրացմանը նույն չափով: Կատալիզատորի կիրառման արդյունքում ավելի կարճ ժամանակահատվածում ձեռք է բերվում հավասարակշռության վիճակ։ Երկրորդ, տարասեռ հավասարակշռության համակարգերում չլուծվող և չցնդող պինդ մարմինների կոնցենտրացիաները և մասնակի ճնշումները ներառված չեն հավասարակշռության հաստատունի արտահայտման մեջ: Օրինակ՝ ռեակցիայի համար FeO + CO Fe + CO 2հավասարակշռության հաստատունը սահմանվում է որպես Կպ= .

Ջերմաստիճանի ազդեցությունը.Հավասարումներ իզոխորներԵվ իզոբարներհնարավորություն է տալիս կանխատեսել հավասարակշռության տեղաշարժի ուղղությունը ջերմաստիճանի փոփոխություններով: Օրինակ, եթե համակարգը գտնվում է հավասարակշռության մեջ, և առաջընթաց ռեակցիան էկզոթերմիկ է (DN pr <0), то при повышении температуры (T 2 > T 1) անհավասարությունը K p ,2 K p ,1. Սա հուշում է, որ նոր հավասարակշռության վիճակում ռեակցիայի արտադրանքի մասնակի ճնշումը կլինի ավելի ցածր, այսինքն՝ ռեակցիան տեղափոխվում է ձախ։

Ջերմաստիճանի բարձրացումը հավասարակշռությունը տեղափոխում է դեպի էնդոթերմիկ ռեակցիա, իսկ ջերմաստիճանի նվազումը՝ հավասարակշռությունը դեպի էկզոթերմիկ ռեակցիա։

Այսպիսով, արտադրանքի ամենաբարձր եկամտաբերությունը ձեռք է բերվում.

Ցածր ջերմաստիճանում էկզոտերմիկ ռեակցիաների համար;

Բարձր ջերմաստիճաններում էնդոթերմիկ ռեակցիաների համար:

Համակենտրոնացման ազդեցություն (մասնակի ճնշում):Հավասարումը իզոթերմներթույլ է տալիս կանխատեսել հավասարակշռության տեղաշարժի ուղղությունը, երբ փոխվում է հավասարակշռության համակարգի որևէ բաղադրիչի կոնցենտրացիան: Թող համակարգը լինի հավասարակշռության մեջ: Հետո ΔG=0 և իզոթերմի հավասարման բաղադրիչների կոնցենտրացիաները համապատասխանում են հավասարակշռության արժեքներին և = Կկ. Եթե ​​ռեակցիայի արտադրանքներից մի քանիսը հեռացվում են համակարգից, ապա պարամետրերի հարաբերակցությամբ առաջանում է ոչ հավասարակշռված վիճակ. Կկև համապատասխանաբար, ΔG< 0. Վերջին անհավասարությունը ուղղակի ռեակցիայի ինքնաբուխ առաջացման թերմոդինամիկ պայմանն է: Հետևաբար, նոր հավասարակշռության վիճակ է ձեռք բերվում սկզբնական ռեակտիվների մի մասը փոխակերպելով ռեակցիայի արտադրանքների՝ հավասարակշռությունը տեղափոխելով աջ:

Սկզբնական ռեակտիվների կոնցենտրացիայի (մասնակի ճնշման) աճը հավասարակշռությունը տեղափոխում է արտադրանքի ձևավորում, իսկ դրանց կոնցենտրացիայի նվազումը (մասնակի ճնշում)՝ արտադրանքի հակադարձ փոխակերպումը սկզբնականի: Արդյունքների կոնցենտրացիայի (մասնակի ճնշման) ավելացումը հավասարակշռությունը տեղափոխում է դեպի հակադարձ ռեակցիա, իսկ դրանց կոնցենտրացիայի նվազումը (մասնակի ճնշում)՝ հավասարակշռությունը տեղափոխում դեպի առաջ ռեակցիա։

Հետևաբար, ռեակցիայի արտադրանքի ելքը մեծացնելու համար անհրաժեշտ է ավելացնել սկզբնական ռեակտիվների կոնցենտրացիաները (մասնակի ճնշումները) կամ նվազեցնել արտադրանքի կոնցենտրացիան (մասնակի ճնշումը)՝ աստիճանաբար հեռացնելով դրանք ռեակցիայի համակարգից։

Համակարգի ընդհանուր ճնշման ազդեցությունը. Թող տրվի հավասարակշռված գազաֆազային համակարգ mA nB, ինչի համար n մ, այսինքն՝ ուղղակի ռեակցիա է տեղի ունենում մոլեկուլների քանակի ավելացմամբ։

Դալթոնի օրենքի համաձայն. p Ա = p∙y ԱԵվ p B = p∙y Բ, Որտեղ Ռ- ընդհանուր ճնշումը համակարգում; r A, r B- բաղադրիչների մասնակի ճնշում; y A, y B- բաղադրիչների մոլային ֆրակցիաները գազային փուլում: Այնուհետև իզոթերմի հավասարումը ստանում է հետևյալ ձևը

Եթե ​​ճնշման տակ p 1համակարգը հավասարակշռության մեջ է, ուրեմն

.

Ճնշումը մինչև p 2 բարձրացնելը համակարգը դուրս է մղում հավասարակշռությունից: Որովհետեւ ( p-t) 0, ապա առաջանում է համակարգի պարամետրերի հետևյալ կապը

Եվ ΔG> 0.

Սա հակառակ ռեակցիայի թերմոդինամիկական պայմանն է: Հետևաբար, ճնշման աճով, արտադրանքի հակադարձ փոխակերպման արդյունքում կառաջանա նոր հավասարակշռության վիճակ. INսկզբնական կապին Ա, որի արդյունքում համակարգում մոլեկուլների ընդհանուր թիվը նվազում է։

Ամփոփելով ստացված արդյունքները՝ կարող ենք անել հետևյալ եզրակացությունները.

Համակարգի ընդհանուր ճնշման աճը փոխում է հավասարակշռությունը դեպի ռեակցիա, որը տեղի է ունենում մոլեկուլների քանակի նվազմամբ.

Համակարգի ընդհանուր ճնշման նվազումը հանգեցնում է հավասարակշռության փոփոխության դեպի այն ռեակցիան, որը տեղի է ունենում մոլեկուլների քանակի աճով:

Հավասարակշռության տեղաշարժի ուղղությամբ բոլոր գործոնների ազդեցության օրինաչափությունների ընդհանրացումը հանգեցնում է մի կանոնի, որը կոչվում է. Le Chatelier-ի սկզբունքը:

Եթե ​​արտաքին ազդեցություն է գործադրվում հավասարակշռության համակարգի վրա (ջերմաստիճանի, կոնցենտրացիայի կամ բաղադրիչների մասնակի ճնշումների փոփոխություն, ընդհանուր ճնշում), ապա այն կարձագանքի այնպես, որ այդ ազդեցության ազդեցությունը թուլանա։

ՖՈՏՈՔԻՄԻԱԿԱՆ ՌԵԱԿՑԻԱՆԵՐ

Քիմիական ռեակցիաները, որոնք տեղի են ունենում լույսի ճառագայթման ազդեցության տակ, կոչվում են ֆոտոքիմիական ռեակցիաներ. Ամենակարևոր ֆոտոքիմիական ռեակցիաները ներառում են Արեգակի ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման ազդեցության տակ մոլեկուլային թթվածնից օզոնի ձևավորումը.

O2 + hO

O + O 2 O 3 + O

Ստացված օզոնը O 3կլանում է 250-260 մմ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները, որոնք վնասակար ազդեցություն են ունենում կենդանի օրգանիզմների վրա։ Մեկ այլ կարևոր ֆոտոքիմիական ռեակցիա ֆոտոսինթեզն է, որի արդյունքում բույսերը կլանում են ածխաթթու գազը մթնոլորտից և ազատում թթվածին։ Արծաթի բրոմիդի ֆոտոքիմիական տարրալուծումը լուսանկարչական գործընթացի հիմքում է:

Ֆոտոնի էներգիա (ճառագայթման քվանտ) ( Ե) որոշվում է կապով

E = h,

Որտեղ հ– Պլանկի հաստատունը (h 6,626 10 J∙s); – ճառագայթման հաճախականությունը, ս. Տեսանելի լույսի, ինֆրակարմիր և ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների ալիքի երկարությունը տատանվում է 100 նմ-ից մինչև 1000 նմ, իսկ էներգիան՝ 120 կՋ/մոլից մինչև 1200 կՋ/մոլ։ Ճառագայթման քվանտը կլանում է մոլեկուլում գտնվող ատոմի մեկ էլեկտրոնը, ինչի արդյունքում այդ էլեկտրոնը տեղափոխվում է ավելի բարձր էներգիայի մակարդակ։ Արդյունքում, ճառագայթման տեսքով էներգիայի կլանման երեք տարբեր հետևանքներ հնարավոր են.

1. Ատոմը կամ մոլեկուլը անցնում է գրգռված վիճակի.

A + h A *

M + h M *

2. Մոլեկուլի տարանջատումը ատոմներ առաջացնելու համար կամ ազատ ռադիկալներ:

AB + h A + B

3. Կրթություն պարզկամ մոլեկուլային իոններմեկ էլեկտրոն հեռացնելով.

A + h A + +

AB + h AB + +

Այս բոլոր գործընթացները ենթարկվում են հետևյալ օրենքներին.

1. Ֆոտոքիմիական ռեակցիաները կարող են առաջանալ միայն հարվածող ճառագայթման այն մասով, որը կլանված է արձագանքող համակարգի կողմից ( Գրոտտուս-Դրեպերի օրենքը).

2. Յուրաքանչյուր կլանված ճառագայթման քվանտ առաջացնում է միայն մեկ մոլեկուլի փոխակերպում ( Էյնշտեյն-Սթարկի օրենքը).

3. Ֆոտոքիմիական ռեակցիայի արդյունքում ձևավորված արտադրանքի քանակը համաչափ է կլանված ճառագայթման ինտենսիվությանը և ճառագայթման ժամանակին ( Վան Հոֆի օրենքը).

Վերջին օրենքը կարելի է ներկայացնել մաթեմատիկական ձևով.

m = k t,

Որտեղ մ– ֆոտոքիմիապես փոխակերպված նյութի զանգված, գ; - կլանված ճառագայթման հզորությունը, այսինքն. էներգիայի քանակությունը, որը փոխանցում է լուսավոր հոսքը միավորի տարածքով մեկ միավոր ժամանակում, J/s; տ– ճառագայթման ժամանակը, ս. կ– ռեակցիայի արագության հաստատուն, g/J.

1-ին և 2-րդ օրենքները փորձնականորեն փորձարկելիս երբեմն նկատվում է ակնհայտ անհամապատասխանություն: Նախ, կլանված քվանտների թիվը հավասար չէ նյութի արձագանքած մոլեկուլների թվին, այսինքն. իբր Էյնշտեյն-Սթարկի օրենքը խախտվում է։ Ուստի ֆոտոքիմիական պրոցեսները բնութագրելու համար հասկացությունը քվանտային ելք, որը հավասար է փաստացի արձագանքող մոլեկուլների քանակի և կլանված քվանտների թվի հարաբերությանը։ Արժեքը տատանվում է 10 -3-ից մինչև 10 6 միջակայքում: ժամը<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 համակարգը արտահոսում է շղթայական ռեակցիա. Այս դեպքում ճառագայթման կլանված քվանտը առաջացնում է մեկ ակտիվ մասնիկի տեսք, որը հետագայում ստեղծում է երկրորդական փոխակերպումների շղթա։

Երկրորդ, որոշ նյութեր չեն կլանում լույսը տեսանելի կամ ուլտրամանուշակագույն հատվածում, այնուամենայնիվ, ճառագայթահարման ժամանակ նրանք ունակ են փոխակերպման ենթարկվել։ Այսպիսով, խախտվում է Գրոտտուսի օրենքը։ Պարզվեց, որ այս դեպքում ճառագայթման քվանտը կլանում է հատուկ նյութեր. ֆոտոզգայունացուցիչներ, որոնք կլանված էներգիան փոխանցում են մեկ այլ նյութի, որն արդյունքում ենթարկվում է քիմիական փոխակերպման։ Հետևաբար, Գրոտտուսի օրենքի խախտումը միայն ակնհայտ է։ Օրինակ, մոլեկուլային ջրածինը չի կլանում լույսը 253,7 նմ ալիքի երկարությամբ։ Այնուամենայնիվ, երբ սնդիկի և ջրածնի գոլորշու խառնուրդը ճառագայթվում է, նկատվում է ջրածնի մոլեկուլների ատոմների տարանջատման գործընթացը.

Hg + hHg *

Hg*+H2Hg+H+H

Նմանատիպ ֆոտոզգայուն գործընթաց է ֆոտոսինթեզ- ածխաջրերի սինթեզ ածխածնի մոնօքսիդից (IV) և ջրից, որն ուղեկցվում է թթվածնի արտազատմամբ: Քլորոֆիլի մոլեկուլը հանդես է գալիս որպես այս ֆոտոքիմիական ռեակցիայի զգայունացուցիչ: Ավելին, քլորոֆիլ բգրավում և հավաքում է լույսի էներգիա: Ֆոտոգրգռումից հետո ավելորդ էներգիան փոխանցում է քլորոֆիլի մոլեկուլին Ա, որն այնուհետեւ անմիջական մասնակցություն է ունենում ֆոտոսինթեզի գործընթացին։

Ֆոտոսինթեզի ընդհանուր գործընթացը արտահայտվում է ռեակցիայով.

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O, Գ 0 = 2861,9 կՋ / մոլ

Ֆոտոսինթեզը բարդ ռեդոքս գործընթաց է, որը համատեղում է ֆոտոքիմիական ռեակցիաները ֆերմենտային ռեակցիաների հետ: Ֆոտոսինթեզի մեխանիզմում կա երկու փուլ. լույսԵվ մութ. Լույսի փուլը ներառում է իրական ֆոտոքիմիական ռեակցիաները և դրանց հարակից ֆերմենտային ռեակցիաները, որոնք ավարտում են ջրի օքսիդացումը և ձևավորում նիկոտինամիդ ադենին դինուկլեոտիդ ֆոսֆատը ( NADPH 2) և ադենոզին տրիֆոսֆորական թթու ( ATP) Մութ փուլում NADPH 2Եվ ATPվերականգնել մոլեկուլը CO 2նախքան CH 2 Oև այնուհետև մոնոսաքարիդ է ձևավորվում կոնյուգացիոն ֆերմենտային ռեակցիաների ցիկլում, որոնք տեղի են ունենում առանց ճառագայթային քվանտի մասնակցության:

ԼՈՒԾՈՒՄՆԵՐԻ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ

ԸՆԴՀԱՆՈՒՐ ՏԵՂԵԿՈՒԹՅՈՒՆ

Լուծումներկոչվում են միատարր(միաֆազ) համակարգեր՝ բաղկացած լուծիչներից, լուծված նյութերից և դրանց փոխազդեցության արտադրանքներից, որոնց կոնցենտրացիաները կարող են տարբեր լինել լայն սահմաններում։

Դրանք կարող են լինել պինդ, հեղուկ և գազային։ Գործընթացները կենսաբանական օբյեկտներում և տեխնոլոգիական գործընթացները գյուղատնտեսության վերամշակման արդյունաբերության մեջ տեղի են ունենում ջրային լուծույթներում: Հետևաբար, ապագայում մենք կսահմանափակվենք տարբեր նյութերի միայն ջրային լուծույթները դիտարկելով։

Լուծման ժամանակ տեղի է ունենում լուծվող նյութի մոլեկուլների կամ իոնների միատեսակ բաշխում լուծիչի ծավալում։ Այնուամենայնիվ, տարրալուծումը չի կարող դիտարկվել որպես մի նյութի մյուսի մեջ դիֆուզիայի զուտ ֆիզիկական գործընթաց: Դրա մասին է վկայում զգալի քանակությամբ ջերմության արտազատումը, երբ որոշ նյութեր լուծվում են ջրի մեջ ( H2SO4, NaOHեւ ուրիշներ). Հաստատվել է, որ լուծիչի մոլեկուլների և լուծված նյութի մոլեկուլների կամ իոնների միջև հնարավոր են քիմիական փոխազդեցություններ, որոնք ուղեկցվում են որոշների խզմամբ և այլ քիմիական կապերի առաջացմամբ։ Սա հանգեցնում է լուծիչի և լուծվող նյութի փոխազդեցության արտադրանքների առաջացմանը, որոնք կոչվում են լուծույթներ,և ջրային լուծույթներում - խոնավացնում է. Փոխազդեցության գործընթացը ինքնին կոչվում է լուծումկամ խոնավացում.

Ներկայումս լուծումները դիտարկվում են որպես ֆիզիկական-քիմիական համակարգեր,իրենց հատկություններով միջանկյալ դիրք են զբաղեցնում մեխանիկական խառնուրդների և քիմիական միացությունների միջև և ունեն դրանց բնորոշ ֆիզիկական և քիմիական օրենքներ:

Ցանկացած լուծման հիմնական բնութագիրը նրա կենտրոնացում. Որպես կանոն, լուծիչը լուծույթի այն բաղադրիչն է, որը պարունակվում է համեմատաբար ավելի մեծ քանակությամբ և որոշում է դրա ֆազային վիճակը։ Լուծույթների ֆիզիկաքիմիական հատկությունները կախված են դրանց կոնցենտրացիաներից։ Նման կախվածությունները շատ են: Դրանք բոլորը ստացվել են այն ենթադրության հիման վրա, որ լուծումն է կատարյալ. Իդեալականլուծում է, որում.

1) լուծված նյութի կոնցենտրացիան շատ ցածր է՝ մոլային մասնաբաժինը 0,005-ից պակաս.

2) լուծված նյութը ոչ ցնդող է, այսինքն՝ նրա մոլեկուլները չեն կարող հեղուկ փուլը թողնել գազային փուլ.

3) լուծույթի մասնիկների միջև փոխազդեցության ուժեր չկան, այսինքն՝ խառնման ջերմությունը զրո է ( N r= 0) և համակարգի ծավալի փոփոխություն չկա ( V p = 0);

Քաթամլիզ-քիմիական ռեակցիայի թերմոդինամիկորեն թույլատրելի ուղղություններից մեկի ընտրովի արագացումը կատալիզատոր(ների) ազդեցության տակ, որը բազմիցս մտնում է միջանկյալ քիմիական փոխազդեցության մեջ ռեակցիայի մասնակիցների հետ և վերականգնում է իր քիմիական բաղադրությունը միջանկյալ քիմիական փոխազդեցությունների յուրաքանչյուր ցիկլից հետո: «Կատալիզ» տերմինը ներկայացվել է 1835 թվականին շվեդ գիտնական Յոնս Յակոբ Բերցելիուսի կողմից։

Կատալիզացման երևույթը տարածված է բնության մեջ (կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող գործընթացների մեծ մասը կատալիտիկ են) և լայնորեն կիրառվում է տեխնոլոգիայում (նավթի վերամշակման և նավթաքիմիայի մեջ, ծծմբաթթվի, ամոնիակի, ազոտական ​​թթվի արտադրության մեջ և այլն)։ Արդյունաբերական ռեակցիաների մեծ մասը կատալիտիկ են:

ԿատալիզատորներԱյն նյութերը, որոնք փոխում են քիմիական ռեակցիաների արագությունը, կոչվում են.

Որոշ կատալիզատորներ մեծապես արագացնում են ռեակցիան՝ դրական կատալիզը, կամ պարզապես կատալիզը, իսկ մյուսները դանդաղեցնում են՝ բացասական կատալիզը։ Դրական կատալիզի օրինակները ներառում են ծծմբաթթվի արտադրությունը, ամոնիակի օքսիդացումը ազոտաթթվի մեջ պլատինե կատալիզատորի միջոցով և այլն:

Ելնելով ռեակցիայի արագության վրա իրենց ազդեցության՝ կատալիզի շատ աղբյուրներ բաժանվում են դրական (ռեակցիայի արագությունը մեծանում է) և բացասական (ռեակցիայի արագությունը նվազում է): Վերջին դեպքում տեղի է ունենում արգելակման գործընթաց, որը չի կարելի համարել «բացասական կատալիզ», քանի որ ինհիբիտորը սպառվում է ռեակցիայի ընթացքում։

Կատալիզը կարող է լինել միատարր և տարասեռ (շփում): Միատարր կատալիզում կատալիզատորը գտնվում է նույն փուլում, ինչ ռեակցիայի ռեագենտները, մինչդեռ տարասեռ կատալիզատորները տարբերվում են փուլով:

Համասեռ կատալիզ.

Օրինակհամասեռ կատալիզը ջրածնի պերօքսիդի տարրալուծումն է յոդի իոնների առկայության դեպքում: Ռեակցիան տեղի է ունենում երկու փուլով.

Հ 2 O2+ Ես > H2O+IO, H2O2+IO> H2O + O2+ Ես

Միատարր կատալիզում կատալիզատորի գործողությունը պայմանավորված է նրանով, որ այն փոխազդում է արձագանքող նյութերի հետ՝ ձևավորելով միջանկյալ միացություններ, ինչը հանգեցնում է ակտիվացման էներգիայի նվազմանը։

Տարասեռ կատալիզ.

Տարասեռ կատալիզում գործընթացի արագացումը սովորաբար տեղի է ունենում պինդ մարմնի՝ կատալիզատորի մակերեսի վրա, հետևաբար, կատալիզատորի ակտիվությունը կախված է նրա մակերեսի չափից և հատկություններից։ Գործնականում կատալիզատորը սովորաբար հենվում է պինդ ծակոտկեն հենարանի վրա:

Տարասեռ կատալիզի մեխանիզմն ավելի բարդ է, քան միատարր կատալիզի մեխանիզմը: Տարասեռ կատալիզի մեխանիզմը ներառում է հինգ փուլ, որոնք բոլորը շրջելի են։

• 1. Ռեակտիվ նյութերի տարածումը պինդ մարմնի մակերեսին
• 2. Արձագանքող մոլեկուլների պինդ նյութի մակերևույթի ակտիվ կենտրոնների վրա ֆիզիկական կլանումը և այնուհետև դրանց քիմիզորբցիան
• 3. Քիմիական ռեակցիա արձագանքող մոլեկուլների միջեւ
• 4. Կատալիզատորի մակերեսից արտադրանքի կլանումը
• 5. Արտադրանքի դիֆուզիոն կատալիզատորի մակերեւույթից ընդհանուր հոսքի մեջ

Տարասեռ կատալիզի օրինակ է SO 2-ի SO 3-ի օքսիդացումը V 2 O 5 կատալիզատորի վրա ծծմբաթթվի արտադրության ժամանակ (կոնտակտային մեթոդ):

Կատալիտիկ ռեակցիաների մեծ մասն իրականացվում է ծակոտկեն կատալիզատորների վրա, որոնց ներքին մակերեսը բաղկացած է տարբեր չափերի ու երկարության ծակոտիներից և ալիքներից։ Այս ծակոտիները կարող են մեկուսացված լինել կամ կապված լինել միմյանց հետ: Կատալիզատորի ծակոտիներում գազերի շարժման արագությունն ու բնույթը որոշող հիմնական գործոնը ծակոտիի չափն է։ Մոլեկուլների ազատ շարժման արագությունը կարող է հասնել 1000 մ/վրկ-ի, իսկ ծակոտիներում շարժման արգելակումը կապված է գազի մոլեկուլների և ծակոտիների պատերի բախումների հետ։

Կատալիտիկ ռեակցիաների մեծ մասը ոչ ընտրովի են, ինչը որոշակի սահմանափակումներ է դնում կինետիկ վերլուծության մեթոդների վրա:

Շատ կատալիտիկ ռեակցիաներ ներառում են մի քանի տարբեր տեսակի ատոմներ և մոլեկուլներ: Այս ատոմների և մոլեկուլների, ինչպես նաև դրանց և մակերեսի միջև գործող ուժերի և ռեակցիայի մեխանիզմի և բնույթի որոշումը, բնականաբար, բարդ խնդիր է, բայց այն կարելի է պարզեցնել՝ ուսումնասիրելով մեկ տեսակի ատոմի կամ մոլեկուլի կլանման վարքագիծը: Նման ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ երբ որոշ մոլեկուլներ ներծծվում են որոշակի ներծծվող նյութերի վրա, մոլեկուլում կապը կոտրվում է և ներծծվող նյութի հետ երկու կապ է ձևավորվում. այս դեպքում կլանված մոլեկուլը վերածվում է երկու կլանված ատոմների: Այս գործընթացը մակերեսային քիմիական ռեակցիա է, և արդյունքում ներծծվող ատոմները սովորաբար կոչվում են քիմիզորբացված ատոմներ։ Եթե ​​բավական ցածր ջերմաստիճաններում նման ռեակցիա տեղի չի ունենում, և ներծծված մոլեկուլները չեն տրոհվում երկու կլանված ատոմների, ապա այդպիսի մոլեկուլները կոչվում են ֆիզիկապես կլանված։

Ս.Ի.ԼԵՎՉԵՆԿՈՎ

ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ԵՎ ԿՈԼՈԻԴՆԵՐԻ ՔԻՄԻԱ

Դասախոսությունների ամփոփագիր Հարավային դաշնային համալսարանի (ՀՊՀ) կենսաբանության ֆակուլտետի ուսանողների համար

2.3 ԿԱՏԱԼԻՏԻԿ ԳՈՐԾԸՆԹԱՑՆԵՐ

Քիմիական ռեակցիայի արագությունը տվյալ ջերմաստիճանում որոշվում է ակտիվացված համալիրի առաջացման արագությամբ, որն իր հերթին կախված է ակտիվացման էներգիայի արժեքից։ Շատ քիմիական ռեակցիաներում ակտիվացված համալիրի կառուցվածքը կարող է ներառել նյութեր, որոնք ստոյխիոմետրիկորեն ռեակտիվներ չեն. Ակնհայտ է, որ այս դեպքում փոխվում է նաև գործընթացի ակտիվացման էներգիան։ Մի քանի անցումային վիճակների առկայության դեպքում ռեակցիան ընթանալու է հիմնականում ամենացածր ակտիվացման արգելքով ճանապարհով:

Կատալիզը քիմիական ռեակցիայի արագության փոփոխման երևույթն է նյութերի առկայության դեպքում, որոնց վիճակն ու քանակը ռեակցիայից հետո մնում են անփոփոխ։

Տարբերել դրականԵվ բացասականկատալիզ (համապատասխանաբար, ռեակցիայի արագության աճ և նվազում), չնայած «կատալիզ» տերմինը հաճախ նշանակում է միայն դրական կատալիզ. բացասական կատալիզը կոչվում է արգելակում.

Այն նյութը, որը ակտիվացված համալիրի կառուցվածքի մի մասն է, բայց ստոյքիոմետրիկորեն ռեագենտ չէ, կոչվում է կատալիզատոր։ Բոլոր կատալիզատորները բնութագրվում են այնպիսի ընդհանուր հատկություններով, ինչպիսիք են գործողության առանձնահատկությունը և ընտրողականությունը:

ԿոնկրետությունԿատալիզատորը կայանում է նրանում, որ նա կարող է արագացնել միայն մեկ ռեակցիա կամ նմանատիպ ռեակցիաների խումբ և չազդել այլ ռեակցիաների արագության վրա: Օրինակ, շատ անցումային մետաղներ (պլատին, պղինձ, նիկել, երկաթ և այլն) հանդիսանում են հիդրոգենացման գործընթացների կատալիզատորներ; ալյումինի օքսիդը կատալիզացնում է հիդրացիոն ռեակցիաները և այլն։

Ընտրողականությունկատալիզատոր - տվյալ պայմաններում հնարավոր զուգահեռ ռեակցիաներից մեկը արագացնելու ունակություն: Դրա շնորհիվ հնարավոր է, օգտագործելով տարբեր կատալիզատորներ, նույն սկզբնական նյութերից տարբեր ապրանքներ ստանալ.

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

Դրական կատալիզով ռեակցիայի արագության բարձրացման պատճառը ակտիվացման էներգիայի նվազումն է, երբ ռեակցիան ընթանում է ակտիվացված համալիրի միջով՝ կատալիզատորի մասնակցությամբ (նկ. 2.8):

Քանի որ, ըստ Արենիուսի հավասարման, քիմիական ռեակցիայի արագության հաստատունը էքսպոնենցիալ կախված է ակտիվացման էներգիայից, վերջինիս նվազումը առաջացնում է արագության հաստատունի զգալի աճ։ Իսկապես, եթե ենթադրենք, որ Արենիուսի հավասարման (II.32) նախաէքսպոնենցիալ գործոնները կատալիտիկ և ոչ կատալիտիկ ռեակցիաների համար մոտ են, ապա արագության հաստատունների հարաբերակցության համար կարող ենք գրել.

Եթե ​​ΔE A = –50 կՋ/մոլ, ապա արագության հաստատունների հարաբերակցությունը կլինի 2,7 10 6 անգամ (իսկապես, գործնականում E A-ի նման նվազումը մեծացնում է ռեակցիայի արագությունը մոտավորապես 10 5 անգամ):

Հարկ է նշել, որ կատալիզատորի առկայությունը չի ազդում գործընթացի արդյունքում թերմոդինամիկական ներուժի փոփոխության մեծության վրա և, հետևաբար, ոչ մի կատալիզատոր չի կարող հնարավոր դարձնել թերմոդինամիկորեն անհնար գործընթացի ինքնաբուխ առաջացումը (գործընթաց, որի ΔG (ΔF) զրոյից մեծ է): Կատալիզատորը չի փոխում շրջելի ռեակցիաների հավասարակշռության հաստատունի արժեքը. Կատալիզատորի ազդեցությունն այս դեպքում միայն արագացնում է հավասարակշռության վիճակի հասնելը:

Կախված ռեակտիվների և կատալիզատորի ֆազային վիճակից՝ առանձնանում են միատարր և տարասեռ կատալիզը։

Բրինձ. 2.8Առանց կատալիզատորի քիմիական ռեակցիայի էներգետիկ դիագրամ (1)
և կատալիզատորի առկայության դեպքում (2):

2.3.1 Համասեռ կատալիզ.

Համասեռ կատալիզ - կատալիտիկ ռեակցիաներ, որոնցում ռեակտիվները և կատալիզատորը գտնվում են նույն փուլում: Միատարր կատալիտիկ պրոցեսների դեպքում կատալիզատորը ռեակտիվների հետ ձևավորում է միջանկյալ ռեակտիվ արտադրանք։ Դիտարկենք մի քանի արձագանք

A + B ––> C

Կատալիզատորի առկայության դեպքում իրականացվում են երկու արագ առաջացող փուլեր, որոնց արդյունքում ձևավորվում են միջանկյալ միացության AA մասնիկներ, այնուհետև (ակտիվացված ABC համալիրի միջոցով #) վերջնական ռեակցիայի արտադրանքը կատալիզատորի վերածնմամբ.

A + K ––> ԱԿ

AK + B ––> C + K

Նման գործընթացի օրինակ է ացետալդեհիդի տարրալուծման ռեակցիան, որի ակտիվացման էներգիան E A = 190 կՋ/մոլ է.

CH 3 CHO ––> CH 4 + CO

Յոդի գոլորշու առկայության դեպքում այս գործընթացը տեղի է ունենում երկու փուլով.

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI ––> CH 4 + I 2

Այս ռեակցիայի ակտիվացման էներգիայի նվազումը կատալիզատորի առկայության դեպքում կազմում է 54 կՋ/մոլ; ռեակցիայի արագության հաստատունը մեծանում է մոտավորապես 105 անգամ: Միատարր կատալիզի ամենատարածված տեսակը թթվային կատալիզն է, որտեղ ջրածնի իոնները H+-ը գործում են որպես կատալիզատոր։

2.3.2 Ավտոկատալիզ.

Ավտոկատալիզ- քիմիական ռեակցիայի կատալիտիկ արագացման գործընթացը իր արտադրանքներից մեկի կողմից: Օրինակ է ջրածնի իոնների կողմից կատալիզացված էսթերների հիդրոլիզը։ Հիդրոլիզի ժամանակ առաջացած թթուն տարանջատվում է՝ առաջացնելով պրոտոններ, որոնք արագացնում են հիդրոլիզի ռեակցիան։ Ավտոկատալիտիկ ռեակցիայի առանձնահատկությունն այն է, որ այս ռեակցիան ընթանում է կատալիզատորի կոնցենտրացիայի մշտական ​​աճով։ Հետևաբար, ռեակցիայի սկզբնական շրջանում դրա արագությունը մեծանում է, իսկ հետագա փուլերում, ռեագենտների կոնցենտրացիայի նվազման հետևանքով, արագությունը սկսում է նվազել. ավտոկատալիտիկ ռեակցիայի արդյունքի կինետիկ կորն ունի S-ի բնորոշ տեսք (նկ. 2.9):

Բրինձ. 2.9Ավտոկատալիտիկ ռեակցիայի արդյունքի կինետիկ կորը

2.3.3 Տարասեռ կատալիզ.

Տարասեռ կատալիզ - կատալիտիկ ռեակցիաներ, որոնք տեղի են ունենում կատալիզատորի և ռեակտիվների կողմից ձևավորված փուլերի միջերեսում: Տարասեռ կատալիտիկ պրոցեսների մեխանիզմը շատ ավելի բարդ է, քան միատարր կատալիզի դեպքում։ Յուրաքանչյուր տարասեռ կատալիտիկ ռեակցիայի դեպքում կարելի է առանձնացնել առնվազն վեց փուլ.

1. Մեկնարկային նյութերի տարածումը կատալիզատորի մակերեսին:

2. Մակերեւույթի վրա սկզբնական նյութերի կլանումը որոշ միջանկյալ միացության առաջացմամբ.

A + B + K ––> АВК

3. Կլանված վիճակի ակտիվացում (դրա համար պահանջվող էներգիան գործընթացի իրական ակտիվացման էներգիան է).

AVK ––> AVK #

4. Ակտիվացված համալիրի քայքայումը կլանված ռեակցիայի արտադրանքի ձևավորմամբ.

АВК # ––> СДК

5. Կատալիզատորի մակերեւույթից ռեակցիայի արտադրանքի կլանումը:

СDК ––> С + D + К

6. Կատալիզատորի մակերեւույթից ռեակցիայի արտադրանքի դիֆուզիոն:

Հետերոկատալիտիկ պրոցեսների առանձնահատուկ հատկանիշը կատալիզատորի՝ խթանելու և թունավորելու կարողությունն է:

Առաջխաղացում- կատալիզատորի ակտիվության բարձրացում այն ​​նյութերի առկայության դեպքում, որոնք իրենք չեն հանդիսանում այս գործընթացի կատալիզատորներ (խթանիչներ): Օրինակ, նիկելի մետաղի կատալիզացված ռեակցիայի համար

CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O

նիկելի կատալիզատորի մեջ ցերիումի փոքր խառնուրդի ներմուծումը հանգեցնում է կատալիզատորի ակտիվության կտրուկ աճի:

Թունավորում– որոշակի նյութերի առկայության դեպքում կատալիզատորի ակտիվության կտրուկ նվազում (այսպես կոչված կատալիտիկ թույներ): Օրինակ, ամոնիակի սինթեզի ռեակցիայի համար (կատալիզատորը սպունգային երկաթն է) ռեակցիայի խառնուրդում թթվածնի կամ ծծմբի միացությունների առկայությունը առաջացնում է երկաթի կատալիզատորի ակտիվության կտրուկ նվազում. միևնույն ժամանակ, կատալիզատորի ելանյութերը կլանելու ունակությունը շատ փոքր է նվազում:

Տարասեռ կատալիտիկ պրոցեսների այս առանձնահատկությունները բացատրելու համար Գ.Թեյլորն արեց հետևյալ ենթադրությունը՝ կատալիզատորի ոչ ամբողջ մակերեսն է կատալիտիկորեն ակտիվ, այլ միայն նրա որոշ տարածքներ՝ այսպես կոչված. ակտիվ կենտրոններ , որոնք կարող են լինել կատալիզատորի բյուրեղային կառուցվածքի տարբեր թերություններ (օրինակ՝ կատալիզատորի մակերեսի ելուստներ կամ իջվածքներ)։ Ներկայումս տարասեռ կատալիզի միասնական տեսություն գոյություն չունի։ Մետաղական կատալիզատորների համար՝ ա բազմակի տեսություն . Բազմակի տեսության հիմնական դրույթները հետևյալն են.

1. Կատալիզատորի ակտիվ կենտրոնը կատալիզատորի մակերևույթի վրա տեղակայված որոշակի քանակի կլանման կենտրոնների ամբողջությունն է՝ փոխակերպման ենթարկվող մոլեկուլի կառուցվածքին երկրաչափական համապատասխան:

2. Ակտիվ կենտրոնի վրա արձագանքող մոլեկուլների կլանման ժամանակ առաջանում է բազմակի կոմպլեքս, որի արդյունքում առաջանում է կապերի վերաբաշխում, ինչը հանգեցնում է ռեակցիայի արգասիքների առաջացմանը։

Մուլտիպլիկների տեսությունը երբեմն կոչվում է ակտիվ կենտրոնի և արձագանքող մոլեկուլների երկրաչափական նմանության տեսություն։ Տարբեր ռեակցիաների դեպքում ակտիվ կենտրոնում ադսորբցիոն կենտրոնների (որոնցից յուրաքանչյուրը նույնացվում է մետաղի ատոմի հետ) թիվը տարբեր է՝ 2, 3, 4 և այլն։ Նման ակտիվ կենտրոնները կոչվում են համապատասխանաբար կրկնակի, եռյակի, քառյակի և այլն։ (ընդհանուր դեպքում՝ բազմապատիկ, որին տեսությունը պարտական ​​է իր անվանը)։

Օրինակ, ըստ մուլտիպլետների տեսության, հագեցած միահիդրային սպիրտների ջրազրկումը տեղի է ունենում կրկնակի վրա, իսկ ցիկլոհեքսանի ջրազրկումը տեղի է ունենում սեքստետի վրա (նկ. 2.10 - 2.11); Մուլտիպլիկների տեսությունը հնարավորություն է տվել կապել մետաղների կատալիտիկ ակտիվությունը նրանց ատոմային շառավիղի արժեքի հետ։

Բրինձ. 2.10Ալկոհոլների ջրազրկումը կրկնակի վրա

Բրինձ. 2.11Ցիկլոհեքսանի ջրազրկումը սեքստետի վրա

2.3.4 Ֆերմենտային կատալիզ.

Ֆերմենտային կատալիզ - կատալիտիկ ռեակցիաներ, որոնք տեղի են ունենում ֆերմենտների մասնակցությամբ՝ սպիտակուցային բնույթի կենսաբանական կատալիզատորներ։ Ֆերմենտային կատալիզը ունի երկու բնորոշ առանձնահատկություն.

1. Բարձր ակտիվություն , մի քանի կարգով բարձր է անօրգանական կատալիզատորների ակտիվությունից, ինչը բացատրվում է ֆերմենտների կողմից պրոցեսի ակտիվացման էներգիայի շատ զգալի նվազմամբ։ Այսպիսով, Fe 2+ իոններով կատալիզացված ջրածնի պերօքսիդի քայքայման ռեակցիայի արագության հաստատունը 56 s -1 է; կատալազ ֆերմենտի կողմից կատալիզվող նույն ռեակցիայի արագության հաստատունը 3,5·107 է, այսինքն. Ֆերմենտի առկայության դեպքում ռեակցիան ընթանում է միլիոն անգամ ավելի արագ (գործընթացների ակտիվացման էներգիաները համապատասխանաբար 42 և 7,1 կՋ/մոլ են)։ Միզանյութի հիդրոլիզի արագության հաստատունները թթվի և ուրեազի առկայության դեպքում տարբերվում են տասներեք կարգով` կազմելով 7,4·10 -7 և 5·10 6 վրկ-1 (ակտիվացման էներգիան համապատասխանաբար 103 և 28 կՋ/մոլ է):

2. Բարձր կոնկրետություն . Օրինակ, ամիլազը կատալիզացնում է օսլայի քայքայումը, որը միանման գլյուկոզայի միավորների շղթա է, բայց չի կատալիզացնում սախարոզայի հիդրոլիզը, որի մոլեկուլը կազմված է գլյուկոզայի և ֆրուկտոզայի բեկորներից։

Ֆերմենտային կատալիզացման մեխանիզմի մասին ընդհանուր ընդունված պատկերացումների համաձայն, սուբստրատը և F ֆերմենտը հավասարակշռության մեջ են շատ արագ ձևավորված ֆերմենտ-սուբստրատային համալիրի FS-ի հետ, որը համեմատաբար դանդաղ քայքայվում է ռեակցիայի արտադրանքի P-ի՝ ազատ ֆերմենտի արտազատմամբ. Այսպիսով, ֆերմենտ-սուբստրատ համալիրի ռեակցիայի արտադրանքի տարրալուծման փուլը արագաչափ է (սահմանափակող):

F+S<––>FS ––> F + P

Ֆերմենտային ռեակցիայի արագության կախվածության ուսումնասիրությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից ֆերմենտի հաստատուն կոնցենտրացիայի ժամանակ ցույց է տվել, որ սուբստրատի կոնցենտրացիայի աճով ռեակցիայի արագությունը սկզբում մեծանում է, այնուհետև դադարում է փոխվել (նկ. 2.12) և Ռեակցիայի արագության կախվածությունը սուբստրատի կոնցենտրացիայից նկարագրվում է հետևյալ հավասարմամբ.

(II.45)

քիմիական ռեակցիաների արագացում փոքր քանակությամբ նյութերի (կատալիզատորների) ազդեցության տակ, որոնք իրենք չեն փոխվում ռեակցիայի ընթացքում։ Կատալիզիկ գործընթացները հսկայական դեր են խաղում մեր կյանքում: Կենսաբանական կատալիզատորները, որոնք կոչվում են ֆերմենտներ, մասնակցում են կենսաքիմիական գործընթացների կարգավորմանը։ Առանց կատալիզատորների, շատ արդյունաբերական գործընթացներ չէին կարող տեղի ունենալ:

Կատալիզատորների ամենակարևոր հատկությունը ընտրողականությունն է, այսինքն. շատ հնարավորներից միայն որոշակի քիմիական ռեակցիաների արագությունը մեծացնելու ունակությունը: Սա թույլ է տալիս չափազանց դանդաղ ռեակցիաները սովորական պայմաններում գործնական լինել և ապահովում է ցանկալի արտադրանքի ձևավորումը:

Կատալիզատորների օգտագործումը նպաստեց քիմիական արդյունաբերության արագ զարգացմանը։ Դրանք լայնորեն կիրառվում են նավթի վերամշակման, տարբեր ապրանքների ստացման և նոր նյութերի (օրինակ՝ պլաստմասսա) ստեղծման մեջ, հաճախ ավելի էժան, քան նախկինում օգտագործվածները։ Ժամանակակից քիմիական արտադրության մոտ 90%-ը հիմնված է կատալիտիկ գործընթացների վրա։ Շրջակա միջավայրի պահպանության գործում հատուկ դեր են խաղում կատալիտիկ գործընթացները:

1835 թվականին շվեդ քիմիկոս Ջ.Բերզելիուսը հայտնաբերեց, որ որոշ նյութերի առկայության դեպքում որոշ քիմիական ռեակցիաների արագությունը զգալիորեն մեծանում է։ Նման նյութերի համար նա ներմուծեց «կատալիզատոր» տերմինը (հունարենից.

կատալիզ - թուլացում). Ըստ Բերցելիուսի՝ կատալիզատորները հատուկ կարողություն ունեն թուլացնելու ռեակցիայի մեջ ներգրավված մոլեկուլների ատոմների կապերը՝ այդպիսով հեշտացնելով դրանց փոխազդեցությունը։ Կատալիզատորների աշխատանքի մասին պատկերացումների զարգացման գործում մեծ ներդրում է ունեցել գերմանացի ֆիզիկաքիմիկոս Վ. Օստվալդը, ով 1880 թվականին կատալիզատորը սահմանել է որպես ռեակցիայի արագությունը փոխող նյութ։

Ժամանակակից հայեցակարգերի համաձայն, կատալիզատորը քիմիական կապերով կայունացված մոլեկուլների հետ փոխազդող կոմպլեքս է կազմում։ Վերադասավորումից հետո այս համալիրը տարանջատվում է՝ ազատելով արտադրանքը և կատալիզատորը։ Մոլեկուլի փոխակերպման մոնոմոլեկուլային ռեակցիայի համար

X-ից Y Այս ամբողջ գործընթացը կարող է ներկայացվել ձևով X + կատու. ® X -Կատու. ® Y -Կատու. ® Y + Կատու. Ազատված կատալիզատորը նորից միանում է X , և ամբողջ ցիկլը կրկնվում է բազմիցս՝ ապահովելով մեծ քանակությամբ ապրանքի՝ նյութի ձևավորումը.Յ. Շատ նյութեր նորմալ պայմաններում քիմիական ռեակցիա չեն ունենում միմյանց հետ: Այսպիսով, ջրածինը և ածխածնի օքսիդը սենյակային ջերմաստիճանում չեն փոխազդում միմյանց հետ, քանի որ մոլեկուլի ատոմների միջև կապըՀ 2 բավականաչափ ամուր և չի կոտրվում, երբ հարձակվում է մոլեկուլի կողմից CO . Կատալիզատորը միավորում է մոլեկուլները H2 և CO նրանց հետ կապեր հաստատելով։ Վերադասավորումից հետո կատալիզատոր-ռեակտիվ համալիրը տարանջատվում է՝ ձևավորելով ատոմներ պարունակող արտադրանք C, H և O. Հաճախ, երբ նույն նյութերը փոխազդում են, ձևավորվում են տարբեր ապրանքներ: Կատալիզատորը կարող է գործընթացը ուղղորդել որոշակի արտադրանքի ձևավորման համար առավել բարենպաստ ճանապարհով: Դիտարկենք արձագանքը միջև CO և H2 . Պղինձ պարունակող կատալիզատորի առկայության դեպքում, գործնականում միակ ռեակցիայի արտադրանքը մեթանոլն է.Սկզբում CO և H մոլեկուլները 2 ներծծվում է կատալիզատորի մակերեսի վրա: Այնուհետև CO մոլեկուլները քիմիական կապեր են կազմում կատալիզատորի հետ (կատարվում է քիմիզորբցիա)՝ մնալով չդիսոցացված ձևով։ Ջրածնի մոլեկուլները նույնպես քիմիական ներծծվում են կատալիզատորի մակերեսի վրա, բայց միևնույն ժամանակ տարանջատվում են։ Վերադասավորման արդյունքում անցումային համալիրը H-Cat.- CH2OH . Ատոմ ավելացնելուց հետոՀ համալիրը քայքայվում է ազատ արձակելու համար CH 3 OH և կատալիզատոր: Նիկելի կատալիզատորի առկայության դեպքում և՛ CO, և՛ H 2 քիմիզորբը մակերեսի վրա տարանջատված ձևով, և ձևավորվում է Cat.-CH համալիրը 3 . Ռեակցիայի վերջնական արտադրանքներն են CH 4 և H 2 O:
Կատալիտիկ ռեակցիաների մեծ մասն իրականացվում է որոշակի ճնշման և ջերմաստիճանի դեպքում՝ ռեակցիոն խառնուրդը, որը գտնվում է գազային կամ հեղուկ վիճակում, կատալիզատորի մասնիկներով լցված ռեակտորի միջով անցկացնելով։ Հետևյալ հասկացությունները օգտագործվում են ռեակցիայի պայմանները և արտադրանքի բնութագրերը նկարագրելու համար. Տիեզերական արագությունը գազի կամ հեղուկի ծավալն է, որն անցնում է կատալիզատորի միավոր ծավալով մեկ միավոր ժամանակում: Կատալիզատոր ակտիվությունը ռեակտիվների քանակն է, որոնք կատալիզատորի կողմից վերածվում են արտադրանքի մեկ միավոր ժամանակում: Փոխակերպումը տվյալ ռեակցիայի մեջ փոխակերպվող նյութի համամասնությունն է: Ընտրողականությունը որոշակի արտադրանքի քանակի հարաբերակցությունն է արտադրանքի ընդհանուր քանակին (սովորաբար արտահայտվում է որպես տոկոս): Եկամտաբերությունը տվյալ արտադրանքի քանակի հարաբերակցությունն է սկզբնական նյութի քանակին (սովորաբար արտահայտվում է որպես տոկոս): Արտադրողականությունը ռեակցիայի արտադրանքների քանակն է, որոնք ձևավորվում են մեկ միավորի ծավալով մեկ միավոր ժամանակում: ԿԱՏԱԼԻԶՏԻ ՏԵՍԱԿՆԵՐԸ Կատալիզատորները դասակարգվում են՝ ելնելով դրանց արագացման ռեակցիայի բնույթից, քիմիական կազմից կամ ֆիզիկական հատկություններից: Գրեթե բոլոր քիմիական տարրերը և նյութերը այս կամ այն ​​չափով ունեն կատալիտիկ հատկություններ՝ ինքնուրույն կամ, ավելի հաճախ, տարբեր համակցություններով: Կախված իրենց ֆիզիկական հատկություններից՝ կատալիզատորները բաժանվում են միատարր և տարասեռ։ Հետերոգեն կատալիզատորները պինդ նյութեր են, որոնք միատարր ցրված են նույն գազային կամ հեղուկ միջավայրում, ինչ արձագանքող նյութերը։

Շատ տարասեռ կատալիզատորներ պարունակում են մետաղներ: Որոշ մետաղներ, հատկապես նրանց հետ կապված

VIII տարրերի պարբերական աղյուսակի խումբ, որոնք ունեն ինքնուրույն կատալիտիկ ակտիվություն. բնորոշ օրինակ է պլատինը: Բայց մետաղների մեծամասնությունը միացություններում առկա է կատալիտիկ հատկություններով. օրինակ - կավահող (կավահող Al 2 O 3): Շատ տարասեռ կատալիզատորների անսովոր հատկությունը նրանց մեծ մակերեսն է: Դրանք թափանցում են բազմաթիվ ծակոտիներ, որոնց ընդհանուր մակերեսը երբեմն հասնում է 500 մ-ի 2 1 գ կատալիզատորի դիմաց: Շատ դեպքերում մեծ մակերեսով օքսիդները ծառայում են որպես ենթաշերտ, որի վրա մետաղական կատալիզատորի մասնիկները փոքր կլաստերների տեսքով նստած են։ Սա ապահովում է ռեագենտների արդյունավետ փոխազդեցությունը գազային կամ հեղուկ փուլում կատալիտիկ ակտիվ մետաղի հետ: Տարասեռ կատալիզատորների հատուկ դաս են կազմում ցեոլիտները՝ ալյումինոսիլիկատների խմբի բյուրեղային միներալներ (սիլիկոնի և ալյումինի միացություններ): Չնայած բազմաթիվ տարասեռ կատալիզատորներ ունեն մեծ մակերես, նրանք սովորաբար ունենում են միայն փոքր թվով ակտիվ տեղամասեր, որոնք կազմում են ընդհանուր մակերեսի փոքր մասը: Կատալիզատորները կարող են կորցնել իրենց ակտիվությունը փոքր քանակությամբ քիմիական միացությունների առկայության դեպքում, որոնք կոչվում են կատալիզատորի թունավորումներ: Այս նյութերը կապվում են ակտիվ կենտրոնների հետ՝ արգելափակելով դրանք։ Ակտիվ տեղամասերի կառուցվածքի որոշումը ինտենսիվ հետազոտության առարկա է։

Միատարր կատալիզատորներն ունեն տարբեր քիմիական բնույթ՝ թթուներ (H

2 SO 4 կամ H 3 PO 4 ), հիմք (NaOH օրգանական ամիններ, մետաղներ, առավել հաճախ անցումային ( Fe կամ Rh ), աղերի, մետաղական օրգանական միացությունների կամ կարբոնիլների տեսքով։ Կատալիզատորները ներառում են նաև ֆերմենտներ՝ սպիտակուցային մոլեկուլներ, որոնք կարգավորում են կենսաքիմիական ռեակցիաները։ Որոշ ֆերմենտների ակտիվ կայքը պարունակում է մետաղի ատոմ ( Zn, Cu, Fe կամ Mo): Մետաղ պարունակող ֆերմենտները կատալիզացնում են փոքր մոլեկուլների հետ կապված ռեակցիաները ( O 2, CO 2 կամ N 2 ) Ֆերմենտներն օժտված են շատ բարձր ակտիվությամբ և ընտրողականությամբ, սակայն դրանք գործում են միայն որոշակի պայմաններում, օրինակ՝ այն դեպքում, երբ ռեակցիաները տեղի են ունենում կենդանի օրգանիզմներում։ Արդյունաբերության մեջ հաճախ օգտագործվում է այսպես կոչված. անշարժացված ֆերմենտներ. ԻՆՉՊԵՍ ԱՇԽԱՏՈՒՄ ԵՆ ԿԱՏԱԼԻԶՏՆԵՐԸ Էներգիա. Ցանկացած քիմիական ռեակցիա կարող է տեղի ունենալ միայն այն դեպքում, եթե ռեակտիվները հաղթահարեն էներգետիկ արգելքը, և դրա համար նրանք պետք է ձեռք բերեն որոշակի էներգիա։ Ինչպես արդեն ասացինք, կատալիտիկ ռեակցիան X ® Y բաղկացած է մի շարք հաջորդական փուլերից. Նրանցից յուրաքանչյուրը կայանալու համար էներգիա է պահանջում:Ե , որը կոչվում է ակտիվացման էներգիա։ Ռեակցիայի կոորդինատի երկայնքով էներգիայի փոփոխությունը ցույց է տրված Նկ. 1.

Եկեք նախ դիտարկենք ոչ կատալիտիկ, «ջերմային» ուղին: Որպեսզի ռեակցիա տեղի ունենա, մոլեկուլների պոտենցիալ էներգիան

X պետք է գերազանցի էներգետիկ արգելքըԵՏ . Կատալիտիկ ռեակցիան բաղկացած է երեք փուլից. Առաջինը X-Cat համալիրի ձեւավորումն է։ (քիմիորբցիա), որի ակտիվացման էներգիան հավասար էԵգովազդներ . Երկրորդ փուլը X-Cat-ի վերախմբավորումն է։®Y -Կատու. ակտիվացման էներգիայովԵկատու , և վերջապես երրորդը՝ ակտիվացման էներգիայով դեսորբցիաԵ des ; Եգովազդ, Եկատու և Եշատ ավելի քիչ ԵՏ . Քանի որ ռեակցիայի արագությունը էքսպոնենցիալ կախված է ակտիվացման էներգիայից, կատալիտիկ ռեակցիան ընթանում է շատ ավելի արագ, քան ջերմային ռեակցիան տվյալ ջերմաստիճանում:

Կատալիզատորը կարելի է համեմատել ուղեցույցի հետ, ով ուղղորդում է լեռնագնացներին (արձագանքող մոլեկուլները) լեռնաշղթայի վրայով: Նա ղեկավարում է մի խումբ անցուղու միջով, իսկ հետո վերադառնում հաջորդի համար: Անցքով անցնող ուղին զգալիորեն ցածր է, քան գագաթնակետին (ռեակցիայի ջերմային ալիքը), և խումբը անցում է կատարում ավելի արագ, քան առանց հաղորդիչի (կատալիզատորի): Հնարավոր է նույնիսկ, որ խումբը չկարողանա ինքնուրույն հաղթահարել լեռնաշղթան։

Կատալիզացիայի տեսություններ. Կատալիտիկ ռեակցիաների մեխանիզմը բացատրելու համար առաջարկվել են տեսությունների երեք խումբ՝ երկրաչափական, էլեկտրոնային և քիմիական։ Երկրաչափական տեսություններում հիմնական ուշադրությունը հատկացվում է կատալիզատորի ակտիվ կենտրոնների ատոմների երկրաչափական կոնֆիգուրացիայի և արձագանքող մոլեկուլների այն մասի ատոմների համապատասխանությանը, որը պատասխանատու է կատալիզատորին միանալու համար։ Էլեկտրոնային տեսությունները հիմնված են այն գաղափարի վրա, որ քիմիզորբցիան ​​առաջանում է լիցքի փոխանցման հետ կապված էլեկտրոնային փոխազդեցությունից, այսինքն. այս տեսությունները կապում են կատալիտիկ ակտիվությունը կատալիզատորի էլեկտրոնային հատկությունների հետ: Քիմիական տեսությունը դիտում է կատալիզատորը որպես բնորոշ հատկություններով քիմիական միացություն, որը քիմիական կապեր է ստեղծում ռեագենտների հետ, ինչը հանգեցնում է անկայուն անցումային համալիրի ձևավորմանը։ Ապրանքների թողարկումով համալիրի քայքայվելուց հետո կատալիզատորը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին: Վերջին տեսությունն այժմ համարվում է ամենահամարժեքը։

Մոլեկուլային մակարդակում կատալիտիկ գազաֆազային ռեակցիան կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ. Մի արձագանքող մոլեկուլը կապվում է կատալիզատորի ակտիվ վայրին, իսկ մյուսը փոխազդում է նրա հետ՝ ուղղակիորեն գազային փուլում։ Հնարավոր է նաև այլընտրանքային մեխանիզմ՝ արձագանքող մոլեկուլները ներծծվում են կատալիզատորի հարևան ակտիվ կենտրոնների վրա, այնուհետև փոխազդում են միմյանց հետ։ Ըստ երևույթին, այսպես են ընթանում կատալիտիկ ռեակցիաների մեծ մասը։

Մեկ այլ հայեցակարգ ենթադրում է, որ կապ կա կատալիզատորի մակերեսի վրա ատոմների տարածական դասավորության և նրա կատալիտիկ ակտիվության միջև։ Որոշ կատալիտիկ պրոցեսների արագությունը, ներառյալ բազմաթիվ հիդրոգենացման ռեակցիաները, կախված չէ մակերեսի վրա կատալիտիկորեն ակտիվ ատոմների հարաբերական դիրքից. մյուսների արագությունը, ընդհակառակը, զգալիորեն փոխվում է մակերեսային ատոմների տարածական կազմաձևման փոփոխություններով: Օրինակ՝ նեոպենտանի իզոմերացումը իզոպենտանի և վերջինիս միաժամանակյա ճեղքումը դեպի իզոբութան և մեթան կատալիզատորի մակերեսին։

Pt-Al 2 O 3. ԿԱՏԱԼԻԶԻ ԿԻՐԱՌՈՒՄԸ ԱՐԴՅՈՒՆԱԲԵՐՈՒԹՅԱՆ ՄԵՋ Արդյունաբերական արագ աճը, որը մենք այժմ զգում ենք, հնարավոր չէր լինի առանց նոր քիմիական տեխնոլոգիաների զարգացման: Այս առաջընթացը մեծապես պայմանավորված է կատալիզատորների լայն կիրառմամբ, որոնց օգնությամբ ցածրորակ հումքը վերածվում է բարձրարժեք արտադրանքի։ Պատկերավոր ասած, կատալիզատորը ժամանակակից ալքիմիկոսի փիլիսոփայական քարն է, միայն թե այն վերածում է ոչ թե կապարը ոսկու, այլ հումքը՝ դեղամիջոցների, պլաստմասսաների, քիմիական նյութերի, վառելիքի, պարարտանյութերի և այլ օգտակար ապրանքների։

Թերևս առաջին կատալիտիկ գործընթացը, որը մարդը սովորեց օգտագործել, խմորումն էր: Ալկոհոլային խմիչքներ պատրաստելու բաղադրատոմսերը շումերներին հայտնի են եղել դեռևս մ.թ.ա. 3500 թվականին:

Սմ. ԳԻՆԻ; ԳԱՐԵՋՈՒՐ.

Կատալիզացիայի գործնական կիրառման մեջ նշանակալի իրադարձություն էր մարգարինի արտադրությունը բուսական յուղի կատալիտիկ հիդրոգենացման միջոցով: Այս ռեակցիան առաջին անգամ իրականացվել է արդյունաբերական մասշտաբով մոտ 1900 թվականին: Իսկ 1920-ական թվականներից մեկը մյուսի հետևից մշակվել են նոր օրգանական նյութերի, հիմնականում պլաստիկի արտադրության կատալիտիկ մեթոդներ: Հիմնական կետը օլեֆինների, նիտրիլների, էսթերների, թթուների և այլնի կատալիտիկ արտադրությունն էր։ - «աղյուսներ» պլաստիկի քիմիական «կառուցման» համար:

Կատալիտիկ պրոցեսների արդյունաբերական օգտագործման երրորդ ալիքը տեղի ունեցավ 1930-ական թվականներին և կապված էր նավթի վերամշակման հետ: Ծավալային առումով այս արտադրությունը շուտով բոլոր մյուսներին շատ հետ թողեց: Նավթի վերամշակումը բաղկացած է մի քանի կատալիտիկ գործընթացներից՝ ճեղքում, բարեփոխում, հիդրոսուլֆոնացում, հիդրոկրեկինգ, իզոմերացում, պոլիմերացում և ալկիլացում։

Վերջապես, կատալիզի կիրառման չորրորդ ալիքը կապված է շրջակա միջավայրի պաշտպանության հետ: Այս ոլորտում ամենահայտնի ձեռքբերումը ավտոմոբիլային արտանետվող գազերի կատալիտիկ փոխարկիչի ստեղծումն է: Կատալիզատորները, որոնք մեքենաներում տեղադրվում են 1975 թվականից, մեծ դեր են խաղացել օդի որակի բարելավման և այդպիսով բազմաթիվ կյանքեր փրկելու գործում։

Մոտ մեկ տասնյակ Նոբելյան մրցանակներ են շնորհվել կատալիզի և հարակից ոլորտներում աշխատանքի համար։

Կատալիտիկ պրոցեսների գործնական նշանակությունը վկայում է այն փաստը, որ արդյունաբերական ճանապարհով արտադրվող ազոտ պարունակող միացություններում ընդգրկված ազոտի մասնաբաժինը կազմում է պարենային ապրանքներում պարունակվող ամբողջ ազոտի մոտ կեսը: Բնական ճանապարհով արտադրվող ազոտային միացությունների քանակը սահմանափակ է, ուստի սննդային սպիտակուցի արտադրությունը կախված է պարարտանյութերի միջոցով հողում ավելացված ազոտի քանակից: Անհնար է կերակրել մարդկության կեսին առանց սինթետիկ ամոնիակի, որն արտադրվում է գրեթե բացառապես Haber-Bosch կատալիտիկ գործընթացի միջոցով:

Կատալիզատորների կիրառման շրջանակը մշտապես ընդլայնվում է։ Կարևոր է նաև, որ կատալիզացումը կարող է զգալիորեն բարձրացնել նախկինում մշակված տեխնոլոգիաների արդյունավետությունը: Օրինակ՝ կատալիտիկ ճեղքման բարելավումը ցեոլիտների կիրառմամբ:

Հիդրոգենացում. Մեծ թվով կատալիտիկ ռեակցիաներ կապված են ջրածնի ատոմի և որոշ այլ մոլեկուլների ակտիվացման հետ, ինչը հանգեցնում է նրանց քիմիական փոխազդեցության։ Այս գործընթացը կոչվում է հիդրոգենացում և ընկած է նավթի վերամշակման և ածխից հեղուկ վառելիքի արտադրության բազմաթիվ փուլերի հիմքում (Bergius process):

Ավիացիոն բենզինի և շարժիչային վառելիքի արտադրությունը ածխից մշակվել է Գերմանիայում Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի տարիներին, քանի որ երկիրը նավթի հանքեր չուներ: Բերգիուսի գործընթացը ներառում է ջրածնի ուղղակի ավելացում ածուխին: Ածուխը ջեռուցվում է ճնշման տակ ջրածնի առկայության դեպքում՝ արտադրելով հեղուկ արտադրանք, որն այնուհետև վերամշակվում է ավիացիոն բենզինի և շարժիչային վառելիքի։ Որպես կատալիզատոր օգտագործվում է երկաթի օքսիդը, ինչպես նաև անագի և մոլիբդենի հիման վրա կատալիզատորներ։ Պատերազմի ընթացքում Գերմանիայում 12 գործարաններ արտադրում էին օրական մոտավորապես 1400 տոննա հեղուկ վառելիք՝ օգտագործելով Bergius գործընթացը:

Մեկ այլ գործընթաց՝ Fischer-Tropsch, բաղկացած է երկու փուլից. Նախ, ածուխը գազաֆիկացված է, այսինքն. Նրանք արձագանքում են այն ջրային գոլորշու և թթվածնի հետ և ստանում են ջրածնի և ածխածնի օքսիդների խառնուրդ։ Այս խառնուրդը վերածվում է հեղուկ վառելիքի՝ օգտագործելով երկաթ կամ կոբալտ պարունակող կատալիզատորներ: Պատերազմի ավարտով Գերմանիայում ածուխից սինթետիկ վառելիքի արտադրությունը դադարեցվեց։

Նավթի գների աճի արդյունքում, որը հաջորդեց 1973–1974 թվականների նավթային էմբարգոյին, եռանդուն ջանքեր գործադրվեցին ածուխից բենզին արտադրելու ծախսարդյունավետ մեթոդ մշակելու համար։ Այսպիսով, ածուխի ուղղակի հեղուկացումը կարող է ավելի արդյունավետ կերպով իրականացվել՝ օգտագործելով երկփուլ գործընթաց, որի ժամանակ ածուխը նախ կապվում է ալյումին-կոբալտ-մոլիբդենային կատալիզատորի հետ համեմատաբար ցածր ջերմաստիճանում, ապա ավելի բարձր ջերմաստիճանում: Նման սինթետիկ բենզինի ինքնարժեքն ավելի բարձր է, քան նավթից ստացվածը։

Ամոնիակ. Քիմիական տեսանկյունից հիդրոգենացման ամենապարզ գործընթացներից մեկը ջրածնից և ազոտից ամոնիակի սինթեզն է։ Ազոտը շատ իներտ նյութ է։ Կապը խզելու համար N-N դրա մոլեկուլը պահանջում է մոտ 200 կկալ էներգիա/ խալ. Այնուամենայնիվ, ազոտը կապվում է երկաթի կատալիզատորի մակերեսին ատոմային վիճակում, և դրա համար պահանջվում է ընդամենը 20 կկալ:/ խալ. Ջրածինը ավելի հեշտությամբ է կապվում երկաթի հետ։ Ամոնիակի սինթեզն ընթանում է հետևյալ կերպ.
Այս օրինակը ցույց է տալիս կատալիզատորի կարողությունը հավասարապես արագացնելու և՛ առաջ, և՛ հետադարձ ռեակցիաները, այսինքն. այն փաստը, որ կատալիզատորը չի փոխում քիմիական ռեակցիայի հավասարակշռության դիրքը։Բուսական յուղի հիդրոգենացում. Գործնական առումով ամենակարևոր հիդրոգենացման ռեակցիաներից մեկը բուսական յուղերի թերի հիդրոգենացումն է դեպի մարգարին, ճաշ պատրաստելու յուղ և այլ սննդամթերք: Բուսական յուղերը ստանում են սոյայի հատիկներից, բամբակի սերմերից և այլ մշակաբույսերից։ Դրանք պարունակում են եթերներ, մասնավորապես՝ ճարպաթթուների տրիգլիցերիդներ՝ չհագեցվածության տարբեր աստիճաններով։ Օլեինաթթու CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH (CH 2 ) 7 COOH-ն ունի մեկ C=C կրկնակի կապ, լինոլաթթուն՝ երկու, իսկ լինոլենաթթուն՝ երեք: Այս կապը կոտրելու համար ջրածնի ավելացումը կանխում է յուղերի օքսիդացումը (թթվայնությունը): Սա մեծացնում է դրանց հալման կետը: Ստացված արտադրանքի մեծ մասի կարծրությունը կախված է հիդրոգենացման աստիճանից: Հիդրոգենացումն իրականացվում է նուրբ նիկելի փոշու առկայության դեպքում, որը դրված է սուբստրատի կամ Raney նիկելի կատալիզատորի վրա՝ բարձր մաքրված ջրածնի մթնոլորտում:Ջրազրկում. Ջրազրկումը նաև արդյունաբերական կարևոր կատալիտիկ ռեակցիա է, թեև դրա կիրառման մասշտաբները անհամեմատ ավելի փոքր են։ Նրա օգնությամբ, օրինակ, ստացվում է ստիրոլ՝ կարեւոր մոնոմեր։ Դրա համար էթիլբենզոլը ջրազրկվում է երկաթի օքսիդ պարունակող կատալիզատորի առկայության դեպքում. Ռեակցիային նպաստում են նաև կալիումը և կառուցվածքային կայունացուցիչի մի տեսակը։ Պրոպանի, բութանի և այլ ալկանների ջրազրկումն իրականացվում է արդյունաբերական մասշտաբով։ Բութանի ջրազրկումը քրոմ-կավահող կատալիզատորի առկայության դեպքում առաջացնում է բութեններ և բութադին:Թթվային կատալիզ. Կատալիզատորների մեծ դասի կատալիտիկ ակտիվությունը որոշվում է նրանց թթվային հատկություններով։ Ըստ I. Brønsted-ի և T. Lowry-ի, թթուն միացություն է, որն ընդունակ է նվիրաբերել պրոտոն: Ուժեղ թթուները հեշտությամբ իրենց պրոտոնները տալիս են հիմքերին: Թթվայնության հայեցակարգը հետագայում զարգացավ Գ.Լյուիսի աշխատություններում, ով թթուն սահմանեց որպես նյութ, որն ընդունակ է դոնոր նյութից ընդունել էլեկտրոնային զույգ՝ կովալենտային կապի ձևավորմամբ՝ այս էլեկտրոնային զույգի սոցիալականացման շնորհիվ։ Այս գաղափարները, կարբենիումի իոններ առաջացնող ռեակցիաների մասին պատկերացումների հետ միասին, օգնեցին հասկանալ տարբեր կատալիտիկ ռեակցիաների մեխանիզմը, հատկապես ածխաջրածինների հետ կապված։

Թթվի ուժը կարող է որոշվել՝ օգտագործելով մի շարք հիմքեր, որոնք փոխում են գույնը, երբ ավելացվում է պրոտոն: Պարզվում է, որ որոշ արդյունաբերական կարեւոր կատալիզատորներ իրենց պահում են շատ ուժեղ թթուների պես։ Դրանք ներառում են Friedel-Crafts գործընթացի կատալիզատորը, ինչպես, օրինակ

HCl-AlCl 2 O 3 (կամ HAlCl 4 ), և ալյումինոսիլիկատներ։ Թթվային ուժը շատ կարևոր հատկանիշ է, քանի որ այն որոշում է պրոտոնացման արագությունը՝ թթվային կատալիզացման գործընթացի առանցքային քայլը:

Կատալիզատորների ակտիվությունը, ինչպիսիք են ալյումինոսիլիկատները, որոնք օգտագործվում են նավթի ճեղքումում, որոշվում է դրանց մակերևույթի վրա Brønsted և Lewis թթուների առկայությամբ: Նրանց կառուցվածքը նման է սիլիցիումի (սիլիցիումի երկօքսիդի) կառուցվածքին, որում որոշ ատոմներ

Si 4+ փոխարինվել է ատոմներովԱլ 3+. Ավելորդ բացասական լիցքը, որն առաջանում է այս դեպքում, կարող է չեզոքացվել համապատասխան կատիոններով։ Եթե ​​կատիոնները պրոտոններ են, ապա ալյումինոսիլիկատն իրեն պահում է Բրոնստեդ թթվի նման.
Թթվային կատալիզատորների ակտիվությունը որոշվում է ածխաջրածինների հետ փոխազդելու նրանց ունակությամբ՝ որպես միջանկյալ արտադրանք առաջացնելով կարբենիումի իոն։ Ալկիլկարբենիումի իոնները պարունակում են դրական լիցքավորված ածխածնի ատոմ, որը կապված է երեք ալկիլ խմբերի և/ կամ ջրածնի ատոմներ։ Նրանք կարևոր դեր են խաղում որպես միջանկյալ նյութեր, որոնք ձևավորվում են օրգանական միացությունների բազմաթիվ ռեակցիաներում: Թթվային կատալիզատորների գործողության մեխանիզմը կարելի է ցույց տալ՝ օգտագործելով իզոմերացման ռեակցիայի օրինակըn -բութանից մինչև իզոբութան ներկայությամբ HCl - AlCl 3 կամ Pt - Cl - Al 2 O 3 . Նախ, փոքր քանակությամբ օլեֆին C 4 N 8 Դրական լիցքավորված ջրածնի իոնը կցում է թթվային կատալիզատորին՝ ձևավորելու համարմ երրորդական կարբենիումի իոն. Հետո բացասական լիցքավորված հիդրիդ իոն H - բաժանվել է n -բութան՝ իզոբութանի և երկրորդային բուտիլկարբի ձևավորմամբ e nor th- ion. Վերջին վերախմբավորման արդյունքում վերածվում էերրորդական ածխաջրածին իոն: Այս շղթան կարող է շարունակվել հաջորդ մոլեկուլից հիդրիդ իոնի հեռացմամբn-բութան և այլն.
Էական o որ երրորդային կարբենիումի իոնները ավելի կայուն են, քան առաջնային կամ երկրորդականները: Արդյունքում դրանք հիմնականում առկա են կատալիզատորի մակերեսին, և հետևաբար բութանի իզոմերացման հիմնական արտադրանքը իզոբութանն է։

Թթվային կատալիզատորները լայնորեն օգտագործվում են նավթի վերամշակման մեջ՝ ածխաջրածինների ճեղքում, ալկիլացում, պոլիմերացում և իզոմերացում։

(տես նաեւ ՔԻՄԻԱ ԵՎ ՆԱՎԹԻ ՄՇԱԿՄԱՆ ՄԵԹՈԴՆԵՐԸ). Ստեղծվել է կարբենիումի իոնների գործողության մեխանիզմը, որոնք այս գործընթացներում կատալիզատորների դեր են կատարում։ Դրանով նրանք մասնակցում են մի շարք ռեակցիաների, ներառյալ փոքր մոլեկուլների ձևավորումը մեծ մոլեկուլների ճեղքման միջոցով, մոլեկուլների համակցությունը (օլեֆին օլեֆին կամ օլեֆինը իզոպարաֆին), կառուցվածքային վերադասավորումը իզոմերիզացիայի միջոցով և պարաֆինների և արոմատիկ նյութերի ձևավորում: ածխաջրածիններ ջրածնի փոխանցման միջոցով:

Արդյունաբերության մեջ թթվային կատալիզի վերջին կիրառություններից մեկը կապարի վառելիքի արտադրությունն է՝ իզոբուտիլենին կամ իզոամիլենին սպիրտներ ավելացնելով։ Բենզինին թթվածին պարունակող միացությունների ավելացումը նվազեցնում է արտանետվող գազերում ածխածնի երկօքսիդի կոնցենտրացիան: մեթիլ-

թերթ -բուտիլային եթերը (MTBE) 109 օկտանային խառնիչ թվով նաև հնարավորություն է տալիս ձեռք բերել բարձր օկտանային վառելիք, որն անհրաժեշտ է մեքենայի շարժիչի բարձր սեղմման հարաբերակցությամբ աշխատելու համար՝ առանց բենզինի մեջ տետրաէթիլ կապարի ներմուծման: Կազմակերպվել է նաև 102 և 111 օկտանային համարներով վառելանյութերի արտադրություն։Հիմնական կատալիզ. Կատալիզատորների ակտիվությունը որոշվում է նրանց հիմնական հատկություններով: Նման կատալիզատորների վաղեմի և հայտնի օրինակը նատրիումի հիդրօքսիդն է, որն օգտագործվում է ճարպերի հիդրոլիզացման կամ սապոնացման համար՝ օճառ պատրաստելու համար, և վերջին օրինակներից մեկը կատալիզատորներն են, որոնք օգտագործվում են պոլիուրեթանային պլաստմասսաների և փրփուրների արտադրության մեջ: Ուրեթանը ձևավորվում է ալկոհոլի իզոցիանատի ռեակցիայի արդյունքում, և այս ռեակցիան արագանում է հիմնականի առկայության դեպքում.ամիններ. Ռեակցիայի ընթացքում իզոցիանատի մոլեկուլում ածխածնի ատոմին միանում է հիմք, որի արդյունքում ազոտի ատոմի վրա առաջանում է բացասական լիցք և մեծանում է նրա ակտիվությունը ալկոհոլի նկատմամբ։ Հատկապես արդյունավետ կատալիզատոր է տրիէթիլենդիամինը: Պոլիուրեթանային պլաստմասսաները արտադրվում են պոլիոլների (պոլիալկոհոլների) հետ երկիզոցիանատների փոխազդեցությամբ։ Երբ իզոցիանատը փոխազդում է ջրի հետ, նախկինում ձևավորված ուրեթանը քայքայվում է՝ ազատվելով. CO2 . Երբ պոլիալկոհոլների և ջրի խառնուրդը փոխազդում է դիիզոցիանատների հետ, ստացված պոլիուրեթանային փրփուրը փրփրում է գազային CO2. Կրկնակի գործող կատալիզատորներ. Այս կատալիզատորները արագացնում են երկու տեսակի ռեակցիաներ և ավելի լավ արդյունքներ են տալիս, քան ռեակտիվները հաջորդաբար անցնելը երկու ռեակտորների միջով, որոնցից յուրաքանչյուրը պարունակում է միայն մեկ տեսակի կատալիզատոր: Դա պայմանավորված է նրանով, որ կրկնակի գործող կատալիզատորի ակտիվ վայրերը շատ մոտ են միմյանց, և դրանցից մեկի վրա ձևավորված միջանկյալ արտադրանքը անմիջապես վերածվում է մյուսի վերջնական արտադրանքի:

Ջրածինը ակտիվացնող կատալիզատորի համակցումը ածխաջրածնային իզոմերացման խթանող կատալիզատորի հետ լավ արդյունք է տալիս: Ջրածնի ակտիվացումն իրականացվում է որոշ մետաղների, իսկ ածխաջրածինների իզոմերիացումը՝ թթուների կողմից։ Արդյունավետ երկակի գործողության կատալիզատորը, որն օգտագործվում է նավթի վերամշակման մեջ՝ նաֆտան բենզինի փոխարկելու համար, նուրբ ցրված պլատինն է, որը դրված է թթվային ալյումինի վրա: Նաֆթայի բաղադրիչները, ինչպիսիք են մեթիլցիկլոպենտանը (MCP) բենզոլի փոխակերպումը մեծացնում է բենզինի օկտանային թիվը: Նախ, MCP-ն ջրազրկվում է կատալիզատորի պլատինե մասի վրա՝ վերածելով նույն ածխածնային ողնաշարով օլեֆինի. այնուհետև օլեֆինը անցնում է կատալիզատորի թթվային մաս, որտեղ այն իզոմերիզացվում է մինչև ցիկլոհեքսեն։ Վերջինս անցնում է պլատինե հատվածին և ջրազրկվում է բենզոլի և ջրածնի։

Կրկնակի գործողության կատալիզատորները զգալիորեն արագացնում են նավթի բարեփոխումը: Դրանք օգտագործվում են նորմալ պարաֆինները իզոպարաֆինների իզոմերիզացնելու համար: Վերջիններս, որոնք եռում են բենզինի ֆրակցիաների նույն ջերմաստիճանում, արժեքավոր են, քանի որ ուղիղ ածխաջրածինների համեմատ ավելի մեծ օկտանային թիվ ունեն։ Ավելին, վերափոխումը

n -բութանից մինչև իզոբութան ուղեկցվում է ջրազրկմամբ՝ հեշտացնելով MTBE-ի արտադրությունը:Ստերեոսպեցիֆիկ պոլիմերացում. Պատմության մեջ կարևոր իրադարձությունտեղի ունեցավ կատալիզը կատալիտիկ պոլիմերացման հայտնաբերումա-օլեֆիններ առաջացմամբ կարծրականոնավոր x պոլիմերներ. Կատալիզատորներին ստերեոսպեցիֆիկպոլիմերացում հայտնաբերվել են Կ. Զիգլերի կողմից, երբ նա փորձել է բացատրել իր ստացած պոլիմերների անսովոր հատկությունները: Մեկ այլ քիմիկոս Ջ. Ռենտգենյան դիֆրակցիոն փորձերը ցույց են տվել, որ Ziegler կատալիզատորների առկայության դեպքում պրոպիլենից պատրաստված պոլիմերները խիստ բյուրեղային են և իսկապես ունեն ստերեկանոնավոր կառուցվածք։ Նման պատվիրված կառույցները նկարագրելու համար Նատտան ներկայացրեց «իզոտակտիկ «և «սինդիոտակտիկա»: Այն դեպքում, երբ չկա հրաման, օգտագործվում է «ատակտիկա» տերմինը.Անցումային մետաղների խմբեր պարունակող պինդ կատալիզատորների մակերեսին տեղի է ունենում ստերեոսպեցիֆիկ ռեակցիա IVA - VIII (ինչպես, օրինակ, Ti, V, Cr, Zr լինելով ոչ լրիվ օքսիդացված վիճակում և ածխածին կամ ջրածին պարունակող ցանկացած միացություն, որը կապված է խմբերի մետաղի հետ. I - III . Նման կատալիզատորի դասական օրինակ է նստվածքը, որը ձևավորվում է, երբ TiCl 4 և Al(C 2 H 5 ) 3 հեպտանում, որտեղ տիտանը կրճատվում է եռարժեք վիճակին։ Սաբացառիկ ակտիվՀամակարգը կատալիզացնում է պրոպիլենի պոլիմերացումը նորմալ ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում:կատալիտիկ օքսիդացում. Կատալիզատորների օգտագործումը օքսիդացման պրոցեսների քիմիան վերահսկելու համար գիտական ​​և գործնական մեծ նշանակություն ունի։ Որոշ դեպքերում օքսիդացումը պետք է ամբողջական լինի, օրինակ՝ ավտոմեքենաների արտանետվող գազերում CO-ի և ածխաջրածնային աղտոտիչների չեզոքացման ժամանակ:Այնուամենայնիվ, ավելի հաճախ անհրաժեշտ է, որ օքսիդացումը լինի թերի, օրինակ, շատ լայնորեն օգտագործվող արդյունաբերական գործընթացներում ածխաջրածինները արժեքավոր միջանկյալ արտադրանքի վերածելու համար, որոնք պարունակում են ֆունկցիոնալ խմբեր, ինչպիսիք են -CHO, -COOH, -C-CO, -CN: Այս դեպքում օգտագործվում են ինչպես միատարր, այնպես էլ տարասեռ կատալիզատորներ։ Միատարր կատալիզատորի օրինակ է անցումային մետաղի համալիրը, որն օգտագործվում է օքսիդացման համարզույգ -քսիլենից մինչև տերեֆտալաթթու, որի եթերները հիմք են հանդիսանում պոլիեսթեր մանրաթելերի արտադրության համար:Կատալիզատորներ տարասեռ օքսիդացման համար. Այս կատալիզատորները սովորաբար բարդ պինդ օքսիդներ են: Կատալիտիկ օքսիդացումը տեղի է ունենում երկու փուլով. Նախ, օքսիդի թթվածինը գրավում է ածխաջրածնի մոլեկուլը, որը կլանված է օքսիդի մակերեսին: Այս դեպքում ածխաջրածինը օքսիդացված է, իսկ օքսիդը կրճատվում է: Կրճատված օքսիդը արձագանքում է թթվածնի հետ և վերադառնում իր սկզբնական վիճակին: Օգտագործելով վանադիումի կատալիզատոր՝ ֆտալային անհիդրիդ է ստացվում նաֆթալինի կամ բութանի ոչ լրիվ օքսիդացումից։Էթիլենի արտադրությունը մեթանի ջրազերծման միջոցով: Էթիլենի սինթեզը ջրազերծման միջոցով բնական գազը վերածում է ավելի հեշտ տեղափոխվող ածխաջրածինների: Արձագանք 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O իրականացվում է 850 ° ջերմաստիճանում C օգտագործելով տարբեր կատալիզատորներ; լավագույն արդյունքները ձեռք են բերվում կատալիզատորով Li-MgO . Ենթադրաբար ռեակցիան ընթանում է մեթիլ ռադիկալի ձևավորման միջոցով՝ մեթանի մոլեկուլից ջրածնի ատոմի աբստրակցիայի միջոցով։ Վերացումն իրականացվում է թերի կրճատված թթվածնի միջոցով, օրինակ Օ 2 2- . Մեթիլային ռադիկալները գազային փուլում վերամիավորվում են՝ ձևավորելով էթանի մոլեկուլ և հետագա ջրազրկման ժամանակ վերածվում էթիլենի։ Անավարտ օքսիդացման մեկ այլ օրինակ է մեթանոլի փոխակերպումը ֆորմալդեհիդի՝ արծաթի կամ երկաթ-մոլիբդենային կատալիզատորի առկայության դեպքում։Զեոլիտներ. Զեոլիտները կազմում են տարասեռ կատալիզատորների հատուկ դաս։ Սրանք ալյումինոսիլիկատներ են՝ պատվիրված բջիջների կառուցվածքով, որոնց բջջի չափերը համեմատելի են բազմաթիվ օրգանական մոլեկուլների չափերի հետ։ Դրանք նաև կոչվում են մոլեկուլային մաղեր։ Առավել մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում ցեոլիտները, որոնց ծակոտիները գոյանում են 8-12 թթվածնի իոններից բաղկացած օղակներով (նկ. 2): Երբեմն ծակոտիները համընկնում են, ինչպես ZSM-5 ցեոլիտում (նկ. 3), որն օգտագործվում է մեթանոլի բարձր սպեցիֆիկ փոխակերպման համար բենզինային մասի ածխաջրածինների: Բենզինը պարունակում է զգալի քանակությամբ անուշաբույր ածխաջրածիններ և հետևաբար ունի բարձր օկտանային թիվ: Նոր Զելանդիայում, օրինակ, սպառված բենզինի մեկ երրորդն արտադրվում է այս տեխնոլոգիայով: Մեթանոլը արտադրվում է ներմուծվող մեթանից։ Y-ցեոլիտների խումբը կազմող կատալիզատորները զգալիորեն մեծացնում են կատալիտիկ ճեղքման արդյունավետությունը՝ հիմնականում իրենց անսովոր թթվային հատկությունների շնորհիվ: Ալյումինոսիլիկատները ցեոլիտներով փոխարինելը հնարավորություն է տալիս բենզինի բերքատվությունը բարձրացնել ավելի քան 20%-ով։

Բացի այդ, ցեոլիտներն ունեն ընտրողականություն՝ կապված արձագանքող մոլեկուլների չափի հետ: Նրանց ընտրողականությունը որոշվում է ծակոտիների մեծությամբ, որոնց միջով կարող են անցնել միայն որոշակի չափերի և ձևերի մոլեկուլներ։ Սա վերաբերում է ինչպես սկզբնական նյութերին, այնպես էլ ռեակցիայի արտադրանքներին: Օրինակ, ստերիկ սահմանափակումների պատճառով

զույգ -քսիլենը ձևավորվում է ավելի հեշտությամբ, քան մեծածավալներըօրթո- Եվ մետա -իզոմերներ. Վերջիններս հայտնվում են «կողպված» ցեոլիտի ծակոտիներում (նկ. 4):

Զեոլիտների օգտագործումը իսկական հեղափոխություն է կատարել որոշ արդյունաբերական տեխնոլոգիաներում՝ գազի նավթի և շարժիչի յուղի մոմազրկում, անուշաբույր միացությունների ալկիլացման միջոցով պլաստմասսաների արտադրության համար քիմիական միջանկյալ նյութերի ձեռքբերում, քսիլենի իզոմերացում, տոլուոլի անհամաչափություն և նավթի կատալիտիկ ճեղքում։ Այստեղ հատկապես արդյունավետ է ցեոլիտը

ԶՍՄ-5. Կատալիզատորներ և շրջակա միջավայրի պաշտպանություն. Օդի աղտոտվածությունը նվազեցնելու համար կատալիզատորների օգտագործումը սկսվել է վերջում 19 40-ական թթ. 1952 թվականին Ա. Հեյգեն-Սմիթը պարզեց, որ արտանետվող գազերում պարունակվող ածխաջրածիններն ու ազոտի օքսիդները լույսի ներքո փոխազդում են՝ առաջացնելով օքսիդանտներ (մասնավորապես՝ օզոն), որոնք նյարդայնացնում են աչքերը և տալիս այլ անցանկալի հետևանքներ։ Մոտավորապես նույն ժամանակ Յ.Խուդրին մշակել է արտանետվող գազերի օքսիդացման միջոցով կատալիտիկ մաքրման մեթոդ. CO և ածխաջրածինները մինչև CO 2 և H 2 Ա. 1970-ին ձևակերպվեց «Մաքուր օդի» հռչակագիրը (1977-ին ճշգրտվեց, 1990-ին ընդլայնվեց), ըստ որի բոլոր նոր մեքենաները, սկսած 1975-ի մոդելներից, պետք է հագեցած լինեն կատալիտիկ փոխարկիչներով։ Սահմանվել են արտանետվող գազերի բաղադրության ստանդարտներ։ Քանի որ բենզինի թույնի կատալիզատորներին ավելացվում են կապարի միացություններ, ընդունվել է փուլային սպառման ծրագիր: Ուշադրություն է դարձվել նաև ազոտի օքսիդների պարունակությունը նվազեցնելու անհրաժեշտությանը։

Կատալիզատորներ են ստեղծվել հատուկ ավտոմոբիլային չեզոքացուցիչների համար, որոնցում ակտիվ բաղադրիչները կիրառվում են մեղրախորիսխ կառուցվածքով կերամիկական հիմքի վրա, որի բջիջներով անցնում են արտանետվող գազերը։ Ենթաշերտը պատված է մետաղի օքսիդի բարակ շերտով, օրինակ.

Al2O3 , որի վրա կիրառվում է կատալիզատոր՝ պլատին, պալադիում կամ ռոդիում։ Ջերմային էլեկտրակայաններում բնական վառելիքի այրման ժամանակ առաջացած ազոտի օքսիդների պարունակությունը կարող է կրճատվել՝ ծխատար գազերին փոքր քանակությամբ ամոնիակ ավելացնելով և դրանք տիտանի վանադիումի կատալիզատորի միջով անցնելով։Ֆերմենտներ. Ֆերմենտները բնական կատալիզատորներ են, որոնք կարգավորում են կենսաքիմիական գործընթացները կենդանի բջջում: Նրանք մասնակցում են էներգիայի փոխանակման գործընթացներին, սննդանյութերի քայքայմանը և կենսասինթեզի ռեակցիաներին։ Առանց դրանց շատ բարդ օրգանական ռեակցիաներ չեն կարող առաջանալ: Ֆերմենտները գործում են սովորական ջերմաստիճաններում և ճնշումներում, ունեն շատ բարձր ընտրողականություն և ունակ են մեծացնել ռեակցիայի արագությունը ութ կարգով: Չնայած այս առավելություններին, միայն մոտ. Հայտնի 15000 ֆերմենտներից 20-ը օգտագործվում են մեծ մասշտաբով։

Մարդը հազարավոր տարիներ օգտագործել է ֆերմենտներ հաց թխելու, ալկոհոլային խմիչքներ, պանիր և քացախ արտադրելու համար: Այժմ ֆերմենտները օգտագործվում են նաև արդյունաբերության մեջ՝ շաքարի վերամշակման, սինթետիկ հակաբիոտիկների, ամինաթթուների և սպիտակուցների արտադրության մեջ։ Լվացող միջոցներին ավելացվում են պրոտեոլիտիկ ֆերմենտներ, որոնք արագացնում են հիդրոլիզի գործընթացները:

Բակտերիաների օգնությամբ

Clostridium acetobutylicum Հ.Վայզմանը իրականացրել է օսլայի ֆերմենտային փոխակերպումը ացետոնի և բուտիլային ալկոհոլի։ Ացետոնի արտադրության այս մեթոդը լայնորեն կիրառվում էր Անգլիայում Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ, իսկ երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ՝ ԽՍՀՄ-ում բութադիենային կաուչուկի արտադրության համար։

Չափազանց կարևոր դեր է խաղացել միկրոօրգանիզմների կողմից պենիցիլինի սինթեզի համար արտադրվող ֆերմենտների, ինչպես նաև ստրեպտոմիցինի և վիտամինի օգտագործումը:

B12. Էթիլային սպիրտը, որն արտադրվում է ֆերմենտային պրոցեսներով, լայնորեն օգտագործվում է որպես ավտոմեքենայի վառելիք։ Բրազիլիայում մոտ 10 միլիոն մեքենաների ավելի քան մեկ երրորդն աշխատում է շաքարեղեգից ստացված 96% էթիլային սպիրտով, մինչդեռ մնացածը աշխատում է բենզինի և էթիլային սպիրտների խառնուրդով (20%): Վառելիքի արտադրության տեխնոլոգիան, որը բենզինի և ալկոհոլի խառնուրդ է, լավ զարգացած է ԱՄՆ-ում։ 1987 թվականին մոտ. 4 միլիարդ լիտր ալկոհոլ, որից մոտավորապես 3,2 միլիարդ լիտրն օգտագործվել է որպես վառելիք։ Այսպես կոչվածը նաև գտնում է տարբեր հավելվածներ։ անշարժացված ֆերմենտներ. Այս ֆերմենտները կապված են ամուր հենարանի հետ, ինչպիսին է սիլիկա գելը, որի վրայով անցնում են ռեակտիվները: Այս մեթոդի առավելությունն այն է, որ ապահովում է սուբստրատների արդյունավետ շփումը ֆերմենտի հետ, արտադրանքի տարանջատում և ֆերմենտի պահպանում: Անշարժացված ֆերմենտների արդյունաբերական օգտագործման օրինակներից մեկը իզոմերացումն էԴ - գլյուկոզա ֆրուկտոզայի մեջ: ՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱԿԱՆ ԱՍՊԵԿՏՆԵՐ Ժամանակակից տեխնոլոգիաները հնարավոր չէ պատկերացնել առանց կատալիզատորների օգտագործման: Կատալիզիկ ռեակցիաները կարող են տեղի ունենալ մինչև 650 ջերմաստիճանում° C և 100 ատմ կամ ավելի ճնշում: Սա ստիպում է նոր լուծումներ գտնել գազային և պինդ նյութերի շփման և կատալիզատորի մասնիկների փոխանցման հետ կապված խնդիրների համար: Որպեսզի գործընթացն արդյունավետ լինի, դրա մոդելավորումը պետք է հաշվի առնի կինետիկ, թերմոդինամիկ և հիդրոդինամիկական ասպեկտները: Այստեղ լայնորեն կիրառվում է համակարգչային մոդելավորումը, ինչպես նաև տեխնոլոգիական գործընթացների մոնիտորինգի նոր գործիքներ և մեթոդներ։

1960 թվականին զգալի առաջընթաց է գրանցվել ամոնիակի արտադրության մեջ։ Ավելի ակտիվ կատալիզատորի օգտագործումը հնարավորություն տվեց իջեցնել ջրածնի արտադրության ջերմաստիճանը ջրային գոլորշիների տարրալուծման ժամանակ, ինչը հնարավորություն տվեց նվազեցնել ճնշումը և, հետևաբար, նվազեցնել արտադրության ծախսերը, օրինակ՝ ավելի էժան կենտրոնախույս կոմպրեսորների օգտագործման միջոցով։ . Արդյունքում ամոնիակի ինքնարժեքն ընկավ ավելի քան կիսով չափ, եղավ դրա արտադրության հսկայական աճ, և դրա հետ կապված՝ սննդի արտադրության աճ, քանի որ ամոնիակը արժեքավոր պարարտանյութ է։

Մեթոդներ. Կատալիզացիայի ոլորտում հետազոտություններն իրականացվում են ինչպես ավանդական, այնպես էլ հատուկ մեթոդներով։ Օգտագործվում են ռադիոակտիվ հետագծեր, ռենտգեն, ինֆրակարմիր և Ռաման (Ռաման) սպեկտրոսկոպիա, էլեկտրոնային մանրադիտակային մեթոդներ; Կատարվում են կինետիկ չափումներ, ուսումնասիրվում է կատալիզատորների պատրաստման մեթոդների ազդեցությունը դրանց ակտիվության վրա։ Մեծ նշանակություն ունի կատալիզատորի մակերեսի որոշումը Brunauer-Emmett-Teller մեթոդով (BET մեթոդ), որը հիմնված է տարբեր ճնշումների ժամանակ ազոտի ֆիզիկական կլանման չափման վրա: Դա անելու համար որոշեք ազոտի քանակությունը, որն անհրաժեշտ է կատալիզատորի մակերեսին միաշերտ ձևավորելու համար և իմանալով մոլեկուլի տրամագիծը. N 2 , հաշվարկեք ընդհանուր մակերեսը։ Մակերեւույթի ընդհանուր մակերեսը որոշելուց բացի, իրականացվում է տարբեր մոլեկուլների քիմիզորբցիա, ինչը հնարավորություն է տալիս գնահատել ակտիվ կենտրոնների թիվը և տեղեկություններ ստանալ դրանց հատկությունների մասին։

Հետազոտողները իրենց տրամադրության տակ ունեն ատոմային մակարդակում կատալիզատորների մակերեսային կառուցվածքը ուսումնասիրելու տարբեր մեթոդներ։ Մեթոդը թույլ է տալիս ստանալ յուրահատուկ տեղեկատվություն

EXAFS . Սպեկտրոսկոպիկ մեթոդների շարքում ավելի ու ավելի են կիրառվում ուլտրամանուշակագույն, ռենտգենյան և Auger ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիան: Մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում երկրորդային իոնային զանգվածային սպեկտրոմետրիան և իոնային ցրման սպեկտրոսկոպիան։ NMR չափումները օգտագործվում են կատալիտիկ համալիրների բնույթն ուսումնասիրելու համար: Սկանավորող թունելային մանրադիտակը թույլ է տալիս տեսնել ատոմների դասավորությունը կատալիզատորի մակերեսին: ՀԵՌԱՆԿԱՐՆԵՐ Արդյունաբերության մեջ կատալիտիկ գործընթացների մասշտաբները տարեցտարի ավելանում են։ Կատալիզատորներն ավելի ու ավելի են օգտագործվում շրջակա միջավայրն աղտոտող նյութերը չեզոքացնելու համար: Աճում է կատալիզատորների դերը գազից և ածխից ածխաջրածինների և թթվածին պարունակող սինթետիկ վառելիքի արտադրության մեջ։ Վառելիքի էներգիան էլեկտրական էներգիայի տնտեսապես փոխակերպելու համար վառելիքի բջիջների ստեղծումը շատ խոստումնալից է թվում:

Կատալիզացման նոր գաղափարները հնարավորություն կտան ստանալ պոլիմերային նյութեր և այլ ապրանքներ բազմաթիվ արժեքավոր հատկություններով, բարելավել էներգիա ստանալու մեթոդները և ավելացնել սննդի արտադրությունը, մասնավորապես ալկաններից և ամոնիակից սպիտակուցներ սինթեզելով միկրոօրգանիզմների օգնությամբ: Հնարավոր է, որ հնարավոր լինի մշակել գենետիկորեն մշակված մեթոդներ ֆերմենտների և մետաղական օրգանական միացությունների արտադրության համար, որոնք մոտենում են բնական կենսաբանական կատալիզատորներին իրենց կատալիտիկ ակտիվությամբ և ընտրողականությամբ:

ԳՐԱԿԱՆՈՒԹՅՈՒՆԳեյթս Բ.Կ. Կատալիտիկ պրոցեսների քիմիա . Մ., 1981
Բորեսկով Գ.Կ. Կատալիզ. Տեսության և պրակտիկայի հարցեր . Նովոսիբիրսկ, 1987 թ
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Նոր ընդհանուր կատալիզի տեսություն . Լ., 1991
Տոկաբե Կ. Կատալիզատորներ և կատալիտիկ գործընթացներ . Մ., 1993