Katalizlenmiş reaksiyonlar. Kimyasal reaksiyonlarda kataliz

Kimyasal teknolojinin altında yatan süreçlerin çoğu katalitik reaksiyonlardır. Bunun nedeni, bir katalizörün eklenmesiyle maddelerin etkileşim oranının önemli ölçüde artmasıdır. Aynı zamanda üreticiler maliyetleri düşürebilmekte veya aynı süre içerisinde daha fazla reaksiyon ürünü elde edebilmektedir. Bu nedenle teknoloji uzmanlarının eğitiminde kataliz çalışmalarına büyük önem verilmektedir. Ancak bu fenomen doğada da önemli bir rol oynamaktadır. Böylece, özel maddeler canlı organizmalarda biyokimyasal reaksiyonların oluşumunu düzenleyerek metabolizmayı etkiler.

Kataliz konsepti

Bu kimyasal olgunun özü, bu süreci yavaşlatabilen veya hızlandırabilen özel reaktifler kullanarak maddelerin dönüşüm hızını düzenlemektir. Bu durumda pozitif veya negatif katalizden bahsediyorlar. Bir reaksiyonun hızının, kimyasal reaksiyonun ara ürünlerinden birinden etkilendiği otokataliz olgusu da vardır. Katalitik süreçler çeşitlidir; mekanizmalar, bileşiklerin toplanma durumları ve yön bakımından farklılık gösterirler.

Kimyasal etkileşimleri yavaşlatan maddelere inhibitörler, katalitik reaksiyonları hızlandıran maddelere ise katalizörler adı verilir. Her ikisi de bir veya daha fazla katılımcıyla tekrarlanan ara etkileşimler yoluyla reaksiyonun hızını değiştirir. Ancak ürünlerin bileşiminde yer almazlar ve madde dönüşüm döngüsünün bitiminden sonra eski haline dönerler. Bu nedenle, katalizörün katılımı reaksiyon denkleminde stokiyometrik olarak yansıtılmaz, yalnızca maddelerin etkileşimi için bir koşul olarak gösterilir.

Katalitik reaksiyon türleri

Kimyasal reaksiyona katılan maddelerin toplanma durumuna göre ayırt edilirler:

• homojen reaksiyonlar - reaktanlar, ürünler ve katalizör aynı toplanma (faz) durumundadır, maddelerin molekülleri ise hacim boyunca eşit olarak dağılmıştır;
• arayüzey katalitik reaksiyonlar - karışmayan sıvıların arayüzünde meydana gelir ve katalizörün rolü, reaktiflerin onun içinden transferine indirgenir;
• heterojen katalitik reaksiyonlar - içlerinde katalizör, reaktiflerden farklı bir toplanma durumuna sahiptir ve reaksiyonun kendisi faz arayüzünde gerçekleştirilir;
• heterojen-homojen reaksiyonlar - katalizör ile arayüzde başlatılır ve reaksiyon hacminde devam eder;
• mikroheterojen reaksiyonlar - katı bir katalizörün küçük parçacıkları, sıvı fazın tüm hacmi boyunca miseller oluşturur.

Ayrıca reaktiflerle etkileşime girdiğinde katalizörün oksidasyon durumundaki bir değişikliğin eşlik ettiği redoks katalizi de vardır. Bu tür dönüşümlere katalitik oksidasyon ve indirgeme reaksiyonları denir. Kimyasal üretimdeki en yaygın süreç, sülfürik asit üretmek üzere kükürt dioksitin trioksite oksidasyonudur.

Katalizör türleri

Toplanma durumlarına göre katalizörler sıvı (H2SO4, H3PO4), katı (Pt, V2O5, Al2O3) ve gaz halindedir (BF3).

Maddenin türüne göre katalizörler şu şekilde sınıflandırılır:

• metaller - saf, alaşımlar, katı olabilir veya gözenekli bir baz (Fe, Pt, Ni, Cu) üzerinde biriktirilebilir;
• M m E n tipi metal bileşikleri - en yaygın oksitler MgO, Al203, MoO3 vb.'dir;
• asitler ve bazlar - asit-baz katalitik reaksiyonları için kullanılır, bunlar Lewis asitleri, Bronsted asitleri vb. olabilir;
• metal kompleksleri - bu grup ayrıca geçiş metali tuzlarını da içerir, örneğin PdCl2, Ni(CO)4;
• enzimler (diğer adıyla enzimler), canlı organizmalarda meydana gelen reaksiyonları hızlandıran biyokatalizörlerdir.

Elektronik yapının özelliklerine göre, d-elektronları ve d-orbitalleri olan d-katalizörleri ile merkezi değerlik s ve p-elektronları olan bir element olan s,p-katalizörleri ayırt edilir.

Katalizörlerin özellikleri

Etkili bir şekilde kullanılmaları için, belirli bir sürece göre değişen oldukça kapsamlı bir gereksinimler listesine tabidirler. Ancak en önemlileri katalizörlerin aşağıdaki iki özelliğidir:

• Spesifiklik, katalizörlerin yalnızca bir reaksiyonu veya bir dizi benzer dönüşümü etkileme ve diğerlerinin hızını etkilememe yeteneğinde yatmaktadır. Bu nedenle platin en çok organik hidrojenasyon reaksiyonlarında kullanılır.
• Seçicilik, birkaç olası paralel reaksiyondan birini hızlandırma ve böylece en önemli ürünün verimini artırma yeteneği ile karakterize edilir.

Katalitik reaksiyon hızı

Maddelerin etkileşiminin hızlanmasının nedeni, katalizör ile aktif bir kompleksin oluşması ve aktivasyon enerjisinde bir azalmaya yol açmasıdır.

Kimyasal kinetiğin temel varsayımına göre, herhangi bir kimyasal reaksiyonun hızı, stokiyometrik katsayılarına karşılık gelen güçlerde alınan başlangıç ​​​​maddelerinin konsantrasyonlarının çarpımı ile doğru orantılıdır:

v = k ∙ С А x ∙ С В у ∙ С D z ,

burada k, bir kimyasal reaksiyonun hız sabitidir; başlangıç ​​bileşiklerinin konsantrasyonlarının 1 mol/l olması şartıyla, aynı reaksiyonun hızına sayısal olarak eşittir.

Arrhenius denklemine göre k, aktivasyon enerjisine bağlıdır:

k = A ∙ exp^(-E A / RT).

Belirtilen modeller katalitik reaksiyonlar için de geçerlidir. Bu aynı zamanda hız sabitlerinin oranı denklemiyle de doğrulanır:

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

burada K indeksli değişkenler katalitik reaksiyonları ifade eder.

Katalitik reaksiyonların aşamaları

Homojen katalitik reaksiyonlar için iki ana aşama yeterlidir:

1. Aktifleştirilmiş bir kompleksin oluşumu: A + K ―> AK.
2. Aktive edilmiş kompleksin diğer başlangıç ​​maddeleri ile etkileşimi: AK + B ―> C + K.

Genel formda A + B ―> C formunda bir denklem yazılır.

Heterojen katalitik reaksiyonların mekanizması karmaşıktır. Aşağıdaki altı aşama ayırt edilir:

1. Başlangıç ​​bileşiklerinin katalizör yüzeyine getirilmesi.
2. Başlangıç ​​reaktiflerinin katalizör yüzeyi tarafından adsorpsiyonu ve bir ara kompleksin oluşumu: A + B + K ―> AVK.
3. Ortaya çıkan kompleksin aktivasyonu: ΑВК ―> ΑВК * .
4. Ortaya çıkan ürünler katalizör tarafından adsorbe edilirken karmaşık bir bileşiğin ayrışması: ΑВК * ―> CDK.
5. Elde edilen ürünlerin katalizör yüzeyi tarafından desorpsiyonu: CDK ―> C + D + K.
6. Ürünlerin katalizörden çıkarılması.

Katalitik reaksiyon örnekleri

Katalizörler sadece kimya endüstrisinde kullanılmaz. Günlük yaşamında herhangi bir kişi çeşitli katalitik reaksiyonlarla karşılaşır. Bu, örneğin yaraları tedavi ederken hidrojen peroksit kullanılmasıdır. Hidrojen peroksit kanla etkileşime girdiğinde aşağıdakilerin etkisi altında ayrışmaya başlar:

2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O.

Modern otomobillerde, zararlı gazlı maddelerin ayrışmasını destekleyen özel katalitik odalar bulunur. Örneğin platin veya rodyum, zararsız O2 ve N2 oluşturmak üzere parçalanan nitrojen oksitlerden kaynaklanan çevre kirliliğinin azaltılmasına yardımcı olur.

Bazı diş macunları plak ve yiyecek artıklarının parçalanmasını başlatan enzimler içerir.

Reaksiyon hızlarını düzenlemenin en yaygın yöntemlerinden biri katalizörlerin kullanılmasıdır.

Katalizörler- bunlar reaksiyonun ara aşamalarına aktif olarak katılan, genel sürecin hızını değiştiren, ancak reaksiyon ürünlerinde değişmeden bulunan maddelerdir.

Katalizör varlığında reaksiyon hızındaki değişime denir. kataliz ve reaksiyonların kendisi – katalitik reaksiyonlar.

Katalitik reaksiyonları sınıflandırmak için iki yaklaşım vardır.

1. Bir faz sınırının varlığına bağlı olarak aşağıdakiler ayırt edilir:

– homojen kataliz reaktifler, katalizör ve reaksiyon ürünleri aynı fazda olduğunda;

– heterojen kataliz reaksiyon ürünleri ile katalizör ve reaktanlar farklı fazlarda olduğunda; Çoğunlukla katalizör katı bir faz oluşturur ve reaktanlar ve ürünler sıvı fazda veya gaz fazındadır.

2. Reaksiyon hızındaki değişimin niteliğine göre şunlar olur:

– pozitif kataliz katalizörün reaksiyon hızını arttırdığı;

– negatif kataliz (inhibisyon)), burada katalizör ( inhibitör) reaksiyon hızını yavaşlatır;

– otokataliz reaksiyon ürünü bir katalizör rolü oynadığında; örneğin bir esterin hidrolizinde

CH3COOH3 + H20 CH3COOH + CH3OH

Reaksiyon sonucunda oluşan asetik asit, hidroliz reaksiyonu için katalizör rolü oynamaya başlayan bir hidrojen iyonunu ayırır. Bu nedenle başlangıçta yavaş olan reaksiyon zamanla giderek artan bir hıza sahiptir.

Katalitik reaksiyonların mekanizmasını açıklamak için önerildi ara teori. Bu teoriye göre pozitif katalizde katalizör ( İLE) yüksek hızda reaktiflerden biriyle aynı zamanda ikinci reaktifle de hızlı bir şekilde etkileşime giren bir ara bileşik oluşturur:

A + BD(yavaşça)

1) A + KAK(hızlı)

2) AK + B D + K(hızlı)

Şekil 4a'dan, katalitik olmayan sürecin aktivasyon enerjisinin, katalitik dönüşümün birinci ve ikinci aşamalarının aktivasyon enerjisinden çok daha büyük olduğu açıktır. Böylece pozitif kataliz ile Katalizörün görevi reaksiyonun aktivasyon enerjisini azaltmaktır.

Reaksiyon yolu a)

Reaksiyon yolu b) Reaksiyon yolu a)

Şekil 4 Katalitik reaksiyonun enerji diyagramları (a) ve

reaksiyonu inhibe etti (b)

İnhibisyon reaksiyonlarında inhibitör ( BEN) yüksek hızda güçlü bir ara bileşik oluşturur ( yapay zeka), çok yavaş bir şekilde reaksiyon ürününe dönüşür:

A + BD(yavaşça)

1) A + I AI(çok hızlı)

2) AI + B D + I(Çok yavaş)

Şekil 4b'den, engellemenin ilk aşamasının, engellenmeyen süreçle karşılaştırıldığında daha düşük bir aktivasyon enerjisine sahip olduğu ve çok hızlı ilerlediği görülebilir. Aynı zamanda, inhibisyonun ikinci aşamasının aktivasyon enerjisi, inhibe edilmemiş reaksiyonun aktivasyon enerjisinden çok daha yüksektir. Böylece inhibe edilmiş reaksiyonlarda İnhibitörün rolü reaksiyonun aktivasyon enerjisini arttırmaktır.

ENZİMATİFİN ÖZELLİKLERİ

KATALİZ

Enzimler(lat. fermentum– ekşi maya) – tüm biyolojik sistemlerde bulunan biyolojik katalizörler. Vücuttaki maddelerin dönüşümünü gerçekleştirirler, böylece metabolizmayı yönlendirir ve düzenlerler. Enzimler gıda ve hafif endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kimyasal doğası gereği enzimler küresel bir protein molekülüdür.

Enzim katalizi (biyokataliz)– biyolojik sistemlerdeki kimyasal reaksiyonların özel protein – enzimler tarafından hızlandırılmasıdır. Enzimatik kataliz, kimyasal üretimde kullanılan geleneksel kimyasal katalizin temeli ile aynı kimyasal prensiplere dayanmaktadır. Ancak enzimatik katalizin kendine has özellikleri vardır:

1. Daha yüksek aktivite kimyasal katalizörlerle karşılaştırıldığında (hızda 10 10 – 10 13 kat artış). Bunun nedeni, tüm aşamalardaki enzimatik reaksiyonların aktivasyon enerjilerinin çok düşük olmasıdır (Şekil 5).

2. Çoğu enzim farklıdır eylemin özgüllüğü, böylece bir reaktanın dönüşümünün hemen hemen her reaksiyonu ( alt tabaka) ürüne özel bir enzim tarafından gerçekleştirilir. Enzim etkisinin özgüllüğü hakkında iki teori vardır:

1) Fisher teorisi(“anahtar kilidi” teorisi): uzaysal yapılarına göre enzim ve substrat, kilitlerinin anahtarı gibi birbirine uymalıdır;

2) Koshland teorisi("eller ve eldivenler" teorisi): Enzim ve substrat ayrı ayrı birbirine karşılık gelen uzaysal formlara sahip olmayabilir, ancak birbirine yaklaştırıldıklarında konfigürasyonları kesin uzaysal eşleşmeyi mümkün kılacak şekilde değişir.

3. Enzimler karakterize edilir inaktivasyon fenomeni- Belirli sayıda substrat molekülü ile etkileşime girdikten sonra bir enzim molekülünün yok edilmesi. Enzim aktivitesi ne kadar yüksek olursa o kadar hızlı parçalanır. İnaktivasyon olgusu Koshland'ın teorisi ile açıklanmaktadır. Aslında, enzim ne kadar aktif olursa, substratla o kadar yoğun etkileşime girer ve bu sırada enzim molekülü önemli uzaysal deformasyona uğrar. Bu şekilde tekrarlanan deformasyon, en zayıf kimyasal bağların kopmasına, yani enzim molekülünün tahrip olmasına yol açar.

4. Her enzim bir protein molekülü içerir. Tek bileşenli yalnızca bir protein molekülünden oluşur ve iki bileşenli– bir protein molekülü ve onunla ilişkili protein olmayan bir bileşenden (inorganik bir iyon veya organik bir bileşiğin bir molekülü – çoğunlukla bir vitamin molekülü veya bunun dönüşümünün bir ürünü) – kofaktör. Bir protein ve bir kofaktörden oluşan moleküler komplekse denir. holoenzim Maksimum katalitik aktiviteye sahip olan. Holoenzimin protein kısmına ne ad verilir? feron ve protein olmayan kısım agon. Kofaktörü olmayan protein bileşenine denir apoenzim ve protein molekülünden ayrılan kofaktör koenzim. Kofaktörden ayrı tutulan protein molekülü çok düşük aktiviteye sahiptir ve katalizör olarak koenzim genellikle aktif değildir.

5. Çoğu enzimin etkisi düzenlenir yani düşük aktivite durumundan yüksek aktivite durumuna geçiş yapabilirler ve geri dönebilirler. Düzenleyici mekanizma, vücudun tüm işlevlerini kontrol ettiği karmaşık bir sistemdir.

6. Enzimler dış koşulların etkisine karşı çok hassastır. Nispeten dar bir sıcaklık ve pH değeri aralığında aktiftirler.

Enzimatik reaksiyonların mekanizması, kimyasal katalizörler tarafından katalize edilen reaksiyonların mekanizmasına benzer:

S + EESP +E,

yani ilk başta çok hızlı oluşuyor enzimsubstrat kompleksi ES substrata geri ayrışabilen S ve enzim e, ama aynı zamanda yavaş yavaş reaksiyon ürününe dönüşür P. Sabit bir enzim konsantrasyonunda, substrat dönüşümünün başlangıç ​​hızına bağımlılık v 0 başlangıç ​​konsantrasyonundan itibaren anlatılmıştır Michaelis kinetik denklemi-Menten:

v 0 = ,

Nerede km Ve Vmaks– enzimin etki mekanizmasını yansıtan kinetik parametreler.

Bu parametreleri belirleme yöntemi kullanıma dayanmaktadır. Lineweaver-Burk denklemleri Michaelis-Menten denkleminin dönüştürülmesiyle elde edilen:

= +

Şekil 6, parametrelerin belirlenmesine yönelik metodolojiyi göstermektedir km Ve Vmaks. Vmaks - Belirli bir enzim konsantrasyonu için maksimum başlangıç ​​reaksiyon hızıdır [ e] (Şekil 7). Molar enzim aktivitesi(a E) aşağıdaki ilişkiyle belirlenir:

birim zamanda bir enzim molekülü tarafından dönüştürülen substrat moleküllerinin sayısını gösterir. Örneğin reaksiyon için CO 2 + H 2 Ö H 2 CO 3, kan enzimi karbonat dehidrataz tarafından katalize edilir ve E = 36∙10 6 mol CO2/(min∙mol E), yani bir dakikada 1 molekül enzim 36 milyon molekülün dönüşümünü katalize eder CO2.

Şekil 7 Enzimatik reaksiyonun başlangıç ​​hızının substratın başlangıç ​​konsantrasyonuna bağımlılığı

Parametre km mevcut enzimin yarısını bir enzim-substrat kompleksine bağlamak ve maksimum hızın yarısına ulaşmak için gereken substrat miktarı anlamına gelir (Şekil 7). Bu yüzden km Belirli bir enzimin belirli bir substrata ilişkin etkisinin özgüllüğünü değerlendirmek için kullanılabilir. Örneğin reaksiyon için

monosakkarit + ATPşeker fosfat + ADF,

glikoz için elde edilen heksokinaz enzimi tarafından katalize edilir km= 8∙10 –6 mol/l ve hepsi için km= 8∙10 –3 mol/l. Sonuç olarak enzim, aynı sonucu elde etmek için allozdan 1000 kat daha az glikoz gerektirdiğinden, glikoz ile daha fazla etkileşime girer.

4. KİMYASAL DENGE

Kimyasal denge durumuna ulaşıldığında, maddelerin molekül sayısı değişmeyi bırakır ve sabit dış koşullar altında zaman içinde sabit kalır. Kimyasal denge aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir:

1) ileri ve geri reaksiyon oranlarının eşitliği;

2) sabit dış koşullar altında bileşenlerin konsantrasyonlarının (kısmi basınçlar) sabitliği;

3) hareketlilik, yani küçük yer değiştirmelerle kendiliğinden toparlanma yeteneği;

4) Denge ileri ve geri reaksiyonlarla sağlanır.

Bir kimyasal reaksiyonun enerji diyagramını düşünün

A + BD(Şekil 8). Bu reaksiyon için:

Şekil 8 Tersinir bir kimyasal reaksiyonun enerji diyagramı

Sonuç olarak, belirli bir sıcaklıkta ileri ve geri reaksiyonlar iyi tanımlanmış hız sabitlerine sahiptir. Bu nedenle tersinir reaksiyonlarda kinetik eğriler Şekil 9'da gösterilen forma sahiptir. A. Şekilden, zamana ulaştıktan sonra görülebilmektedir. t r bileşenlerin konsantrasyonları değişmeden kalır.

Yasaya göre en Kitle eylemi

Şekil 9'dan B Denge zamanına ulaştıktan sonra görülebilir. tp hız eşitliği sağlanır. Daha sonra

Nerede K c= bileşenlerin denge konsantrasyonlarından belirlenen kimyasal denge sabitidir.

Şekil 9 Tersinir bir reaksiyon için kinetik eğriler (a) ve ileri ve geri reaksiyonların hızının zamana bağlılığı (b)

Genel olarak reaksiyon için

mA +nB qD +fE

denge sabiti şu şekilde verilir:

Böylece, K c Belirli bir sıcaklıkta bir reaksiyon sisteminin, kimyasal denge durumundaki bileşenlerin konsantrasyonlarının oranını belirleyen bir parametre özelliğidir.

Reaksiyon gaz fazında meydana gelirse, konsantrasyonlar yerine sistem bileşenlerinin kısmi basınçları kullanılır. Yukarıdaki denge reaksiyonu için dengedeki bileşenlerin kısmi basınçlarından belirlenen denge sabiti şu şekilde bulunur:

İdeal gazlar için р ben =C i RT. Bu yüzden

nerede - reaksiyon sırasında bileşenlerin mol sayısındaki değişikliktir.

Değerler K c Ve K p sıcaklığa ve reaksiyon sistemlerinin bileşenlerinin doğasına bağlıdır.

İleri ve geri reaksiyonlar için Arrhenius denklemlerinden şu şekilde çıkar:

içinde k pr= günlük bir halkla ilişkiler ve ln k arr.= günlük Bir varış.

O zamandan beri

içinde Kr= günlük

Nerede ΔН pr– doğrudan reaksiyonun termal etkisi.

Ortaya çıkan denklemden şu sonuç çıkıyor: bağımlılık K p düz bir çizgiye benziyor ve bunun için (Şekil 10), takip ettiği .

Belirlemek için ΔH pr analitik yöntemi kullanarak değeri bulun K p iki farklı sıcaklıkta ve formülü kullanarak hesaplamalar yapın

ΔH pr

Şekil 10 Doğrudan endotermik reaksiyonun termal etkisinin belirlenmesi ( ΔН pr >0)

Son ifadeye integral denklem denir kimyasal reaksiyon izobarları. İki farklı sıcaklıktaki denge sabitlerini ilişkilendirir ve sıcaklık değiştikçe toplam basıncın sabit kaldığı denge sistemlerini açıklar.

Sıcaklık değiştiğinde, örneğin çözeltilerdeki reaksiyonlar sırasında sistemin hacmi sabit kalırsa, parametreler arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilir: bir kimyasal reaksiyonun izokoru

ΔU pr .

Kimyasal termodinamik açısından kimyasal reaksiyonların yönü tartışılırken, sistemin bu koşullar altında kimyasal denge durumunda olduğu kaydedildi. ∆G= 0. Bu konuma göre denklem elde edilir kimyasal reaksiyon izotermleri işareti belirlemenizi sağlar ∆G ve buna göre, reaksiyon sisteminin bileşenlerinin isteğe bağlı oranlarda karıştırılması koşuluyla kimyasal reaksiyonun yönü:

ΔG= RT(ln – ln K p)

Nerede p bir Ve p V- karıştırılarak elde edilen bileşenlerin keyfi kısmi basınçları.

Bileşenleri çözüm halinde olan bir sistem için benzer bir ilişki önerilmiştir.

Örneğin reaksiyon için

mA+nB qD+fE,

Dengesi sıvı fazda kurulan kimyasal reaksiyon izoterm denklemi aşağıdaki forma sahiptir:

ΔG= RT(ln - ln K c)

keyfi miktarda maddenin karıştırılmasıyla elde edilen çözeltideki bileşenlerin mol kesirleri nerede A, B, D Ve e.

Denge değişimi. Denge durumundaki bir sistemin sıcaklığındaki, konsantrasyonundaki veya basıncındaki bir değişiklik onu dengeden çıkarır. Ancak belirli bir süre sonra sistemde parametreleri zaten orijinal durumdan farklı olan yeni bir denge durumu yeniden kurulur. Koşullar değiştiğinde bir sistemin bir denge durumundan başka bir denge durumuna bu şekilde geçişine denge kayması denir. Denge sabitlerinin küçük değerlerine sahip sistemler için hedef ürünün verimini arttırmak için kullanılır. Ek olarak dengeyi kaydırma yöntemi paralel olarak meydana gelen istenmeyen süreçleri de baskılayabilir.

Ancak denge durumunu etkilemeyen iki faktörü akılda tutmak gerekir. İlk olarak, bir denge sistemine bir katalizörün dahil edilmesi dengede bir kaymaya yol açmaz. Katalizör ileri ve geri reaksiyonların aktivasyon enerjisini eş zamanlı olarak düşürür, bu da her iki reaksiyonun hızında aynı oranda artışa yol açar. Katalizör kullanımı sonucunda daha kısa sürede denge durumuna ulaşılır. İkincisi, heterojen denge sistemlerinde çözünmeyen ve uçucu olmayan katıların konsantrasyonları ve kısmi basınçları denge sabitinin ifadesine dahil edilmez. Örneğin reaksiyon için FeO +CO Fe +CO 2 denge sabiti şu şekilde tanımlanır: K p= .

Sıcaklığın etkisi. Denklemler izokorlar Ve izobarlar sıcaklık değişimleriyle denge değişiminin yönünü tahmin etmeyi mümkün kılar. Örneğin sistem dengedeyse ve ileri reaksiyon ekzotermikse (DN pr <0), то при повышении температуры (T 2 >T 1) eşitsizliğe dikkat edilmelidir K p ,2 K p ,1. Bu, yeni denge durumunda reaksiyon ürünlerinin kısmi basıncının daha düşük olacağını, yani reaksiyonun sola kayacağını göstermektedir.

Sıcaklıktaki bir artış dengeyi endotermik bir reaksiyona doğru kaydırır ve sıcaklıktaki bir azalma dengeyi ekzotermik bir reaksiyona doğru kaydırır.

Böylece en yüksek ürün verimi elde edilir:

Düşük sıcaklıklardaki ekzotermik reaksiyonlar için;

Yüksek sıcaklıklarda endotermik reaksiyonlar için.

Konsantrasyonun etkisi (kısmi basınç). Denklem izotermler Denge sisteminin herhangi bir bileşeninin konsantrasyonu değiştiğinde denge değişiminin yönünü tahmin etmenizi sağlar. Sistemin dengede olmasına izin verin. Daha sonra ΔG=0 ve izoterm denklemindeki bileşenlerin konsantrasyonları denge değerlerine karşılık gelir ve = K c. Reaksiyon ürünlerinden bir kısmı sistemden çıkarılırsa parametrelerin oranıyla dengesiz bir durum ortaya çıkar. K c ve buna bağlı olarak, ΔG< 0. Son eşitsizlik, doğrudan reaksiyonun kendiliğinden ortaya çıkmasının termodinamik koşuludur. Sonuç olarak, dengeyi sağa kaydırarak, başlangıçtaki reaktanların bir kısmının reaksiyon ürünlerine dönüştürülmesiyle yeni bir denge durumu elde edilir.

Başlangıç ​​reaktiflerinin konsantrasyonundaki (kısmi basınç) bir artış, dengeyi ürünlerin oluşumuna doğru kaydırır ve konsantrasyonlarındaki (kısmi basınç) bir azalma, ürünlerin orijinal olanlara ters dönüşümüne doğru kayar. Ürünlerin konsantrasyonundaki bir artış (kısmi basınç), dengeyi ters reaksiyona doğru kaydırır ve konsantrasyonlarındaki bir azalma (kısmi basınç), dengeyi ileri reaksiyona doğru kaydırır.

Bu nedenle, reaksiyon ürününün verimini arttırmak için, başlangıç ​​reaktiflerinin konsantrasyonlarını (kısmi basınçlarını) arttırmak veya ürünleri reaksiyon sisteminden kademeli olarak uzaklaştırarak konsantrasyonlarını (kısmi basınçlarını) azaltmak gerekir.

Toplam sistem basıncının etkisi. Denge gaz fazı sistemi verilsin mA nB, hangisi için n m yani molekül sayısının artmasıyla doğrudan bir reaksiyon meydana gelir.

Dalton yasasına göre, p bir = p∙y A Ve p B = p∙y B, Nerede R- sistemdeki toplam basınç; r A, r B– bileşenlerin kısmi basınçları; y A y B– gaz fazındaki bileşenlerin mol kesirleri. Daha sonra izoterm denklemi aşağıdaki formu alır

Eğer baskı altındaysa sayfa 1 sistem dengede ise

.

Basıncı p2'ye yükseltmek sistemi dengeden çıkarır. Çünkü ( p-t) 0 ise sistem parametrelerinin aşağıdaki ilişkisi ortaya çıkar

Ve ΔG> 0.

Bu, ters reaksiyonun meydana gelmesi için termodinamik durumdur. Sonuç olarak artan basınçla ürünün ters dönüşümü sonucu yeni bir denge durumu ortaya çıkacaktır. İÇİNDE orijinal bağlantıya A Bunun sonucunda sistemdeki toplam molekül sayısı azalır.

Elde edilen sonuçları özetleyerek aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz:

Sistemin toplam basıncındaki bir artış, dengeyi molekül sayısının azalmasıyla meydana gelen reaksiyona doğru kaydırır;

Sistemin toplam basıncındaki bir azalma, dengenin molekül sayısındaki artışla meydana gelen reaksiyona doğru kaymasına neden olur.

Denge değişiminin yönü üzerindeki tüm faktörlerin etki kalıplarının genelleştirilmesi, şu kurala yol açar: Le Chatelier'in ilkesi:

Bir denge sistemine dış bir etki uygulanırsa (sıcaklıktaki değişiklik, bileşenlerin konsantrasyonu veya kısmi basınçları, toplam basınç), bu etkinin etkisi zayıflayacak şekilde tepki verecektir.

FOTOKİMYASAL REAKSİYONLAR

Işık radyasyonunun etkisi altında meydana gelen kimyasal reaksiyonlara denir. fotokimyasal reaksiyonlar. En önemli fotokimyasal reaksiyonlar, Güneş'ten gelen ultraviyole radyasyonun etkisi altında moleküler oksijenden ozon oluşumunu içerir:

O2 + hO

O + Ö 2 Ö 3 + Ö

Ortaya çıkan ozon Ç 3 canlılara zarar veren 250-260 mm aralığındaki ultraviyole ışınlarını emer. Bir diğer önemli fotokimyasal reaksiyon, bitkilerin atmosferden karbondioksiti emip oksijeni serbest bırakmasıyla sonuçlanan fotosentezdir. Gümüş bromürün fotokimyasal ayrışması fotoğraf sürecinin merkezinde yer alır.

Bir fotonun enerjisi (radyasyonun kuantumu) ( e) ilişki tarafından belirlenir

E = h,

Nerede H– Planck sabiti (h 6,626 10 J∙s); – radyasyon frekansı, s. Görünür ışık, kızılötesi ve morötesi ışınların dalga boyu 100 nm ile 1000 nm arasında, enerjileri ise 120 kJ/mol ile 1200 kJ/mol arasında değişmektedir. Bir moleküldeki atomun tek bir elektronu tarafından bir miktar radyasyon emilir ve bunun sonucunda bu elektron daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder. Sonuç olarak, enerjinin radyasyon biçiminde emilmesinin üç farklı sonucu mümkündür:

1. Bir atom veya molekül uyarılmış duruma geçer:

A + h A *

M + h M *

2. Bir molekülün atom oluşturacak şekilde ayrışması veya serbest radikaller:

AB + h A + B

3. Eğitim basit veya moleküler iyonlar bir elektronu çıkararak:

bir + h bir + +

AB + h AB ++

Tüm bu işlemler aşağıdaki yasalara tabidir.

1. Fotokimyasal reaksiyonlara, gelen ışınımın yalnızca reaksiyona giren sistem tarafından emilen kısmı neden olabilir ( Grotthus-Dreper yasası).

2. Absorbe edilen her radyasyon kuantumu yalnızca bir molekülün dönüşümüne neden olur ( Einstein-Stark yasası).

3. Fotokimyasal reaksiyon sonucu oluşan ürün miktarı, emilen radyasyonun yoğunluğu ve ışınlama süresi ile orantılıdır ( Hoff yasası değil mi).

Son yasa matematiksel formda temsil edilebilir:

m = k t,

Nerede M– fotokimyasal olarak dönüştürülmüş maddenin kütlesi, g; - emilen radyasyonun gücü, yani. ışık akısını birim zamanda birim alandan aktaran enerji miktarı, J/s; T– ışınlama süresi, s.; k– reaksiyon hızı sabiti, g/J.

1. ve 2. yasaları deneysel olarak test ederken bazen belirgin bir tutarsızlık gözlemlenir. İlk önce emilen kuantum sayısı, maddenin reaksiyona giren molekül sayısına eşit değildir; sanki Einstein-Stark yasası ihlal ediliyormuş gibi. Bu nedenle, fotokimyasal süreçleri karakterize etmek için kavram kuantum verimi Bu, gerçekte reaksiyona giren moleküllerin sayısının emilen kuantum sayısına oranına eşittir. Değer 10 -3 ila 10 6 aralığında değişir. Şu tarihte:<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 sistem sızdırıyor zincirleme tepki. Bu durumda, absorbe edilen radyasyon kuantumu, bir aktif parçacığın ortaya çıkmasına neden olur ve bu daha sonra bir ikincil dönüşüm zinciri oluşturur.

ikinci olarak Bazı maddeler görünür veya ultraviyole bölgedeki ışığı absorbe etmez, ancak ışınlandığında dönüşüme uğrayabilirler. Böylece Grotthus yasası ihlal edilmiş olur. Bu durumda radyasyon kuantumunun özel maddeler tarafından emildiği ortaya çıktı - ışığa duyarlılaştırıcılar emilen enerjiyi, sonuç olarak kimyasal dönüşüme uğrayan başka bir maddeye aktarır. Sonuç olarak, Grotthus yasasının ihlali yalnızca görünüştedir. Örneğin moleküler hidrojen, dalga boyu 253,7 nm olan ışığı absorbe etmez. Bununla birlikte, bir cıva ve hidrojen buharı karışımı ışınlandığında, hidrojen moleküllerinin atomlara ayrışma süreci gözlenir:

Hg + hHg *

Hg*+H2Hg+H+H

Benzer bir ışığa duyarlılaştırma işlemi fotosentez- oksijen salınımıyla birlikte karbon monoksit (IV) ve sudan karbonhidratların sentezi. Klorofil molekülü bu fotokimyasal reaksiyon için duyarlılaştırıcı görevi görür. Üstelik klorofil Bışık enerjisini yakalar ve toplar. Fotouyarılmadan sonra fazla enerjiyi klorofil molekülüne aktarır. A daha sonra fotosentez sürecinde doğrudan rol alır.

Toplam fotosentez süreci reaksiyonla ifade edilir:

6CO2 + 6H20 C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O, G 0 = 2861,9 kJ/mol

Fotosentez, fotokimyasal reaksiyonları enzimatik reaksiyonlarla birleştiren karmaşık bir redoks işlemidir. Fotosentez mekanizmasında iki aşama vardır: ışık Ve karanlık. Işık aşaması, suyun oksidasyonunu tamamlayan ve indirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotid fosfatı oluşturan gerçek fotokimyasal reaksiyonları ve bunlarla ilişkili enzimatik reaksiyonları içerir ( NADPH2) ve adenosin trifosforik asit ( ATP). Karanlık aşamada NADPH2 Ve ATP molekülü geri yükle CO2önce CH20 ve daha sonra bir radyasyon kuantumunun katılımı olmadan meydana gelen konjuge enzimatik reaksiyonların bir döngüsünde bir monosakarit oluşur.

ÇÖZÜMLERİN ÖZELLİKLERİ

GENEL BİLGİ

Çözümler arandı homojen Konsantrasyonları geniş sınırlar içinde değişebilen solventler, çözünmüş maddeler ve bunların etkileşim ürünlerinden oluşan (tek fazlı) sistemler.

Katı, sıvı ve gaz halinde olabilirler. Biyolojik nesnelerdeki işlemler ve tarımsal işleme endüstrisindeki teknolojik işlemler sulu çözeltilerde gerçekleşir. Bu nedenle gelecekte kendimizi yalnızca çeşitli maddelerin sulu çözeltilerini dikkate almakla sınırlayacağız.

Çözünme sırasında, çözücünün hacminde çözünen maddenin molekülleri veya iyonları düzgün bir şekilde dağılır. Ancak çözünme, bir maddenin diğerine tamamen fiziksel difüzyonu olarak düşünülemez. Bu, belirli maddeler suda çözündüğünde önemli miktarda ısının açığa çıkmasıyla kanıtlanır ( H2SO4, NaOH ve diğerleri). Çözücü moleküller ile çözünmüş bir maddenin molekülleri veya iyonları arasında, bazılarının kırılması ve diğer kimyasal bağların oluşmasıyla birlikte kimyasal etkileşimlerin mümkün olduğu tespit edilmiştir. Bu, çözücü ve çözünen arasındaki etkileşim ürünlerinin oluşumuna yol açar. solvatlar, ve sulu çözeltilerde - hidratlar. Etkileşim sürecinin kendisine denir çözüm veya hidrasyon.

Şu anda çözümler şu şekilde değerlendiriliyor: fiziksel-kimyasal sistemler,özelliklerinde mekanik karışımlar ve kimyasal bileşikler arasında orta bir konumda bulunur ve kendilerine özgü fiziksel ve kimyasal yasalara sahiptir.

Herhangi bir çözümün temel özelliği, konsantrasyon. Kural olarak çözücü, çözeltinin nispeten daha büyük miktarda bulunan bileşenidir ve faz durumunu belirler. Çözeltilerin fizikokimyasal özellikleri konsantrasyonlarına bağlıdır. Bunun gibi birçok bağımlılık var. Hepsi çözümün olduğu varsayımına dayanarak elde edildi. mükemmel. İdeal aşağıdakilerin olduğu bir çözümdür:

1) çözünmüş maddenin konsantrasyonu çok düşüktür - mol fraksiyonu 0,005'ten azdır;

2) çözünen uçucu değildir, yani molekülleri sıvı fazı gaz fazına bırakamaz;

3) çözeltinin parçacıkları arasında etkileşim kuvveti yoktur, yani karıştırma ısısı sıfırdır ( hayır= 0) ve sistemin hacminde bir değişiklik yoktur ( Başkan Yardımcısı = 0);

Katamliz- Bir katalizörün/katalizörlerin etkisi altında bir kimyasal reaksiyonun termodinamik olarak izin verilen olası yönlerinden birinin seçici olarak hızlandırılması; katalizör, reaksiyon katılımcıları ile tekrar tekrar ara kimyasal etkileşimlere girer ve her ara kimyasal etkileşim döngüsünden sonra kimyasal bileşimini geri yükler. "Kataliz" terimi 1835'te İsveçli bilim adamı Jons Jakob Berzelius tarafından tanıtıldı.

Kataliz olgusu doğada yaygındır (canlı organizmalarda meydana gelen süreçlerin çoğu katalitiktir) ve teknolojide (petrol rafinasyonu ve petrokimyada, sülfürik asit, amonyak, nitrik asit vb. üretiminde) yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstriyel reaksiyonların çoğu katalitiktir.

Katalizörler Kimyasal reaksiyonların hızını değiştiren maddelere denir.

Bazı katalizörler reaksiyonu büyük ölçüde hızlandırır - pozitif kataliz veya basitçe kataliz, bazıları ise yavaşlatır - negatif kataliz. Pozitif kataliz örnekleri arasında sülfürik asit üretimi, platin katalizörü kullanılarak amonyağın nitrik asite oksidasyonu vb. yer alır.

Reaksiyon hızı üzerindeki etkilerine bağlı olarak, birçok kataliz kaynağı pozitif (reaksiyon hızı artar) ve negatif (reaksiyon hızı azalır) olarak ikiye ayrılır. İkinci durumda, inhibitör reaksiyon sırasında tüketildiği için "negatif kataliz" olarak kabul edilemeyecek bir inhibisyon süreci meydana gelir.

Kataliz homojen ve heterojen olabilir (temas). Homojen katalizde katalizör reaksiyon reaktifleriyle aynı fazdadır, heterojen katalizörler ise faz bakımından farklılık gösterir.

Homojen kataliz.

Örnek homojen kataliz, iyot iyonlarının varlığında hidrojen peroksitin ayrışmasıdır. Reaksiyon iki aşamada gerçekleşir:

H2 O2+ ben > H2O+IO, H2O2+GÇ> H2O + O2+ben

Homojen katalizde, katalizörün etkisi, reaksiyona giren maddelerle etkileşime girerek ara bileşikler oluşturmasından kaynaklanmaktadır, bu da aktivasyon enerjisinde bir azalmaya yol açmaktadır.

Heterojen kataliz.

Heterojen katalizde, sürecin hızlanması genellikle katı bir cismin (katalizörün) yüzeyinde meydana gelir; dolayısıyla katalizörün aktivitesi, yüzeyinin boyutuna ve özelliklerine bağlıdır. Uygulamada, katalizör genellikle katı gözenekli bir destek üzerinde desteklenir.

Heterojen katalizin mekanizması homojen katalizden daha karmaşıktır. Heterojen kataliz mekanizması, tamamı geri dönüşümlü olan beş aşama içerir.

• 1. Reaktanların bir katının yüzeyine difüzyonu
• 2. Reaksiyona giren moleküllerin katı bir maddesinin yüzeyinin aktif merkezleri üzerinde fiziksel adsorpsiyon ve ardından bunların kemisorpsiyonu
• 3. Reaksiyona giren moleküller arasındaki kimyasal reaksiyon
• 4. Ürünlerin katalizör yüzeyinden desorpsiyonu
• 5. Ürünün katalizör yüzeyinden genel akışa difüzyonu

Heterojen katalizin bir örneği, sülfürik asit üretiminde (temas yöntemi) bir V205 katalizörü üzerinde SO2'nin S03'e oksidasyonudur.

Katalitik reaksiyonların çoğu, iç yüzeyi farklı boyut ve uzunluktaki gözeneklerden ve kanallardan oluşan gözenekli katalizörler üzerinde gerçekleştirilir. Bu gözenekler izole edilebilir veya birbirine bağlanabilir. Katalizörün gözeneklerindeki gazların hareketinin hızını ve doğasını belirleyen ana faktör gözenek boyutudur. Moleküllerin serbest hareket hızı 1000 m/s'ye ulaşabilir ve gözeneklerdeki hareketin engellenmesi, gaz molekülleri arasındaki ve gözenek duvarları arasındaki çarpışmalarla ilişkilidir.

Çoğu katalitik reaksiyon seçici değildir ve bu da kinetik analiz yöntemlerine belirli sınırlamalar getirir.

Katalitik reaksiyonların çoğu birkaç farklı türde atom ve molekülü içerir. Reaksiyon mekanizmasını ve bu atomlar ve moleküller arasında ve bunlarla yüzey arasında etki eden kuvvetlerin doğasını belirlemek doğal olarak karmaşık bir problemdir, ancak bir tür atom veya molekülün adsorpsiyon davranışını inceleyerek basitleştirilebilir. Bu tür çalışmalar, belirli moleküllerin belirli adsorbanlar üzerine adsorbe edilmesi durumunda moleküldeki bağın koptuğunu ve adsorbanla iki bağ oluştuğunu; bu durumda adsorbe edilen molekül, adsorbe edilen iki atoma dönüşür. Bu işlem bir yüzey kimyasal reaksiyonudur ve ortaya çıkan adsorbe edilmiş atomlara genellikle kimyasal olarak adsorbe edilmiş atomlar adı verilir. Yeterince düşük sıcaklıklarda böyle bir reaksiyon oluşmazsa ve adsorbe edilen moleküller, adsorbe edilen iki atoma parçalanmazsa, bu tür moleküllere fiziksel olarak adsorbe edilmiş denir.

S. I. LEVCHENKOV

FİZİKSEL VE ​​KOLOİDAL KİMYA

Güney Federal Üniversitesi (RSU) Biyoloji Fakültesi öğrencileri için ders notları

2.3 KATALİTİK SÜREÇLER

Belirli bir sıcaklıkta bir kimyasal reaksiyonun hızı, aktifleştirilmiş kompleksin oluşum hızına göre belirlenir ve bu da aktivasyon enerjisinin değerine bağlıdır. Birçok kimyasal reaksiyonda, aktive edilmiş kompleksin yapısı, stokiyometrik olarak reaktif olmayan maddeleri içerebilir; Bu durumda sürecin aktivasyon enerjisinin de değiştiği açıktır. Birkaç geçiş durumunun mevcut olması durumunda reaksiyon esas olarak en düşük aktivasyon bariyerine sahip yol boyunca ilerleyecektir.

Kataliz, reaksiyondan sonra durumu ve miktarı değişmeden kalan maddelerin varlığında kimyasal reaksiyonun hızının değiştirilmesi olgusudur.

Ayırt etmek pozitif Ve olumsuz kataliz (sırasıyla reaksiyon hızındaki artış ve azalma), ancak "kataliz" terimi genellikle yalnızca pozitif kataliz anlamına gelir; negatif kataliz denir engelleme.

Aktifleştirilmiş kompleksin yapısının bir parçası olan ancak stokiyometrik olarak bir reaktif olmayan bir maddeye katalizör denir. Tüm katalizörler, eylemin özgüllüğü ve seçiciliği gibi ortak özelliklerle karakterize edilir.

özgüllük Bir katalizör, yalnızca bir reaksiyonu veya bir grup benzer reaksiyonu hızlandırma ve diğer reaksiyonların hızını etkilememe yeteneğinde yatmaktadır. Örneğin birçok geçiş metali (platin, bakır, nikel, demir vb.) hidrojenasyon işlemleri için katalizördür; alüminyum oksit hidrasyon reaksiyonlarını vb. katalize eder.

Seçicilik katalizör - belirli koşullar altında mümkün olan paralel reaksiyonlardan birini hızlandırma yeteneği. Bu sayede farklı katalizörler kullanılarak aynı başlangıç ​​malzemesinden farklı ürünler elde etmek mümkündür:

: 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

Pozitif kataliz ile reaksiyon hızının artmasının nedeni, reaksiyonun bir katalizörün katılımıyla aktifleştirilmiş bir kompleks üzerinden ilerlediğinde aktivasyon enerjisindeki azalmadır (Şekil 2.8).

Arrhenius denklemine göre, bir kimyasal reaksiyonun hız sabiti üstel olarak aktivasyon enerjisine bağlı olduğundan, aktivasyon enerjisindeki bir azalma, hız sabitinde önemli bir artışa neden olur. Aslında, katalitik ve katalitik olmayan reaksiyonlar için Arrhenius denklemindeki (II.32) üstel öncesi faktörlerin yakın olduğunu varsayarsak, hız sabitlerinin oranı için şunu yazabiliriz:

ΔE A = –50 kJ/mol ise hız sabitlerinin oranı 2,7 x 10 6 kat olacaktır (aslında pratikte E A'daki böyle bir azalma reaksiyon hızını yaklaşık 10 5 kat artırır).

Bir katalizörün varlığının, işlemin bir sonucu olarak termodinamik potansiyeldeki değişimin büyüklüğünü etkilemediğine ve dolayısıyla, hiçbir katalizör termodinamik olarak imkansız bir sürecin kendiliğinden oluşmasını mümkün kılamaz (ΔG (ΔF) sıfırdan büyük olan bir süreç). Katalizör, tersinir reaksiyonlar için denge sabitinin değerini değiştirmez; bu durumda katalizörün etkisi yalnızca denge durumuna ulaşmayı hızlandırmaktır.

Reaktiflerin ve katalizörün faz durumuna bağlı olarak homojen ve heterojen kataliz ayırt edilir.

Pirinç. 2.8 Katalizörsüz bir kimyasal reaksiyonun enerji diyagramı (1)
ve bir katalizörün (2) varlığında.

2.3.1 Homojen kataliz.

Homojen kataliz - reaktanların ve katalizörün aynı fazda olduğu katalitik reaksiyonlar. Homojen katalitik proseslerde katalizör, reaktiflerle birlikte ara reaktif ürünler oluşturur. Biraz tepki düşünelim

A + B ––> C

Bir katalizörün varlığında, hızlı bir şekilde meydana gelen iki aşama gerçekleştirilir, bunun sonucunda ara bileşik AA parçacıkları oluşturulur ve ardından (aktive edilmiş ABC kompleksi # aracılığıyla) katalizör rejenerasyonu ile son reaksiyon ürünü elde edilir:

A + K ––> AK

AK + B ––> C + K

Böyle bir işlemin bir örneği, aktivasyon enerjisi E A = 190 kJ/mol olan asetaldehitin ayrışma reaksiyonudur:

CH3CHO ––> CH4 + CO

İyot buharının varlığında bu işlem iki aşamada gerçekleşir:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI ––> CH 4 + I 2

Bu reaksiyonun katalizör varlığında aktivasyon enerjisindeki azalma 54 kJ/mol'dür; reaksiyon hız sabiti yaklaşık 105 kat artar. En yaygın homojen kataliz türü, H + hidrojen iyonlarının katalizör görevi gördüğü asit katalizidir.

2.3.2 Otokataliz.

Otokataliz– Bir kimyasal reaksiyonun ürünlerinden biri tarafından katalitik olarak hızlandırılması süreci. Bir örnek, hidrojen iyonları tarafından katalize edilen esterlerin hidrolizidir. Hidroliz sırasında oluşan asit, hidroliz reaksiyonunu hızlandıran protonları oluşturmak üzere ayrışır. Otokatalitik reaksiyonun özelliği, bu reaksiyonun katalizör konsantrasyonunda sürekli bir artışla ilerlemesidir. Bu nedenle reaksiyonun ilk döneminde hızı artar ve sonraki aşamalarda reaktif konsantrasyonunun azalması sonucunda hız azalmaya başlar; otokatalitik bir reaksiyonun ürününün kinetik eğrisi karakteristik S şeklinde bir görünüme sahiptir (Şekil 2.9).

Pirinç. 2.9 Otokatalitik reaksiyonun ürününün kinetik eğrisi

2.3.3 Heterojen kataliz.

Heterojen kataliz - Katalizör ve reaktanların oluşturduğu fazlar arasındaki arayüzde meydana gelen katalitik reaksiyonlar. Heterojen katalitik süreçlerin mekanizması, homojen kataliz durumunda olduğundan çok daha karmaşıktır. Her heterojen katalitik reaksiyonda en az altı aşama ayırt edilebilir:

1. Başlangıç ​​maddelerinin katalizör yüzeyine difüzyonu.

2. Bazı ara bileşiklerin oluşmasıyla başlangıç ​​maddelerinin yüzeyde adsorpsiyonu:

A + B + K ––> АВК

3. Adsorplanmış durumun aktivasyonu (bunun için gereken enerji, sürecin gerçek aktivasyon enerjisidir):

AVK ––> AVK #

4. Aktifleştirilmiş kompleksin adsorbe edilmiş reaksiyon ürünlerinin oluşumu ile ayrışması:

АВК # ––> СДК

5. Reaksiyon ürünlerinin katalizör yüzeyinden desorpsiyonu.

СDК ––> С + D + К

6. Reaksiyon ürünlerinin katalizör yüzeyinden difüzyonu.

Heterokatalitik proseslerin spesifik bir özelliği, katalizörün teşvik etme ve zehirleme yeteneğidir.

Terfi– bizzat bu proses için katalizör olmayan maddelerin (promotörler) varlığında katalizörün aktivitesinde bir artış. Örneğin nikel metali katalizli reaksiyonu için

CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O

nikel katalizörüne küçük bir seryum safsızlığının eklenmesi, katalizörün aktivitesinde keskin bir artışa yol açar.

Zehirlenme– belirli maddelerin (katalitik zehirler olarak adlandırılan) varlığında katalizör aktivitesinde keskin bir azalma. Örneğin, amonyak sentezi reaksiyonu için (katalizör sünger demirdir), reaksiyon karışımında oksijen veya kükürt bileşiklerinin varlığı demir katalizörünün aktivitesinde keskin bir azalmaya neden olur; aynı zamanda katalizörün başlangıç ​​malzemelerini adsorbe etme yeteneği çok az azalır.

Heterojen katalitik süreçlerin bu özelliklerini açıklamak için G. Taylor şu varsayımı yaptı: katalizörün tüm yüzeyi katalitik olarak aktif değil, yalnızca bazı alanları - sözde. aktif merkezler bunlar katalizörün kristal yapısında çeşitli kusurlar olabilir (örneğin, katalizörün yüzeyindeki çıkıntılar veya çöküntüler). Şu anda, birleşik bir heterojen kataliz teorisi yoktur. Metal katalizörler için geliştirildi çoklu teori . Multiplet teorisinin ana hükümleri şunlardır:

1. Bir katalizörün aktif merkezi, dönüşüme uğrayan molekülün yapısına göre geometrik olarak katalizörün yüzeyinde yer alan belirli sayıda adsorpsiyon merkezlerinden oluşur.

2. Reaksiyona giren moleküllerin aktif merkeze adsorpsiyonu sırasında, çoklu bir kompleks oluşur, bu da bağların yeniden dağıtılmasına neden olur ve reaksiyon ürünlerinin oluşumuna yol açar.

Çoklu teorisine bazen aktif merkezin ve reaksiyona giren moleküllerin geometrik benzerliği teorisi denir. Farklı reaksiyonlar için, aktif merkezdeki adsorpsiyon merkezlerinin sayısı (her biri bir metal atomu ile tanımlanır) farklıdır - 2, 3, 4 vb. Bu tür aktif merkezlere sırasıyla ikili, üçlü, dörtlü vb. adı verilir. (genel durumda, teorinin adını borçlu olduğu şey olan bir multiplet).

Örneğin, çoklu teorisine göre, doymuş monohidrik alkollerin dehidrojenasyonu bir ikili üzerinde meydana gelir ve sikloheksanın dehidrojenasyonu bir altılı üzerinde meydana gelir (Şekil 2.10 - 2.11); Çoklu teorisi, metallerin katalitik aktivitesini atom yarıçaplarının değeriyle ilişkilendirmeyi mümkün kıldı.

Pirinç. 2.10 Bir ikili üzerinde alkollerin dehidrojenasyonu

Pirinç. 2.11 Altılıda sikloheksanın dehidrojenasyonu

2.3.4 Enzimatik kataliz.

Enzim katalizi – enzimlerin katılımıyla meydana gelen katalitik reaksiyonlar – protein niteliğindeki biyolojik katalizörler. Enzim katalizinin iki karakteristik özelliği vardır:

1. Yüksek aktivite , inorganik katalizörlerin aktivitesinden birkaç kat daha yüksektir ve bu, enzimler tarafından prosesin aktivasyon enerjisinde çok önemli bir azalma ile açıklanmaktadır. Dolayısıyla Fe2+ iyonları tarafından katalize edilen hidrojen peroksitin ayrışma reaksiyonunun hız sabiti 56 s-1'dir; katalaz enzimi tarafından katalize edilen aynı reaksiyonun hız sabiti 3,5·107'dir, yani enzimin varlığında reaksiyon bir milyon kat daha hızlı ilerler (işlemlerin aktivasyon enerjileri sırasıyla 42 ve 7,1 kJ/mol'dür). Asit ve üreaz varlığında üre hidrolizi için hız sabitleri, 7.4.10-7 ve 5.106 s-1 (aktivasyon enerjisi sırasıyla 103 ve 28 kJ/mol) tutarında olan on üç büyüklük mertebesinde farklılık gösterir.

2. Yüksek özgüllük . Örneğin amilaz, aynı glikoz birimlerinden oluşan bir zincir olan nişastanın parçalanmasını katalize eder, ancak molekülü glikoz ve fruktoz parçalarından oluşan sakkarozun hidrolizini katalize etmez.

Enzimatik kataliz mekanizması hakkında genel olarak kabul edilen fikirlere göre, substrat S ve enzim F, çok hızlı oluşan enzim-substrat kompleksi FS ile dengededir; bu, serbest enzimin salınmasıyla nispeten yavaş bir şekilde reaksiyon ürünü P'ye ayrışır; Bu nedenle, enzim-substrat kompleksinin reaksiyon ürünlerine ayrışma aşaması hız belirleyicidir (sınırlayıcıdır).

F+S<––>FS ––> F + P

Sabit bir enzim konsantrasyonunda enzimatik reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı üzerine yapılan bir çalışma, substrat konsantrasyonu arttıkça reaksiyon hızının önce arttığını ve sonra değişmenin durduğunu gösterdi (Şekil 2.12) ve Reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı aşağıdaki denklemle açıklanmaktadır:

(II.45)

reaksiyon sırasında kendileri değişmeyen az miktarda maddenin (katalizörlerin) etkisi altında kimyasal reaksiyonların hızlanması. Katalitik süreçler hayatımızda büyük bir rol oynamaktadır. Enzim adı verilen biyolojik katalizörler biyokimyasal süreçlerin düzenlenmesinde rol oynar. Katalizörler olmadan birçok endüstriyel proses gerçekleşemez.

Katalizörlerin en önemli özelliği seçiciliktir. Olası birçok reaksiyon arasından yalnızca belirli kimyasal reaksiyonların oranını artırma yeteneği. Bu, normal şartlarda pratik olamayacak kadar yavaş olan reaksiyonlara olanak tanır ve istenilen ürünlerin oluşmasını sağlar.

Katalizörlerin kullanımı kimya endüstrisinin hızlı gelişmesine katkıda bulunmuştur. Petrol rafine etmede, çeşitli ürünler elde etmede ve genellikle daha önce kullanılanlardan daha ucuz olan yeni malzemeler (örneğin plastik) oluşturmada yaygın olarak kullanılırlar. Modern kimyasal üretiminin yaklaşık %90'ı katalitik işlemlere dayanmaktadır. Katalitik süreçler çevrenin korunmasında özel bir rol oynar.

1835 yılında İsveçli kimyager J. Berzelius, belirli maddelerin varlığında bazı kimyasal reaksiyonların hızının önemli ölçüde arttığını keşfetti. Bu tür maddeler için “katalizör” terimini (Yunancadan.

kataliz- gevşeme). Berzelius'a göre katalizörler, reaksiyona katılan moleküllerdeki atomlar arasındaki bağları zayıflatma ve böylece etkileşimlerini kolaylaştırma konusunda özel bir yeteneğe sahiptir. Katalizörlerin çalışmasıyla ilgili fikirlerin geliştirilmesine büyük katkı, 1880'de katalizörü reaksiyon hızını değiştiren bir madde olarak tanımlayan Alman fiziksel kimyacı W. Ostwald tarafından yapıldı.

Modern kavramlara göre, katalizör, kimyasal bağlarla stabilize edilmiş, reaksiyona giren moleküllerle bir kompleks oluşturur. Yeniden düzenlemeden sonra bu kompleks ayrışır ve ürünleri ve katalizörü serbest bırakır. Bir molekülün dönüşümünün monomoleküler reaksiyonu için

X'ten Y'ye Tüm bu süreç şu şekilde temsil edilebilir: X + Kat. ® X -Kat. ® Y -Kat. ® Y + Kat. Serbest bırakılan katalizör ile yeniden bağlanır X ve tüm döngü birçok kez tekrarlanarak büyük miktarlarda ürün - maddenin oluşması sağlanır. Y. Normal koşullar altında birçok madde birbiriyle kimyasal reaksiyona girmez. Böylece oda sıcaklığında hidrojen ve karbon monoksit moleküldeki atomlar arasındaki bağ nedeniyle birbirleriyle etkileşime girmez. H2 Yeterince güçlü ve bir molekülün saldırısına uğradığında kırılmaz CO . Katalizör molekülleri bir araya getirir H2 ve CO , onlarla bağlantılar kuruyor. Yeniden düzenlemeden sonra katalizör-reaktif kompleksi atom içeren bir ürün oluşturmak üzere ayrışır C, H ve O. Çoğunlukla aynı maddeler etkileşime girdiğinde farklı ürünler oluşur. Bir katalizör, belirli bir ürünün oluşumu için en uygun yol boyunca bir prosesi yönlendirebilir. arasındaki tepkiyi düşünün CO ve H2 . Bakır içeren bir katalizörün varlığında pratik olarak tek reaksiyon ürünü metanoldür:İlk olarak, CO ve H molekülleri 2 Katalizörün yüzeyine adsorbe edilir. Daha sonra CO molekülleri, katalizörle kimyasal bağlar oluşturur (kemisorpsiyon meydana gelir), ayrışmamış bir formda kalır. Hidrojen molekülleri de katalizörün yüzeyinde kimyasal olarak emilir, ancak aynı zamanda ayrışır. Yeniden düzenleme sonucunda H-Cat.- geçiş kompleksi oluşur. CH2OH . Bir atom ekledikten sonra H kompleks parçalanarak serbest kalır CH3OH ve katalizör. Nikel katalizörünün varlığında hem CO hem de H 2 yüzeyde ayrışmış bir formda kemisorb ve Cat.-CH kompleksi oluşur 3 . Reaksiyonun son ürünleri CH'dir. 4 ve H20:
Katalitik reaksiyonların çoğu, gaz veya sıvı haldeki reaksiyon karışımının, katalizör parçacıklarıyla dolu bir reaktörden geçirilmesiyle belirli bir basınç ve sıcaklıkta gerçekleştirilir. Aşağıdaki kavramlar reaksiyon koşullarını ve ürün özelliklerini tanımlamak için kullanılır. Uzay hızı, birim zamanda birim hacimdeki katalizörden geçen gaz veya sıvının hacmidir. Katalitik aktivite, bir katalizör tarafından birim zamanda ürünlere dönüştürülen reaktanların miktarıdır. Dönüşüm, belirli bir reaksiyonda dönüştürülen bir maddenin fraksiyonudur. Seçicilik, belirli bir ürünün miktarının toplam ürün miktarına oranıdır (genellikle yüzde olarak ifade edilir). Verim, belirli bir ürünün miktarının başlangıç ​​malzemesi miktarına oranıdır (genellikle yüzde olarak ifade edilir). Verimlilik, birim zamanda birim hacim başına oluşan reaksiyon ürünlerinin sayısıdır. KATALİZÖR ÇEŞİTLERİ Katalizörler hızlandırdıkları reaksiyonun doğasına, kimyasal bileşimlerine veya fiziksel özelliklerine göre sınıflandırılır. Hemen hemen tüm kimyasal elementler ve maddeler, kendi başlarına veya daha sıklıkla çeşitli kombinasyonlarda bir dereceye kadar katalitik özelliklere sahiptir. Katalizörler fiziksel özelliklerine göre homojen ve heterojen olarak ikiye ayrılır. Heterojen katalizörler, reaksiyona giren maddelerle aynı gaz veya sıvı ortamda homojen olarak dağılmış katı maddelerdir.

Birçok heterojen katalizör metal içerir. Bazı metaller, özellikle bunlarla ilgili olanlar

VIII periyodik tablodaki elementlerin grubu, kendi başlarına katalitik aktiviteye sahiptir; tipik bir örnek platindir. Ancak çoğu metal, bileşikler halinde mevcut olduğunda katalitik özellikler sergiler; örnek - alümina (alüminyum oksit Al203). Pek çok heterojen katalizörün alışılmadık bir özelliği geniş yüzey alanlarıdır. Toplam alanı bazen 500 m2'ye ulaşan çok sayıda gözenek tarafından nüfuz edilirler. 2 1 g katalizör başına. Birçok durumda geniş yüzey alanına sahip oksitler, üzerinde metal katalizör parçacıklarının küçük kümeler halinde çökeldiği bir substrat görevi görür. Bu, gaz veya sıvı fazdaki reaktiflerin katalitik olarak aktif metal ile etkili etkileşimini sağlar. Heterojen katalizörlerin özel bir sınıfı, alüminosilikat grubunun (silikon ve alüminyum bileşikleri) kristal mineralleri olan zeolitlerdir. Pek çok heterojen katalizörün geniş bir yüzey alanı olmasına rağmen, genellikle az sayıda aktif bölgeye sahiptirler ve bu da toplam yüzey alanının küçük bir kısmını oluşturur. Katalizörler, katalizör zehirleri adı verilen az miktardaki kimyasal bileşiklerin varlığında aktivitelerini kaybedebilirler. Bu maddeler aktif merkezlere bağlanarak onları bloke eder. Aktif alanların yapısının belirlenmesi yoğun araştırma konusudur.

Homojen katalizörler farklı kimyasal yapıya sahiptir - asitler (H

2 SO 4 veya H 3 PO 4), baz (NaOH ), organik aminler, metaller, çoğunlukla geçiş ( Fe veya Rh ), tuzlar, organometalik bileşikler veya karboniller formunda. Katalizörler ayrıca biyokimyasal reaksiyonları düzenleyen protein molekülleri olan enzimleri de içerir. Bazı enzimlerin aktif bölgesi bir metal atomu içerir ( Zn, Cu, Fe veya Mo). Metal içeren enzimler küçük molekülleri içeren reaksiyonları katalize eder ( O 2, CO 2 veya N 2 ). Enzimler çok yüksek aktiviteye ve seçiciliğe sahiptirler, ancak canlı organizmalarda reaksiyonların meydana geldiği koşullar gibi yalnızca belirli koşullar altında çalışırlar. Endüstride sözde sıklıkla kullanılır. immobilize enzimler KATALİZÖRLER NASIL ÇALIŞIR? Enerji. Herhangi bir kimyasal reaksiyon ancak reaktanlar enerji bariyerini aşarsa meydana gelebilir ve bunun için belirli bir enerji kazanmaları gerekir. Daha önce de söylediğimiz gibi katalitik reaksiyon X ® Y birbirini izleyen birkaç aşamadan oluşur. Her birinin gerçekleşmesi için enerjiye ihtiyaç vardır.e aktivasyon enerjisi denir. Reaksiyon koordinatı boyunca enerjideki değişim Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.

Öncelikle katalitik olmayan “termal” yolu ele alalım. Bir reaksiyonun gerçekleşmesi için moleküllerin potansiyel enerjisi

X enerji bariyerini aşmak gerekire T . Katalitik reaksiyon üç aşamadan oluşur. Birincisi X-Cat kompleksinin oluşumu. (kemisorpsiyon), aktivasyon enerjisi şuna eşittir:e reklamlar . İkinci aşama X-Cat'in yeniden gruplandırılmasıdır.®Y -Kedi. aktivasyon enerjisi ilee kedi ve son olarak üçüncü - aktivasyon enerjisiyle desorpsiyone des; e reklamlar, e kedi ve eçok daha az e T . Reaksiyon hızı aktivasyon enerjisine üstel olarak bağlı olduğundan, katalitik reaksiyon belirli bir sıcaklıkta termal reaksiyondan çok daha hızlı ilerler.

Bir katalizör, bir dağ silsilesi boyunca tırmanıcılara (reaksiyona giren moleküllere) rehberlik eden bir rehbere benzetilebilir. Bir grubu geçitten geçirir ve bir sonrakine geri döner. Geçişten geçen yol, zirveden (reaksiyonun termal kanalı) geçen yoldan önemli ölçüde daha aşağıdadır ve grup, geçişi bir iletken (katalizör) olmadan olduğundan daha hızlı yapar. Hatta grubun bu tepeyi tek başına aşamaması bile mümkün.

Kataliz teorileri. Katalitik reaksiyonların mekanizmasını açıklamak için üç grup teori önerilmiştir: geometrik, elektronik ve kimyasal. Geometrik teorilerde, katalizörün aktif merkezlerinin atomlarının geometrik konfigürasyonu ile reaksiyona giren moleküllerin katalizöre bağlanmaktan sorumlu kısmının atomları arasındaki yazışmalara asıl dikkat gösterilir. Elektronik teoriler, kemisorpsiyonun yük aktarımıyla ilişkili elektronik etkileşimden kaynaklandığı fikrine dayanmaktadır. bu teoriler katalitik aktiviteyi katalizörün elektronik özellikleriyle ilişkilendirir. Kimyasal teori, katalizörü, reaktiflerle kimyasal bağlar oluşturan ve kararsız bir geçiş kompleksinin oluşmasına neden olan karakteristik özelliklere sahip bir kimyasal bileşik olarak görür. Ürünlerin salınmasıyla kompleksin ayrışmasından sonra katalizör orijinal durumuna geri döner. İkinci teori artık en yeterli kabul ediliyor.

Moleküler düzeyde, katalitik bir gaz fazı reaksiyonu aşağıdaki gibi temsil edilebilir. Reaksiyona giren moleküllerden biri katalizörün aktif bölgesine bağlanır ve diğeri doğrudan gaz fazında olduğundan onunla etkileşime girer. Alternatif bir mekanizma da mümkündür: reaksiyona giren moleküller, katalizörün komşu aktif merkezlerine adsorbe edilir ve daha sonra birbirleriyle etkileşime girer. Görünüşe göre katalitik reaksiyonların çoğu bu şekilde ilerliyor.

Başka bir kavram, bir katalizörün yüzeyindeki atomların uzaysal düzeni ile onun katalitik aktivitesi arasında bir ilişki olduğunu öne sürmektedir. Birçok hidrojenasyon reaksiyonu da dahil olmak üzere bazı katalitik işlemlerin hızı, katalitik olarak aktif atomların yüzey üzerindeki göreceli konumuna bağlı değildir; diğerlerinin hızı ise tam tersine, yüzey atomlarının uzaysal konfigürasyonundaki değişikliklerle önemli ölçüde değişir. Bir örnek, neopentanın izopentana izomerizasyonu ve ikincisinin katalizörün yüzeyinde izobütan ve metana eşzamanlı olarak parçalanmasıdır.

Pt-Al203. KATALİZİN SANAYİDE UYGULANMASI Şu anda deneyimlediğimiz hızlı endüstriyel büyüme, yeni kimyasal teknolojilerin gelişmesi olmadan mümkün olamazdı. Bu ilerleme büyük ölçüde, düşük dereceli hammaddelerin yüksek değerli ürünlere dönüştürülmesini sağlayan katalizörlerin yaygın kullanımıyla belirlenmektedir. Mecazi anlamda konuşursak, katalizör modern simyacının felsefe taşıdır; yalnızca kurşunu altına değil, hammaddeleri ilaca, plastiğe, kimyasallara, yakıta, gübreye ve diğer faydalı ürünlere dönüştürür.

Belki de insanın kullanmayı öğrendiği ilk katalitik süreç fermantasyondu. Alkollü içecek hazırlama tarifleri Sümerler tarafından MÖ 3500 gibi erken bir tarihte biliniyordu.

Santimetre. ŞARAP; BİRA.

Katalizin pratik uygulamasında önemli bir dönüm noktası, bitkisel yağın katalitik hidrojenasyonuyla margarin üretimiydi. Bu reaksiyon ilk olarak 1900'lü yıllarda endüstriyel ölçekte gerçekleştirildi. 1920'lerden bu yana ise başta plastik olmak üzere yeni organik malzemelerin üretilmesine yönelik katalitik yöntemler birbiri ardına geliştirildi. Kilit nokta, olefinlerin, nitrillerin, esterlerin, asitlerin vb. katalitik üretimiydi. - plastiklerin kimyasal “inşaatı” için “tuğlalar”.

Katalitik süreçlerin endüstriyel kullanımının üçüncü dalgası 1930'larda meydana geldi ve petrol rafinasyonuyla ilişkilendirildi. Hacim açısından bu üretim kısa sürede diğerlerini çok geride bıraktı. Petrol rafinasyonu çeşitli katalitik işlemlerden oluşur: kırma, reformasyon, hidrosülfonasyon, hidrokraking, izomerizasyon, polimerizasyon ve alkilasyon.

Son olarak kataliz kullanımındaki dördüncü dalga çevrenin korunmasıyla ilgilidir. Bu alandaki en ünlü başarı, otomobil egzoz gazları için bir katalitik konvertörün yaratılmasıdır. 1975'ten beri arabalara takılan katalitik konvertörler, hava kalitesinin iyileştirilmesinde ve dolayısıyla birçok hayatın kurtarılmasında büyük rol oynadı.

Kataliz ve ilgili alanlardaki çalışmalara yaklaşık bir düzine Nobel Ödülü verildi.

Katalitik proseslerin pratik önemi, endüstriyel olarak üretilen nitrojen içeren bileşiklerin içerdiği nitrojen payının, gıda ürünlerinde bulunan tüm nitrojenin yaklaşık yarısını oluşturmasıyla kanıtlanmaktadır. Doğal olarak üretilen nitrojen bileşiklerinin miktarı sınırlıdır, bu nedenle diyet proteininin üretimi, gübreler yoluyla toprağa eklenen nitrojen miktarına bağlıdır. Neredeyse tamamen Haber-Bosch katalitik süreciyle üretilen sentetik amonyak olmadan insanlığın yarısını beslemek imkansız olurdu.

Katalizörlerin uygulama kapsamı sürekli genişlemektedir. Katalizin daha önce geliştirilen teknolojilerin verimliliğini önemli ölçüde artırabilmesi de önemlidir. Bunun bir örneği, zeolitlerin kullanımı yoluyla katalitik parçalamanın iyileştirilmesidir.

Hidrojenasyon. Çok sayıda katalitik reaksiyon, bir hidrojen atomunun ve başka bir molekülün aktivasyonuyla ilişkilidir ve bunların kimyasal etkileşimine yol açar. Bu işleme hidrojenasyon denir ve petrol rafinasyonunun ve kömürden sıvı yakıt üretiminin (Bergius işlemi) birçok aşamasının temelini oluşturur.

Almanya'da petrol yataklarının olmaması nedeniyle havacılık benzini ve kömürden motor yakıtı üretimi İkinci Dünya Savaşı sırasında geliştirildi. Bergius süreci, hidrojenin kömüre doğrudan eklenmesini içerir. Kömür, sıvı bir ürün üretmek için hidrojen varlığında basınç altında ısıtılır ve bu daha sonra havacılık benzini ve motor yakıtı olarak işlenir. Demir oksit katalizör olarak kullanıldığı gibi kalay ve molibden bazlı katalizörler de kullanılır. Savaş sırasında Almanya'daki 12 fabrika Bergius prosesi kullanılarak günde yaklaşık 1.400 ton sıvı yakıt üretiyordu.

Diğer bir süreç olan Fischer-Tropsch ise iki aşamadan oluşmaktadır. İlk olarak kömür gazlaştırılır, yani. Bunu su buharı ve oksijenle reaksiyona sokarak hidrojen ve karbon oksit karışımı elde ediyorlar. Bu karışım demir veya kobalt içeren katalizörler kullanılarak sıvı yakıta dönüştürülür. Savaşın sona ermesiyle birlikte Almanya'da kömürden sentetik yakıt üretimi durduruldu.

1973-1974 petrol ambargosunu takiben petrol fiyatlarındaki yükselişin bir sonucu olarak, kömürden benzin üretmenin uygun maliyetli bir yöntemini geliştirmek için yoğun çaba sarf edildi. Böylece, kömürün doğrudan sıvılaştırılması, kömürün ilk önce nispeten düşük bir sıcaklıkta ve daha sonra daha yüksek bir sıcaklıkta bir alüminyum-kobalt-molibden katalizörü ile temas ettirildiği iki aşamalı bir işlem kullanılarak daha verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir. Bu tür sentetik benzinin maliyeti, petrolden elde edilenden daha yüksektir.

Amonyak. Kimyasal açıdan en basit hidrojenasyon süreçlerinden biri, hidrojen ve nitrojenden amonyak sentezidir. Azot çok inert bir maddedir. Bağlantıyı kesmek için N-N molekülü yaklaşık 200 kcal enerji gerektirir/ köstebek. Ancak nitrojen, demir katalizörünün yüzeyine atomik halde bağlanır ve bunun için yalnızca 20 kcal gerekir./ köstebek. Hidrojen demire daha kolay bağlanır. Amonyak sentezi şu şekilde ilerler:
Bu örnek, bir katalizörün hem ileri hem de geri reaksiyonları eşit şekilde hızlandırma yeteneğini göstermektedir; Katalizörün bir kimyasal reaksiyonun denge konumunu değiştirmemesi gerçeği.Bitkisel yağın hidrojenasyonu. Pratik açıdan en önemli hidrojenasyon reaksiyonlarından biri, bitkisel yağların margarin, yemeklik yağ ve diğer gıda ürünlerine eksik hidrojenasyonudur. Bitkisel yağlar soya fasulyesi, pamuk tohumu ve diğer mahsullerden elde edilir. Esterleri, yani değişen derecelerde doymamışlığa sahip yağ asitlerinin trigliseritlerini içerirler. Oleik asit CH 3 (CH2) 7 CH=CH (CH2) 7 COOH'da bir C=C çift bağı bulunur, linoleik asitte iki, linolenik asitte ise üç çift bağ bulunur. Bu bağı kırmak için hidrojen eklenmesi, yağların oksitlenmesini (acılaşmasını) önler. Bu onların erime noktasını arttırır. Ortaya çıkan ürünlerin çoğunun sertliği hidrojenasyonun derecesine bağlıdır. Hidrojenasyon, yüksek düzeyde saflaştırılmış bir hidrojen atmosferinde, bir substrat veya bir Raney nikel katalizörü üzerinde biriken ince nikel tozunun varlığında gerçekleştirilir.Dehidrojenasyon. Dehidrojenasyon aynı zamanda endüstriyel açıdan önemli bir katalitik reaksiyondur, ancak uygulama ölçeği kıyaslanamayacak kadar küçüktür. Onun yardımıyla örneğin önemli bir monomer olan stiren elde edilir. Bunu yapmak için etilbenzen, demir oksit içeren bir katalizörün varlığında dehidrojene edilir; Reaksiyon ayrıca potasyum ve bir tür yapısal stabilizatör tarafından da kolaylaştırılır. Propan, bütan ve diğer alkanların dehidrojenasyonu endüstriyel ölçekte gerçekleştirilir. Bir krom-alümina katalizörü varlığında bütanın dehidrojenasyonu, bütenler ve bütadien üretir.Asit katalizi. Büyük bir katalizör sınıfının katalitik aktivitesi, bunların asidik özellikleriyle belirlenir. I. Brønsted ve T. Lowry'ye göre asit, proton verebilen bir bileşiktir. Güçlü asitler protonlarını kolaylıkla bazlara bağışlar. Asitlik kavramı, asidi, bu elektron çiftinin sosyalleşmesi nedeniyle kovalent bir bağ oluşumuyla bir donör maddeden elektron çifti kabul edebilen bir madde olarak tanımlayan G. Lewis'in çalışmalarında daha da geliştirildi. Bu fikirler, karbenyum iyonları üreten reaksiyonlarla ilgili fikirlerle birlikte, çeşitli katalitik reaksiyonların, özellikle de hidrokarbonları içerenlerin mekanizmasının anlaşılmasına yardımcı oldu.

Bir asidin kuvveti, bir proton eklendiğinde renk değiştiren bir dizi baz kullanılarak belirlenebilir. Endüstriyel açıdan önemli bazı katalizörlerin çok güçlü asitler gibi davrandığı ortaya çıktı. Bunlar arasında Friedel-Crafts proses katalizörü yer alır:

HCl-AlCl203 (veya HAlCl4 ) ve alüminosilikatlar. Asit kuvveti çok önemli bir özelliktir çünkü asit kataliz prosesinde önemli bir adım olan protonasyon oranını belirler.

Petrolün parçalanmasında kullanılan alüminosilikatlar gibi katalizörlerin aktivitesi, yüzeylerinde Brønsted ve Lewis asitlerinin varlığı ile belirlenir. Yapıları, bazı atomların bulunduğu silikanın (silikon dioksit) yapısına benzer.

Evet 4+ atomlarla değiştirildi Al 3+ . Bu durumda ortaya çıkan aşırı negatif yük, ilgili katyonlar tarafından nötralize edilebilir. Katyonlar proton ise, alüminosilikat bir Brønsted asidi gibi davranır:
Asit katalizörlerin aktivitesi, ara ürün olarak bir karbenyum iyonu oluşturmak üzere hidrokarbonlarla reaksiyona girme yetenekleriyle belirlenir. Alkilkarbenyum iyonları, üç alkil grubuna bağlı pozitif yüklü bir karbon atomu içerir ve/ veya hidrojen atomları. Organik bileşikleri içeren birçok reaksiyonda oluşan ara ürünler olarak önemli bir rol oynarlar. Asit katalizörlerin etki mekanizması izomerizasyon reaksiyonu örneği kullanılarak gösterilebilir.N varlığında -bütanın izobütana dönüşümü HCl - AlCl3 veya Pt - Cl - Al203 . İlk olarak az miktarda olefin C 4 N 8 pozitif yüklü bir hidrojen iyonunu asit katalizörüne bağlayarak M üçüncül karbenyum iyonu. Daha sonra negatif yüklü hidrit iyonu N - ayrılır N izobütan ve ikincil bütilkarb oluşumu ile -bütan e ne de th-ion. Son yeniden gruplamanın bir sonucu olarak şuna dönüşür:üçüncül karbonhidrat iyonu. Bu zincir bir sonraki molekülden bir hidrit iyonunun eliminasyonuyla devam edebilir.N-bütan vb.:
Gerekli o üçüncül karbenyum iyonlarının birincil veya ikincil iyonlardan daha kararlı olması. Sonuç olarak, esas olarak katalizörün yüzeyinde bulunurlar ve bu nedenle bütan izomerizasyonunun ana ürünü izobütandır.

Asit katalizörler, petrol rafine etme - hidrokarbonların parçalanması, alkilasyonu, polimerizasyonu ve izomerizasyonunda yaygın olarak kullanılmaktadır.

(Ayrıca bakınız YAĞ İŞLEME KİMYASI VE YÖNTEMLERİ). Bu işlemlerde katalizör görevi gören karbenyum iyonlarının etki mekanizması belirlenmiştir. Bunu yaparken, büyük moleküllerin bölünmesi yoluyla küçük moleküllerin oluşumu, moleküllerin kombinasyonu (olefinden olefine veya olefinden izoparafine), izomerizasyon yoluyla yapısal yeniden düzenleme ve parafin ve aromatik oluşumu dahil olmak üzere bir dizi reaksiyona katılırlar. hidrojen transferi yoluyla hidrokarbonlar.

Asit katalizinin endüstrideki en son uygulamalarından biri, izobütilen veya izoamilene alkollerin eklenmesiyle kurşunlu yakıtların üretilmesidir. Benzine oksijen içeren bileşiklerin eklenmesi, egzoz gazlarındaki karbon monoksit konsantrasyonunu azaltır. Metil-

ovalar Oktan karışım sayısı 109 olan -butil eter (MTBE), benzine tetraetil kurşun eklemeden, yüksek sıkıştırma oranına sahip bir araba motorunu çalıştırmak için gerekli olan yüksek oktanlı yakıtın elde edilmesini de mümkün kılar. 102 ve 111 oktan numaralı yakıtların üretimi de organize edilmiştir.Temel kataliz. Katalizörlerin aktivitesi temel özelliklerine göre belirlenir. Bu tür katalizörlerin uzun süredir devam eden ve iyi bilinen bir örneği, sabun yapmak için yağları hidrolize etmek veya sabunlaştırmak için kullanılan sodyum hidroksittir ve yakın tarihli bir örnek, poliüretan plastiklerin ve köpüklerin üretiminde kullanılan katalizörlerdir. Üretan, alkolün izosiyanatla reaksiyonu sonucu oluşur ve bu reaksiyon bazik varlığında hızlanır.bariz aminler. Reaksiyon sırasında izosiyanat molekülündeki karbon atomuna bir baz bağlanır, bunun sonucunda nitrojen atomunda negatif bir yük oluşur ve alkole karşı aktivitesi artar. Trietilendiamin özellikle etkili bir katalizördür. Poliüretan plastikler, diizosiyanatların poliollerle (polialkoller) reaksiyona sokulmasıyla üretilir. İzosiyanat suyla reaksiyona girdiğinde önceden oluşan üretan ayrışır ve açığa çıkar. CO2 . Polialkol ve su karışımı diizosiyanatlarla etkileşime girdiğinde ortaya çıkan poliüretan köpük gaz halinde köpüklenir. CO2. Çift etkili katalizörler. Bu katalizörler iki tür reaksiyonu hızlandırır ve reaktanların her biri yalnızca bir tür katalizör içeren iki reaktörden seri halinde geçirilmesinden daha iyi sonuçlar verir. Bunun nedeni, çift etkili bir katalizörün aktif bölgelerinin birbirine çok yakın olması ve birinde oluşan ara ürünün diğerinde hemen son ürüne dönüşmesidir.

Hidrojeni aktive eden bir katalizörün, hidrokarbonların izomerizasyonunu destekleyen bir katalizörle birleştirilmesiyle iyi bir sonuç elde edilir. Hidrojenin aktivasyonu bazı metaller tarafından, hidrokarbonların izomerizasyonu ise asitler tarafından gerçekleştirilir. Naftayı benzine dönüştürmek için petrol rafinasyonunda kullanılan etkili bir çift etkili katalizör, asidik alümina üzerinde desteklenen ince bölünmüş platindir. Metilsiklopentan (MCP) gibi nafta bileşenlerinin benzene dönüştürülmesi, benzinin oktan sayısını artırır. İlk olarak MCP, katalizörün platin kısmında hidrojeni giderilerek aynı karbon iskeletine sahip bir olefine dönüştürülür; olefin daha sonra katalizörün asit kısmına geçer ve burada sikloheksen halinde izomerleşir. İkincisi platin kısmına geçer ve benzen ve hidrojene hidrojeni giderilir.

Çift etkili katalizörler yağın yeniden şekillenmesini önemli ölçüde hızlandırır. Normal parafinleri izoparafinlere izomerleştirmek için kullanılırlar. Benzin fraksiyonlarıyla aynı sıcaklıklarda kaynayan ikincisi, düz hidrokarbonlarla karşılaştırıldığında daha yüksek oktan sayısına sahip oldukları için değerlidir. Üstelik dönüşüm

N -bütanın izobütana dönüşümüne dehidrojenasyon eşlik eder ve MTBE üretimini kolaylaştırır.Stereospesifik polimerizasyon. Tarihte önemli bir dönüm noktası kataliz ortaya çıktı katalitik polimerizasyonun keşfiA oluşumu ile -olefinler stereodüzenli x polimerler. Katalizörlere stereospesifik polimerizasyon K. Ziegler, elde ettiği polimerlerin sıra dışı özelliklerini açıklamaya çalışırken keşfedildi. Başka bir kimyager olan J. Natta, Ziegler polimerlerinin benzersizliğinin stereodüzenlilikleri tarafından belirlendiğini öne sürdü. X-ışını kırınım deneyleri, Ziegler katalizörlerinin varlığında propilenden hazırlanan polimerlerin oldukça kristalli olduğunu ve aslında stereodüzenli bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Bu tür düzenli yapıları tanımlamak için Natta " izotaktik " ve "sindiyotaktik". Düzenin olmadığı durumlarda “ataktik” tabiri kullanılır:Geçiş metali grupları içeren katı katalizörlerin yüzeyinde stereospesifik bir reaksiyon meydana gelir. IVA - VIII (Ti, V, Cr, Zr gibi) ), tamamen oksitlenmemiş bir durumda olmak ve gruplardan bir metale bağlanan karbon veya hidrojen içeren herhangi bir bileşik ben - III . Böyle bir katalizörün klasik bir örneği, aşağıdaki durumlarda oluşan çökeltidir: Titanyumun indirgendiği heptanda TiCl4 ve Al(C2H5)3 üç değerlikli duruma. Buson derece aktifSistem propilenin normal sıcaklık ve basınçta polimerizasyonunu katalize eder.Katalitik oksidasyon. Oksidasyon proseslerinin kimyasını kontrol etmek için katalizörlerin kullanımı büyük bilimsel ve pratik öneme sahiptir. Bazı durumlarda, örneğin otomobil egzoz gazlarındaki CO ve hidrokarbon kirleticilerini nötralize ederken oksidasyonun tamamlanması gerekir.Bununla birlikte, örneğin hidrokarbonları -CHO, -COOH, -C-CO, -CN gibi fonksiyonel gruplar içeren değerli ara ürünlere dönüştürmek için yaygın olarak kullanılan birçok endüstriyel proseste oksidasyonun eksik olması daha sıklıkla gereklidir. Bu durumda hem homojen hem de heterojen katalizörler kullanılır. Homojen bir katalizörün bir örneği, oksidasyon için kullanılan bir geçiş metali kompleksidir.çift -ksilenden tereftalik asite, esterleri polyester elyaf üretiminin temelini oluşturur.Heterojen oksidasyon için katalizörler. Bu katalizörler genellikle karmaşık katı oksitlerdir. Katalitik oksidasyon iki aşamada meydana gelir. İlk olarak oksit içindeki oksijen, oksit yüzeyine adsorbe edilen bir hidrokarbon molekülü tarafından yakalanır. Bu durumda hidrokarbon oksitlenir ve oksit azalır. İndirgenmiş oksit oksijenle reaksiyona girer ve orijinal durumuna geri döner. Bir vanadyum katalizörü kullanılarak ftalik anhidrit, naftalin veya bütanın eksik oksidasyonu ile elde edilir.Metanın dehidrodimerizasyonu yoluyla etilen üretimi. Dehidrodimerizasyon yoluyla etilen sentezi, doğal gazı daha kolay taşınabilir hidrokarbonlara dönüştürür. Reaksiyon 2CH4 + 2O2® C2H4 + 2H2O 850 ° sıcaklıkta gerçekleştirilir C çeşitli katalizörler kullanılarak; En iyi sonuçlar bir katalizörle elde edilir Li-MgO . Muhtemelen reaksiyon, bir metan molekülünden bir hidrojen atomunun çıkarılmasıyla bir metil radikalinin oluşması yoluyla ilerler. Eliminasyon, tam olarak indirgenmemiş oksijen, örneğin O ile gerçekleştirilir. 2 2- . Gaz fazındaki metil radikalleri bir etan molekülü oluşturmak üzere yeniden birleşir ve daha sonraki dehidrojenasyon sırasında etilene dönüştürülür. Eksik oksidasyonun bir başka örneği, gümüş veya demir-molibden katalizörü varlığında metanolün formaldehite dönüştürülmesidir.Zeolitler. Zeolitler, heterojen katalizörlerin özel bir sınıfını oluşturur. Bunlar, hücre boyutu birçok organik molekülün boyutuyla karşılaştırılabilecek düzenli bir petek yapısına sahip alüminosilikatlardır. Bunlara moleküler elekler de denir. Gözenekleri 8-12 oksijen iyonundan oluşan halkalardan oluşan zeolitler en çok ilgi çekenlerdir (Şekil 2). Metanolün benzin fraksiyonu hidrokarbonlarına son derece spesifik dönüşümü için kullanılan ZSM-5 zeolit ​​​​(Şekil 3) gibi bazen gözenekler üst üste gelir. Benzin önemli miktarda aromatik hidrokarbon içerir ve bu nedenle yüksek oktan sayısına sahiptir. Örneğin Yeni Zelanda'da tüketilen benzinin üçte biri bu teknoloji kullanılarak üretiliyor. Metanol ithal metandan üretilir. Y-zeolit ​​grubunu oluşturan katalizörler, öncelikle sıra dışı asidik özelliklerinden dolayı katalitik parçalamanın verimliliğini önemli ölçüde artırır. Alüminosilikatların zeolitlerle değiştirilmesi, benzin veriminin %20'den fazla arttırılmasını mümkün kılar.

Ayrıca zeolitlerin reaksiyona giren moleküllerin boyutuna göre seçiciliği vardır. Seçicilikleri, yalnızca belirli boyut ve şekillerdeki moleküllerin geçebileceği gözeneklerin boyutuna göre belirlenir. Bu hem başlangıç ​​malzemeleri hem de reaksiyon ürünleri için geçerlidir. Örneğin sterik kısıtlamalar nedeniyle

çift -ksilen daha hacimli olanlara göre daha kolay oluşturulurorto- Ve meta -izomerler. İkincisi kendilerini zeolitin gözeneklerinde "kilitli" bulur (Şekil 4).

Zeolitlerin kullanımı bazı endüstriyel teknolojilerde gerçek bir devrim yarattı - gaz yağı ve motor yağının mumunun alınması, aromatik bileşiklerin alkilasyonuyla plastik üretimi için kimyasal ara maddelerin elde edilmesi, ksilenin izomerizasyonu, tolüenin orantısızlaştırılması ve yağın katalitik parçalanması. Zeolit ​​burada özellikle etkilidir

ZSM-5. Katalizörler ve çevre koruma. Hava kirliliğini azaltmak için katalizörlerin kullanılması 20. yüzyılın sonlarında başladı. 19 40'lar. 1952'de A. Hagen-Smith, egzoz gazlarında bulunan hidrokarbonların ve nitrojen oksitlerin ışıkta reaksiyona girerek gözleri tahriş eden ve diğer istenmeyen etkilere neden olan oksidanlar (özellikle ozon) oluşturduğunu buldu. Aynı sıralarda Y. Khoudri, egzoz gazlarının oksidasyon yoluyla katalitik olarak arıtılmasına yönelik bir yöntem geliştirdi. CO ve hidrokarbonlara kadar CO2 ve H2 A. 1970 yılında, 1975 modellerinden başlayarak tüm yeni arabaların katalitik konvertörlerle donatılması gerektiğini belirten Temiz Hava Bildirgesi formüle edildi (1977'de geliştirildi, 1990'da genişletildi). Egzoz gazlarının bileşimine ilişkin standartlar oluşturuldu. Benzin zehirli katalizörlere kurşun bileşikleri eklendiğinden, aşamalı olarak kullanımdan kaldırma programı benimsenmiştir. Nitrojen oksit içeriğini azaltma ihtiyacına da dikkat çekildi.

Katalizörler, aktif bileşenlerin, egzoz gazlarının geçtiği hücrelerin içinden petek yapılı bir seramik alt tabakaya uygulandığı otomobil nötrleştiricileri için özel olarak oluşturulmuştur. Substrat ince bir metal oksit tabakasıyla kaplanır;

Al2O3 üzerine bir katalizörün uygulandığı - platin, paladyum veya rodyum. Termik santrallerde doğal yakıtların yanması sırasında oluşan nitrojen oksitlerin içeriği, baca gazlarına az miktarda amonyak ilave edilerek ve bunların bir titanyum vanadyum katalizöründen geçirilmesiyle azaltılabilir.Enzimler. Enzimler, canlı bir hücredeki biyokimyasal süreçleri düzenleyen doğal katalizörlerdir. Enerji alışverişi süreçlerine, besinlerin parçalanmasına ve biyosentez reaksiyonlarına katılırlar. Onlar olmadan birçok karmaşık organik reaksiyon gerçekleşemez. Enzimler normal sıcaklık ve basınçta çalışırlar, çok yüksek seçiciliğe sahiptirler ve reaksiyon hızlarını sekiz kat artırma kapasitesine sahiptirler. Bu avantajlara rağmen, yalnızca yakl. Bilinen 15.000 enzimden 20'si büyük ölçekte kullanılmaktadır.

İnsanoğlu binlerce yıldır enzimleri ekmek pişirmek, alkollü içecek, peynir ve sirke üretmek için kullanmıştır. Artık enzimler endüstride de kullanılıyor: şekerin işlenmesinde, sentetik antibiyotiklerin, amino asitlerin ve proteinlerin üretiminde. Deterjanlara hidroliz işlemlerini hızlandıran proteolitik enzimler eklenir.

Bakterilerin yardımıyla

Clostridium asetobutylicum H. Weizmann, nişastanın asetona ve bütil alkole enzimatik dönüşümünü gerçekleştirdi. Bu aseton üretme yöntemi, Birinci Dünya Savaşı sırasında İngiltere'de yaygın olarak kullanıldı ve İkinci Dünya Savaşı sırasında SSCB'de bütadien kauçuğu üretmek için kullanıldı.

Penisilin sentezi için mikroorganizmalar tarafından üretilen enzimlerin yanı sıra streptomisin ve vitaminlerin kullanılması son derece önemli bir rol oynadı.

B12. Enzimatik işlemlerle üretilen etil alkol, otomobil yakıtı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Brezilya'da yaklaşık 10 milyon arabanın üçte birinden fazlası şeker kamışından elde edilen %96'lık etil alkolle çalışıyor, geri kalanı ise benzin ve etil alkol karışımı (%20) ile çalışıyor. Benzin ve alkol karışımı olan yakıt üretme teknolojisi Amerika Birleşik Devletleri'nde oldukça gelişmiştir. 1987'de yaklaşık. Yaklaşık 3,2 milyar litresi yakıt olarak kullanılan 4 milyar litre alkol. Sözde de çeşitli uygulamalar buluyoruz. immobilize enzimler Bu enzimler, üzerinden reaktiflerin geçirildiği silika jel gibi katı bir desteğe bağlanır. Bu yöntemin avantajı substratların enzimle etkin temasını, ürünlerin ayrılmasını ve enzimin korunmasını sağlamasıdır. Hareketsizleştirilmiş enzimlerin endüstriyel kullanımının bir örneği izomerizasyondur. D -glikoz fruktoza dönüşür. TEKNOLOJİK YÖNLER Modern teknolojiler katalizör kullanılmadan hayal edilemez. Katalitik reaksiyonlar 650°C'ye kadar sıcaklıklarda meydana gelebilir.° C ve 100 atm veya daha fazla basınçlar. Bu, gazlı ve katı maddeler arasındaki temas ve katalizör parçacıklarının transferi ile ilgili sorunlara yeni çözümler zorlar. Sürecin etkili olabilmesi için modellemesinin kinetik, termodinamik ve hidrodinamik yönleri dikkate alması gerekir. Bilgisayar modellemenin yanı sıra teknolojik süreçleri izlemek için yeni araçlar ve yöntemler de burada yaygın olarak kullanılmaktadır.

1960 yılında amonyak üretiminde önemli ilerlemeler kaydedildi. Daha aktif bir katalizörün kullanılması, su buharının ayrışması sırasında hidrojen üretim sıcaklığının düşürülmesini mümkün kıldı; bu da, örneğin daha ucuz santrifüj kompresörlerin kullanılması yoluyla basıncın düşürülmesini ve dolayısıyla üretim maliyetlerinin azaltılmasını mümkün kıldı. . Sonuç olarak amonyağın maliyeti yarıdan fazla düştü, üretiminde muazzam bir artış oldu ve buna bağlı olarak amonyak değerli bir gübre olduğu için gıda üretiminde de artış oldu.

Yöntemler. Kataliz alanındaki araştırmalar hem geleneksel hem de özel yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Radyoaktif izleyiciler, X-ışını, kızılötesi ve Raman (Raman) spektroskopisi, elektron mikroskobu yöntemleri kullanılır; Kinetik ölçümler yapılır, katalizör hazırlama yöntemlerinin aktiviteleri üzerindeki etkisi incelenir. Farklı basınçlarda nitrojenin fiziksel adsorpsiyonunun ölçülmesine dayanan Brunauer-Emmett-Teller yöntemi (BET yöntemi) kullanılarak katalizörün yüzey alanının belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bunu yapmak için, katalizörün yüzeyinde tek tabaka oluşturmak için gereken nitrojen miktarını belirleyin ve molekülün çapını bilin. N 2 , toplam alanı hesaplayın. Toplam yüzey alanının belirlenmesine ek olarak, farklı moleküllerin kemisorpsiyonu gerçekleştirilir, bu da aktif merkezlerin sayısını tahmin etmeyi ve özellikleri hakkında bilgi almayı mümkün kılar.

Araştırmacıların, katalizörlerin yüzey yapısını atomik düzeyde incelemek için ellerinde çeşitli yöntemleri vardır. Yöntem benzersiz bilgiler elde etmenizi sağlar

EXAF'lar . Spektroskopik yöntemler arasında UV, X-ışını ve Auger fotoelektron spektroskopisi giderek daha fazla kullanılmaktadır. İkincil iyon kütle spektrometrisi ve iyon saçılma spektroskopisi büyük ilgi görmektedir. NMR ölçümleri katalitik komplekslerin doğasını incelemek için kullanılır. Taramalı tünelleme mikroskobu, katalizörün yüzeyindeki atomların düzenini görmenizi sağlar. UMUTLAR Endüstrideki katalitik süreçlerin ölçeği her yıl artmaktadır. Katalizörler, çevreyi kirleten maddeleri nötralize etmek için giderek daha fazla kullanılıyor. Gaz ve kömürden hidrokarbon ve oksijen içeren sentetik yakıtların üretiminde katalizörlerin rolü artıyor. Yakıt enerjisinin ekonomik olarak elektrik enerjisine dönüştürülmesi için yakıt hücrelerinin oluşturulması oldukça umut verici görünmektedir.

Yeni kataliz konseptleri, birçok değerli özelliğe sahip polimerik malzemeler ve diğer ürünlerin elde edilmesini, enerji elde etme yöntemlerinin geliştirilmesini ve özellikle mikroorganizmaların yardımıyla alkanlardan ve amonyaktan proteinlerin sentezlenmesi yoluyla gıda üretimini artırmayı mümkün kılacaktır. Katalitik aktiviteleri ve seçicilikleri açısından doğal biyolojik katalizörlere yaklaşan enzimler ve organometalik bileşikler üretmek için genetik olarak tasarlanmış yöntemler geliştirmek mümkün olabilir.

EDEBİYAT Gates B.K. Katalitik süreçlerin kimyası . M., 1981
Boreskov G.K. Kataliz. Teori ve pratik soruları . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Yeni genel kataliz teorisi . L., 1991
Tokabe K. Katalizörler ve katalitik süreçler . M., 1993