Chemija yra mokslas apie medžiagas ir jų transformacijas bei jų gavimo būdus. Net ir įprastoje mokyklos programoje atsižvelgiama į tokį svarbų klausimą kaip reakcijų tipai. Klasifikuojant, su kuriuo mokiniai supažindinami pradiniame lygmenyje, atsižvelgiama į oksidacijos laipsnio pokytį, eigos fazę, proceso mechanizmą ir kt. Be to, visi cheminiai procesai skirstomi į nekatalizinius ir katalizinius. reakcijos. Įprastame gyvenime žmogus susiduria su transformacijų, vykstančių dalyvaujant katalizatoriui, pavyzdžiais: fermentacija, skilimas. Nekatalizinės transformacijos mums yra daug retesnės.
Kas yra katalizatorius
Tai cheminė medžiaga, kuri gali keisti sąveikos greitį, bet pati joje nedalyvauja. Tuo atveju, kai procesas pagreitinamas katalizatoriaus pagalba, kalbame apie teigiamą katalizę. Jei į procesą įtraukta medžiaga sumažina reakcijos greitį, ji vadinama inhibitoriumi.
Katalizės tipai
Homogeninė ir nevienalytė katalizė skiriasi faze, inkuriose yra pradinės medžiagos. Jei pradiniai komponentai, paimti sąveikai, įskaitant katalizatorių, yra toje pačioje agregacijos būsenoje, vyksta homogeninė katalizė. Tuo atveju, kai reakcijoje dalyvauja skirtingų fazių medžiagos, vyksta nevienalytė katalizė.
Veiksmų selektyvumas
Katalizė nėra tik įrangos našumo didinimo priemonė, ji turi teigiamą poveikį gaunamų produktų kokybei. Šį reiškinį galima paaiškinti tuo, kad dėl daugumos katalizatorių selektyvaus (selektyvaus) veikimo pagreitėja tiesioginė reakcija, sumažėja šalutinių procesų. Galų gale, gauti produktai yra labai gryni, nereikia toliau valyti medžiagų. Katalizatoriaus veikimo selektyvumas leidžia realiai sumažinti žaliavų ne gamybos sąnaudas ir gauti gerą ekonominę naudą.
Katalizatoriaus naudojimo gamyboje pranašumai
Kas dar būdinga katalizinėms reakcijoms? Įprastos vidurinės mokyklos pavyzdžiai rodo, kad katalizatoriaus naudojimas leidžia procesą atlikti žemesnėje temperatūroje. Eksperimentai patvirtina, kad naudojant jį galima žymiai sumažinti energijos sąnaudas. Tai ypač svarbu šiuolaikinėmis sąlygomis, kai pasaulyje trūksta energijos išteklių.
Katalizatoriaus gamybos pavyzdžiai
Kokioje pramonėje naudojamos katalizinės reakcijos? Tokios produkcijos pavyzdžiai:azoto ir sieros rūgščių, vandenilio, amoniako, polimerų gamyba, naftos perdirbimas. Katalizė plačiai naudojama organinių rūgščių, monohidroksilių ir daugiahidročių alkoholių, fenolio, sintetinių dervų, dažiklių ir vaistų gamyboje.
Kas yra katalizatorius
Daugelis medžiagų, kurios yra periodinėje Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo cheminių elementų lentelėje, taip pat jų junginiai gali veikti kaip katalizatoriai. Tarp labiausiai paplitusių greitintuvų yra: nikelis, geležis, platina, kob altas, aliuminio silikatai, mangano oksidai.
Katalizatorių ypatybės
Nr.
Pagal fazės būseną katalizinės homogeninės reakcijos skirstomos į dujinę ir skystąją.
Pažvelkime į šių tipų reakcijas atidžiau. Tirpaluose vandenilio katijonai H+, hidroksido bazių jonai OH-, metalų katijonai M+ ir medžiagos, prisidedančios prie laisvųjų radikalų susidarymo, veikia kaip cheminės transformacijos greitintuvas.
Katalizės esmė
Rūgščių ir bazių sąveikos katalizės mechanizmas yra tas, kad vyksta mainai tarp sąveikaujančių medžiagų ir katalizatoriaus teigiamų jonų (protonų). Šiuo atveju vyksta intramolekulinės transformacijos. Pagal šitąreakcijos vyksta taip:
- dehidratacija (vandens atsiskyrimas);
- hidratacija (vandens molekulių prijungimas);
- esterinimas (esterių susidarymas iš alkoholių ir karboksirūgščių);
- polikondensacija (polimero susidarymas pašalinus vandenį).
Katalizės teorija paaiškina ne tik patį procesą, bet ir galimas šalutines transformacijas. Heterogeninės katalizės atveju proceso greitintuvas sudaro nepriklausomą fazę, kai kurie reagentų paviršiaus centrai turi katalizinių savybių arba dalyvauja visas paviršius.
Taip pat vyksta mikroheterogeninis procesas, apimantis koloidinės būsenos katalizatoriaus buvimą. Šis variantas yra pereinamoji būsena nuo homogeninės iki nevienalytės katalizės. Dauguma šių procesų vyksta tarp dujinių medžiagų, naudojant kietuosius katalizatorius. Jie gali būti granulių, tablečių, grūdelių pavidalo.
Katalizės pasiskirstymas gamtoje
Fermentinė katalizė gamtoje yra gana plačiai paplitusi. Būtent su biokatalizatorių pagalba vyksta b altymų molekulių sintezė, vyksta medžiagų apykaita gyvuose organizmuose. Ne vienas biologinis procesas, vykstantis dalyvaujant gyviems organizmams, neapeina katalizinių reakcijų. Gyvybinių procesų pavyzdžiai: organizmui būdingų b altymų sintezė iš aminorūgščių; riebalų, b altymų, angliavandenių skaidymas.
Katalizės algoritmas
Panagrinėkime katalizės mechanizmą. Šis procesas, vykstantis ant poringų kietų cheminės sąveikos greitintuvų, apimasau keletą pagrindinių etapų:
- sąveikaujančių medžiagų difuzija į katalizatoriaus grūdelių paviršių nuo srauto šerdies;
- reagentų difuzija katalizatoriaus porose;
- chemisorbcija (aktyvuota adsorbcija) cheminės reakcijos greitintuvo paviršiuje, kai atsiranda cheminių paviršiaus medžiagų – aktyvuotų katalizatoriaus ir reagento kompleksų;
- atomų pertvarkymas, atsirandant paviršiaus deriniams „katalizatorius-produktas“;
- difuzija produkto reakcijos greitintuvo porose;
- produkto difuzija nuo reakcijos greitintuvo grūdelių paviršiaus į šerdies srautą.
Katalizinės ir nekatalizinės reakcijos yra tokios svarbios, kad mokslininkai daugelį metų tęsė šios srities tyrimus.
Taikant homogeninę katalizę, nereikia statyti specialių konstrukcijų. Fermentinė katalizė heterogeninėje versijoje apima įvairios ir specifinės įrangos naudojimą. Jo tekėjimui sukurti specialūs kontaktiniai aparatai, suskirstyti pagal kontaktinį paviršių (vamzdeliuose, ant sienų, katalizatoriaus tinkleliai); su filtro sluoksniu; pasvertas sluoksnis; su judančiu pulverizuotu katalizatoriumi.
Šilumos mainai įrenginiuose įgyvendinami įvairiais būdais:
- naudojant nuotolinius (išorinius) šilumokaičius;
- kontaktiniame aparate įmontuotų šilumokaičių pagalba.
Analizuojant chemijos formules, galima rasti ir tokių reakcijų, kuriose katalizatorius yra vienas iš galutinių produktų, susidarančių cheminės sąveikos metuoriginalūs komponentai.
Tokie procesai paprastai vadinami autokataliziniais, pats reiškinys chemijoje vadinamas autokatalize.
Daugelio sąveikų greitis yra susijęs su tam tikrų medžiagų buvimu reakcijos mišinyje. Jų formulės chemijoje dažniausiai praleidžiamos, pakeičiamos žodžiu „katalizatorius“arba jo sutrumpinta versija. Jie neįtraukiami į galutinę stereocheminę lygtį, nes pasibaigus sąveikai jie nesikeičia kiekybiniu požiūriu. Kai kuriais atvejais pakanka nedidelio medžiagų kiekio, kad būtų galima reikšmingai paveikti proceso greitį. Taip pat gana priimtinos situacijos, kai pats reakcijos indas veikia kaip cheminės sąveikos greitintuvas.
Katalizatoriaus poveikio keičiant cheminio proceso greitį esmė yra ta, kad ši medžiaga yra įtraukta į aktyvaus komplekso sudėtį, todėl keičia cheminės sąveikos aktyvinimo energiją.
Kai šis kompleksas suyra, katalizatorius regeneruojamas. Esmė ta, kad ji nebus išleista, o pasibaigus sąveikai liks tokia pati. Būtent dėl šios priežasties reakcijai su substratu (reaguojančia medžiaga) atlikti visiškai pakanka nedidelio veikliosios medžiagos kiekio. Realiai cheminių procesų metu katalizatorių vis dar suvartojama nežymiai, nes galimi įvairūs šalutiniai procesai: jo apsinuodijimas, technologiniai nuostoliai, kieto katalizatoriaus paviršiaus būklės pasikeitimas. Chemijos formulėse nėra katalizatoriaus.
Išvada
Reakcijos, kuriose dalyvauja veiklioji medžiaga (katalizatorius), supa žmogų, be to, jos vyksta ir jo organizme. Homogeninės reakcijos yra daug rečiau nei nevienalytės sąveikos. Bet kuriuo atveju pirmiausia susidaro tarpiniai kompleksai, kurie yra nestabilūs, palaipsniui sunaikinami, stebimas cheminio proceso greitintuvo regeneracija (atsistatymas). Pavyzdžiui, kai metafosforo rūgštis reaguoja su kalio persulfatu, vandenilio jodo rūgštis veikia kaip katalizatorius. Kai jo pridedama prie reagentų, susidaro geltonas tirpalas. Artėjant proceso pabaigai spalva palaipsniui išnyksta. Šiuo atveju jodas veikia kaip tarpinis produktas, o procesas vyksta dviem etapais. Tačiau kai tik susintetinama metafosforo rūgštis, katalizatorius grįžta į pradinę būseną. Katalizatoriai yra nepakeičiami pramonėje, jie padeda pagreitinti transformacijas ir gauti aukštos kokybės reakcijos produktus. Biocheminiai procesai mūsų kūne taip pat neįmanomi be jų dalyvavimo.
