Kirish

1. Umumiy holat va kataliz shakllari

2. Gomogen kataliz

3. Kislota va asosli kataliz

4. Kompleks birikmalar bilan katalizlanadigan bir jinsli katalitik reaksiyalar

5. Fermentativ kataliz

6. Geterogen kataliz

Xulosa

Foydalanilgan manbalar ro'yxati

Kirish

Kataliz - katalizatorlar ishtirokida reaksiya tezligining o'zgarishi hodisasi. Katalizatorlar ishtirokidagi reaksiyalar katalitik deyiladi. Kimyoviy reaksiya tezligini oshiradigan, umumiy reaksiya natijasida oʻzgarmagan moddalarga katalizatorlar deyiladi.

Har xil turdagi katalizatorlar va turli xil ta'sir mexanizmlari mavjud. Katalizator avval bog'langan, keyin qayta tiklanadigan, yana bog'langan va hokazo ko'p marta aylanishlardan o'tadi. Katalizator reaksiyaning boshqa yo'l bilan va katalizator yo'qligidan ko'ra tezroq bo'lishiga imkon beradi. Tezlikni faollashtirish energiyasini pasaytirish, eksponentdan oldingi omilni yoki ikkalasini oshirish orqali oshirish mumkin.

Katalizator bir vaqtning o'zida to'g'ridan-to'g'ri va teskari reaktsiyalarni tezlashtiradi, shuning uchun umumiy reaktsiyaning muvozanat konstantasi o'zgarmaydi. Agar bunday bo'lmaganida, moddani qayta tiklash uchun katalizator yordamida doimiy harakat mashinasini qurish mumkin edi.

1. Katalizning umumiy qoidalari va qonuniyatlari

Katalizatorlar bir jinsli va geterogenga bo'linadi. Bir hil katalizator reaktivlar bilan bir xil fazada, geterogen esa reaktivlar joylashgan fazadan interfeys bilan ajratilgan mustaqil faza hosil qiladi. Odatda bir hil katalizatorlar kislotalar va asoslardir. Geterogen katalizatorlar sifatida metallar, ularning oksidlari va sulfidlari ishlatiladi.

Xuddi shu turdagi reaksiyalar ham bir jinsli, ham geterogen katalizatorlar bilan davom etishi mumkin. Shunday qilib, kislota eritmalari bilan bir qatorda kislotali xususiyatlarga ega qattiq Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, aluminosilikatlar va zeolitlar ishlatiladi. Asosiy xossalarga ega heterojen katalizatorlar: CaO, BaO, MgO.

Geterogen katalizatorlar, qoida tariqasida, yuqori darajada rivojlangan sirtga ega, ular uchun ular inert tashuvchida (silikagel, alumina, faol uglerod va boshqalar) taqsimlanadi.

Har bir reaksiya turi uchun faqat ma'lum katalizatorlar samarali bo'ladi. Yuqorida aytib o'tilgan kislota-asoslarga qo'shimcha ravishda, oksidlanish-qaytarilish katalizatorlari mavjud; ular o'tish metalli yoki uning birikmasi (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3) mavjudligi bilan tavsiflanadi. Bunday holda, kataliz o'tish metallining oksidlanish darajasini o'zgartirish orqali amalga oshiriladi.

Ko'pgina reaksiyalar o'tish metallining (Ti, Rh, Ni) atomi yoki ionidagi reaktivlarni muvofiqlashtirish orqali ta'sir qiluvchi katalizatorlar yordamida amalga oshiriladi. Bunday kataliz koordinatsion kataliz deb ataladi.

Agar katalizator chiral xususiyatlarga ega bo'lsa, u holda optik faol bo'lmagan substratdan optik faol mahsulot olinadi.

IN zamonaviy fan va texnologiya tez-tez har biri reaksiyaning turli bosqichlarini tezlashtiradigan bir nechta katalizatorlar tizimlaridan foydalanadi. Katalizator boshqa katalizator tomonidan amalga oshiriladigan katalitik siklning bosqichlaridan birining tezligini ham oshirishi mumkin. Bu erda "katalizning katalizi" yoki ikkinchi darajali kataliz sodir bo'ladi.

Fermentlar biokimyoviy reaktsiyalarda katalizator rolini o'ynaydi.

Katalizatorlarni inisiatorlardan farqlash kerak. Masalan, peroksidlar radikal zanjir reaktsiyalarini boshlashi mumkin bo'lgan erkin radikallarga parchalanadi. Reaksiya jarayonida tashabbuskorlar iste'mol qilinadi, shuning uchun ularni katalizator deb hisoblash mumkin emas.

Inhibitorlar ba'zan noto'g'ri salbiy katalizatorlar hisoblanadi. Ammo ingibitorlar, masalan, radikal zanjir reaktsiyalari, erkin radikallar bilan reaksiyaga kirishadi va katalizatorlardan farqli o'laroq, saqlanib qolmaydi. Boshqa inhibitorlar (katalitik zaharlar) katalizator bilan bog'lanadi va uni o'chiradi, bu salbiy kataliz emas, balki katalizni bostirishdir. Manfiy kataliz printsipial jihatdan mumkin emas: bu reaktsiya uchun sekinroq yo'lni ta'minlaydi, lekin reaktsiya, albatta, tezroq, bu holda katalizlanmagan yo'l bo'ylab ketadi.

Katalizator reaksiya mahsulotlaridan biri bo'lishi mumkin. Bunda reaksiya avtokatalitik, hodisaning o'zi esa avtokataliz deb ataladi. Masalan, Fe 2+ ning Mn0 4 bilan oksidlanishida

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ \u003d 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0

hosil bo'lgan Mn 2+ ionlari reaksiyaning borishini katalizlaydi.

Tabiatda katalitik reaksiyalar juda keng tarqalgan. Ulardan eng hayratlanarlisi tirik organizmlardagi ko'plab reaktsiyalarni katalizlaydigan fermentlar bilan reaktsiyalardir. Katalizatorlar sanoatda keng qo'llaniladi. Azot va sulfat kislotalar, ammiak ishlab chiqarish, sintetik kauchuk ishlab chiqarish va boshqalar. katalitik reaktsiyalarsiz mumkin emas. Dorivor moddalar ishlab chiqarishda katalizatorlardan foydalaniladi: fenatsetin, guayakol, aromatik birikmalarning galogen hosilalari va boshqalar Katalizator sifatida Mn(IV), Ni, Co, Fe, AlC1 3, TeC1 3 oksidlari ishlatiladi.

Bir jinsli va geterogen katalizlar mavjud, ammo ularning har biri uchun asosiy qonuniyatlar quyidagilar:

1. Katalizator reaksiyaning elementar aktida faol ishtirok etib, reaksiya ishtirokchilaridan biri bilan oraliq birikmalar yoki barcha reaktivlar bilan faollashgan kompleks hosil qiladi. Har bir elementar harakatdan keyin u qayta tiklanadi va reaksiyaga kirishuvchi moddalarning yangi molekulalari bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin.

2. Katalitik reaksiya tezligi katalizator miqdoriga proporsionaldir.

3. Katalizator ta'sirning selektivligiga ega. U bir reaktsiya tezligini o'zgartirishi mumkin va boshqasining tezligiga ta'sir qilmaydi.

4. Katalizator reaksiyaning boshqa yo'l bilan va katalizator yo'qligidagiga qaraganda tezroq borishiga imkon beradi.

Tezlikni faollashtirish energiyasini pasaytirish, eksponentdan oldingi omilni yoki ikkalasini oshirish orqali oshirish mumkin. Masalan, atsetaldegid CH 3 CHO CH 4 + CO ning termal parchalanishi yod bug'i bilan katalizlanadi, bu esa aktivlanish energiyasini ~55 kJ / mol ga pasayishiga olib keladi. Bu pasayish tezlik konstantasining taxminan 10 000 marta oshishiga olib keladi.

5. Katalizator termodinamik muvozanat holatiga ta'sir qilmaydi. U oldinga va teskari reaktsiyalarning tezligini teng ravishda o'zgartiradi.

6. Promotorlar deb ataladigan ba'zi moddalar qo'shilsa, katalizatorning faolligi oshadi; ingibitorlarning qo'shilishi reaksiya tezligini pasaytiradi.

2. Gomogen kataliz

Gomogen katalizda katalizator bir jinsli eritmadagi molekula yoki iondir. Qachon bir hil kataliz katalizator va barcha reaktivlar bitta umumiy faza hosil qiladi.

Gomogen kataliz nazariyasining asosiy taxmini bu reaksiya jarayonida katalizatorning reaktivlar bilan beqaror oraliq birikmalari hosil bo'ladi, keyinchalik ular katalizatorning qayta tiklanishi bilan parchalanadi:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Bu reaksiya tezligi

v=k nc Ac Bc K

katalizator konsentratsiyasiga proportsional bo'lib, tezlik konstantasi Arrenius tenglamasiga bo'ysunadi. Bu reaktsiya ikki bosqichda davom etishi mumkin:

kataliz bir jinsli kislota fermentativ heterojen

Bunday holda, ikkita holat mumkin. Birinchi bosqichda kompleksning katalizator va dastlabki mahsulotga parchalanish tezligi yakuniy mahsulot hosil bo'ladigan ikkinchi bosqich tezligidan ancha yuqori bo'ladi. Shuning uchun bu turdagi katalizda Arrhenius komplekslari deb ataladigan komplekslarning konsentratsiyasi past bo'ladi. Ikkinchi holda, kompleksning parchalanish tezligi ikkinchi bosqich tezligiga mos keladi. Oraliq kompleksning kontsentratsiyasi sezilarli va statsionardir. Bunday turdagi komplekslar van't-Xoff komplekslari deb ataladi.

Ikkinchi holat, odatdagidek, batafsilroq ko'rib chiqiladi. AA oraliq birikmasi boshlang'ich moddalar bilan muvozanatda bo'lganligi sababli, to'g'ridan-to'g'ri (v 1) va teskari (v 2) reaktsiyalarning (1) tezligi teng bo'lishi kerak. Ular uchun kinetik tenglamalarni tuzib, biz quyidagilarni olamiz:

qayerda (dan uchun"--dan AK") reaksiyaga kirishmagan katalizator konsentratsiyasi; dan LEKIN,dan AK"-- mos ravishda A moddasi va oraliq birikma AA ning muvozanat konsentrasiyalari.

(2) dan oraliq birikmaning konsentratsiyasini topamiz:

Butun jarayonning umumiy tezligi (v) eng sekin bosqichning tezligi bilan belgilanadi, bu holda ikkinchi. Keyin

(4) oraliq birikmaning konsentratsiyasini (3) o'rniga qo'yib, biz quyidagilarni olamiz:

Tenglama (5) ikkita cheklovchi rejimning mavjudligini ko'rsatadi:

Ikkala holatda ham reaktsiya tezligi katalizator konsentratsiyasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir, lekin boshlang'ich moddalar uchun reaktsiya tartibi boshqacha. Birinchi holda, u ikkiga, ikkinchisida esa birga teng. Cheklovchi rejimlardan tashqarida reaktsiyaning tartibi fraksiyonel bo'ladi.

Bir hil katalizga misol qilib yod bug'i bilan katalizlangan atsetaldegid CH 3 CH 4 + CO ning termal parchalanish reaktsiyasini keltirish mumkin. Yod bug'lari yo'qligida E lekin=191,0 kJ/mol, ularning ishtirokida E lekin= 136,0 kJ/mol. Tezlik konstantasi 10 000 marta ortadi. Buning sababi shundaki, reaktsiya ikki bosqichda davom etadi:

CH 3 SON + I 2 \u003d CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI \u003d CH 4 + I 2

Har bir bosqichning faollanish energiyasi katalitik bo'lmagan reaksiyaning faollashuv energiyasidan kamroq.

Gomogen katalizga koʻplab kislota-asos reaksiyalari, murakkab hosil boʻlish reaksiyalari, oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari, koʻp sonli gidrogenlanish, sulfatlanish reaksiyalari va boshqalar kiradi.

3. Kislota va asosli kataliz

Kislota va asoslar koʻp reaksiyalarda katalizator vazifasini bajaradi, yaʼni reaksiyada qatnashadi, oʻzlari isteʼmol qilinmaydi (gidroliz, alkillanish, esterlanish reaksiyalari va boshqalar. Kislota-asosli katalizning uch turi mavjud:

1) o'ziga xos kislotali (asosiy) kataliz, bunda mos ravishda H + yoki OH ionlari katalizator bo'lib xizmat qiladi;

2) har qanday proton donor (akseptor) tomonidan amalga oshiriladigan umumiy kislota (asos) kataliz;

3) Lyuis kislotalari va asoslari tomonidan amalga oshiriladigan elektrofil (nukleofil) kataliz.

Birinchi tartib tezligi doimiysi k reaksiya uchun bufer eritmada bo'lishi mumkin chiziqli funksiya[H + ], [OH - ], [ON], [A - ], yaʼni:

k \u003d k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH -] + k 3 [ON] + k 4 [A -]

Ushbu ifodada k 0 -- hamma katalitik ionlar bo'lmagandagi birinchi tartibli tezlik konstantasi: [H + ], [OH - ], [NA], [A - ], a k t -- katalitik koeffitsientlar.

Agar faqat k 1 [H + ] atamasi muhim rol o'ynasa, ular reaksiya vodorod ionlari tomonidan o'ziga xos katalizda namoyon bo'lishini aytishadi. Agar a'zo ustunlik qilsa k 3 [HA], reaksiya umumiy kislotali katalizga duchor bo'lishi aytiladi. Agar a'zo ustunlik qilsa k 4 [A - ] bo'lsa, u holda reaksiya umumiy asos kataliz ta'siriga bog'liq deyiladi.

Katalitik bo'lmagan reaksiya tezligi past bo'lganda, o'ziga xos kislota-asosli kataliz uchun (k 0 = 0) logarifmik shaklda ifodalanishi mumkin:

Kislotali eritmalar uchun:

Ishqoriy eritmalar uchun:

Tenglamalar shuni ko'rsatadiki, o'ziga xos kislota-asosli katalizda tezlik konstantasining logarifmi muhitning pH qiymatiga chiziqli bog'liqdir.

Vodorod ionlarining katalitik ta'sir mexanizmi shundan iboratki, protonning oraliq birikmasi va dastlabki moddaning molekulasi hosil bo'ladi. Ushbu jarayon tufayli asl moddada mavjud bo'lganlar bo'shatiladi kimyoviy bog'lanishlar, faollashuv energiyasi kamayadi, so'ngra protonlangan VN + shakli reaksiya mahsuloti va katalizatorga parchalanadi.

4. Kompleks birikmalar bilan katalizlanadigan bir jinsli katalitik reaksiyalar

Sanoat sharoitida qaytarilish, gidrogenlash, oksidlanish, izomerlanish, polimerlanish reaksiyalari katalizatorlar - kompleks birikmalar (davriy sistemaning VIII guruhi metall ionlari Fe, Co, Ni, Ru, shuningdek Cu, Fg) ishtirokida amalga oshiriladi. , Hg, Cr, Mn). Katalitik ta'sirning mohiyati shundaki, metall ionlari elektronlarning donorlari yoki akseptorlari sifatida ishlaydi. Markaziy metall ioni atrofida muvofiqlashtirilgan reaksiyaga kirishuvchi molekulalar orasidagi kimyoviy o'zaro ta'sir molekulalarning qutblanishi va energiyaning pasayishi bilan osonlashadi. alohida havolalar. Markaziy metall ioni reaksiyaga kirishuvchi molekulalar orasidagi elektron o'tishlarni osonlashtiradigan ko'prikdir.

Metall ionining katalitik faolligi ionning reaksiya ishtirokchilari bilan bog'lanish energiyasiga bog'liq. Agar bog'lanish energiyasi yuqori yoki past bo'lsa, metall ioni zaif katalitik faollikni namoyon qiladi. Birinchi holda, metall ionlari reaksiyaga kirishuvchi molekulalar bilan shunchalik kuchli bog'langanki, ular reaktsiyadan chiqariladi. Ikkinchi holda, reaksiyaga kirishuvchi molekulalar eritmada mavjud bo'lgan boshqa ligandlarni siqib chiqara olmaydi. Koordinatsion to'yingan komplekslar olinadi, ular faol katalizatorlar emas.

Murakkab katalizatorlar tarkibini tartibga solishning keng imkoniyatlari tufayli VIII guruh elementlarining ionlarini o'z ichiga olgan fermentlar ishtirokidagi bir qator reaktsiyalarni simulyatsiya qilish mumkin bo'ldi.

5. Fermentativ kataliz

Fermentlar eng ajoyib katalizatorlardir. Tirik organizmlardagi ko'plab reaktsiyalar ular bilan bog'liq va shuning uchun ular ko'pincha biologik katalizatorlar deb ataladi. Enzimatik kataliz oddiy katalizga qaraganda murakkabroq hodisadir. Enzimatik kataliz jarayonlarining yuqori darajada tashkil etilishi tirik organizmdagi o'zaro ta'sirning o'ziga xosligi bilan belgilanadi, fermentlar va substratlarning molekulyar tuzilishining maxsus birikmasi bilan bog'liq bo'lib, ular fermentativ reaktsiyalarda reaktivlar deb ataladi.

Fermentlar oqsillardir, ya'ni. peptid bog'lari bilan bog'langan aminokislotalardan iborat. Ferment molekulasida COOH, NH 2, NH, OH, SH va boshqalar o'zgaruvchan qutb guruhlari, shuningdek, hidrofobik guruhlar mavjud. Fermentning birlamchi tuzilishi turli aminokislotalarning almashinish tartibi bilan belgilanadi. Termik xaotik harakat natijasida ferment makromolekulasi egilib, bo'shashgan sharchalarga aylanadi. Polipeptid zanjirining alohida bo'limlari o'rtasida molekulalararo o'zaro ta'sir sodir bo'lib, vodorod aloqalarining shakllanishiga olib keladi. Fermentning ikkilamchi tuzilishi bo'shashgan muhit shaklida namoyon bo'ladi. Har bir ferment uchun ikkilamchi tuzilish juda aniq. Fermentning faol katalitik markaziga substrat molekulalarini ma'lum bir holatda yo'naltiruvchi guruhlar kiradi. Faol markaz matritsaga o'xshaydi, u faqat ma'lum bir tuzilishdagi molekulani o'z ichiga olishi mumkin. Enzimatik kataliz mexanizmi ferment-substrat kompleksini hosil qilish uchun fermentning faol joylarining substrat bilan o'zaro ta'siridan iborat bo'lib, keyinchalik u bir nechta transformatsiyalarga uchraydi, buning natijasida reaktsiya mahsuloti paydo bo'ladi. Oraliq bosqichlarning har biri reaktsiyaning tez rivojlanishiga hissa qo'shadigan past faollik energiyasi bilan tavsiflanadi. Bu fermentlarning yuqori faolligini tushuntiradi.

Fermentlar qanday reaksiyani katalizlashiga qarab sinflarga bo'linadi: oksidoreduktazalar (qaytarilish-qaytarilish reaksiyalarini katalizlaydi), transferazlar (transferni katalizlaydi). kimyoviy guruhlar bir birikmadan ikkinchisiga), gidrolazalar (gidroliz reaktsiyalarini katalizlaydi), liyazlar (turli bog'larni uzadi), izomerazalar (izomerik o'zgarishlarni amalga oshiradi), ligazalar (sintez reaktsiyalarini katalizlaydi). Ko'rinib turibdiki, fermentlar o'ziga xosligi va selektivligi bilan farqlanadi. Ba'zilar ma'lum turdagi reaktsiyalarning butun sinfini katalizlaydi, ba'zilari faqat bitta reaktsiyani katalizlaydi.

Ko'pgina fermentlar tarkibida metall ionlari (metall fermentlari) mavjud. Metallofermentlarda metall ionlari fermentning faol tuzilishini ta'minlovchi xelat komplekslarini hosil qiladi. O'zgaruvchan oksidlanish darajasiga ega bo'lgan metallar (Fe, Mn, Cu) oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarida ishtirok etib, elektronlarni oksidlovchi moddaga o'tkazishni amalga oshiradilar. O'nlab ma'lum organik birikmalar, vodorod va elektronlarni tashish funktsiyalarini bajaradi. Ular vitaminlarning hosilalarini o'z ichiga oladi.

Og'ir metallar ionlari (Ag +, Hg +, Pb 2+) fermentlarning faol guruhlarini blokirovka qilishi mumkin.

Turli fermentlarning ta'sirini baholash uchun molekulyar faollik tushunchasi kiritildi, bu bir daqiqada bitta ferment molekulasi ta'sirida aylanadigan substrat molekulalarining soni bilan belgilanadi. Ma'lum fermentlarning eng faoli karbonat angidraz bo'lib, uning molekulyar faolligi daqiqada ~ 36 million molekula.

Ferment tomonidan katalizlanadigan reaktsiya tezligi ferment konsentratsiyasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Pastki substrat konsentratsiyasida reaktsiya substratga nisbatan birinchi darajali bo'ladi. Yuqori konsentratsiyalarda reaktsiya tezligi doimiy bo'lib qoladi va reaktsiya tartibi nolga aylanadi (ferment substrat bilan to'liq to'yingan). Reaktsiya tezligi muhitning harorati va kislotaligiga bog'liq.

Enzimatik kataliz hayotning barcha ko'rinishlarida katta rol o'ynaydi, bu erda biz tirik mavjudotlar haqida gapiramiz. Tananing hayotiy faolligini oshirish va metabolizmni yaxshilash uchun dori sifatida ishlatiladigan ko'plab ferment preparatlari yaratilgan. Funktsiyani buzish uchun ferment preparatlari keng qo'llaniladi oshqozon-ichak trakti ovqat hazm qilish fermentlarining etarli darajada ishlab chiqarilmasligi bilan bog'liq. Shunday qilib, gastritning ba'zi shakllarida pepsin yoki pankreatin preparatlari qo'llaniladi. Fermentlar, shuningdek, ko'p miqdorda protein shakllanishini (kuyishlar, yiringli yaralar, o'pkaning yiringli-yallig'lanish kasalliklari va boshqalar uchun) yo'q qilish zarur bo'lgan hollarda muvaffaqiyatli qo'llaniladi. Bunday hollarda protolitik fermentlar qo'llaniladi, bu oqsillarning tez gidrolizlanishiga olib keladi va yiringli birikmalarning rezorbsiyasini osonlashtiradi. Bir qator yuqumli kasalliklarni davolash uchun lizozim preparatlari qo'llaniladi, ular ba'zi patogen bakteriyalarning membranasini yo'q qiladi. Qon pıhtılarını erituvchi fermentlar (qon tomirlari ichidagi qon pıhtıları) juda muhimdir. Bu qonda topilgan plazmin; oshqozon osti bezi fermentlari - tripsin va ximotripsin. Ularning asosida turli xil qo'shimchalar bilan dorivor ferment preparatlari yaratilgan - streptokinaza, streptaza va boshqalar tibbiyotda qo'llaniladi.

6. Geterogen kataliz

Interfeysda geterogen kataliz amalga oshiriladi. Birinchi kuzatilgan heterojen katalitik reaktsiya Pristley (1778) tomonidan etil spirtini faol loyda suvsizlantirish orqali amalga oshirildi:

C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O

19-asrning birinchi yarmida geterogen katalizga juda koʻp asarlar bagʻishlangan. Ko'pgina ishlar qattiq jismning katalitik ta'sirini nazariy tushuntirishga bag'ishlangan. Kelajakda ta'limotning rivojlanishi eksperimental ma'lumotlarni to'plash, katalizatorlar tayyorlash usullarini ishlab chiqish, yangi katalitik jarayonlarni ochish va o'rganish, kimyo sanoatiga katalizni kiritish, shuningdek, geterogen kataliz nazariyasini rivojlantirish yo'li bo'ylab ketdi. . Biroq, nazariyotchilarning muvaffaqiyati tajribachilarning muvaffaqiyatidan ancha kamtar edi. Va bu tasodif emas.

Katalitik va katalitik bo'lmagan jarayonlarning har ikkisi ham kimyoviy kinetik qonuniyatlarga bo'ysunadigan prinsipial farq bo'lmasa ham, har ikkala holatda ham reaksiyaga kirishuvchi moddalar tizimi qandaydir maxsus faol holatdan o'tadi, geterogen katalitik reaksiyalarda o'ziga xos xususiyatlar kuzatiladi. Avvalo, barcha hodisalar umuman olganda uning xususiyatlariga bog'liq bo'lgan qattiq jism paydo bo'ladi. Shuning uchun geterogen kataliz nazariyasidagi yutuqlar qattiq jismlar nazariyasining rivojlanishi bilan uzviy bog'liqligi bejiz emas. Jarayon sirtda davom etayotganligi sababli, katalizator yuzasining tuzilishini bilish kataliz nazariyasini rivojlantirish uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega. Shunday qilib, quyidagicha yaqin aloqa adsorbsiya hodisalarini eksperimental va nazariy jihatdan o'rganishni rivojlantirish bilan kataliz nazariyasini ishlab chiqish. Geterogen jarayonlarning murakkabligi va ularning o'ziga xos xususiyati bu sohadagi nazariy tadqiqotlar hali tugallanmaganligiga olib keladi. Biz bir nechta mavjudligi haqida gapirishimiz mumkin nazariy tushunchalar, birinchi yaqinlashuvda ma'lum eksperimental faktlarni umumlashtiradi.

Amalda ko'pincha heterojen katalizning ikki turi uchraydi:

1) katalizatori qattiq fazada, reaksiyaga kirishuvchi moddalar esa suyuq fazada bo'lgan jarayonlar;

2) katalizatori qattiq fazada, reaksiyaga kirishuvchi moddalar esa gaz fazasida bo'lgan jarayonlar. Reaksiya, qoida tariqasida, fazalar chegarasida sodir bo'ladi (va ba'zi ko'p bosqichli jarayonlarda boshlanadi), ya'ni. qattiq jism yuzasida - katalizator.

Heterojen jarayonni besh bosqichga bo'lish mumkin:

1) reaksiyaga kirishuvchi moddalarni katalizator yuzasiga tashish (diffuziya);

2) katalizator yuzasida reaksiyaga kirishuvchi moddalarning adsorbsiyasi;

3) sirtdagi reaksiya;

4) katalizator sirtining chiqishi bilan reaksiya mahsulotlarini desorbsiyalash;

5) reaksiya mahsulotlarini hajmga tashish (diffuziya).

Jarayonning shartlariga va uning xususiyatlariga qarab, besh bosqichning istalgani eng sekin bo'lishi mumkin va shuning uchun katalitik jarayonning tezligi ularning har biri bilan cheklanishi mumkin. Katalizatorlar faolligini qiyosiy baholash uchun hal qiluvchi omil sirtdagi reaksiya tezligi hisoblanadi. Shu sababli, katalizator faolligining qiymatini olish muhim bo'lgan hollarda, ular jarayonni tezligi ikkinchi, kinetik bosqich deb ataladigan tarzda o'tkazishga harakat qilishadi.

Adsorbsiya va desorbsiyaning o'ziga xos qonuniyatlari bor.Adsorbsiya - interfeysdagi moddaning konsentratsiyasining o'z-o'zidan o'zgarishi jarayoni. Sirtida adsorbsiya sodir bo'ladigan modda deyiladi adsorbent. Adsorbent deyiladi adsorbat. Geterogen katalizda adsorbent katalizator, adsorbat esa reaksiyaga kirishuvchi moddaning (substrat) molekulasi hisoblanadi. Substratning katalizatorga adsorbsiyasi katalizatorning sirtda joylashgan molekulalari (atomlari) va substrat molekulalari (fizik adsorbsiya) o'rtasida yuzaga keladigan o'zaro ta'sir kuchlari hisobiga amalga oshirilishi mumkin. Katalizator molekulalari (atomlari) va reaktivning molekulalari o'rtasida kimyoviy o'zaro ta'sir (kimyoviy adsorbsiya yoki kimyosorbsiya) sodir bo'lishi mumkin. Adsorbsiya natijasida sistemaning tartiblanishi kuchayadi, sistemaning energiyasi kamayadi va reaksiyaning faollashuv energiyasi kamayadi.

Geterogen jarayonlar uchun moddaning suyuqlik yoki gazning ichki hajmidan qattiq sirtga o'tishi alohida ahamiyatga ega. Massa almashinish jarayonlari diffuziya qonunlariga bo'ysunadi.

Xulosa

Neftni qayta ishlash va neft kimyosida katalizatorlar va katalitik jarayonlarning ahamiyatini ortiqcha baholab bo'lmaydi. Axir, ular asosdir texnik taraqqiyot zamonaviy insoniyat jamiyati ehtiyojlarini qondirishning eng muhim sohalarida. Gap, birinchi navbatda, turli konlardan olinadigan neft odatda benzinga to'g'ri keladigan atigi 5-20% engil qaynaydigan fraktsiyalarni o'z ichiga oladi. Benzinga bo'lgan talab zamonaviy rivojlanish avtomobil va havo transporti juda katta. Shu bilan birga, to'g'ridan-to'g'ri moydan distillangan motor yoqilg'isi odatda sifatsiz bo'lib chiqadi. Katalitik kreking va reformingni boshqa zamonaviy qayta ishlash usullari bilan birgalikda qo'llash yuqori faol benzinlarning unumini neft og'irligining 75% gacha oshirish imkonini beradi. Dvigatel yoqilg'isi, shuningdek, metall katalizatorlar yordamida ko'mirni katalitik gidrogenlash orqali olinadi.

Metall va oksidli katalizatorlarda uglevodorodlarni katalitik qayta ishlash xalq iste’moli tovarlari ishlab chiqarishda zarur bo‘lgan oraliq mahsulotlarni olish imkonini beradi. Ulardan olingan monomerlar va polimerlarning aksariyati neft, ko'mir, slanets va tabiiy gazdan olingan uglevodorodlar va ularning hosilalarini qayta ishlash uchun katalitik jarayonlar mahsulotlaridir. Katalitik jarayonlar o'ynaydi muhim rol yuvish vositalari, dorivor moddalarning bo'yoqlari ishlab chiqarishda.

Asosiy organik sintez, bu oraliq mahsulotlarni (va organik texnologiya mahsulotlarini) beradi, asosan katalitik reaktsiyalarga asoslanadi. Hayotda katta qiymat zamonaviy jamiyat sulfat kislota, ammiak va nitrat kislota kabi kimyo sanoati mahsulotlariga ega. Xalq xo'jaligining deyarli barcha tarmoqlari ushbu moddalarni yoki ularning yordami bilan olingan boshqa kimyoviy birikmalarni iste'mol qiladi. Ular asosida o'n millionlab tonna mineral o'g'itlar ishlab chiqariladi, ularsiz dalalar hosildorligini oshirish va hatto saqlab qolish mumkin emas. Kimyo, neft-kimyo, oziq-ovqat, yengil va boshqa sanoatning yuzlab tarmoqlarida sulfat, nitrat kislotalar, ammiak va ularning hosilalari ishlatiladi. Ushbu birikmalar metallurgiya va metallni qayta ishlash sanoatida ham qo'llaniladi.

Ayni paytda ammiakdan sulfat kislota, ammiak va nitrat kislotalarni keng miqyosda ishlab chiqarish tegishli katalizatorlarning kashf etilishi va ulardan foydalanish usullarini ishlab chiqish tufayli mumkin bo'ldi.

Foydalanilgan manbalar ro'yxati

1) A.P. Belyaev. Fizikaviy va kolloid kimyo. M.: GOETAR-Media, 2008 yil

2) I.P. Muxlenov. Katalizator texnologiyasi. M.: Bookinist, 2007

3) Kimyoviy ensiklopediya. -- M.: Sovet entsiklopediyasi, 1990.

4) Imyanitov N.S. Metall kompleks katalizda bir nechta katalizatorlar tizimlari. // Koordinatsion kimyo. 1984 yil.

Shunga o'xshash hujjatlar

Metall kompleks kataliz jarayonining mohiyati va xususiyatlari. Katalitik faollikni aniqlovchi metall komplekslarining xossalari. Enzimatik katalizni modellashtirish. Metall kompleks katalizning qo'llanilishi, afzalliklari va kamchiliklari.

hisobot, 03/16/2015 qo'shilgan


Gomogen katalizning umumiy nazariyalari. Kataliz jarayonining bosqichlari va reaksiya tezligi. Har xil miqdordagi Fe2+ katalizatori ishtirokida vodorod peroksidning nomutanosibligi katalitik reaksiyasining kinetikasi, reaksiya tezligiga pH ning taʼsiri.

test, 2012-09-18 qo'shilgan


Kimyoviy reaksiya tezligini aniqlash. Katalitik reaksiyalarning ochilish tarixi, tushunchasi va turlari. Kataliz hodisasi, uning fizik-kimyoviy jihatlari haqida kimyo fanining atoqli namoyandalarining fikrlari. Geterogen kataliz mexanizmi. Biokimyoda fermentativ kataliz.

referat, 11/14/2010 qo'shilgan


Kataliz, katalizator va katalitik jarayon tushunchalari, ularning turli ta'riflari. Katalizatorlar tomonidan reaksiyalarni tezlashtirish mexanizmlari. Kimyoviy (biologik bo'lmagan) kataliz. Sulfat kislota ishtirokida spirtdan dietil efir sintezi. Kataliz nazariyalari.

referat, 26.01.2009 qo'shilgan


Metall katalizatorlar, geterogen katalizning aralash va polifunksional katalizatorlari. Katalizator talablari. Geterogen kataliz nazariyalari. Multipleks va elektron nazariya. Faol ansambllar nazariyasi. Tabiiy gazni qayta ishlashda kataliz.

muddatli ish, 05/06/2014 qo'shilgan


Katalizning ta'rifi va uning sanoatdagi o'rni. Selektivlik va “kimyoviy reaksiya mexanizmi” tushunchasi haqida umumiy tushunchalar. Fazalar va reaksiyalar turlari bo'yicha katalitik tizimlarning tasnifi. Sanoat katalizatorlariga adsorbsiya va asosiy talablar.

referat, 26.01.2009 qo'shilgan


Arenediazonium tuzlarini qaynatish usullari. Fenollarning termodinamik kislotaliligini tahlil qilish. Fenol atsillanishi, kislotali kataliz va fenoksiasetik kislotaning xarakteristikasi. Kolbe-Schmitt reaksiyasining xususiyatlari, fenoksiasetik kislota olish usuli.

test, 2012-03-28 qo'shilgan


Termokimyo fanining predmeti, kimyoviy reaksiyalarning issiqlik effektlarini o'rganish. Kimyoviy kinetika va kataliz jarayonlarining turlari. Reaksiyaning entalpiyasi (issiqlik effekti). Reaktsiya tezligi, qonuni harakatlanuvchi omma. Kimyoviy muvozanat konstantasi, katalizator effekti.

taqdimot, 10/19/2014 qo'shilgan


Fermentlar (fermentlar) sut kislotasi mahsulotlarini ishlab chiqarishda ishlatiladigan biologik katalizatorlardir. Fermentlar nomenklaturasining xalqaro qoidalari. Fermentlar faqat globulyar oqsillar bo'lishi mumkin. Protein tuzilish darajalari. Enzimatik katalizning kinetikasi.

referat, 26.01.2009 qo'shilgan


Biologik katalizatorlar haqida tushuncha, fermentlarning tirik sistemadagi ta`siri va ularning tasnifi. Biologik katalizatorlar faolligiga ta'sir etuvchi omillar. Koenzimlar deb ataladigan moddalar. Fermentativ kataliz kinetikasi, Mixaelis-Menten tenglamasi.

Kimyoviy reaktsiyalar tezligi borligida keskin oshishi mumkin turli moddalar, ular reagent bo'lmagan va reaksiya mahsulotlarining bir qismi bo'lmagan. Bu ajoyib hodisa deyiladi kataliz(yunoncha "kataliz" - halokatdan). Aralashmadagi reaksiya tezligini oshiradigan modda deyiladi katalizator. Reaksiyadan oldin va keyin uning miqdori o'zgarishsiz qoladi. Katalizatorlar hech qanday maxsus moddalar sinfini ifodalamaydi. Turli reaktsiyalarda metallar, oksidlar, kislotalar, tuzlar va murakkab birikmalar katalitik ta'sir ko'rsatishi mumkin. Tirik hujayralardagi kimyoviy reaktsiyalar katalitik oqsillar nazorati ostida davom etadi fermentlar. Katalizni kimyoviy reaksiyalar tezligini oshirishning haqiqiy kimyoviy omili deb hisoblash kerak, chunki katalizator reaksiyada bevosita ishtirok etadi. Kataliz ko'pincha haroratni ko'tarishdan ko'ra reaktsiyani tezlashtirishda kuchliroq va kamroq xavflidir. Bu tirik organizmlardagi kimyoviy reaksiyalar misolida yaqqol namoyon bo'ladi. Laboratoriyalarda qaynash nuqtasiga qadar uzoq vaqt davomida qizdirilishi kerak bo'lgan oqsillarning gidrolizi kabi hazm qilish jarayonida tana haroratida qizdirilmasdan sodir bo'ladi.

Kataliz hodisasini birinchi marta 1818-yilda fransuz kimyogari L.J.Tenard (1777-1857) kuzatgan.U eritmaga vodorod peroksid qo`shilganda ayrim metallarning oksidlari uning parchalanishiga sabab bo`lishini aniqlagan. Bunday tajribani 3% vodorod periks eritmasiga kaliy permanganat kristallarini qo'shish orqali ko'paytirish oson. KMp0 4 tuzi Mn0 2 ga aylanadi va oksid ta'sirida eritmadan kislorod tezda ajralib chiqadi:

Katalizatorning reaksiya tezligiga bevosita ta'siri aktivlanish energiyasining pasayishi bilan bog'liq. Oddiy harorat pasayganda? va 20 kJ/mol tezlik konstantasini taxminan 3000 marta oshiradi. pasaytirish E L ancha kuchliroq bo'lishi mumkin. Biroq, faollashuv energiyasining pasayishi katalizator ta'sirining tashqi ko'rinishidir. Reaktsiya ma'lum bir qiymat bilan tavsiflanadi E. v reaksiyaning o'zi o'zgargan taqdirdagina o'zgarishi mumkin. Xuddi shu mahsulotlarni berib, qo'shilgan modda ishtirokidagi reaktsiya boshqa yo'l bo'ylab, turli bosqichlardan o'tadi va boshqa faollik energiyasi bilan. Agar ushbu yangi yo'lda aktivlanish energiyasi pastroq bo'lsa va reaktsiya mos ravishda tezroq bo'lsa, biz bu moddani katalizator deb aytamiz.

Katalizator reaktivlardan biri bilan o'zaro ta'sirlanib, qandaydir oraliq birikma hosil qiladi. Reaksiyaning keyingi bosqichlaridan birida katalizator qayta tiklanadi - u reaktsiyani asl shaklida qoldiradi. Katalitik reaksiyada ishtirok etuvchi reagentlar katalizator ishtirokisiz bir-biri bilan va sekin yo'lda o'zaro ta'sir qilishda davom etadi. Shuning uchun katalitik reaksiyalar navga tegishli murakkab reaktsiyalar qator-parallel deb ataladi. Shaklda. 11.8 tezlik konstantasining katalizator konsentratsiyasiga bog'liqligini ko'rsatadi. Bog'liqlik grafigi noldan o'tmaydi, chunki katalizator bo'lmasa, reaktsiya to'xtamaydi.

Guruch. 11.8.

kuzatiladigan doimiy k summa sifatida ifodalanadi k u+ & k c(k)

11.5-misol. -500 °C haroratda oltingugurt oksidining oksidlanish reaktsiyasi (IV)

sulfat kislotani sanoat ishlab chiqarish bosqichlaridan biri bo'lgan, juda sekin. Haroratning yanada oshishiga yo'l qo'yib bo'lmaydi, chunki muvozanat chapga siljiydi (ekzotermik reaktsiya) va mahsulot unumdorligi juda pasayadi. Ammo bu reaksiya turli katalizatorlar tomonidan tezlashadi, ulardan biri azot oksidi (II) bo'lishi mumkin. Birinchidan, katalizator kislorod bilan reaksiyaga kirishadi:

va keyin kislorod atomini oltingugurt oksidiga (IV) o'tkazadi:

Shunday qilib, reaksiyaning yakuniy mahsuloti hosil bo'ladi va katalizator qayta tiklanadi. Reaktsiya uchun yangi yo'l bo'ylab oqish imkoniyati ochildi, bunda tezlik konstantalari sezilarli darajada oshdi:

Quyidagi diagrammada S0 2 oksidlanish jarayonining ikkala yo'li ko'rsatilgan. Katalizator bo'lmaganda reaksiya faqat sekin yo'l bo'ylab, katalizator ishtirokida esa ikkalasi bo'ylab boradi.

Katalizning ikki turi mavjud - bir hil Va heterojen. Birinchi holda, katalizator va reagentlar gaz aralashmasi yoki eritma shaklida bir hil tizim hosil qiladi. Oltingugurt oksidi oksidlanishiga misol qilib bir jinsli katalizni keltirish mumkin. Bir hil katalitik reaksiya tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyasiga ham, katalizatorning konsentratsiyasiga ham bog‘liq.

Geterogen katalizda katalizator sof shaklda qattiq moddadir yoki qoʻllab-quvvatlanadi tashuvchi. Masalan, platina katalizator sifatida asbest, alumina va boshqalarga mahkamlanishi mumkin. Reagent molekulalari gaz yoki eritmadan katalizator yuzasining ma'lum nuqtalarida - faol markazlarda adsorbsiyalanadi (so'riladi) va bir vaqtning o'zida faollashadi. Kimyoviy transformatsiyadan so'ng hosil bo'lgan mahsulot molekulalari katalizator yuzasidan desorbsiyalanadi. Zarrachalarni o'zgartirish aktlari faol markazlarda takrorlanadi. Boshqa omillar bilan bir qatorda, heterojen katalitik reaksiya tezligi katalitik materialning sirt maydoniga bog'liq.

Geterogen kataliz ayniqsa sanoatda keng qo'llaniladi. Bu reaktivlar aralashmasining katalizator bilan aloqa apparati orqali o'tishi bilan uzluksiz katalitik jarayonni amalga oshirish qulayligi bilan bog'liq.

Katalizatorlar selektiv ta'sir ko'rsatadi, boshqalarga ta'sir qilmasdan juda o'ziga xos reaktsiya turini yoki hatto bitta reaktsiyani tezlashtiradi. Bu katalizatorlardan nafaqat reaksiyalarni tezlashtirish, balki boshlang'ich materiallarni maqsadli ravishda kerakli mahsulotlarga aylantirish uchun ham foydalanish imkonini beradi. Fe 2 0 3 katalizatorida 450 ° C haroratda metan va suv karbonat angidrid va vodorodga aylanadi:

Xuddi shu moddalar 850 ° C da nikel yuzasida uglerod oksidi (II) va vodorod hosil qilish uchun reaksiyaga kirishadi:

Kataliz kimyoning aniq nazariy bashorat qilishning hali imkoni bo'lmagan sohalariga tegishli. Neft mahsulotlarini qayta ishlash, tabiiy gaz, ammiak ishlab chiqarish va boshqa ko'plab sanoat katalizatorlari mashaqqatli va uzoq davom etgan eksperimental tadqiqotlar asosida yaratilgan.

Kimyoviy jarayonlarning tezligini boshqarish qobiliyati insonning iqtisodiy faoliyatida beqiyos ahamiyatga ega. Kimyoviy mahsulotlarni sanoat ishlab chiqarishda odatda texnologik kimyoviy jarayonlar tezligini oshirish kerak, mahsulotlarni saqlashda esa parchalanish yoki kislorod, suv va boshqalar bilan ta'sir qilish tezligini kamaytirish talab etiladi. Kimyoviy reaktsiyalarni sekinlashtiradigan ma'lum moddalar. Ular chaqiriladi ingibitorlar, yoki salbiy katalizatorlar. Inhibitorlar haqiqiy katalizatorlardan tubdan farq qiladi, chunki ular u yoki bu sabablarga ko'ra moddada yoki uning muhitida paydo bo'ladigan va qimmatli parchalanish va oksidlanish reaktsiyalarini keltirib chiqaradigan faol turlar (erkin radikallar) bilan reaksiyaga kirishadi. Inhibitorlar asta-sekin iste'mol qilinadi, ularning himoya ta'siri tugaydi. Eng muhim turdagi inhibitorlar antioksidantlar bo'lib, ular turli materiallarni kislorod ta'siridan himoya qiladi.

Bundan tashqari, katalizatorlar yordamida erishib bo'lmaydigan narsalarni eslatish kerak. Ular faqat spontan reaktsiyalarni tezlashtirishga qodir. Agar reaksiya o'z-o'zidan ketmasa, katalizator uni tezlashtira olmaydi. Masalan, hech qanday katalizator suvning vodorod va kislorodga parchalanishiga olib kelmaydi. Elektr ishlarini sarflagan holda, bu jarayon faqat elektroliz orqali amalga oshirilishi mumkin.

Katalizatorlar keraksiz jarayonlarni ham faollashtirishi mumkin. So'nggi o'n yilliklarda 20-25 km balandlikda atmosferaning ozon qatlamining asta-sekin yo'q qilinishi kuzatilmoqda. Ozonning parchalanishida ba'zi moddalar, masalan, sanoat korxonalari tomonidan atmosferaga chiqariladigan, shuningdek, maishiy maqsadlarda ishlatiladigan galogenli uglevodorodlar ishtirok etadi deb taxmin qilinadi.

oz miqdordagi moddalar (katalizatorlar) ta'sirida kimyoviy reaktsiyalarning tezlashishi, ular reaksiya davomida o'zgarmaydi. Katalitik jarayonlar hayotimizda katta rol o'ynaydi. Biokimyoviy jarayonlarni tartibga solishda fermentlar deb ataladigan biologik katalizatorlar ishtirok etadi. Ko'pgina sanoat jarayonlarini katalizatorlarsiz amalga oshirish mumkin emas edi.

Katalizatorlarning eng muhim xususiyati selektivlikdir, ya'ni. ko'p mumkin bo'lganlardan faqat ma'lum kimyoviy reaktsiyalar tezligini oshirish qobiliyati. Bu normal sharoitda juda sekin bo'ladigan reaktsiyalarni amaliy qo'llash imkonini beradi va kerakli mahsulotlarning shakllanishini ta'minlaydi.

Katalizatorlardan foydalanish kimyo sanoatining jadal rivojlanishiga yordam berdi. Ular neftni qayta ishlashda, turli xil mahsulotlar olishda, yangi materiallarni (masalan, plastmassa) yaratishda keng qo'llaniladi, ko'pincha ilgari ishlatilganidan arzonroqdir. Zamonaviy kimyoviy ishlab chiqarishning taxminan 90% katalitik jarayonlarga asoslangan. Atrof-muhitni muhofaza qilishda katalitik jarayonlar alohida o'rin tutadi.

1835 yilda shved kimyogari J. Berzelius ma'lum moddalar ishtirokida ma'lum kimyoviy reaktsiyalarning tezligi sezilarli darajada oshishini aniqladi. Bunday moddalar uchun u "katalizator" atamasini kiritdi (yunonchadan.

kataliz - dam olish). Berzeliusning fikricha, katalizatorlar reaksiyada ishtirok etayotgan molekulalardagi atomlar orasidagi bog’lanishni zaiflashtirish, shu bilan ularning o’zaro ta’sirini osonlashtirish uchun maxsus qobiliyatga ega. Katalizatorlarning ishlashi haqidagi g'oyalarning rivojlanishiga nemis fizik-kimyogari V.Ostvald katta hissa qo'shdi, u 1880 yilda katalizatorni reaktsiya tezligini o'zgartiruvchi modda sifatida belgiladi.

Zamonaviy tushunchalarga ko'ra, katalizator reaksiyaga kirishuvchi molekulalar bilan kompleks hosil qiladi, bu kimyoviy bog'lanishlar bilan barqarorlashadi. Qayta tashkil etilgandan so'ng, bu kompleks mahsulotlar va katalizatorni chiqarish uchun ajralib chiqadi. Molekulaning o'zgarishining monomolekulyar reaktsiyasi uchun

X dan Y gacha Butun jarayon sifatida ifodalanishi mumkin X + mushuk. ® X -Mushuk. ® Y -Mushuk. ® Y + Mushuk. Bo'shatilgan katalizator bilan qayta bog'lanadi X , va butun tsikl ko'p marta takrorlanib, ko'p miqdorda mahsulot - moddaning shakllanishini ta'minlaydi Y . Oddiy sharoitlarda ko'p moddalar bir-biri bilan kimyoviy reaksiyaga kirishmaydi. Shunday qilib, xona haroratida vodorod va uglerod oksidi bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydi, chunki molekuladagi atomlar orasidagi bog'lanish. H2 etarlicha kuchli va molekula hujumida buzilmaydi CO . Katalizator molekulalarni birlashtiradi H2 va CO ular bilan aloqalarni shakllantirish orqali. Qayta tashkil etilgandan so'ng, katalizator-reaktiv kompleksi atomlarni o'z ichiga olgan mahsulot hosil qilish uchun ajraladi C, H va O. Ko'pincha, bir xil moddalar o'zaro ta'sirlashganda, turli xil mahsulotlar hosil bo'ladi. Katalizator jarayonni ma'lum bir mahsulotni shakllantirish uchun eng qulay yo'l bo'ylab yo'naltirishi mumkin. O'rtasidagi reaktsiyani ko'rib chiqing CO va H2 . Mis o'z ichiga olgan katalizator mavjud bo'lganda, metanol amalda yagona reaktsiya mahsulotidir:Dastlab, CO va H molekulalari 2 katalizator yuzasida adsorbsiyalangan. Keyin CO molekulalari katalizator bilan kimyoviy bog'lanish hosil qiladi (xemisorbtsiya sodir bo'ladi), ajralmagan holda qoladi. Vodorod molekulalari ham katalizator yuzasida kimyosorbsiyalanadi, lekin bir vaqtning o'zida dissotsiatsiyalanadi. Qayta tartibga solish natijasida o'tish kompleksi H-Cat.- CH2OH . Atom qo'shgandan keyin H kompleks bo'shatish uchun parchalanadi CH 3 OH va katalizator. Nikel katalizatori ishtirokida ham CO, ham H 2 sirtda dissotsiatsiyalangan holda kimyosorbsiyalanadi va Kat.-CH kompleksi hosil bo'ladi. 3 . Reaksiyaning yakuniy mahsuloti CH dir 4 va H 2 O:
Aksariyat katalitik reaktsiyalar ma'lum bosim va haroratlarda reaksiya aralashmasini gazsimon yoki suyuqlik holati, katalizator zarralari bilan to'ldirilgan reaktor orqali. Reaksiya sharoitlarini tavsiflash va mahsulotlarni xarakterlash uchun quyidagi tushunchalardan foydalaniladi. Kosmik tezlik - vaqt birligida katalizatorning birlik hajmidan o'tadigan gaz yoki suyuqlik hajmi. Katalitik faollik - vaqt birligida katalizator tomonidan mahsulotga aylanadigan reaktivlar miqdori. Konversiya - ma'lum bir reaktsiyada aylantirilgan moddaning nisbati. Selektivlik - ma'lum bir mahsulot miqdorining mahsulotlarning umumiy miqdoriga nisbati (odatda foizlarda ifodalanadi). Hosildorlik - berilgan mahsulot miqdorining boshlang'ich material miqdoriga nisbati (odatda foizlarda ifodalanadi). Hosildorlik - vaqt birligida hajm birligida hosil bo'lgan reaksiya mahsulotlari miqdori. KATALIZATLARNING TURLARI Katalizatorlar o'zlari ta'minlaydigan reaktsiyaning tabiati, kimyoviy tarkibi yoki fizik xususiyatlariga ko'ra tasniflanadi. Deyarli barcha kimyoviy elementlar va moddalar u yoki bu darajada - o'z-o'zidan yoki ko'pincha turli xil birikmalarda katalitik xususiyatlarga ega. Fizik xossalariga ko'ra katalizatorlar bir jinsli va geterogenga bo'linadi. Geterogen katalizatorlar reaktivlar bilan bir xil gaz yoki suyuq muhitda bir hil va tarqalgan qattiq moddalardir.

Ko'pgina geterogen katalizatorlar metallarni o'z ichiga oladi. Ba'zi metallar, ayniqsa ular bilan bog'liq

VIII elementlarning davriy tizimi guruhi, o'z-o'zidan katalitik faollikka ega; tipik misol - platina. Ammo ko'pchilik metallar katalitik xususiyatlarni namoyon qiladi, birikmalar tarkibida bo'ladi; misol - alyuminiy oksidi (alyuminiy oksidi Al 2 O 3). Ko'pgina geterogen katalizatorlarning g'ayrioddiy xususiyati ularning katta sirt maydonidir. Ularga ko'plab teshiklar kiradi, ularning umumiy maydoni ba'zan 500 m ga etadi. 2 1 g katalizator uchun. Ko'p hollarda sirt maydoni katta bo'lgan oksidlar kichik klasterlar shaklida metall katalizator zarralari yotqiziladigan substrat bo'lib xizmat qiladi. Bu gaz yoki suyuq fazadagi reagentlarning katalitik faol metall bilan samarali o'zaro ta'sirini ta'minlaydi. Geterogen katalizatorlarning maxsus sinfi zeolitlar - aluminosilikatlar guruhining kristalli minerallari (kremniy va alyuminiy birikmalari). Ko'pgina geterogen katalizatorlar katta sirt maydoniga ega bo'lsa-da, odatda ular umumiy sirt maydonining kichik qismini tashkil etadigan oz miqdordagi faol joylarga ega. Katalizator zaharlari deb ataladigan oz miqdordagi kimyoviy birikmalar mavjudligida katalizatorlar o'z faolligini yo'qotishi mumkin. Ushbu moddalar faol markazlarga bog'lanib, ularni blokirovka qiladi. Faol markazlarning tuzilishini aniqlash qizg'in izlanishlar mavzusidir.

Bir hil katalizatorlar turli xil kimyoviy tabiatga ega - kislotalar (H

2 SO 4 yoki H 3 RO 4 ), asoslar (NaOH ), organik aminlar, metallar, ko'pincha o'tish ( Fe yoki Rh ), tuzlar, organometalik birikmalar yoki karbonillar shaklida. Katalizatorlar tarkibiga biokimyoviy reaktsiyalarni tartibga soluvchi fermentlar - oqsil molekulalari ham kiradi. Ayrim fermentlarning faol joyida metall atomi ( Zn, Cu, Fe yoki Mo). Metall o'z ichiga olgan fermentlar kichik molekulalar ishtirokidagi reaktsiyalarni katalizlaydi ( O 2 , CO 2 yoki N 2 ). Fermentlar juda yuqori faollik va selektivlikka ega, lekin ular faqat ma'lum sharoitlarda ishlaydi, masalan, tirik organizmlarda reaktsiyalar sodir bo'lganda. Sanoat ko'pincha so'zda foydalanadi. immobilizatsiyalangan fermentlar. KATALIZATLAR QANDAY ISHLATILADI Energiya. Har qanday kimyoviy reaksiya faqat reaktivlar energiya to'sig'ini yengib o'tgan taqdirdagina davom etishi mumkin va buning uchun ular ma'lum energiya olishlari kerak. Yuqorida aytib o'tganimizdek, katalitik reaktsiya X ® Y ketma-ket bosqichlardan iborat. Har biriga yugurish uchun energiya kerak.E faollashtirish energiyasi deb ataladi. Reaksiya koordinatasi bo'yicha energiyaning o'zgarishi rasmda ko'rsatilgan. bitta.

Avval katalitik bo'lmagan "termal" yo'lni ko'rib chiqing. Reaktsiya sodir bo'lishi uchun, potentsial energiya molekulalar

X energiya to'sig'idan oshib ketishi kerakE T . Katalitik reaksiya uch bosqichdan iborat. Birinchisi, X-Cat kompleksining shakllanishi. (xemisorbtsiya), uning aktivlanish energiyasiE e'lonlar . Ikkinchi bosqich - X-Cat-ni qayta tashkil etish.® Y -Mushuk. faollashtirish energiyasi bilanE mushuk , va nihoyat, uchinchisi - aktivizatsiya energiyasi bilan desorbsiyaE des; E e'lonlar, E kat va E ancha kichikroq E T . Reaksiya tezligi eksponensial ravishda aktivlanish energiyasiga bog'liq bo'lganligi sababli, ma'lum bir haroratda katalitik reaktsiya termal reaktsiyaga qaraganda ancha tez boradi.

Katalizatorni alpinistlarni (reaktsiya qiluvchi molekulalarni) tog 'tizmasi bo'ylab boshqaradigan o'qituvchi-gidga o'xshatish mumkin. U dovondan bir guruhni boshqaradi va keyin keyingisiga qaytadi. Dovon orqali o'tadigan yo'l yuqoridan (reaktsiyaning termal kanali) o'tadiganidan ancha pastroq bo'lib, guruh o'tkazgichsiz (katalizator) o'tishni tezroq amalga oshiradi. Hattoki, guruh o'z kuchi bilan tog' tizmasini umuman yengib o'ta olmagan bo'lishi ham mumkin.

Kataliz nazariyalari. Katalitik reaksiyalar mexanizmini tushuntirish uchun uch guruh nazariyalar taklif qilingan: geometrik, elektron va kimyoviy. Geometrik nazariyalarda asosiy e'tibor katalizatorning faol markazlari atomlarining geometrik konfiguratsiyasi bilan reaksiyaga kirishuvchi molekulalarning katalizator bilan bog'lanish uchun mas'ul bo'lgan qismining atomlari o'rtasidagi muvofiqlikka qaratiladi. Elektron nazariyalar kimyosorbtsiya zaryad o'tkazish bilan bog'liq elektron o'zaro ta'sirga bog'liq degan fikrga asoslanadi, ya'ni. bu nazariyalar katalitik faollikni katalizatorning elektron xossalari bilan bog'laydi. Kimyoviy nazariya katalizatorni reaksiyaga kirishuvchi moddalar bilan kimyoviy bog‘lar hosil qiluvchi, natijada beqaror o‘tish kompleksini hosil qiluvchi xarakterli xossalarga ega kimyoviy birikma sifatida qaraydi. Mahsulotlar chiqishi bilan kompleks parchalangandan so'ng, katalizator asl holatiga qaytadi. Oxirgi nazariya hozir eng adekvat deb hisoblanadi.

Molekulyar darajada katalitik gaz fazasi reaksiyasini quyidagicha ifodalash mumkin. Reaksiyaga kirishuvchi molekulalardan biri katalizatorning faol joyiga bog'lanadi, ikkinchisi esa to'g'ridan-to'g'ri gaz fazasida bo'lgan holda u bilan o'zaro ta'sir qiladi. Muqobil mexanizm ham mumkin: reaksiyaga kirishuvchi molekulalar katalizatorning qo'shni faol joylarida adsorbsiyalanadi va keyin bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Ko'rinib turibdiki, katalitik reaktsiyalarning aksariyati shunday davom etadi.

Boshqa bir tushuncha katalizator yuzasida atomlarning fazoviy joylashuvi va uning katalitik faolligi o'rtasida bog'liqlik mavjudligini ko'rsatadi. Ba'zi katalitik jarayonlarning tezligi, shu jumladan ko'plab gidrogenlash reaktsiyalari bog'liq emas nisbiy pozitsiya sirtdagi katalitik faol atomlar; boshqalarning tezligi, aksincha, sirt atomlarining fazoviy konfiguratsiyasining o'zgarishi bilan sezilarli darajada o'zgaradi. Neopentanning izopentanga izomerlanishi va ikkinchisining katalizator yuzasida bir vaqtda izobutan va metanga yorilishi bunga misoldir.

Pt-Al 2 O 3. KATALIZNING SANOATDA QO'LLANISHI Biz hozir boshdan kechirayotgan sanoatning jadal rivojlanishini yangi kimyoviy texnologiyalarni ishlab chiqmasdan turib amalga oshirish mumkin emas edi. Ko'p jihatdan bu taraqqiyot katalizatorlarning keng qo'llanilishi bilan belgilanadi, ular yordamida past navli xom ashyo yuqori qiymatli mahsulotlarga aylanadi. Majoziy ma'noda katalizator zamonaviy alkimyogarning faylasuf toshidir, faqat u qo'rg'oshinni oltinga aylantirmaydi, balki xom ashyoni dori vositalari, plastmassalar, kimyoviy reagentlar, yoqilg'i, o'g'itlar va boshqa foydali mahsulotlarga aylantiradi.

Ehtimol, inson foydalanishni o'rgangan birinchi katalitik jarayon fermentatsiyadir. Spirtli ichimliklar tayyorlash uchun retseptlar shumerlarga miloddan avvalgi 3500-yillarda ma'lum bo'lgan.

Sm. VINO; PIVO.

Katalizning amaliy qo'llanilishidagi muhim bosqich o'simlik moyini katalitik gidrogenlash orqali margarin ishlab chiqarish edi. Sanoat miqyosidagi bu reaksiya birinchi marta 1900-yillarda amalga oshirilgan. 1920-yillardan boshlab esa yangi moddalarni olishning katalitik usullari. organik materiallar ayniqsa plastmassalar. Asosiy nuqta olefinlar, nitrillar, efirlar, kislotalar va boshqalarni katalitik ishlab chiqarish edi. - plastmassalarning kimyoviy "konstruktsiyasi" uchun "g'ishtlar".

Katalitik jarayonlarni sanoatda qo'llashning uchinchi to'lqini 1930-yillarda sodir bo'ladi va neftni qayta ishlash bilan bog'liq. Ko'p o'tmay, bu ishlab chiqarish hajmi bo'yicha barcha boshqalarni ortda qoldirdi. Neftni qayta ishlash bir qancha katalitik jarayonlardan iborat: kreking, reforming, gidrosulfonlanish, gidrokreking, izomerlanish, polimerlanish va alkillanish.

Va nihoyat, katalizdan foydalanishda to'rtinchi to'lqin atrof-muhitni muhofaza qilish bilan bog'liq. Bu sohadagi eng mashhur yutuq avtomobil chiqindi gazlari uchun katalitik konvertorni yaratishdir. 1975 yildan beri avtomobillarga o'rnatilgan katalitik konvertorlar havo sifatini yaxshilashda katta rol o'ynadi va shu yo'l bilan ko'plab odamlarning hayotini saqlab qoldi.

O‘nga yaqin Nobel mukofoti kataliz va unga aloqador sohalardagi ishlar uchun berilgan.

Katalitik jarayonlarning amaliy ahamiyati shundan dalolat beradiki, sanoatda olingan azotli birikmalar tarkibiga kiruvchi azotning ulushi oziq-ovqat mahsulotlari tarkibiga kiruvchi barcha azotning qariyb yarmini tashkil qiladi. Tabiiy ravishda hosil bo'ladigan azotli birikmalar miqdori cheklangan, shuning uchun oziq-ovqat oqsilining ishlab chiqarilishi o'g'itlar bilan tuproqqa qo'llaniladigan azot miqdoriga bog'liq. Deyarli faqat Xaber-Bosch katalitik jarayoni tomonidan ishlab chiqariladigan sintetik ammiaksiz insoniyatning yarmini boqish ham mumkin emas edi.

Katalizatorlarning ko'lami doimiy ravishda kengayib bormoqda. Bundan tashqari, kataliz avval ishlab chiqilgan texnologiyalar samaradorligini sezilarli darajada oshirishi ham muhimdir. Bunga misol qilib, zeolitlarni qo'llash orqali katalitik krekingni yaxshilash mumkin.

Gidrogenatsiya. Katta raqam katalitik reaktsiyalar vodorod atomi va boshqa ba'zi molekulalarning faollashishi bilan bog'liq bo'lib, ularning paydo bo'lishiga olib keladi. kimyoviy o'zaro ta'sir. Bu jarayon gidrogenatsiya deb ataladi va neftni qayta ishlash va ko'mirdan suyuq yoqilg'i olishning ko'p bosqichlari (Bergeus jarayoni) asosida yotadi.

Ko'mirdan aviatsiya benzini va motor yoqilg'isi ishlab chiqarish Germaniyada Ikkinchi Jahon urushi paytida rivojlangan, chunki bu mamlakatda neft konlari yo'q. Bergius jarayoni uglerodga vodorodning bevosita qo'shilishidir. Ko'mir vodorod ishtirokida bosim ostida isitiladi va suyuq mahsulot olinadi, keyinchalik u aviatsiya benzini va motor yoqilg'isiga aylanadi. Temir oksidi katalizator sifatida, shuningdek qalay va molibden asosidagi katalizatorlar sifatida ishlatiladi. Urush paytida Germaniyaning 12 ta zavodida Bergius texnologiyasidan foydalangan holda kuniga taxminan 1400 tonna suyuq yoqilg'i olingan.

Yana bir jarayon, Fischer - Tropsch, ikki bosqichdan iborat. Birinchidan, ko'mir gazlangan, ya'ni. suv bug'i va kislorod bilan reaktsiyasini amalga oshiring va vodorod va uglerod oksidi aralashmasini oling. Bu aralash temir yoki kobalt o'z ichiga olgan katalizatorlar yordamida suyuq yoqilg'iga aylanadi. Urush tugashi bilan Germaniyada ko'mirdan sintetik yoqilg'i ishlab chiqarish to'xtatildi.

1973-1974 yillarda neft embargosidan keyin neft narxining ko'tarilishi natijasida ko'mirdan benzin ishlab chiqarishning iqtisodiy jihatdan foydali usulini ishlab chiqish bo'yicha kuchli harakatlar amalga oshirildi. Shunday qilib, ko'mirni to'g'ridan-to'g'ri suyultirish ikki bosqichli jarayon yordamida samaraliroq amalga oshirilishi mumkin, bunda birinchi navbatda ko'mir alumina-kobalt-molibden katalizatori bilan nisbatan past, keyin esa undan yuqori darajada aloqa qiladi. yuqori harorat. Bunday sintetik benzinning narxi neftdan olinganidan yuqori.

Ammiak. Kimyoviy nuqtai nazardan eng oddiy gidrogenlash jarayonlaridan biri vodorod va azotdan ammiakni sintez qilishdir. Azot juda inert moddadir. O'chirish uchun N-N uning molekulasi 200 kkal energiya talab qiladi/ mol. Biroq, azot atom holatida temir katalizatorining yuzasiga bog'lanadi va bu faqat 20 kkalni talab qiladi./ mol. Vodorod temir bilan yanada oson bog'lanadi. Ammiakning sintezi quyidagicha davom etadi:
Ushbu misol katalizatorning to'g'ridan-to'g'ri va teskari reaktsiyalarni teng ravishda tezlashtirish qobiliyatini ko'rsatadi, ya'ni. katalizatorning kimyoviy reaksiyaning muvozanat holatini o'zgartirmasligi.O'simlik yog'ini gidrogenlash. Amaliyotdagi eng muhim gidrogenlash reaksiyalaridan biri o'simlik moylarini margarin, osh yog'i va boshqa oziq-ovqat mahsulotlariga to'liq gidrogenlashtirilmasligi hisoblanadi. Oʻsimlik moylari soya, paxta chigiti va boshqa ekinlardan olinadi. Ularga efirlar, ya'ni yog' kislotalarining triglitseridlari turli darajadagi to'yinmaganliklari kiradi. Oleyk kislota CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH bitta C=C qo'sh aloqaga ega, linoleik kislota ikkita va linolenik kislota uchta. Ushbu bog'lanishni buzish uchun vodorod qo'shilishi yog'larning oksidlanishini oldini oladi (achchiqlanish). Bu ularning erish nuqtasini oshiradi. Olingan mahsulotlarning ko'pchiligining qattiqligi gidrogenlanish darajasiga bog'liq. Gidrogenatsiya yuqori darajada tozalangan vodorod atmosferasida substratga yoki Raney nikel katalizatoriga yotqizilgan nozik nikel kukuni ishtirokida amalga oshiriladi.Dehidrogenatsiya. Dehidrogenlash ham sanoat uchun muhim katalitik reaktsiya hisoblanadi, garchi uni qo'llash ko'lami nisbatan kichikroq bo'lsa ham. Uning yordami bilan, masalan, muhim monomer bo'lgan stirol olinadi. Buning uchun temir oksidi bo'lgan katalizator ishtirokida etilbenzolni dehidrogenlash; kaliy va ba'zi struktur stabilizator ham reaksiyaga hissa qo'shadi. Sanoat miqyosida propan, butan va boshqa alkanlar suvsizlanadi. Butanni alumina-xrom katalizatori ishtirokida gidrogenlash buten va butadien hosil qiladi.kislotali kataliz. Katalizatorlarning katta sinfining katalitik faolligi ularning kislotali xususiyatlariga bog'liq. I. Bronsted va T. Lourining fikriga ko'ra, kislota proton berishga qodir bo'lgan birikmadir. Kuchli kislotalar o'zlarining protonlarini asoslarga osongina beradilar. Kislota tushunchasi G.Lyuisning ishlarida yanada rivojlantirilib, kislotani donor moddadan elektron juftni qabul qilishga qodir bo'lgan modda sifatida, bu elektron juftining sotsializatsiyasi tufayli kovalent bog'lanish hosil bo'lishi bilan tavsiflangan. Bu g’oyalar karbeniy ionlarini hosil qiluvchi reaksiyalar haqidagi g’oyalar bilan birgalikda turli katalitik reaksiyalar, ayniqsa uglevodorodlar ishtirokidagi reaksiyalar mexanizmini tushunishga yordam berdi.

Kislota kuchini proton qo'shganda rangini o'zgartiradigan asoslar to'plami yordamida aniqlash mumkin. Ma'lum bo'lishicha, ba'zi sanoat muhim katalizatorlar o'zini juda kuchli kislotalar kabi tutadi. Bularga Friedel-Crafts kabi katalizator kiradi

HCl-AlCl 2 O 3 (yoki HAlCl 4 ) va aluminosilikatlar. Kislota kuchi juda muhim xususiyatdir, chunki u protonatsiya tezligini aniqlaydi, bu kislota katalizi jarayonining asosiy bosqichidir.

Yog 'krekingida ishlatiladigan aluminosilikatlar kabi katalizatorlarning faolligi ularning yuzasida Bronsted va Lyuis kislotalarining mavjudligi bilan aniqlanadi. Ularning tuzilishi kremniyning (kremniy dioksidi) tuzilishiga o'xshaydi, unda ba'zi atomlar mavjud.

Si 4+ atomlar bilan almashtiriladi Al3+. Bu holda paydo bo'ladigan ortiqcha manfiy zaryad tegishli kationlar tomonidan zararsizlantirilishi mumkin. Agar kationlar proton bo'lsa, aluminosilikat o'zini Bronsted kislotasi kabi tutadi:
Kislota katalizatorlarining faolligi oraliq mahsulot sifatida karbeniy ionini hosil qilish bilan uglevodorodlar bilan reaksiyaga kirishish qobiliyati bilan belgilanadi. Alkilkarbeniy ionlari uchta alkil guruhiga bog'langan musbat zaryadlangan uglerod atomini o'z ichiga oladi va/ yoki vodorod atomlari. Ular organik birikmalar ishtirokidagi ko'plab reaksiyalarda hosil bo'lgan oraliq moddalar sifatida muhim rol o'ynaydi. Kislota katalizatorlarining ta'sir mexanizmini izomerlanish reaksiyasi misolida ko'rsatish mumkinn -butandan izobutan borligida HCl - AlCl 3 yoki Pt - Cl - Al 2 O 3 . Birinchidan, oz miqdorda olefin C 4 H 8 hosil qilish uchun kislota katalizatoriga musbat zaryadlangan vodorod ionini biriktiradi m uchinchi darajali karbeniy ioni. Keyin manfiy zaryadlangan gidrid ioni H - dan ajratilgan n -butan izobutan va ikkilamchi butilkarb hosil qiladi e d-ioni yo'q. Oxirgi qayta tashkil etish natijasida yuzaga keladi uchinchi darajali uglevod ioni. Bu zanjir keyingi molekuladan gidrid ionini yo'q qilish bilan davom etishi mumkinn- butan va boshqalar:
muhim o uchinchi darajali karbeniy ionlari birlamchi yoki ikkilamchi ionlarga qaraganda barqarorroq. Natijada, ular asosan katalizator yuzasida mavjud va shuning uchun butan izomerizatsiyasining asosiy mahsuloti izobutan hisoblanadi.

Kislota katalizatorlari neftni qayta ishlashda keng qo'llaniladi - uglevodorodlarni kreking, alkillash, polimerlash va izomerlash.

(Shuningdek qarang KIMYO VA NEFTNI AYTASH USULLARI). Ushbu jarayonlarda katalizator rolini o'ynaydigan karbeniy ionlarining ta'sir qilish mexanizmi o'rnatildi. Shu bilan birga, ular bir qancha reaksiyalarda, jumladan, katta molekulalarning boʻlinishi orqali kichik molekulalarning hosil boʻlishi, molekulalarning birikmasi (olefin bilan olefin yoki olefin bilan izoparafin), izomerlanish yoʻli bilan strukturaviy oʻzgarishlar, parafinlar va aromatik uglevodorodlarning hosil boʻlishida ishtirok etadi. vodorodni uzatish orqali.

Kislota katalizining so'nggi sanoat qo'llanmalaridan biri izobutilen yoki izoamilenga spirt qo'shish orqali qo'rg'oshinli yoqilg'i ishlab chiqarishdir. Benzinga kislorodli birikmalar qo'shilishi chiqindi gazlardagi uglerod oksidi kontsentratsiyasini pasaytiradi. metil-

tert -aralashuvchi oktan soni 109 bo'lgan butil efir (MTBE) shuningdek, avtomobil dvigatelining ishlashi uchun zarur bo'lgan yuqori oktanli yoqilg'ini olishga imkon beradi. yuqori daraja tetraetil qo'rg'oshinni benzinga kiritishga murojaat qilmasdan siqishni. 102 va 111 oktanli yoqilg'ilarni ishlab chiqarish ham yo'lga qo'yilgan.Asosiy kataliz. Katalizatorlarning faolligi ularning asosiy xossalari bilan belgilanadi. Bunday katalizatorlarning qadimgi va taniqli namunasi sovun ishlab chiqarishda yog'larni gidrolizlash yoki sovunlash uchun ishlatiladigan natriy gidroksidi va yaqinda poliuretan plastmassalari va ko'piklarni ishlab chiqarishda ishlatiladigan katalizatorlardir. Uretan spirtning izosiyanat bilan o'zaro ta'sirida hosil bo'ladi va bu reaktsiya asosli moddalar ishtirokida tezlashadi.aminlar. Reaktsiya jarayonida asos izosiyanat molekulasidagi uglerod atomiga biriktiriladi, buning natijasida azot atomida manfiy zaryad paydo bo'ladi va uning spirtga nisbatan faolligi ortadi. Ayniqsa samarali katalizator trietilendiamindir. Poliuretan plastmassalar diizosiyanatlarni poliollar (polialkogollar) bilan reaksiyaga kiritish orqali olinadi. Izosiyanat suv bilan reaksiyaga kirishganda, avval hosil bo'lgan uretan ajralib chiqadi. CO2 . Polialkogollar va suv aralashmasi diizosiyanatlar bilan o'zaro ta'sirlashganda, hosil bo'lgan poliuretan ko'pik gazsimon ko'pik bilan ko'piklanadi. CO2. Ikki tomonlama katalizatorlar. Bu katalizatorlar ikki turdagi reaksiyalarni tezlashtiradi va har birida faqat bitta turdagi katalizator bo'lgan ikkita reaktor orqali reaktivlarni ketma-ket o'tkazishdan ko'ra yaxshiroq natijalar beradi. Buning sababi shundaki, ikki ta'sirli katalizatorning faol joylari bir-biriga juda yaqin bo'lib, ulardan birida hosil bo'lgan oraliq mahsulot darhol ikkinchisida yakuniy mahsulotga aylanadi.

Vodorodni faollashtiruvchi katalizatorni uglevodorod izomerizatsiyasini kuchaytiruvchi katalizator bilan birlashtirish yaxshi natija beradi. Vodorodning faollashishi ba'zi metallar tomonidan, uglevodorodlarning izomerlanishi esa kislotalar tomonidan amalga oshiriladi. Naftani benzinga aylantirish uchun neftni qayta ishlashda qo'llaniladigan samarali ikki tomonlama ta'sir qiluvchi katalizator bu kislota aluminiy oksidida to'plangan nozik disperslangan platinadir. Metilsiklopentan (MCP) kabi nafta komponentlarini benzolga aylantirish benzinning oktan sonini oshiradi. Birinchidan, MCP katalizatorning platina qismida bir xil uglerodli magistralga ega bo'lgan olefinga dehidrogenlanadi; keyin olefin katalizatorning kislotali qismiga o'tadi va u erda siklogeksenga izomerlanadi. Ikkinchisi platina qismiga o'tadi va benzol va vodorodga dehidrogenlanadi.

Ikki tomonlama katalizatorlar neft islohotini sezilarli darajada tezlashtiradi. Ular oddiy parafinlarni izoparafinlarga izomerlash uchun ishlatiladi. Ikkinchisi, benzin fraktsiyalari bilan bir xil haroratlarda qaynatiladi, chunki ular to'g'ridan-to'g'ri uglevodorodlarga nisbatan yuqori oktan soniga ega. Bundan tashqari, transformatsiya

n -butandan izobutanga dehidrogenlanish bilan birga MTBE ishlab chiqarishga hissa qo'shadi.Stereospesifik polimerizatsiya. Tarixdagi muhim bosqich kataliz yuzaga keldi katalitik polimerlanishning kashfiyotia-olefinlar hosil bo'lishi stereoregular x polimer ov. Katalizatorlarga stereospesifik polimerizatsiya K. Zigler tomonidan olingan polimerlarning noodatiy xususiyatlarini tushuntirishga harakat qilganda kashf etilgan. Boshqa kimyogar J.Natta Ziegler polimerlarining o‘ziga xosligi ularning stereoregularligi bilan belgilanadi, degan fikrni ilgari surdi. Rentgen nurlari diffraktsiyasi tajribalari shuni ko'rsatdiki, Ziegler katalizatorlari ishtirokida propilendan tayyorlangan polimerlar yuqori kristalli va haqiqatan ham stereoregular tuzilishga ega. Bunday tartibli tuzilmalarni tavsiflash uchun Natta atamalarni kiritdi " izotaktik va "sindiotaktik". Buyurtma bo'lmagan hollarda "ataktik" atamasi qo'llaniladi:Guruhlarning o'tish metallarini o'z ichiga olgan qattiq katalizatorlar yuzasida stereospesifik reaktsiya sodir bo'ladi IVA - VIII (masalan, Ti, V, Cr, Zr ), to'liq oksidlanmagan holatda bo'lgan va uglerod yoki vodorodni o'z ichiga olgan har qanday birikmalar, bu guruhlardan metall bilan bog'langan. I-III . Bunday katalizatorning klassik misoli - o'zaro ta'sir paytida hosil bo'lgan cho'kma Geptanda TiCl 4 va Al(C 2 H 5 ) 3, bu yerda titan qaytariladi. uch valentli holatga. Bufavqulodda faoltizim normal harorat va bosimda propilenning polimerizatsiyasini katalizlaydi.katalitik oksidlanish. Oksidlanish jarayonlarining kimyosini boshqarish uchun katalizatorlardan foydalanish katta ilmiy va amaliy qiymat. Ba'zi hollarda, masalan, avtomobil chiqindi gazlarida CO va uglevodorod ifloslantiruvchi moddalarni zararsizlantirishda oksidlanish to'liq bo'lishi kerak.Ko'pincha, oksidlanishning to'liq bo'lmaganligi ma'qul, masalan, sanoatda uglevodorodlarni -CHO, -COOH, -C-CO, - kabi funktsional guruhlarga ega bo'lgan qimmatli oraliq mahsulotlarga aylantirish uchun keng qo'llaniladigan ko'plab jarayonlarda. CN. Bunda ham bir jinsli, ham geterogen katalizatorlardan foydalaniladi. Bir jinsli katalizatorga misol sifatida oksidlanish uchun ishlatiladigan o'tish metall majmuasini keltirish mumkinjuft -ksiloldan tereftalik kislotaga, uning efirlari poliester tolalarini ishlab chiqarish uchun asos bo'lib xizmat qiladi.Geterogen oksidlanish katalizatorlari. Bu katalizatorlar odatda murakkab qattiq oksidlardir. katalitik oksidlanish ikki bosqichda amalga oshiriladi. Birinchidan, oksidli kislorod oksid yuzasida adsorbsiyalangan uglevodorod molekulasi tomonidan ushlanadi. Uglevodorod oksidlanadi, oksid esa qaytariladi. Qaytarilgan oksid kislorod bilan reaksiyaga kirishadi va dastlabki holatiga qaytadi. Vanadiy katalizatori yordamida naftalin yoki butanni qisman oksidlash orqali ftalik angidrid olinadi.Metan dehidrodimerizatsiyasi orqali etilen ishlab chiqarish. Etilenning degidrodimerizatsiya yoʻli bilan sintezi tabiiy gazni osonroq koʻchiradigan uglevodorodlarga aylantirish imkonini beradi. reaktsiya 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O 850 ° da amalga oshiriladi Turli katalizatorlar yordamida; eng yaxshi natijalar katalizator yordamida olinadi Li - MgO . Taxminlarga ko'ra, reaktsiya vodorod atomini metan molekulasidan ajratish orqali metil radikalining hosil bo'lishi orqali boradi. Boʻlinish toʻliq kamaytirilgan kislorod bilan amalga oshiriladi, masalan, O 2 2- . Gaz fazasidagi metil radikallari qayta birlashadi va etan molekulasini hosil qiladi va keyingi dehidrogenatsiya jarayonida etilenga aylanadi. To'liq bo'lmagan oksidlanishning yana bir misoli kumush yoki temir-molibden katalizatori ishtirokida metanolning formaldegidga aylanishidir.Zeolitlar. Zeolitlar heterojen katalizatorlarning maxsus sinfini tashkil qiladi. Bu tartiblangan chuqurchalar tuzilishiga ega bo'lgan aluminosilikatlar bo'lib, ularning hujayra hajmi ko'plab organik molekulalarning o'lchamlari bilan taqqoslanadi. Ular molekulyar elaklar deb ham ataladi. Seolitlar katta qiziqish uyg'otadi, ularning g'ovaklari 8-12 kislorod ionlaridan tashkil topgan halqalardan hosil bo'ladi (2-rasm). Ba'zan metanolni benzin fraktsiyasi uglevodorodlariga yuqori o'ziga xos konversiyalash uchun ishlatiladigan ZSM-5 zeolitidagi kabi (3-rasm) teshiklar bir-birining ustiga chiqadi. Benzin tarkibida sezilarli miqdorda aromatik uglevodorodlar mavjud va shuning uchun yuqori oktan soniga ega. Masalan, Yangi Zelandiyada iste'mol qilinadigan benzinning uchdan bir qismi ushbu texnologiya yordamida olinadi. Metanol import qilingan metandan olinadi. Y-zeolitlar guruhini tashkil etuvchi katalizatorlar, birinchi navbatda, ularning g'ayrioddiy kislotali xususiyatlari tufayli katalitik kreking samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Aluminosilikatlarni zeolitlar bilan almashtirish benzin unumini 20% dan ortiq oshirish imkonini beradi.

Bundan tashqari, zeolitlar reaksiyaga kirishuvchi molekulalarning kattaligiga nisbatan selektivdir. Ularning selektivligi faqat ma'lum o'lcham va shakldagi molekulalar o'tishi mumkin bo'lgan teshiklarning kattaligi bilan bog'liq. Bu boshlang'ich materiallarga ham, reaktsiya mahsulotlariga ham tegishli. Masalan, sterik cheklovlar tufayli

juft -ksilol ko'proq hajmdan ko'ra osonroq hosil bo'ladiorto- Va meta -izomerlar. Ikkinchisi zeolitning teshiklarida "qulflangan" (4-rasm).

Tseolitlardan foydalanish ba'zi sanoat texnologiyalarida haqiqiy inqilobni amalga oshirdi - gazoyli va mashina moyini dewakslash, aromatik birikmalarni alkillash yo'li bilan plastmassa ishlab chiqarish uchun kimyoviy oraliq mahsulotlarni olish, ksilen izomerizatsiyasi, toluolning nomutanosibligi va neftni katalitik kreking. Bu erda zeolit ​​ayniqsa samarali

ZSM-5. Katalizatorlar va atrof-muhitni muhofaza qilish. Atmosferaning ifloslanishini kamaytirish uchun katalizatorlardan foydalanish oxirida boshlandi 19 40 lar. 1952 yilda A.Xeygen-Smit chiqindi gazlar tarkibiga kiruvchi uglevodorodlar va azot oksidlari yorugʻlik taʼsirida oksidlovchi moddalarni (xususan, ozon) hosil qilishini aniqladi, bu esa koʻzni tirnash xususiyati va boshqa kiruvchi taʼsirlarni keltirib chiqaradi. Taxminan bir vaqtning o'zida Y.Gudri chiqindi gazlarni oksidlanish orqali katalitik tozalash usulini ishlab chiqdi. CO gacha va uglevodorodlar CO 2 va H 2 A. 1970-yilda toza havo deklaratsiyasi (1977-yilda qayta koʻrib chiqilgan, 1990-yilda kengaytirilgan) ishlab chiqilgan boʻlib, unda 1975-yildagi barcha yangi avtomobillar katalitik konvertorlar bilan jihozlangan boʻlishi kerak edi. Egzoz gazlarining tarkibi uchun normalar o'rnatildi. Qo'rg'oshin birikmalari benzin zaharli katalizatorlarga qo'shilganligi sababli, bosqichma-bosqich to'xtatish dasturi qabul qilindi. Azot oksidi miqdorini kamaytirish zarurligiga ham e'tibor qaratildi.

Katalizatorlar maxsus avtomobil konvertorlari uchun yaratilgan bo'lib, ularda faol komponentlar ko'plab chuqurchalar tuzilishiga ega bo'lgan keramik substratga joylashtiriladi, ularning hujayralari orqali chiqindi gazlar o'tadi. Substrat, masalan, metall oksidi nozik bir qatlam bilan qoplangan

Al2O3 katalizator qo'llaniladigan - platina, palladiy yoki rodyum. Issiqlik elektr stansiyalarida tabiiy yoqilg‘ining yonishi natijasida hosil bo‘ladigan azot oksidi miqdorini tutun gazlariga oz miqdorda ammiak qo‘shib, ularni titan-vanadiy katalizatoridan o‘tkazish orqali kamaytirish mumkin.Fermentlar. Fermentlar tirik hujayradagi biokimyoviy jarayonlarni tartibga soluvchi tabiiy katalizatorlardir. Ular energiya almashinuvi, ozuqa moddalarining parchalanishi, biosintez reaktsiyalarida ishtirok etadilar. Ko'pgina murakkab organik reaktsiyalar ularsiz davom eta olmaydi. Fermentlar oddiy harorat va bosimda ishlaydi, juda yuqori selektivlikka ega va reaksiyalar tezligini sakkiz darajaga oshirishga qodir. Ushbu afzalliklarga qaramay, faqat taxminan. Ma'lum bo'lgan 15 000 fermentdan 20 tasi keng miqyosda qo'llaniladi.

Inson ming yillar davomida fermentlardan non pishirish, alkogolli ichimliklar, pishloq va sirka ishlab chiqarish uchun foydalangan. Endi fermentlar sanoatda ham qo'llaniladi: shakarni qayta ishlashda, sintetik antibiotiklar, aminokislotalar va oqsillarni ishlab chiqarishda. Kir yuvish vositalariga gidroliz jarayonlarini tezlashtiradigan proteolitik fermentlar qo'shiladi.

Bakteriyalar yordamida

Clostridium acetobutylicum X.Veyzman kraxmalning aseton va butil spirtiga fermentativ aylanishini amalga oshirdi. Aseton olishning bu usuli Birinchi jahon urushi davrida Angliyada keng qo'llanilgan va Ikkinchi jahon urushi paytida SSSRda butadien kauchuklari uning yordami bilan ishlab chiqarilgan.

Penitsillin, shuningdek, streptomitsin va vitamin sintezi uchun mikroorganizmlar tomonidan ishlab chiqarilgan fermentlardan foydalanish juda katta rol o'ynadi.

B12. Enzimatik ravishda ishlab chiqarilgan etil spirti avtomobil yoqilg'isi sifatida keng qo'llaniladi. Braziliyada taxminan 10 million avtomobilning uchdan bir qismidan ko'prog'i shakar qamishidan olingan 96% etil spirtida, qolgan qismi esa benzin va etil spirti aralashmasida (20%) ishlaydi. Benzin va spirt aralashmasi bo'lgan yoqilg'i ishlab chiqarish texnologiyasi AQShda yaxshi rivojlangan. 1987 yilda, taxminan. 4 milliard litr alkogol, shundan taxminan 3,2 milliard litr yoqilg'i sifatida ishlatilgan. Har xil ilovalar, shuningdek, so'zda topilgan. immobilizatsiyalangan fermentlar. Bu fermentlar silikagel kabi qattiq tashuvchi bilan bog'langan bo'lib, ular orqali reagentlar o'tkaziladi. Ushbu usulning afzalligi shundaki, u substratlarning ferment bilan samarali aloqasini, mahsulotlarni ajratishni va fermentning saqlanishini ta'minlaydi. Immobilizatsiyalangan fermentlarni sanoatda qo'llashga misollardan biri izomerlanishdir D - glyukozadan fruktozagacha. TEXNOLOGIK ASPEKTLAR Zamonaviy texnologiyalar katalizatorlarsiz tasavvur qilib bo'lmaydi. Katalitik reaktsiyalar 650 gacha bo'lgan haroratlarda davom etishi mumkin° C va 100 atm yoki undan ortiq bosim. Bu gazsimon va qattiq moddalar o'rtasidagi aloqa va katalizator zarralarini yangi usulda o'tkazish bilan bog'liq muammolarni hal qilishni talab qiladi. Jarayon samarali bo'lishi uchun uni modellashtirishda kinetik, termodinamik va gidrodinamik jihatlarni hisobga olish kerak. Bu yerda kompyuter modellashtirish, texnologik jarayonlarni boshqarishning yangi asboblari va usullaridan keng foydalaniladi.

1960-yillarda ammiak ishlab chiqarishda sezilarli yutuqlarga erishildi. Faolroq katalizatordan foydalanish suv bug'ining parchalanishi paytida vodorod ishlab chiqarish haroratini pasaytirishga imkon berdi, buning natijasida bosimni pasaytirish va natijada ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirish mumkin edi, masalan, arzonroq foydalanish orqali. markazdan qochma kompressorlar. Natijada ammiakning tannarxi ikki baravarga arzonlashdi, uni ishlab chiqarishda katta o'sish kuzatildi va shu munosabat bilan oziq-ovqat mahsulotlari ishlab chiqarish ko'paydi, chunki ammiak qimmatli o'g'itdir.

Usullari. Kataliz sohasidagi tadqiqotlar ham an'anaviy, ham maxsus usullar yordamida amalga oshiriladi. Radioaktiv teglar, rentgen, infraqizil va Raman (Raman) spektroskopiyasi, elektron mikroskopiya usullari qo'llaniladi; kinetik o'lchovlar o'tkaziladi, katalizatorlarni olish usullarining ularning faolligiga ta'siri o'rganiladi. Turli bosimlarda azotning fizik adsorbsiyasini o'lchashga asoslangan Brunauer-Emmett-Teller usuli (BET usuli) bo'yicha katalizatorning sirt maydonini aniqlash katta ahamiyatga ega. Buning uchun katalizator yuzasida bir qavat hosil bo'lishi uchun zarur bo'lgan azot miqdorini aniqlang va molekula diametrini bilib oling. N 2 , umumiy maydonni hisoblang. Umumiy sirt maydonini aniqlashdan tashqari, turli molekulalarning kimyosorbsiyasi amalga oshiriladi, bu esa faol markazlar sonini taxmin qilish va ularning xususiyatlari haqida ma'lumot olish imkonini beradi.

Tadqiqotchilar o'z ixtiyorida katalizatorlarning sirt tuzilishini atom darajasida o'rganishning turli usullari mavjud. Noyob ma'lumotlar sizga usulni olish imkonini beradi

EXAFS . Spektroskopik usullardan UV, rentgen va Auger fotoelektron spektroskopiyasi tobora ko'proq foydalanilmoqda. Ikkilamchi ion massa spektrometriyasi va ionlarning tarqalish spektroskopiyasi katta qiziqish uyg'otadi. NMR o'lchovlari katalitik komplekslarning tabiatini o'rganish uchun ishlatiladi. Skanerli tunnel mikroskopi katalizator yuzasida atomlarning joylashishini ko'rish imkonini beradi. PERSPEKTİVALAR Sanoatda katalitik jarayonlar ko'lami yildan-yilga ortib bormoqda. Atrof-muhitni ifloslantiruvchi moddalarni zararsizlantirish uchun katalizatorlar tobora ko'proq foydalanilmoqda. Gaz va ko‘mirdan uglevodorodlar va kislorodli sintetik yoqilg‘ilarni olishda katalizatorlarning roli ortib bormoqda. Yoqilg'i energiyasini elektr energiyasiga tejamkor aylantirish uchun yonilg'i xujayralarini yaratish juda istiqbolli ko'rinadi.

Katalizning yangi kontseptsiyalari ko'plab qimmatli xususiyatlarga ega bo'lgan polimer materiallar va boshqa mahsulotlarni olish, energiya ishlab chiqarish usullarini takomillashtirish, oziq-ovqat ishlab chiqarishni, xususan, mikroorganizmlar yordamida alkanlar va ammiakdan oqsillarni sintez qilish orqali ko'paytirish imkonini beradi. Tabiiy biologik katalizatorlarga ularning katalitik faolligi va selektivligiga yaqinlashadigan fermentlar va organometalik birikmalarni ishlab chiqarish uchun genetik muhandislik usullarini ishlab chiqish mumkin bo'lishi mumkin.

ADABIYOT Geyts B.K. Katalitik jarayonlar kimyosi . M., 1981 yil
Boreskov G.K. Kataliz. Nazariya va amaliyotga oid savollar . Novosibirsk, 1987 yil
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Katalizning yangi umumiy nazariyasi . L., 1991 yil
Tokabe K. Katalizatorlar va katalitik jarayonlar . M., 1993 yil

S. I. LEVCHENKOV

FIZIKK VA KOLLOID KIMYO

Janubiy Federal Universiteti (RSU) Biologiya fakulteti talabalari uchun ma'ruza referati

2.3 KATALITIK JARAYONLAR

Berilgan haroratda kimyoviy reaksiya tezligi faollashtirilgan kompleksning hosil bo'lish tezligi bilan belgilanadi, bu esa, o'z navbatida, faollashuv energiyasining qiymatiga bog'liq. Ko'pgina kimyoviy reaktsiyalarda faollashtirilgan kompleksning tuzilishi stoxiometrik reaktiv bo'lmagan moddalarni o'z ichiga olishi mumkin; Shubhasiz, bu holda jarayonning faollashuv energiyasining qiymati ham o'zgaradi. Bir nechta o'tish holatlari mavjud bo'lganda, reaktsiya asosan eng past faollik to'sig'iga ega bo'lgan yo'l bo'ylab boradi.

Kataliz - reaksiyadan keyin holati va miqdori o'zgarmagan moddalar ishtirokida kimyoviy reaksiya tezligini o'zgartirish hodisasi.

Farqlash ijobiy Va salbiy kataliz (mos ravishda, reaktsiya tezligining oshishi va pasayishi), garchi ko'pincha "kataliz" atamasi faqat ijobiy katalizni anglatadi; manfiy kataliz deyiladi inhibisyon.

Faollashgan kompleks strukturasiga kiruvchi, lekin stexiometrik reaktiv bo'lmagan moddaga katalizator deyiladi. Barcha katalizatorlar bilan xarakterlanadi umumiy xususiyatlar harakatning o'ziga xosligi va selektivligi sifatida.

O'ziga xoslik Katalizator faqat bitta reaksiyani yoki bir xil turdagi reaksiyalar guruhini tezlashtirish va boshqa reaksiyalar tezligiga ta'sir qilmaslik qobiliyatidadir. Masalan, ko'pgina o'tish metallari (platina, mis, nikel, temir va boshqalar) gidrogenlash jarayonlari uchun katalizatorlardir; alyuminiy oksidi hidratsiya reaktsiyalarini katalizlaydi va hokazo.

Selektivlik katalizator - berilgan sharoitlarda mumkin bo'lgan parallel reaktsiyalardan birini tezlashtirish qobiliyati. Shu sababli, turli xil katalizatorlar yordamida bir xil boshlang'ich materiallardan turli xil mahsulotlarni olish mumkin:

: 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

Musbat kataliz bilan reaksiya tezligining oshishiga sabab, reaksiya faollashgan kompleks orqali katalizator ishtirokida o`tganda aktivlanish energiyasining kamayishidir (2.8-rasm).

Arrhenius tenglamasiga ko'ra, kimyoviy reaksiyaning tezlik konstantasi eksponensial ravishda aktivlanish energiyasiga bog'liq bo'lganligi sababli, ikkinchisining pasayishi tezlik konstantasining sezilarli darajada oshishiga olib keladi. Haqiqatan ham, agar katalitik va katalitik bo'lmagan reaksiyalar uchun Arrenius tenglamasida (II.32) ko'rsatkichdan oldingi omillar yaqin deb faraz qilsak, tezlik konstantalari nisbati uchun quyidagilarni yozishimiz mumkin:

Agar DE A = –50 kJ/mol bo'lsa, u holda tezlik konstantalarining nisbati 2,7·10 6 marta bo'ladi (haqiqatan ham, amalda E A ning bunday pasayishi reaksiya tezligini taxminan 10 5 marta oshiradi).

Shuni ta'kidlash kerakki, katalizatorning mavjudligi jarayon natijasida termodinamik potentsialning o'zgarishi kattaligiga ta'sir qilmaydi va shuning uchun hech qanday katalizator termodinamik jihatdan imkonsiz jarayonni o'z-o'zidan amalga oshira olmaydi (DG (DF) noldan katta bo'lgan jarayonning). Katalizator teskari reaktsiyalar uchun muvozanat konstantasining qiymatini o'zgartirmaydi; bu holda katalizatorning ta'siri faqat muvozanat holatiga erishishni tezlashtirishdan iborat.

Reaksiyaga kirishuvchi moddalar va katalizatorning fazaviy holatiga qarab bir jinsli va geterogen kataliz ajratiladi.

Guruch. 2.8 Katalizatorsiz kimyoviy reaksiyaning energiya diagrammasi (1)
va katalizator (2) ishtirokida.

2.3.1 Gomogen kataliz.

Gomogen kataliz - bu reaksiyaga kirishuvchi moddalar va katalizator bir fazada bo'lgan katalitik reaksiya. Bir hil katalitik jarayonlarda katalizator reagentlar bilan oraliq reaktiv mahsulotlar hosil qiladi. Ba'zi reaktsiyani ko'rib chiqing

A + B ––> C

Katalizator ishtirokida ikkita tez bosqich amalga oshiriladi, natijada oraliq birikma AA zarralari hosil bo'ladi va keyin (AVK # faollashtirilgan kompleksi orqali) katalizatorni qayta tiklash bilan yakuniy reaktsiya mahsuloti hosil bo'ladi:

A + K ––> AK

AK + V -–> C + K

Bunday jarayonga misol sifatida asetaldegidning parchalanishini keltirish mumkin, uning faollanish energiyasi E A = 190 kJ/mol:

CH 3 CHO -–> CH 4 + CO

Yod bug'i mavjud bo'lganda, bu jarayon ikki bosqichda davom etadi:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI -–> CH 4 + I 2

Bu reaksiyaning katalizator ishtirokida aktivlanish energiyasining kamayishi 54 kJ/mol; bu holda reaksiya tezligi konstantasi taxminan 105 marta ortadi. Gomogen katalizning eng keng tarqalgan turi kislotali kataliz bo'lib, unda vodorod ionlari H + katalizator vazifasini bajaradi.

2.3.2 Avtokataliz.

Avtokataliz- kimyoviy reaksiyani uning mahsulotlaridan biri tomonidan katalitik tezlashtirish jarayoni. Masalan, vodorod ionlari bilan katalizlangan efirlarning gidrolizlanishi. Gidroliz jarayonida hosil bo'lgan kislota protonlar hosil bo'lishi bilan ajralib chiqadi, bu esa gidroliz reaktsiyasini tezlashtiradi. Avtokatalitik reaksiyaning o'ziga xos xususiyati shundaki, bu reaksiya katalizator konsentratsiyasining doimiy ortishi bilan davom etadi. Shuning uchun reaksiyaning dastlabki davrida uning tezligi oshadi va keyingi bosqichlarda reagentlar konsentratsiyasining kamayishi natijasida tezlik pasaya boshlaydi; avtokatalitik reaksiya mahsulotining kinetik egri chizig'i xarakterli S shaklidagi shaklga ega (2.9-rasm).

Guruch. 2.9 Avtokatalitik reaksiya mahsulotining kinetik egri chizig'i

2.3.3 Geterogen kataliz.

heterojen kataliz - katalizator va reaktivlar hosil qilgan fazalar orasidagi interfeysda sodir bo'ladigan katalitik reaktsiyalar. Geterogen katalitik jarayonlarning mexanizmi bir jinsli katalizga qaraganda ancha murakkab. Har bir heterojen katalitik reaktsiyada kamida olti bosqichni ajratish mumkin:

1. Dastlabki moddalarning katalizator yuzasiga tarqalishi.

2. Ba'zi oraliq birikma hosil bo'lishi bilan boshlang'ich moddalarning sirtga adsorbsiyasi:

A + B + K -–> AVK

3. Adsorbsiyalangan holatning faollashishi (buning uchun zarur bo'lgan energiya jarayonning haqiqiy faollashuv energiyasidir):

AVK ––> AVK #

4. Adsorbsiyalangan reaksiya mahsulotlarini hosil qilish bilan faollashgan kompleksning parchalanishi:

ABK # ––> CDK

5. Reaksiya mahsulotlarini katalizator yuzasidan desorbsiyalash.

SDK ––> S + D + K

6. Reaksiya mahsulotlarining katalizator yuzasidan diffuziyalanishi.

Geterokatalitik jarayonlarning o'ziga xos xususiyati katalizatorning kuchayish va zaharlanish qobiliyatidir.

Rag'batlantirish– bu jarayonning katalizatori bo‘lmagan moddalar (promotorlar) ishtirokida katalizator faolligining oshishi. Masalan, metall nikel bilan katalizlangan reaksiya uchun

CO + H 2 -–> CH 4 + H 2 O

seriyning kichik nopokligini nikel katalizatoriga kiritish katalizator faolligining keskin oshishiga olib keladi.

Zaharlanish- ma'lum moddalar (katalitik zaharlar deb ataladi) ishtirokida katalizator faolligining keskin pasayishi. Masalan, ammiak sintez reaksiyasi uchun (katalizator - shimgichli temir) reaksiya aralashmasida kislorod yoki oltingugurt birikmalarining mavjudligi temir katalizatori faolligini keskin pasayishiga olib keladi; bir vaqtning o'zida katalizatorning boshlang'ich moddalarni adsorbsiyalash qobiliyati juda bir oz kamayadi.

Geterogen katalitik jarayonlarning bu xususiyatlarini tushuntirish uchun G. Teylor quyidagi farazni ilgari surdi: katalizatorning butun yuzasi katalitik faol emas, balki faqat uning ba'zi bo'limlari - deyiladi. faol markazlar , bu katalizatorning kristall strukturasidagi turli nuqsonlar bo'lishi mumkin (masalan, katalizator yuzasida o'simtalar yoki chuqurliklar). Hozirgi vaqtda geterogen katalizning yagona nazariyasi mavjud emas. Metall katalizatorlar uchun a multiplik nazariyasi . Multiplet nazariyasining asosiy qoidalari quyidagilardan iborat:

1. Katalizatorning faol markazi - bu transformatsiyaga uchragan molekula tuzilishiga geometrik mos ravishda katalizator yuzasida joylashgan ma'lum miqdordagi adsorbsion markazlar yig'indisidir.

2. Reaksiyaga kirishuvchi molekulalar faol joyda adsorbsiyalanganda multilet kompleks hosil bo’ladi, buning natijasida bog’lar qayta taqsimlanadi va reaksiya mahsulotlari hosil bo’lishiga olib keladi.

Multipletlar nazariyasi ba'zan faol markaz va reaksiyaga kirishuvchi molekulalar orasidagi geometrik o'xshashlik nazariyasi deb ataladi. Turli reaksiyalar uchun faol markazdagi adsorbsion markazlarning soni (ularning har biri metall atomi bilan belgilanadi) har xil - 2, 3, 4 va hokazo. Bunday faol markazlar mos ravishda dublet, uchlik, to'rtlik va boshqalar deb ataladi. (umumiy holatda, nazariya o'z nomiga ega bo'lgan multiplet).

Masalan, multipletlar nazariyasiga ko'ra, to'yingan bir atomli spirtlarning degidrogenlanishi dubletda, siklogeksanning degidrogenlanishi esa - seksetda sodir bo'ladi (2.10 - 2.11-rasm); Multiplet nazariyasi metallarning katalitik faolligini ularning atom radiusi bilan bog'lash imkonini berdi.

Guruch. 2.10 Spirtlarni dubletda suvsizlantirish

Guruch. 2.11 Siklogeksanning seksetda degidrogenatsiyasi

2.3.4 Fermentativ kataliz.

Enzimatik kataliz - oqsil tabiatining biologik katalizatorlari - fermentlar ishtirokida sodir bo'ladigan katalitik reaktsiyalar. Enzimatik kataliz ikkita xarakterli xususiyatga ega:

1. yuqori faollik , bu noorganik katalizatorlarning faolligidan bir necha daraja yuqori bo'lib, bu jarayonning fermentlar tomonidan faollashuv energiyasining juda sezilarli pasayishi bilan izohlanadi. Demak, Fe 2+ ionlari bilan katalizlangan vodorod peroksidning parchalanish reaksiyasining tezlik konstantasi 56 s -1 ga teng; katalaza fermenti tomonidan katalizlangan bir xil reaksiyaning tezlik konstantasi 3,5 · 10 7 ga teng, ya'ni. ferment ishtirokidagi reaksiya million marta tezroq boradi (protsesslarning faollashuv energiyalari mos ravishda 42 va 7,1 kJ/mol). Kislota va ureaza ishtirokida karbamid gidrolizi tezligining konstantalari o'n uchta kattalik bilan farqlanadi, 7,4 · 10 -7 va 5 · 10 6 s -1 ni tashkil qiladi (aktivatsiya energiyasi mos ravishda 103 va 28 kJ / mol).

2. Yuqori o'ziga xoslik . Masalan, amilaza bir xil glyukoza birliklari zanjiri bo'lgan kraxmalning parchalanishini katalizlaydi, lekin molekulasi glyukoza va fruktoza bo'laklaridan tashkil topgan saxaroza gidrolizini katalizlamaydi.

Fermentativ kataliz mexanizmi haqidagi umume'tirof etilgan g'oyalarga ko'ra, substrat S va ferment F juda tez hosil bo'lgan ferment-substrat kompleksi FS bilan muvozanatda bo'lib, erkin fermentning ajralib chiqishi bilan reaksiya mahsuloti P ga nisbatan sekin parchalanadi; demak, ferment-substrat kompleksining reaksiya mahsulotlariga parchalanish bosqichi tezlikni aniqlovchi (cheklovchi) hisoblanadi.

F+S<––>FS ––> F+P

Fermentning doimiy konsentratsiyasida fermentativ reaktsiya tezligining substrat kontsentratsiyasiga bog'liqligini o'rganish shuni ko'rsatdiki, substrat kontsentratsiyasining oshishi bilan reaktsiya tezligi birinchi navbatda ortadi, keyin esa o'zgarishni to'xtatadi (1-rasm). 2.12) va reaksiya tezligining substrat konsentratsiyasiga bog'liqligi quyidagi tenglama bilan tavsiflanadi:

(II.45)

So'nggi yillarda eng tez rivojlanayotgan hududlardan biri organik kimyo- o'tish metallari tomonidan katalizlangan reaktsiyalar. Bunday jarayonlar geterotsiklik birikmalarni sintez qilish uchun ham, ularni funksionallashtirish uchun ham keng qo'llaniladi. O'tish metallari tomonidan katalizlangan jarayonlardan foydalanish nafaqat mutlaqo yangi usullarni ishlab chiqishga yordam berdi, balki taniqli usullarni takomillashtirish, ko'plab jarayonlarning selektivligini va amalga oshirish qulayligini oshirish imkonini berdi. Palladiy reaktsiyalarda eng muhim va keng qo'llaniladigan katalizatorlardan biridir har xil turlari. Nikel katalizator sifatida ham ishlatiladi, ammo nikel tomonidan katalizlanadigan reaktsiyalar doirasi ancha torroqdir.

Umuman olganda, geterotsiklik birikmalar karbotsikliklarga o'xshash palladiy bilan katalizlanadigan reaktsiyalarga kiradi. Oltingugurt va azot atomlarining aylanishi kamdan-kam hollarda bunday (bir hil) palladiy bilan katalizlanadigan jarayonlarga aralashadi, garchi oltingugurt va azot o'z ichiga olgan molekulalar geterogen gidrogenlash katalizatorlari (ko'mirdagi metall palladiy) uchun zaharli ekanligi yaxshi ma'lum.

Palladiy tomonidan katalizlangan jarayonlar odatda 1-5 mol yordamida amalga oshiriladi. % katalizator va palladiy faol oraliq mahsulotlar past konsentratsiyada hosil bo'ladi. Bunday jarayonlar bosqichlar ketma-ketligi bo'lib, ularning har biri organopalladiy birikmasining ishtiroki bilan bog'liq. Organopalladiy oraliq moddalari ishtirokidagi jarayonlar mexanizmi ionga qaraganda ko'proq muvofiqlashtirilgan va bunday reaktsiyalarni "klassik" organik kimyoda birinchi qarashda yaqin bo'lgan jarayonlar bilan solishtirish mumkin emas. Egri strelkalar bunday jarayonlarni tsiklik yuklanish reaksiyalarini ko'rib chiqishda ishlatiladiganga o'xshash tarzda eslab qolishga yordam berish uchun ishlatilishi mumkin va palladiy bilan katalizlangan reaktsiyalarning ushbu "tushuntirishi" keyingi muhokamada qo'llaniladi.

2012-2019. Geterotsiklik birikmalar kimyosi. Geterotsiklik kimyo.
Asosiy geterosiklni aniqlash qoidalari: Agar sikllar turli xil geteroatomlarga ega bo'lsa, u holda geteroatomlarning seriya raqami yuqori bo'lgan sikl asosiy hisoblanadi.

Mashhur ingliz olimlari tomonidan yozilgan o'quv nashrida geterotsiklik birikmalarning turli sinflari va ularning alohida vakillarining reaktivligi va sintez usullari haqidagi asosiy nazariy g'oyalar; geterotsiklik birikmalarning kimyodagi roli ko'rsatilgan qattiq tana, biologik jarayonlar, yarimo'tkazgich polimerlar kimyosi. Organik kimyoning ushbu muhim sohasidagi so'nggi yutuqlarni ta'kidlashga alohida e'tibor qaratilmoqda. katta ahamiyatga ega dorivor kimyo, farmakologiya va biokimyo bo'yicha. Taqdim etilgan materialning to'liqligi va kengligiga ko'ra, undan ma'lumotnoma va ensiklopedik nashr sifatida foydalanish mumkin.