Քիմիան գիտություն է նյութերի և դրանց փոխակերպումների, ինչպես նաև դրանց ստացման մեթոդների մասին։ Նույնիսկ սովորական դպրոցական ծրագրում դիտարկվում է այնպիսի կարևոր խնդիր, ինչպիսին են ռեակցիաների տեսակները: Դասակարգումը, որին ծանոթացնում են դպրոցականները հիմնական մակարդակում, հաշվի է առնում օքսիդացման աստիճանի փոփոխությունը, ընթացքի փուլը, գործընթացի մեխանիզմը և այլն: Բացի այդ, բոլոր քիմիական գործընթացները բաժանվում են ոչ կատալիտիկ և կատալիտիկ. ռեակցիաներ. Կատալիզատորի մասնակցությամբ տեղի ունեցող փոխակերպումների օրինակներ մարդը հանդիպում է սովորական կյանքում՝ խմորում, քայքայում։ Ոչ կատալիտիկ փոխակերպումները մեզ համար շատ ավելի հազվադեպ են:
Ինչ է կատալիզատորը
Սա քիմիական նյութ է, որը կարող է փոխել փոխազդեցության արագությունը, բայց ինքնին չի մասնակցում դրան: Այն դեպքում, երբ պրոցեսն արագանում է կատալիզատորի օգնությամբ, խոսքը դրական կատալիզի մասին է։ Այն դեպքում, երբ գործընթացին ավելացված նյութը նվազեցնում է ռեակցիայի արագությունը, այն կոչվում է ինհիբիտոր:
Կատալիզի տեսակներ
Համասեռ և տարասեռ կատալիզը տարբերվում է փուլով,որտեղ գտնվում են ելանյութերը. Եթե փոխազդեցության համար վերցված սկզբնական բաղադրիչները, ներառյալ կատալիզատորը, գտնվում են նույն ագրեգացման վիճակում, միատարր կատալիզի ընթացքը տեղի է ունենում: Այն դեպքում, երբ ռեակցիային մասնակցում են տարբեր փուլերի նյութեր, տեղի է ունենում տարասեռ կատալիզ։
Գործողության ընտրողականություն
Կատալիզը միայն սարքավորումների արտադրողականությունը բարձրացնելու միջոց չէ, այն դրական է ազդում ստացված արտադրանքի որակի վրա։ Այս երեւույթը կարելի է բացատրել նրանով, որ կատալիզատորների մեծ մասի սելեկտիվ (սելեկտիվ) գործողության շնորհիվ արագանում է անմիջական ռեակցիան, կրճատվում են կողմնակի պրոցեսները։ Ի վերջո, ստացված արտադրանքը բարձր մաքրություն է, կարիք չկա հետագայում մաքրել նյութերը։ Կատալիզատորի գործողության ընտրողականությունը տալիս է հումքի ոչ արտադրական ծախսերի իրական կրճատում, լավ տնտեսական օգուտ:
արտադրության մեջ կատալիզատոր օգտագործելու առավելությունները
Էլ ի՞նչն է բնութագրում կատալիտիկ ռեակցիաները: Տիպիկ ավագ դպրոցի օրինակները ցույց են տալիս, որ կատալիզատորի օգտագործումը թույլ է տալիս գործընթացն իրականացնել ավելի ցածր ջերմաստիճաններում: Փորձերը հաստատում են, որ այն կարող է օգտագործվել էներգիայի ծախսերը զգալիորեն նվազեցնելու համար: Սա հատկապես կարևոր է ժամանակակից պայմաններում, երբ աշխարհում էներգետիկ ռեսուրսների պակաս կա։
Կատալիտիկ արտադրության օրինակներ
Ո՞ր արդյունաբերությունն է օգտագործում կատալիտիկ ռեակցիաներ: Նման արտադրությունների օրինակներ.ազոտական և ծծմբական թթուների, ջրածնի, ամոնիակի, պոլիմերների արտադրություն, նավթի վերամշակում։ Կատալիզը լայնորեն օգտագործվում է օրգանական թթուների, միահիդրիկ և բազմահիդրային սպիրտների, ֆենոլի, սինթետիկ խեժերի, ներկերի և դեղամիջոցների արտադրության մեջ։
Ինչ է կատալիզատորը
Շատ նյութեր, որոնք գտնվում են Դմիտրի Իվանովիչ Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակում, ինչպես նաև դրանց միացությունները, կարող են հանդես գալ որպես կատալիզատոր: Ամենատարածված արագացուցիչներից են՝ նիկելը, երկաթը, պլատինը, կոբալտը, ալյումոսիլիկատները, մանգանի օքսիդները։
Կատալիզատորների առանձնահատկությունները
Բացի ընտրողական գործողությունից, կատալիզատորներն ունեն հիանալի մեխանիկական ուժ, նրանք ունակ են դիմակայել կատալիտիկ թույներին և հեշտությամբ վերականգնվում են (վերականգնվում):
Ըստ ֆազային վիճակի՝ կատալիտիկ միատարր ռեակցիաները բաժանվում են գազաֆազային և հեղուկ փուլերի։
Եկեք մանրամասն նայենք այս տեսակի ռեակցիաներին: Լուծույթներում ջրածնի կատիոնները H+, հիդրօքսիդի հիմքային իոնները OH-, մետաղական կատիոնները M+ և նյութերը, որոնք նպաստում են ազատ ռադիկալների առաջացմանը, գործում են որպես քիմիական փոխակերպման արագացուցիչ։
Կատալիզի էությունը
Թթուների և հիմքերի փոխազդեցության մեջ կատալիզացման մեխանիզմն այն է, որ փոխազդող նյութերի և կատալիզատոր դրական իոնների (պրոտոնների) միջև տեղի է ունենում փոխանակում: Այս դեպքում տեղի են ունենում ներմոլեկուլային փոխակերպումներ։ Ըստ այսմարձագանքներն այսպիսին են՝
- ջրազրկում (ջրի ջոկատ);
- հիդրացիա (ջրի մոլեկուլների կցում);
- էսթերիֆիկացում (սպիրտներից և կարբոքսիլաթթուներից էսթերի ձևավորում);
- պոլիկոնդենսացիա (պոլիմերի առաջացում ջրի հեռացմամբ):
Կատալիզի տեսությունը բացատրում է ոչ միայն բուն գործընթացը, այլև հնարավոր կողմնակի փոխակերպումները։ Տարասեռ կատալիզի դեպքում պրոցեսի արագացուցիչը կազմում է անկախ փուլ, ռեակտիվների մակերևույթի որոշ կենտրոններ օժտված են կատալիտիկ հատկություններով, կամ ներգրավված է ամբողջ մակերեսը:
Գոյություն ունի նաև միկրոհետերոգեն գործընթաց, որը ներառում է կատալիզատորի առկայությունը կոլոիդային վիճակում։ Այս տարբերակն անցումային վիճակ է միատարրից տարասեռ տիպի կատալիզի: Այս գործընթացների մեծ մասը տեղի է ունենում գազային նյութերի միջև՝ օգտագործելով պինդ կատալիզատորներ: Դրանք կարող են լինել հատիկների, հաբերի, հատիկների տեսքով։
Կատալիզի բաշխումը բնության մեջ
Ֆերմենտային կատալիզը բավականին տարածված է բնության մեջ: Հենց կենսակատալիզատորների օգնությամբ է ընթանում սպիտակուցի մոլեկուլների սինթեզը, կատարվում է նյութափոխանակությունը կենդանի օրգանիզմներում։ Ոչ մի կենսաբանական գործընթաց, որը տեղի է ունենում կենդանի օրգանիզմների մասնակցությամբ, չի շրջանցում կատալիտիկ ռեակցիաները։ Կենսական գործընթացների օրինակներ. ամինաթթուներից մարմնին հատուկ սպիտակուցների սինթեզ; ճարպերի, սպիտակուցների, ածխաջրերի տարրալուծում։
Կատալիզի ալգորիթմ
Դիտարկենք կատալիզացման մեխանիզմը: Այս գործընթացը, որը տեղի է ունենում ծակոտկեն պինդ քիմիական փոխազդեցության արագացուցիչների վրա, ներառում էինքներդ մի քանի տարրական փուլեր:
- փոխազդող նյութերի տարածում հոսքի միջուկից կատալիզատորի հատիկների մակերեսին;
- ռեակտիվների տարածում կատալիզատորի ծակոտիներում;
- քիմիածրում (ակտիվացված ադսորբցիա) քիմիական ռեակցիայի արագացուցիչի մակերևույթի վրա՝ քիմիական մակերևութային նյութերի տեսքով՝ ակտիվացված կատալիզատոր-ռեագենտային համալիրներ;
- Ատոմների վերադասավորում՝ «կատալիզատոր-արտադրանք» մակերեսային համակցությունների տեսքով;
- դիֆուզիոն արտադրանքի ռեակցիայի արագացուցիչի ծակոտիներում;
- արտադրանքի դիֆուզիոն ռեակցիայի արագացուցիչի հատիկավոր մակերեւույթից դեպի միջուկային հոսք։
Կատալիտիկ և ոչ կատալիտիկ ռեակցիաներն այնքան կարևոր են, որ գիտնականները երկար տարիներ շարունակել են հետազոտություններն այս ոլորտում:
Համասեռ կատալիզի դեպքում հատուկ կառուցվածքներ կառուցելու կարիք չկա։ Ֆերմենտային կատալիզը տարասեռ տարբերակում ներառում է տարբեր և հատուկ սարքավորումների օգտագործում: Դրա հոսքի համար մշակվել են հատուկ կոնտակտային սարքեր, որոնք բաժանվում են ըստ շփման մակերեսի (խողովակներում, պատերի վրա, կատալիզատորների ցանցերում); ֆիլտրի շերտով; կշռված շերտ; շարժվող փոշիացված կատալիզատորով։
Ջերմափոխանակումը սարքերում իրականացվում է տարբեր եղանակներով.
- հեռակառավարվող (արտաքին) ջերմափոխանակիչների օգտագործման միջոցով;
- կոնտակտային ապարատի մեջ ներկառուցված ջերմափոխանակիչների օգնությամբ։
Վերլուծելով քիմիայի բանաձևերը՝ կարելի է գտնել նաև այնպիսի ռեակցիաներ, որոնցում կատալիզատորը վերջնական արտադրանքներից մեկն է, որը ձևավորվում է քիմիական փոխազդեցության ժամանակ։օրիգինալ բաղադրիչներ։
Նման գործընթացները սովորաբար կոչվում են ավտոկատալիտիկ, երեւույթն ինքնին քիմիայում կոչվում է ավտոկատալիզ:
Բազմաթիվ փոխազդեցությունների արագությունը կապված է ռեակցիայի խառնուրդում որոշակի նյութերի առկայության հետ: Նրանց բանաձևերը քիմիայում ամենից հաճախ բաց են թողնում, փոխարինվում են «կատալիզատոր» բառով կամ դրա կրճատ տարբերակով։ Դրանք ներառված չեն վերջնական ստերեոքիմիական հավասարման մեջ, քանի որ փոխազդեցության ավարտից հետո քանակական տեսանկյունից չեն փոխվում։ Որոշ դեպքերում նյութերի փոքր քանակությունը բավարար է գործընթացի արագության վրա էապես ազդելու համար: Միանգամայն ընդունելի են նաև իրավիճակները, երբ ռեակցիայի անոթն ինքն է հանդես գալիս որպես քիմիական փոխազդեցության արագացուցիչ։
Քիմիական գործընթացի արագության փոփոխման վրա կատալիզատորի ազդեցության էությունն այն է, որ այս նյութը ներառված է ակտիվ համալիրի բաղադրության մեջ և հետևաբար փոխում է քիմիական փոխազդեցության ակտիվացման էներգիան:
Երբ այս համալիրը քայքայվում է, կատալիզատորը վերականգնվում է: Հիմնական բանը այն է, որ այն չի ծախսվի, այն նույն չափով կմնա փոխազդեցության ավարտից հետո: Հենց այս պատճառով է, որ ակտիվ նյութի փոքր քանակությունը բավական է սուբստրատի (արձագանքող նյութի) հետ ռեակցիան իրականացնելու համար։ Իրականում քիմիական պրոցեսների ընթացքում դեռևս սպառվում են աննշան քանակությամբ կատալիզատորներ, քանի որ հնարավոր են տարբեր կողմնակի պրոցեսներ՝ դրա թունավորում, տեխնոլոգիական կորուստներ և պինդ կատալիզատորի մակերեսի վիճակի փոփոխություն։ Քիմիայի բանաձևերը չեն ներառում կատալիզատոր:
Եզրակացություն
Մարդուն շրջապատում են ակտիվ նյութ (կատալիզատոր) ռեակցիաներ, բացի այդ, դրանք տեղի են ունենում նաև նրա մարմնում։ Միատարր ռեակցիաները շատ ավելի քիչ են տարածված, քան տարասեռ փոխազդեցությունները: Ամեն դեպքում, սկզբում ձևավորվում են միջանկյալ բարդույթներ, որոնք անկայուն են, աստիճանաբար ոչնչացվում են, և նկատվում է քիմիական գործընթացի արագացուցիչի վերածնում (վերականգնում)։ Օրինակ, երբ մետաֆոսֆորական թթուն փոխազդում է կալիումի պերսուլֆատի հետ, հիդրոիոդաթթուն հանդես է գալիս որպես կատալիզատոր։ Երբ այն ավելացվում է ռեակտիվներին, ձևավորվում է դեղին լուծույթ: Երբ մոտենում եք գործընթացի ավարտին, գույնը աստիճանաբար անհետանում է: Այս դեպքում յոդը հանդես է գալիս որպես միջանկյալ արտադրանք, և գործընթացը տեղի է ունենում երկու փուլով. Բայց հենց որ մետաֆոսֆորական թթուն սինթեզվի, կատալիզատորը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին։ Կատալիզատորները անփոխարինելի են արդյունաբերության մեջ, նրանք օգնում են արագացնել փոխակերպումները և ստանալ բարձրորակ ռեակցիայի արտադրանք: Մեր օրգանիզմում կենսաքիմիական գործընթացները նույնպես անհնար են առանց դրանց մասնակցության։
