Reaktan olmayan ve reaksiyon ürünlerinin bir parçası olmayan çeşitli maddelerin varlığında kimyasal reaksiyonların hızları önemli ölçüde artabilir. Bu olağanüstü fenomene denir kataliz(Yunanca "katalizden" - yıkım). Bir karışımda tepkime hızını artıran maddelere denir katalizör. Reaksiyondan önceki ve sonraki miktarı değişmeden kalır. Katalizörler herhangi bir özel madde sınıfını temsil etmezler. Çeşitli reaksiyonlarda metaller, oksitler, asitler, tuzlar ve kompleks bileşikler katalitik etki gösterebilir. Canlı hücrelerdeki kimyasal reaksiyonlar katalitik proteinlerin kontrolü altında gerçekleşir. enzimler. Katalizör, reaksiyona doğrudan dahil olduğu için, kimyasal reaksiyonların hızlarını arttırmada gerçek bir kimyasal faktör olarak düşünülmelidir. Kataliz, reaksiyonu hızlandırmada sıcaklığı yükseltmekten daha güçlü ve daha az risklidir. Bu, canlı organizmalardaki kimyasal reaksiyonlar örneğinde açıkça kendini gösterir. Laboratuarlarda kaynama noktasına kadar uzun süre ısıtılarak yapılması gereken proteinlerin hidrolizi gibi reaksiyonlar, sindirim sırasında vücut sıcaklığında ısıtma olmadan gerçekleşir.
İlk kez, 1818'de Fransız kimyager L. J. Tenard (1777-1857) tarafından kataliz fenomeni gözlemlendi. Bir çözeltiye hidrojen peroksit eklendiğinde belirli metallerin oksitlerinin ayrışmasına neden olduğunu keşfetti. Böyle bir deneyim, %3'lük bir hidrojen peroksit çözeltisine potasyum permanganat kristalleri eklenerek kolayca çoğaltılabilir. Tuz KMp0 4, Mn0 2'ye dönüşür ve oksijen, oksit etkisi altında çözeltiden hızla salınır:
Katalizörün reaksiyon hızı üzerindeki doğrudan etkisi, aktivasyon enerjisindeki bir azalma ile ilişkilidir. Normal sıcaklık düşüşünde? ve 20 kJ/mol hız sabitini yaklaşık 3000 kat artırır. eski sürüme geçmek ELçok daha güçlü olabilir. Ancak aktivasyon enerjisindeki azalma, dışa dönük tezahür katalizörün eylemi. Reaksiyon belirli bir değer ile karakterize edilir E.v bu ancak reaksiyonun kendisi değişirse değişebilir. Aynı ürünleri vererek, eklenen maddenin katılımıyla reaksiyon farklı bir yol boyunca, farklı aşamalardan ve farklı bir aktivasyon enerjisi ile ilerler. Bu yeni yolda aktivasyon enerjisi daha düşükse ve reaksiyon buna bağlı olarak daha hızlıysa, o zaman bu maddenin bir katalizör olduğunu söylüyoruz.
Katalizör, reaktanlardan biri ile etkileşime girerek bazı ara bileşikleri oluşturur. Reaksiyonun sonraki aşamalarından birinde katalizör yeniden üretilir - reaksiyonu orijinal formunda bırakır. Katalitik bir reaksiyona katılan reaktifler, bir katalizörün katılımı olmadan birbirleriyle ve yavaş bir yol boyunca etkileşime girmeye devam eder. Bu nedenle, katalitik reaksiyonlar, seri-paralel olarak adlandırılan çeşitli karmaşık reaksiyonlara aittir. Şek. 11.8, hız sabitinin katalizör konsantrasyonuna bağımlılığını gösterir. Bağımlılık grafiği sıfırdan geçmez, çünkü katalizör yokluğunda reaksiyon durmaz.
Pirinç. 11.8.
gözlemlenebilir sabit k toplamı olarak ifade sen+ & k c(k)
Örnek 11.5. -500 °C sıcaklıkta, kükürt oksitin (IV) oksidasyon reaksiyonu
sülfürik asidin endüstriyel üretim aşamalarından biri olan çok yavaştır. Denge sola kaydığından (ekzotermik reaksiyon) ve ürün verimi çok fazla düştüğünden, sıcaklıkta daha fazla artış kabul edilemez. Ancak bu reaksiyon, biri nitrik oksit (II) olabilen çeşitli katalizörler tarafından hızlandırılır. İlk olarak, katalizör oksijen ile reaksiyona girer: 
ve daha sonra bir oksijen atomunu kükürt okside (IV) aktarır:
Böylece reaksiyonun son ürünü oluşur ve katalizör yeniden üretilir. Reaksiyon için, hız sabitlerinin önemli ölçüde arttığı yeni bir yol boyunca akma olasılığı açıldı:
Aşağıdaki şema, S0 2 oksidasyon işleminin her iki yolunu da göstermektedir. Bir katalizörün yokluğunda, reaksiyon yalnızca yavaş yol boyunca ve bir katalizörün varlığında her ikisi boyunca ilerler.
İki tür kataliz vardır - homojen ve heterojen.İlk durumda, katalizör ve reaktifler formda homojen bir sistem oluşturur. gaz karışımı veya çözüm. Sülfür oksit oksidasyonunun bir örneği homojen katalizdir. Homojen bir katalitik reaksiyonun hızı, hem reaktanların konsantrasyonlarına hem de katalizörün konsantrasyonuna bağlıdır.
Heterojen katalizde, katalizör saf halde katıdır veya üzerinde desteklenir. taşıyıcı.Örneğin platin katalizör olarak asbest, alümina vb. üzerine sabitlenebilir. Reaktif molekülleri, bir gaz veya çözeltiden yüzeye adsorbe edilir (absorbe edilir). özel noktalar katalizör yüzeyleri aktif merkezlerdir ve aynı zamanda aktive olurlar. Kimyasal dönüşümden sonra ortaya çıkan ürün molekülleri katalizör yüzeyinden desorbe edilir. Parçacık dönüşüm eylemleri aktif merkezlerde tekrarlanır. Diğer faktörlerin yanı sıra, heterojen bir katalitik reaksiyonun hızı, katalitik malzemenin yüzey alanına bağlıdır.
Heterojen kataliz özellikle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun nedeni, bir reaktif karışımının bir katalizör ile bir temas aparatından geçişi ile sürekli bir katalitik işlemi gerçekleştirmenin kolaylığıdır.
Katalizörler seçici olarak hareket eder, çok spesifik bir reaksiyon tipini veya hatta diğerlerini etkilemeden tek bir reaksiyonu hızlandırır. Bu, katalizörlerin yalnızca reaksiyonları hızlandırmak için değil, aynı zamanda başlangıç malzemelerini istenilen ürünlere kasıtlı olarak dönüştürmek için kullanılmasını mümkün kılar. Fe 2 0 3 katalizörü üzerinde 450 ° C'de metan ve su, karbondioksit ve hidrojene dönüştürülür:
850 °C'de aynı maddeler nikel yüzeyinde reaksiyona girerek karbon monoksit (II) ve hidrojen oluşturur:
Kataliz, henüz doğru teorik tahminler yapmanın mümkün olmadığı kimya alanlarına aittir. Petrol ürünleri, doğal gaz, amonyak üretimi ve diğer pek çok şeyin işlenmesi için tüm endüstriyel katalizörler, zahmetli ve uzun deneysel çalışmalar temelinde geliştirilmiştir.
Hızı kontrol etme yeteneği kimyasal süreçler insan ekonomik faaliyetlerinde paha biçilmez bir öneme sahiptir. Kimyasal ürünlerin endüstriyel üretiminde genellikle teknolojik kimyasal işlemlerin hızlarının artırılması, ürünlerin depolanmasında ise oksijen, su vb. ile bozunma veya maruz kalma oranının azaltılması gerekmektedir. Kimyasal reaksiyonları yavaşlatabilen bilinen maddeler. Onlar aranmaktadır inhibitörler, veya negatif katalizörler.İnhibitörler, bir nedenden ötürü bir maddede veya çevresinde ortaya çıkan ve değerli ayrışma ve oksidasyon reaksiyonlarına neden olan aktif türlerle (serbest radikaller) reaksiyona girmeleri bakımından gerçek katalizörlerden temel olarak farklıdır. İnhibitörler kademeli olarak tüketilir ve koruyucu eylemleri sona erer. En önemli inhibitör türü, çeşitli malzemeleri oksijenin etkilerinden koruyan antioksidanlardır.
Katalizörler yardımıyla nelerin elde edilemediği de hatırlatılmalıdır. Sadece spontan reaksiyonları hızlandırabilirler. Reaksiyon kendiliğinden ilerlemezse, katalizör onu hızlandıramayacaktır. Örneğin, hiçbir katalizör suyun hidrojen ve oksijene ayrışmasına neden olamaz. Bu işlem, elektrik işi harcanırken sadece elektroliz ile gerçekleştirilebilir.
Katalizörler ayrıca istenmeyen süreçleri de etkinleştirebilir. Son yıllarda, 20-25 km yükseklikte atmosferin ozon tabakasında kademeli bir tahribat yaşandı. Bazı maddelerin ozonun çürümesine karıştığı varsayılmaktadır, örneğin endüstriyel işletmeler tarafından atmosfere yayılan ve evsel amaçlarla kullanılan halojenli hidrokarbonlar.
20. yüzyılın başlarında zaten çok sayıda enzim, araştırmacılara enzimlerin isimlendirilmesi ve sınıflandırılması hakkında sorular yöneltti. 20. yüzyılın başlarında enzimin ayırt edici bir özelliği, önce substratın adına (amilum - nişasta - amilaz) ve ardından reaksiyonun adına eklenerek kullanılan "aza" bitişiydi ( dehidrojenasyon - dehidrojenaz). Uluslararası Kimyagerler ve Biyokimyacılar Birliği tarafından oluşturulan Enzimler Komisyonu (EC), 1961'de kabul edilen enzimlerin sınıflandırılması ve isimlendirilmesi için temel ilkeleri geliştirdi. Sınıflandırma, enzim tarafından katalize edilen reaksiyon tipine dayanıyordu. Bu temelde tüm enzimler, her biri birkaç alt sınıfa sahip olan 6 sınıfa ayrıldı.
1. Oksidoredüktaz - indirgeme veya oksidasyon reaksiyonlarını katalize eden enzimler. Bir örnek, etil alkolü asetaldehite oksitleyen bir enzim olan alkol dehidrojenazdır. Aldehit dehidrojenaz olarak bilinen ikinci bir enzim daha sonra asetaldehiti asetil CoA'ya dönüştürür. Oksidoredüktazlar genellikle aşağıdaki örnekte ara hidrojen alıcıları olarak hareket eden kofaktörlerin katılımını gerektirir, bu NAD+'dır.
Oksidazlar - oksidoredüktaz türü. Bu, oksijeni son hidrojen alıcısı olarak kullanan enzimlere verilen isimdir. Bir örnek, glikozu glukonik aside oksitleyen glikoz oksidazdır. .
FAD, bir ara hidrojen alıcısı olarak hizmet eder.
2. Transferazlar - taşıyan enzimler fonksiyonel gruplar Verici molekülden alıcı moleküle Bir örnek, bir metil grubunu S-adenosilmetiyoninden bir alıcıya aktaran metiltransferazlardır. Aşağıda gösterilen, nörotransmiterler epinefrin ve norepinefrin metabolizmasında yer alan bir enzim olan katekol-O-metiltransferaz tarafından katalize edilen bir reaksiyondur. .
Transferazların çok önemli bir diğer örneği, a-transaminazın amino grubunun transferini katalize eden enzimlerdir.
Transaminazlar, amino grubu donörü olarak bir amino asidi kullanırlar ve bunları a-keto aside transfer ederler, sırasıyla donör amino asidi α-keto aside ve alıcı keto asidi bir amino aside dönüştürürler. Bu, belirli amino asitleri birbirine dönüştürmek ve amino asitlerin karbonhidrat veya lipid yollarına girmesine izin vermek için kullanılır.
Biyokimyada sıklıkla bahsedilecek olan transferazlar, yüksek enerjili bir ATP molekülünden bir substrata fosfat transferini katalize eden kinazlardır. oynayan birçok kinaz var önemli rol hücre metabolizmasında.
3. Hidrolazlar-hidrolizin biyolojik reaksiyonlarını katalize eden enzimler. Kovalent bağları kırarlar. kırılma noktasında su elemanlarının bağlanması. Lipazlar, fosfatazlar, asetilkolinesteraz ve proteazların tümü hidrolitik enzimlerin örnekleridir.
4. Liyazlar (desmolazlar)- oluşumu ile hidrolitik olmayan bir şekilde C-C, C-O ve C-N bağlarının parçalanmasını katalize eden enzimler çift bağlar. Bir örnek, biyojenik aminler olan epinefrin ve norepinefrin sentezinde anahtar bir enzim olan DOPA dekarboksilaz enzimi olabilir.
5. İzomerazlar- molekül içi yeniden düzenlemeleri katalize eden enzimler. Bu durumda, optik geometrik ve konumsal izomerlerin birbirine dönüşümü meydana gelir. Epimerazlar ve rasemazlar, bu enzim sınıfının örnekleridir.
6. Ligazlar ATP hidrolizinin enerjisini kullanarak C-O, C-S, C-N veya C-C bağlarının oluşumunu katalize eder. Fosfat, reaksiyon ürününe kovalent olarak bağlanabilir veya bağlanmayabilir.
Enzim Komisyonu ayrıca enzimlerin isimlendirilmesi için ilkeler önerdi. Sistematik ve çalışan terminoloji kullanılması önerilir. Sistematik isimlendirme, sınıflandırma ile aynı prensibe dayanmaktadır - katalize reaksiyon tipi. İlk bakışta, isimler hantal hale gelir, ancak addan enzimin ne yaptığı anlaşılır. İsim iki bölümden oluşur: reaksiyona katılanların isimleri (sınıfa bağlı olarak, bunlar substratlar, ara alıcılar olabilir) ve "aza" ile biten katalize reaksiyonun türü.
Her enzim, sınıflandırmadaki konumunu yansıtan özel bir enzim kod numarası alır: ilk basamak enzim sınıfını, ikincisi bir alt sınıfı ve üçüncü alt sınıfı karakterize eder. Her alt sınıf, enzimlerin bir listesidir. Bu listedeki enzimin sıra numarası, kodun dördüncü hanesidir. Şekil 1-1, kreatin fosfokinaz kodunu gösterir - CP.2.7.3.2. Bu enzim, kreatin fosforilasyon reaksiyonunu katalize eder. ATP enziminin sistematik adı kreatin fosfotransferazdır. Bu enzimin çalışma adı kreatin kinaz veya kreatin fokinazdır.
R 
2-1'dir. Kreatin fosfokinazın kodu ve enzimlerin sınıflandırılmasında enzimin yeri
Catamlis- Tepkimeye katılanlar ile art arda bir ara kimyasal etkileşime giren ve tepkisini geri yükleyen bir katalizörün (katalistlerin) etkisi altında bir kimyasal reaksiyonun olası termodinamik olarak izin verilen yönlerinden birinin seçici hızlandırılması kimyasal bileşim ara kimyasal etkileşimlerin her döngüsünden sonra. Kataliz terimi, 1835 yılında İsveçli bilim adamı Jöns Jakob Berzelius tarafından tanıtıldı.
Kataliz olgusu doğada yaygındır (canlı organizmalarda meydana gelen işlemlerin çoğu katalitiktir) ve teknolojide (petrol rafinasyonu ve petrokimyada, sülfürik asit, amonyak, nitrik asit vb. üretiminde) yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm endüstriyel reaksiyonların çoğu katalitiktir.
Katalizörler Kimyasal tepkimelerin hızını değiştiren maddelere denir.
Bazı katalizörler reaksiyonu büyük ölçüde hızlandırır - pozitif kataliz veya sadece kataliz, diğerleri yavaşlar - negatif kataliz. Pozitif kataliz örnekleri, sülfürik asit üretimi, bir platin katalizör kullanılarak amonyağın nitrik aside oksidasyonu vb.
Reaksiyon hızı üzerindeki etkiye göre, kataliz pozitif (reaksiyon hızı artar) ve negatif (reaksiyon hızı azalır) olarak ayrılır. İkinci durumda, inhibitör reaksiyon sırasında tüketildiği için "negatif kataliz" olarak kabul edilemeyen bir inhibisyon süreci gerçekleşir.
Kataliz homojen ve heterojen olabilir (temas). Homojen katalizde katalizör, reaktanlarla aynı fazdayken, heterojen katalizörler faz bakımından farklılık gösterir.
homojen kataliz.
Bir örnek homojen kataliz, hidrojen peroksitin iyot iyonlarının varlığında parçalanmasıdır. Reaksiyon iki aşamada ilerler:
H2 O2+ben> H2O+IO, H2O2+io> H2O + O2+ ben
Homojen katalizde, katalizörün etkisi, aktifleşme enerjisinde bir azalmaya yol açan ara bileşikler oluşturmak için reaktanlarla etkileşime girmesinden kaynaklanmaktadır.
heterojen kataliz.
Heterojen katalizde, işlemin hızlanması genellikle katı bir cismin - katalizörün yüzeyinde meydana gelir, bu nedenle katalizörün aktivitesi, yüzeyinin boyutuna ve özelliklerine bağlıdır. Pratikte, katalizör genellikle katı gözenekli bir destek üzerinde desteklenir.
Heterojen kataliz mekanizması, homojen katalizden daha karmaşıktır. Heterojen kataliz mekanizması, tümü geri dönüşümlü olan beş aşama içerir.
- 1. Bir katının yüzeyine tepkenlerin difüzyonu
- 2. Reaksiyona giren moleküllerin katı bir maddenin yüzeyinin aktif bölgelerinde fiziksel adsorpsiyon ve ardından kimyasal adsorpsiyon
- 3. Reaksiyona giren moleküller arasındaki kimyasal reaksiyon
- 4. Katalizör yüzeyinden ürünlerin desorpsiyonu
- 5. Ürünün katalizör yüzeyinden genel akışa difüzyonu
Heterojen katalize bir örnek, sülfürik asit üretiminde (temas yöntemi) bir V2O5 katalizörü üzerinde SO2'nin S03'e oksidasyonudur.
Katalitik reaksiyonların çoğu, iç yüzeyi çeşitli boyut ve uzunluklarda gözenekler ve kanallardan oluşan gözenekli katalizörler üzerinde gerçekleştirilir. Bu gözenekler izole veya birbirine bağlı olabilir. Katalizörün gözeneklerindeki gazların hareketinin hızını ve doğasını belirleyen ana faktör gözenek boyutudur. Hız serbest dolaşım moleküller 1000 m/s'ye ulaşabilir ve gözeneklerdeki hareketin yavaşlaması, gaz molekülleri arasındaki çarpışmalar ve gözeneklerin duvarları ile ilişkilidir.
Katalitik reaksiyonların çoğu seçici değildir, bu da kinetik analiz yöntemlerine bilinen sınırlamalar getirir.
Katalitik reaksiyonların çoğu, birkaç farklı atom ve molekül türünü içerir. Reaksiyonun mekanizmasını ve bu atomlar ve moleküller arasında ve bunlar ile yüzey arasında etki eden kuvvetlerin doğasını belirlemek elbette zor bir iştir, ancak bir tür atom veya molekülün adsorpsiyon davranışını inceleyerek basitleştirilebilir. . Bu tür çalışmalar, belirli moleküller belirli adsorbanlar üzerinde adsorbe edildiğinde, moleküldeki bağın koptuğunu ve adsorbanla iki bağın ortaya çıktığını göstermiştir; bu durumda, adsorbe edilen molekül, adsorbe edilen iki atoma dönüşür. Bu işlem bir yüzey kimyasal reaksiyonudur ve oluşan adsorplanmış atomlara kimyasal adsorplanmış atomlar denir. Yeterince düşük sıcaklıklarda böyle bir reaksiyon meydana gelmezse ve adsorbe edilen moleküller adsorbe edilen iki atoma ayrışmıyorsa, bu tür moleküllere fiziksel olarak adsorbe edilmiş denir.
giriiş
1. Genel Hükümler ve kataliz kalıpları
2. Homojen kataliz
3. Asit ve baz katalizi
4. Karmaşık bileşikler tarafından katalize edilen homojen katalitik reaksiyonlar
5. Enzimatik kataliz
6. Heterojen kataliz
Çözüm
Kullanılan kaynakların listesi
giriiş
Kataliz, katalizörlerin varlığında reaksiyon hızındaki bir değişiklik olgusudur. Katalizör içeren reaksiyonlara katalitik denir. Bir kimyasal reaksiyonun hızını artıran, ancak genel reaksiyon sonucunda değişmeden kalan maddelere katalizör denir.
Birçok farklı katalizör türü ve birçok farklı etki mekanizması vardır. Katalizör, önce bağlandığı, sonra yeniden üretildiği, tekrar bağlandığı ve birçok kez bu şekilde devam ettiği döngülerden geçer. Katalizör, reaksiyonun katalizör yokluğunda olduğundan farklı bir şekilde ve daha hızlı ilerlemesini sağlar. Aktivasyon enerjisini düşürerek, ön-üssel faktörü artırarak veya her ikisini birden yaparak hız arttırılabilir.
Katalizör hem doğrudan hem de ters tepki, çünkü genel reaksiyonun denge sabiti değişmeden kalır. Eğer böyle olmasaydı, maddeyi yeniden oluşturmak için bir katalizör kullanarak sürekli hareket eden bir makine yapmak mümkün olurdu.
1. Katalizin genel hükümleri ve düzenleri
Katalizörler homojen ve heterojen olarak ikiye ayrılır. Homojen bir katalizör, reaktanlarla aynı fazdadır, heterojen bir katalizör, reaktanların bulunduğu fazdan bir arayüz ile ayrılmış bağımsız bir faz oluşturur. Tipik homojen katalizörler asitler ve bazlardır. Metaller, oksitleri ve sülfürleri heterojen katalizörler olarak kullanılır.
Aynı tipteki reaksiyonlar hem homojen hem de heterojen katalizörlerle ilerleyebilir. Böylece asit çözeltileri ile birlikte katı Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , alüminosilikatlar ve asidik özelliklere sahip zeolitler kullanılır. Temel özelliklere sahip heterojen katalizörler: CaO, BaO, MgO.
Heterojen katalizörler, kural olarak, inert bir destek (silis jel, alümina, aktif karbon, vb.) Üzerine dağıtıldıkları oldukça gelişmiş bir yüzeye sahiptir.
Her reaksiyon tipi için sadece belirli katalizörler etkilidir. Daha önce bahsedilen asit-bazlara ek olarak oksidasyon-redüksiyon katalizörleri vardır; bir geçiş metali veya bileşiğinin (Co +3, V2O 5+, MoO 3) mevcudiyeti ile karakterize edilirler. Bu durumda, geçiş metalinin oksidasyon durumu değiştirilerek kataliz gerçekleştirilir.
Birçok reaksiyon, geçiş metalinin (Ti, Rh, Ni) atom veya iyonundaki reaktanların koordinasyonu yoluyla hareket eden katalizörlerin yardımıyla gerçekleştirilir. Böyle bir katalize koordinasyon katalizi denir.
Katalizör kiral özelliklere sahipse, optik olarak aktif olmayan bir substrattan optik olarak aktif bir ürün elde edilir.
AT modern bilim ve teknoloji genellikle, her biri reaksiyonun farklı aşamalarını hızlandıran birkaç katalizörden oluşan sistemler kullanır. Katalizör ayrıca başka bir katalizör tarafından gerçekleştirilen katalitik döngünün aşamalarından birinin hızını da artırabilir. Burası "kataliz katalizi" veya ikinci seviye katalizin gerçekleştiği yerdir.
biyografide kimyasal reaksiyonlar Enzimler katalizör rolünü oynar.
Katalizörler başlatıcılardan ayırt edilmelidir. Örneğin peroksitler, radikal zincir reaksiyonlarını başlatabilen serbest radikallere parçalanır. Başlatıcılar reaksiyon sırasında tüketilir, bu nedenle katalizör olarak kabul edilemezler.
İnhibitörler bazen yanlışlıkla negatif katalizörler olarak kabul edilir. Ancak radikal zincir reaksiyonları gibi inhibitörler serbest radikallerle reaksiyona girer ve katalizörlerin aksine korunmaz. Diğer inhibitörler (katalitik zehirler) katalizöre bağlanır ve onu etkisiz hale getirir; bu, negatif katalizden ziyade kataliz baskılamasıdır. Negatif kataliz prensipte imkansızdır: reaksiyon için daha yavaş bir yol sağlar, ancak reaksiyon elbette daha hızlı bir şekilde ilerleyecektir. bu durum, katalize değil, yollar.
Katalizör, reaksiyon ürünlerinden biri olabilir. Bu durumda, reaksiyona otokatalitik denir ve fenomenin kendisine otokataliz denir. Örneğin Fe 2+'nın Mn0 4 ile oksidasyonu sırasında
5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ \u003d 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0
elde edilen Mn2+ iyonları reaksiyonun gidişatını katalize eder.
Katalitik reaksiyonlar doğada oldukça yaygındır. Bunlardan en şaşırtıcı olanı, canlı organizmalarda birçok reaksiyonu katalize eden enzimlerle reaksiyonlardır. Katalizörler endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Nitrik ve sülfürik asit üretimi, amonyak, sentetik kauçuk üretimi vb. katalitik reaksiyonlar olmadan imkansızdır. Tıbbi maddelerin üretiminde katalizörler kullanılır: fenasetin, guaiakol, aromatik bileşiklerin halojen türevleri vb. Katalizör olarak Mn(IV), Ni, Co, Fe, A1C1 3 , TeC1 3 oksitler kullanılır.
Homojen ve heterojen kataliz vardır, ancak bunlardan herhangi biri için ana düzenlilikler aşağıdaki gibidir:
1. Katalizör, reaksiyondaki katılımcılardan biriyle ara bileşikler veya tüm reaktanlarla aktifleştirilmiş bir kompleks oluşturarak reaksiyonun temel eylemine aktif olarak katılır. Her temel hareketten sonra, yenilenir ve yeni reaksiyona giren madde molekülleri ile etkileşime girebilir.
2. Katalitik reaksiyonun hızı, katalizör miktarı ile orantılıdır.
3. Katalizör, eylem seçiciliğine sahiptir. Bir reaksiyonun hızını değiştirebilir ve diğerinin hızını etkilemez.
4. Katalizör, reaksiyonun, katalizör yokluğunda olduğundan daha farklı bir şekilde ve daha hızlı ilerlemesini sağlar.
Aktivasyon enerjisini düşürerek, ön-üssel faktörü artırarak veya her ikisini birden yaparak hız arttırılabilir. Örneğin, asetaldehit CH3CHO CH4 + CO'nun termal bozunması, iyot buharı tarafından katalize edilir, bu da aktivasyon enerjisinde ~55 kJ/mol kadar bir azalmaya neden olur. Bu azalma, hız sabitinde yaklaşık 10.000 kat artışa neden olur.
5. Katalizör, termodinamik dengenin konumunu etkilemez. Hem ileri hem de geri reaksiyonların hızını eşit olarak değiştirir.
6. Destekleyiciler olarak adlandırılan belirli maddeler eklendiğinde, katalizörün etkinliği artar; inhibitörlerin eklenmesi reaksiyonun hızını azaltır.
2. Homojen kataliz
Homojen katalizde katalizör, homojen bir çözeltideki bir molekül veya iyondur. Homojen kataliz durumunda, katalizör ve tüm reaktanlar tek bir ortak faz oluşturur.
Homojen kataliz teorisinin ana varsayımı, reaksiyon sırasında katalizörün reaktanlarla kararsız ara bileşiklerinin oluştuğu ve daha sonra katalizörün rejenerasyonu ile ayrıştığı fikridir:
A + B + K = (A-B-K)* D + K
Bu reaksiyonun hızı
v=k nc Ac Bc K
katalizör konsantrasyonuyla orantılıdır ve hız sabiti Arrhenius denklemine uyar. Bu reaksiyon iki aşamada ilerleyebilir:
kataliz homojen asit enzimatik heterojen
Bu durumda iki durum mümkündür. İlk aşamada, kompleksin katalizöre ve ilk ürüne ayrışma hızı, nihai ürünün oluştuğu ikinci aşamanın hızından çok daha yüksektir. Dolayısıyla bu tip katalizlerde Arrhenius kompleksleri olarak adlandırılan komplekslerin konsantrasyonu düşüktür. İkinci durumda, kompleksin ayrışma hızı, ikinci aşamanın hızı ile orantılıdır. Ara kompleksin konsantrasyonu önemli ve durağandır. Bu tip komplekslere van't Hoff kompleksleri denir.
İkinci durum, daha tipik olarak, daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Ara bileşik AA, başlangıç malzemeleri ile dengede olduğundan, doğrudan (v 1) ve ters (v 2) reaksiyonlarının (1) oranları eşit olmalıdır. Onlar için kinetik denklemleri derleyerek şunu elde ederiz:
nerede (İle birlikte ile"-- İle birlikte AK") reaksiyona girmeyen katalizörün konsantrasyonudur; İle birlikte ANCAK,İle birlikte AK"-- sırasıyla madde A ve ara bileşik AA'nın denge konsantrasyonları.
(2)'den ara bileşiğin konsantrasyonunu buluruz:
Tüm sürecin (v) toplam hızı, en yavaş aşamanın, bu durumda ikincinin hızıyla belirlenir. O zamanlar
(4)'te ara bileşiğin (3) konsantrasyonunu değiştirerek şunu elde ederiz:
Denklem (5), iki sınırlayıcı rejimin varlığının olasılığını gösterir:
Her iki durumda da reaksiyon hızı, katalizörün konsantrasyonu ile doğru orantılıdır, ancak başlangıç malzemeleri için reaksiyon sırası farklıdır. İlk durumda, ikiye, ikincisinde - bire eşittir. Sınırlayıcı rejimlerin dışında, reaksiyonun sırası kesirli olacaktır.
Homojen katalize bir örnek, asetaldehit CH3CH4 + CO'nun iyot buharı ile katalize edilen termal bozunmasının reaksiyonudur. İyot buharının yokluğunda E a=191.0 kJ/mol, onların varlığında E a= 136.0 kJ/mol. Hız sabiti 10.000 kat artar. Bunun nedeni, reaksiyonun iki aşamada ilerlemesidir:
CH 3 SON + I 2 \u003d CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI \u003d CH 4 + I 2
Her adımın aktivasyon enerjisi, katalitik olmayan reaksiyonun aktivasyon enerjisinden daha azdır.
Homojen kataliz, birçok asit-baz reaksiyonunu, kompleks oluşum reaksiyonlarını, redoks reaksiyonlarını, sayısız hidrojenasyon, sülfatlama reaksiyonlarını vb. içerir.
3. Asit ve baz katalizi
Birçok reaksiyondaki asitler ve bazlar katalizör görevi görür, yani reaksiyona katılırlar, kendileri tüketilmez (hidroliz, alkilasyon, esterifikasyon vb. Reaksiyonlar). Üç tip asit-baz katalizi vardır:
1) H + veya OH iyonlarının sırasıyla bir katalizör görevi gördüğü spesifik asit (bazik) katalizi;
2) herhangi bir proton verici (alıcı) tarafından gerçekleştirilen toplam asit (baz) katalizi;
3) Lewis asitleri ve bazları tarafından gerçekleştirilen elektrofilik (nükleofilik) kataliz.
Birinci dereceden oran sabiti k içindeki reaksiyon için tampon çözelti belki doğrusal fonksiyon[H + ], [OH - ], [AÇIK], [A - ], yani:
k \u003d k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH -] + k 3 [AÇIK] + k 4 [A -]
Bu ifadede k 0 -- tüm katalitik iyonların yokluğunda birinci dereceden hız sabiti: [H + ], [OH - ], [NA], [A - ], a k t -- katalitik katsayılar.
Sadece k 1 [H + ] terimi önemli bir rol oynuyorsa, o zaman reaksiyonun hidrojen iyonları tarafından spesifik katalizde kendini gösterdiğini söylüyorlar. Bir üye baskın ise k 3 [HA], reaksiyonun genel asit katalizine tabi olduğu söylenir. üye baskın ise k 4 [A - ] ise, reaksiyonun ortak bir baz katalizinin etkisine tabi olduğu söylenir.
Katalitik olmayan reaksiyon hızı düşük olduğunda spesifik asit-baz katalizi için (k 0 = 0) logaritmik biçimde temsil edilebilir:
Asidik çözeltiler için:
Alkali çözeltiler için:
Denklemler, spesifik asit-baz katalizi durumunda, hız sabitinin logaritmasının doğrusal olarak ortamın pH'ına bağlı olduğunu gösterir.
Hidrojen iyonlarının katalitik etkisinin mekanizması, bir protonun ara bileşiğinin ve orijinal maddenin bir molekülünün oluşmasıdır. Bu işlem nedeniyle, ilk maddede bulunan kimyasal bağlar gevşetilir, aktivasyon enerjisi azalır ve daha sonra protonlanmış BH + formu bir reaksiyon ürünü ve bir katalizöre ayrışır.
4. Karmaşık bileşikler tarafından katalize edilen homojen katalitik reaksiyonlar
Endüstriyel koşullar altında indirgeme, hidrojenasyon, oksidasyon, izomerizasyon, polimerizasyon reaksiyonları katalizörlerin varlığında gerçekleştirilir - karmaşık bileşikler(Fe, Co, Ni, Ru periyodik tablosunun VIII grubunun metal iyonları ve ayrıca Cu, Fg, Hg, Cr, Mn). Katalitik etkinin özü, metal iyonlarının elektron verici veya alıcı olarak hareket etmesi gerçeğinde yatmaktadır. Merkezi metal iyonu etrafında koordine edilen reaksiyona giren moleküller arasındaki kimyasal etkileşim, moleküllerin polarizasyonu ve bireysel bağların enerjisinde bir azalma ile kolaylaştırılır. Merkezi metal iyonu, reaksiyona giren moleküller arasındaki elektronik geçişleri kolaylaştıran bir köprüdür.
Bir metal iyonunun katalitik aktivitesi, iyonun reaksiyona katılanlarla olan bağlanma enerjisine bağlıdır. Bağlanma enerjisi yüksek veya düşükse, metal iyonu zayıf katalitik aktivite sergiler. İlk durumda, metal iyonları reaksiyona giren moleküllere o kadar güçlü bir şekilde bağlıdırlar ki reaksiyondan çıkarılırlar. İkinci durumda, reaksiyona giren moleküller, çözeltide bulunan diğer ligandların yerini alamaz. Aktif katalizör olmayan koordinasyona doymuş kompleksler elde edilir.
Kompleks katalizörlerin kompozisyonunun düzenlenmesindeki geniş olasılıklar nedeniyle, grup VIII elementlerinin iyonlarını içeren enzimleri içeren bir dizi reaksiyonu simüle etmek mümkün hale geldi.
5. Enzimatik kataliz
Enzimler en şaşırtıcı katalizörlerdir. Canlı organizmalardaki birçok reaksiyon bunlarla ilişkilidir ve bu nedenle genellikle biyolojik katalizörler olarak adlandırılırlar. Enzimatik kataliz, geleneksel katalizden daha karmaşık bir olgudur. Enzimatik kataliz süreçlerinin yüksek organizasyonu, özel bir kombinasyonla ilişkili canlı bir organizmadaki etkileşimin özelliği ile belirlenir. moleküler yapı enzimatik reaksiyonlarda reaktan olarak adlandırılan enzimler ve substratlar.
Enzimler proteinlerdir, yani. peptit bağlarıyla birbirine bağlanan amino asitlerden oluşur. Enzim molekülü, alternatif polar gruplara COOH, NH2 , NH, OH, SH, vb.'nin yanı sıra hidrofobik gruplara sahiptir. Bir enzimin birincil yapısı, çeşitli amino asitlerin değişim sırasına göre belirlenir. Termal kaotik hareketin bir sonucu olarak, enzim makromolekülü bükülür ve gevşek toplara sarılır. Polipeptit zincirinin ayrı bölümleri arasında moleküller arası etkileşim meydana gelir ve bu da hidrojen bağlarının oluşumuna yol açar. Enzimin ikincil yapısı gevşek bir ortam şeklinde görünür. Her enzim için ikincil yapı oldukça kesindir. Enzimin aktif katalitik merkezi, substrat moleküllerini belirli bir pozisyonda yönlendiren grupları içerir. Aktif merkez, yalnızca belirli bir yapıya sahip bir molekülü içerebilen bir matris gibidir. Enzimatik kataliz mekanizması, bir enzim-substrat kompleksi oluşturmak için enzimin aktif bölgelerinin substrat ile etkileşiminden oluşur, daha sonra birkaç dönüşüme uğrar ve bunun sonucunda bir reaksiyon ürünü ortaya çıkar. Ara adımların her biri, reaksiyonun hızlı ilerlemesine katkıda bulunan daha düşük bir aktivasyon enerjisi ile karakterize edilir. Bu, enzimlerin yüksek aktivitesini açıklar.
Enzimler, katalize ettikleri reaksiyon türüne göre sınıflara ayrılırlar: oksidoredüktazlar (redoks reaksiyonlarını katalize eder), transferazlar (kimyasal grupların bir bileşikten diğerine transferini katalize eder), hidrolazlar (hidroliz reaksiyonlarını katalize eder), liyazlar (çeşitli bağları kırar), izomerazlar (izomerik dönüşümler gerçekleştirir), ligazlar (sentez reaksiyonlarını katalize eder). Görülebileceği gibi, enzimler özgüllük ve seçicilik açısından farklılık gösterir. Bazıları belirli bir tipte bütün bir reaksiyon sınıfını katalize eder, bazıları ise sadece bir reaksiyonu katalize eder.
Birçok enzim metal iyonları (metal enzimleri) içerir. Metalloenzimlerde metal iyonları, enzimin aktif yapısını sağlayan şelat kompleksleri oluşturur. Değişken oksidasyon derecesine sahip metaller (Fe, Mn, Cu), elektronların oksitleyici ajana transferini gerçekleştirerek redoks reaksiyonlarına katılır. Düzinelerce biliniyor organik bileşikler hidrojen ve elektron taşıma işlevlerini yerine getiren . Vitamin türevleri içerirler.
Ağır metal iyonları (Ag + , Hg + , Pb 2+) aktif enzim gruplarını bloke edebilir.
Çeşitli enzimlerin etkisini değerlendirmek için, dakikada bir enzim molekülünün etkisi altında dönüştürülen substrat moleküllerinin sayısı ile belirlenen moleküler aktivite kavramı tanıtıldı. Bilinen enzimlerin en aktifi, moleküler aktivitesi dakikada ~36 milyon molekül olan karbonik anhidrazdır.
Bir enzim tarafından katalize edilen reaksiyonun hızı, enzimin konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Düşük bir substrat konsantrasyonunda, reaksiyon substrata göre birinci derecedendir. Yüksek konsantrasyonlarda, reaksiyon hızı sabit kalır ve reaksiyon sırası sıfır olur (enzim substrat ile tamamen doymuştur). Reaksiyon hızı ortamın sıcaklığına ve asitliğine bağlıdır.
Enzimatik kataliz, yaşamın tüm tezahürlerinde büyük bir rol oynar. Konuşuyoruz canlılar hakkında. Vücudun hayati aktivitesini arttırmak ve metabolizmayı iyileştirmek için, olarak kullanılan birçok enzim preparatı oluşturulmuştur. ilaçlar. Enzim müstahzarları, yetersiz sindirim enzimi üretimi ile ilişkili gastrointestinal sistem işlevinin ihlalleri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle bazı gastrit formlarında pepsin veya pankreatin preparatları kullanılır. Enzimler ayrıca, büyük miktarlarda biriken protein oluşumlarını yok etmenin gerekli olduğu durumlarda (yanıklar, pürülan yaralar, akciğerlerin pürülan iltihaplı hastalıkları vb. için) başarıyla kullanılır. Bu durumlarda, proteinlerin hızlı hidrolizine yol açan ve pürülan birikimlerin emilimini kolaylaştıran protolitik enzimler kullanılır. Mutluluğun tedavisi için bulaşıcı hastalıklar Bazı patojenik bakterilerin kabuğunu yok eden lizozim müstahzarları kullanılır. Kan pıhtılarını (kan damarlarındaki kan pıhtılarını) çözen enzimler çok önemlidir. Bu, kanda bulunan plazmindir; pankreas enzimleri - tripsin ve kimotripsin. Temel olarak, çeşitli katkı maddeleri ile tıbbi enzim preparatları oluşturulmuştur - streptokinaz, streptaz ve tıpta kullanılan diğerleri.
6. Heterojen kataliz
Arayüzde heterojen kataliz gerçekleştirilir. İlk gözlemlenen heterojen katalitik reaksiyon, Priestley (1778) etil alkolün aktif kil üzerinde dehidrasyonu ile gerçekleştirildi:
C2H5OH -- C2H4 + H2O
19. yüzyılın ilk yarısında, heterojen katalize çok sayıda çalışma ayrıldı. Bir katının katalitik etkisinin teorik açıklamasına birçok çalışma ayrılmıştır. Gelecekte, doktrinin gelişimi, hem deneysel verileri biriktirme, katalizör hazırlama yöntemleri geliştirme, yeni katalitik süreçleri keşfetme ve inceleme, kimya endüstrisine katalizi tanıtma yolunda hem de heterojen kataliz teorisini geliştirme yolunda ilerlemiştir. . Ancak teorisyenlerin başarısı, deneycilerin başarısından çok daha mütevazıydı. Ve bu tesadüf değil.
Her ikisi de kimyasal kinetik yasalarına uyan katalitik ve katalitik olmayan işlemler arasında temel bir fark olmamasına rağmen, her iki durumda da reaksiyona giren maddeler sistemi bazı özel aktif durumdan geçer, heterojen katalitik reaksiyonlarda belirli özellikler gözlenir. Her şeyden önce, özelliklerine bir bütün olarak esasen bağlı olan katı bir cisim ortaya çıkar. Bu nedenle, heterojen kataliz teorisindeki ilerlemelerin, katılar teorisinin gelişimi ile ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olması tesadüf değildir. İşlem yüzeyde ilerlediğinden, katalizör yüzeyinin yapısı bilgisi, kataliz teorisinin gelişimi için belirleyicidir. Bundan, kataliz teorisinin gelişimi ile adsorpsiyon fenomeninin deneysel ve teorik çalışmasının gelişimi arasında yakın bir bağlantı gelir. Heterojen süreçlerin karmaşıklığı ve içsel özgüllüğü, bu alandaki teorik araştırmaların henüz tamamlanmamış olmasına yol açmaktadır. Buraya kadar, ilk yaklaşımda belirli deneysel gerçekleri genelleştiren birkaç teorik kavramın varlığından bahsedebiliriz.
Uygulamada, en sık iki tür heterojen kataliz ile karşılaşılır:
1) katalizörü katı fazda olan işlemler ve reaktanlar sıvı fazdadır;
2) katalizörü katı fazda olan işlemler ve reaktanlar gaz fazındadır. Reaksiyon, kural olarak, faz sınırında meydana gelir (ve bazı çok aşamalı süreçlerde başlar), yani. katı bir gövdenin yüzeyinde - bir katalizör.
Heterojen süreç beş aşamaya ayrılabilir:
1) reaktanların katalizör yüzeyine taşınması (difüzyon);
2) katalizör yüzeyinde reaktanların adsorpsiyonu;
3) yüzeyde reaksiyon;
4) katalizör yüzeyinin serbest bırakılmasıyla reaksiyon ürünlerinin desorpsiyonu;
5) reaksiyon ürünlerinin hacme taşınması (difüzyon).
Sürecin koşullarına ve özelliklerine bağlı olarak, beş aşamadan herhangi biri en yavaş olabilir ve sonuç olarak katalitik sürecin hızı bunlardan herhangi biri tarafından sınırlandırılabilir. Katalizörlerin etkinliğinin karşılaştırmalı bir değerlendirmesi için belirleyici faktör, yüzeydeki reaksiyon hızıdır. Bu nedenle, katalizörün etkinliğinin değerini elde etmenin önemli olduğu durumlarda, işlemi, hızın ikinci, sözde kinetik aşama tarafından belirleneceği şekilde yürütmeye çalışırlar.
Adsorpsiyon ve desorpsiyon kendi yasalarına sahiptir.Adsorpsiyon, bir maddenin arayüzey üzerindeki konsantrasyonunun kendiliğinden değişmesi sürecidir. Yüzeyde adsorpsiyonu gerçekleşen maddeye denir. adsorban. Adsorban denir adsorbat. Heterojen katalizde, adsorban katalizördür ve adsorbat, reaktantın (substrat) molekülüdür. Substratın katalizör üzerine adsorpsiyonu, yüzeyde bulunan katalizörün molekülleri (atomları) ile substratın molekülleri (fiziksel adsorpsiyon) arasında ortaya çıkan etkileşim kuvvetleri nedeniyle gerçekleştirilebilir. Katalizörün molekülleri (atomları) ile reaktantın molekülleri arasında bir kimyasal etkileşim (kimyasal adsorpsiyon veya kimyasal adsorpsiyon) meydana gelebilir. Adsorpsiyon sonucunda sistemin sıralaması artar, sistemin enerjisi azalır ve reaksiyonun aktivasyon enerjisi azalır.
Heterojen süreçler için, bir maddenin bir sıvı veya gazın iç hacminden katı bir yüzeye hareketi özellikle önemlidir. Kütle aktarım süreçleri difüzyon yasalarına uyar.
Çözüm
Petrol arıtma ve petrokimyada katalizörlerin ve katalitik süreçlerin önemi göz ardı edilemez. Ne de olsa, modern insan toplumunun ihtiyaçlarını karşılamanın en önemli alanlarındaki teknik ilerlemenin temelidir. Önemli olan, her şeyden önce, çeşitli alanlardan gelen petrolün genellikle benzine karşılık gelen hafif kaynayan fraksiyonların yalnızca %5 ila %20'sini içermesidir. Benzin talebi modern gelişme Kara ve hava ulaşımı çok büyük. Aynı zamanda, doğrudan yağdan damıtılan motor yakıtlarının genellikle kalitesiz olduğu ortaya çıkıyor. Katalitik parçalama ve reformasyonun diğer modern işleme yöntemleriyle birlikte kullanılması, yüksek derecede aktif benzinlerin verimini yağ ağırlığının %75'ine kadar artırmayı mümkün kılar. Motor yakıtları ayrıca metal katalizörler kullanılarak kömürün katalitik hidrojenasyonu ile elde edilir.
Hidrokarbonların metal ve oksit katalizörler üzerinde daha fazla katalitik işlenmesi, tüketim mallarının üretiminde gerekli olan ara ürünlerin elde edilmesini mümkün kılar. Bunlardan türetilen çoğu monomer ve polimer, hidrokarbonların ve petrol, kömür, şeyl ve doğal gazdan elde edilen türevlerinin işlenmesi için katalitik süreçlerin ürünleridir. Katalitik süreçler, tıbbi maddeler için deterjan ve boyaların üretiminde önemli bir rol oynamaktadır.
Ara ürünler (ve organik teknoloji ürünleri) veren ana organik sentez, esas olarak katalitik reaksiyonlara dayanır. Büyük önem hayatta modern toplum gibi kimya endüstrisinin ürünlerine sahip sülfürik asit, amonyak ve Nitrik asit. Hemen hemen tüm endüstriler Ulusal ekonomi bu maddeleri veya diğerlerini tüketin kimyasal bileşikler onların yardımıyla elde edilir. Temel olarak, on milyonlarca ton mineral gübre üretilir, bunlar olmadan tarlaların verimini artırmak ve hatta korumak imkansızdır. Kimya, petrokimya, gıda, hafif ve diğer sektörlerdeki yüzlerce endüstri sülfürik, nitrik asitler, amonyak ve türevlerini kullanır. Bu bileşikler ayrıca metalurji ve metal işleme endüstrilerinde de kullanılmaktadır.
Bu arada, amonyaktan büyük ölçekli sülfürik asit, amonyak ve nitrik asit üretimi, ancak uygun katalizörlerin keşfi ve bunların kullanım yöntemlerinin geliştirilmesi sayesinde mümkün oldu.
Kullanılan kaynakların listesi
1) A.P. Belyaev. Fiziksel ve kolloid kimyası. M.: GOETAR-Medya, 2008
2) I.P. Muhlenov. Katalizör teknolojisi. M.: Kitapçı, 2007
3) Kimya ansiklopedisi. -- M.: Sovyet Ansiklopedisi, 1990.
4) Imyanitov N.S. Metal kompleks katalizinde çeşitli katalizör sistemleri. // Koordinasyon kimyası. 1984.
Benzer Belgeler
Metal kompleks kataliz sürecinin özü ve özellikleri. Katalitik aktiviteyi belirleyen metal komplekslerinin özellikleri. Enzimatik katalizin modellenmesi. Metal kompleks katalizinin uygulamaları, avantajları ve dezavantajları.
rapor, eklendi 03/16/2015
Homojen katalizin genel teorileri. Kataliz işleminin aşamaları ve reaksiyon hızı. Çeşitli miktarlarda Fe2+ katalizörü varlığında hidrojen peroksitin orantısızlaştırılmasının katalitik reaksiyonunun kinetiği, pH'ın reaksiyon hızı üzerindeki etkisi.
deneme, 18.09.2012 eklendi
Kimyasal reaksiyon hızının belirlenmesi. Katalitik reaksiyonların keşfi, kavramı ve türleri. Kataliz fenomeni, fiziksel ve kimyasal yönleriyle ilgili önde gelen kimya figürlerinin görüşleri. Heterojen kataliz mekanizması. Biyokimyada enzimatik kataliz.
özet, 14/11/2010 eklendi
Kataliz, katalizör ve katalitik süreç kavramları, çeşitli tanımları. Katalizörler tarafından reaksiyonların hızlandırılması için mekanizmalar. Kimyasal (biyolojik olmayan) kataliz. Sülfürik asidin katılımıyla alkolden dietil eter sentezi. Kataliz teorileri.
özet, 26/01/2009 eklendi
Metal katalizörler, heterojen katalizin karışık ve çok işlevli katalizörleri. Katalizör gereksinimleri. Heterojen kataliz teorileri. Multipleks ve elektronik teori. Aktif topluluklar teorisi. Doğal gaz işlemede kataliz.
dönem ödevi, eklendi 05/06/2014
Katalizin tanımı ve endüstrideki rolü. "Kimyasal reaksiyon mekanizması" kavramı hakkında seçicilik ve genel fikirler. Katalitik sistemlerin fazlarına ve reaksiyon türlerine göre sınıflandırılması. Endüstriyel katalizörler için adsorpsiyon ve temel gereksinimler.
özet, 26/01/2009 eklendi
Arenediazonyum tuzlarını kaynatma yöntemleri. Fenollerin termodinamik asitliğinin analizi. Fenol asilasyonu, asit katalizi ve fenoksiasetik asit karakterizasyonu. Fenoksiasetik asit elde etmek için bir yöntem olan Kolbe-Schmitt reaksiyonunun özellikleri.
test, 28.03.2012 eklendi
Termokimyanın konusu, kimyasal reaksiyonların termal etkilerinin incelenmesi. Kimyasal kinetik ve kataliz işlem türleri. Reaksiyonun entalpisi (termal etki). Tepkime hızı, kütle etkisi yasası. Devamlı kimyasal Denge, katalizörün etkisi.
sunum, 19/10/2014 eklendi
Enzimler (enzimler), laktik asit ürünlerinin üretiminde kullanılan biyolojik katalizörlerdir. Enzimlerin isimlendirilmesi için uluslararası kurallar. Enzimler sadece küresel proteinler olabilir. Protein yapı seviyeleri. Enzimatik katalizin kinetiği.
özet, 26/01/2009 eklendi
Biyolojik katalizör kavramı, enzimlerin canlı sistemlerdeki etkisi ve sınıflandırılması. Biyolojik katalizörlerin aktivitesini etkileyen faktörler. Koenzim adı verilen maddeler. Enzimatik katalizin kinetiği, Michaelis-Menten denklemi.
Bu yazıda katalitik reaksiyonlar ele alınacaktır. Okuyucuya genel bir katalizör fikri ve bunların sistem üzerindeki etkisi tanıtılacak ve reaksiyon türleri, seyrinin özellikleri ve çok daha fazlası açıklanacaktır.
katalize giriş
Katalitik reaksiyonlarla tanışmadan önce, katalizin ne olduğunu bilmeye değer.
Bir katalizöre maruz kalan belirli bir termodinamik olarak izin verilen reaksiyon yönünü hızlandırmanın seçici bir işlemidir. Kimyasal nitelikteki etkileşime tekrar tekrar dahil edilir ve reaksiyona katılanlar üzerinde etkisi vardır. Ara nitelikteki herhangi bir döngünün sonunda, katalizör orijinal formuna geri döner. Katalizör kavramı, 1835'te J. Barzelius ve Jens tarafından dolaşıma sokuldu.
Genel bilgi
Kataliz doğada yaygın olarak bulunur ve teknolojik endüstride insanlar tarafından yaygın olarak kullanılır. Endüstride kullanılan tüm reaksiyonların baskın sayısı katalitiktir. Bir otokataliz kavramı vardır - hızlandırıcının bir reaksiyon ürünü olarak hareket ettiği veya başlangıç bileşiklerinin bir parçası olduğu bir fenomen.
Reaksiyona giren maddelerin her türlü kimyasal etkileşimi, katalitik ve katalitik olmayan reaksiyonlara ayrılır. Katalizör içeren reaksiyonların hızlanmasına pozitif kataliz denir. Etkileşim hızının yavaşlaması, inhibitörlerin katılımıyla ilerler. Reaksiyonlar doğada negatif katalitiktir.
Katalitik reaksiyon, yalnızca üretkenliği artırmanın bir yolu değil, aynı zamanda ortaya çıkan ürünün kalitesini artıran bir fırsattır. Bunun nedeni, özel olarak seçilmiş bir maddenin ana reaksiyonu hızlandırma ve paralel olanların hızını yavaşlatma yeteneğidir.
Katalitik reaksiyonlar ayrıca aparatı tüketen enerji maliyetini de azaltır. Bunun nedeni, hızlanmanın, onsuz gerekli olan, işlemin daha düşük bir sıcaklıkta ilerlemesine izin vermesidir.
Katalitik reaksiyonun bir örneği, nitrik asit, hidrojen, amonyak vb. Gibi değerli şeylerin üretilmesidir. Bu işlemler en çok aldehitlerin, fenolün, çeşitli plastiklerin, reçinelerin ve kauçukların vb. üretiminde kullanılır.
Çeşitli reaksiyonlar
Katalizin özü, reaksiyon mekanizmasının en karlı seçeneğe aktarılmasında yatmaktadır. Bu, aktivasyon enerjisindeki bir azalma nedeniyle mümkün olur.
Katalizör zayıf bir Kimyasal bağ belirli bir reaktant molekülü ile Bu, başka bir reaktifle reaksiyonu kolaylaştırmayı mümkün kılar. Katalitik olan maddeler, her iki yönde de tersinir olarak hareket ettikleri için kimyasal dengedeki değişimi etkilemezler.
Kataliz iki ana tipe ayrılır: homojen ve heterojen. Birinci tipteki tüm etkileşimlerin ortak bir özelliği, reaksiyonun kendisinin reaktanı ile ortak bir fazda bir katalizörün bulunmasıdır. İkinci tip bu noktada farklılık gösterir.
Homojen katalitik reaksiyonlar bize hızlandırıcının belirli bir madde ile etkileşime girerek bir ara bileşik oluşturduğunu gösterir. Bu, aktivasyon için gereken enerji miktarını daha da azaltacaktır.
Heterojen kataliz süreci hızlandırır. Genellikle yüzeyde sızıntılar katılar. Sonuç olarak, katalizörün yetenekleri ve aktivitesi, yüzeyin boyutuna göre belirlenir ve bireysel özellikler. Heterojen bir katalitik reaksiyon, homojen olandan daha karmaşık bir çalışma mekanizmasına sahiptir. Mekanizması, her biri tersine çevrilebilen 5 aşama içerir.
İlk aşamada, etkileşen reaktiflerin katının alanına difüzyonu başlar, daha sonra fiziksel bir yapının adsorpsiyonu, ardından kimyasal adsorpsiyon meydana gelir. Sonuç olarak, reaksiyonun reaksiyona giren maddelerin molekülleri arasında ilerlemeye başladığı üçüncü aşama meydana gelir. Dördüncü aşamada, ürünün desorpsiyonu gözlenir. Beşinci aşamada, nihai maddenin katalizör düzleminden genel akışlara difüzyonu gerçekleşir.
katalitik malzemeler
Katalizör taşıyıcı kavramı vardır. Kataliz fazına katılan partikülü kararlı bir duruma getirmek için gerekli olan, inert veya düşük aktif tipte bir malzemedir.
Aktif bileşenlerin sinterleme ve aglomerasyon süreçlerini önlemek için heterojen hızlanma gereklidir. Geçerli vaka sayısında, taşıyıcıların miktarı, aktif türün biriktirilmiş bileşeninin varlığını aşmaktadır. Bir taşıyıcının sahip olması gereken gereksinimlerin ana listesi şunları içerir: geniş alan ve yüzey gözenekliliği, termal yapının kararlılığı, eylemsizlik ve mekanik strese karşı direnç.
Kimyasal baz. Maddeler arasındaki etkileşim akışını hızlandırma kimyası, katalizörler ve inhibitörler olmak üzere iki tür maddeyi ayırt etmemizi sağlar. İkincisi, sırayla, reaksiyonun hızını yavaşlatır. Katalizör türlerinden biri enzimlerdir.
Katalizörler, reaksiyonun ürünü ile stokiyometrik olarak etkileşime girmez ve sonunda her zaman yeniden üretilir. Modern zamanlarda, moleküler aktivasyon sürecini etkilemenin birçok yolu vardır. Ancak kimyasal üretimin temeli katalizdir.
Katalizörlerin doğası, homojen, heterojen, arayüzey, enzimatik ve misel olarak ayrılmalarına izin verir. Bir katalizörün katılımıyla bir kimyasal reaksiyon, aktivasyonu için gereken enerjiyi azaltacaktır. Örneğin, NH3'ün nitrojen ve hidrojene katalitik olmayan ayrışması için yaklaşık 320 kJ/mol gerekir. Aynı reaksiyon platinin etkisi altında bu sayıyı 150 kJ/mol'e indirecektir.
hidrojenasyon işlemi
Katalizörleri içeren reaksiyonların baskın sayısı, bir hidrojen atomunun ve belirli bir molekülün aktivasyonuna dayanır ve bu da daha sonra kimyasal nitelikte bir etkileşime yol açar. Bu fenomene hidrojenasyon denir. Petrol rafinasyonu ve kömürden sıvı yakıt yaratılması aşamalarının çoğunun temelini oluşturur. İkincisinin üretimi, ülkedeki petrol yataklarının olmaması nedeniyle Almanya'da açıldı. Böyle bir yakıtın yaratılmasına Bergius süreci denir. Hidrojen ve kömürün doğrudan kombinasyonundan oluşur. Kömür, belirli bir basınç ve hidrojen varlığı koşulları altında ısıtmaya tabi tutulur. Sonuç olarak, sıvı tip bir ürün oluşur. Katalizörler demir oksitlerdir. Ancak bazen molibden ve kalay gibi metal bazlı maddeler de kullanılır.
Aynı yakıtı elde etmenin Fischer-Tropsch süreci olarak adlandırılan başka bir yolu daha var. İki aşamadan oluşur. İlk aşamada kömür, su buharı ve O 2 etkileşimi ile işlenerek gazlaştırma işlemine tabi tutulur. Bu reaksiyon, bir hidrojen karışımı ve karbon monoksit oluşumuna yol açar. Ayrıca, katalizörlerin yardımıyla ortaya çıkan karışım, sıvı yakıt durumuna aktarılır.
Asitlik ve katalitik kapasite arasındaki ilişki
Katalitik bir reaksiyon, aşağıdakilere bağlı olan bir olgudur. asit özellikleri katalizörün kendisi. J. Bronsted'in tanımına göre asit, proton verebilen bir maddedir. Güçlü bir asit, protonunu bir baza kolayca verir. G. Lewis, bir asidi, verici maddelerden elektron çiftlerini kabul edebilen ve bunun sonucunda bir kovalent bağ oluşturabilen bir madde olarak tanımladı. Bu iki fikir, insanın kataliz mekanizmasının özünü belirlemesine izin verdi.
Bir asidin gücü, bir proton eklenmesi nedeniyle renklerini değiştirebilen baz setleri kullanılarak belirlenir. Endüstride kullanılan bazı katalitik ajanlar son derece güçlü asitler gibi davranabilir. Güçleri protonasyon oranını belirler ve bu nedenle çok önemli bir özelliktir.
Katalizörün asidik aktivitesi, hidrokarbonlarla reaksiyona girme ve böylece bir ara ürün - karbenyum iyonu oluşturma kabiliyetinden kaynaklanmaktadır.
hidrojen giderme işlemi
Dehidrojenasyon aynı zamanda bir katalitik reaksiyondur. Genellikle çeşitli endüstrilerde kullanılır. Dehidrojenasyona dayalı katalitik prosesler, hidrojenasyon reaksiyonlarından daha az sıklıkla kullanılmasına rağmen, yine de önemli bir yer tutarlar. insan aktivitesi. Bu tip katalitik reaksiyona bir örnek, önemli bir monomer olan stiren üretimidir. Başlangıç olarak, demir oksit içeren maddelerin katılımıyla etilbenzenin dehidrojenasyonu meydana gelir. İnsan genellikle bu fenomeni birçok alkanı dehidrojene etmek için kullanır.
çift eylem
Aynı anda iki tip reaksiyonu hızlandırabilen çift etkili katalizörler vardır. Sonuç olarak, reaktanları sırayla sadece bir tip katalizör içeren 2 reaktörden geçirmeye kıyasla daha iyi sonuçlara yol açarlar. Bunun nedeni, çift etkili hızlandırıcının aktif bölgesinin, ara ürün ile olduğu kadar başka bir benzer site ile yakın bir konumda olmasıdır. Örneğin, hidrojeni aktive eden katalizörleri, hidrokarbon izomerizasyonu işleminin ilerlemesine izin veren bir madde ile birleştirerek iyi bir sonuç elde edilir. Aktivasyon genellikle metaller tarafından gerçekleştirilir ve izomerizasyon asitlerin katılımıyla ilerler.
Ana katalitik reaksiyonların özgüllüğü
Katalizörün yeteneği ve verimliliği de temel özelliklerine göre belirlenir. Çarpıcı bir örnek, sabun üretmek için yağların hidrolizi sırasında kullanılan sodyum hidroksittir. Bu tip katalizörler ayrıca köpük ve poliüretan levhaların üretiminde de kullanılmaktadır. Üretan, alkol ve izosiyanatın etkileşimi sırasında elde edilir. Reaksiyonun hızlanması, belirli bir bazik amine maruz kaldığında meydana gelir. Baz, izosiyanat molekülünde bulunan karbon atomuna bağlıdır. Sonuç olarak, nitrojen atomu negatif yüklü hale gelir. Bu, alkolle ilgili aktivitede bir artışa yol açar.
Stereospesifik polimerizasyon
Önemli tarihsel anlam kataliz çalışmalarının tarihinde, olefinlerin polimerizasyonunun keşfi, ardından stereo-düzenli polimerik maddelerin üretimi vardır. Stereospesifik polimerizasyon ile karakterize edilen katalizörlerin keşfi K. Ziegler'e aittir. Ziegler'in polimerlerin elde edilmesiyle ilgili çalışması, polimer benzersizliğinin stereodüzenliliği ile belirlenmesi gerektiğini öne süren J. Natta ile ilgilendi. Kırınıma tabi tutulan X-ışınlarını içeren çok sayıda deney, bir Ziegler katalizörünün etkisi altında propilenden elde edilen polimerin oldukça kristalli olduğunu kanıtlamıştır. Eylemin etkisi doğada stereo-düzenlidir.
Bu tip reaksiyonlar, Ti, Cr, V, Zr gibi geçiş metalleri içeren katı bir katalizörün düzleminde gerçekleşir. Eksik oksidasyonda olmalıdırlar. Etkileşen TiCl4 ve Al(C2H 5)3 arasındaki, bir çökeltinin oluştuğu katalitik reaksiyon denklemi bunun canlı bir örneğidir. Burada titanyum 3 değerlikli bir duruma indirgenir. Bu tip aktif sistem, propilenin polimerize edilmesini mümkün kılar. normal koşullar sıcaklık ve basınç.
Katalitik reaksiyonda oksidasyon
Katalitik oksidasyon reaksiyonları, belirli maddelerin reaksiyonun hızını düzenleme yeteneğinden dolayı insanlar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. CO ve hidrokarbon içeren kirleticilerin nötralizasyonu gibi bazı uygulamalar tam oksidasyon gerektirir. Bununla birlikte, reaksiyonların büyük çoğunluğu eksik oksidasyon gerektirir. Bu, endüstriyel olarak değerli, ancak belirli ve önemli bir ara grup içerebilen ara ürünler elde etmek için gereklidir: COOH, CN, CHO, C-CO. Bu durumda, bir kişi hem heterojen hem de monojenik tipte katalizörler kullanır.
Kimyasal reaksiyonların seyrini hızlandırabilen tüm maddeler arasında oksitlere önemli bir yer verilir. Çoğunlukla katı haldedir. Oksidasyon süreci 2 aşamaya ayrılmıştır. İlk aşamada oksijen oksit, adsorbe edilen oksidin hidrokarbon molekülü tarafından yakalanır. Sonuç olarak, oksit indirgenir ve hidrokarbon oksitlenir. Yenilenen oksit, O2 ile etkileşir ve orijinal durumuna geri döner.