Reaksionet janë katalizuar. Kataliza në reaksionet kimike

Shumica e proceseve të teknologjisë kimike janë reaksione katalitike. Kjo për faktin se me futjen e një katalizatori, shkalla e ndërveprimit të substancave rritet ndjeshëm. Në këtë rast, prodhuesit mund të ulin kostot ose të marrin më shumë produkte reagimi në të njëjtën periudhë kohore. Kjo është arsyeja pse shumë vëmendje i kushtohet studimit të katalizës në trajnimin e teknologëve. Megjithatë, ky fenomen luan gjithashtu një rol të rëndësishëm në natyrë. Pra, substanca të veçanta rregullojnë rrjedhën e reaksioneve biokimike në organizmat e gjallë, duke ndikuar kështu në metabolizmin.

Koncepti i katalizës

Thelbi i këtij fenomeni kimik është të rregullojë shkallën e transformimit të substancave duke përdorur reagentë të veçantë që mund të ngadalësojnë ose përshpejtojnë këtë proces. Në këtë rast, flitet për katalizë pozitive ose negative. Ekziston edhe fenomeni i autokatalizës, kur një nga produktet e ndërmjetme të një reaksioni kimik ndikon në shpejtësinë e reaksionit. Proceset katalitike janë të shumëllojshme, ato ndryshojnë në mekanizmat, gjendjen e grumbullimit të përbërjeve dhe drejtimin.

Substancat që ngadalësojnë ndërveprimet kimike quhen frenues, dhe ato që përshpejtojnë reaksionet katalitike quhen katalizatorë. Të dy ata dhe të tjerët ndryshojnë shkallën e reagimit me anë të ndërveprimit të ndërmjetëm të përsëritur me një ose më shumë nga pjesëmarrësit e tij. Në të njëjtën kohë, ato nuk përfshihen në përbërjen e produkteve dhe restaurohen pas përfundimit të ciklit të transformimit të substancave. Prandaj, pjesëmarrja e katalizatorit nuk pasqyrohet në ekuacionin e reaksionit në mënyrë stoikiometrike, por tregohet vetëm si kusht për bashkëveprimin e substancave.

Llojet e reaksioneve katalitike

Sipas gjendjes së grumbullimit të substancave që marrin pjesë në një reaksion kimik, dallohen:

• reaksionet homogjene - reaktantët, produktet dhe katalizatori janë në të njëjtën gjendje grumbullimi (fazë), ndërsa molekulat e substancave shpërndahen në mënyrë të barabartë në të gjithë vëllimin;
• reaksionet katalitike ndërfaqesore - ndodhin në ndërfaqen e lëngjeve të papërziershme, dhe roli i katalizatorit reduktohet në transferimin e reagentëve përmes tij;
• reaksione katalitike heterogjene - në to, katalizatori ka një gjendje grumbullimi të ndryshme nga reaktantët, dhe ai vetë kryhet në ndërfaqe;
• reaksionet heterogjene-homogjene - inicohen në ndërfaqen me katalizatorin dhe vazhdojnë në vëllimin e reaksionit;
• reaksionet mikroheterogjene - grimcat e vogla të një katalizatori të ngurtë formojnë micela në të gjithë vëllimin e fazës së lëngshme.

Ekziston edhe kataliza redoks, e shoqëruar nga një ndryshim në gjendjen e oksidimit të katalizatorit pas ndërveprimit me reagentët. Shndërrime të tilla quhen reaksione oksidimi dhe reduktimi katalitik. Më e zakonshme në prodhimin kimik është oksidimi i dioksidit të squfurit në trioksid në prodhimin e acidit sulfurik.

Llojet e katalizatorëve

Sipas gjendjes së grumbullimit, katalizatorët janë të lëngët (H 2 SO 4, H 3 RO 4), të ngurtë (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) dhe të gaztë (BF 3).

Sipas llojit të substancës, katalizatorët ndahen në:

• metalet - mund të jenë të pastra, aliazhe, të ngurta ose të depozituara në një bazë poroze (Fe, Pt, Ni, Cu);
• komponimet metalike të tipit M m E n - oksidet më të zakonshme janë MgO, Al 2 O 3, MoO 3, etj.;
• acidet dhe bazat - përdoren për reaksionet katalitike acid-bazë, këto mund të jenë acide Lewis, Bronsted, etj .;
• komplekset metalike - në këtë grup bëjnë pjesë edhe kripërat e metaleve kalimtare, si PdCl 2 , Ni (CO) 4 ;
• enzimat (janë edhe enzima) janë biokatalizatorë që përshpejtojnë reaksionet që ndodhin në organizmat e gjallë.

Sipas specifikave të strukturës elektronike dallohen katalizatorët d që kanë d-elektrone dhe d-orbitale si dhe katalizatorë s, p, qendra e të cilëve është një element me valencë s dhe p-elektrone.

Vetitë e katalizatorëve

Për t'u përdorur në mënyrë efektive, për to aplikohet një listë mjaft e gjerë kërkesash, e cila ndryshon për një proces të caktuar. Por më të rëndësishmet janë dy vetitë e mëposhtme të katalizatorëve:

• Specifikimi qëndron në aftësinë e katalizatorëve për të ndikuar vetëm në një reagim ose një seri transformimesh të ngjashme dhe të mos ndikojnë në shpejtësinë e të tjerëve. Kështu, platini përdoret më shpesh në reaksionet e hidrogjenizimit organik.
• Selektiviteti karakterizohet nga aftësia për të përshpejtuar një nga disa reagimet e mundshme paralele, duke rritur kështu rendimentin e produktit më të rëndësishëm.

Shpejtësia e reaksionit katalitik

Arsyeja e përshpejtimit të ndërveprimit të substancave është formimi i një kompleksi aktiv me një katalizator, duke çuar në një ulje të energjisë së aktivizimit.

Sipas postulatit bazë të kinetikës kimike, shpejtësia e çdo reaksioni kimik është drejtpërdrejt proporcionale me produktin e përqendrimeve të substancave fillestare, të cilat merren në fuqi që korrespondojnë me koeficientët e tyre stoikiometrikë:

v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z,

ku k është konstanta e shpejtësisë së një reaksioni kimik, numerikisht e barabartë me shpejtësinë e të njëjtit reaksion, me kusht që përqendrimet e përbërjeve fillestare të jenë 1 mol/l.

Sipas ekuacionit Arrhenius, k varet nga energjia e aktivizimit:

k \u003d A ∙ exp ^ (-E A / RT).

Këto rregullsi janë të vlefshme edhe për reaksionet katalitike. Kjo konfirmohet nga ekuacioni për raportin e konstanteve të shpejtësisë:

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

ku variablat me indeks K u referohen reaksioneve katalitike.

Fazat e reaksioneve katalitike

Për reaksione katalitike homogjene, mjaftojnë dy hapa kryesorë:

1. Formimi i një kompleksi të aktivizuar: A + K -> AA.
2. Ndërveprimi i kompleksit të aktivizuar me substanca të tjera fillestare: AA + B ―> C + K.

Në formën e përgjithshme, shkruhet një ekuacion i formës A + B -> C.

Mekanizmi i reaksioneve katalitike heterogjene është kompleks. Dallohen gjashtë fazat e mëposhtme:

1. Sjellja e komponimeve fillestare në sipërfaqen e katalizatorit.
2. Adsorbimi i reagentëve fillestarë nga sipërfaqja e katalizatorit dhe formimi i një kompleksi të ndërmjetëm: A + B + K ―> AVK.
3. Aktivizimi i kompleksit që rezulton: ΑVC ―> ΑVC * .
4. Zbërthimi i përbërjes komplekse, ndërsa produktet e formuara absorbohen nga katalizatori: ΑВК * ―> CDK.
5. Desorbimi i produkteve që rezultojnë nga sipërfaqja e katalizatorit: CDK ―> C + D + K.
6. Largimi i produkteve nga katalizatori.

Shembuj të reaksioneve katalitike

Katalizatorët përdoren jo vetëm në industrinë kimike. Çdo person në jetën e tij të përditshme përballet me reagime të ndryshme katalitike. Ky është, për shembull, përdorimi i peroksidit të hidrogjenit në trajtimin e plagëve. Peroksidi i hidrogjenit, kur ndërvepron me gjakun, fillon të dekompozohet nën ndikimin e:

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

Në makinat moderne, ajo është e pajisur me dhoma të veçanta katalitike që kontribuojnë në dekompozimin e substancave të dëmshme të gazta. Për shembull, platini ose rodiumi ndihmon në reduktimin e ndotjes së oksidit të azotit, i cili shpërbëhet për të formuar O 2 dhe N 2 të padëmshme.

Disa pasta të dhëmbëve përmbajnë enzima që shpërbëjnë pllakat dhe mbetjet ushqimore.

Një nga metodat më të zakonshme për kontrollin e shpejtësisë së reaksionit është përdorimi i katalizatorëve.

Katalizatorët- këto janë substanca që marrin pjesë aktive në fazat e ndërmjetme të reagimit, ndryshojnë shpejtësinë e procesit të përgjithshëm, por gjenden në produktet e reagimit në një gjendje të pandryshuar.

Ndryshimi i shpejtësisë së reaksionit në prani të katalizatorëve quhet kataliza, dhe vetë reagimet reaksionet katalitike.

Ekzistojnë dy qasje për klasifikimin e reaksioneve katalitike.

1. Nga prania e kufirit të fazës, ekzistojnë:

– kataliza homogjene kur reaktantët, katalizatori dhe produktet e reaksionit janë në vëllimin e një faze;

– kataliza heterogjene kur katalizatori dhe reaktantët me produktet e reaksionit janë në faza të ndryshme; shpesh katalizatori formon një fazë të ngurtë, ndërsa reaktantët dhe produktet janë në fazën e lëngshme ose në fazën e gazit.

2. Për nga natyra e ndryshimit të shpejtësisë së reagimit, ndodh:

– kataliza pozitive, në të cilën katalizatori rrit shpejtësinë e reaksionit;

– kataliza negative (frenim), në të cilin katalizatori ( frenues) ngadalëson shpejtësinë e reagimit;

– autokataliza kur produkti i reaksionit luan rolin e një katalizatori; për shembull, në hidrolizën e një esteri

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

acidi acetik i formuar si rezultat i reaksionit ndan një jon hidrogjeni, i cili fillon të luajë rolin e një katalizatori për reaksionin e hidrolizës. Prandaj, në fillim, një reagim i ngadalshëm ka një shpejtësi gjithnjë e më në rritje me kalimin e kohës.

Për të shpjeguar mekanizmin e reaksioneve katalitike, u propozua teoria e ndërmjetme. Sipas kësaj teorie, me katalizë pozitive, katalizatori ( te) formon një përbërje të ndërmjetme me një nga reagentët me një shpejtësi të lartë, i cili gjithashtu ndërvepron shpejt me reagentin e dytë:

A + B D(ngadalë)

1) A + K AK(e shpejte)

2) AK + B D + K(e shpejte)

Figura 4a tregon se energjia e aktivizimit të procesit jo-katalitik është shumë më e lartë se energjitë e aktivizimit të fazës së parë dhe të dytë të shndërrimit katalitik. Kështu, me katalizë pozitive roli i katalizatorit është të zvogëlojë energjinë e aktivizimit të reaksionit.

rruga e reagimit a)

Rruga e reagimit b) rruga e reagimit a)

Figura 4 Diagramet energjetike të reaksionit katalitik (a) dhe

reaksioni i frenuar (b)

Në reaksionet e frenimit, inhibitori ( I) formon një përbërje të fortë të ndërmjetme me shpejtësi të lartë ( AI), i cili shumë ngadalë kthehet në një produkt reaksioni:

A + B D(ngadalë)

1) A + IAI(shumë shpejt)

2) AI + B D + I(Kaq i ngadalshëm)

Figura 4b tregon se faza e parë e frenimit, në krahasim me procesin e pafrenuar, ka një energji aktivizimi më të ulët dhe vazhdon shumë shpejt. Në të njëjtën kohë, energjia e aktivizimit të fazës së dytë të frenimit është shumë më e lartë se ajo e reaksionit të pafrenuar. Kështu, në reaksionet e frenuara roli i inhibitorit është të rrisë energjinë e aktivizimit të reaksionit.

TIPARET E ENZIMATIKE

KATALIZA

Enzimat(nga lat. fermentum- starter) - katalizatorë biologjikë të pranishëm në të gjitha sistemet biologjike. Ata kryejnë transformimin e substancave në trup, duke drejtuar dhe rregulluar metabolizmin në të. Enzimat përdoren gjerësisht në industrinë ushqimore dhe të lehtë. Nga natyra kimike, enzimat janë një molekulë proteine ​​globulare.

Kataliza enzimatike (biokataliza)- ky është përshpejtimi i reaksioneve kimike në sistemet biologjike nga proteinat speciale - enzimat. Kataliza enzimatike bazohet në të njëjtat ligje kimike si baza e katalizës kimike konvencionale të përdorur në prodhimin kimik. Sidoqoftë, kataliza enzimatike ka karakteristikat e veta:

1. Aktiviteti më i lartë në krahasim me katalizatorët kimikë (rritja e shpejtësisë me 10 10 - 10 13 herë). Kjo ndodh sepse reaksionet enzimatike në të gjitha fazat kanë energji shumë të ulëta aktivizimi (Figura 5).

2. Shumica e enzimave janë të ndryshme specifika e veprimit, kështu që pothuajse çdo reagim i transformimit të reaktantit ( substrate) në produkt kryhet nga një enzimë e veçantë. Ekzistojnë dy teori të specifikës së veprimit të enzimës:

1) Teoria e Fisherit(teoria e "kyç-kyçit"): enzima dhe substrati duhet t'i afrohen njëri-tjetrit në aspektin e strukturës hapësinore si një çelës për bllokimin e tij;

2) Teoria e Koshland(teoria e "duart dhe dorezat"): enzima dhe substrati veçmas mund të mos kenë forma hapësinore që korrespondojnë me njëra-tjetrën, por kur afrohen, konfigurimet e tyre ndryshojnë në atë mënyrë që korrespondenca e rreptë hapësinore bëhet e mundur.

3. Enzimat priren të fenomeni i inaktivizimit- shkatërrimi i molekulës së enzimës pas ndërveprimit me një numër të caktuar të molekulave të substratit. Sa më i lartë të jetë aktiviteti i enzimës, aq më shpejt shkatërrohet. Fenomeni i inaktivizimit shpjegohet me teorinë e Koshland. Në të vërtetë, sa më aktive të jetë enzima, aq më intensivisht ndërvepron me substratin, në të cilin molekula e enzimës pëson deformime të konsiderueshme hapësinore. Një deformim i tillë i përsëritur çon në këputjen e lidhjeve kimike më të dobëta, domethënë në shkatërrimin e molekulës së enzimës.

4. Çdo enzimë përmban një molekulë proteine. Njëkomponentësh përbëhen vetëm nga një molekulë proteine dy komponentësh- nga një molekulë proteine ​​dhe një përbërës jo proteinik i lidhur me të (një jon inorganik ose një molekulë e një përbërjeje organike - më shpesh një molekulë vitamine ose një produkt i transformimit të tij) - kofaktor. Kompleksi molekular i një proteine ​​dhe një kofaktori quhet holoenzima, e cila ka aktivitetin më të lartë katalitik. Në përbërjen e holoenzimës quhet pjesa proteinike feroni, dhe pjesa jo proteinike agon. Një përbërës proteinik pa një kofaktor quhet apoenzimë dhe kofaktori i ndarë nga molekula e proteinës - koenzimë. Përveç kofaktorit, molekula e proteinës ka aktivitet shumë të ulët dhe koenzima si katalizator është përgjithësisht joaktive.

5. Shumica e enzimave janë të rregulluara, pra janë në gjendje të kalojnë nga një gjendje me aktivitet të ulët në një gjendje të aktivitetit të lartë dhe anasjelltas. Mekanizmi i rregullimit është një sistem kompleks me të cilin trupi kontrollon të gjitha funksionet e tij.

6. Enzimat janë shumë të ndjeshme ndaj ndikimit të kushteve të jashtme. Ato janë aktive në një gamë relativisht të ngushtë të temperaturave dhe vlerave të pH.

Mekanizmi i reaksioneve enzimatike është i ngjashëm me mekanizmin e reaksioneve të katalizuara nga katalizatorët kimikë:

S + E ES P + E,

pra në fillim formohet shumë shpejt Kompleksi enzimë-substrat ES, të cilat mund të shpërndahen përsëri në substrat S dhe enzimë E, por gjithashtu shndërrohet ngadalë në produkt reaksioni P. Në një përqendrim konstant të enzimës, varësia e shkallës fillestare të konvertimit të substratit v0 përshkruhet nga përqendrimi fillestar i tij Ekuacioni kinetik i Michaelis-Menten:

v0 = ,

ku Km dhe Vmax– parametrat kinetikë që pasqyrojnë mekanizmin e veprimit të enzimës.

Teknika për përcaktimin e këtyre parametrave bazohet në përdorimin Ekuacionet Lineweaver–Burke, e cila përftohet duke transformuar ekuacionin Michaelis-Menten:

= +

Figura 6 tregon metodologjinë për përcaktimin e parametrave Km dhe Vmax. Vmax -është shpejtësia maksimale fillestare e reagimit në një përqendrim të caktuar enzime [ E] (Figura 7). Aktiviteti molar i enzimës(a E) përcaktohet nga relacioni:

e cila tregon numrin e molekulave të substratit të konvertuara nga një molekulë enzimë për njësi të kohës. Për shembull, për reagimin CO 2 + H 2 O H 2 CO 3, i katalizuar nga enzima karbonate dehidrataza e gjakut dhe E \u003d 36 10 6 mol CO 2/ (min ∙ mol E), domethënë, 1 molekulë enzimë në një minutë katalizon transformimin e 36 milionë molekulave CO 2.

Figura 7 Varësia e shpejtësisë fillestare të reaksionit enzimatik nga përqendrimi fillestar i substratit

Parametri Km ka kuptimin e sasisë së substratit që kërkohet për të lidhur gjysmën e enzimës së disponueshme në kompleksin enzimë-substrat dhe për të arritur gjysmën e shpejtësisë maksimale (Figura 7). Kjo është arsyeja pse Km mund të përdoret për të vlerësuar specifikën e veprimit të një enzime të caktuar në lidhje me një substrat të caktuar. Për shembull, për reagimin

monosakarid + ATP sheqer fosfat + ADP,

katalizohet nga enzima heksokinaza, për glukozën e përftuar K m= 8∙10 –6 mol/l, dhe për allose K m= 8∙10 –3 mol/l. Rrjedhimisht, enzima ndërvepron në mënyrë më të preferuar me glukozën, pasi kërkon 1000 herë më pak se aloza për të arritur të njëjtin rezultat.

4. EKUILIBRI KIMIK

Kur arrihet një gjendje ekuilibri kimik, numri i molekulave të substancave pushon së ndryshuari dhe mbetet konstant në kohë në kushte të jashtme të pandryshuara. Ekuilibri kimik karakterizohet nga karakteristikat e mëposhtme:

1) barazia e shpejtësisë së reaksioneve të drejtpërdrejta dhe të kundërta;

2) qëndrueshmëria e përqendrimeve (presioneve të pjesshme) të përbërësve në kushte konstante të jashtme;

3) lëvizshmëria, domethënë aftësia për t'u rikuperuar spontanisht me zhvendosje të vogla;

4) ekuilibri arrihet nga reaksionet e përparme dhe të kundërta.

Merrni parasysh diagramin energjetik të një reaksioni kimik

A + B D(Figura 8). Për këtë reagim:

Figura 8 Diagrami i energjisë i një reaksioni kimik të kthyeshëm

Rrjedhimisht, në një temperaturë të caktuar, reaksionet e përparme dhe të kundërta kanë konstante të shpejtësisë të përcaktuara mirë. Prandaj, në reaksionet e kthyeshme, kthesat kinetike kanë formën e treguar në figurën 9 a. Nga figura shihet se pas arritjes së kohës t fq përqendrimet e përbërësve mbeten të pandryshuara.

sipas ligjit në veprim masiv

Nga figura 9 b shihet se pas arritjes së kohës së ekuilibrit tp arrihet barazia e shpejtësisë. Pastaj

ku Kc= - konstante e ekuilibrit kimik të përcaktuar nga përqendrimet e ekuilibrit të përbërësve.

Figura 9 Lakoret kinetike (a) dhe varësitë e shpejtësisë së reaksioneve të përparme dhe të kundërta nga koha (b) për një reaksion të kthyeshëm

Në përgjithësi, për reagimin

mA +nB qD +fE

konstanta e ekuilibrit jepet nga

Në këtë mënyrë, Kcështë një parametër karakteristik i sistemit të reaksionit në një temperaturë të caktuar, i cili përcakton raportin e përqendrimeve të përbërësve në një gjendje ekuilibri kimik.

Nëse reaksioni vazhdon në fazën e gazit, atëherë presionet e pjesshme të përbërësve të sistemit përdoren në vend të përqendrimeve. Për reaksionin e ekuilibrit të mësipërm, konstanta e ekuilibrit, e përcaktuar nga presionet e pjesshme të përbërësve në gjendjen e ekuilibrit, gjendet si

Për gazet ideale p i =C i RT. Kjo është arsyeja pse

ku - është ndryshimi i numrit të moleve të komponentëve gjatë reaksionit.

vlerat Kc dhe Kp varen nga temperatura dhe nga natyra e përbërësve të sistemeve të reaksionit.

Nga ekuacionet Arrhenius për reaksionet e drejtpërdrejta dhe të kundërta rezulton:

ln k pr=n Një pr dhe ln k arr=n Një arr

Që atëherë

ln K f=n

ku ΔН prështë efekti termik i reaksionit të drejtpërdrejtë.

Nga ekuacioni që rezulton rrjedh se varësia Kp ka formën e një vije të drejtë dhe për të (Figura 10), prej nga vijon .

Për përcaktimin ΔH pr metoda analitike gjeni vlerën Kp në dy temperatura të ndryshme dhe kryeni llogaritjet sipas formulës

ΔH pr

Figura 10 Përcaktimi i efektit termik të një reaksioni endotermik të drejtpërdrejtë ( ΔН pr >0)

Shprehja e fundit quhet ekuacion integral izobaret e një reaksioni kimik. Ai lidh konstantet e ekuilibrit në dy temperatura të ndryshme dhe përshkruan sistemet e ekuilibrit në të cilat presioni total mbetet konstant ndërsa temperatura ndryshon.

Nëse vëllimi i sistemit mbetet konstant kur temperatura ndryshon, si për shembull, në reaksionet në tretësirë, atëherë marrëdhënia midis parametrave shprehet përmes izokore e një reaksioni kimik

ΔU pr .

Duke diskutuar drejtimin e reaksioneve kimike nga pikëpamja e termodinamikës kimike, u vu re se sistemi është në një gjendje ekuilibri kimik nën kushtin ∆G= 0. Bazuar në këtë pozicion, ekuacioni izotermave të reaksioneve kimike, e cila ju lejon të përcaktoni shenjën ∆G dhe, në përputhje me rrethanat, drejtimi i reaksionit kimik nën kushtin e përzierjes së përbërësve të sistemit të reaksionit në raporte arbitrare:

ΔG= RT(ln-ln Kp)

ku pA dhe p B- presione të pjesshme arbitrare të përbërësve që përftohen nga përzierja e tyre.

Një marrëdhënie e ngjashme u propozua gjithashtu për një sistem, përbërësit e të cilit janë në zgjidhje.

Për shembull, për reagimin

mA+nB qD+fE,

ekuilibri i të cilit vendoset në fazën e lëngshme, ekuacioni i izotermës së reaksionit kimik ka këtë formë:

ΔG= RT(ln-ln Kc)

ku janë fraksionet molare të përbërësve në tretësirën, e cila përftohet nga përzierja e një sasie arbitrare substancash A, B, D dhe E.

Zhvendosja e bilancit. Ndryshimi i temperaturës, përqendrimit, presionit të një sistemi që është në gjendje ekuilibri, e nxjerr atë jashtë ekuilibrit. Por pas një kohe të caktuar, në sistem vendoset përsëri një gjendje e re ekuilibri, parametrat e së cilës tashmë ndryshojnë nga gjendja fillestare. Një kalim i tillë i një sistemi nga një gjendje ekuilibri në një gjendje tjetër ekuilibri në kushte të ndryshimit quhet zhvendosje në ekuilibër. Përdoret për të rritur rendimentin e produktit të synuar për ato sisteme që kanë konstante të vogla ekuilibri. Përveç kësaj, metoda e zhvendosjes së ekuilibrit mund të shtypë proceset paralele të padëshirueshme.

Por në të njëjtën kohë, është e nevojshme të kemi parasysh dy faktorë që nuk ndikojnë në gjendjen e ekuilibrit. Së pari, futja e një katalizatori në një sistem ekuilibri nuk çon në një ndryshim në ekuilibër. Katalizatori ul njëkohësisht energjinë e aktivizimit të reaksioneve të përparme dhe të kundërta, gjë që çon në një rritje të shpejtësisë së të dy reaksioneve në të njëjtën masë. Si rezultat i përdorimit të katalizatorit, gjendja e ekuilibrit arrihet në një periudhë më të shkurtër kohore. Së dyti, në sistemet heterogjene të ekuilibrit, përqendrimet dhe presionet e pjesshme të lëndëve të ngurta të patretshme dhe jo të avullueshme nuk përfshihen në shprehjen e konstantës së ekuilibrit. Për shembull, për reagimin FeO + CO Fe + CO 2 konstanta e ekuilibrit përcaktohet si Kp= .

Efekti i temperaturës. Ekuacionet izokore dhe izobaret bëjnë të mundur parashikimin e drejtimit të zhvendosjes së ekuilibrit me ndryshimin e temperaturës. Për shembull, nëse sistemi është në ekuilibër dhe reaksioni përpara është ekzotermik (DH pr <0), то при повышении температуры (T 2 > T 1) pabarazia K p,2 K p,1. Kjo sugjeron që në gjendjen e re të ekuilibrit, presioni i pjesshëm i produkteve të reaksionit do të jetë më i vogël, domethënë reaksioni do të zhvendoset në të majtë.

Një rritje e temperaturës zhvendos ekuilibrin në drejtim të një reaksioni endotermik, dhe një ulje e temperaturës - në drejtim të një reaksioni ekzotermik.

Kështu, arrihet rendimenti më i lartë i produkteve:

Për reaksione ekzotermike në temperatura të ulëta;

Për reaksionet endotermike në temperatura të larta.

Ndikimi i përqendrimit (presioni i pjesshëm). Ekuacioni izotermave lejon parashikimin e drejtimit të zhvendosjes së ekuilibrit kur ndryshon përqendrimi i ndonjë komponenti të sistemit të ekuilibrit. Le të jetë sistemi në ekuilibër. Pastaj ΔG=0 dhe përqendrimet e komponentëve në ekuacionin e izotermës korrespondojnë me vlerat e ekuilibrit dhe = Kc. Nëse një pjesë e produkteve të reaksionit hiqet nga sistemi, atëherë lind një gjendje joekuilibri me raportin e parametrave Kc dhe përkatësisht, ΔG< 0. Pabarazia e fundit është kusht termodinamik për shfaqjen spontane të një reaksioni të drejtpërdrejtë. Rrjedhimisht, një gjendje e re ekuilibri arrihet duke shndërruar një pjesë të reagentëve fillestarë në produkte reaksioni - duke zhvendosur ekuilibrin në të djathtë.

Rritja e përqendrimit (presioni i pjesshëm) i reagentëve fillestarë e zhvendos ekuilibrin drejt formimit të produkteve, dhe një rënie në përqendrimin e tyre (presioni i pjesshëm) - drejt shndërrimit të kundërt të produkteve në ato origjinale. Rritja e përqendrimit (presioni i pjesshëm) i produkteve e zhvendos ekuilibrin në drejtim të reaksionit të kundërt, dhe një ulje e përqendrimit të tyre (presioni i pjesshëm) në drejtim të reagimit të drejtpërdrejtë.

Prandaj, për të rritur rendimentin e produktit të reaksionit, është e nevojshme të rriten përqendrimet (presionet e pjesshme) të reagentëve fillestarë ose të zvogëlohet përqendrimi (presionet e pjesshme) të produkteve duke i tërhequr gradualisht ato nga sistemi i reaksionit.

Ndikimi i presionit total të sistemit. Le të jepet një sistem ekuilibër në fazë gazi mA nB, per cilin nm, domethënë, reaksioni i drejtpërdrejtë vazhdon me një rritje të numrit të molekulave.

Sipas ligjit të Daltonit, pA = p∙y A dhe pB = p∙y B, ku R- presioni total në sistem; r A, r B janë presionet e pjesshme të komponentëve; y A, y B janë fraksionet molare të përbërësve në fazën e gazit. Atëherë ekuacioni i izotermës merr formën e mëposhtme

Nëse në presion f 1 atëherë sistemi është në ekuilibër

.

Rritja e presionit në p 2 e nxjerr sistemin jashtë ekuilibrit. sepse ( p-t) 0, atëherë lind lidhja e mëposhtme e parametrave të sistemit

dhe ∆G> 0.

Ky është kushti termodinamik që të ndodhë reaksioni i kundërt. Rrjedhimisht, me rritjen e presionit, do të krijohet një gjendje e re ekuilibri si rezultat i transformimit të kundërt të produktit. AT në lidhjen origjinale POR, duke rezultuar në një ulje të numrit total të molekulave në sistem.

Duke përmbledhur rezultatet e marra, mund të nxirren përfundimet e mëposhtme:

Një rritje në presionin total të sistemit zhvendos ekuilibrin në drejtim të reaksionit që ndodh me një ulje të numrit të molekulave;

Një rënie në presionin total të sistemit çon në një zhvendosje të ekuilibrit drejt reagimit që vazhdon me një rritje të numrit të molekulave.

Përgjithësimi i modeleve të ndikimit të të gjithë faktorëve në drejtimin e zhvendosjes së ekuilibrit çon në një rregull të quajtur Parimi i Le Chatelier:

nëse në një sistem ekuilibri ushtrohet një ndikim i jashtëm (ndryshimi i temperaturës, përqendrimit ose presioneve të pjesshme të përbërësve, presioni total), atëherë ai do të reagojë në atë mënyrë që efekti i këtij ndikimi të dobësohet.

REAKSIONET FOTOKIMIKE

Reaksionet kimike që zhvillohen nën ndikimin e dritës quhen reaksionet fotokimike. Reaksionet më të rëndësishme fotokimike përfshijnë formimin e ozonit nga oksigjeni molekular nën veprimin e rrezatimit ultravjollcë nga Dielli:

O 2 + h O

O + O 2 O 3 + O

Ozoni që rezulton Rreth 3 thith rrezet ultravjollcë në intervalin 250-260 mmk, të cilat kanë një efekt të dëmshëm në organizmat e gjallë. Një tjetër reaksion i rëndësishëm fotokimik është fotosinteza, e cila rezulton në thithjen e dioksidit të karbonit nga atmosfera nga bimët dhe lirimin e oksigjenit. Zbërthimi fotokimik i bromit të argjendit është në qendër të procesit fotografik.

Energjia e fotonit (kuantike e rrezatimit) E) përcaktohet nga relacioni

E = h

ku h- Konstanta e Plankut (h 6,626 10 J∙s); - frekuenca e rrezatimit, s. Gjatësia e valës së dritës së dukshme, rrezet infra të kuqe dhe ultravjollcë shtrihet në rangun nga 100 nm në 1000 nm, dhe energjia e tyre është nga 120 kJ / mol deri në 1200 kJ / mol. Një kuant rrezatimi absorbohet nga një elektron i vetëm i një atomi në një molekulë, si rezultat i së cilës ky elektron kalon në një nivel më të lartë energjie. Si rezultat, ekzistojnë tre pasoja të ndryshme të thithjes së energjisë në formën e rrezatimit:

1. Një atom ose molekulë kalon në një gjendje të ngacmuar:

A + h A *

M + h M *

2. Shkëputja e një molekule me formimin e atomeve ose radikalet e lira:

AB + h A + B

3. Arsimi thjeshtë ose jonet molekulare duke hequr një elektron:

A + h A + +

AB + h AB + +

Të gjitha këto procese i nënshtrohen ligjeve të mëposhtme.

1. Reaksionet fotokimike mund të shkaktohen vetëm nga ajo pjesë e rrezatimit rënës që absorbohet nga sistemi reagues ( Ligji i Grotthuss-Dreper).

2. Çdo kuant rrezatimi i absorbuar shkakton transformimin e vetëm një molekule ( Ligji i Ajnshtajn-Stark).

3. Sasia e produktit të formuar si rezultat i një reaksioni fotokimik është në proporcion me intensitetin e rrezatimit të absorbuar dhe kohën e ekspozimit ( Ligji i Van't Hofit).

Ligji i fundit mund të përfaqësohet në formë matematikore:

m = kt,

ku mështë masa e substancës së konvertuar fotokimikisht, g; është fuqia e rrezatimit të absorbuar, d.m.th. sasia e energjisë që transferon fluksin e dritës përmes një njësie të sipërfaqes për njësi të kohës, J / s; t– koha e rrezatimit, s.; k– konstante e shpejtësisë së reagimit, g/J.

Gjatë verifikimit eksperimental të ligjeve 1 dhe 2, ndonjëherë vërehet një mospërputhje e dukshme. Së pari, numri i kuanteve të absorbuara nuk është i barabartë me numrin e molekulave të reaguara të substancës, d.m.th. sikur të shkelet ligji Ajnshtajn-Stark. Prandaj, për të karakterizuar proceset fotokimike, koncepti rendimenti kuantik, e cila është e barabartë me raportin e numrit të molekulave të reaguara në të vërtetë me numrin e kuanteve të absorbuara. Vlera ndryshon në rangun nga 10 -3 në 10 6 . Në<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 rrjedhje në sistem reaksion zinxhir. Në këtë rast, kuanti i rrezatimit të zhytur shkakton shfaqjen e një grimce aktive, e cila më pas krijon një zinxhir transformimesh dytësore.

Së dyti, disa substanca nuk thithin dritën në rajonin e dukshëm ose ultravjollcë, megjithatë, ato janë në gjendje të pësojnë transformim kur rrezatohen. Kështu, si të thuash, shkelet ligji i Grotgus. Doli se në këtë rast kuanti i rrezatimit absorbohet nga substanca të veçanta - fotosensibilizuesit, të cilat transferojnë energjinë e përthithur në një substancë tjetër, e cila si rezultat i nënshtrohet një transformimi kimik. Prandaj, shkelja e ligjit Grotthuss është vetëm e dukshme. Për shembull, hidrogjeni molekular nuk thith dritën me një gjatësi vale prej 253.7 nm. Sidoqoftë, kur një përzierje e avullit të merkurit dhe hidrogjenit rrezatohet, vërehet procesi i ndarjes së molekulave të hidrogjenit në atome:

Hg + h Hg *

Hg * + H 2 Hg + H + H

Një proces i ngjashëm i fotosensibilizuar është fotosinteza- sinteza e karbohidrateve nga monoksidi i karbonit (IV) dhe uji, i shoqëruar me çlirimin e oksigjenit. Molekula e klorofilit vepron si sensibilizues për këtë reaksion fotokimik. Për më tepër, klorofili b kap dhe mbledh energjinë e rrezatimit të dritës. Pas fotoeksitimit, ai transferon energjinë e tepërt në molekulën e klorofilit a, e cila më pas merr një pjesë të drejtpërdrejtë në procesin e fotosintezës.

Procesi i përgjithshëm i fotosintezës shprehet me reagimin:

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O, G 0 \u003d 2861,9 kJ / mol

Fotosinteza është një proces kompleks redoks që kombinon reaksionet fotokimike me ato enzimatike. Në mekanizmin e fotosintezës, dallohen dy faza - dritë dhe BLU e erret. Faza e dritës përfshin vetë reaksionet fotokimike dhe reaksionet enzimatike të lidhura me to, të cilat kompletojnë oksidimin e ujit dhe formojnë nikotinamid adeninë dinukleotid fosfat të reduktuar ( NADPH 2) dhe acidi trifosforik adenozine ( ATP). Në fazën e errët NADPH 2 dhe ATP rivendosni molekulën CO 2 përpara CH 2 O dhe më pas formohet një monosakarid në një cikël reaksionesh enzimatike të shoqëruara që zhvillohen pa pjesëmarrjen e një kuantike rrezatimi.

VETITË E ZGJIDHJEVE

INFORMACION I PERGJITHSHEM

Zgjidhjet thirrur homogjene Sistemet (njëfazore) të përbëra nga tretës, substanca të tretshme dhe produkte të ndërveprimit të tyre, përqendrimet e të cilave mund të ndryshojnë në një gamë të gjerë.

Ato mund të jenë të ngurta, të lëngshme dhe të gazta. Proceset në objektet biologjike dhe proceset teknologjike në industrinë përpunuese të bujqësisë zhvillohen në tretësirë ​​ujore. Prandaj, në të ardhmen, ne e kufizojmë veten në shqyrtimin e vetëm zgjidhjeve ujore të substancave të ndryshme.

Gjatë shpërbërjes, në vëllimin e tretësit ndodh një shpërndarje uniforme e molekulave ose joneve të substancës së tretur. Sidoqoftë, shpërbërja nuk mund të konsiderohet si një proces thjesht fizik i difuzionit të një substance në një tjetër. Kjo dëshmohet nga çlirimi i një sasie të konsiderueshme nxehtësie kur substanca të caktuara treten në ujë ( H2SO4, NaOH dhe të tjerët). Është vërtetuar se ndërveprimet kimike janë të mundshme ndërmjet molekulave të tretësit dhe molekulave ose joneve të lëndës së tretur, të shoqëruara me thyerjen e disa dhe formimin e lidhjeve të tjera kimike. Kjo çon në formimin e produkteve të ndërveprimit të tretësit me tretësin, të cilët quhen solvate, dhe në tretësirat ujore hidraton. Vetë procesi i ndërveprimit quhet zgjidhje ose hidratimi.

Zgjidhjet janë konsideruar aktualisht fizike-sistemet kimike Duke zënë në vetitë e tyre një pozicion të ndërmjetëm midis përzierjeve mekanike dhe përbërjeve kimike, dhe kanë modelet e tyre karakteristike fizike dhe kimike.

Karakteristika kryesore e çdo zgjidhjeje është e saj përqendrimi. Si rregull, tretësi është përbërësi i tretësirës, ​​i cili përmbahet në një sasi relativisht të madhe dhe përcakton gjendjen e tij fazore. Vetitë fiziko-kimike të tretësirave varen nga përqendrimet e tyre. Ka shumë varësi të tilla. Të gjitha janë marrë me supozimin se zgjidhja është perfekte. perfekte quhet një zgjidhje në të cilën:

1) përqendrimi i substancës së tretur është shumë i ulët - fraksioni mol është më i vogël se 0,005;

2) substanca e tretur është e paqëndrueshme, domethënë molekulat e saj nuk mund të lënë fazën e lëngshme në fazën e gazit;

3) nuk ka forca ndërveprimi midis grimcave të tretësirës, ​​domethënë nxehtësia e përzierjes është zero ( H f= 0) dhe nuk ka ndryshim në vëllimin e sistemit ( Vp = 0);

Catamlis- nxitimi selektiv i një prej drejtimeve të mundshme termodinamike të lejuara të një reaksioni kimik nën veprimin e një katalizatori (s), i cili vazhdimisht hyn në një ndërveprim kimik të ndërmjetëm me pjesëmarrësit në reaksion dhe rikthen përbërjen e tij kimike pas çdo cikli të ndërveprimeve kimike të ndërmjetme. . Termi "katalizë" u prezantua në 1835 nga shkencëtari suedez Jöns Jakob Berzelius.

Fenomeni i katalizës është i përhapur në natyrë (shumica e proceseve që ndodhin në organizmat e gjallë janë katalitike) dhe përdoret gjerësisht në teknologji (në rafinimin e naftës dhe petrokiminë, në prodhimin e acidit sulfurik, amoniakut, acidit nitrik, etj.). Shumica e të gjitha reaksioneve industriale janë katalitike.

Katalizatorët Substancat që ndryshojnë shpejtësinë e reaksioneve kimike quhen.

Disa katalizatorë përshpejtojnë shumë reagimin - katalizë pozitive, ose thjesht katalizë, të tjerët ngadalësojnë - katalizën negative. Shembuj të katalizës pozitive janë prodhimi i acidit sulfurik, oksidimi i amoniakut në acid nitrik duke përdorur një katalizator platini, etj.

Sipas ndikimit në shpejtësinë e reagimit, kataliza ndahet në pozitive (shpejtësia e reagimit rritet) dhe negative (shkalla e reagimit zvogëlohet). Në rastin e fundit, zhvillohet një proces frenimi, i cili nuk mund të konsiderohet "katalizë negative", pasi frenuesi konsumohet gjatë reaksionit.

Katalizimi mund të jetë homogjen dhe heterogjen (kontakt). Në katalizën homogjene, katalizatori është në të njëjtën fazë me reaktantët, ndërsa katalizatorët heterogjenë ndryshojnë në fazë.

kataliza homogjene.

Nje shembull kataliza homogjene është zbërthimi i peroksidit të hidrogjenit në prani të joneve të jodit. Reagimi zhvillohet në dy faza:

H2 O2+I> H2O+IO, H2O2+io> H2O + O2+ Unë

Në katalizën homogjene, veprimi i katalizatorit është për shkak të faktit se ai ndërvepron me reaktantët për të formuar komponime të ndërmjetme, gjë që çon në një ulje të energjisë së aktivizimit.

kataliza heterogjene.

Në katalizën heterogjene, përshpejtimi i procesit zakonisht ndodh në sipërfaqen e një trupi të ngurtë - katalizator, kështu që aktiviteti i katalizatorit varet nga madhësia dhe vetitë e sipërfaqes së tij. Në praktikë, katalizatori zakonisht mbështetet në një mbështetje të fortë poroze.

Mekanizmi i katalizës heterogjene është më i ndërlikuar se ai i katalizës homogjene. Mekanizmi i katalizës heterogjene përfshin pesë faza, të cilat të gjitha janë të kthyeshme.

• 1. Difuzioni i reaktantëve në sipërfaqen e një trupi të ngurtë
• 2. Adsorbimi fizik në vendet aktive të sipërfaqes së një lënde të ngurtë të molekulave reaguese dhe më pas kimisorbimi i tyre
• 3. Reaksioni kimik ndërmjet molekulave që reagojnë
• 4. Desorbimi i produkteve nga sipërfaqja e katalizatorit
• 5. Difuzioni i produktit nga sipërfaqja e katalizatorit në rrjedhën e përgjithshme

Një shembull i katalizës heterogjene është oksidimi i SO 2 në SO 3 në një katalizator V 2 O 5 në prodhimin e acidit sulfurik (metoda e kontaktit).

Shumica e reaksioneve katalitike kryhen në katalizatorë porozë, sipërfaqja e brendshme e të cilëve përbëhet nga pore dhe kanale me madhësi dhe gjatësi të ndryshme. Këto pore mund të jenë të izoluara ose të lidhura me njëra-tjetrën. Faktori kryesor që përcakton shpejtësinë dhe natyrën e lëvizjes së gazeve në poret e katalizatorit është madhësia e poreve. Shpejtësia e lëvizjes së lirë të molekulave mund të arrijë 1000 m/s, dhe ngadalësimi i lëvizjes në pore shoqërohet me përplasje midis molekulave të gazit dhe me muret e poreve.

Shumica e reaksioneve katalitike janë jo selektive, gjë që imponon kufizime të njohura në metodat kinetike të analizës.

Shumica e reaksioneve katalitike përfshijnë disa lloje të ndryshme atomesh dhe molekulash. Përcaktimi i mekanizmit të reaksionit dhe natyrës së forcave që veprojnë midis këtyre atomeve dhe molekulave dhe midis tyre dhe sipërfaqes është, natyrisht, një detyrë e vështirë, por mund të thjeshtohet duke studiuar sjelljen e adsorbimit të një lloji atomesh ose molekulash. . Studime të tilla kanë treguar se kur disa molekula absorbohen në adsorbentë të caktuar, lidhja në molekulë prishet dhe shfaqen dy lidhje me adsorbentin; në këtë rast, molekula e përthithur shndërrohet në dy atome të përthithur. Ky proces është një reaksion kimik sipërfaqësor, dhe atomet e formuara të adsorbuara quhen atome të kimisorbuar. Nëse një reaksion i tillë nuk ndodh në temperatura mjaft të ulëta dhe molekulat e absorbuara nuk dekompozohen në dy atome të përthithur, atëherë molekula të tilla quhen të absorbuara fizikisht.

S. I. LEVCHENKOV

KIMIA FIZIKE DHE KOLOIDE

Abstrakt i leksioneve për studentët e Fakultetit të Biologjisë të Universitetit Federal Jugor (RSU)

2.3 PROCESET KATALITIKE

Shpejtësia e një reaksioni kimik në një temperaturë të caktuar përcaktohet nga shkalla e formimit të kompleksit të aktivizuar, i cili, nga ana tjetër, varet nga vlera e energjisë së aktivizimit. Në shumë reaksione kimike, struktura e kompleksit të aktivizuar mund të përfshijë substanca që nuk janë reaktante stoikiometrikisht; Natyrisht, në këtë rast, vlera e energjisë së aktivizimit të procesit gjithashtu ndryshon. Në rastin e pranisë së disa gjendjeve në tranzicion, reagimi do të vazhdojë kryesisht përgjatë rrugës me pengesën më të ulët të aktivizimit.

Kataliza është fenomeni i ndryshimit të shpejtësisë së një reaksioni kimik në prani të substancave gjendja dhe sasia e të cilave mbeten të pandryshuara pas reaksionit.

Të dallojë pozitive dhe negativ kataliza (përkatësisht, një rritje dhe ulje e shpejtësisë së reagimit), megjithëse shpesh termi "katalizë" nënkupton vetëm katalizë pozitive; quhet kataliza negative frenimi.

Një substancë që është pjesë e strukturës së një kompleksi të aktivizuar, por nuk është stoikiometrikisht një reaktant, quhet katalizator. Të gjithë katalizatorët karakterizohen nga veti të tilla të përgjithshme si specifika dhe selektiviteti i veprimit.

Specifikimi Katalizatori qëndron në aftësinë e tij për të përshpejtuar vetëm një reaksion ose një grup reaksionesh të të njëjtit lloj dhe të mos ndikojë në shpejtësinë e reaksioneve të tjera. Për shembull, shumë metale në tranzicion (platini, bakri, nikeli, hekuri, etj.) janë katalizatorë për proceset e hidrogjenizimit; oksidi i aluminit katalizon reaksionet e hidratimit etj.

Selektiviteti katalizator - aftësia për të përshpejtuar një nga reaksionet paralele të mundshme në kushte të caktuara. Për shkak të kësaj, është e mundur, duke përdorur katalizatorë të ndryshëm, për të marrë produkte të ndryshme nga të njëjtat materiale fillestare:

: 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

Arsyeja e rritjes së shpejtësisë së reaksionit me katalizë pozitive është ulja e energjisë së aktivizimit kur reaksioni vazhdon përmes kompleksit të aktivizuar me pjesëmarrjen e katalizatorit (Fig. 2.8).

Meqenëse, sipas ekuacionit Arrhenius, konstanta e shpejtësisë së një reaksioni kimik varet në mënyrë eksponenciale nga energjia e aktivizimit, një rënie në këtë të fundit shkakton një rritje të konsiderueshme të konstantës së shpejtësisë. Në të vërtetë, nëse supozojmë se faktorët paraeksponencialë në ekuacionin Arrhenius (II.32) për reaksionet katalitike dhe jo-katalitike janë të afërt, atëherë për raportin e konstantave të shpejtësisë mund të shkruajmë:

Nëse ΔE A = –50 kJ/mol, atëherë raporti i konstanteve të shpejtësisë do të jetë 2,7·10 6 herë (në të vërtetë, në praktikë, një ulje e tillë në E A rrit shpejtësinë e reaksionit përafërsisht 10 5 herë).

Duhet të theksohet se prania e një katalizatori nuk ndikon në madhësinë e ndryshimit të potencialit termodinamik si rezultat i procesit dhe, për rrjedhojë, asnjë katalizator nuk mund ta bëjë spontan një proces të pamundur termodinamikisht (i një procesi ΔG (ΔF) i të cilit është më i madh se zero). Katalizatori nuk e ndryshon vlerën e konstantës së ekuilibrit për reaksionet e kthyeshme; efekti i katalizatorit në këtë rast konsiston vetëm në përshpejtimin e arritjes së një gjendje ekuilibri.

Në varësi të gjendjes fazore të reaktantëve dhe katalizatorit, dallohen kataliza homogjene dhe heterogjene.

Oriz. 2.8 Diagrami i energjisë i një reaksioni kimik pa katalizator (1)
dhe në prani të një katalizatori (2).

2.3.1 Kataliza homogjene.

Kataliza homogjene është një reaksion katalitik në të cilin reaktantët dhe katalizatori janë në të njëjtën fazë. Në rastin e proceseve katalitike homogjene, katalizatori formon produkte reaktive të ndërmjetme me reagentët. Merrni parasysh disa reagime

A + B ––> C

Në prani të një katalizatori, kryhen dy hapa të shpejtë, duke rezultuar në formimin e grimcave të përbërjes së ndërmjetme AA dhe më pas (nëpërmjet kompleksit të aktivizuar AVK #) produkti përfundimtar i reagimit me rigjenerimin e katalizatorit:

A + K ––> AK

AK + V -–> C + K

Një shembull i një procesi të tillë është dekompozimi i acetaldehidit, energjia e aktivizimit të të cilit është E A = 190 kJ/mol:

CH 3 CHO --> CH 4 + CO

Në prani të avullit të jodit, ky proces zhvillohet në dy faza:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI -–> CH 4 + I 2

Ulja e energjisë së aktivizimit të këtij reaksioni në prani të një katalizatori është 54 kJ/mol; në këtë rast, konstanta e shpejtësisë së reagimit rritet afërsisht me një faktor prej 105. Lloji më i zakonshëm i katalizës homogjene është katalizimi acid, në të cilin jonet e hidrogjenit H + veprojnë si katalizator.

2.3.2 Autokataliza.

Autokataliza- procesi i përshpejtimit katalitik të një reaksioni kimik nga një prej produkteve të tij. Një shembull është hidroliza e estereve të katalizuara nga jonet e hidrogjenit. Acidi i formuar gjatë hidrolizës shkëputet me formimin e protoneve, të cilët përshpejtojnë reaksionin e hidrolizës. Një tipar i reaksionit autokatalitik është se ky reaksion vazhdon me një rritje të vazhdueshme të përqendrimit të katalizatorit. Prandaj, në periudhën fillestare të reaksionit, shpejtësia e tij rritet, dhe në fazat pasuese, si rezultat i një ulje të përqendrimit të reagentëve, shpejtësia fillon të ulet; kurba kinetike e produktit të një reaksioni autokatalitik ka një formë karakteristike në formë S (Fig. 2.9).

Oriz. 2.9 Kurba kinetike e produktit të reaksionit autokatalitik

2.3.3 Kataliza heterogjene.

kataliza heterogjene - reaksionet katalitike që ndodhin në ndërfaqen ndërmjet fazave të formuara nga katalizatori dhe reaktantët. Mekanizmi i proceseve katalitike heterogjene është shumë më i ndërlikuar sesa në rastin e katalizës homogjene. Në çdo reaksion katalitik heterogjen, mund të dallohen të paktën gjashtë faza:

1. Difuzioni i lëndëve fillestare në sipërfaqen e katalizatorit.

2. Adsorbimi i lëndëve fillestare në sipërfaqe me formimin e disa përbërjeve të ndërmjetme:

A + B + K --> AVK

3. Aktivizimi i gjendjes së absorbuar (energjia e kërkuar për këtë është energjia e vërtetë e aktivizimit të procesit):

AVK ––> AVK #

4. Zbërthimi i kompleksit të aktivizuar me formimin e produkteve të reaksionit të adsorbuar:

ABK # ––> CDK

5. Desorbimi i produkteve të reaksionit nga sipërfaqja e katalizatorit.

СDК ––> С + D + К

6. Difuzioni i produkteve të reaksionit nga sipërfaqja e katalizatorit.

Një tipar specifik i proceseve heterokatalitike është aftësia e katalizatorit për t'u promovuar dhe helmuar.

Promovimi– një rritje në aktivitetin e katalizatorit në prani të substancave që nuk janë vetë katalizatorë të këtij procesi (promovues). Për shembull, për një reaksion të katalizuar nga nikeli metalik

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

futja e një papastërti të vogël të ceriumit në katalizatorin e nikelit çon në një rritje të mprehtë të aktivitetit të katalizatorit.

Helmimi- një rënie e mprehtë e aktivitetit të katalizatorit në prani të substancave të caktuara (të ashtuquajturat helme katalitike). Për shembull, për reaksionin e sintezës së amoniakut (katalizator - hekur sfungjer), prania e përbërjeve të oksigjenit ose squfurit në përzierjen e reaksionit shkakton një rënie të mprehtë të aktivitetit të katalizatorit të hekurit; në të njëjtën kohë, aftësia e katalizatorit për të thithur substancat fillestare zvogëlohet shumë pak.

Për të shpjeguar këto veçori të proceseve katalitike heterogjene, G. Taylor bëri supozimin e mëposhtëm: jo e gjithë sipërfaqja e katalizatorit është katalitikisht aktive, por vetëm disa nga seksionet e tij - të ashtuquajturat. qendrat aktive , të cilat mund të jenë defekte të ndryshme në strukturën kristalore të katalizatorit (për shembull, zgjatime ose depresione në sipërfaqen e katalizatorit). Aktualisht, nuk ekziston një teori e unifikuar e katalizës heterogjene. Për katalizatorët metalikë, a teoria e shumëfishtë . Dispozitat kryesore të teorisë së shumëfishtë janë si më poshtë:

1. Qendra aktive e katalizatorit është një grup i një numri të caktuar qendrash adsorbimi të vendosura në sipërfaqen e katalizatorit në përputhje gjeometrike me strukturën e molekulës që i nënshtrohet transformimit.

2. Kur molekulat reaguese absorbohen në qendrën aktive, formohet një kompleks i shumëfishtë, si rezultat i të cilit lidhjet rishpërndahen, duke çuar në formimin e produkteve të reaksionit.

Teoria e multipleteve nganjëherë quhet teoria e ngjashmërisë gjeometrike midis qendrës aktive dhe molekulave reaguese. Për reaksione të ndryshme, numri i qendrave të adsorbimit (secila prej të cilave identifikohet me një atom metali) në qendrën aktive është i ndryshëm - 2, 3, 4, etj. Qendra të tilla aktive quhen përkatësisht dyshe, treshe, katërshe etj. (në rastin e përgjithshëm, një shumëfish, të cilit teoria i detyrohet emrin e saj).

Për shembull, sipas teorisë së shumëfishtëve, dehidrogjenimi i alkooleve monohidrike të ngopura ndodh në një dyshe dhe dehidrogjenimi i cikloheksanit - në një sekstet (Fig. 2.10 - 2.11); Teoria e shumëfishtë bëri të mundur lidhjen e aktivitetit katalitik të metaleve me rrezen e tyre atomike.

Oriz. 2.10 Dehidrogjenimi i alkooleve në një dyshe

Oriz. 2.11 Dehidrogjenimi i cikloheksanit në një sekstet

2.3.4 Kataliza enzimatike.

Kataliza enzimatike - reaksionet katalitike që ndodhin me pjesëmarrjen e enzimave - katalizatorë biologjikë të natyrës proteinike. Kataliza enzimatike ka dy karakteristika karakteristike:

1. aktivitet i lartë , e cila është disa rend të madhësisë më e lartë se aktiviteti i katalizatorëve inorganik, gjë që shpjegohet me një rënie shumë të ndjeshme të energjisë së aktivizimit të procesit nga enzimat. Pra, konstanta e shpejtësisë së reaksionit të zbërthimit të peroksidit të hidrogjenit të katalizuar nga jonet Fe 2+ është 56 s -1; konstanta e shpejtësisë së të njëjtit reaksion të katalizuar nga enzima katalazë është 3,5·107, d.m.th. reaksioni në prani të enzimës vazhdon një milion herë më shpejt (energjitë e aktivizimit të proceseve janë përkatësisht 42 dhe 7,1 kJ/mol). Konstantet e shpejtësisë së hidrolizës së uresë në prani të acidit dhe ureazës ndryshojnë me trembëdhjetë renditje të madhësisë, që arrijnë në 7,4·10 -7 dhe 5·10 6 s -1 (energjia e aktivizimit është përkatësisht 103 dhe 28 kJ/mol).

2. Specifikimi i lartë . Për shembull, amilaza katalizon zbërthimin e niseshtës, e cila është një zinxhir i njësive identike të glukozës, por nuk katalizon hidrolizën e saharozës, molekula e së cilës përbëhet nga fragmente të glukozës dhe fruktozës.

Sipas ideve të pranuara përgjithësisht rreth mekanizmit të katalizimit enzimatik, substrati S dhe enzima F janë në ekuilibër me një kompleks enzimë-substrat FS të formuar shumë shpejt, i cili zbërthehet relativisht ngadalë në produktin e reaksionit P me çlirimin e enzimës së lirë; pra, faza e zbërthimit të kompleksit enzimë-substrat në produkte të reaksionit është përcaktuese (kufizuese).

F+S<––>FS ––> F+P

Studimi i varësisë së shpejtësisë së reaksionit enzimatik nga përqendrimi i substratit në një përqendrim konstant të enzimës tregoi se me një rritje të përqendrimit të substratit, shpejtësia e reagimit së pari rritet dhe më pas pushon së ndryshuari (Fig. 2.12) dhe varësia e shpejtësisë së reagimit nga përqendrimi i substratit përshkruhet nga ekuacioni i mëposhtëm:

(II.45)

përshpejtimi i reaksioneve kimike nën veprimin e sasive të vogla të substancave (katalizatorëve), të cilat vetë nuk ndryshojnë gjatë reaksionit. Proceset katalitike luajnë një rol të madh në jetën tonë. Katalizatorët biologjikë të quajtur enzima janë të përfshirë në rregullimin e proceseve biokimike. Shumë procese industriale nuk do të ishin të mundshme pa katalizatorë.

Vetia më e rëndësishme e katalizatorëve është selektiviteti, d.m.th. aftësia për të rritur shpejtësinë e vetëm disa reaksioneve kimike nga shumë të mundshme. Kjo lejon që reagimet që janë shumë të ngadalta në kushte normale të jenë praktike dhe siguron formimin e produkteve të dëshiruara.

Përdorimi i katalizatorëve kontribuoi në zhvillimin e shpejtë të industrisë kimike. Ato përdoren gjerësisht në rafinimin e naftës, duke marrë produkte të ndryshme, duke krijuar materiale të reja (për shembull, plastikë), shpesh më të lira se ato të përdorura më parë. Përafërsisht 90% e prodhimit modern kimik bazohet në proceset katalitike. Proceset katalitike luajnë një rol të veçantë në mbrojtjen e mjedisit.

Në vitin 1835, kimisti suedez J. Berzelius zbuloi se në prani të substancave të caktuara, shpejtësia e disa reaksioneve kimike rritet ndjeshëm. Për substanca të tilla, ai prezantoi termin "katalizator" (nga greqishtja.

kataliza - relaksim). Sipas Berzelius, katalizatorët kanë një aftësi të veçantë për të dobësuar lidhjet midis atomeve në molekulat e përfshira në reaksion, duke lehtësuar kështu ndërveprimin e tyre. Një kontribut të madh në zhvillimin e ideve për funksionimin e katalizatorëve dha fizikokimisti gjerman W. Ostwald, i cili në vitin 1880 përcaktoi një katalizator si një substancë që ndryshon shpejtësinë e reaksionit.

Sipas koncepteve moderne, një katalizator formon një kompleks me molekulat reaguese, i cili stabilizohet nga lidhjet kimike. Pas rirregullimit, ky kompleks shkëputet për të lëshuar produkte dhe katalizator. Për një reaksion monomolekular të transformimit të një molekule

X në Y I gjithë procesi mund të përfaqësohet si X + mace. ® X -Cat. ® Y -Cat. ® Y + Cat. Katalizatori i çliruar ri-lidhet me X , dhe i gjithë cikli përsëritet shumë herë, duke siguruar formimin e sasive të mëdha të produktit - substancës Y . Shumë substanca në kushte normale nuk hyjnë në një reaksion kimik me njëra-tjetrën. Pra, hidrogjeni dhe monoksidi i karbonit në temperaturën e dhomës nuk ndërveprojnë me njëri-tjetrin, pasi lidhja midis atomeve në një molekulë H2 mjaft i fortë dhe nuk thyhet kur sulmohet nga një molekulë CO . Katalizatori bashkon molekulat H2 dhe CO duke krijuar lidhje me to. Pas rirregullimit, kompleksi katalizator-reaktant shkëputet për të formuar një produkt që përmban atome C, H dhe O. Shpesh, kur të njëjtat substanca ndërveprojnë, formohen produkte të ndryshme. Katalizatori mund ta drejtojë procesin përgjatë rrugës më të favorshme për formimin e një produkti të caktuar. Merrni parasysh reagimin ndërmjet CO dhe H2 . Në prani të një katalizatori që përmban bakër, metanoli është praktikisht i vetmi produkt i reagimit:Në fillim, molekulat CO dhe H 2 absorbohet në sipërfaqen e katalizatorit. Pastaj molekulat e CO formojnë lidhje kimike me katalizatorin (ndodh kimisorbimi), duke mbetur në formën e padisocuar. Molekulat e hidrogjenit gjithashtu kimisorbohen në sipërfaqen e katalizatorit, por disociohen në të njëjtën kohë. Si rezultat i rirregullimit, kompleksi i tranzicionit H-Cat.- CH2OH . Pas shtimit të një atomi H kompleksi prishet për t'u çliruar CH 3 OH dhe katalizator. Në prani të një katalizatori nikel, si CO ashtu edhe H 2 janë kimisorbuar në sipërfaqe në formë të disociuar dhe formohet kompleksi Cat.-CH 3 . Produktet përfundimtare të reaksionit janë CH 4 dhe H 2 O:
Shumica e reaksioneve katalitike kryhen në presione dhe temperatura të caktuara duke kaluar përzierjen e reaksionit, e cila është në gjendje të gaztë ose të lëngët, përmes një reaktori të mbushur me grimca katalizatore. Konceptet e mëposhtme përdoren për të përshkruar kushtet e reagimit dhe për të karakterizuar produktet. Shpejtësia hapësinore - vëllimi i gazit ose lëngut që kalon nëpër një njësi vëllimi të katalizatorit për njësi të kohës. Aktiviteti katalitik - sasia e reaktantëve të konvertuar nga katalizatori në produkte për njësi të kohës. Konvertimi është proporcioni i një substance të konvertuar në një reaksion të caktuar. Selektiviteti është raporti i sasisë së një produkti të caktuar me sasinë totale të produkteve (zakonisht i shprehur në përqindje). Rendimenti - raporti i sasisë së një produkti të caktuar me sasinë e materialit fillestar (zakonisht i shprehur në përqindje). Produktiviteti - sasia e produkteve të reagimit të formuara për njësi vëllimi për njësi të kohës. LLOJET E KATALISTOREVE Katalizatorët klasifikohen sipas natyrës së reaksionit që nxisin, përbërjes së tyre kimike ose vetive fizike. Pothuajse të gjithë elementët dhe substancat kimike kanë veti katalitike në një shkallë ose në një tjetër - vetë ose, më shpesh, në kombinime të ndryshme. Sipas vetive të tyre fizike, katalizatorët ndahen në homogjenë dhe heterogjenë. Katalizatorët heterogjenë janë lëndë të ngurta që janë homogjene dhe të shpërndara në të njëjtin mjedis të gaztë ose të lëngshëm si reaktantët.

Shumë katalizatorë heterogjenë përmbajnë metale. Disa metale, veçanërisht ato që lidhen me

VIII grupi i sistemit periodik të elementeve, kanë vetvetiu aktivitet katalitik; një shembull tipik është platini. Por shumica e metaleve shfaqin veti katalitike, duke qenë në përbërjen e komponimeve; shembull - alumini (oksid alumini Al 2 O 3). Një veti e pazakontë e shumë katalizatorëve heterogjenë është sipërfaqja e tyre e madhe. Ato përshkohen nga pore të shumta, sipërfaqja e përgjithshme e së cilës ndonjëherë arrin 500 m 2 për 1 g katalizator. Në shumë raste, oksidet me sipërfaqe të madhe shërbejnë si një substrat mbi të cilin grimcat e katalizatorit metalik depozitohen në formën e grupimeve të vogla. Kjo siguron ndërveprim efikas të reagentëve në fazën e gazit ose të lëngët me metalin aktiv katalitik. Një klasë e veçantë e katalizatorëve heterogjenë janë zeolitë - minerale kristalore të grupit të aluminosilikateve (përbërjet e silikonit dhe aluminit). Megjithëse shumë katalizatorë heterogjenë kanë një sipërfaqe të madhe, ata zakonisht kanë vetëm një numër të vogël zonash aktive, të cilat përbëjnë një pjesë të vogël të sipërfaqes totale. Katalizatorët mund të humbasin aktivitetin e tyre në prani të sasive të vogla të përbërjeve kimike të quajtura helme katalizatore. Këto substanca lidhen me qendrat aktive, duke i bllokuar ato. Përcaktimi i strukturës së qendrave aktive është objekt i një hulumtimi intensiv.

Katalizatorët homogjenë kanë natyrë kimike të ndryshme - acide (H

2 SO 4 ose H 3 RO 4 ), bazat (NaOH ), aminet organike, metalet, më shpesh kalimtare ( Fe ose Rh ), në formën e kripërave, përbërjeve organometalike ose karbonileve. Katalizatorët përfshijnë gjithashtu enzimat - molekula proteinike që rregullojnë reaksionet biokimike. Vendi aktiv i disa enzimave përmban një atom metali ( Zn, Cu, Fe ose Mo). Enzimat që përmbajnë metal katalizojnë reaksionet që përfshijnë molekula të vogla ( O 2 , CO 2 ose N 2 ). Enzimat kanë aktivitet dhe selektivitet shumë të lartë, por ato funksionojnë vetëm në kushte të caktuara, si ato në të cilat ndodhin reaksionet në organizmat e gjallë. Industria shpesh përdor të ashtuquajturat. enzimat e imobilizuara. SI FUNKSIONON KATALISTET Energjisë. Çdo reaksion kimik mund të vazhdojë vetëm nëse reaktantët kapërcejnë pengesën e energjisë, dhe për këtë ata duhet të marrin një energji të caktuar. Siç kemi thënë tashmë, reaksioni katalitik X ® Y përbëhet nga një sërë fazash të njëpasnjëshme. Secili ka nevojë për energji për të vrapuar.E quhet energjia e aktivizimit. Ndryshimi i energjisë përgjatë koordinatës së reaksionit është paraqitur në fig. një.

Konsideroni fillimisht rrugën jo-katalitike, "termike". Që të ndodhë një reaksion, energjia potenciale e molekulave

X duhet të tejkalojë barrierën e energjisëE t . Reaksioni katalitik përbëhet nga tre faza. E para është formimi i kompleksit X-Cat. (kimisorbimi), energjia e aktivizimit të së cilës ështëE reklama . Faza e dytë është rirregullimi i X-Cat.®Y -Mace. me energji aktivizimiE Mace , dhe së fundi, e treta - desorbimi me energji aktivizimiE des; E reklama, E kat dhe Eështë shumë më i vogël E t . Meqenëse shpejtësia e reagimit varet në mënyrë eksponenciale nga energjia e aktivizimit, reaksioni katalitik vazhdon shumë më shpejt se ai termik në një temperaturë të caktuar.

Një katalizator mund të krahasohet me një udhërrëfyes-instruktor që udhëzon alpinistët (molekulat që reagojnë) nëpër një varg malesh. Ai drejton një grup përmes kalimit dhe më pas kthehet për tjetrin. Rruga përmes kalimit shtrihet shumë më e ulët se ajo që shtrihet përmes majës (kanali termik i reaksionit), dhe grupi e bën kalimin më shpejt sesa pa një përcjellës (katalizator). Madje është e mundur që grupi të mos kishte mundur të kapërcejë fare kurrizin vetë.

Teoritë e katalizës. Tre grupe teorish janë propozuar për të shpjeguar mekanizmin e reaksioneve katalitike: gjeometrike, elektronike dhe kimike. Në teoritë gjeometrike, vëmendja kryesore i kushtohet korrespondencës midis konfigurimit gjeometrik të atomeve të qendrave aktive të katalizatorit dhe atomeve të asaj pjese të molekulave reaguese që është përgjegjëse për lidhjen me katalizatorin. Teoritë elektronike bazohen në idenë se kimisorbimi është për shkak të ndërveprimit elektronik të lidhur me transferimin e ngarkesës, d.m.th. këto teori lidhin aktivitetin katalitik me vetitë elektronike të katalizatorit. Teoria kimike e konsideron një katalizator si një përbërje kimike me veti karakteristike që formon lidhje kimike me reaktantët, duke rezultuar në formimin e një kompleksi të paqëndrueshëm tranzicioni. Pas dekompozimit të kompleksit me lëshimin e produkteve, katalizatori kthehet në gjendjen e tij origjinale. Teoria e fundit tani konsiderohet më e përshtatshme.

Në nivelin molekular, një reaksion katalitik i fazës së gazit mund të përfaqësohet si më poshtë. Një molekulë reaguese lidhet me vendin aktiv të katalizatorit, ndërsa tjetra ndërvepron me të ndërsa është drejtpërdrejt në fazën e gazit. Një mekanizëm alternativ është gjithashtu i mundur: molekulat reaguese absorbohen në vendet fqinje aktive të katalizatorit dhe më pas ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Me sa duket, kështu vazhdojnë shumica e reaksioneve katalitike.

Një koncept tjetër sugjeron se ekziston një marrëdhënie midis rregullimit hapësinor të atomeve në sipërfaqen e katalizatorit dhe aktivitetit të tij katalitik. Shpejtësia e disa proceseve katalitike, duke përfshirë shumë reaksione hidrogjenizimi, nuk varet nga rregullimi i ndërsjellë i atomeve katalitikisht aktivë në sipërfaqe; shpejtësia e të tjerëve, përkundrazi, ndryshon ndjeshëm me një ndryshim në konfigurimin hapësinor të atomeve sipërfaqësore. Një shembull është izomerizimi i neopentanit në izopentan dhe plasaritja e njëkohshme e këtij të fundit në izobutan dhe metan në sipërfaqen e katalizatorit.

Pt-Al 2 O 3 . APLIKIMI I KATALIZËS NË INDUSTRI Rritja e shpejtë industriale që po përjetojmë tani nuk do të ishte e mundur pa zhvillimin e teknologjive të reja kimike. Në një masë të madhe, ky përparim përcaktohet nga përdorimi i gjerë i katalizatorëve, me ndihmën e të cilëve lëndët e para me cilësi të ulët shndërrohen në produkte me vlerë të lartë. Në mënyrë figurative, katalizatori është guri filozofik i alkimistit modern, vetëm se ai nuk e kthen plumbin në ar, por lëndët e para në ilaçe, plastikë, kimikate, karburant, plehra dhe produkte të tjera të dobishme.

Ndoshta procesi i parë katalitik që njeriu mësoi të përdorte është fermentimi. Recetat për përgatitjen e pijeve alkoolike ishin të njohura për sumerët që në vitin 3500 para Krishtit.

Cm. VERË; BIRË.

Një moment historik i rëndësishëm në zbatimin praktik të katalizës ishte prodhimi i margarinës nga hidrogjenizimi katalitik i vajit vegjetal. Për herë të parë, ky reagim në shkallë industriale u krye rreth vitit 1900. Dhe që nga vitet 1920, metodat katalitike janë zhvilluar njëra pas tjetrës për prodhimin e materialeve të reja organike, në radhë të parë të plastikës. Pika kyçe ishte prodhimi katalitik i olefinave, nitrileve, estereve, acideve etj. - "tulla" për "ndërtimin" kimik të plastikës.

Vala e tretë e përdorimit industrial të proceseve katalitike ndodh në vitet 1930 dhe shoqërohet me rafinimin e naftës. Për sa i përket vëllimit, ky prodhim shumë shpejt i la të tjerët shumë prapa. Rafinimi i naftës përbëhet nga disa procese katalitike: plasaritja, reformimi, hidrosulfonimi, hidrokrikimi, izomerizimi, polimerizimi dhe alkilimi.

Dhe së fundi, vala e katërt në përdorimin e katalizës lidhet me mbrojtjen e mjedisit. Arritja më e famshme në këtë fushë është krijimi i një konverteri katalitik për gazrat e shkarkimit të automobilave. Katalizatorët, të cilët janë instaluar në makina që nga viti 1975, kanë luajtur një rol të madh në përmirësimin e cilësisë së ajrit dhe kanë shpëtuar shumë jetë në këtë mënyrë.

Rreth një duzinë çmimesh Nobel janë dhënë për punën në fushën e katalizës dhe fushave të ngjashme.

Rëndësia praktike e proceseve katalitike dëshmohet nga fakti se pjesa e azotit, e cila është pjesë e përbërjeve që përmbajnë azot, të marra në mënyrë industriale, përbën rreth gjysmën e të gjithë azotit që është pjesë e produkteve ushqimore. Sasia e komponimeve të azotit të prodhuar në mënyrë natyrale është e kufizuar, kështu që prodhimi i proteinave dietike varet nga sasia e azotit të aplikuar në tokë me plehra. Do të ishte e pamundur të ushqehej edhe gjysma e njerëzimit pa amoniak sintetik, i cili prodhohet pothuajse ekskluzivisht nga procesi katalitik Haber-Bosch.

Shtrirja e katalizatorëve po zgjerohet vazhdimisht. Është gjithashtu e rëndësishme që kataliza mund të rrisë ndjeshëm efikasitetin e teknologjive të zhvilluara më parë. Një shembull është përmirësimi i plasaritjes katalitike nëpërmjet përdorimit të zeolitit.

Hidrogjenizimi. Një numër i madh reaksionesh katalitike shoqërohen me aktivizimin e një atomi hidrogjeni dhe disa molekulave të tjera, duke çuar në ndërveprimin e tyre kimik. Ky proces quhet hidrogjenim dhe qëndron në themel të shumë fazave të përpunimit të naftës dhe prodhimit të lëndëve djegëse të lëngshme nga qymyri (procesi Bergius).

Prodhimi i benzinës së aviacionit dhe karburantit motorik nga qymyri u zhvillua në Gjermani gjatë Luftës së Dytë Botërore, pasi në këtë vend nuk ka fusha nafte. Procesi Bergius është shtimi i drejtpërdrejtë i hidrogjenit në karbon. Qymyri nxehet nën presion në prani të hidrogjenit dhe përftohet një produkt i lëngshëm, i cili më pas përpunohet në benzinë ​​aviacioni dhe karburant motorik. Oksidi i hekurit përdoret si katalizator, si dhe katalizatorë të bazuar në kallaj dhe molibden. Gjatë luftës, afërsisht 1,400 ton karburant të lëngshëm në ditë u morën në 12 fabrika gjermane duke përdorur procesin Bergius.

Një proces tjetër, Fischer - Tropsch, përbëhet nga dy faza. Së pari gazifikohet qymyri, d.m.th. kryeni reagimin e tij me avujt e ujit dhe oksigjenin dhe merrni një përzierje të hidrogjenit dhe oksideve të karbonit. Kjo përzierje shndërrohet në lëndë djegëse të lëngshme duke përdorur katalizatorë që përmbajnë hekur ose kobalt. Me përfundimin e luftës, prodhimi i karburantit sintetik nga qymyri në Gjermani u ndërpre.

Si rezultat i rritjes së çmimit të naftës që pasoi embargon e naftës në 1973-1974, u bënë përpjekje të fuqishme për të zhvilluar një metodë ekonomikisht të qëndrueshme për prodhimin e benzinës nga qymyri. Kështu, lëngëzimi i drejtpërdrejtë i qymyrit mund të kryhet në mënyrë më efikase duke përdorur një proces me dy faza në të cilin qymyri fillimisht kontaktohet me një katalizator alumini-kobalt-molibden në një temperaturë relativisht të ulët dhe më pas në një temperaturë më të lartë. Kostoja e një benzine të tillë sintetike është më e lartë se ajo e marrë nga nafta.

Amoniaku. Një nga proceset më të thjeshta të hidrogjenizimit nga pikëpamja kimike është sinteza e amoniakut nga hidrogjeni dhe azoti. Azoti është një substancë shumë inerte. Për t'u shkëputur N-N molekula e saj kërkon një energji të rendit 200 kcal/ mol. Megjithatë, azoti lidhet me sipërfaqen e katalizatorit të hekurit në gjendje atomike, dhe kjo kërkon vetëm 20 kcal./ mol. Lidhje hidrogjeni me hekurin edhe më lehtë. Sinteza e amoniakut zhvillohet si më poshtë:
Ky shembull ilustron aftësinë e një katalizatori për të përshpejtuar si reagimet e përparme ashtu edhe ato të kundërta në mënyrë të barabartë, d.m.th. fakti që katalizatori nuk e ndryshon pozicionin ekuilibër të reaksionit kimik.Hidrogjenizimi i vajit vegjetal. Një nga reaksionet më të rëndësishme të hidrogjenizimit në praktikë është hidrogjenizimi jo i plotë i vajrave bimore në margarinë, vaj gatimi dhe produkte të tjera ushqimore. Vajrat vegjetale merren nga soja, farat e pambukut dhe kulturat e tjera. Ato përfshijnë estere, përkatësisht trigliceride të acideve yndyrore me shkallë të ndryshme të pangopurit. Acidi oleik CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH ka një lidhje të dyfishtë C=C, acidi linoleik ka dy dhe acidi linolenik ka tre. Shtimi i hidrogjenit për të thyer këtë lidhje parandalon vajrat nga oksidimi (ranciditeti). Kjo rrit pikën e tyre të shkrirjes. Fortësia e shumicës së produkteve të marra varet nga shkalla e hidrogjenizimit. Hidrogjenizimi kryhet në prani të një pluhuri të imët nikeli të depozituar në një substrat ose katalizator nikel Raney në një atmosferë hidrogjeni shumë të pastruar.Dehidrogjenimi. Dehidrogjenimi është gjithashtu një reaksion katalitik i rëndësishëm industrial, megjithëse shkalla e aplikimit të tij është pakrahasueshme më e vogël. Me ndihmën e tij, për shembull, fitohet stiren, një monomer i rëndësishëm. Për ta bërë këtë, dehidrogjenoni etilbenzenin në prani të një katalizatori që përmban oksid hekuri; kaliumi dhe disa stabilizues strukturorë gjithashtu kontribuojnë në reagim. Në një shkallë industriale, propani, butani dhe alkanet e tjera dehidrogjenohen. Dehidrogjenizimi i butanit në prani të një katalizatori alumin-krom prodhon butene dhe butadien.kataliza acide. Aktiviteti katalitik i një klase të madhe katalizatorësh është për shkak të vetive të tyre acidike. Sipas I. Bronsted dhe T. Lowry, një acid është një përbërës i aftë të dhurojë një proton. Acidet e forta i dhurojnë lehtësisht protonet e tyre bazave. Koncepti i aciditetit u zhvillua më tej në veprat e G. Lewis, i cili përcaktoi një acid si një substancë të aftë për të pranuar një çift elektronik nga një substancë dhuruese me formimin e një lidhje kovalente për shkak të socializimit të këtij çifti elektronik. Këto ide, së bashku me idetë rreth reaksioneve që formojnë jonet e karbeniumit, ndihmuan për të kuptuar mekanizmin e reaksioneve të ndryshme katalitike, veçanërisht ato që përfshijnë hidrokarburet.

Forca e një acidi mund të përcaktohet duke përdorur një grup bazash që ndryshojnë ngjyrën kur shtohet një proton. Rezulton se disa katalizatorë të rëndësishëm industrialë sillen si acide shumë të forta. Këto përfshijnë një katalizator Friedel-Crafts si p.sh

HCl-AlCl 2 O 3 (ose HAlCl 4 ), dhe aluminosilikatet. Forca e acidit është një karakteristikë shumë e rëndësishme, pasi përcakton shpejtësinë e protonimit, një hap kyç në procesin e katalizimit të acidit.

Aktiviteti i katalizatorëve të tillë si aluminosilikatet që përdoren në plasaritjen e vajit përcaktohet nga prania e acideve Bronsted dhe Lewis në sipërfaqen e tyre. Struktura e tyre është e ngjashme me strukturën e silicit (dioksidi i silikonit), në të cilin disa nga atomet

Si 4+ zëvendësohet me atome Al3+. Ngarkesa negative e tepërt që lind në këtë rast mund të neutralizohet nga kationet përkatëse. Nëse kationet janë protone, atëherë aluminosilikati sillet si një acid Brønsted:
Aktiviteti i katalizatorëve acidë përcaktohet nga aftësia e tyre për të reaguar me hidrokarburet me formimin e një joni karbeniumi si një produkt i ndërmjetëm. Jonet e alkilkarbeniumit përmbajnë një atom karboni të ngarkuar pozitivisht të lidhur me tre grupe alkile dhe/ ose atomet e hidrogjenit. Ato luajnë një rol të rëndësishëm si ndërmjetës të formuar në shumë reaksione që përfshijnë komponime organike. Mekanizmi i veprimit të katalizatorëve acidë mund të ilustrohet me shembullin e reaksionit të izomerizimitn -butani në izobutan në prani të HCl - AlCl 3 ose Pt - Cl - Al 2 O 3 . Së pari, një sasi e vogël e olefinës C 4 H 8 bashkon një jon hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht në një katalizator acid për të formuar m joni terciar i karbeniumit. Pastaj jon hidridi i ngarkuar negativisht H - ndahet nga n -butan për të formuar izobutan dhe butilkarb dytësor e nuk ka d-jon. E fundit si rezultat i rirregullimit bëhet terciar karb e ni jon. Ky zinxhir mund të vazhdojë me eliminimin e një joni hidridi nga molekula tjetërn- butani, etj.:
thelbësore o që jonet terciare të karbeniumit janë më të qëndrueshme se ato parësore ose sekondare. Si rezultat, ato janë kryesisht të pranishme në sipërfaqen e katalizatorit, dhe për këtë arsye produkti kryesor i izomerizimit të butanit është izobutani.

Katalizatorët acidë përdoren gjerësisht në rafinimin e naftës - plasaritja, alkilimi, polimerizimi dhe izomerizimi i hidrokarbureve

(Shiko gjithashtu KIMIA DHE METODAT E RAFINIMIT TË VAJIT). Është vendosur mekanizmi i veprimit të joneve të karbeniumit, të cilët luajnë rolin e katalizatorëve në këto procese. Në të njëjtën kohë, ata marrin pjesë në një sërë reaksionesh, duke përfshirë formimin e molekulave të vogla duke ndarë ato të mëdha, kombinimin e molekulave (olefina me olefinën ose olefinën me izoparafinën), rirregullimin strukturor me izomerizimin, formimin e parafinave dhe hidrokarbureve aromatike. me transferimin e hidrogjenit.

Një nga aplikimet më të fundit industriale të katalizimit acid është prodhimi i lëndëve djegëse me plumb me shtimin e alkooleve në izobutileni ose izoamilen. Shtimi i përbërjeve të oksigjenuara në benzinë ​​redukton përqendrimin e monoksidit të karbonit në gazrat e shkarkimit. metil-

tert -butil eteri (MTBE) me një numër oktani të përzier 109 gjithashtu bën të mundur marrjen e karburantit me oktan të lartë të kërkuar për funksionimin e një motori automobilistik me një raport të lartë kompresimi pa përdorur futjen e plumbit tetraetil në benzinë. Organizohet edhe prodhimi i lëndëve djegëse me numra oktan 102 dhe 111.Kataliza bazë. Aktiviteti i katalizatorëve përcaktohet nga vetitë e tyre themelore. Një shembull i vjetër dhe i njohur i katalizatorëve të tillë është hidroksidi i natriumit që përdoret për të hidrolizuar ose saponifikuar yndyrnat në prodhimin e sapunit, dhe një shembull i fundit janë katalizatorët e përdorur në prodhimin e plastikës poliuretani dhe shkumave. Uretani formohet nga ndërveprimi i alkoolit me izocianat, dhe ky reaksion përshpejtohet në prani të elementeve bazë.aminet. Gjatë reaksionit, baza lidhet me atomin e karbonit në molekulën e izocianatit, si rezultat i së cilës një ngarkesë negative shfaqet në atomin e azotit dhe aktiviteti i tij në lidhje me alkoolin rritet. Një katalizator veçanërisht efektiv është trietilendiamina. Plastika poliuretani fitohet duke reaguar diizocianatet me poliolet (polialkoolet). Kur izocianati reagon me ujin, uretani i formuar më parë dekompozohet duke çliruar CO2 . Kur një përzierje e polialkooleve dhe ujit ndërvepron me diizocianate, shkuma poliuretani që rezulton shkumon me gaz. CO2. Katalizatorë me veprim të dyfishtë. Këta katalizatorë përshpejtojnë dy lloje reaksionesh dhe japin rezultate më të mira sesa kalimi i reaktantëve në seri përmes dy reaktorëve që secili përmban vetëm një lloj katalizatori. Kjo për faktin se vendet aktive të katalizatorit me veprim të dyfishtë janë shumë afër njëra-tjetrës, dhe produkti i ndërmjetëm i formuar në njërën prej tyre kthehet menjëherë në produktin përfundimtar nga ana tjetër.

Kombinimi i një katalizatori që aktivizon hidrogjenin me një katalizator që nxit izomerizimin e hidrokarbureve jep një rezultat të mirë. Aktivizimi i hidrogjenit kryhet nga disa metale, dhe izomerizimi i hidrokarbureve nga acidet. Një katalizator efektiv me veprim të dyfishtë i përdorur në rafinimin e naftës për të kthyer naftën në benzinë ​​është platini i shpërndarë imët i depozituar në alumin acid. Shndërrimi i përbërësve të naftës si metilciklopentani (MCP) në benzen rrit numrin e oktanit të benzinës. Së pari, MCP dehidrogjenohet në pjesën e platinit të katalizatorit në një olefin me të njëjtën shtyllë karboni; pastaj olefina kalon në pjesën acide të katalizatorit, ku izomerizohet në cikloheksen. Ky i fundit kalon në pjesën e platinit dhe dehidrogjenohet në benzen dhe hidrogjen.

Katalizatorët me veprim të dyfishtë përshpejtojnë ndjeshëm reformimin e naftës. Ato përdoren për izomerizimin e parafinave normale në izoparafina. Këto të fundit, duke zier në të njëjtat temperatura si fraksionet e benzinës, janë të vlefshme sepse kanë një numër oktani më të lartë në krahasim me hidrokarburet e drejta. Përveç kësaj, transformimi

n -butani në izobutan shoqërohet me dehidrogjenim, duke kontribuar në prodhimin e MTBE.Polimerizimi stereospecifik. Një moment historik i rëndësishëm erdhi kataliza zbulimi i polimerizimit katalitika-olefinat me formimin stererregullt x polimer ov. Tek katalizatorët stereospecifike polimerizimi u zbuluan nga K. Ziegler kur ai u përpoq të shpjegonte vetitë e pazakonta të polimereve që përftoi. Një tjetër kimist, J. Natta, sugjeroi që veçantia e polimereve Ziegler përcaktohet nga stererregullsia e tyre. Eksperimentet e difraksionit me rreze X kanë treguar se polimerët e përgatitur nga propileni në prani të katalizatorëve Ziegler janë shumë kristalorë dhe në të vërtetë kanë një strukturë stereoregulare. Për të përshkruar struktura të tilla të renditura, Natta prezantoi termat " izotaktike ' dhe 'sindiotaktike'. Në rastin kur nuk ka rend, përdoret termi "taktikë":Një reaksion stereospecifik vazhdon në sipërfaqen e katalizatorëve të ngurtë që përmbajnë metale kalimtare të grupeve IVA - VIII (si Ti, V, Cr, Zr ), të cilat janë në një gjendje jo të oksiduar plotësisht, dhe çdo përbërës që përmban karbon ose hidrogjen, i cili është i lidhur me një metal nga grupet I-III . Një shembull klasik i një katalizatori të tillë është precipitati i formuar gjatë ndërveprimit TiCl 4 dhe Al(C 2 H 5 ) 3 në heptan, ku titani reduktohet në gjendjen trivalente. Kjojashtëzakonisht aktivsistemi katalizon polimerizimin e propilenit në temperaturë dhe presion normal.oksidimi katalitik. Përdorimi i katalizatorëve për të kontrolluar kiminë e proceseve të oksidimit ka një rëndësi të madhe shkencore dhe praktike. Në disa raste, oksidimi duhet të jetë i plotë, për shembull, kur neutralizon CO dhe ndotësit e hidrokarbureve në gazrat e shkarkimit të makinave.Megjithatë, më shpesh, është e dëshirueshme që oksidimi të jetë jo i plotë, për shembull në shumë nga proceset e përdorura gjerësisht në industri për shndërrimin e hidrokarbureve në ndërmjetës të vlefshëm që përmbajnë grupe të tilla funksionale si -CHO, -COOH, -C-CO, - CN. Në këtë rast, përdoren katalizatorë homogjenë dhe heterogjenë. Një shembull i një katalizatori homogjen është një kompleks metalik kalimtar që përdoret për oksidimçift -ksilen në acid tereftalik, esteret e të cilit shërbejnë si bazë për prodhimin e fibrave poliester.Katalizatorë heterogjenë të oksidimit. Këta katalizatorë janë zakonisht okside të ngurta komplekse. Oksidimi katalitik zhvillohet në dy faza. Së pari, oksigjeni i oksidit kapet nga një molekulë hidrokarbure e përthithur në sipërfaqen e oksidit. Hidrokarburet oksidohen dhe oksidi reduktohet. Oksidi i reduktuar reagon me oksigjenin dhe kthehet në gjendjen e tij origjinale. Duke përdorur një katalizator vanadiumi, anhidridi ftalik përftohet nga oksidimi i pjesshëm i naftalinës ose butanit.Prodhimi i etilenit nga dehidrodimerizimi i metanit. Sinteza e etilenit nëpërmjet dehidrodimerizimit lejon që gazi natyror të shndërrohet në hidrokarbure më të transportueshme. reagimi 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O kryhet në 850 ° Me përdorimin e katalizatorëve të ndryshëm; rezultatet më të mira të marra me katalizator Li - MgO . Me sa duket, reaksioni vazhdon përmes formimit të një radikal metil duke ndarë një atom hidrogjeni nga një molekulë metani. Ndarja kryhet nga oksigjeni i reduktuar jo plotësisht, për shembull, O 2 2- . Radikalët metil në fazën e gazit rikombinohen për të formuar një molekulë etani dhe shndërrohen në etilen gjatë dehidrogjenimit të mëvonshëm. Një shembull tjetër i oksidimit jo të plotë është shndërrimi i metanolit në formaldehid në prani të një katalizatori argjendi ose hekur-molibden.Zeolite. Zeolitet përbëjnë një klasë të veçantë katalizatorësh heterogjenë. Këto janë aluminosilikate me një strukturë huall mjalti të renditur, madhësia e qelizave të së cilës është e krahasueshme me madhësinë e shumë molekulave organike. Quhen edhe sita molekulare. Me interes më të madh janë zeolitet, poret e të cilëve formohen nga unaza të përbëra nga 8-12 jone oksigjeni (Fig. 2). Ndonjëherë poret mbivendosen, si në zeolitin ZSM-5 (Fig. 3), i cili përdoret për shndërrimin shumë specifik të metanolit në hidrokarbure të fraksionit të benzinës. Benzina përmban sasi të konsiderueshme të hidrokarbureve aromatike dhe për këtë arsye ka një numër të lartë oktani. Në Zelandën e Re, për shembull, një e treta e të gjithë benzinës së konsumuar merret duke përdorur këtë teknologji. Metanoli merret nga metani i importuar. Katalizatorët që përbëjnë grupin e Y-zeolitëve rrisin ndjeshëm efikasitetin e plasaritjes katalitike kryesisht për shkak të vetive të tyre të pazakonta acidike. Zëvendësimi i aluminosilikateve me zeolite bën të mundur rritjen e rendimentit të benzinës me më shumë se 20%.

Përveç kësaj, zeolitët janë selektivë në lidhje me madhësinë e molekulave që reagojnë. Selektiviteti i tyre është për shkak të madhësisë së poreve nëpër të cilat mund të kalojnë molekula të madhësive dhe formave të caktuara. Kjo vlen si për materialet fillestare ashtu edhe për produktet e reagimit. Për shembull, për shkak të kufizimeve sterike

çift -ksilen formohet më lehtë se sa më voluminozorto- dhe meta -izomerë. Këta të fundit “mbyllen” në poret e zeolitit (Fig. 4).

Përdorimi i zeolitit ka bërë një revolucion të vërtetë në disa teknologji industriale - depilimi i gazit dhe vajit të makinerive, marrja e ndërmjetësve kimikë për prodhimin e plastikës me alkilimin e përbërjeve aromatike, izomerizimi i ksilenit, disproporcioni i toluenit dhe plasaritja katalitike e vajit. Zeoliti është veçanërisht efektiv këtu

ZSM-5. Katalizatorët dhe mbrojtja e mjedisit. Përdorimi i katalizatorëve për të reduktuar ndotjen e ajrit filloi në fund 19 40. Në vitin 1952, A. Hagen-Smith zbuloi se hidrokarburet dhe oksidet e azotit, të cilat janë pjesë e gazrave të shkarkimit, reagojnë ndaj dritës për të formuar oksidantë (në veçanti, ozonin), të cilët irritojnë sytë dhe japin efekte të tjera të padëshirueshme. Në të njëjtën kohë, Y. Houdry zhvilloi një metodë për pastrimin katalitik të gazrave të shkarkimit duke oksiduar CO dhe hidrokarburet deri në CO 2 dhe H 2 A. Në vitin 1970, u formulua Deklarata e Ajrit të Pastër (rishikuar 1977, zgjeruar 1990), duke kërkuar që të gjitha automjetet e reja nga modelet e vitit 1975 të pajisen me konvertues katalitikë. Janë vendosur norma për përbërjen e gazrave të shkarkimit. Meqenëse komponimet e plumbit i janë shtuar katalizatorëve të helmit të benzinës, është miratuar një program i heqjes dorë. Vëmendja u tërhoq edhe për nevojën për të reduktuar përmbajtjen e oksideve të azotit.

Katalizatorët janë krijuar posaçërisht për konvertuesit e automobilave, në të cilët përbërësit aktivë depozitohen në një substrat qeramik me një strukturë huall mjalti, përmes qelizave të së cilës kalojnë gazrat e shkarkimit. Nënshtresa është e veshur me një shtresë të hollë oksidi metalik, për shembull

Al2O3 mbi të cilin aplikohet një katalizator - platin, paladium ose rodium. Përmbajtja e oksideve të azotit të formuara gjatë djegies së lëndëve djegëse natyrore në termocentralet mund të reduktohet duke shtuar sasi të vogla amoniaku në gazrat e gripit dhe duke i kaluar ato përmes një katalizatori titan-vanadium.Enzimat. Enzimat janë katalizatorë natyrorë që rregullojnë proceset biokimike në një qelizë të gjallë. Ata marrin pjesë në proceset e shkëmbimit të energjisë, në zbërthimin e lëndëve ushqyese, në reaksionet e biosintezës. Shumë reaksione organike komplekse nuk mund të vazhdojnë pa to. Enzimat funksionojnë në temperaturë dhe presion të zakonshëm, kanë selektivitet shumë të lartë dhe janë në gjendje të rrisin shpejtësinë e reaksioneve me tetë rend të madhësisë. Pavarësisht këtyre avantazheve, vetëm përafërsisht. Nga 15,000 enzimat e njohura, 20 përdoren në një shkallë të gjerë.

Njeriu ka përdorur enzima për mijëra vjet për të pjekur bukë, për të prodhuar pije alkoolike, djathë dhe uthull. Tani enzimat përdoren edhe në industri: në përpunimin e sheqerit, në prodhimin e antibiotikëve sintetikë, aminoacideve dhe proteinave. Detergjentëve u shtohen enzimat proteolitike që përshpejtojnë proceset e hidrolizës.

Me ndihmën e baktereve

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann kreu shndërrimin enzimatik të niseshtës në aceton dhe alkool butil. Kjo metodë e marrjes së acetonit u përdor gjerësisht në Angli gjatë Luftës së Parë Botërore, dhe gjatë Luftës së Dytë Botërore, goma butadiene u bë me ndihmën e saj në BRSS.

Një rol jashtëzakonisht të madh ka luajtur përdorimi i enzimave të prodhuara nga mikroorganizmat për sintezën e penicilinës, si dhe streptomicina dhe vitamina.

B12. Alkooli etilik i prodhuar në mënyrë enzimatike përdoret gjerësisht si lëndë djegëse automobilistike. Në Brazil, më shumë se një e treta e rreth 10 milionë makinave funksionojnë me 96% alkool etilik që rrjedh nga kallam sheqeri, dhe pjesa tjetër me një përzierje benzine dhe alkool etilik (20%). Teknologjia për prodhimin e karburantit, e cila është një përzierje e benzinës dhe alkoolit, është e zhvilluar mirë në Shtetet e Bashkuara. Në vitin 1987, përafërsisht. 4 miliardë litra alkool, nga të cilat afërsisht 3.2 miliardë litra u përdorën si lëndë djegëse. Aplikacione të ndryshme gjenden edhe në të ashtuquajturat. enzimat e imobilizuara. Këto enzima shoqërohen me një bartës të ngurtë, të tillë si xhel silicë, mbi të cilin kalohen reagentët. Avantazhi i kësaj metode është se siguron kontakt efikas të substrateve me enzimën, ndarjen e produkteve dhe ruajtjen e enzimës. Një shembull i përdorimit industrial të enzimave të imobilizuara është izomerizimi D - glukozë në fruktozë. ASPEKTET TEKNOLOGJIKE Teknologjitë moderne nuk mund të imagjinohen pa përdorimin e katalizatorëve. Reaksionet katalitike mund të vazhdojnë në temperatura deri në 650 gradë° C dhe presione prej 100 atm ose më shumë. Kjo e bën të nevojshme zgjidhjen e problemeve që lidhen me kontaktin midis substancave të gazta dhe të ngurta dhe me transferimin e grimcave të katalizatorit në një mënyrë të re. Që procesi të jetë efektiv, modelimi i tij duhet të marrë parasysh aspektet kinetike, termodinamike dhe hidrodinamike. Këtu përdoret gjerësisht modelimi kompjuterik, si dhe instrumente dhe metoda të reja për kontrollin e proceseve teknologjike.

Në vitet 1960 u bë përparim i rëndësishëm në prodhimin e amoniakut. Përdorimi i një katalizatori më aktiv bëri të mundur uljen e temperaturës së prodhimit të hidrogjenit gjatë dekompozimit të avullit të ujit, për shkak të të cilit u bë e mundur ulja e presionit dhe, rrjedhimisht, zvogëlimi i kostove të prodhimit, për shembull, përmes përdorimit të mjeteve më të lira. kompresorë centrifugale. Si rezultat, kostoja e amoniakut ra me më shumë se gjysmën, pati një rritje të madhe në prodhimin e tij, dhe në lidhje me këtë - një rritje në prodhimin e ushqimit, pasi amoniaku është një pleh i vlefshëm.

Metodat. Kërkimet në fushën e katalizës kryhen duke përdorur metoda tradicionale dhe speciale. Përdoren etiketat radioaktive, spektroskopia me rreze X, infra të kuqe dhe Raman (Raman), metoda të mikroskopisë elektronike; kryhen matje kinetike, studiohet ndikimi i metodave të marrjes së katalizatorëve në aktivitetin e tyre. Me rëndësi të madhe është përcaktimi i sipërfaqes së katalizatorit me metodën Brunauer-Emmett-Teller (metoda BET), bazuar në matjen e përthithjes fizike të azotit në presione të ndryshme. Për ta bërë këtë, përcaktoni sasinë e azotit të kërkuar për formimin e një shtrese të vetme në sipërfaqen e katalizatorit dhe, duke ditur diametrin e molekulës N 2 , llogaritni sipërfaqen totale. Përveç përcaktimit të sipërfaqes totale, kryhet kimisorbimi i molekulave të ndryshme, gjë që bën të mundur vlerësimin e numrit të qendrave aktive dhe marrjen e informacionit për vetitë e tyre.

Studiuesit kanë në dispozicion metoda të ndryshme për studimin e strukturës sipërfaqësore të katalizatorëve në nivel atomik. Informacioni unik ju lejon të merrni një metodë

EXAFS . Ndër metodat spektroskopike, spektroskopia fotoelektronike UV, rreze X dhe Auger po përdoren gjithnjë e më shumë. Me interes të madh është spektrometria e masës së joneve dytësore dhe spektroskopia e shpërndarjes së joneve. Matjet NMR përdoren për të studiuar natyrën e komplekseve katalitike. Mikroskopi i tunelit skanues ju lejon të shihni rregullimin e atomeve në sipërfaqen e katalizatorit. PERSPEKTIVAT Shkalla e proceseve katalitike në industri po rritet çdo vit. Katalizatorët po përdoren gjithnjë e më shumë për të neutralizuar ndotësit e mjedisit. Roli i katalizatorëve në prodhimin e hidrokarbureve dhe lëndëve djegëse sintetike që përmbajnë oksigjen nga gazi dhe qymyri po rritet. Duket shumë premtuese krijimi i qelizave të karburantit për shndërrimin ekonomik të energjisë së karburantit në energji elektrike.

Konceptet e reja të katalizës do të bëjnë të mundur marrjen e materialeve polimerike dhe produkteve të tjera me shumë veti të vlefshme, përmirësimin e metodave të prodhimit të energjisë, rritjen e prodhimit të ushqimit, veçanërisht duke sintetizuar proteinat nga alkanet dhe amoniaku me ndihmën e mikroorganizmave. Mund të jetë e mundur të zhvillohen metoda të krijuara gjenetikisht për prodhimin e enzimave dhe përbërjeve organometalike që u afrohen katalizatorëve biologjikë natyrorë në aktivitetin dhe selektivitetin e tyre katalitik.

LITERATURA Gates B.K. Kimia e proceseve katalitike . M., 1981
Boreskov G.K. Kataliza. Pyetje të teorisë dhe praktikës . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Teoria e re e përgjithshme e katalizës . L., 1991
Tokabe K. Katalizatorët dhe proceset katalitike . M., 1993