ქიმიური ტექნოლოგიის ძირითადი პროცესები არის კატალიზური რეაქციები. ეს გამოწვეულია იმით, რომ კატალიზატორის შემოღებით, ნივთიერებების ურთიერთქმედების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იზრდება. ამ შემთხვევაში, მწარმოებლებს შეუძლიათ შეამცირონ ხარჯები ან მიიღონ მეტი რეაქციის პროდუქტი იმავე პერიოდში. ამიტომაც დიდი ყურადღება ეთმობა კატალიზის შესწავლას ტექნოლოგების მომზადებაში. თუმცა, ეს ფენომენი ასევე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ბუნებაში. ასე რომ, სპეციალური ნივთიერებები არეგულირებს ცოცხალ ორგანიზმებში ბიოქიმიური რეაქციების მიმდინარეობას, რითაც გავლენას ახდენს მეტაბოლიზმზე.
კატალიზის კონცეფცია
ამ ქიმიური ფენომენის არსი არის ნივთიერებების ტრანსფორმაციის სიჩქარის რეგულირება სპეციალური რეაგენტების გამოყენებით, რომლებსაც შეუძლიათ შეანელონ ან დააჩქარონ ეს პროცესი. ამ შემთხვევაში საუბარია დადებით ან უარყოფით კატალიზზე. ასევე არსებობს ავტოკატალიზის ფენომენი, როდესაც ქიმიური რეაქციის ერთ-ერთი შუალედური პროდუქტი გავლენას ახდენს რეაქციის სიჩქარეზე. კატალიზური პროცესები მრავალფეროვანია, ისინი განსხვავდებიან მექანიზმებით, ნაერთების აგრეგაციის მდგომარეობით და მიმართულებით.
ნივთიერებებს, რომლებიც ანელებენ ქიმიურ ურთიერთქმედებას, ინჰიბიტორებს უწოდებენ, ხოლო მათ, რომლებიც აჩქარებენ კატალიზურ რეაქციებს, კატალიზატორები. ორივე და სხვები ცვლის რეაქციის სიჩქარეს განმეორებითი შუალედური ურთიერთქმედებით მის ერთ ან რამდენიმე მონაწილესთან. ამავე დროს, ისინი არ შედის პროდუქტების შემადგენლობაში და აღდგება ნივთიერებების ტრანსფორმაციის ციკლის დასრულების შემდეგ. მაშასადამე, კატალიზატორის მონაწილეობა არ აისახება რეაქციის განტოლებაში სტექიომეტრიულად, მაგრამ მხოლოდ მითითებულია, როგორც ნივთიერებების ურთიერთქმედების პირობა.
კატალიზური რეაქციების სახეები
ქიმიურ რეაქციაში მონაწილე ნივთიერებების აგრეგაციის მდგომარეობის მიხედვით გამოირჩევა:
- ერთგვაროვანი რეაქციები - რეაგენტები, პროდუქტები და კატალიზატორი აგრეგაციის ერთსა და იმავე მდგომარეობაშია (ფაზა), ხოლო ნივთიერებების მოლეკულები თანაბრად ნაწილდება მთელ მოცულობაში;
- ინტერფეისური კატალიზური რეაქციები - წარმოიქმნება შეურევი სითხეების ინტერფეისზე და კატალიზატორის როლი მცირდება მასში რეაგენტების გადაცემამდე;
- ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქციები - მათში კატალიზატორს აქვს რეაქტორებისგან განსხვავებული აგრეგაციის მდგომარეობა და ის თავად ხორციელდება ინტერფეისზე;
- ჰეტეროგენულ-ერთგვაროვანი რეაქციები - იწყება კატალიზატორის ინტერფეისზე და გრძელდება რეაქციის მოცულობაში;
- მიკროჰეტეროგენული რეაქციები - მყარი კატალიზატორის მცირე ნაწილაკები ქმნიან მიცელებს თხევადი ფაზის მთელ მოცულობაზე.
ასევე არსებობს რედოქს კატალიზი, რომელსაც თან ახლავს კატალიზატორის დაჟანგვის მდგომარეობის ცვლილება რეაგენტებთან ურთიერთქმედებისას. ასეთ გარდაქმნებს უწოდებენ კატალიზურ ჟანგვის და შემცირების რეაქციებს. ქიმიურ წარმოებაში ყველაზე გავრცელებულია გოგირდის დიოქსიდის დაჟანგვა ტრიოქსიდში გოგირდის მჟავას წარმოებისას.
კატალიზატორების სახეები
აგრეგაციის მდგომარეობის მიხედვით, კატალიზატორები არის თხევადი (H 2 SO 4, H 3 RO 4), მყარი (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) და აირისებრი (BF 3).
ნივთიერების ტიპის მიხედვით, კატალიზატორები იყოფა:
- ლითონები - შეიძლება იყოს სუფთა, შენადნობები, მყარი ან დეპონირებული ფოროვან ბაზაზე (Fe, Pt, Ni, Cu);
- M m E n ტიპის ლითონის ნაერთები - ყველაზე გავრცელებული ოქსიდებია MgO, Al 2 O 3, MoO 3 და ა.შ.;
- მჟავები და ფუძეები - გამოიყენება მჟავა-ტუტოვანი კატალიზური რეაქციებისთვის, ეს შეიძლება იყოს ლუისის მჟავები, ბრონსტედი და ა.შ.;
- ლითონის კომპლექსები - ამ ჯგუფში ასევე შედის გარდამავალი ლითონების მარილები, როგორიცაა PdCl 2, Ni(CO) 4;
- ფერმენტები (ისინი ასევე ფერმენტებია) არის ბიოკატალიზატორები, რომლებიც აჩქარებენ რეაქციებს, რომლებიც მიმდინარეობს ცოცხალ ორგანიზმებში.
ელექტრონული სტრუქტურის სპეციფიკის მიხედვით, განასხვავებენ d- კატალიზატორებს, რომლებსაც აქვთ d-ელექტრონები და d-ორბიტალები, ასევე s, p- კატალიზატორები, რომელთა ცენტრი არის ელემენტი s და p-ელექტრონების ვალენტობით.
კატალიზატორების თვისებები
ეფექტიანად გამოსაყენებლად, მათ მიმართ გამოიყენება მოთხოვნების საკმაოდ ვრცელი ჩამონათვალი, რომელიც განსხვავდება კონკრეტული პროცესისთვის. მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი არის კატალიზატორების შემდეგი ორი თვისება:
- სპეციფიკა მდგომარეობს კატალიზატორების უნარში, მოახდინოს გავლენა მხოლოდ ერთ რეაქციაზე ან მსგავსი გარდაქმნების სერიაზე და არ იმოქმედოს სხვათა სიჩქარეზე. ამრიგად, პლატინა ყველაზე ხშირად გამოიყენება ორგანული ჰიდროგენიზაციის რეაქციებში.
- სელექციურობა ხასიათდება რამდენიმე შესაძლო პარალელური რეაქციის დაჩქარების უნარით, რითაც გაზრდის ყველაზე მნიშვნელოვანი პროდუქტის მოსავლიანობას.
კატალიზური რეაქციის სიჩქარე
ნივთიერებების ურთიერთქმედების დაჩქარების მიზეზი არის კატალიზატორთან აქტიური კომპლექსის წარმოქმნა, რაც იწვევს აქტივაციის ენერგიის შემცირებას.
ქიმიური კინეტიკის ძირითადი პოსტულატის მიხედვით, ნებისმიერი ქიმიური რეაქციის სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია საწყისი ნივთიერებების კონცენტრაციების პროდუქტის, რომლებიც მიღებულია მათი სტექიომეტრიული კოეფიციენტების შესაბამისი სიმძლავრით:
v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z,
სადაც k არის ქიმიური რეაქციის სიჩქარის მუდმივი, რიცხობრივად იგივე რეაქციის სიჩქარის ტოლი, იმ პირობით, რომ საწყისი ნაერთების კონცენტრაცია არის 1 მოლ/ლ.
არენიუსის განტოლების მიხედვით, k დამოკიდებულია აქტივაციის ენერგიაზე:
k \u003d A ∙ exp ^ (-E A / RT).
ეს კანონზომიერებები ასევე მოქმედებს კატალიზური რეაქციებისთვის. ეს დასტურდება სიჩქარის მუდმივების თანაფარდობის განტოლებით:
k K / k = A K /A ∙ exp^((E A -E AK)/RT),
სადაც ცვლადები K ინდექსით ეხება კატალიზურ რეაქციებს.
კატალიზური რეაქციების ეტაპები
ჰომოგენური კატალიზური რეაქციებისთვის საკმარისია ორი ძირითადი ნაბიჯი:
- გააქტიურებული კომპლექსის ფორმირება: A + K -> AA.
- გააქტიურებული კომპლექსის ურთიერთქმედება სხვა საწყის ნივთიერებებთან: AA + B ―> C + K.
ზოგადი ფორმით იწერება A + B -> C ფორმის განტოლება.
ჰეტეროგენული კატალიზური რეაქციების მექანიზმი რთულია. შემდეგი ექვსი ეტაპი გამოირჩევა:
- საწყისი ნაერთების მიტანა კატალიზატორის ზედაპირზე.
- საწყისი რეაგენტების ადსორბცია კატალიზატორის ზედაპირით და შუალედური კომპლექსის წარმოქმნა: A + B + K ―> AVK.
- მიღებული კომპლექსის გააქტიურება: ΑVC ―> ΑVC * .
- რთული ნაერთის დაშლა, ხოლო წარმოქმნილი პროდუქტები ადსორბირდება კატალიზატორის მიერ: ΑВК * ―> CDK.
- მიღებული პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირით: CDK ―> C + D + K.
- პროდუქტების მოცილება კატალიზატორიდან.
კატალიზური რეაქციების მაგალითები
კატალიზატორები გამოიყენება არა მხოლოდ ქიმიურ მრეწველობაში. ნებისმიერ ადამიანს ყოველდღიურ ცხოვრებაში აწყდება სხვადასხვა კატალიზური რეაქცია. ეს არის, მაგალითად, წყალბადის ზეჟანგის გამოყენება ჭრილობების სამკურნალოდ. წყალბადის ზეჟანგი, სისხლთან ურთიერთობისას, იწყებს დაშლას:
2H 2 O 2 -> O 2 + 2H 2 O.
თანამედროვე მანქანებში იგი აღჭურვილია სპეციალური კატალიზური კამერებით, რომლებიც ხელს უწყობენ მავნე აირისებრი ნივთიერებების დაშლას. მაგალითად, პლატინა ან როდიუმი ხელს უწყობს აზოტის ოქსიდის დაბინძურების შემცირებას, რომელიც იშლება უვნებელი O 2 და N 2 ფორმირებისთვის.
ზოგიერთი კბილის პასტა შეიცავს ფერმენტებს, რომლებიც ანადგურებს ნადების და საკვების ნარჩენებს.
რეაქციის სიჩქარის კონტროლის ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული მეთოდია კატალიზატორების გამოყენება.
კატალიზატორები- ეს არის ნივთიერებები, რომლებიც აქტიურად მონაწილეობენ რეაქციის შუალედურ ეტაპებში, ცვლის მთლიანი პროცესის სიჩქარეს, მაგრამ უცვლელად გვხვდება რეაქციის პროდუქტებში.
რეაქციის სიჩქარის ცვლილება კატალიზატორების არსებობისას ე.წ კატალიზიდა თავად რეაქციები კატალიზური რეაქციები.
კატალიზური რეაქციების კლასიფიკაციის ორი მიდგომა არსებობს.
1. ფაზის საზღვრის არსებობით არსებობს:
– ერთგვაროვანი კატალიზიროდესაც რეაგენტები, კატალიზატორი და რეაქციის პროდუქტები ერთი ფაზის მოცულობაშია;
– ჰეტეროგენული კატალიზიროდესაც კატალიზატორი და რეაქტიული ნივთიერებები რეაქციის პროდუქტებთან ერთად სხვადასხვა ფაზაშია; ხშირად კატალიზატორი ქმნის მყარ ფაზას, ხოლო რეაგენტები და პროდუქტები თხევად ან აირის ფაზაშია.
2. რეაქციის სიჩქარის ცვლილების ბუნებით ხდება:
– დადებითი კატალიზი, რომლის დროსაც კატალიზატორი ზრდის რეაქციის სიჩქარეს;
– უარყოფითი კატალიზი (ინჰიბირება), რომელშიც კატალიზატორი ( ინჰიბიტორი) ანელებს რეაქციის სიჩქარეს;
– ავტოკატალიზიროდესაც რეაქციის პროდუქტი ასრულებს კატალიზატორის როლს; მაგალითად, ესტერის ჰიდროლიზის დროს
CH 3 COOSH 3 + H 2 O CH 3 COOH + CH 3 OH
რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი ძმარმჟავა ყოფს წყალბადის იონს, რომელიც იწყებს ჰიდროლიზის რეაქციის კატალიზატორის როლს. ამიტომ, თავდაპირველად, ნელა მიმდინარე რეაქციას დროთა განმავლობაში მზარდი ტემპი აქვს.
კატალიზური რეაქციების მექანიზმის ასახსნელად შემოთავაზებული იყო შუალედური თეორია. ამ თეორიის მიხედვით, პოზიტიური კატალიზით, კატალიზატორი ( TO) ქმნის შუალედურ ნაერთს ერთ-ერთ რეაგენტთან მაღალი სიჩქარით, რომელიც ასევე სწრაფად ურთიერთქმედებს მეორე რეაგენტთან:
A + B D(ნელა)
1) A + K AK(სწრაფი)
2) AK + B D + K(სწრაფი)
სურათი 4a გვიჩვენებს, რომ არაკატალიტიკური პროცესის აქტივაციის ენერგია გაცილებით მაღალია, ვიდრე კატალიზური გარდაქმნის პირველი და მეორე საფეხურების აქტივაციის ენერგია. ამრიგად, დადებითი კატალიზით კატალიზატორის როლი არის რეაქციის აქტივაციის ენერგიის შემცირება.
 |
 |
სურათი 4 კატალიზური რეაქციის ენერგეტიკული დიაგრამები (ა) და
დათრგუნული რეაქცია (ბ)
ინჰიბიციური რეაქციების დროს ინჰიბიტორი ( მე) ქმნის ძლიერ შუალედურ ნაერთს მაღალი სიჩქარით ( AI), რომელიც ძალიან ნელა გადაიქცევა რეაქციის პროდუქტად:
A + B D(ნელა)
1) A + IAI(ძალიან სწრაფად)
2) AI + B D + I(ასე ნელა)
სურათი 4b გვიჩვენებს, რომ დათრგუნვის პირველ სტადიას, შეუზღუდავ პროცესთან შედარებით, აქვს უფრო დაბალი აქტივაციის ენერგია და მიმდინარეობს ძალიან სწრაფად. ამავდროულად, ინჰიბირების მეორე ეტაპის აქტივაციის ენერგია გაცილებით მაღალია, ვიდრე დაუოკებელი რეაქციისას. ამრიგად, დათრგუნულ რეაქციებში ინჰიბიტორის როლი არის რეაქციის აქტივაციის ენერგიის გაზრდა.
ფერმენტული თვისებები
კატალიზი
ფერმენტები(ლათ. ფერმენტუმი- დამწყები) - ბიოლოგიური კატალიზატორები, რომლებიც გვხვდება ყველა ბიოლოგიურ სისტემაში. ისინი ახორციელებენ ორგანიზმში ნივთიერებების ტრანსფორმაციას, რითაც ხელმძღვანელობენ და არეგულირებენ მასში მეტაბოლიზმს. ფერმენტები ფართოდ გამოიყენება კვების და მსუბუქ მრეწველობაში. ქიმიური ბუნებით ფერმენტები გლობულური ცილის მოლეკულაა.
ფერმენტული კატალიზი (ბიოკატალიზი)- ეს არის ბიოლოგიურ სისტემებში ქიმიური რეაქციების დაჩქარება სპეციალური ცილების - ფერმენტების მიერ. ფერმენტული კატალიზი ეფუძნება იმავე ქიმიურ კანონებს, როგორც ჩვეულებრივი ქიმიური კატალიზის საფუძველი, რომელიც გამოიყენება ქიმიურ წარმოებაში. თუმცა, ფერმენტულ კატალიზს აქვს საკუთარი მახასიათებლები:
1. უმაღლესი აქტივობაქიმიურ კატალიზატორებთან შედარებით (სიჩქარის მატება 10 10 - 10 13-ჯერ). ეს იმიტომ ხდება, რომ ფერმენტულ რეაქციებს ყველა სტადიაზე აქვს ძალიან დაბალი აქტივაციის ენერგია (სურათი 5).
2. ფერმენტების უმეტესობა განსხვავებულია მოქმედების სპეციფიკაისე, რომ რეაქტანტის ტრანსფორმაციის თითქმის ყველა რეაქცია ( სუბსტრატი) პროდუქტში შეჰყავთ სპეციალური ფერმენტი. ფერმენტის მოქმედების სპეციფიკის ორი თეორია არსებობს:
1) ფიშერის თეორია(„გასაღების დაბლოკვის“ თეორია): ფერმენტი და სუბსტრატი სივრცითი სტრუქტურის მიხედვით უნდა მიუახლოვდეს ერთმანეთს, როგორც მისი საკეტის გასაღები;
2) კოშლანდის თეორია("ხელებისა და ხელთათმანების" თეორია): ფერმენტს და სუბსტრატს ცალ-ცალკე შეიძლება არ ჰქონდეთ ერთმანეთის შესაბამისი სივრცითი ფორმები, მაგრამ მიახლოებისას მათი კონფიგურაცია იცვლება ისე, რომ შესაძლებელი ხდება მკაცრი სივრცითი მიმოწერა.
3. ფერმენტების ტენდენცია ინაქტივაციის ფენომენი- ფერმენტის მოლეკულის განადგურება სუბსტრატის მოლეკულების გარკვეულ რაოდენობასთან ურთიერთქმედების შემდეგ. რაც უფრო მაღალია ფერმენტის აქტივობა, მით უფრო სწრაფად ნადგურდება იგი. ინაქტივაციის ფენომენი აიხსნება კოშლანდის თეორიით. მართლაც, რაც უფრო აქტიურია ფერმენტი, მით უფრო ინტენსიურად ურთიერთქმედებს ის სუბსტრატთან, რომლის დროსაც ფერმენტის მოლეკულა განიცდის მნიშვნელოვან სივრცულ დეფორმაციას. ასეთი განმეორებითი დეფორმაცია იწვევს ყველაზე სუსტი ქიმიური ბმების რღვევას, ანუ ფერმენტის მოლეკულის განადგურებას.
4. თითოეული ფერმენტი შეიცავს ცილის მოლეკულას. ერთკომპონენტიანიშედგება მხოლოდ ცილის მოლეკულისგან ორკომპონენტიანი- ცილის მოლეკულიდან და მასთან დაკავშირებული არაპროტეინის კომპონენტისგან (არაორგანული იონი ან ორგანული ნაერთის მოლეკულა - ყველაზე ხშირად ვიტამინის მოლეკულა ან მისი ტრანსფორმაციის პროდუქტი) - კოფაქტორი. ცილის და კოფაქტორის მოლეკულურ კომპლექსს ე.წ ჰოლოენზიმი, რომელსაც აქვს ყველაზე მაღალი კატალიზური აქტივობა. ჰოლოენზიმის შემადგენლობაში ცილოვან ნაწილს ე.წ ფერონიდა არაცილოვანი ნაწილი აგონი. პროტეინის კომპონენტს, რომელიც არ შეიცავს კოფაქტორს, ეწოდება აპოენზიმიდა ცილის მოლეკულისგან გამოყოფილი კოფაქტორი - კოენზიმი. გარდა კოფაქტორისა, ცილის მოლეკულას აქვს ძალიან დაბალი აქტივობა და კოენზიმი, როგორც კატალიზატორი, ზოგადად არააქტიურია.
5. ფერმენტების უმეტესობა რეგულირდება, ანუ მათ შეუძლიათ გადავიდნენ დაბალი აქტივობის მდგომარეობიდან მაღალ აქტივობაზე და პირიქით. რეგულირების მექანიზმი არის რთული სისტემა, რომლითაც სხეული აკონტროლებს მის ყველა ფუნქციას.
6. ფერმენტები ძალიან მგრძნობიარეა გარე პირობების გავლენის მიმართ. ისინი აქტიურები არიან ტემპერატურისა და pH მნიშვნელობების შედარებით ვიწრო დიაპაზონში.
ფერმენტული რეაქციების მექანიზმი მსგავსია ქიმიური კატალიზატორების მიერ კატალიზებული რეაქციების მექანიზმისა:
S + E ES P + E,
ანუ თავიდან ძალიან სწრაფად ყალიბდება ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსი ES, რომელსაც შეუძლია დაშალოს უკან სუბსტრატში სდა ფერმენტი ე, არამედ ნელ-ნელა გარდაიქმნება რეაქციის პროდუქტად პ. ფერმენტის მუდმივი კონცენტრაციისას, სუბსტრატის გარდაქმნის საწყისი სიჩქარის დამოკიდებულება v0აღწერილია მისი საწყისი კონცენტრაციიდან მიქაელის კინეტიკური განტოლება-მენტენი:
v0 = 
,
სად კმდა Vmax- კინეტიკური პარამეტრები, რომლებიც ასახავს ფერმენტის მოქმედების მექანიზმს.
ამ პარამეტრების განსაზღვრის ტექნიკა ეფუძნება გამოყენებას Lineweaver-Burke განტოლებები, რომელიც მიიღება მიქაელის-მენტენის განტოლების გარდაქმნით:
= 
+
მე-6 სურათზე ნაჩვენებია პარამეტრების განსაზღვრის მეთოდოლოგია კმდა Vmax. Vmax -არის მაქსიმალური საწყისი რეაქციის სიჩქარე ფერმენტის მოცემულ კონცენტრაციაზე [ ე] (სურათი 7). ფერმენტის მოლური აქტივობა(a E) განისაზღვრება მიმართებით:
რომელიც აჩვენებს სუბსტრატის მოლეკულების რაოდენობას, რომლებიც გარდაიქმნება ერთი ფერმენტის მოლეკულით დროის ერთეულზე. მაგალითად, რეაქციისთვის CO 2 + H 2 O H 2 CO 3, კატალიზირებულია სისხლის ფერმენტის კარბონატდეჰიდრატაზას და E \u003d 36 10 6 მოლზე CO 2/ (min∙mol E), ანუ 1 ფერმენტის მოლეკულა ერთ წუთში კატალიზებს 36 მილიონი მოლეკულის ტრანსფორმაციას CO 2.
სურათი 7 ფერმენტული რეაქციის საწყისი სიჩქარის დამოკიდებულება სუბსტრატის საწყის კონცენტრაციაზე
Პარამეტრი კმაქვს სუბსტრატის ოდენობის მნიშვნელობა, რომელიც საჭიროა ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსში არსებული ფერმენტის ნახევრის დასაკავშირებლად და მაქსიმალური სიჩქარის ნახევარის მისაღწევად (სურათი 7). Ამიტომაც კმშეიძლება გამოყენებულ იქნას გარკვეული ფერმენტის მოქმედების სპეციფიკის შესაფასებლად მოცემულ სუბსტრატთან მიმართებაში. მაგალითად, რეაქციისთვის
მონოსაქარიდი + ATPშაქრის ფოსფატი + ADP,
კატალიზირებულია ფერმენტ ჰექსოკინაზას მიერ, მიღებული გლუკოზისთვის კ მ= 8∙10 –6 მოლ/ლ და ალოსისთვის კ მ= 8∙10 –3 მოლ/ლ. შესაბამისად, ფერმენტი უფრო უპირატესად ურთიერთქმედებს გლუკოზასთან, ვინაიდან იგივე შედეგის მისაღწევად მას 1000-ჯერ ნაკლები სჭირდება ვიდრე აზოტს.
4. ქიმიური წონასწორობა
როდესაც ქიმიური წონასწორობის მდგომარეობა მიიღწევა, ნივთიერებების მოლეკულების რაოდენობა წყვეტს ცვლილებას და უცვლელი გარე პირობების პირობებში დროში მუდმივი რჩება. ქიმიური წონასწორობა ხასიათდება შემდეგი მახასიათებლებით:
1) პირდაპირი და საპირისპირო რეაქციების სიჩქარის თანასწორობა;
2) კომპონენტების კონცენტრაციების მუდმივობა (ნაწილობრივი წნევა) მუდმივ გარე პირობებში;
3) მობილურობა, ანუ მცირე გადაადგილებით სპონტანურად აღდგენის უნარი;
4) წონასწორობა მიიღწევა როგორც წინა, ასევე საპირისპირო რეაქციებით.
განვიხილოთ ქიმიური რეაქციის ენერგეტიკული დიაგრამა
A + B D(Ფიგურა 8). ამ რეაქციისთვის:
სურათი 8 შექცევადი ქიმიური რეაქციის ენერგეტიკული დიაგრამა
შესაბამისად, მოცემულ ტემპერატურაზე წინა და საპირისპირო რეაქციებს აქვთ კარგად განსაზღვრული სიჩქარის მუდმივები. მაშასადამე, შექცევად რეაქციებში, კინეტიკური მრუდები აქვს მე-9 სურათზე ნაჩვენები ფორმა ა. ფიგურიდან ჩანს, რომ დროის მიღწევის შემდეგ t გვკომპონენტების კონცენტრაცია უცვლელი რჩება.
კანონის მიხედვით ზემასობრივი აქცია
ფიგურიდან 9 ბჩანს, რომ წონასწორობის დროის მიღწევის შემდეგ tpმიიღწევა სიჩქარის თანასწორობა. მერე
სად კ ც= - ქიმიური წონასწორობის მუდმივი განსაზღვრული კომპონენტების წონასწორული კონცენტრაციებიდან.
სურათი 9 კინეტიკური მრუდები (a) და წინა და საპირისპირო რეაქციების სიჩქარის დამოკიდებულება დროზე (ბ) შექცევადი რეაქციისთვის
ზოგადად, რეაქციისთვის
mA +nB qD +fE
წონასწორობის მუდმივი მოცემულია
ამრიგად, კ ცარის რეაქციის სისტემისთვის დამახასიათებელი პარამეტრი მოცემულ ტემპერატურაზე, რომელიც განსაზღვრავს კომპონენტების კონცენტრაციების თანაფარდობას ქიმიური წონასწორობის მდგომარეობაში.
თუ რეაქცია გაზის ფაზაში მიმდინარეობს, მაშინ კონცენტრაციის ნაცვლად გამოიყენება სისტემის კომპონენტების ნაწილობრივი წნევა. ზემოაღნიშნული წონასწორული რეაქციისთვის, წონასწორობის მუდმივი, რომელიც განისაზღვრება წონასწორობის მდგომარეობაში მყოფი კომპონენტების ნაწილობრივი წნევით, გვხვდება როგორც
იდეალური გაზებისთვის p i =C i RT. Ამიტომაც
სადაც - არის კომპონენტების მოლების რაოდენობის ცვლილება რეაქციის დროს.
ღირებულებები კ ცდა კპდამოკიდებულია ტემპერატურაზე და რეაქციის სისტემების კომპონენტების ბუნებაზე.
პირდაპირი და საპირისპირო რეაქციების არენიუსის განტოლებიდან გამომდინარეობს:
ლნ კ პრ= ლნ პრდა ლნ კ არრ= ლნ Arr
Მას შემდეგ
ლნ კ პ= ლნ
სად ΔН prარის პირდაპირი რეაქციის თერმული ეფექტი.
მიღებული განტოლებიდან გამომდინარეობს, რომ დამოკიდებულება კპაქვს სწორი ხაზის ფორმა და მისთვის (სურათი 10), საიდანაც მოყვება 
.
დადგენისთვის ΔH prმნიშვნელობის პოვნა ანალიტიკური მეთოდით კპორ განსხვავებულ ტემპერატურაზე და განახორციელეთ გამოთვლები ფორმულის გამოყენებით
ΔH pr
სურათი 10 პირდაპირი ენდოთერმული რეაქციის თერმული ეფექტის განსაზღვრა ( ΔН pr >0)
ბოლო გამოსახულებას ინტეგრალური განტოლება ეწოდება ქიმიური რეაქციის იზობარები. იგი აკავშირებს წონასწორობის მუდმივებს ორ განსხვავებულ ტემპერატურაზე და აღწერს წონასწორობის სისტემებს, რომლებშიც მთლიანი წნევა მუდმივი რჩება ტემპერატურის ცვლილებისას.
თუ სისტემის მოცულობა რჩება მუდმივი ტემპერატურის ცვლილებისას, როგორც, მაგალითად, ხსნარებში რეაქციებში, მაშინ პარამეტრებს შორის კავშირი გამოიხატება ქიმიური რეაქციის იზოკორი
ΔU pr .
ქიმიური რეაქციების მიმართულების განხილვისას ქიმიური თერმოდინამიკის თვალსაზრისით, აღინიშნა, რომ სისტემა იმყოფება ქიმიურ წონასწორობაში იმ პირობით ∆G= 0. ამ პოზიციიდან გამომდინარე, განტოლება ქიმიური რეაქციის იზოთერმები, რომელიც საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ ნიშანი ∆Gდა, შესაბამისად, ქიმიური რეაქციის მიმართულება რეაქციის სისტემის კომპონენტების თვითნებური თანაფარდობით შერევის პირობებში:
ΔG= RT(ln-ln კპ)
სად pAდა p B- მათი შერევით მიღებული კომპონენტების თვითნებური ნაწილობრივი წნევა.
მსგავსი ურთიერთობა ასევე შემოთავაზებული იყო სისტემისთვის, რომლის კომპონენტები ხსნარშია.
მაგალითად, რეაქციისთვის
mA+nB qD+fE,
რომლის წონასწორობა დამყარებულია თხევად ფაზაში, ქიმიური რეაქციის იზოთერმის განტოლებას აქვს შემდეგი ფორმა:
ΔG= RT(ln-ln კ ც)
სად არის კომპონენტების მოლური ფრაქციები ხსნარში, რომელიც მიიღება ნივთიერებების თვითნებური რაოდენობის შერევით A, B, Dდა ე.
ბალანსის ცვლა.წონასწორობის მდგომარეობაში მყოფი სისტემის ტემპერატურის, კონცენტრაციის, წნევის ცვლილება მას წონასწორობიდან გამოჰყავს. მაგრამ გარკვეული დროის შემდეგ სისტემაში კვლავ დგინდება წონასწორობის ახალი მდგომარეობა, რომლის პარამეტრები უკვე განსხვავდება საწყისი მდგომარეობიდან. სისტემის ასეთ გადასვლას ერთი წონასწორული მდგომარეობიდან მეორე წონასწორულ მდგომარეობაში ცვალებად პირობებში ეწოდება წონასწორობის ცვლა. იგი გამოიყენება სამიზნე პროდუქტის მოსავლიანობის გასაზრდელად იმ სისტემებისთვის, რომლებსაც აქვთ წონასწორობის მცირე მუდმივები. გარდა ამისა, წონასწორობის ცვლის მეთოდს შეუძლია დათრგუნოს პარალელური არასასურველი პროცესები.
მაგრამ ამავე დროს, აუცილებელია გავითვალისწინოთ ორი ფაქტორი, რომლებიც გავლენას არ ახდენენ წონასწორობის მდგომარეობაზე. ჯერ ერთი, კატალიზატორის შეყვანა წონასწორობის სისტემაში არ იწვევს წონასწორობის ცვლილებას. კატალიზატორი ერთდროულად აქვეითებს წინა და საპირისპირო რეაქციების აქტივაციის ენერგიას, რაც იწვევს ორივე რეაქციის სიჩქარის ზრდას იმავე ზომით. კატალიზატორის გამოყენების შედეგად წონასწორობის მდგომარეობა მიიღწევა უფრო მოკლე დროში. მეორეც, ჰეტეროგენული წონასწორობის სისტემებში უხსნადი და არაასტაბილური მყარი კონცენტრაციები და ნაწილობრივი წნევა არ შედის წონასწორობის მუდმივის გამოხატულებაში. მაგალითად, რეაქციისთვის FeO + CO Fe + CO 2წონასწორობის მუდმივი განისაზღვრება როგორც კპ= .
ტემპერატურის ეფექტი.განტოლებები იზოქორებიდა იზობარებიშესაძლებელს ხდის ტემპერატურის ცვლილებით წონასწორობის ცვლის მიმართულების პროგნოზირებას. მაგალითად, თუ სისტემა წონასწორობაშია და წინა რეაქცია ეგზოთერმულია (DH pr <0), то при повышении температуры (T 2 > T 1) უთანასწორობა K p,2 K p,1. ეს ვარაუდობს, რომ ახალ წონასწორობაში რეაქციის პროდუქტების ნაწილობრივი წნევა ნაკლები იქნება, ანუ რეაქცია მარცხნივ გადაინაცვლებს.
ტემპერატურის მატება ცვლის წონასწორობას ენდოთერმული რეაქციის მიმართულებით, ხოლო ტემპერატურის დაქვეითება - ეგზოთერმული რეაქციის მიმართულებით.
ამრიგად, პროდუქციის ყველაზე მაღალი მოსავალი მიიღწევა:
დაბალ ტემპერატურაზე ეგზოთერმული რეაქციებისთვის;
მაღალ ტემპერატურაზე ენდოთერმული რეაქციებისთვის.
კონცენტრაციის გავლენა (პარციალური წნევა).განტოლება იზოთერმებისაშუალებას გაძლევთ წინასწარ განსაზღვროთ წონასწორობის ცვლის მიმართულება, როდესაც იცვლება წონასწორობის სისტემის რომელიმე კომპონენტის კონცენტრაცია. დაე, სისტემა იყოს წონასწორობაში. მერე ΔG=0 და კომპონენტების კონცენტრაციები იზოთერმის განტოლებაში შეესაბამება წონასწორობის მნიშვნელობებს და = კ ც. თუ რეაქციის პროდუქტების ნაწილი ამოღებულია სისტემიდან, მაშინ წარმოიქმნება არათანაბარი მდგომარეობა პარამეტრების თანაფარდობით. კ ცდა შესაბამისად, ΔG< 0. ბოლო უტოლობა არის პირდაპირი რეაქციის სპონტანური წარმოშობის თერმოდინამიკური პირობა. შესაბამისად, ახალი წონასწორობის მდგომარეობა მიიღწევა საწყისი რეაგენტების ნაწილის რეაქციის პროდუქტებად გარდაქმნით - წონასწორობის მარჯვნივ გადაწევით.
საწყისი რეაგენტების კონცენტრაციის (ნაწილობრივი წნევა) მატება წონასწორობას ცვლის პროდუქტების წარმოქმნისკენ, ხოლო მათი კონცენტრაციის დაქვეითება (ნაწილობრივი წნევა) - პროდუქტების საპირისპირო გადაქცევისკენ. პროდუქტების კონცენტრაციის (ნაწილობრივი წნევის) მატება წონასწორობას ცვლის საპირისპირო რეაქციის მიმართულებით, ხოლო მათი კონცენტრაციის (ნაწილობრივი წნევა) შემცირება პირდაპირი რეაქციის მიმართულებით.
ამიტომ რეაქციის პროდუქტის მოსავლიანობის გასაზრდელად აუცილებელია საწყისი რეაგენტების კონცენტრაციების (ნაწილობრივი წნევა) გაზრდა ან პროდუქტების კონცენტრაციის (ნაწილობრივი წნევა) შემცირება რეაქციის სისტემიდან მათი თანდათანობით გაყვანით.
მთლიანი სისტემის წნევის გავლენა. მიეცით წონასწორული გაზის ფაზის სისტემა mA nB, რისთვისაც ნ მ, ანუ პირდაპირი რეაქცია მიმდინარეობს მოლეკულების რაოდენობის ზრდით.
დალტონის კანონის მიხედვით, pA = p∙y ადა p B = p∙yB, სად რ- მთლიანი წნევა სისტემაში; r A, r Bარის კომპონენტების ნაწილობრივი წნევა; y A, y Bარის კომპონენტების მოლური ფრაქციები გაზის ფაზაში. შემდეგ იზოთერმის განტოლება იღებს შემდეგ ფორმას
თუ წნევაზე გვ 1სისტემა წონასწორობაშია, მაშინ
.
წნევის p 2-მდე გაზრდა სისტემა წონასწორობიდან გამოაქვს. იმიტომ რომ ( პ-ტ) 0, მაშინ წარმოიქმნება სისტემის პარამეტრების შემდეგი მიმართება
და ∆G> 0.
ეს არის თერმოდინამიკური პირობა, რომ მოხდეს საპირისპირო რეაქცია. შესაბამისად, წნევის მატებასთან ერთად, პროდუქტის საპირისპირო ტრანსფორმაციის შედეგად წარმოიქმნება წონასწორობის ახალი მდგომარეობა. INთავდაპირველ კავშირთან ა, რის შედეგადაც მცირდება სისტემაში მოლეკულების საერთო რაოდენობა.
მიღებული შედეგების შეჯამებით შეიძლება შემდეგი დასკვნების გამოტანა:
სისტემის მთლიანი წნევის მატება ცვლის წონასწორობას იმ რეაქციის მიმართულებით, რომელიც ხდება მოლეკულების რაოდენობის შემცირებით;
სისტემის მთლიანი წნევის შემცირება იწვევს წონასწორობის ცვლილებას რეაქციისკენ, რომელიც მიმდინარეობს მოლეკულების რაოდენობის ზრდით.
წონასწორობის ცვლის მიმართულებაზე ყველა ფაქტორის გავლენის ნიმუშების განზოგადება იწვევს წესს ე.წ. ლე შატელიეს პრინციპი:
თუ წონასწორობის სისტემაზე მოქმედებს გარე გავლენა (შეცვალეთ კომპონენტების ტემპერატურა, კონცენტრაცია ან ნაწილობრივი წნევა, მთლიანი წნევა), მაშინ ის რეაგირებს ისე, რომ ამ გავლენის ეფექტი შესუსტდება.
ფოტოქიმიური რეაქციები
ქიმიურ რეაქციებს, რომლებიც მიმდინარეობს სინათლის გავლენით, ე.წ ფოტოქიმიური რეაქციები. ყველაზე მნიშვნელოვანი ფოტოქიმიური რეაქციები მოიცავს ოზონის წარმოქმნას მოლეკულური ჟანგბადიდან მზის ულტრაიისფერი გამოსხივების მოქმედებით:
O 2 + h O
O + O 2 O 3 + O
შედეგად მიღებული ოზონი დაახლოებით 3შთანთქავს ულტრაიისფერ სხივებს 250-260 მმკ დიაპაზონში, რაც მავნე ზემოქმედებას ახდენს ცოცხალ ორგანიზმებზე. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფოტოქიმიური რეაქციაა ფოტოსინთეზი, რომელიც იწვევს მცენარეების მიერ ატმოსფეროდან ნახშირორჟანგის შეწოვას და ჟანგბადის გამოყოფას. ვერცხლის ბრომიდის ფოტოქიმიური დაშლა ფოტოგრაფიული პროცესის ცენტრშია.
ფოტონის (რადიაციული კვანტური) ენერგია ( ე) განისაზღვრება მიმართებით
E = სთ
სად თ- პლანკის მუდმივი (h 6.626 10 J∙s); - გამოსხივების სიხშირე, ს. ხილული სინათლის, ინფრაწითელი და ულტრაიისფერი სხივების ტალღის სიგრძე 100 ნმ-დან 1000 ნმ-მდეა, ხოლო მათი ენერგია 120 კჯ/მოლ-დან 1200 კჯ/მოლ-მდეა. რადიაციის კვანტი შეიწოვება ატომის ერთი ელექტრონის მიერ მოლეკულაში, რის შედეგადაც ეს ელექტრონი გადადის უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე. შედეგად, არსებობს ენერგიის შთანთქმის სამი განსხვავებული შედეგი რადიაციის სახით:
1. ატომი ან მოლეკულა გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში:
A + h A *
M + სთ M *
2. მოლეკულის დისოციაცია ატომების წარმოქმნით ან თავისუფალი რადიკალები:
AB + h A + B
3. განათლება მარტივიან მოლეკულური იონებიერთი ელექტრონის ამოღებით:
A + h A + +
AB + h AB + +
ყველა ეს პროცესი ექვემდებარება შემდეგ კანონებს.
1. ფოტოქიმიური რეაქციები შეიძლება გამოწვეული იყოს მხოლოდ მოხვედრილი გამოსხივების იმ ნაწილით, რომელიც შეიწოვება რეაქტიული სისტემის მიერ ( გროტუს-დრეპერის კანონი).
2. თითოეული შთანთქმული გამოსხივების კვანტური იწვევს მხოლოდ ერთი მოლეკულის ტრანსფორმაციას ( აინშტაინ-სტარკის კანონი).
3. ფოტოქიმიური რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი პროდუქტის რაოდენობა პროპორციულია აბსორბირებული გამოსხივების ინტენსივობისა და ექსპოზიციის დროისა ( ვანტ ჰოფის კანონი).
ბოლო კანონი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს მათემატიკური ფორმით:
m = kt,
სად მარის ფოტოქიმიურად გარდაქმნილი ნივთიერების მასა, გ; არის შთანთქმის გამოსხივების ძალა, ე.ი. ენერგიის რაოდენობა, რომელიც გადასცემს მანათობელ ნაკადს ერთეულ ფართობზე დროის ერთეულზე, J/s; ტ– დასხივების დრო, ს. კ– რეაქციის სიჩქარის მუდმივი, გ/ჯ.
1-ლი და მე-2 კანონების ექსპერიმენტული შემოწმების დროს ზოგჯერ შეინიშნება აშკარა შეუსაბამობა. ჯერ ერთი, აბსორბირებული კვანტების რაოდენობა არ უდრის ნივთიერების მოლეკულების რეაქციის რაოდენობას, ე.ი. თითქოს აინშტაინ-სტარკის კანონი ირღვევა. ამიტომ, ფოტოქიმიური პროცესების დასახასიათებლად ცნება კვანტური მოსავლიანობა, რომელიც უდრის რეალურად რეაგირებადი მოლეკულების რაოდენობის შეფარდებას შთანთქმის კვანტების რაოდენობასთან. მნიშვნელობა მერყეობს 10 -3-დან 10 6-მდე დიაპაზონში. ზე<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 გაჟონვა სისტემაში ჯაჭვური რეაქცია. ამ შემთხვევაში, აბსორბირებული გამოსხივების კვანტური იწვევს ერთი აქტიური ნაწილაკის გამოჩენას, რაც შემდგომში ქმნის მეორადი გარდაქმნების ჯაჭვს.
მეორეცზოგიერთი ნივთიერება არ შთანთქავს სინათლეს ხილულ ან ულტრაიისფერ რეგიონში, თუმცა, დასხივებისას მათ შეუძლიათ ტრანსფორმაცია გაიარონ. ამრიგად, როგორც იქნა, ირღვევა გროტგუსის კანონი. აღმოჩნდა, რომ ამ შემთხვევაში რადიაციის კვანტი შეიწოვება სპეციალური ნივთიერებებით - ფოტოსენსიბილიზატორები, რომლებიც შთანთქმის ენერგიას გადასცემენ სხვა ნივთიერებას, რომელიც შედეგად განიცდის ქიმიურ ტრანსფორმაციას. აქედან გამომდინარე, გროტუსის კანონის დარღვევა მხოლოდ აშკარაა. მაგალითად, მოლეკულური წყალბადი არ შთანთქავს 253,7 ნმ ტალღის სიგრძის სინათლეს. ამასთან, როდესაც ვერცხლისწყლის ორთქლისა და წყალბადის ნარევი დასხივდება, შეინიშნება წყალბადის მოლეკულების ატომებად დაშლის პროცესი:
Hg + h Hg *
Hg * + H 2 Hg + H + H
მსგავსი ფოტომგრძნობიარე პროცესია ფოტოსინთეზი- ნახშირწყლების სინთეზი ნახშირბადის მონოქსიდიდან (IV) და წყლისგან, რომელსაც თან ახლავს ჟანგბადის გამოყოფა. ქლოროფილის მოლეკულა მოქმედებს როგორც სენსიბილიზატორი ამ ფოტოქიმიური რეაქციისთვის. უფრო მეტიც, ქლოროფილი ბიჭერს და აგროვებს სინათლის გამოსხივების ენერგიას. ფოტოაგზნების შემდეგ ის ზედმეტ ენერგიას გადასცემს ქლოროფილის მოლეკულას ა, რომელიც შემდეგ უშუალო მონაწილეობას იღებს ფოტოსინთეზის პროცესში.
ფოტოსინთეზის მთლიანი პროცესი გამოიხატება რეაქციით:
6CO 2 + 6H 2 O 
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O, G 0 \u003d 2861,9 კჯ / მოლ
ფოტოსინთეზი არის რთული რედოქსული პროცესი, რომელიც აერთიანებს ფოტოქიმიურ რეაქციებს ფერმენტულ რეაქციებთან. ფოტოსინთეზის მექანიზმში გამოიყოფა ორი ეტაპი - მსუბუქიდა მუქი ლურჯი. სინათლის ეტაპი მოიცავს თავად ფოტოქიმიურ რეაქციებს და მათთან დაკავშირებულ ფერმენტულ რეაქციებს, რომლებიც ასრულებენ წყლის დაჟანგვას და ქმნიან შემცირებულ ნიკოტინამიდ ადენინ დინუკლეოტიდ ფოსფატს. NADPH 2) და ადენოზინტრიფოსფორის მჟავა ( ATP). ბნელ ეტაპზე NADPH 2და ATPაღადგინოს მოლეკულა CO 2ადრე CH 2 Oშემდეგ კი მონოსაქარიდი წარმოიქმნება დაწყვილებული ფერმენტული რეაქციების ციკლში, რომელიც მიმდინარეობს რადიაციის კვანტის მონაწილეობის გარეშე.
გადაწყვეტის თვისებები
ᲖᲝᲒᲐᲓᲘ ᲘᲜᲤᲝᲠᲛᲐᲪᲘᲐ
გადაწყვეტილებებიდაურეკა ერთგვაროვანი(ერთფაზიანი) სისტემები, რომლებიც შედგება გამხსნელების, გამხსნელებისა და მათი ურთიერთქმედების პროდუქტებისგან, რომელთა კონცენტრაციები შეიძლება განსხვავდებოდეს ფართო დიაპაზონში.
ისინი შეიძლება იყოს მყარი, თხევადი და აირისებრი. პროცესები ბიოლოგიურ ობიექტებში და ტექნოლოგიური პროცესები სოფლის მეურნეობის გადამამუშავებელ მრეწველობაში მიმდინარეობს წყალხსნარებში. ამიტომ, მომავალში ჩვენ ვიზღუდებით სხვადასხვა ნივთიერების მხოლოდ წყალხსნარებით.
დაშლის დროს, გამხსნელის მოცულობაში ხდება მოლეკულების ან გახსნილი ნივთიერების იონების ერთგვაროვანი განაწილება. თუმცა, დაშლა არ შეიძლება ჩაითვალოს ერთი ნივთიერების მეორეში დიფუზიის წმინდა ფიზიკურ პროცესად. ამას მოწმობს დიდი რაოდენობით სითბოს გამოყოფა, როდესაც გარკვეული ნივთიერებები წყალში იხსნება ( H2SO4, NaOHდა სხვა). დადგენილია, რომ შესაძლებელია ქიმიური ურთიერთქმედება გამხსნელის მოლეკულებსა და მოლეკულებს ან ხსნარის იონებს შორის, რასაც თან ახლავს ზოგიერთის გაწყვეტა და სხვა ქიმიური ბმების წარმოქმნა. ეს იწვევს გამხსნელის ხსნართან ურთიერთქმედების პროდუქტების წარმოქმნას, რომლებიც ე.წ. სოლვატები,და წყალხსნარებში ატენიანებს. თავად ურთიერთქმედების პროცესს ე.წ გადაწყვეტაან დატენიანება.
გადაწყვეტილებები ამჟამად განიხილება ფიზიკური-ქიმიური სისტემებიმათი თვისებებით იკავებენ შუალედურ ადგილს მექანიკურ ნარევებსა და ქიმიურ ნაერთებს შორის და აქვთ დამახასიათებელი ფიზიკური და ქიმიური ნიმუშები.
ნებისმიერი გადაწყვეტის მთავარი მახასიათებელი მისი კონცენტრაცია. როგორც წესი, გამხსნელი არის ხსნარის ის კომპონენტი, რომელიც შეიცავს შედარებით დიდ რაოდენობას და განსაზღვრავს მის ფაზურ მდგომარეობას. ხსნარების ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები დამოკიდებულია მათ კონცენტრაციაზე. ასეთი დამოკიდებულებები ბევრია. ყველა მათგანი მიღებული იყო იმ ვარაუდით, რომ გამოსავალი არის სრულყოფილი. სრულყოფილიგამოსავალი ეწოდება, რომელშიც:
1) გახსნილი ნივთიერების კონცენტრაცია ძალიან დაბალია - მოლური ფრაქცია 0,005-ზე ნაკლებია;
2) ხსნადი არაასტაბილურია, ანუ მისი მოლეკულები ვერ ტოვებენ თხევად ფაზას აირის ფაზაში;
3) არ არსებობს ხსნარის ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების ძალები, ანუ შერევის სითბო ნულის ტოლია ( H პ= 0) და არ არის ცვლილება სისტემის მოცულობაში ( Vp = 0);
კატამლისი-ქიმიური რეაქციის ერთ-ერთი შესაძლო თერმოდინამიკურად დაშვებული მიმართულების შერჩევითი აჩქარება კატალიზატორის (ებ) მოქმედებით, რომელიც არაერთხელ შედის შუალედურ ქიმიურ ურთიერთქმედებაში რეაქციის მონაწილეებთან და აღადგენს მის ქიმიურ შემადგენლობას შუალედური ქიმიური ურთიერთქმედების ყოველი ციკლის შემდეგ. . ტერმინი „კატალიზი“ 1835 წელს შემოიღო შვედმა მეცნიერმა იონს იაკობ ბერცელიუსმა.
კატალიზის ფენომენი ბუნებაშია გავრცელებული (ცოცხალ ორგანიზმებში მიმდინარე პროცესების უმეტესობა კატალიზურია) და ფართოდ გამოიყენება ტექნოლოგიაში (ნავთობის გადამუშავებასა და ნავთობქიმიაში, გოგირდმჟავას, ამიაკის, აზოტის მჟავას წარმოებაში და ა.შ.). ინდუსტრიული რეაქციების უმეტესობა კატალიზურია.
კატალიზატორებინივთიერებები, რომლებიც ცვლიან ქიმიური რეაქციების სიჩქარეს, ეწოდება.
ზოგიერთი კატალიზატორი მნიშვნელოვნად აჩქარებს რეაქციას - დადებითი კატალიზი, ან უბრალოდ კატალიზი, ზოგი ანელებს - უარყოფით კატალიზს. დადებითი კატალიზის მაგალითებია გოგირდმჟავას წარმოება, ამიაკის დაჟანგვა აზოტის მჟავამდე პლატინის კატალიზატორის გამოყენებით და ა.შ.
რეაქციის სიჩქარეზე გავლენის მიხედვით, კატალიზი იყოფა დადებითად (რეაქციის სიჩქარე იზრდება) და უარყოფითად (რეაქციის სიჩქარე მცირდება). ამ უკანასკნელ შემთხვევაში ხდება დათრგუნვის პროცესი, რომელიც არ შეიძლება ჩაითვალოს „უარყოფით კატალიზად“, ვინაიდან რეაქციის დროს ინჰიბიტორი მოიხმარება.
კატალიზი შეიძლება იყოს ერთგვაროვანი და ჰეტეროგენული (კონტაქტი). ჰომოგენური კატალიზის დროს კატალიზატორი იმავე ფაზაშია, როგორც რეაგენტები, ხოლო ჰეტეროგენული კატალიზატორები განსხვავდებიან ფაზაში.
ერთგვაროვანი კატალიზი.
Მაგალითიერთგვაროვანი კატალიზი არის წყალბადის ზეჟანგის დაშლა იოდის იონების თანდასწრებით. რეაქცია ორ ეტაპად მიმდინარეობს:
H2 O2+მე> H2O+IO, H2O2+io> H2O + O2+ მე
ჰომოგენური კატალიზის დროს კატალიზატორის მოქმედება განპირობებულია იმით, რომ იგი ურთიერთქმედებს რეაგენტებთან შუალედური ნაერთების წარმოქმნით, რაც იწვევს აქტივაციის ენერგიის შემცირებას.
ჰეტეროგენული კატალიზი.
ჰეტეროგენული კატალიზის დროს პროცესის აჩქარება ჩვეულებრივ ხდება მყარი სხეულის ზედაპირზე - კატალიზატორის, ამიტომ კატალიზატორის აქტივობა დამოკიდებულია მისი ზედაპირის ზომასა და თვისებებზე. პრაქტიკაში, კატალიზატორი ჩვეულებრივ ეყრდნობა მყარ ფოროვან საყრდენს.
ჰეტეროგენული კატალიზის მექანიზმი უფრო რთულია, ვიდრე ჰომოგენური კატალიზის. ჰეტეროგენული კატალიზის მექანიზმი მოიცავს ხუთ ეტაპს, რომელთაგან ყველა შექცევადია.
- 1. რეაგენტების დიფუზია მყარი ნივთიერების ზედაპირზე
- 2. რეაქტიული მოლეკულების მყარი ნივთიერების ზედაპირის აქტიურ უბნებზე ფიზიკური ადსორბცია და შემდეგ მათი ქიმიზორბცია.
- 3. რეაქცია მოლეკულებს შორის ქიმიური რეაქცია
- 4. პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირიდან
- 5. პროდუქტის დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირიდან ზოგად ნაკადში
ჰეტეროგენული კატალიზის მაგალითია SO 2-ის დაჟანგვა SO 3-მდე V 2 O 5 კატალიზატორზე გოგირდმჟავას წარმოებისას (კონტაქტური მეთოდი).
კატალიზური რეაქციების უმეტესობა ტარდება ფოროვან კატალიზატორებზე, რომელთა შიდა ზედაპირი შედგება სხვადასხვა ზომისა და სიგრძის ფორებისა და არხებისგან. ეს ფორები შეიძლება იყოს იზოლირებული ან ერთმანეთთან დაკავშირებული. ძირითადი ფაქტორი, რომელიც განსაზღვრავს კატალიზატორის ფორებში აირების მოძრაობის სიჩქარეს და ბუნებას, არის ფორების ზომა. მოლეკულების თავისუფალი გადაადგილების სიჩქარემ შეიძლება მიაღწიოს 1000 მ/წმ-ს, ხოლო ფორებში მოძრაობის შენელება დაკავშირებულია გაზის მოლეკულებსა და ფორების კედლებთან შეჯახებასთან.
კატალიზური რეაქციების უმეტესობა არასელექტიურია, რაც აწესებს ცნობილ შეზღუდვებს ანალიზის კინეტიკურ მეთოდებზე.
კატალიზური რეაქციების უმეტესობა მოიცავს რამდენიმე სხვადასხვა ტიპის ატომებსა და მოლეკულებს. რეაქციის მექანიზმისა და ამ ატომებსა და მოლეკულებს შორის და მათსა და ზედაპირს შორის მოქმედი ძალების ბუნების დადგენა, რა თქმა უნდა, რთული ამოცანაა, მაგრამ მისი გამარტივება შესაძლებელია ერთი ტიპის ატომების ან მოლეკულების ადსორბციული ქცევის შესწავლით. . ამგვარმა კვლევებმა აჩვენა, რომ როდესაც გარკვეული მოლეკულები ადსორბირებულია გარკვეულ ადსორბენტებზე, მოლეკულაში ბმა იშლება და ჩნდება ადსორბენტთან ორი ბმული; ამ შემთხვევაში, ადსორბირებული მოლეკულა გარდაიქმნება ორ ადსორბირებულ ატომად. ეს პროცესი ზედაპირული ქიმიური რეაქციაა და წარმოქმნილ ადსორბირებულ ატომებს ქიმიორბირებული ატომები ეწოდება. თუ ასეთი რეაქცია არ ხდება საკმარისად დაბალ ტემპერატურაზე და ადსორბირებული მოლეკულები არ იშლება ორ ადსორბირებულ ატომად, მაშინ ასეთ მოლეკულებს ფიზიკურად ადსორბირებული ეწოდება.
S. I. ლევჩენკოვი
ფიზიკური და კოლოიდური ქიმია
სამხრეთ ფედერალური უნივერსიტეტის (RSU) ბიოლოგიის ფაკულტეტის სტუდენტებისთვის ლექციების რეზიუმე
2.3 კატალიზური პროცესები
ქიმიური რეაქციის სიჩქარე მოცემულ ტემპერატურაზე განისაზღვრება გააქტიურებული კომპლექსის წარმოქმნის სიჩქარით, რაც, თავის მხრივ, დამოკიდებულია აქტივაციის ენერგიის მნიშვნელობაზე. ბევრ ქიმიურ რეაქციაში, გააქტიურებული კომპლექსის სტრუქტურა შეიძლება შეიცავდეს ნივთიერებებს, რომლებიც არ არიან სტოქიომეტრიულად რეაქტიულები; ცხადია, ამ შემთხვევაში იცვლება პროცესის აქტივაციის ენერგიის მნიშვნელობაც. რამდენიმე გარდამავალი მდგომარეობის არსებობის შემთხვევაში, რეაქცია ძირითადად გაგრძელდება აქტივაციის ყველაზე დაბალი ბარიერის გასწვრივ.
კატალიზი არის ქიმიური რეაქციის სიჩქარის შეცვლის ფენომენი ნივთიერებების თანდასწრებით, რომელთა მდგომარეობა და რაოდენობა უცვლელი რჩება რეაქციის შემდეგ.
გამოარჩევენ დადებითიდა უარყოფითიკატალიზი (შესაბამისად, რეაქციის სიჩქარის მატება და შემცირება), თუმცა ხშირად ტერმინი „კატალიზი“ ნიშნავს მხოლოდ დადებით კატალიზს; უარყოფითი კატალიზი ეწოდება დათრგუნვა.
ნივთიერებას, რომელიც გააქტიურებული კომპლექსის სტრუქტურის ნაწილია, მაგრამ სტექიომეტრიულად არ არის რეაქტიული, ეწოდება კატალიზატორი. ყველა კატალიზატორი ხასიათდება ისეთი ზოგადი თვისებებით, როგორიცაა მოქმედების სპეციფიკა და სელექციურობა.
სპეციფიკაკატალიზატორი მდგომარეობს მის უნარში, დააჩქაროს მხოლოდ ერთი რეაქცია ან იგივე ტიპის რეაქციების ჯგუფი და არ იმოქმედოს სხვა რეაქციების სიჩქარეზე. მაგალითად, მრავალი გარდამავალი ლითონი (პლატინი, სპილენძი, ნიკელი, რკინა და სხვ.) არის ჰიდროგენიზაციის პროცესების კატალიზატორი; ალუმინის ოქსიდი ახდენს ჰიდრატაციის რეაქციებს და ა.შ.
შერჩევითობაკატალიზატორი - მოცემულ პირობებში შესაძლებელი ერთ-ერთი პარალელური რეაქციის დაჩქარების უნარი. ამის გამო, შესაძლებელია სხვადასხვა კატალიზატორის გამოყენებით სხვადასხვა პროდუქტის მიღება ერთი და იგივე საწყისი მასალისგან:
|
: CO + H 2 ––> CH 3 OH |
: C 2 H 5 OH -–> C 2 H 4 + H 2 O |
|
: CO + H 2 --> CH 4 + H 2 O |
: C 2 H 5 OH -–> CH 3 CHO + H 2 |
დადებითი კატალიზით რეაქციის სიჩქარის ზრდის მიზეზი არის აქტივაციის ენერგიის შემცირება, როდესაც რეაქცია მიმდინარეობს გააქტიურებულ კომპლექსში კატალიზატორის მონაწილეობით (ნახ. 2.8).
ვინაიდან, არენიუსის განტოლების მიხედვით, ქიმიური რეაქციის სიჩქარის მუდმივი ექსპონენტურად არის დამოკიდებული აქტივაციის ენერგიაზე, ამ უკანასკნელის შემცირება იწვევს სიჩქარის მუდმივობის მნიშვნელოვან ზრდას. მართლაც, თუ ვივარაუდებთ, რომ არენიუსის განტოლებაში (II.32) კატალიზური და არაკატალიტიკური რეაქციების პრეექსპონენციალური ფაქტორები ახლოს არის, მაშინ სიჩქარის მუდმივთა თანაფარდობისთვის შეგვიძლია დავწეროთ:
თუ ΔE A = –50 კჯ/მოლი, მაშინ სიჩქარის მუდმივების თანაფარდობა იქნება 2,7·10 6-ჯერ (მართლაც, პრაქტიკაში, E A-ს ასეთი შემცირება ზრდის რეაქციის სიჩქარეს დაახლოებით 10 5-ჯერ).
უნდა აღინიშნოს, რომ კატალიზატორის არსებობა გავლენას არ ახდენს პროცესის შედეგად თერმოდინამიკური პოტენციალის ცვლილების სიდიდეზე და, შესაბამისად, არცერთ კატალიზატორს არ შეუძლია თერმოდინამიკურად შეუძლებელი პროცესი სპონტანურად აქციოს (პროცესის, რომლის ΔG (ΔF) ნულზე მეტია). კატალიზატორი არ ცვლის წონასწორობის მუდმივის მნიშვნელობას შექცევადი რეაქციებისთვის; კატალიზატორის ეფექტი ამ შემთხვევაში შედგება მხოლოდ წონასწორული მდგომარეობის მიღწევის დაჩქარებაში.
რეაგენტებისა და კატალიზატორის ფაზური მდგომარეობიდან გამომდინარე, განასხვავებენ ჰომოგენურ და ჰეტეროგენულ კატალიზს.
ბრინჯი. 2.8ქიმიური რეაქციის ენერგეტიკული დიაგრამა კატალიზატორის გარეშე (1)
და კატალიზატორის თანდასწრებით (2).
2.3.1 ჰომოგენური კატალიზი.
ჰომოგენური კატალიზი არის კატალიზური რეაქცია, რომელშიც რეაქტორები და კატალიზატორი ერთსა და იმავე ფაზაში არიან. ჰომოგენური კატალიზური პროცესების შემთხვევაში, კატალიზატორი აყალიბებს შუალედურ რეაქტიულ პროდუქტებს რეაგენტებთან ერთად. განვიხილოთ რაიმე რეაქცია
A + B ––> C
კატალიზატორის თანდასწრებით ტარდება ორი სწრაფი ნაბიჯი, რის შედეგადაც წარმოიქმნება შუალედური ნაერთის AA ნაწილაკები და შემდეგ (გააქტიურებული კომპლექსის AVK #-ის მეშვეობით) საბოლოო რეაქციის პროდუქტი კატალიზატორის რეგენერაციით:
A + K ––> AK
AK + V -–> C + K
ასეთი პროცესის მაგალითია აცეტალდეჰიდის დაშლა, რომლის აქტივაციის ენერგიაა E A = 190 კჯ/მოლი:
CH 3 CHO --> CH 4 + CO
იოდის ორთქლის არსებობისას ეს პროცესი ორ ეტაპად მიმდინარეობს:
CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI -–> CH 4 + I 2
ამ რეაქციის აქტივაციის ენერგიის შემცირება კატალიზატორის არსებობისას არის 54 კჯ/მოლი; ამ შემთხვევაში, რეაქციის სიჩქარის მუდმივი იზრდება დაახლოებით 105-ჯერ. ერთგვაროვანი კატალიზის ყველაზე გავრცელებული ტიპია მჟავა კატალიზი, რომელშიც წყალბადის იონები H+ მოქმედებს როგორც კატალიზატორი.
2.3.2 ავტოკატალიზი.
ავტოკატალიზი- ქიმიური რეაქციის კატალიზური აჩქარების პროცესი მისი ერთ-ერთი პროდუქტის მიერ. ამის მაგალითია წყალბადის იონების მიერ კატალიზებული ეთერების ჰიდროლიზი. ჰიდროლიზის დროს წარმოქმნილი მჟავა იშლება პროტონების წარმოქმნით, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის რეაქციას. ავტოკატალიტიკური რეაქციის თავისებურება ის არის, რომ ეს რეაქცია მიმდინარეობს კატალიზატორის კონცენტრაციის მუდმივი ზრდით. ამიტომ რეაქციის საწყის პერიოდში მისი სიჩქარე იზრდება და შემდგომ ეტაპებზე რეაგენტების კონცენტრაციის შემცირების შედეგად სისწრაფე იწყებს კლებას; ავტოკატალიტიკური რეაქციის პროდუქტის კინეტიკური მრუდი აქვს დამახასიათებელი S- ფორმის (ნახ. 2.9).
ბრინჯი. 2.9ავტოკატალიტიკური რეაქციის პროდუქტის კინეტიკური მრუდი
2.3.3 ჰეტეროგენული კატალიზი.
ჰეტეროგენული კატალიზი - კატალიზური რეაქციები, რომლებიც წარმოიქმნება კატალიზატორისა და რეაქტანტების მიერ წარმოქმნილ ფაზებს შორის ინტერფეისზე. ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესების მექანიზმი ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე ჰომოგენური კატალიზის შემთხვევაში. თითოეულ ჰეტეროგენულ კატალიზურ რეაქციაში შეიძლება გამოიყოს მინიმუმ ექვსი ეტაპი:
1. საწყისი მასალების დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირზე.
2. საწყისი მასალების ადსორბცია ზედაპირზე ზოგიერთი შუალედური ნაერთის წარმოქმნით:
A + B + K -–> AVK
3. ადსორბირებული მდგომარეობის გააქტიურება (ამისთვის საჭირო ენერგია არის პროცესის ნამდვილი აქტივაციის ენერგია):
AVK ––> AVK #
4. გააქტიურებული კომპლექსის დაშლა ადსორბირებული რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნით:
ABK # ––> CDK
5. რეაქციის პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირიდან.
СDК ––> С + D + К
6. რეაქციის პროდუქტების დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირიდან.
ჰეტეროკატალიტიკური პროცესების სპეციფიკური მახასიათებელია კატალიზატორის დაწინაურებისა და მოწამვლის უნარი.
დაწინაურება- კატალიზატორის აქტივობის ზრდა იმ ნივთიერებების არსებობისას, რომლებიც თავად არ არიან ამ პროცესის კატალიზატორები (პრომოტერები). მაგალითად, მეტალის ნიკელის მიერ კატალიზებული რეაქციისთვის
CO + H 2 --> CH 4 + H 2 O
ნიკელის კატალიზატორში ცერიუმის მცირე მინარევების შეყვანა იწვევს კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრ ზრდას.
მოწამვლა- კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრი დაქვეითება გარკვეული ნივთიერებების არსებობისას (ე.წ. კატალიზური შხამები). მაგალითად, ამიაკის სინთეზის რეაქციისთვის (კატალიზატორი - ღრუბლის რკინა) რეაქციულ ნარევში ჟანგბადის ან გოგირდის ნაერთების არსებობა იწვევს რკინის კატალიზატორის აქტივობის მკვეთრ დაქვეითებას; ამავდროულად, კატალიზატორის უნარი შეწოვოს საწყისი ნივთიერებები ძალიან ოდნავ მცირდება.
ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესების ამ თავისებურებების ასახსნელად გ.ტეილორმა შემდეგი დაშვება გამოთქვა: კატალიზატორის მთელი ზედაპირი არაა კატალიზურად აქტიური, არამედ მხოლოდ მისი ზოგიერთი მონაკვეთი - ე.წ. აქტიური ცენტრები , რაც შეიძლება იყოს კატალიზატორის კრისტალური სტრუქტურის სხვადასხვა დეფექტი (მაგალითად, კატალიზატორის ზედაპირზე გამონაყარი ან ჩაღრმავება). ამჟამად არ არსებობს ჰეტეროგენული კატალიზის ერთიანი თეორია. ლითონის კატალიზატორებისთვის ა მრავალჯერადი თეორია . მრავლობითი თეორიის ძირითადი დებულებები შემდეგია:
1. კატალიზატორის აქტიური ცენტრი არის გარკვეული რაოდენობის ადსორბციული ცენტრების ერთობლიობა, რომელიც მდებარეობს კატალიზატორის ზედაპირზე, გეომეტრიული შესაბამისად, ტრანსფორმაციის პროცესში მყოფი მოლეკულის სტრუქტურის შესაბამისად.
2. აქტიურ ცენტრზე მორეაქტიული მოლეკულების შეწოვისას წარმოიქმნება მრავლობითი კომპლექსი, რის შედეგადაც ხდება ბმების გადანაწილება, რაც იწვევს რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნას.
მრავლობითების თეორიას ზოგჯერ უწოდებენ გეომეტრიული მსგავსების თეორიას აქტიურ ცენტრსა და მოლეკულებს შორის. სხვადასხვა რეაქციისთვის აქტიურ ცენტრში ადსორბციული ცენტრების რაოდენობა (რომელთაგან თითოეული იდენტიფიცირებულია ლითონის ატომთან) განსხვავებულია - 2, 3, 4 და ა.შ. ასეთ აქტიურ ცენტრებს ეძახიან შესაბამისად დუბლი, ტრიპლეტი, ოთხმაგი და ა.შ. (ზოგად შემთხვევაში, მულტიპლეტი, რომელსაც თეორია ეკუთვნის თავის სახელს).
მაგალითად, მრავლობითი თეორიის მიხედვით, გაჯერებული მონოჰიდრული სპირტების დეჰიდროგენაცია ხდება დულეტზე, ხოლო ციკლოჰექსანის დეჰიდროგენაცია - სექსტეტზე (სურ. 2.10 - 2.11); მრავალჯერადი თეორიამ შესაძლებელი გახადა ლითონების კატალიზური აქტივობის დაკავშირება მათ ატომურ რადიუსთან.
ბრინჯი. 2.10ალკოჰოლების დეჰიდროგენაცია დულეტზე
ბრინჯი. 2.11ციკლოჰექსანის დეჰიდროგენაცია სექსტეტზე
2.3.4 ფერმენტული კატალიზი.
ფერმენტული კატალიზი - კატალიზური რეაქციები, რომლებიც წარმოიქმნება ფერმენტების - ცილოვანი ბუნების ბიოლოგიური კატალიზატორების მონაწილეობით. ფერმენტულ კატალიზს აქვს ორი დამახასიათებელი თვისება:
1. მაღალი აქტივობა , რომელიც რამდენიმე რიგით აღემატება არაორგანული კატალიზატორების აქტივობას, რაც აიხსნება ფერმენტების მიერ პროცესის აქტივაციის ენერგიის ძალიან მნიშვნელოვანი შემცირებით. ასე რომ, Fe 2+ იონების მიერ კატალიზებული წყალბადის ზეჟანგის დაშლის რეაქციის სიჩქარის მუდმივია 56 s -1; ფერმენტ კატალაზას მიერ კატალიზებული იგივე რეაქციის სიჩქარის მუდმივი არის 3,5·107, ე.ი. რეაქცია ფერმენტის თანდასწრებით მილიონჯერ უფრო სწრაფად მიმდინარეობს (პროცესების აქტივაციის ენერგიებია, შესაბამისად, 42 და 7,1 კჯ/მოლი). შარდოვანას ჰიდროლიზის სიჩქარის მუდმივები მჟავისა და ურეაზას თანდასწრებით განსხვავდება სიდიდის ცამეტი რიგით, რაც შეადგენს 7,4·10 -7 და 5·10 6 s -1 (აქტივაციის ენერგია, შესაბამისად, 103 და 28 კჯ/მოლი).
2. მაღალი სპეციფიკა . მაგალითად, ამილაზა ახდენს სახამებლის დაშლას, რომელიც წარმოადგენს გლუკოზის იდენტური ერთეულების ჯაჭვს, მაგრამ არ ახდენს საქაროზის ჰიდროლიზს, რომლის მოლეკულა შედგება გლუკოზისა და ფრუქტოზის ფრაგმენტებისგან.
ფერმენტული კატალიზის მექანიზმის შესახებ საყოველთაოდ მიღებული იდეების თანახმად, სუბსტრატი S და ფერმენტ F წონასწორობაშია ძალიან სწრაფად წარმოქმნილ ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსთან FS, რომელიც შედარებით ნელა იშლება რეაქციის პროდუქტამდე P, თავისუფალი ფერმენტის გამოთავისუფლებით; ამრიგად, ფერმენტ-სუბსტრატის კომპლექსის რეაქციის პროდუქტებად დაშლის სტადია არის სიჩქარის განმსაზღვრელი (ლიმიტირება).
F+S<––>FS ––> F+P
ფერმენტული რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულების შესწავლამ სუბსტრატის კონცენტრაციაზე ფერმენტის მუდმივ კონცენტრაციაზე აჩვენა, რომ სუბსტრატის კონცენტრაციის მატებასთან ერთად, რეაქციის სიჩქარე ჯერ იზრდება და შემდეგ წყვეტს ცვლილებას (ნახ. 2.12) და რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულება სუბსტრატის კონცენტრაციაზე აღწერილია შემდეგი განტოლებით:
(II.45)
კატალიზატორების ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა სელექციურობა, ე.ი. მრავალი შესაძლოდან მხოლოდ გარკვეული ქიმიური რეაქციების სიჩქარის გაზრდის უნარი. ეს საშუალებას აძლევს რეაქციებს, რომლებიც ძალიან ნელია ნორმალურ პირობებში, იყოს პრაქტიკული გამოყენება და უზრუნველყოფს სასურველი პროდუქტების ფორმირებას.
კატალიზატორების გამოყენებამ ხელი შეუწყო ქიმიური მრეწველობის სწრაფ განვითარებას. ისინი ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში, სხვადასხვა პროდუქციის მოპოვებაში, ახალი მასალების (მაგალითად, პლასტმასის) შესაქმნელად, ხშირად უფრო იაფი ვიდრე ადრე გამოყენებული. თანამედროვე ქიმიური წარმოების დაახლოებით 90% ეფუძნება კატალიზურ პროცესებს. კატალიზური პროცესები განსაკუთრებულ როლს თამაშობს გარემოს დაცვაში.
1835 წელს შვედმა ქიმიკოსმა ჯ.ბერცელიუსმა აღმოაჩინა, რომ გარკვეული ნივთიერებების არსებობისას გარკვეული ქიმიური რეაქციების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იზრდება. ასეთი ნივთიერებებისთვის მან შემოიღო ტერმინი "კატალიზატორი" (ბერძნულიდან.
კატალიზი - დასვენება). ბერცელიუსის აზრით, კატალიზატორებს აქვთ სპეციალური უნარი, შეასუსტონ ატომებს შორის კავშირი რეაქციაში მონაწილე მოლეკულებში, რითაც ხელი შეუწყონ მათ ურთიერთქმედებას. კატალიზატორების მუშაობის შესახებ იდეების შემუშავებაში დიდი წვლილი შეიტანა გერმანელმა ფიზიკოქიმიკოსმა ვ.ოსტვალდმა, რომელმაც 1880 წელს კატალიზატორი განსაზღვრა, როგორც ნივთიერება, რომელიც ცვლის რეაქციის სიჩქარეს.თანამედროვე კონცეფციების თანახმად, კატალიზატორი აყალიბებს კომპლექსს რეაქტიულ მოლეკულებთან, რომელიც სტაბილიზირებულია ქიმიური ბმებით. გადაწყობის შემდეგ, ეს კომპლექსი იშლება პროდუქტებისა და კატალიზატორის გასათავისუფლებლად. მოლეკულის გარდაქმნის მონომოლეკულური რეაქციისთვის
X-მდე Y მთელი პროცესი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც X + კატა. ® X -კატა. ® Y -კატა. ® Y + კატა. განთავისუფლებული კატალიზატორი ხელახლა უკავშირდება X და მთელი ციკლი მრავალჯერ მეორდება, რაც უზრუნველყოფს დიდი რაოდენობით პროდუქტის - ნივთიერების წარმოქმნასი . ბევრი ნივთიერება ნორმალურ პირობებში არ შედის ქიმიურ რეაქციაში ერთმანეთთან. ასე რომ, წყალბადი და ნახშირბადის მონოქსიდი ოთახის ტემპერატურაზე არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, რადგან ატომებს შორის კავშირი მოლეკულაშია. H2 საკმარისად ძლიერია და არ ტყდება მოლეკულის შეტევისას CO . კატალიზატორი აერთიანებს მოლეკულებს H2 და CO მათთან კავშირების დამყარებით. გადაწყობის შემდეგ, კატალიზატორი-რეაქტიული კომპლექსი იშლება და წარმოიქმნება ატომების შემცველი პროდუქტი C, H და O. ხშირად, როდესაც ერთი და იგივე ნივთიერებები ურთიერთქმედებენ, წარმოიქმნება სხვადასხვა პროდუქტი. კატალიზატორს შეუძლია წარმართოს პროცესი კონკრეტული პროდუქტის ფორმირებისთვის ყველაზე ხელსაყრელ გზაზე. განვიხილოთ რეაქცია შორის CO და H2 . სპილენძის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით, მეთანოლი პრაქტიკულად ერთადერთი რეაქციის პროდუქტია:თავდაპირველად, CO და H მოლეკულები 2 შეიწოვება კატალიზატორის ზედაპირზე. შემდეგ CO-ს მოლეკულები ქმნიან ქიმიურ კავშირებს კატალიზატორთან (ხდება ქიმიისორბცია), რჩებიან არადისოცირებულ ფორმაში. წყალბადის მოლეკულები ასევე ქიმიორბირებულია კატალიზატორის ზედაპირზე, მაგრამ ამავე დროს იშლება. გადაწყობის შედეგად გარდამავალი კომპლექსი H-Cat.- CH2OH . ატომის დამატების შემდეგჰ კომპლექსი იშლება გასათავისუფლებლად CH 3 OH და კატალიზატორი. ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით, CO და H 2 ზედაპირზე ქიმიზორბირებულია დისოცირებული ფორმით და წარმოიქმნება Cat.-CH კომპლექსი 3 . რეაქციის საბოლოო პროდუქტებია CH 4 და H 2 O:
კატალიზური რეაქციების უმეტესობა ტარდება გარკვეულ წნევასა და ტემპერატურაზე რეაქციული ნარევის გატარებით, რომელიც აირისებრ ან თხევად მდგომარეობაშია, კატალიზატორის ნაწილაკებით სავსე რეაქტორში. შემდეგი ცნებები გამოიყენება რეაქციის პირობების აღსაწერად და პროდუქტების დასახასიათებლად. სივრცის სიჩქარე - გაზის ან სითხის მოცულობა, რომელიც გადის კატალიზატორის მოცულობის ერთეულში დროის ერთეულში. კატალიზური აქტივობა - კატალიზატორის მიერ პროდუქტებად გარდაქმნილი რეაქტორების რაოდენობა დროის ერთეულზე. კონვერტაცია არის ნივთიერების პროპორცია, რომელიც გარდაიქმნება მოცემულ რეაქციაში. სელექციურობა არის გარკვეული პროდუქტის ოდენობის თანაფარდობა პროდუქციის მთლიან რაოდენობასთან (ჩვეულებრივ გამოხატული პროცენტულად). მოსავლიანობა - მოცემული პროდუქტის რაოდენობის თანაფარდობა საწყისი მასალის რაოდენობასთან (ჩვეულებრივ გამოხატული პროცენტულად). პროდუქტიულობა - რეაქციის პროდუქტების რაოდენობა, რომლებიც წარმოიქმნება ერთეულ მოცულობაზე ერთეულ დროში. კატალიზატორების ტიპები
კატალიზატორები კლასიფიცირდება რეაქციის ბუნების მიხედვით, რომელსაც ისინი ხელს უწყობენ, მათი ქიმიური შემადგენლობით ან ფიზიკური თვისებების მიხედვით. თითქმის ყველა ქიმიურ ელემენტს და ნივთიერებას აქვს ამა თუ იმ ხარისხით კატალიზური თვისებები - თავისთავად ან, უფრო ხშირად, სხვადასხვა კომბინაციებში. მათი ფიზიკური თვისებების მიხედვით, კატალიზატორები იყოფა ერთგვაროვან და ჰეტეროგენებად. ჰეტეროგენული კატალიზატორები არის მყარი ნივთიერებები, რომლებიც ერთგვაროვანია და დისპერსიულია იმავე აირისებრ ან თხევად გარემოში, როგორც რეაგენტები. ბევრი ჰეტეროგენული კატალიზატორი შეიცავს ლითონებს. ზოგიერთი ლითონი, განსაკუთრებით მათთან დაკავშირებული
VIII ელემენტების პერიოდული სისტემის ჯგუფი, რომელსაც აქვს კატალიზური მოქმედება; ტიპიური მაგალითია პლატინა. მაგრამ მეტალების უმეტესობა ავლენს კატალიზურ თვისებებს, რომლებიც ნაერთების შემადგენლობაშია; მაგალითი - ალუმინა (ალუმინა Al 2 O 3). მრავალი ჰეტეროგენული კატალიზატორის უჩვეულო თვისებაა მათი დიდი ზედაპირი. მათში შედის მრავალი ფორები, რომელთა საერთო ფართობი ზოგჯერ 500 მ აღწევს 2 კატალიზატორზე 1 გ. ხშირ შემთხვევაში, დიდი ზედაპირის მქონე ოქსიდები ემსახურება როგორც სუბსტრატს, რომელზედაც ლითონის კატალიზატორის ნაწილაკები დეპონირდება მცირე მტევნის სახით. ეს უზრუნველყოფს რეაგენტების ეფექტურ ურთიერთქმედებას გაზურ ან თხევად ფაზაში კატალიზურად აქტიურ ლითონთან. ჰეტეროგენული კატალიზატორების განსაკუთრებულ კლასს წარმოადგენენ ცეოლიტები - ალუმოსილიკატების ჯგუფის კრისტალური მინერალები (სილიციუმის და ალუმინის ნაერთები). მიუხედავად იმისა, რომ ბევრ ჰეტეროგენულ კატალიზატორს აქვს დიდი ზედაპირის ფართობი, მათ ჩვეულებრივ აქვთ მხოლოდ მცირე რაოდენობის აქტიური უბნები, რომლებიც მთლიანი ზედაპირის მცირე ნაწილს შეადგენს. კატალიზატორებს შეუძლიათ დაკარგონ თავიანთი აქტივობა მცირე რაოდენობით ქიმიური ნაერთების არსებობისას, რომელსაც კატალიზატორის შხამი ეწოდება. ეს ნივთიერებები აკავშირებს აქტიურ ცენტრებს, ბლოკავს მათ. აქტიური ცენტრების სტრუქტურის განსაზღვრა ინტენსიური კვლევის საგანია.ჰომოგენურ კატალიზატორებს აქვთ განსხვავებული ქიმიური ბუნება - მჟავები (H
2 SO 4 ან H 3 RO 4 ), ფუძეები (NaOH ), ორგანული ამინები, ლითონები, ყველაზე ხშირად გარდამავალი ( Fe ან Rh ), მარილების, ორგანული მეტალის ნაერთების ან კარბონილების სახით. კატალიზატორებში ასევე შედის ფერმენტები - ცილის მოლეკულები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ რეაქციებს. ზოგიერთი ფერმენტის აქტიური ადგილი შეიცავს ლითონის ატომს ( Zn, Cu, Fe ან Mo). მეტალის შემცველი ფერმენტები ახდენენ რეაქციების კატალიზებას, რომლებიც მოიცავს მცირე მოლეკულებს ( O 2, CO 2 ან N 2 ). ფერმენტებს აქვთ ძალიან მაღალი აქტივობა და სელექციურობა, მაგრამ ისინი მუშაობენ მხოლოდ გარკვეულ პირობებში, როგორიცაა ისეთ პირობებში, როდესაც რეაქციები ხდება ცოცხალ ორგანიზმებში. ინდუსტრია ხშირად იყენებს ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. როგორ მუშაობს კატალიზატორები ენერგია. ნებისმიერი ქიმიური რეაქცია შეიძლება გაგრძელდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ რეაგენტები გადალახავენ ენერგეტიკულ ბარიერს და ამისთვის მათ უნდა შეიძინონ გარკვეული ენერგია. როგორც უკვე ვთქვით, კატალიზური რეაქცია X ® Y შედგება თანმიმდევრული ეტაპებისგან. თითოეულს სჭირდება ენერგია სირბილისთვის.ე აქტივაციის ენერგიას უწოდებენ. ენერგიის ცვლილება რეაქციის კოორდინატთან ერთად ნაჩვენებია ნახ. 1.ჯერ განვიხილოთ არაკატალიზური, „თერმული“ გზა. რეაქცია რომ მოხდეს, მოლეკულების პოტენციური ენერგია
X უნდა აღემატებოდეს ენერგეტიკულ ბარიერსეთ . კატალიზური რეაქცია შედგება სამი ეტაპისგან. პირველი არის X-Cat კომპლექსის ფორმირება. (ქიმიისორბცია), რომლის აქტივაციის ენერგია არისერეკლამები . მეორე ეტაპი არის X-Cat-ის გადაწყობა.®Y -Კატა. აქტივაციის ენერგიითეკატა და ბოლოს, მესამე - დეზორბცია აქტივაციის ენერგიითედეს; ერეკლამები, ეკატი და ეგაცილებით პატარაა ეთ . ვინაიდან რეაქციის სიჩქარე ექსპონენტურად არის დამოკიდებული აქტივაციის ენერგიაზე, კატალიზური რეაქცია გაცილებით სწრაფად მიმდინარეობს, ვიდრე თერმული მოცემულ ტემპერატურაზე.კატალიზატორი შეიძლება შევადაროთ ინსტრუქტორ-გიდს, რომელიც ხელმძღვანელობს მთამსვლელებს (რეაქტიული მოლეკულები) მთის ქედის გავლით. ის მიჰყავს ერთ ჯგუფს უღელტეხილზე და შემდეგ ბრუნდება მეორეზე. გზა უღელტეხილზე გაცილებით დაბალია, ვიდრე ის, რაც ზევით (რეაქციის თერმული არხი) გადის და ჯგუფი გადასასვლელს უფრო სწრაფად აკეთებს, ვიდრე გამტარის (კატალიზატორის) გარეშე. შესაძლებელია კიდეც, ჯგუფმა თავისით საერთოდ ვერ გადალახოს ქედი.
კატალიზის თეორიები. კატალიზური რეაქციების მექანიზმის ასახსნელად შემოთავაზებულია თეორიების სამი ჯგუფი: გეომეტრიული, ელექტრონული და ქიმიური. გეომეტრიულ თეორიებში მთავარი ყურადღება ეთმობა შესაბამისობას კატალიზატორის აქტიური ცენტრების ატომების გეომეტრიულ კონფიგურაციასა და რეაქტიული მოლეკულების იმ ნაწილის ატომებს შორის, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კატალიზატორთან შეკავშირებაზე. ელექტრონული თეორიები დაფუძნებულია იმ აზრზე, რომ ქიმისორბცია განპირობებულია ელექტრონული ურთიერთქმედებით, რომელიც დაკავშირებულია მუხტის გადაცემასთან, ე.ი. ეს თეორიები კატალიზურ აქტივობას კატალიზატორის ელექტრონულ თვისებებს უკავშირებს. ქიმიური თეორია კატალიზატორს განიხილავს, როგორც დამახასიათებელი თვისებების მქონე ქიმიურ ნაერთს, რომელიც აყალიბებს ქიმიურ კავშირებს რეაგენტებთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება არასტაბილური გარდამავალი კომპლექსი. პროდუქტების გამოყოფით კომპლექსის დაშლის შემდეგ, კატალიზატორი უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ეს უკანასკნელი თეორია ახლა ყველაზე ადეკვატურად ითვლება.მოლეკულურ დონეზე, კატალიზური გაზის ფაზის რეაქცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად. ერთი რეაქტიული მოლეკულა უკავშირდება კატალიზატორის აქტიურ ადგილს, ხოლო მეორე ურთიერთქმედებს მასთან უშუალოდ აირის ფაზაში ყოფნისას. ასევე შესაძლებელია ალტერნატიული მექანიზმი: რეაქტიული მოლეკულები ადსორბირებულია კატალიზატორის მეზობელ აქტიურ უბნებზე და შემდეგ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. როგორც ჩანს, ასე მიმდინარეობს კატალიზური რეაქციების უმეტესობა.
სხვა კონცეფცია ვარაუდობს, რომ არსებობს კავშირი კატალიზატორის ზედაპირზე ატომების სივრცით განლაგებასა და მის კატალიზურ აქტივობას შორის. ზოგიერთი კატალიზური პროცესის, მათ შორის მრავალი ჰიდროგენიზაციის რეაქციის სიჩქარე, არ არის დამოკიდებული ზედაპირზე კატალიზურად აქტიური ატომების ურთიერთგანლაგებაზე; პირიქით, სხვების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იცვლება ზედაპირის ატომების სივრცითი კონფიგურაციის ცვლილებით. ამის მაგალითია ნეოპენტანის იზომერიზაცია იზოპენტანში და ამ უკანასკნელის ერთდროული კრეკინგი იზობუტანისა და მეთანის კატალიზატორის ზედაპირზე.
Pt-Al 2 O 3. კატალიზის გამოყენება ინდუსტრიაში სწრაფი ინდუსტრიული ზრდა, რომელსაც ჩვენ ახლა განვიცდით, შეუძლებელი იქნებოდა ახალი ქიმიური ტექნოლოგიების განვითარების გარეშე. ამ პროგრესს დიდწილად განსაზღვრავს კატალიზატორების ფართო გამოყენება, რომელთა დახმარებით დაბალი ხარისხის ნედლეული გარდაიქმნება მაღალი ღირებულების პროდუქტად. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, კატალიზატორი თანამედროვე ალქიმიკოსის ფილოსოფიური ქვაა, მხოლოდ ის არ აქცევს ტყვიას ოქროდ, არამედ ნედლეულს აქცევს წამლებად, პლასტმასებად, ქიმიკატებად, საწვავად, სასუქებად და სხვა სასარგებლო პროდუქტებად.შესაძლოა, პირველი კატალიზური პროცესი, რომლის გამოყენებაც ადამიანმა ისწავლა, არის დუღილი. ალკოჰოლური სასმელების მომზადების რეცეპტები შუმერებისთვის ჯერ კიდევ 3500 წელს იყო ცნობილი.
Სმ. ᲦᲕᲘᲜᲝ; ლუდი.კატალიზის პრაქტიკულ გამოყენებაში მნიშვნელოვანი ეტაპი იყო მარგარინის წარმოება მცენარეული ზეთის კატალიზური ჰიდროგენაციით. პირველად, ეს რეაქცია სამრეწველო მასშტაბით განხორციელდა დაახლოებით 1900 წელს. 1920-იანი წლებიდან კი კატალიზური მეთოდები ერთმანეთის მიყოლებით განვითარდა ახალი ორგანული მასალების, პირველ რიგში, პლასტმასის წარმოებისთვის. მთავარი პუნქტი იყო ოლეფინების, ნიტრილების, ეთერების, მჟავების და ა.შ. კატალიზური წარმოება. - "აგური" პლასტმასის ქიმიური "კონსტრუქციისთვის".
კატალიზური პროცესების სამრეწველო გამოყენების მესამე ტალღა ხდება 1930-იან წლებში და დაკავშირებულია ნავთობის გადამუშავებასთან. მოცულობის თვალსაზრისით, ამ პროდუქციამ მალე დატოვა ყველა დანარჩენი. ნავთობის გადამუშავება შედგება რამდენიმე კატალიზური პროცესისგან: კრეკინგი, რეფორმირება, ჰიდროსულფონაცია, ჰიდროკრეკინგი, იზომერიზაცია, პოლიმერიზაცია და ალკილაცია.
და ბოლოს, კატალიზის გამოყენების მეოთხე ტალღა დაკავშირებულია გარემოს დაცვასთან. ყველაზე ცნობილი მიღწევა ამ სფეროში არის კატალიზატორის შექმნა საავტომობილო გამონაბოლქვი აირებისთვის. კატალიზატორი, რომელიც მანქანებში 1975 წლიდან არის დაყენებული, დიდი როლი ითამაშა ჰაერის ხარისხის გაუმჯობესებაში და ამ გზით მრავალი სიცოცხლე გადაარჩინა.
ათამდე ნობელის პრემია მიენიჭა კატალიზის და მასთან დაკავშირებულ სფეროებში მუშაობისთვის.
კატალიზური პროცესების პრაქტიკული მნიშვნელობა მოწმობს იმით, რომ აზოტის წილი, რომელიც წარმოადგენს ინდუსტრიულად მიღებული აზოტის შემცველ ნაერთების ნაწილს, შეადგენს საკვები პროდუქტების ნაწილი აზოტის დაახლოებით ნახევარს. ბუნებრივად წარმოქმნილი აზოტის ნაერთების რაოდენობა შეზღუდულია, ამიტომ დიეტური ცილის გამომუშავება დამოკიდებულია სასუქებით ნიადაგში შეტანილი აზოტის რაოდენობაზე. შეუძლებელი იქნებოდა კაცობრიობის ნახევრის გამოკვებაც კი სინთეზური ამიაკის გარეშე, რომელიც წარმოიქმნება თითქმის ექსკლუზიურად Haber-Bosch-ის კატალიზური პროცესით.
კატალიზატორების სპექტრი მუდმივად ფართოვდება. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ კატალიზმა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს ადრე შემუშავებული ტექნოლოგიების ეფექტურობა. ამის მაგალითია კატალიზური კრეკინგის გაუმჯობესება ცეოლიტების გამოყენებით.
ჰიდროგენიზაცია. კატალიზური რეაქციების დიდი რაოდენობა დაკავშირებულია წყალბადის ატომის და ზოგიერთი სხვა მოლეკულის გააქტიურებასთან, რაც იწვევს მათ ქიმიურ ურთიერთქმედებას. ამ პროცესს ეწოდება ჰიდროგენიზაცია და საფუძვლად უდევს ნავთობის გადამუშავების და ნახშირისგან თხევადი საწვავის წარმოების ბევრ ეტაპს (ბერგიუსის პროცესი).საავიაციო ბენზინის და საავტომობილო საწვავის წარმოება ქვანახშირისგან განვითარდა გერმანიაში მეორე მსოფლიო ომის დროს, რადგან ამ ქვეყანაში ნავთობის საბადოები არ არის. ბერგიუსის პროცესი არის წყალბადის პირდაპირი დამატება ნახშირბადში. ქვანახშირი თბება წნევით წყალბადის თანდასწრებით და მიიღება თხევადი პროდუქტი, რომელიც შემდეგ გადამუშავდება საავიაციო ბენზინში და საავტომობილო საწვავად. რკინის ოქსიდი გამოიყენება როგორც კატალიზატორი, ასევე კატალიზატორები კალის და მოლიბდენის საფუძველზე. ომის დროს დღეში დაახლოებით 1400 ტონა თხევადი საწვავი მოიპოვებოდა 12 გერმანულ ქარხანაში ბერგიუსის პროცესის გამოყენებით.
კიდევ ერთი პროცესი, ფიშერი - ტროპში, ორი ეტაპისგან შედგება. ჯერ ნახშირი გაზიფიცირებულია, ე.ი. განახორციელეთ მისი რეაქცია წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან და მიიღეთ წყალბადის და ნახშირბადის ოქსიდების ნარევი. ეს ნარევი გარდაიქმნება თხევად საწვავად რკინის ან კობალტის შემცველი კატალიზატორების გამოყენებით. ომის დამთავრებისთანავე გერმანიაში ქვანახშირისგან სინთეტიკური საწვავის წარმოება შეწყდა.
ნავთობის ფასების ზრდის შედეგად, რომელიც მოჰყვა ნავთობის ემბარგოს 1973-1974 წლებში, ენერგიული ძალისხმევა გაკეთდა ნახშირისგან ბენზინის წარმოების ეკონომიკურად მომგებიანი მეთოდის შემუშავებაზე. ამრიგად, ნახშირის პირდაპირი გათხევადება შეიძლება განხორციელდეს უფრო ეფექტურად, ორეტაპიანი პროცესის გამოყენებით, რომლის დროსაც ნახშირი პირველად დაუკავშირდება ალუმინის-კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორს შედარებით დაბალ და შემდეგ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე. ასეთი სინთეზური ბენზინის ღირებულება უფრო მაღალია, ვიდრე ნავთობისგან მიღებული.
ამიაკი. ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი უმარტივესი პროცესი ქიმიური თვალსაზრისით არის ამიაკის სინთეზი წყალბადისა და აზოტისგან. აზოტი ძალიან ინერტული ნივთიერებაა. გათიშვა N-N მის მოლეკულას სჭირდება 200 კკალ-ის რიგის ენერგია/ მოლი. თუმცა, აზოტი ატომურ მდგომარეობაში აკავშირებს რკინის კატალიზატორის ზედაპირს და ამას მხოლოდ 20 კკალ სჭირდება./ მოლი. წყალბადის ბმა რკინას კიდევ უფრო ადვილად აკავშირებს. ამიაკის სინთეზი შემდეგნაირად მიმდინარეობს:
ეს მაგალითი ასახავს კატალიზატორის უნარს, დააჩქაროს როგორც წინა, ისე საპირისპირო რეაქციები თანაბრად, ე.ი. ის ფაქტი, რომ კატალიზატორი არ ცვლის ქიმიური რეაქციის წონასწორობას.მცენარეული ზეთის ჰიდროგენიზაცია.
პრაქტიკაში ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციაა მცენარეული ზეთების არასრული ჰიდროგენაცია მარგარინში, სამზარეულოს ზეთში და სხვა საკვებ პროდუქტებში. მცენარეული ზეთები მიიღება სოიოს, ბამბის თესლისა და სხვა კულტურებისგან. მათ შორისაა ეთერები, კერძოდ, ცხიმოვანი მჟავების ტრიგლიცერიდები სხვადასხვა ხარისხით გაჯერებულობით. ოლეინის მჟავა CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH-ს აქვს ერთი C=C ორმაგი ბმა, ლინოლის მჟავას აქვს ორი და ლინოლენის მჟავას აქვს სამი. ამ კავშირის გასატეხად წყალბადის დამატება ხელს უშლის ზეთების დაჟანგვას (გაფუჭებას). ეს ზრდის მათ დნობის წერტილს. მიღებული პროდუქტების უმეტესობის სიმტკიცე დამოკიდებულია ჰიდროგენიზაციის ხარისხზე. ჰიდროგენიზაცია ხორციელდება ნიკელის თხელი ფხვნილის თანდასწრებით, რომელიც დეპონირებულია სუბსტრატზე ან Raney ნიკელის კატალიზატორზე მაღალ გაწმენდილ წყალბადის ატმოსფეროში.დეჰიდროგენაცია. დეჰიდროგენაცია ასევე ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზური რეაქციაა, თუმცა მისი გამოყენების მასშტაბები შეუდარებლად მცირეა. მისი დახმარებით, მაგალითად, მიიღება სტირონი, მნიშვნელოვანი მონომერი. ამისათვის, რკინის ოქსიდის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით ეთილბენზოლის დეჰიდროგენაცია; კალიუმი და ზოგიერთი სტრუქტურული სტაბილიზატორი ასევე ხელს უწყობს რეაქციას. სამრეწველო მასშტაბით პროპანი, ბუტანი და სხვა ალკანები დეჰიდროგენირებულია. ბუტანის დეჰიდროგენაცია ალუმინის-ქრომის კატალიზატორის თანდასწრებით წარმოქმნის ბუტენებს და ბუტადიენს.მჟავა კატალიზი.
კატალიზატორების დიდი კლასის კატალიზური აქტივობა განპირობებულია მათი მჟავე თვისებებით. ი. ბრონსტედისა და ტ. ლოურის აზრით, მჟავა არის ნაერთი, რომელსაც შეუძლია პროტონის დონაცია. ძლიერი მჟავები ადვილად აძლევენ თავიანთ პროტონებს ფუძეებს. მჟავიანობის კონცეფცია შემდგომ განვითარდა გ. ლუისის ნაშრომებში, რომელმაც განსაზღვრა მჟავა, როგორც ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ელექტრონული წყვილი დონორი ნივთიერებიდან კოვალენტური ბმის წარმოქმნით ამ ელექტრონული წყვილის სოციალიზაციის გამო. ეს იდეები, იდეებთან ერთად რეაქციების შესახებ, რომლებიც ქმნიან კარბენიუმის იონებს, დაეხმარა სხვადასხვა კატალიზური რეაქციების მექანიზმის გაგებას, განსაკუთრებით მათ შორის ნახშირწყალბადებს. მჟავის სიძლიერე შეიძლება განისაზღვროს ფუძეების ნაკრების გამოყენებით, რომლებიც ფერს იცვლის პროტონის დამატებისას. გამოდის, რომ ზოგიერთი ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზატორი იქცევა ძალიან ძლიერი მჟავების მსგავსად. მათ შორისაა Friedel-Crafts კატალიზატორი, როგორიცაა
HCl-AlCl 2 O 3 (ან HAlCl 4 ), და ალუმინოსილიკატები. მჟავის სიძლიერე ძალზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, რადგან ის განსაზღვრავს პროტონაციის სიჩქარეს, რაც მთავარი ეტაპია მჟავა კატალიზის პროცესში.ისეთი კატალიზატორების აქტივობა, როგორიცაა ალუმინოსილიკატები, რომლებიც გამოიყენება ნავთობის კრეკში, განისაზღვრება ბრონსტედისა და ლუისის მჟავების არსებობით მათ ზედაპირზე. მათი სტრუქტურა სილიციუმის დიოქსიდის (სილიციუმის დიოქსიდი) სტრუქტურის მსგავსია, რომელშიც ზოგიერთი ატომია
Si 4+ შეცვალა ატომები Al3+. ჭარბი უარყოფითი მუხტი, რომელიც წარმოიქმნება ამ შემთხვევაში, შეიძლება განეიტრალდეს შესაბამისი კათიონებით. თუ კათიონები პროტონებია, მაშინ ალუმინოსილიკატი ბრონსტედის მჟავის მსგავსად იქცევა:
მჟავა კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება ნახშირწყალბადებთან ურთიერთქმედების უნარით კარბენიუმის იონის, როგორც შუალედური პროდუქტის წარმოქმნით. ალკილკარბენიუმის იონები შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნახშირბადის ატომს, რომელიც დაკავშირებულია სამ ალკილის ჯგუფთან და/
ან წყალბადის ატომები. ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ, როგორც შუამავლები, რომლებიც წარმოიქმნება მრავალ რეაქციაში, რომლებიც მოიცავს ორგანულ ნაერთებს. მჟავა კატალიზატორების მოქმედების მექანიზმი შეიძლება ილუსტრირებული იყოს იზომერიზაციის რეაქციის მაგალითითნ
-ბუტანიდან იზობუტანამდე თანდასწრებით HCl - AlCl 3 ან Pt - Cl - Al 2 O 3 . პირველი, მცირე რაოდენობით ოლეფინი C 4 H 8 ამაგრებს დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონს მჟავას კატალიზატორს წარმოქმნის მიზნითმ მესამეული კარბენიუმის იონი. მერე უარყოფითად დამუხტული ჰიდრიდის იონი H - გაყოფილი ნ
-ბუტანი წარმოქმნის იზობუტანს და მეორად ბუტილკარბსარ არის d-ion. ბოლო გადაწყობის შედეგად ხდებამესამეული ნახშირწყლები და იონი. ეს ჯაჭვი შეიძლება გაგრძელდეს შემდეგი მოლეკულიდან ჰიდრიდის იონის აღმოფხვრითნ- ბუტანი და ა.შ.: 
არსებითი o რომ მესამეული კარბენიუმის იონები უფრო სტაბილურია, ვიდრე პირველადი ან მეორადი. შედეგად, ისინი ძირითადად გვხვდება კატალიზატორის ზედაპირზე და, შესაბამისად, ბუტანის იზომერიზაციის ძირითადი პროდუქტია იზობუტანი. მჟავა კატალიზატორები ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში - ნახშირწყალბადების კრეკინგი, ალკილაცია, პოლიმერიზაცია და იზომერიზაცია.
(იხილეთ ასევე ქიმია და ნავთობის გადამუშავების მეთოდები). დადგენილია კარბენიუმის იონების მოქმედების მექანიზმი, რომლებიც ამ პროცესებში კატალიზატორების როლს ასრულებენ. ამავდროულად, ისინი მონაწილეობენ უამრავ რეაქციაში, მათ შორის მცირე მოლეკულების წარმოქმნაში დიდის გაყოფით, მოლეკულების ერთობლიობა (ოლეფინი ოლეფინთან ან ოლეფინი იზოპარაფინთან), სტრუქტურულ გადაწყობაში იზომერიზაციით, პარაფინების და არომატული ნახშირწყალბადების წარმოქმნა. წყალბადის გადაცემით.მჟავა კატალიზის ერთ-ერთი უახლესი სამრეწველო გამოყენება არის ტყვიის შემცველი საწვავის წარმოება ალკოჰოლების დამატებით იზობუტილენში ან იზოამილენში. ბენზინში ჟანგბადიანი ნაერთების დამატება ამცირებს ნახშირბადის მონოქსიდის კონცენტრაციას გამონაბოლქვი აირებში. მეთილ-
ტერტ -ბუტილის ეთერი (MTBE) შერეული ოქტანური რიცხვით 109 ასევე შესაძლებელს ხდის მაღალი ოქტანური საწვავის მიღებას, რომელიც საჭიროა საავტომობილო ძრავის მუშაობისთვის მაღალი შეკუმშვის კოეფიციენტით, ბენზინში ტეტრაეთილის ტყვიის შეყვანის გარეშე. ასევე ორგანიზებულია საწვავის წარმოება ოქტანური ნომრებით 102 და 111.ძირითადი კატალიზი. კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება მათი ძირითადი თვისებებით. ასეთი კატალიზატორების ძველი და კარგად ცნობილი მაგალითია ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, რომელიც გამოიყენება საპნის წარმოებაში ცხიმების ჰიდროლიზებისთვის ან საპონიფიკაციოდ, ხოლო ბოლო მაგალითია კატალიზატორები, რომლებიც გამოიყენება პოლიურეთანის პლასტმასის და ქაფის წარმოებაში. ურეთანი წარმოიქმნება ალკოჰოლის იზოციანატთან ურთიერთქმედების შედეგად და ეს რეაქცია აჩქარებულია ძირითადი ელემენტების თანდასწრებით.ამინები. რეაქციის დროს იზოციანატის მოლეკულაში ფუძე მიმაგრებულია ნახშირბადის ატომზე, რის შედეგადაც აზოტის ატომზე ჩნდება უარყოფითი მუხტი და იზრდება მისი აქტივობა ალკოჰოლთან მიმართებაში. განსაკუთრებით ეფექტური კატალიზატორია ტრიეთილენდიამინი. პოლიურეთანის პლასტმასი მიიღება დიიზოციანატების პოლიოლებთან (პოლიალქოოლებთან) რეაქციით. როდესაც იზოციანატი რეაგირებს წყალთან, ადრე წარმოქმნილი ურეთანი იშლება და გამოიყოფა. CO2 . როდესაც პოლიალკოჰოლებისა და წყლის ნაზავი ურთიერთქმედებს დიიზოციანატებთან, პოლიურეთანის ქაფი იქმნება აირით. CO2. ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები. ეს კატალიზატორები აჩქარებენ ორი ტიპის რეაქციას და იძლევა უკეთეს შედეგს, ვიდრე რეაქტორების სერიით გადატანა ორ რეაქტორში, რომელთაგან თითოეული შეიცავს მხოლოდ ერთი ტიპის კატალიზატორს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ორმაგი მოქმედების კატალიზატორის აქტიური ადგილები ძალიან ახლოს არის ერთმანეთთან და ერთ-ერთ მათგანზე წარმოქმნილი შუალედური პროდუქტი მაშინვე იქცევა მეორეზე საბოლოო პროდუქტად.წყალბადის გამააქტიურებელი კატალიზატორის შერწყმა ნახშირწყალბადების იზომერიზაციის ხელშემწყობ კატალიზატორთან იძლევა კარგ შედეგს. წყალბადის გააქტიურებას ახორციელებს ზოგიერთი ლითონი, ხოლო ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია მჟავებით. ეფექტური ორმაგი მოქმედების კატალიზატორი, რომელიც გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში ნაფტას ბენზინად გარდაქმნის მიზნით, არის წვრილად გაფანტული პლატინი, რომელიც დეპონირებულია მჟავა ალუმინაზე. ნაფტას კომპონენტების, როგორიცაა მეთილციკლოპენტანი (MCP) ბენზოლად გარდაქმნა ზრდის ბენზინის ოქტანურ რაოდენობას. პირველი, MCP დეჰიდროგენირებულია კატალიზატორის პლატინის ნაწილზე ოლეფინად, იგივე ნახშირბადის ხერხემალით; შემდეგ ოლეფინი გადადის კატალიზატორის მჟავე ნაწილში, სადაც იზომერირდება ციკლოჰექსენამდე. ეს უკანასკნელი გადადის პლატინის ნაწილზე და დეჰიდროგენდება ბენზოლად და წყალბადად.
ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები მნიშვნელოვნად აჩქარებენ ნავთობის რეფორმირებას. ისინი გამოიყენება ნორმალური პარაფინების იზოპარაფინებად იზომერიზაციისთვის. ეს უკანასკნელი, რომელიც ადუღდება იმავე ტემპერატურაზე, როგორც ბენზინის ფრაქციები, ღირებულია, რადგან მათ აქვთ უფრო მაღალი ოქტანური რიცხვი სწორი ნახშირწყალბადებთან შედარებით. გარდა ამისა, ტრანსფორმაცია
ნ -ბუტანს იზობუტანამდე თან ახლავს დეჰიდროგენაცია, რაც ხელს უწყობს MTBE-ს წარმოებას.სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაცია. მნიშვნელოვანი ეტაპი ისტორიაშიკატალიზი მოხდა კატალიზური პოლიმერიზაციის აღმოჩენაა-ოლეფინები ფორმირებით სტერეორეგულარული x პოლიმერი ov. კატალიზატორებისკენ სტერეოსპეციფიკურიპოლიმერიზაცია აღმოაჩინა კ.ზიგლერმა, როდესაც ცდილობდა აეხსნა მის მიერ მიღებული პოლიმერების უჩვეულო თვისებები. კიდევ ერთი ქიმიკოსი, ჯ. ნატა, ვარაუდობს, რომ ზიგლერის პოლიმერების უნიკალურობა განისაზღვრება მათი სტერეორეგულარობა. რენტგენის დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ზიგლერის კატალიზატორების თანდასწრებით პროპილენისგან მომზადებული პოლიმერები ძალიან კრისტალურია და მართლაც აქვთ სტერეორეგულარული სტრუქტურა. ასეთი მოწესრიგებული სტრუქტურების აღსაწერად ნატამ შემოიტანა ტერმინები "იზოტაქტიკა და „სინდიოტაქტიკური“. იმ შემთხვევაში, როდესაც არ არის წესრიგი, გამოიყენება ტერმინი "ატაქტიკა":
სტერეოსპეციფიკური რეაქცია მიმდინარეობს მყარი კატალიზატორების ზედაპირზე, რომლებიც შეიცავს ჯგუფების გარდამავალ ლითონებს. IVA - VIII (როგორიცაა Ti, V, Cr, Zr ), რომლებიც არიან არასრულად დაჟანგულ მდგომარეობაში და ნახშირბადის ან წყალბადის შემცველი ნებისმიერი ნაერთი, რომელიც დაკავშირებულია ჯგუფის მეტალთან I-III . ასეთი კატალიზატორის კლასიკური მაგალითია ურთიერთქმედების დროს წარმოქმნილი ნალექი TiCl 4 და Al(C 2 H 5 ) 3 ჰეპტანში, სადაც ტიტანი მცირდება სამვალენტიან მდგომარეობამდე. ესგამორჩეულად აქტიურისისტემა ახდენს პროპილენის პოლიმერიზაციას ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე.კატალიზური დაჟანგვა.
კატალიზატორების გამოყენებას ჟანგვის პროცესების ქიმიის გასაკონტროლებლად დიდი სამეცნიერო და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ზოგიერთ შემთხვევაში, დაჟანგვა უნდა დასრულდეს, მაგალითად, მანქანის გამონაბოლქვი აირებში CO და ნახშირწყალბადების დამაბინძურებლების განეიტრალებისას.თუმცა, უფრო ხშირად, სასურველია, რომ დაჟანგვა იყოს არასრული, მაგალითად, მრავალ პროცესებში, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში ნახშირწყალბადების ღირებულ შუალედებად გადაქცევისთვის, რომლებიც შეიცავს ისეთ ფუნქციურ ჯგუფებს, როგორიცაა -CHO, -COOH, -C-CO, - CN. ამ შემთხვევაში გამოიყენება როგორც ერთგვაროვანი, ასევე ჰეტეროგენული კატალიზატორები. ერთგვაროვანი კატალიზატორის მაგალითია გარდამავალი ლითონის კომპლექსი, რომელიც გამოიყენება ჟანგვისთვისწყვილი
-ქსილენი ტერეფტალის მჟავამდე, რომლის ეთერები ემსახურება პოლიესტერის ბოჭკოების წარმოების საფუძველს.ჰეტეროგენული დაჟანგვის კატალიზატორები.
ეს კატალიზატორები, როგორც წესი, რთული მყარი ოქსიდებია. კატალიზური დაჟანგვა ხდება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, ოქსიდის ჟანგბადი ითვისება ნახშირწყალბადის მოლეკულით, რომელიც ადსორბირებულია ოქსიდის ზედაპირზე. ნახშირწყალბადი იჟანგება და ოქსიდი მცირდება. შემცირებული ოქსიდი რეაგირებს ჟანგბადთან და უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ვანადიუმის კატალიზატორის გამოყენებით ფთალიუმის ანჰიდრიდი მიიღება ნაფტალინის ან ბუტანის ნაწილობრივი დაჟანგვით.ეთილენის წარმოება მეთანის დეჰიდროდიმერიზაციით.
ეთილენის სინთეზი დეჰიდროდიმერიზაციის გზით ბუნებრივი აირის გარდაქმნის საშუალებას იძლევა უფრო ადვილად ტრანსპორტირებად ნახშირწყალბადებად. რეაქცია 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O ხორციელდება 850 ° -ზე სხვადასხვა კატალიზატორების გამოყენებით; საუკეთესო შედეგი მიღებული კატალიზატორით Li - MgO . სავარაუდოდ, რეაქცია მიმდინარეობს მეთილის რადიკალის წარმოქმნით მეთანის მოლეკულიდან წყალბადის ატომის გამოყოფით. გაყოფა ხორციელდება არასრულად შემცირებული ჟანგბადით, მაგალითად, ო 2
2-
. მეთილის რადიკალები აირის ფაზაში რეკომბინირებულია და წარმოქმნის ეთანის მოლეკულას და გარდაიქმნება ეთილენად შემდგომი დეჰიდროგენაციის დროს. არასრული დაჟანგვის კიდევ ერთი მაგალითია მეთანოლის ფორმალდეჰიდად გადაქცევა ვერცხლის ან რკინა-მოლიბდენის კატალიზატორის თანდასწრებით.ცეოლიტები. ცეოლიტები შეადგენენ ჰეტეროგენული კატალიზატორების სპეციალურ კლასს. ეს არის ალუმინოსილიკატები მოწესრიგებული თაფლისებრი სტრუქტურით, რომელთა უჯრედის ზომა შედარებულია მრავალი ორგანული მოლეკულის ზომასთან. მათ ასევე უწოდებენ მოლეკულურ საცერებს. ყველაზე დიდი ინტერესია ცეოლიტები, რომელთა ფორებს ქმნიან 8-12 ჟანგბადის იონისგან შემდგარი რგოლები (ნახ. 2). ზოგჯერ ფორები ერთმანეთს ემთხვევა, როგორც ZSM-5 ცეოლითში (ნახ. 3), რომელიც გამოიყენება მეთანოლის ბენზინის ფრაქციის ნახშირწყალბადებად გადაქცევისთვის. ბენზინი შეიცავს მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატულ ნახშირწყალბადებს და, შესაბამისად, აქვს მაღალი ოქტანური რიცხვი. მაგალითად, ახალ ზელანდიაში მოხმარებული ბენზინის მესამედი ამ ტექნოლოგიით არის მიღებული. მეთანოლი მიიღება იმპორტირებული მეთანისგან.
კატალიზატორები, რომლებიც ქმნიან Y-ცეოლიტების ჯგუფს, მნიშვნელოვნად ზრდის კატალიზური კრეკინგის ეფექტურობას, ძირითადად მათი უჩვეულო მჟავე თვისებების გამო. ალუმინოსილიკატების ცეოლითებით ჩანაცვლება შესაძლებელს ხდის ბენზინის მოსავლიანობის 20%-ზე მეტით გაზრდას. გარდა ამისა, ცეოლიტები შერჩევითია მოლეკულების მოლეკულების ზომით. მათი სელექციურობა განპირობებულია ფორების ზომით, რომლებშიც მხოლოდ გარკვეული ზომისა და ფორმის მოლეკულები შეიძლება გაიარონ. ეს ეხება როგორც საწყის მასალებს, ასევე რეაქციის პროდუქტებს. მაგალითად, სტერილური შეზღუდვების გამო
წყვილი -ქსილენი უფრო ადვილად წარმოიქმნება, ვიდრე უფრო მოცულობითიორთო- და მეტა - იზომერები. ეს უკანასკნელნი „ჩაკეტილია“ ცეოლითის ფორებში (სურ. 4).ცეოლიტების გამოყენებამ ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა ზოგიერთ სამრეწველო ტექნოლოგიაში - გაზის ზეთისა და ძრავის ზეთის დეცოფირება, პლასტმასის წარმოებისთვის ქიმიური შუალედური ნივთიერებების მიღება არომატული ნაერთების ალკილაციით, ქსილენის იზომერიზაციით, ტოლუოლის დისპროპორციულობით და ზეთის კატალიზური კრეკით. აქ განსაკუთრებით ეფექტურია ცეოლიტი
ZSM-5. კატალიზატორები და გარემოს დაცვა. ჰაერის დაბინძურების შესამცირებლად კატალიზატორების გამოყენება დასასრულს დაიწყო 19 40-იანი წლები. 1952 წელს ა.ჰაგენ-სმიტმა აღმოაჩინა, რომ ნახშირწყალბადები და აზოტის ოქსიდები, რომლებიც გამონაბოლქვი აირების ნაწილია, რეაგირებენ სინათლეზე და წარმოქმნიან ოქსიდანტებს (კერძოდ, ოზონს), რომლებიც აღიზიანებენ თვალებს და აძლევენ სხვა არასასურველ ეფექტებს. დაახლოებით ამავე დროს, ი. ჰუდრიმ შეიმუშავა გამონაბოლქვი აირების კატალიზური გაწმენდის მეთოდი დაჟანგვის გზით. CO და ნახშირწყალბადები მდე CO 2 და H 2 ა. 1970 წელს ჩამოყალიბდა სუფთა ჰაერის დეკლარაცია (შესწორებული 1977, გაფართოვდა 1990 წელს), რომელიც მოითხოვდა 1975 წლის მოდელების ყველა ახალი ავტომობილის აღჭურვას კატალიზური გადამყვანებით. დადგენილია გამონაბოლქვი აირების შემადგენლობის ნორმები. მას შემდეგ, რაც ბენზინის შხამის კატალიზატორებს დაემატა ტყვიის ნაერთები, მიღებულია ეტაპობრივი პროგრამა. ყურადღება გამახვილდა აზოტის ოქსიდების შემცველობის შემცირების აუცილებლობაზეც.კატალიზატორები შეიქმნა სპეციალურად საავტომობილო გადამყვანებისთვის, რომლებშიც აქტიური კომპონენტები დეპონირებულია თაფლისებრი სტრუქტურის მქონე კერამიკულ სუბსტრატზე, რომლის უჯრედებშიც გადის გამონაბოლქვი აირები. სუბსტრატი დაფარულია ლითონის ოქსიდის თხელი ფენით, მაგალითად
Al2O3 რომელზედაც გამოიყენება კატალიზატორი - პლატინი, პალადიუმი ან როდიუმი. თბოელექტროსადგურებში ბუნებრივი საწვავის წვის დროს წარმოქმნილი აზოტის ოქსიდების შემცველობა შეიძლება შემცირდეს გრიპის აირებში მცირე რაოდენობით ამიაკის დამატებით და ტიტან-ვანადიუმის კატალიზატორის მეშვეობით.ფერმენტები. ფერმენტები არის ბუნებრივი კატალიზატორები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ პროცესებს ცოცხალ უჯრედში. ისინი მონაწილეობენ ენერგიის გაცვლის, საკვები ნივთიერებების დაშლის, ბიოსინთეზის რეაქციებში. ბევრი რთული ორგანული რეაქცია მათ გარეშე ვერ გაგრძელდება. ფერმენტები ფუნქციონირებენ ჩვეულებრივ ტემპერატურასა და წნევაზე, აქვთ ძალიან მაღალი სელექციურობა და შეუძლიათ გაზარდონ რეაქციების სიჩქარე რვა რიგით სიდიდით. მიუხედავად ამ უპირატესობებისა, მხოლოდ დაახლ. 15000 ცნობილი ფერმენტიდან 20 ფართო მასშტაბით გამოიყენება.ადამიანი ათასობით წლის განმავლობაში იყენებს ფერმენტებს პურის გამოსაცხობად, ალკოჰოლური სასმელების, ყველისა და ძმრის დასამზადებლად. ახლა ფერმენტები გამოიყენება მრეწველობაშიც: შაქრის გადამუშავებაში, სინთეზური ანტიბიოტიკების, ამინომჟავების და ცილების წარმოებაში. სარეცხ საშუალებებს ემატება პროტეოლიზური ფერმენტები, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის პროცესებს.
ბაქტერიების დახმარებით
Clostridium acetobutylicum ჰ.ვაიზმანმა ჩაატარა სახამებლის ფერმენტული გარდაქმნა აცეტონად და ბუტილ სპირტად. აცეტონის მიღების ეს მეთოდი ფართოდ გამოიყენებოდა ინგლისში პირველი მსოფლიო ომის დროს, ხოლო მეორე მსოფლიო ომის დროს სსრკ-ში მისი დახმარებით ამზადებდნენ ბუტადიენურ რეზინას.განსაკუთრებით დიდი როლი ითამაშა მიკროორგანიზმების მიერ წარმოებული ფერმენტების გამოყენებამ პენიცილინის სინთეზისთვის, ასევე სტრეპტომიცინისა და ვიტამინის.
B12. ფერმენტულად წარმოებული ეთილის სპირტი ფართოდ გამოიყენება საავტომობილო საწვავად. ბრაზილიაში დაახლოებით 10 მილიონი მანქანის მესამედი მუშაობს შაქრის ლერწმისგან მიღებული ეთილის სპირტის 96%-ზე, ხოლო დანარჩენი ბენზინისა და ეთილის სპირტის ნარევზე (20%). საწვავის წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც წარმოადგენს ბენზინისა და ალკოჰოლის ნარევს, კარგად არის განვითარებული აშშ-ში. 1987 წელს დაახლ. 4 მილიარდი ლიტრი ალკოჰოლი, საიდანაც დაახლოებით 3,2 მილიარდი ლიტრი საწვავად იქნა გამოყენებული. სხვადასხვა აპლიკაციები ასევე გვხვდება ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. ეს ფერმენტები დაკავშირებულია მყარ მატარებელთან, როგორიცაა სილიკა გელი, რომელზედაც რეაგენტები გადადის. ამ მეთოდის უპირატესობა ის არის, რომ ის უზრუნველყოფს სუბსტრატების ეფექტურ კონტაქტს ფერმენტთან, პროდუქტების გამოყოფას და ფერმენტის შენარჩუნებას. იმობილიზებული ფერმენტების სამრეწველო გამოყენების ერთ-ერთი მაგალითია იზომერიზაციად - გლუკოზა ფრუქტოზამდე. ტექნოლოგიური ასპექტები თანამედროვე ტექნოლოგიები წარმოუდგენელია კატალიზატორების გამოყენების გარეშე. კატალიზური რეაქციები შეიძლება გაგრძელდეს 650-მდე ტემპერატურაზე° C და წნევა 100 ატმ ან მეტი. ეს აუცილებელს ხდის პრობლემების გადაჭრას, რომლებიც დაკავშირებულია აირისებრ და მყარ ნივთიერებებს შორის კონტაქტთან და კატალიზატორის ნაწილაკების გადატანასთან ახლებურად. იმისათვის, რომ პროცესი ეფექტური იყოს, მისმა მოდელირებამ უნდა გაითვალისწინოს კინეტიკური, თერმოდინამიკური და ჰიდროდინამიკური ასპექტები. აქ ფართოდ გამოიყენება კომპიუტერული მოდელირება, ასევე ახალი ინსტრუმენტები და მეთოდები ტექნოლოგიური პროცესების კონტროლისთვის.1960-იან წლებში მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ამიაკის წარმოებაში. უფრო აქტიური კატალიზატორის გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა წყალბადის წარმოების ტემპერატურის დაწევა წყლის ორთქლის დაშლის დროს, რის გამოც შესაძლებელი გახდა წნევის დაქვეითება და, შესაბამისად, წარმოების ხარჯების შემცირება, მაგალითად, იაფის გამოყენებით. ცენტრიდანული კომპრესორები. შედეგად, ამიაკის ღირებულება ნახევარზე მეტით დაეცა, იყო მისი წარმოების უზარმაზარი ზრდა და ამასთან დაკავშირებით - გაიზარდა საკვების წარმოება, რადგან ამიაკი არის ღირებული სასუქი.
მეთოდები. კატალიზის სფეროში კვლევები ტარდება როგორც ტრადიციული, ისე სპეციალური მეთოდებით. გამოიყენება რადიოაქტიური ეტიკეტები, რენტგენის, ინფრაწითელი და რამანის (რამანის) სპექტროსკოპია, ელექტრონული მიკროსკოპის მეთოდები; ტარდება კინეტიკური გაზომვები, შესწავლილია კატალიზატორების მიღების მეთოდების გავლენა მათ აქტივობაზე. დიდი მნიშვნელობა აქვს კატალიზატორის ზედაპირის ფართობის განსაზღვრას Brunauer-Emmett-Teller მეთოდით (BET მეთოდი), რომელიც ეფუძნება აზოტის ფიზიკური ადსორბციის გაზომვას სხვადასხვა წნევაზე. ამისათვის დაადგინეთ აზოტის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა კატალიზატორის ზედაპირზე მონოფენის ფორმირებისთვის და მოლეკულის დიამეტრის ცოდნა N 2 , გამოთვალეთ მთლიანი ფართობი. მთლიანი ზედაპირის ფართობის განსაზღვრის გარდა, ტარდება სხვადასხვა მოლეკულების ქიმიორბცია, რაც შესაძლებელს ხდის აქტიური ცენტრების რაოდენობის შეფასებას და მათი თვისებების შესახებ ინფორმაციის მოპოვებას.მკვლევარებს ხელთ აქვთ ატომურ დონეზე კატალიზატორების ზედაპირის სტრუქტურის შესწავლის სხვადასხვა მეთოდი. უნიკალური ინფორმაცია საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მეთოდი
EXAFS . სპექტროსკოპიულ მეთოდებს შორის სულ უფრო ხშირად გამოიყენება UV, X-ray და Auger ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია. დიდი ინტერესია მეორადი იონის მასის სპექტრომეტრია და იონების გაფანტვის სპექტროსკოპია. NMR გაზომვები გამოიყენება კატალიზური კომპლექსების ბუნების შესასწავლად. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი საშუალებას გაძლევთ ნახოთ ატომების განლაგება კატალიზატორის ზედაპირზე. პერსპექტივები მრეწველობაში კატალიზური პროცესების მასშტაბები ყოველწლიურად იზრდება. კატალიზატორები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება გარემოს დამაბინძურებლების გასანეიტრალებლად. იზრდება კატალიზატორების როლი ნახშირწყალბადების და ჟანგბადის შემცველი სინთეზური საწვავის წარმოებაში გაზისა და ნახშირისგან. როგორც ჩანს, ძალიან პერსპექტიულია საწვავის უჯრედების შექმნა საწვავის ენერგიის ელექტრო ენერგიად ეკონომიური გადაქცევისთვის.კატალიზის ახალი კონცეფციები შესაძლებელს გახდის პოლიმერული მასალების და მრავალი ღირებული თვისების მქონე სხვა პროდუქტების მიღებას, ენერგიის წარმოების მეთოდების გაუმჯობესებას, საკვების წარმოების გაზრდას, კერძოდ, მიკროორგანიზმების დახმარებით ალკანებისა და ამიაკის ცილების სინთეზით. შესაძლოა შესაძლებელი იყოს გენეტიკურად ინჟინერიული მეთოდების შემუშავება ფერმენტების და ორგანული მეტალის ნაერთების წარმოებისთვის, რომლებიც უახლოვდებიან ბუნებრივ ბიოლოგიურ კატალიზატორებს მათი კატალიზური აქტივობითა და სელექციურობით.
ლიტერატურაგეითსი B.K. კატალიზური პროცესების ქიმია . მ., 1981 წბორესკოვი გ.კ. კატალიზი. თეორიისა და პრაქტიკის კითხვები . ნოვოსიბირსკი, 1987 წ
განკინ V.Yu., Gankin Yu.V.კატალიზის ახალი ზოგადი თეორია . ლ., 1991 წ
ტოკაბე კ. კატალიზატორები და კატალიზური პროცესები . მ., 1993 წ
