Химиялық реакциялардың жылдамдығы реагент болып табылмайтын және реакция өнімдерінің құрамына кірмейтін әртүрлі заттардың қатысуымен күрт өсуі мүмкін. Бұл тамаша құбылыс деп аталады катализ(грек тілінен «катализ» - жойылу). Қоспада болуы реакция жылдамдығын арттыратын зат деп аталады катализатор.Оның реакцияға дейінгі және одан кейінгі мөлшері өзгеріссіз қалады. Катализаторлар заттардың арнайы класын көрсетпейді. Әртүрлі реакцияларда металдар, оксидтер, қышқылдар, тұздар және күрделі қосылыстар каталитикалық әсер көрсете алады. Тірі жасушалардағы химиялық реакциялар каталитикалық белоктардың бақылауымен жүреді ферменттер.Катализді химиялық реакциялардың жылдамдығын арттырудың нағыз химиялық факторы ретінде қарастыру керек, өйткені катализатор реакцияға тікелей қатысады. Температураны көтеруге қарағанда катализ көбінесе реакцияны тездетудің күшті және қауіпті емес құралы болып табылады. Мұны тірі ағзалардағы химиялық реакциялардың мысалы айқын көрсетеді. Белоктардың гидролизі сияқты реакциялар, зертханаларда қайнау температурасына дейін ұзақ қыздыру арқылы жүзеге асырылуы керек, ас қорыту процесінде дене температурасында қыздырусыз жүреді.
Катализ құбылысын алғаш рет 1818 жылы француз химигі Л.Ж.Тенард (1777-1857) бақылаған.Ол кейбір металдардың оксидтерін сутегі асқын тотығы ерітіндісіне қосқанда оның ыдырауын тудыратынын анықтады. Бұл тәжірибені сутегі асқын тотығының 3% ерітіндісіне калий перманганатының кристалдарын қосу арқылы оңай шығаруға болады. KMn0 4 тұзы Mn0 2-ге айналады және оксидтің әсерінен ерітіндіден оттегі тез бөлінеді:
Катализатордың реакция жылдамдығына тікелей әсері активтену энергиясының төмендеуімен байланысты. Қалыпты температурада төмендеу бар ма? және 20 кДж/моль жылдамдық константасын шамамен 3000 есе арттырады. Төмендету Е Ләлдеқайда күшті болуы мүмкін. Бірақ активтену энергиясының төмендеуі катализатор әрекетінің сыртқы көрінісі болып табылады. Реакция белгілі бір мәнмен сипатталады E. vол реакцияның өзі өзгерсе ғана өзгеруі мүмкін. Бірдей өнімдерді беру кезінде қосылған заттың қатысуымен реакция басқа жолмен, басқа сатылар арқылы және басқа активтену энергиясымен жүреді. Егер осы жаңа жолда активтену энергиясы төмен болса және сәйкесінше реакция жылдамырақ болса, онда бұл зат катализатор деп айтамыз.
Катализатор реагенттердің бірімен әрекеттесіп, кейбір аралық қосылыс түзеді. Реакцияның келесі кезеңдерінің бірінде катализатор регенерацияланады - ол реакцияны бастапқы түрінде қалдырады. Каталитикалық реакцияға қатысатын реагенттер катализатордың қатысуынсыз бір-бірімен баяу әрекеттесуін жалғастырады. Сондықтан каталитикалық реакциялар қатар-параллель реакциялар деп аталатын күрделі реакциялардың түріне жатады. Суретте. 11.8-суретте жылдамдық константасының катализатор концентрациясына тәуелділігі көрсетілген. Тәуелділік графигі нөлден өтпейді, өйткені катализатор болмаған кезде реакция тоқтамайды.
Күріш. 11.8.
байқалатын тұрақты ксомасымен өрнектеледі к у+ & k c(K)
11.5-мысал. -500 °C температурада күкірт оксидінің тотығу реакциясы (1U)
күкірт қышқылын өнеркәсіптік өндіру кезеңдерінің бірі болып табылатын, өте баяу жүреді. Температураның одан әрі жоғарылауына жол берілмейді, өйткені тепе-теңдік солға ығысады (реакция экзотермиялық) және өнім шығымы тым азаяды. Бірақ бұл реакция әртүрлі катализаторлармен жеделдетіледі, олардың бірі азот оксиді (N) болуы мүмкін. Алдымен катализатор оттегімен әрекеттеседі: 
содан кейін оттегі атомын күкірт оксидіне (1U) ауыстырады:
Бұл соңғы реакция өнімін құрайды және катализаторды қалпына келтіреді. Реакцияның енді жылдамдық константалары айтарлықтай өскен жаңа жол бойынша өту мүмкіндігі бар:
Төмендегі диаграммада S0 2 тотығу процесінің екі жолы да көрсетілген. Катализатор болмаған кезде реакция тек баяу жолмен, ал катализатор болған кезде екеуі арқылы жүреді.
Катализдің екі түрі бар - біртектіЖәне гетерогенді.Бірінші жағдайда катализатор мен реагенттер газ қоспасы немесе ерітінді түрінде біртекті жүйені құрайды. Күкірт оксидінің тотығуының мысалы біртекті катализ болып табылады. Біртекті каталитикалық реакцияның жылдамдығы әрекеттесуші заттардың концентрациясына да, катализатордың концентрациясына да байланысты.
Гетерогенді катализде катализатор таза түрдегі немесе тіректелген қатты зат болып табылады тасымалдаушы.Мысалы, катализатор ретінде платина асбестке, алюминий оксидіне және т.б. Әрекеттесуші молекулалар газдан немесе ерітіндіден катализатор бетіндегі арнайы нүктелерде – белсенді орталықтарда адсорбцияланады (жұтылады) және бір уақытта белсендіріледі. Химиялық трансформациядан кейін алынған өнім молекулалары катализатордың бетінен десорбцияланады. Белсенді орталықтарда бөлшектердің түрлену актілері қайталанады. Басқа факторлармен қатар, гетерогенді каталитикалық реакция жылдамдығы каталитикалық материалдың бетінің ауданына байланысты.
Гетерогенді катализ әсіресе өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Бұл реагенттер қоспасы катализатормен жанасу аппараты арқылы өткенде үздіксіз каталитикалық процесті жүргізудің жеңілдігімен түсіндіріледі.
Катализаторлар селективті әрекет етеді, реакцияның өте ерекше түрін немесе тіпті бөлек реакцияны жеделдетіп, басқаларға әсер етпейді. Бұл катализаторларды реакцияларды жылдамдату үшін ғана емес, сонымен қатар бастапқы заттарды қажетті өнімдерге мақсатты түрлендіру үшін қолдануға мүмкіндік береді. Fe 2 0 3 катализаторында 450 ° C метан мен су көмірқышқыл газы мен сутегіге айналады:
Дәл сол заттар 850 °C температурада никель бетінде реакцияға түсіп, көміртегі оксиді (II) мен сутегін түзеді:
Катализ - дәл теориялық болжамдар жасау әлі мүмкін емес химияның бір саласы. Мұнай өнімдерін, табиғи газды, аммиак алуды және тағы басқаларды өңдеуге арналған барлық өнеркәсіптік катализаторлар еңбекті көп қажет ететін және көп уақытты қажет ететін тәжірибелік зерттеулер негізінде жасалған.
Химиялық процестердің жылдамдығын басқару қабілеті адамның шаруашылық әрекетінде баға жетпес құндылық болып табылады. Химиялық өнімдерді өнеркәсіптік жолмен өндіру кезінде әдетте технологиялық химиялық процестердің жылдамдығын арттыру қажет, ал өнімді сақтау кезінде ыдырау немесе оттегі, су және т.б. әсер ету жылдамдығын азайту қажет. Химиялық реакцияларды бәсеңдететін белгілі заттар бар. Олар шақырылады ингибиторлар, немесе теріс катализаторлар.Ингибиторлар нақты катализаторлардан түбегейлі ерекшеленеді, олар белсенді түрлермен (бос радикалдар) әрекеттеседі, олар сол немесе басқа себептермен затта немесе оны қоршаған ортада пайда болады және құнды ыдырау мен тотығу реакцияларын тудырады. Ингибиторлар бірте-бірте тұтынылады, олардың қорғаныс әсерін тоқтатады. Ингибиторлардың ең маңызды түрі әртүрлі материалдарды оттегінің әсерінен қорғайтын антиоксиданттар болып табылады.
Сондай-ақ, катализаторлардың көмегімен қол жеткізу мүмкін емес нәрсені еске түсіру керек. Олар тек өздігінен жүретін реакцияларды жеделдетуге қабілетті. Егер реакция өздігінен жүрмесе, онда катализатор оны жылдамдата алмайды. Мысалы, ешбір катализатор судың сутегі мен оттегіге ыдырауын тудыруы мүмкін емес. Бұл процесті тек электрлік жұмысты қажет ететін электролиз арқылы орындауға болады.
Катализаторлар жағымсыз процестерді де белсендіруі мүмкін. Соңғы онжылдықтарда 20-25 км биіктікте атмосфераның озон қабатының біртіндеп бұзылуы байқалады. Озонның ыдырауына белгілі бір заттар қатысады деп болжанады, мысалы, өнеркәсіптік кәсіпорындардан атмосфераға шығарылатын және тұрмыстық мақсатта қолданылатын галогенді көмірсутектер.
Катамлиз-реакцияға қатысушылармен бірнеше рет аралық химиялық әрекеттесулерге түсетін және аралық химиялық әрекеттесулердің әрбір циклынан кейін өзінің химиялық құрамын қалпына келтіретін катализатор(лар) әсерінен химиялық реакцияның мүмкін болатын термодинамикалық рұқсат етілген бағыттарының бірінің селективті үдеуі. «Катализ» терминін 1835 жылы швед ғалымы Йонс Якоб Берцелиус енгізген.
Катализ құбылысы табиғатта кең таралған (тірі организмдерде болатын процестердің көпшілігі каталитикалық болып табылады) және техникада (мұнай өңдеу мен мұнай химиясында, күкірт қышқылы, аммиак, азот қышқылы және т.б. өндірісінде) кеңінен қолданылады. Барлық өнеркәсіптік реакциялардың көпшілігі каталитикалық болып табылады.
Катализаторлархимиялық реакциялардың жылдамдығын өзгертетін заттар деп аталады.
Кейбір катализаторлар реакцияны айтарлықтай жылдамдатады – оң катализ, немесе жай катализ, ал басқалары – теріс катализ. Оң катализ мысалдарына күкірт қышқылын алу, платина катализаторы арқылы аммиакты азот қышқылына тотығу және т.б.
Реакция жылдамдығына әсер етуіне қарай көптеген катализ көздері оң (реакция жылдамдығы артады) және теріс (реакция жылдамдығы төмендейді) болып бөлінеді. Соңғы жағдайда тежеу процесі жүреді, оны «теріс катализ» деп санауға болмайды, өйткені ингибитор реакция кезінде тұтынылады.
Катализ біртекті және гетерогенді (контактілі) болуы мүмкін. Біртекті катализде катализатор реакция реагенттерімен бір фазада болады, ал гетерогенді катализаторлар фаза бойынша ерекшеленеді.
Біртекті катализ.
Мысалгомогенді катализ – йод иондарының қатысуымен сутегі асқын тотығының ыдырауы. Реакция екі кезеңде жүреді:
H 2 O2+ I > H2O+IO, H2O2+IO> H2O + O2+I
Гомогенді катализде катализатордың әрекеті оның әрекеттесуші заттармен әрекеттесіп, аралық қосылыстар түзуіне байланысты, бұл активтену энергиясының төмендеуіне әкеледі.
Гетерогенді катализ.
Гетерогенді катализде процестің үдеуі әдетте қатты дененің — катализатордың бетінде жүреді, сондықтан катализатордың белсенділігі оның бетінің өлшемі мен қасиеттеріне байланысты. Іс жүзінде катализатор әдетте қатты кеуекті тірекке тіреледі.
Гетерогенді катализ механизмі біртекті катализге қарағанда күрделірек. Гетерогенді катализ механизмі бес кезеңді қамтиды, олардың барлығы қайтымды.
- 1. Қатты дененің бетіне әрекеттесуші заттардың диффузиясы
- 2. Әрекеттесуші молекулалардың қатты зат бетінің белсенді орталықтарына физикалық адсорбция, содан кейін олардың хемосорбциясы.
- 3. Әрекеттесуші молекулалар арасындағы химиялық реакция
- 4. Катализатор бетінен өнімдерді десорбциялау
- 5. Өнімнің катализатор бетінен жалпы ағынға диффузиясы
Гетерогенді катализге мысал ретінде күкірт қышқылын алу кезінде SO 2-нің SO 3-ке дейін V 2 O 5 катализаторында тотығуын келтіруге болады (байланыс әдісі).
Каталитикалық реакциялардың көпшілігі ішкі беті әртүрлі өлшемдегі және ұзындықтағы кеуектер мен арналардан тұратын кеуекті катализаторларда жүргізіледі. Бұл кеуектер оқшаулануы немесе бір-бірімен қосылуы мүмкін. Катализатор кеуектеріндегі газдар қозғалысының жылдамдығы мен сипатын анықтайтын негізгі фактор кеуек өлшемі болып табылады. Молекулалардың еркін қозғалу жылдамдығы 1000 м/с жетуі мүмкін, ал кеуектердегі қозғалыстың тежелуі газ молекулалары арасындағы және кеуектер қабырғаларымен соқтығыстармен байланысты.
Көптеген каталитикалық реакциялар селективті емес, бұл кинетикалық талдау әдістеріне белгілі бір шектеулер қояды.
Көптеген каталитикалық реакциялар атомдар мен молекулалардың бірнеше түрін қамтиды. Реакция механизмін және осы атомдар мен молекулалар арасында және олар мен бет арасында әрекет ететін күштердің табиғатын анықтау, әрине, күрделі мәселе, бірақ оны атомның немесе молекуланың бір түрінің адсорбциялық әрекетін зерттеу арқылы оңайлатуға болады. Мұндай зерттеулер белгілі бір адсорбенттерге белгілі бір молекулалар адсорбцияланғанда молекуладағы байланыс үзіліп, адсорбентпен екі байланыс түзілетінін көрсетті; бұл жағдайда адсорбцияланған молекула екі адсорбцияланған атомға айналады. Бұл процесс беттік химиялық реакция болып табылады және нәтижесінде адсорбцияланған атомдар әдетте химисорбцияланған атомдар деп аталады. Егер жеткілікті төмен температурада мұндай реакция жүрмесе және адсорбцияланған молекулалар екі адсорбцияланған атомға ыдырайтын болмаса, онда мұндай молекулалар физикалық адсорбцияланған деп аталады.
реакция кезінде өздері өзгермейтін аз мөлшердегі заттардың (катализаторлардың) әсерінен химиялық реакциялардың үдеуі. Каталитикалық процестер біздің өмірімізде үлкен рөл атқарады. Биохимиялық процестерді реттеуге ферменттер деп аталатын биологиялық катализаторлар қатысады. Катализаторсыз көптеген өнеркәсіптік процестер жүруі мүмкін емес еді.Катализаторлардың ең маңызды қасиеті - селективтілік, яғни. мүмкін болатын көптеген реакциялардың ішінен тек белгілі бір химиялық реакциялардың жылдамдығын арттыру мүмкіндігі. Бұл қалыпты жағдайда практикалық болуы үшін тым баяу реакцияларға мүмкіндік береді және қажетті өнімдердің қалыптасуын қамтамасыз етеді.
Катализаторларды қолдану химия өнеркәсібінің қарқынды дамуына ықпал етті. Олар мұнай өңдеуде, әртүрлі өнімдер алуда және жаңа материалдарды (мысалы, пластмассалар) жасауда кеңінен қолданылады, көбінесе бұрын қолданылғандарға қарағанда арзанырақ. Қазіргі заманғы химиялық өндірістің шамамен 90% каталитикалық процестерге негізделген. Қоршаған ортаны қорғауда каталитикалық процестер ерекше рөл атқарады.
1835 жылы швед химигі Й.Берцелиус кейбір заттардың қатысында кейбір химиялық реакциялардың жылдамдығы айтарлықтай өсетінін анықтады. Мұндай заттар үшін ол «катализатор» терминін енгізді (грек тілінен.
катализ- Демалыс). Берцелиустың пікірінше, катализаторлардың реакцияға қатысатын молекулалардағы атомдар арасындағы байланысты әлсірететін, осылайша олардың өзара әрекеттесуін жеңілдететін ерекше қабілеті бар. Катализаторлардың жұмысы туралы идеяларды дамытуға үлкен үлес қосқан неміс физик химигі В.Оствальд 1880 жылы катализаторды реакция жылдамдығын өзгертетін зат деп анықтады.Қазіргі түсініктерге сәйкес катализатор химиялық байланыстармен тұрақтандырылған реакцияға түсетін молекулалары бар кешен құрайды. Қайта реттеуден кейін бұл кешен диссоциацияланады, өнімдер мен катализаторды шығарады. Молекуланың түрленуінің мономолекулалық реакциясы үшін
X - Y Бұл бүкіл процесті формада көрсетуге болады X + мысық. ® X -мысық. ® Y -мысық. ® Y + Cat. Шығарылған катализатор қайта қосылады X , және бүкіл цикл көп рет қайталанады, өнім - заттың көп мөлшерін қалыптастыруды қамтамасыз етеді.Ы. Қалыпты жағдайда көптеген заттар бір-бірімен химиялық әрекеттеспейді. Осылайша, бөлме температурасында сутегі мен көміртегі тотығы бір-бірімен әрекеттеспейді, өйткені молекуладағы атомдар арасындағы байланыс H 2 жеткілікті күшті және молекуланың шабуылында сынбайды CO . Катализатор молекулаларды біріктіреді H2 және CO , олармен байланыс құру. Қайта реттелгеннен кейін катализатор-реагент кешені атомдары бар өнім түзу үшін диссоциацияланады C, H және O. Көбінесе бірдей заттар өзара әрекеттескенде әртүрлі өнімдер түзіледі. Катализатор процесті белгілі бір өнімді қалыптастыру үшін ең қолайлы жолмен бағыттай алады. арасындағы реакцияны қарастырыңыз CO және H2 . Құрамында мыс бар катализатор болған кезде іс жүзінде жалғыз реакция өнімі метанол болып табылады:Біріншіден, CO және H молекулалары 2 катализатордың бетіне адсорбцияланады. Содан кейін СО молекулалары катализатормен химиялық байланыс түзеді (химсорбция жүреді), диссоциацияланбаған күйде қалады. Сутегі молекулалары катализатордың бетінде де химисорбцияланады, бірақ сонымен бірге диссоциацияланады. Қайта ретке келтіру нәтижесінде H-Cat.- өтпелі комплекс түзіледі. CH2OH . Атомды қосқаннан кейінХ кешен ыдырап, босап шығады CH 3 OH және катализатор. Никель катализаторының қатысуымен СО және Н 2 бетінде диссоциацияланған түрде хемосорб, ал Кат.-СН комплексі түзіледі 3 . Реакцияның соңғы өнімдері CH 4 және H 2 O:
Көптеген каталитикалық реакциялар газ немесе сұйық күйде болатын реакциялық қоспаны катализатор бөлшектерімен толтырылған реактор арқылы өткізу арқылы белгілі қысым мен температурада жүзеге асырылады. Реакция жағдайлары мен өнім сипаттамаларын сипаттау үшін келесі түсініктер қолданылады. Кеңістік жылдамдығы – уақыт бірлігінде катализатордың бірлік көлемінен өтетін газ немесе сұйықтық көлемі. Каталитикалық белсенділік дегеніміз - уақыт бірлігінде катализатордың өнімге айналдыратын әрекеттесуші заттардың мөлшері. Конверсия – берілген реакцияда түрленетін заттың үлесі. Селективтілік – белгілі бір өнім мөлшерінің өнімнің жалпы көлеміне қатынасы (әдетте пайызбен көрсетіледі). Шығымдылық – берілген өнім мөлшерінің бастапқы материал мөлшеріне қатынасы (әдетте пайызбен көрсетіледі). Өнімділік – уақыт бірлігінде көлем бірлігінде түзілетін реакция өнімдерінің саны. КАТАЛИЗАТОРДЫҢ ТҮРЛЕРІ
Катализаторлар жылдамдататын реакцияның сипатына, химиялық құрамына немесе физикалық қасиеттеріне қарай жіктеледі. Барлық дерлік химиялық элементтер мен заттар бір немесе басқа дәрежеде каталитикалық қасиеттерге ие - өздігінен немесе көбінесе әртүрлі комбинацияларда. Физикалық қасиеттеріне қарай катализаторлар біртекті және гетерогенді болып бөлінеді. Гетерогенді катализаторлар – реакцияға түсетін заттар сияқты біртекті газ немесе сұйық ортада дисперсті болатын қатты заттар. Көптеген гетерогенді катализаторлардың құрамында металдар болады. Кейбір металдар, әсіресе олармен байланысты
VIII элементтердің периодтық жүйесінің тобы, өздігінен каталитикалық белсенділікке ие; типтік мысал - платина. Бірақ металдардың көпшілігі қосылыстарда болған кезде каталитикалық қасиеттерді көрсетеді; мысалы - алюминий тотығы (алюминий оксиді Al 2 O 3). Көптеген гетерогенді катализаторлардың ерекше қасиеті олардың үлкен бетінің ауданы болып табылады. Оларға жалпы ауданы кейде 500 м-ге дейін жететін көптеген кеуектер енеді. 2 1 г катализаторға. Көптеген жағдайларда бетінің ауданы үлкен оксидтер металл катализаторларының бөлшектері шағын шоғырлар түрінде тұндырылатын субстрат ретінде қызмет етеді. Бұл газ немесе сұйық фазадағы реагенттердің каталитикалық белсенді металмен тиімді әрекеттесуін қамтамасыз етеді. Гетерогенді катализаторлардың ерекше класы цеолиттер – алюмосиликаттар тобының кристалдық минералдары (кремний мен алюминий қосылыстары). Көптеген гетерогенді катализаторлардың бетінің ауданы үлкен болғанымен, оларда әдетте жалпы бет ауданының шағын бөлігін құрайтын белсенді учаскелер саны аз ғана болады. Катализатор улы деп аталатын аз мөлшердегі химиялық қосылыстардың қатысуымен катализаторлар белсенділігін жоғалтуы мүмкін. Бұл заттар белсенді орталықтармен байланысады, оларды блоктайды. Белсенді учаскелердің құрылымын анықтау қарқынды зерттеулердің пәні болып табылады.Біртекті катализаторлардың химиялық табиғаты әртүрлі - қышқылдар (H
2 SO 4 немесе H 3 PO 4 ), негіз (NaOH ), органикалық аминдер, металдар, көбінесе өтпелі ( Fe немесе Rh ), тұздар, металлорганикалық қосылыстар немесе карбонилдер түрінде. Катализаторларға сонымен қатар ферменттер – биохимиялық реакцияларды реттейтін белок молекулалары жатады. Кейбір ферменттердің белсенді жерінде металл атомы ( Zn, Cu, Fe немесе Mo). Құрамында металл бар ферменттер ұсақ молекулалардың қатысуымен болатын реакцияларды катализдейді. O 2, CO 2 немесе N 2 ). Ферменттер өте жоғары белсенділік пен селективтілікке ие, бірақ олар белгілі бір жағдайларда ғана жұмыс істейді, мысалы, тірі организмдерде реакциялар жүретін жағдайлар. Өнеркәсіпте жиі деп аталатындар қолданылады. иммобилизацияланған ферменттер. КАТАЛИЗАТОРЛАР ҚАЛАЙ ЖҰМЫС ЕТЕДІ Энергия. Кез келген химиялық реакция әрекеттесуші заттар энергетикалық кедергіні жеңген жағдайда ғана жүруі мүмкін және ол үшін олар белгілі бір энергияға ие болуы керек. Жоғарыда айтқанымыздай, каталитикалық реакция X ® Y бірқатар кезекті кезеңдерден тұрады. Олардың әрқайсысы орын алу үшін энергияны қажет етеді.Е , белсендіру энергиясы деп аталады. Реакция координатасы бойынша энергияның өзгеруі суретте көрсетілген. 1.Алдымен каталитикалық емес, «жылу» жолды қарастырайық. Реакцияның жүруі үшін молекулалардың потенциалдық энергиясы
X энергетикалық кедергіден асып кетуі керекЕТ . Каталитикалық реакция үш кезеңнен тұрады. Біріншісі - X-Cat кешенінің қалыптасуы. (хемосорбция), активтену энергиясы теңЕжарнамалар . Екінші кезең - X-Cat қайта топтастыру.® Y -Мысық. белсендіру энергиясыменЕмысық , ең соңында, үшінші – активтену энергиясымен десорбцияЕ des; Ежарнамалар, Емысық және Еәлдеқайда аз ЕТ . Реакция жылдамдығы активтену энергиясына экспоненциалды түрде тәуелді болғандықтан, каталитикалық реакция берілген температурада термиялық реакцияға қарағанда әлдеқайда жылдам жүреді.Катализаторды альпинистерге (реакцияланатын молекулаларды) тау сілемдері арқылы бағыттайтын гидпен салыстыруға болады. Бір топты асудан өткізіп, келесісіне қайтады. Өткізу арқылы өтетін жол пиктен (реакцияның жылулық арнасы) өтетінінен айтарлықтай төмен, ал топ өтпелі жолды өткізгішсіз (катализатор) қарағанда жылдамырақ жасайды. Тіпті, топ өз күшімен жотадан өте алмаған болар еді.
Катализ теориялары. Каталитикалық реакциялардың механизмін түсіндіру үшін теориялардың үш тобы ұсынылды: геометриялық, электронды және химиялық. Геометриялық теорияларда катализатордың белсенді орталықтары атомдарының геометриялық конфигурациясы мен реакцияға түсетін молекулалардың катализатормен байланысуға жауапты бөлігінің атомдары арасындағы сәйкестікке басты назар аударылады. Электрондық теориялар хемосорбция зарядтың тасымалдануымен байланысты электрондық әрекеттесуден туындайды деген идеяға негізделген, т.б. бұл теориялар каталитикалық белсенділікті катализатордың электрондық қасиеттерімен байланыстырады. Химиялық теория катализаторды реагенттермен химиялық байланыс түзетін, нәтижесінде тұрақсыз өтпелі кешен түзетін өзіне тән қасиеттері бар химиялық қосылыс ретінде қарастырады. Өнімдерді шығарумен кешен ыдырағаннан кейін катализатор бастапқы күйіне оралады. Соңғы теория қазір ең адекватты болып саналады.Молекулалық деңгейде каталитикалық газ-фазалық реакцияны келесідей көрсетуге болады. Бір әрекеттесуші молекула катализатордың активті жерімен байланысады, ал екіншісі тікелей газ фазасында бола отырып, онымен әрекеттеседі. Баламалы механизм де мүмкін: реакцияға түсетін молекулалар катализатордың көршілес белсенді орталықтарында адсорбцияланады, содан кейін бір-бірімен әрекеттеседі. Шамасы, каталитикалық реакциялардың көпшілігі осылай жүреді.
Басқа концепция катализатор бетіндегі атомдардың кеңістікте орналасуы мен оның каталитикалық белсенділігінің арасында байланыс бар екенін көрсетеді. Кейбір каталитикалық процестердің жылдамдығы, соның ішінде көптеген гидрлеу реакциялары, каталитикалық белсенді атомдардың беттегі өзара орналасуына байланысты емес; басқалардың жылдамдығы, керісінше, беттік атомдардың кеңістіктік конфигурациясының өзгеруімен айтарлықтай өзгереді. Мысал ретінде неопентанның изопентанға изомерленуі және соңғысының катализатор бетінде бір мезгілде изобутан мен метанға дейін крекингін келтіруге болады.
Pt-Al 2 O 3 . КАТАЛИЗДІ ӨНЕРКӘСІПТЕ ҚОЛДАНУ Қазір біз бастан кешіп жатқан өнеркәсіптің қарқынды өсуі жаңа химиялық технологияларды дамытпай мүмкін болмас еді. Көбінесе бұл прогресс катализаторларды кеңінен қолданумен анықталады, олардың көмегімен төмен сұрыпты шикізат жоғары құнды өнімге айналады. Бейнелеп айтқанда, катализатор - бұл қазіргі алхимиктің философ тасы, тек ол қорғасынды алтынға емес, шикізатты дәрі-дәрмекке, пластмассаға, химиялық заттарға, отынға, тыңайтқыштарға және басқа да пайдалы өнімдерге айналдырады.Бәлкім, адам үйренген ең бірінші каталитикалық процесс ашыту болды. Алкогольді сусындарды дайындауға арналған рецепттер шумерлерге біздің эрамызға дейінгі 3500 жылдары белгілі болды.
См. ШАРАП; СЫРА.Катализді практикалық қолданудағы маңызды кезең өсімдік майын каталитикалық гидрлеу арқылы маргарин алу болды. Бұл реакция алғаш рет өнеркәсіптік ауқымда шамамен 1900 жылы жүргізілді. Ал 1920 жылдардан бастап жаңа органикалық материалдарды, ең алдымен пластмассаларды алудың каталитикалық әдістері бірінен соң бірі дамыды. Олефиндердің, нитрилдердің, күрделі эфирлердің, қышқылдардың және т.б. каталитикалық өндірісі негізгі сәт болды. - пластмассадан жасалған химиялық «құрылысқа» арналған «кірпіш».
Каталитикалық процестерді өнеркәсіпте қолданудың үшінші толқыны 1930 жылдары пайда болды және мұнай өңдеумен байланысты болды. Көлемі бойынша бұл өндіріс көп ұзамай қалғандарының барлығын артта қалдырды. Мұнай өңдеу бірнеше каталитикалық процестерден тұрады: крекинг, риформинг, гидросульфондау, гидрокрекинг, изомерлеу, полимерлеу және алкилдеу.
Ақырында, катализді қолданудағы төртінші толқын қоршаған ортаны қорғаумен байланысты. Бұл саладағы ең танымал жетістік - автомобиль пайдаланылған газдар үшін каталитикалық түрлендіргішті жасау. 1975 жылдан бері автомобильдерге орнатылған каталитикалық түрлендіргіштер ауаның сапасын жақсартуда және осылайша көптеген адамдардың өмірін сақтап қалуда үлкен рөл атқарды.
Он шақты Нобель сыйлығы катализ және онымен байланысты салалардағы жұмысы үшін берілді.
Катализдік процестердің практикалық маңыздылығын өнеркәсіпте өндірілетін азотты құрамдас қосылыстардың құрамына кіретін азоттың үлесі тамақ өнімдеріне кіретін барлық азоттың жартысына жуығын құрайтындығы дәлелдейді. Табиғи жолмен алынатын азот қосылыстарының мөлшері шектеулі, сондықтан тағамдық ақуыздың өндірілуі тыңайтқыштар арқылы топыраққа қосылатын азот мөлшеріне байланысты. Адамзаттың жартысын тек Хабер-Бош каталитикалық процесі арқылы өндірілетін синтетикалық аммиаксыз тамақтандыру мүмкін емес еді.
Катализаторларды қолдану аясы үнемі кеңеюде. Сондай-ақ катализдің бұрын жасалған технологиялардың тиімділігін айтарлықтай арттыруы маңызды. Мысал ретінде цеолиттерді қолдану арқылы каталитикалық крекингті жақсартуды келтіруге болады.
Гидрогенизация. Каталитикалық реакциялардың көп саны сутегі атомының және кейбір басқа молекуланың активтенуімен байланысты, олардың химиялық әрекеттесуіне әкеледі. Бұл процесс гидрогенизация деп аталады және мұнай өңдеудің және көмірден сұйық отын алудың көптеген кезеңдерінің негізінде жатыр (Бергиус процесі).Көмірден авиациялық бензин мен мотор отынын өндіру Германияда Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде дамыған, өйткені елде мұнай кен орындары болмаған. Бергиус процесі көмірге сутегінің тікелей қосылуын қамтиды. Көмір сутегінің қатысуымен қысыммен қыздырылып, сұйық өнім алынады, содан кейін ол авиациялық бензинге және мотор отынына айналады. Катализатор ретінде темір оксиді, сондай-ақ қалайы мен молибден негізіндегі катализаторлар қолданылады. Соғыс кезінде Германиядағы 12 зауыт Бергиус әдісін қолдана отырып, күніне шамамен 1400 тонна сұйық отын өндірді.
Басқа процесс Фишер-Тропш екі кезеңнен тұрады. Біріншіден, көмір газдандырылады, яғни. Олар оны су буымен және оттегімен әрекеттесіп, сутегі мен көміртегі оксидтерінің қоспасын алады. Бұл қоспа құрамында темір немесе кобальт бар катализаторлар арқылы сұйық отынға айналады. Соғыстың аяқталуымен Германияда көмірден синтетикалық отын өндіру тоқтатылды.
1973–1974 жылдардағы мұнай эмбаргосынан кейін мұнай бағасының өсуі нәтижесінде көмірден бензин алудың үнемді әдісін әзірлеуге күш салынды. Осылайша, көмірді тікелей сұйылтуды көмірді салыстырмалы түрде төмен температурада, содан кейін жоғарырақ температурада алдымен алюминий-кобальт-молибден катализаторымен жанасатын екі сатылы процесті қолдану арқылы тиімдірек жүргізуге болады. Мұндай синтетикалық бензиннің құны мұнайдан алынатын бензиннен жоғары.
Аммиак. Химиялық тұрғыдан алғанда қарапайым гидрлеу процестерінің бірі сутегі мен азоттан аммиак синтезі болып табылады. Азот - өте инертті зат. Байланысты үзу үшінН-Н оның молекуласы шамамен 200 ккал энергияны қажет етеді/ моль. Алайда, азот атомдық күйінде темір катализаторының бетімен байланысады және бұл үшін небәрі 20 ккал қажет./ моль. Сутегі темірмен одан да оңай байланысады. Аммиак синтезі келесідей жүреді:
Бұл мысал катализатордың тура және кері реакцияларды бірдей жылдамдату қабілетін көрсетеді, яғни. катализатордың химиялық реакцияның тепе-теңдік жағдайын өзгертпеу фактісі.Өсімдік майын гидрогенизациялау.
Тәжірибелік тұрғыдан маңызды гидрогенизация реакцияларының бірі өсімдік майларының маргаринге, ас майына және басқа да тағам өнімдеріне толық емес гидрленуі болып табылады. Өсімдік майлары соядан, мақта тұқымынан және басқа да дақылдардан алынады. Олардың құрамында күрделі эфирлер, атап айтқанда қанықпау дәрежесі әртүрлі май қышқылдарының триглицеридтері бар. Олеин қышқылы CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH (CH 2 ) 7 COOH бір C=C қос байланысы бар, линол қышқылында екі, линолен қышқылында үш. Бұл байланысты үзу үшін сутегінің қосылуы майлардың тотығуын (қышқылдықты) болдырмайды. Бұл олардың балқу температурасын арттырады. Алынған өнімдердің көпшілігінің қаттылығы гидрлеу дәрежесіне байланысты. Гидрогенизация жоғары тазартылған сутегі атмосферасында субстратқа немесе Рэни никель катализаторына тұндырылған жұқа никель ұнтағының қатысуымен жүзеге асырылады.Сусыздандыру. Дегидрлеу де өнеркәсіптік маңызды каталитикалық реакция болып табылады, бірақ оны қолдану ауқымы салыстырмалы түрде аз. Оның көмегімен, мысалы, маңызды мономер стирол алынады. Ол үшін этилбензол құрамында темір оксиді бар катализатордың қатысуымен дегидрленеді; Реакцияны калий және құрылымдық тұрақтандырғыштың бір түрі де жеңілдетеді. Пропан, бутан және басқа алкандарды дегидрлеу өнеркәсіптік ауқымда жүзеге асырылады. Бутанды хром-глиноземді катализатордың қатысуымен дегидрлеуден бутендер мен бутадиен түзіледі.Қышқылдық катализ.
Катализаторлардың үлкен класының каталитикалық белсенділігі олардың қышқылдық қасиеттерімен анықталады. И.Бронстед пен Т.Лорридің пікірінше, қышқыл – протон беруге қабілетті қосылыс. Күшті қышқылдар өздерінің протондарын негіздерге оңай береді. Қышқылдық ұғымы Г.Льюистің еңбектерінде одан әрі дамыды, ол қышқылды осы электрон жұбының әлеуметтенуіне байланысты коваленттік байланыс түзе отырып, донорлық заттан электрон жұбын қабылдауға қабілетті зат деп анықтады. Бұл идеялар карбений иондарын түзетін реакциялар туралы идеялармен бірге әртүрлі каталитикалық реакциялардың, әсіресе көмірсутектердің қатысуымен жүретін реакциялардың механизмін түсінуге көмектесті. Қышқылдың күшін протон қосылғанда түсін өзгертетін негіздер жиынтығы арқылы анықтауға болады. Кейбір өнеркәсіптік маңызды катализаторлар өте күшті қышқылдар сияқты әрекет етеді екен. Оларға Friedel-Crafts процесс катализаторы кіреді, мысалы
HCl-AlCl 2 O 3 (немесе HAlCl 4 ) және алюмосиликаттар. Қышқылдың күші өте маңызды сипаттама болып табылады, өйткені ол қышқыл катализіндегі негізгі қадам болып табылатын протонация жылдамдығын анықтайды.Мұнай крекингінде қолданылатын алюмосиликаттар сияқты катализаторлардың белсенділігі олардың бетінде Бронстед және Льюис қышқылдарының болуымен анықталады. Олардың құрылымы кремний диоксиді (кремний диоксиді) құрылымына ұқсас, онда кейбір атомдар
Si 4+ атомдармен ауыстырылады Al 3+. Бұл жағдайда пайда болатын артық теріс зарядты сәйкес катиондар арқылы бейтараптандыруға болады. Егер катиондар протондар болса, алюмосиликат Бронстед қышқылы сияқты әрекет етеді:
Қышқылдық катализаторлардың белсенділігі олардың көмірсутектермен әрекеттесіп, аралық өнім ретінде карбений ионын түзу қабілетімен анықталады. Алкилкарбений иондарының құрамында үш алкил тобымен байланысқан оң зарядты көміртек атомы бар және/
немесе сутегі атомдары. Олар органикалық қосылыстар қатысатын көптеген реакцияларда түзілетін аралық заттар ретінде маңызды рөл атқарады. Қышқылдық катализаторлардың әсер ету механизмін изомерлену реакциясының мысалы арқылы көрсетуге боладыn
-бутанның қатысуымен изобутанға дейін HCl - AlCl 3 немесе Pt - Cl - Al 2 O 3 . Біріншіден, аз мөлшерде олефин С 4 N 8 түзу үшін қышқыл катализаторына оң зарядталған сутегі ионын қосадым үшінші карбений ионы. Содан кейін теріс зарядталған гидрид-ион N - -нен бөлінеді n
-бутан изобутан және екіншілік бутилкарбон түзедіе не th-ион. Соңғы қайта топтастыру нәтижесінде айналадыүшінші дәрежелі көмірсулар иондары. Бұл тізбек келесі молекуладан гидрид ионының жойылуымен жалғаса аладыn-бутан және т.б.: 
Маңызды o үшіншілік карбений иондары біріншілік немесе қайталама иондарға қарағанда тұрақтырақ. Нәтижесінде олар негізінен катализатордың бетінде болады, сондықтан бутан изомерленуінің негізгі өнімі изобутан болып табылады. Қышқылдық катализаторлар мұнай өңдеуде кеңінен қолданылады – крекинг, көмірсутектерді алкилдеу, полимерлеу және изомерлеу.
(да қараңыз МҰНАЙДЫ ӨҢДЕУДІҢ ХИМИЯСЫ ЖӘНЕ ӘДІСТЕРІ). Бұл процестерде катализатор рөлін атқаратын карбений иондарының әсер ету механизмі анықталды. Бұл кезде олар үлкен молекулалардың ыдырауы арқылы шағын молекулалардың түзілуі, молекулалардың қосылысы (олефиннен олефинге немесе олефиннен изопарафинге), изомерлену арқылы құрылымдық қайта құрылымдалу, парафиндер мен ароматты заттардың түзілуі сияқты бірқатар реакцияларға қатысады. сутегінің тасымалдануы арқылы көмірсутектер.Өнеркәсіпте қышқылдық катализдің соңғы қолдануларының бірі изобутиленге немесе изоамиленге спирттер қосу арқылы қорғасынды отын алу болып табылады. Бензинге құрамында оттегі бар қосылыстарды қосу пайдаланылған газдардағы көміртегі тотығының концентрациясын төмендетеді. метил-
ысқылайды Октанды араластыру саны 109 болатын бутил эфирі (МТБЭ) сонымен қатар бензинге тетраэтил қорғасынын енгізбей, жоғары сығымдау коэффициентімен автомобиль қозғалтқышын басқаруға қажетті жоғары октанды отынды алуға мүмкіндік береді. Октандық саны 102 және 111 болатын жанармай өндірісі де жолға қойылған.Негізгі катализ. Катализаторлардың белсенділігі олардың негізгі қасиеттерімен анықталады. Мұндай катализаторлардың бұрыннан келе жатқан және белгілі мысалы сабын алу үшін майларды гидролиздеу немесе сабындау үшін қолданылатын натрий гидроксиді және соңғы мысалдардың бірі полиуретанды пластмассалар мен көбік өндірісінде қолданылатын катализаторлар болып табылады. Уретан спирттің изоцианатпен әрекеттесуі нәтижесінде түзіледі және бұл реакция негіздік қосылыс болған кезде жылдамдайды.айқын аминдер. Реакция кезінде изоцианат молекуласындағы көміртегі атомына негіз бекітіледі, соның нәтижесінде азот атомында теріс заряд пайда болып, оның спиртке қатысты белсенділігі артады. Триэтилендиамин ерекше тиімді катализатор болып табылады. Полиуретанды пластмассалар диизоцианаттарды полиолдармен (полиалкогольдермен) әрекеттесу арқылы алынады. Изоцианат сумен әрекеттескенде, бұрын пайда болған уретан ыдырайды, CO2 . Полиалкогольдер мен су қоспасы диизоцианаттармен әрекеттескенде, алынған көбік полиуретанды газ түрінде көбіктенеді. CO2. Екі әрекетті катализаторлар. Бұл катализаторлар реакциялардың екі түрін жылдамдатады және реагенттерді екі реактор арқылы тізбектей өткізгеннен гөрі жақсы нәтиже береді, олардың әрқайсысында катализатордың бір ғана түрі бар. Бұл қос әсерлі катализатордың белсенді орындары бір-біріне өте жақын орналасқандықтан, олардың бірінде түзілген аралық өнім екіншісінде бірден соңғы өнімге айналады.Жақсы нәтиже сутекті белсендіретін катализаторды көмірсутектердің изомерленуіне ықпал ететін катализатормен біріктіру арқылы алынады. Сутектің активтенуін кейбір металдар, ал көмірсутектердің изомерленуін қышқылдар жүзеге асырады. Нафтаны бензинге айналдыру үшін мұнай өңдеуде қолданылатын тиімді қос әрекетті катализатор - қышқыл алюминий оксидіне негізделген майда бөлінген платина. Метилциклопентан (MCP) сияқты нафтаның құрамдас бөліктерін бензолға айналдыру бензиннің октан санын арттырады. Біріншіден, MCP катализатордың платина бөлігінде бірдей көміртек қаңқасы бар олефинге дегидрленеді; содан кейін олефин катализатордың қышқыл бөлігіне өтеді, онда циклогексенге изомерленеді. Соңғысы платина бөлігіне өтіп, бензол мен сутегіге дейін сусызданады.
Қос әрекетті катализаторлар мұнайдың риформингін айтарлықтай жылдамдатады. Олар қалыпты парафиндерді изопарафиндерге изомерлеу үшін қолданылады. Соңғысы бензин фракцияларымен бірдей температурада қайнайды, олар түзу көмірсутектермен салыстырғанда октан саны жоғары болғандықтан құнды. Оның үстіне трансформация
n -бутаннан изобутанға дейін МТБЕ өндірісін жеңілдете отырып, дегидрлеу жүреді.Стереоспецификалық полимерлену. Тарихтағы маңызды кезеңкатализ пайда болды каталитикалық полимерленудің ашылуыа- түзілуі бар олефиндер стереореттік x полимерлер. Катализаторларға стереоспецификалықполимерлену К.Циглер өзі алған полимерлердің әдеттен тыс қасиеттерін түсіндіруге тырысқанда ашты. Басқа химик Дж.Натта Циглер полимерлерінің бірегейлігі олардың стереорегуляциясымен анықталады деген болжам айтты. Рентгендік дифракциялық тәжірибелер Циглер катализаторларының қатысуымен пропиленнен дайындалған полимерлер жоғары кристалды және шын мәнінде стереореттік құрылымға ие екенін көрсетті. Осындай реттелген құрылымдарды сипаттау үшін Натта терминдер енгізді «изотактикалық « және «синдиотактикалық». Тәртіп болмаған жағдайда «атактикалық» термині қолданылады:
Құрамында өтпелі металл топтары бар қатты катализаторлардың бетінде стереоспецификалық реакция жүреді IVA - VIII (мысалы, Ti, V, Cr, Zr ), толық емес тотыққан күйде және құрамында көміртегі немесе сутегі бар кез келген қосылыс, ол топтардан металмен байланысқан. I - III . Мұндай катализатордың классикалық мысалы - бұл кезде пайда болатын тұнбаТитан тотықсызданған гептандағы TiCl 4 және Al(C 2 H 5 ) 3 үш валентті күйге ауысады. Бұлерекше белсендіЖүйе қалыпты температура мен қысымда пропиленнің полимерленуін катализдейді.Каталитикалық тотығу.
Тотығу процестерінің химиясын басқару үшін катализаторларды қолданудың ғылыми және практикалық маңызы зор. Кейбір жағдайларда тотығу толық болуы керек, мысалы, автомобиль пайдаланылған газдардағы СО және көмірсутекті ластаушы заттарды бейтараптандыру кезінде.Бірақ көбінесе тотығудың толық емес болуы қажет, мысалы, көмірсутектерді құрамында -CHO, -COOH, -C-CO, -CN сияқты функционалдық топтары бар құнды аралық өнімдерге айналдыру үшін кеңінен қолданылатын көптеген өндірістік процестерде. Бұл жағдайда біртекті де, гетерогенді де катализаторлар қолданылады. Біртекті катализатордың мысалы ретінде тотығу үшін қолданылатын өтпелі металл кешенін алуға боладыжұп
-ксилолдан терефтал қышқылына дейін, оның күрделі эфирлері полиэфир талшықтарын алу үшін негіз болады.Гетерогенді тотығу катализаторлары.
Бұл катализаторлар әдетте күрделі қатты оксидтер болып табылады. Каталитикалық тотығу екі сатыда жүреді. Біріншіден, оксидтегі оттегі оксидтің бетіне адсорбцияланған көмірсутек молекуласымен ұсталады. Бұл жағдайда көмірсутек тотығады, ал оксид тотықсызданады. Тотықсызданған оксид оттегімен әрекеттеседі және бастапқы күйіне оралады. Ванадий катализаторын пайдаланып, нафталинді немесе бутанды толық емес тотығу арқылы фтал ангидридін алады.Метанды дегидродимерлеу арқылы этилен алу.
Дегидродимеризация арқылы этилен синтезі табиғи газды оңай тасымалданатын көмірсутектерге айналдырады. Реакция 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O 850 ° орындалады C әртүрлі катализаторларды қолдану; ең жақсы нәтижелер катализатор арқылы алынады Li-MgO . Болжам бойынша, реакция метан молекуласынан сутегі атомын алу арқылы метил радикалының түзілуі арқылы жүреді. Элиминация толық емес тотықсызданған оттегі арқылы жүзеге асырылады, мысалы, О 2
2-
. Газ фазасындағы метил радикалдары этан молекуласын түзу үшін қайта қосылып, одан кейінгі дегидрлеу кезінде этиленге айналады. Толық емес тотығудың тағы бір мысалы - күміс немесе темір-молибден катализаторының қатысуымен метанолдың формальдегидке айналуы.Цеолиттер. Цеолиттер гетерогенді катализаторлардың ерекше класын құрайды. Бұл ұяшықты құрылымды реттелген алюмосиликаттар, олардың жасуша өлшемі көптеген органикалық молекулалардың өлшемдерімен салыстырылады. Оларды молекулалық елеуіштер деп те атайды. Ең үлкен қызығушылық цеолиттер болып табылады, олардың кеуектері 8-12 оттегі ионынан тұратын сақиналардан тұрады (2-сурет). Кейде кеуектер ZSM-5 цеолитіндегідей (3-сурет) қабаттасады, ол метанолды бензин фракциясының көмірсутектеріне жоғары спецификалық түрлендіру үшін қолданылады. Бензиннің құрамында хош иісті көмірсутектердің көп мөлшері бар, сондықтан октан саны жоғары. Мысалы, Жаңа Зеландияда тұтынылатын барлық бензиннің үштен бірі осы технология арқылы өндіріледі. Метанол импорттық метаннан өндіріледі.
Y-цеолиттер тобын құрайтын катализаторлар, ең алдымен, олардың әдеттен тыс қышқылдық қасиеттеріне байланысты каталитикалық крекингтің тиімділігін айтарлықтай арттырады. Алюмосиликаттарды цеолиттермен ауыстыру бензиннің шығымдылығын 20%-дан астам арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, цеолиттер реакцияға түсетін молекулалардың мөлшеріне қатысты селективтілікке ие. Олардың селективтілігі тек белгілі бір өлшемдер мен пішіндегі молекулалар өтетін тесіктердің өлшемімен анықталады. Бұл бастапқы материалдарға да, реакция өнімдеріне де қатысты. Мысалы, стерикалық шектеулерге байланысты
жұп -ксилол көлемді заттарға қарағанда оңай түзіледіорто- Және мета -изомерлер. Соңғылары цеолиттің кеуектерінде «құлыпталады» (4-сурет).Цеолиттерді қолдану кейбір өнеркәсіптік технологияларда – газойль мен мотор майын палаусыздандыруда, ароматты қосылыстарды алкилдеу арқылы пластмасса алудың химиялық аралық өнімдерін алуда, ксилолды изомерлеуде, толуолды диспропорциялауда және мұнайдың каталитикалық крекингінде нақты революция жасады. Мұнда әсіресе цеолит тиімді
ZSM-5. Катализаторлар және қоршаған ортаны қорғау. аяғында ауаның ластануын азайту үшін катализаторларды қолдану басталды 19 40 ж. 1952 жылы А.Хаген-Смит пайдаланылған газдардың құрамындағы көмірсутектер мен азот оксидтері жарықта әрекеттесіп, көзді тітіркендіретін және басқа да жағымсыз әсерлер беретін тотықтырғыштарды (атап айтқанда, озон) түзетінін анықтады. Шамамен сол уақытта Ю.Хоудри пайдаланылған газдарды тотығу арқылы каталитикалық тазарту әдісін жасады. CO дейін көмірсутектер CO 2 және H 2 A. 1970 жылы «Таза ауа» декларациясы құрастырылды (1977 жылы нақтыланды, 1990 жылы кеңейтілді), оған сәйкес 1975 жылғы үлгілерден бастап барлық жаңа автомобильдер каталитикалық түрлендіргіштермен жабдықталуы керек. Пайдаланылған газдардың құрамына нормативтер белгіленді. Бензинді уландыратын катализаторларға қорғасын қосылыстары қосылатындықтан, оны кезең-кезеңімен тоқтату бағдарламасы қабылданды. Азот оксидтерінің мөлшерін азайту қажеттілігіне де назар аударылды.Катализаторлар арнайы автомобильдік бейтараптандырғыштар үшін жасалған, оларда белсенді компоненттер ұяшық құрылымы бар керамикалық субстратқа қолданылады, олардың жасушалары арқылы пайдаланылған газдар өтеді. Субстрат металл оксидінің жұқа қабатымен қапталған, мысалы.
Al2O3 , оған катализатор қолданылатын - платина, палладий немесе родий. Жылу электр станцияларында табиғи отынды жағу кезінде түзілетін азот оксидтерінің құрамын түтін газдарына аз мөлшерде аммиак қосып, оларды титан ванадий катализаторынан өткізу арқылы азайтуға болады.Ферменттер. Ферменттер тірі жасушадағы биохимиялық процестерді реттейтін табиғи катализаторлар. Олар энергия алмасу процестеріне, қоректік заттардың ыдырауына және биосинтез реакцияларына қатысады. Оларсыз көптеген күрделі органикалық реакциялар жүрмейді. Ферменттер кәдімгі температура мен қысымда жұмыс істейді, өте жоғары селективтілікке ие және реакция жылдамдығын 8 реттік деңгейге арттыруға қабілетті. Осы артықшылықтарға қарамастан, тек шамамен. 15 000 белгілі ферменттердің 20-сы кең ауқымда қолданылады.Адам мыңдаған жылдар бойы ферменттерді нан пісіру, алкогольдік сусындар, ірімшік және сірке суын өндіру үшін пайдаланды. Қазір ферменттер өнеркәсіпте де қолданылады: қантты өңдеуде, синтетикалық антибиотиктер, амин қышқылдары мен ақуыздарды өндіруде. Жуғыш заттарға гидролиз процестерін жеделдететін протеолитикалық ферменттер қосылады.
Бактериялардың көмегімен
Clostridium acetobutylicum Х.Вейцман крахмалдың ацетон мен бутил спиртіне ферментативті түрленуін жүзеге асырды. Ацетон алудың бұл әдісі бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде Англияда кеңінен қолданылды, ал екінші дүниежүзілік соғыс кезінде КСРО-да бутадиен каучук өндіру үшін пайдаланылды.Пенициллинді, сондай-ақ стрептомицин мен витаминді синтездеу үшін микроорганизмдер шығаратын ферменттерді қолдану өте маңызды рөл атқарды.
B12. Автокөлік отыны ретінде ферментативті процестер арқылы алынатын этил спирті кеңінен қолданылады. Бразилияда шамамен 10 миллион автокөліктің үштен бірінен астамы қант қамысынан алынған 96% этил спиртімен, ал қалғандары бензин мен этил спиртінің (20%) қоспасымен жұмыс істейді. Бензин мен спирт қоспасы болып табылатын жанармай өндіру технологиясы АҚШ-та жақсы дамыған. 1987 жылы, шамамен. 4 миллиард литр алкоголь, оның шамамен 3,2 миллиард литрі отын ретінде пайдаланылды. деп аталатын, сондай-ақ түрлі қолданбаларды табады. иммобилизацияланған ферменттер. Бұл ферменттер силикагель сияқты қатты тірекпен байланысады, оның үстіне реагенттер өтеді. Бұл әдістің артықшылығы субстраттардың ферментпен тиімді байланысын, өнімдердің бөлінуін және ферменттің сақталуын қамтамасыз етеді. Иммобилизацияланған ферменттердің өнеркәсіптік қолданылуының бір мысалы - изомерлену D - глюкозаны фруктозаға айналдырады. ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ АСПЕКТІЛЕР Қазіргі заманғы технологияларды катализаторсыз елестету мүмкін емес. Каталитикалық реакциялар 650-ге дейінгі температурада жүруі мүмкін° C және 100 атм немесе одан жоғары қысым. Бұл газ тәріздес және қатты заттар арасындағы байланысқа және катализатор бөлшектерін тасымалдауға байланысты мәселелердің жаңа шешімдерін мәжбүрлейді. Процесс тиімді болуы үшін оны модельдеу кинетикалық, термодинамикалық және гидродинамикалық аспектілерді ескеруі керек. Мұнда компьютерлік модельдеу, сонымен қатар технологиялық процестерді бақылаудың жаңа құралдары мен әдістері кеңінен қолданылады.1960 жылы аммиак өндірісінде айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізілді. Неғұрлым белсенді катализаторды пайдалану су буының ыдырауы кезінде сутегі өндірісінің температурасын төмендетуге мүмкіндік берді, бұл қысымды төмендетуге мүмкіндік берді, демек, өндіріс шығындарын азайтуға мүмкіндік берді, мысалы, арзанырақ орталықтан тепкіш компрессорларды қолдану арқылы . Нәтижесінде аммиактың өзіндік құны екі еседен астамға арзандады, оны өндіруде орасан зор өсім байқалды, осыған байланысты азық-түлік өндірісі де өсті, өйткені аммиак бағалы тыңайтқыш болып табылады.
Әдістері. Катализ саласындағы зерттеулер дәстүрлі және арнайы әдістерді қолдана отырып жүргізіледі. Радиоактивті тракерлер, рентгендік, инфрақызыл және Раман (Раман) спектроскопиясы, электронды микроскопиялық әдістер қолданылады; Кинетикалық өлшемдер жүргізіледі, катализаторларды дайындау әдістерінің олардың белсенділігіне әсері зерттеледі. Азоттың әртүрлі қысымдардағы физикалық адсорбциясын өлшеуге негізделген Брунауэр-Эмметт-Теллер әдісімен (BET әдісі) катализатордың бетінің ауданын анықтау үлкен маңызға ие. Ол үшін катализатордың бетінде моноқабат түзу үшін қажетті азот мөлшерін анықтап, молекуланың диаметрін біле отырып, N 2 , жалпы ауданды есептеңіз. Жалпы бетінің ауданын анықтаумен қатар әртүрлі молекулалардың хемосорбциясы жүзеге асырылады, бұл белсенді орталықтардың санын бағалауға және олардың қасиеттері туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді.Зерттеушілердің қолында катализаторлардың беттік құрылымын атомдық деңгейде зерттеудің әртүрлі әдістері бар. Әдіс бірегей ақпаратты алуға мүмкіндік береді
EXAFS . Спектроскопиялық әдістердің ішінде ультракүлгін, рентгендік және Auger фотоэлектрондық спектроскопиясы жиі қолданылады. Екіншілік иондық масс-спектрометрия және иондардың шашырау спектроскопиясы үлкен қызығушылық тудырады. ЯМР өлшемдері каталитикалық кешендердің табиғатын зерттеу үшін қолданылады. Сканерлеуші туннельдік микроскоп катализатор бетіндегі атомдардың орналасуын көруге мүмкіндік береді. БОЛАШАҒЫ Өнеркәсіптегі каталитикалық процестердің ауқымы жыл сайын артып келеді. Катализаторлар қоршаған ортаны ластайтын заттарды бейтараптандыру үшін көбірек қолданылады. Газ бен көмірден көмірсутектер мен құрамында оттегі бар синтетикалық отын алуда катализаторлардың рөлі артып келеді. Отын энергиясын электр энергиясына үнемді түрлендіру үшін отын элементтерін құру өте перспективалы болып көрінеді.Катализдің жаңа концепциялары көптеген құнды қасиеттері бар полимерлік материалдарды және басқа да өнімдерді алуға, энергия алу әдістерін жетілдіруге, азық-түлік өндірісін ұлғайтуға, атап айтқанда микроорганизмдердің көмегімен алкандар мен аммиактан ақуыздарды синтездеуге мүмкіндік береді. Табиғи биологиялық катализаторларға олардың каталитикалық белсенділігі мен селективтілігі бойынша жақындайтын ферменттер мен металлорганикалық қосылыстарды өндірудің гендік-инженерлік әдістерін әзірлеу мүмкін болуы мүмкін.
ӘДЕБИЕТГейтс Б.К. Каталитикалық процестердің химиясы . М., 1981 жБоресков Г.К. Катализ. Теория және практика сұрақтары . Новосибирск, 1987 ж
Ганкин В.Ю., Ганкин Ю.В.Катализдің жаңа жалпы теориясы . Л., 1991 ж
Тоқабе Қ. Катализаторлар және каталитикалық процестер . М., 1993 ж
С.И.ЛЕВЧЕНКОВ
ФИЗИКАЛЫҚ ЖӘНЕ КОЛЛОИДАЛЫҚ ХИМИЯ
Оңтүстік федералды университетінің (РСУ) биология факультетінің студенттеріне арналған дәріс конспектісі.
2.3 КАТАЛИТИКАЛЫҚ ПРОЦЕССТЕР
Берілген температурадағы химиялық реакцияның жылдамдығы активтендірілген кешеннің түзілу жылдамдығымен анықталады, ол өз кезегінде активтену энергиясының мәніне байланысты. Көптеген химиялық реакцияларда белсендірілген кешеннің құрылымына стехиометриялық реагенттер болып табылмайтын заттар кіруі мүмкін; Бұл жағдайда процестің активтену энергиясы да өзгеретіні анық. Бірнеше өтпелі күйлер болған жағдайда реакция негізінен активтену кедергісі ең төмен жол бойымен жүреді.
Катализ – реакциядан кейін күйі мен мөлшері өзгеріссіз қалатын заттардың қатысуымен химиялық реакция жылдамдығының өзгеру құбылысы.
Айыру оңЖәне теріскатализ (тиісінше реакция жылдамдығының артуы және төмендеуі), дегенмен «катализ» термині көбінесе тек оң катализді білдіреді; теріс катализ деп аталады тежелу.
Белсендірілген кешеннің құрылымына кіретін, бірақ стехиометриялық реагент болып табылмайтын зат катализатор деп аталады. Барлық катализаторлар әсер етудің спецификалық және таңдамалылығы сияқты ортақ қасиеттерімен сипатталады.
ЕрекшелікКатализатор тек бір реакцияны немесе ұқсас реакциялар тобын жеделдету және басқа реакциялардың жылдамдығына әсер етпеу қабілетінде жатыр. Мысалы, көптеген өтпелі металдар (платина, мыс, никель, темір және т.б.) гидрлеу процестерінің катализаторы болып табылады; алюминий оксиді гидратация реакцияларын катализдейді және т.б.
Селективтіліккатализатор – берілген шарттарда мүмкін болатын параллельді реакциялардың бірін жеделдету қабілеті. Осының арқасында әртүрлі катализаторларды қолдана отырып, бір бастапқы материалдардан әртүрлі өнімдерді алуға болады:
|
: 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 |
Оң катализбен реакция жылдамдығының жоғарылауының себебі реакция катализатордың қатысуымен белсендірілген комплекс арқылы өткенде активтену энергиясының төмендеуі болып табылады (2.8-сурет).
Аррениус теңдеуіне сәйкес химиялық реакцияның жылдамдық константасы активтену энергиясына экспоненциалды түрде тәуелді болғандықтан, соңғысының төмендеуі жылдамдық константасының айтарлықтай өсуін тудырады. Шынында да, егер каталитикалық және каталитикалық емес реакциялар үшін Аррениус теңдеуіндегі (II.32) экспоненциалды факторларды жақын деп алсақ, онда жылдамдық константаларының қатынасы үшін мынаны жазуға болады:
Егер ΔE A = –50 кДж/моль болса, онда жылдамдық константаларының қатынасы 2,7 10 6 есе болады (шынымен де, іс жүзінде Е А-ның мұндай төмендеуі реакция жылдамдығын шамамен 10 5 есе арттырады).
Айта кету керек, катализатордың болуы процестің нәтижесінде термодинамикалық потенциалдың өзгеру шамасына әсер етпейді, демек, ешбір катализатор термодинамикалық мүмкін емес процестің өздігінен пайда болуын мүмкін ете алмайды (ΔG (ΔF) нөлден үлкен процесс). Катализатор қайтымды реакциялар үшін тепе-теңдік константасының мәнін өзгертпейді; катализатордың әсері бұл жағдайда тек тепе-теңдік күйге жетуді жеделдету болып табылады.
Реагенттер мен катализатордың фазалық күйіне байланысты катализ біртекті және гетерогенді болып бөлінеді.
Күріш. 2.8Катализаторсыз химиялық реакцияның энергетикалық диаграммасы (1)
және катализатор (2) қатысуымен.
2.3.1 Біртекті катализ.
Гомогенді катализ – әрекеттесуші заттар мен катализатор бір фазада болатын каталитикалық реакциялар. Біртекті каталитикалық процестер кезінде катализатор реагенттермен аралық реактивті өнімдер түзеді. Біраз реакцияны қарастырайық
A + B ––> C
Катализатордың қатысуымен жылдам жүретін екі кезең жүзеге асырылады, нәтижесінде АА аралық қосылысының бөлшектері түзіледі, содан кейін (белсендірілген ABC кешені арқылы #) катализатор регенерациясымен соңғы реакция өнімі:
A + K ––> AK
AK + B ––> C + K
Мұндай процеске мысал ретінде активтену энергиясы Е А = 190 кДж/моль болатын сірке альдегидінің ыдырау реакциясын келтіруге болады:
CH 3 CHO ––> CH 4 + CO
Йод буының қатысуымен бұл процесс екі кезеңде жүреді:
CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI ––> CH 4 + I 2
Бұл реакцияның катализатор қатысында активтену энергиясының төмендеуі 54 кДж/моль; реакция жылдамдығының тұрақтысы шамамен 105 есе артады. Біртекті катализдің ең көп тараған түрі қышқылдық катализ, онда катализатор қызметін сутегі иондары Н+ атқарады.
2.3.2 Автокатализ.
Автокатализ– химиялық реакцияның бір өнімінің каталитикалық үдеу процесі. Мысал ретінде сутегі иондарымен катализделген күрделі эфирлердің гидролизін келтіруге болады. Гидролиз кезінде түзілген қышқыл диссоциацияланып, гидролиз реакциясын тездететін протондар түзеді. Автокаталитикалық реакцияның ерекшелігі - бұл реакция катализатор концентрациясының тұрақты жоғарылауымен жүреді. Сондықтан реакцияның бастапқы кезеңінде оның жылдамдығы артады, ал келесі кезеңдерінде реагенттер концентрациясының төмендеуі нәтижесінде жылдамдық төмендей бастайды; автокаталитикалық реакция өнімінің кинетикалық қисығы өзіне тән S-тәрізді көрініске ие (2.9-сурет).
Күріш. 2.9Автокаталитикалық реакция өнімінің кинетикалық қисығы
2.3.3 Гетерогенді катализ.
Гетерогенді катализ – катализатор мен әрекеттесуші заттар түзетін фазалар арасындағы шекарада жүретін каталитикалық реакциялар. Гетерогенді каталитикалық процестердің механизмі біртекті катализге қарағанда әлдеқайда күрделі. Әрбір гетерогенді каталитикалық реакцияда кем дегенде алты кезеңді бөлуге болады:
1. Катализатор бетіне бастапқы заттардың диффузиясы.
2. Кейбір аралық қосылыс түзе отырып, бастапқы заттардың бетке адсорбциясы:
A + B + K ––> АВК
3. Адсорбцияланған күйдің активтенуі (бұл үшін қажетті энергия – процестің шын активтену энергиясы):
AVK ––> AVK #
4. Адсорбцияланған реакция өнімдерінің түзілуімен белсендірілген кешеннің ыдырауы:
АВК # ––> СДК
5. Реакция өнімдерінің катализатор бетінен десорбциясы.
СDК ––> С + D + К
6. Катализатор бетінен реакция өнімдерінің диффузиясы.
Гетерокаталитикалық процестердің спецификалық ерекшелігі катализатордың ықпал ету және улану қабілеті болып табылады.
Науқан– катализатор активтілігінің жоғарылауы, бұл процестің катализаторы болып табылмайтын заттар (промоторлар). Мысалы, никель металы үшін катализделген реакция
CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O
никель катализаторына аздаған церий қоспасын енгізу катализатор белсенділігінің күрт артуына әкеледі.
Улану– белгілі бір заттардың (катализдік улар деп аталатын) қатысуымен катализатор белсенділігінің күрт төмендеуі. Мысалы, аммиак синтезінің реакциясы үшін (катализатор губка темір) реакциялық қоспада оттегі немесе күкірт қосылыстарының болуы темір катализаторының белсенділігінің күрт төмендеуіне әкеледі; бұл ретте катализатордың бастапқы материалдарды адсорбциялау қабілеті өте аздап төмендейді.
Гетерогенді каталитикалық процестердің осы ерекшеліктерін түсіндіру үшін Г.Тейлор келесі болжам жасады: катализатордың бүкіл беті каталитикалық белсенді емес, тек оның кейбір аймақтары - деп аталады. белсенді орталықтар , бұл катализатордың кристалдық құрылымындағы әртүрлі ақаулар болуы мүмкін (мысалы, катализатор бетіндегі шығыңқы жерлер немесе ойыстар). Қазіргі уақытта гетерогенді катализдің бірыңғай теориясы жоқ. Металл катализаторлары үшін әзірленген мультиплеттік теория . Мультилеттік теорияның негізгі ережелері мыналар:
1. Катализатордың белсенді центрі деп катализатордың бетінде түрленуге ұшырайтын молекуланың құрылымына геометриялық сәйкес орналасқан адсорбциялық орталықтардың белгілі санының жиынтығын айтады.
2. Әрекеттесуші молекулалардың активті орталыққа адсорбциялануы кезінде мультиплеттік комплекс түзіледі, нәтижесінде байланыстар қайта бөлініп, реакция өнімдерінің түзілуіне әкеледі.
Мультилеттер теориясы кейде белсенді орталық пен әрекеттесуші молекулалардың геометриялық ұқсастығы теориясы деп аталады. Әртүрлі реакциялар үшін белсенді орталықтағы адсорбция орталықтарының саны (әрқайсысы металл атомымен сәйкестендіріледі) әртүрлі – 2, 3, 4 және т.б. Мұндай белсенді орталықтар сәйкесінше дублет, үштік, төрттік және т.б. (жалпы жағдайда, мультиплет, бұл теория өз атауына міндетті).
Мысалы, мультиплеттер теориясы бойынша қаныққан бір атомды спирттердің дегидрленуі дублетте, ал циклогексанның дегидрленуі сексетте жүреді (2.10 - 2.11-сурет); Мультиплеттер теориясы металдардың каталитикалық белсенділігін олардың атомдық радиусының мәнімен байланыстыруға мүмкіндік берді.
Күріш. 2.10Спирттерді дублетте дегидрлеу
Күріш. 2.11Секстет бойынша циклогександы дегидрлеу
2.3.4 Ферментативті катализ.
Ферменттердің катализі – белок табиғатының биологиялық катализаторлары – ферменттердің қатысуымен жүретін каталитикалық реакциялар. Фермент катализінің екі сипатты қасиеті бар:
1. Жоғары белсенділік , бейорганикалық катализаторлардың белсенділігінен бірнеше рет жоғары, бұл процестің ферменттермен активтену энергиясының өте маңызды төмендеуімен түсіндіріледі. Сонымен, Fe 2+ иондарымен катализденген сутегі асқын тотығының ыдырау реакциясының жылдамдығының константасы 56 с -1 ; каталаза ферментімен катализделген сол реакцияның жылдамдық константасы 3,5·10 7 , яғни. ферменттің қатысуымен реакция миллион есе жылдам жүреді (процестердің активтену энергиясы сәйкесінше 42 және 7,1 кДж/моль). Қышқыл мен уреазаның қатысуымен мочевина гидролизінің жылдамдығының константалары 7,4·10 -7 және 5·10 6 с -1 құрайтын он үш ретпен ерекшеленеді (активтену энергиясы сәйкесінше 103 және 28 кДж/моль).
2. Жоғары ерекшелік . Мысалы, амилаза бірдей глюкоза бірліктерінің тізбегі болып табылатын крахмалдың ыдырауын катализдейді, бірақ молекуласы глюкоза мен фруктоза фрагменттерінен тұратын сахарозаның гидролизін катализдемейді.
Ферменттік катализ механизмі туралы жалпы қабылданған идеяларға сәйкес субстрат S және фермент F өте тез түзілетін фермент-субстрат кешенімен тепе-теңдікте болады, ол бос ферменттің бөлінуімен Р реакция өніміне салыстырмалы түрде баяу ыдырайды; Сонымен, фермент-субстрат кешенінің реакция өнімдеріне ыдырау сатысы жылдамдықты анықтаушы (шектеу) болып табылады.
F+S<––>FS ––> F + P
Ферменттің тұрақты концентрациясында ферменттік реакция жылдамдығының субстрат концентрациясына тәуелділігін зерттеу субстрат концентрациясының жоғарылауымен реакция жылдамдығының алдымен жоғарылайтынын, содан кейін өзгеруін тоқтататынын көрсетті (2.12-сурет) және реакция жылдамдығының субстрат концентрациясына тәуелділігі келесі теңдеумен сипатталады:
(II.45)
Кіріспе
1. Катализдің жалпы ережелері мен принциптері
2. Гомогенді катализ
3. Қышқылдық және негіздік катализ
4. Комплексті қосылыстар катализдейтін біртекті каталитикалық реакциялар
5. Ферменттердің катализі
6. Гетерогенді катализ
Қорытынды
Пайдаланылған көздер тізімі
Кіріспе
Катализ – катализаторлардың қатысуымен реакция жылдамдығының өзгеру құбылысы. Катализаторлардың қатысуымен жүретін реакциялар каталитикалық деп аталады. Жалпы реакция нәтижесінде өзгеріссіз қала отырып, химиялық реакция жылдамдығын арттыратын заттар катализаторлар деп аталады.
Катализаторлардың көптеген түрлері және олардың әсер ету механизмдері әртүрлі. Катализатор алдымен байланыстырылатын, содан кейін регенерацияланатын, қайтадан байланысатын және т.б. көптеген рет циклдардан өтеді. Катализатор реакцияның басқа жолмен жүруіне және катализатор болмаған кездегіге қарағанда жылдамырақ жылдамдықпен жүруіне мүмкіндік береді. Жылдамдықты белсендіру энергиясын азайту, экспоненциалды факторды арттыру немесе екеуін де арттыруға болады.
Катализатор бір уақытта тура және кері реакцияларды жылдамдатады, соның арқасында жалпы реакцияның тепе-теңдік константасы өзгеріссіз қалады. Егер бұлай болмаса, материяны қалпына келтіру үшін катализатордың көмегімен мәңгілік қозғалыс машинасын салуға болар еді.
1. Катализдің жалпы ережелері мен принциптері
Катализаторлар біртекті және гетерогенді болып бөлінеді. Біртекті катализатор әрекеттесуші заттармен бір фазада болады, ал гетерогенді катализатор әрекеттесуші заттар орналасқан фазадан интерфейс арқылы бөлінген тәуелсіз фазаны құрайды. Біртекті катализаторларға қышқылдар мен негіздер жатады. Гетерогенді катализаторлар ретінде металдар, олардың оксидтері мен сульфидтері қолданылады.
Бір типті реакциялар біртекті және гетерогенді катализаторлармен де жүруі мүмкін. Осылайша, қышқыл ерітінділерімен бірге қатты Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, алюмосиликаттар, қышқылдық қасиеті бар цеолиттер қолданылады. Негізгі қасиеттері бар гетерогенді катализаторлар: CaO, BaO, MgO.
Гетерогенді катализаторлар, әдетте, жоғары дамыған бетке ие, ол үшін олар инертті тасымалдаушыға (силикагель, алюминий оксиді, белсендірілген көмір және т.б.) таралады.
Реакцияның әрбір түрі үшін белгілі бір катализаторлар ғана тиімді. Жоғарыда аталған қышқылдық-негіздік катализаторлардан басқа тотығу-тотықсыздану катализаторлары; олар өтпелі металдың немесе оның қосылысының (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3) болуымен сипатталады. Бұл жағдайда катализ өтпелі металдың тотығу дәрежесін өзгерту арқылы жүзеге асырылады.
Көптеген реакциялар өтпелі металл атомында немесе ионында (Ti, Rh, Ni) әрекеттесетін заттардың координациясы арқылы әрекет ететін катализаторлар арқылы жүзеге асырылады. Катализдің бұл түрі координациялық катализ деп аталады.
Егер катализатор хиральды қасиетке ие болса, онда оптикалық белсенді емес субстраттан оптикалық белсенді өнім алынады.
Қазіргі ғылым мен техникада әрқайсысы реакцияның әртүрлі сатыларын жеделдететін бірнеше катализаторлар жүйелері жиі қолданылады. Катализатор басқа катализатор жүргізетін каталитикалық циклдің бір сатысының жылдамдығын да арттыра алады. Мұнда «катализ катализі» немесе екінші деңгейлі катализ жүреді.
Биохимиялық реакцияларда ферменттер катализатор рөлін атқарады.
Катализаторларды инициаторлардан ажырату керек. Мысалы, пероксидтер радикалды тізбекті реакцияларды бастауы мүмкін бос радикалдарға ыдырайды. Инициаторлар реакция кезінде тұтынылады, сондықтан оларды катализаторлар деп санауға болмайды.
Ингибиторларды кейде теріс катализаторлар деп қателеседі. Бірақ ингибиторлар, мысалы, радикалды тізбекті реакциялардың, бос радикалдармен әрекеттеседі және катализаторлардан айырмашылығы, сақталмайды. Басқа ингибиторлар (каталитикалық улар) катализатормен байланысып, оны сөндіреді, мұнда теріс катализ емес, катализдің басылуы жүреді. Теріс катализ негізінен мүмкін емес: ол реакцияның баяу жолын қамтамасыз етеді, бірақ реакция, әрине, жылдамырақ, бұл жағдайда катализденбеген жолмен жүреді.
Катализатор реакция өнімдерінің бірі болуы мүмкін. Бұл жағдайда реакция автокаталитикалық, ал құбылыстың өзі автокатализ деп аталады. Мысалы, Fe 2+ Mn0 4-пен тотығу кезінде
5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 0
алынған Mn 2+ иондары реакцияны катализдейді.
Каталитикалық реакциялар табиғатта өте кең таралған. Олардың ең таңғаларлықтары - тірі ағзалардағы көптеген реакцияларды катализдейтін ферменттермен реакциялар. Катализаторлар өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Азот және күкірт қышқылдары, аммиак өндірісі, синтетикалық каучук өндірісі және т.б. каталитикалық реакцияларсыз мүмкін емес. Дәрілік заттарды өндіруде катализаторлар қолданылады: фенацетин, гуаиаколь, ароматты қосылыстардың галогендік туындылары және т.б.Катализатор ретінде Mn(IV) оксиді, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3 қолданылады.
Біртекті және гетерогенді катализ бар, бірақ олардың кез келгені үшін негізгі принциптер келесіге дейін қайнатылады:
1. Катализатор реакцияның элементар актісіне белсенді түрде қатысады, не реакцияға қатысушылардың бірімен аралық қосылыстар, не барлық әрекеттесуші заттармен белсендірілген кешен түзеді. Әрбір элементар әрекеттен кейін ол регенерацияланады және әрекеттесетін заттардың жаңа молекулаларымен әрекеттесе алады.
2. Каталитикалық реакцияның жылдамдығы катализатордың мөлшеріне пропорционал.
3. Катализатордың әсер ету қабілеті бар. Ол бір реакцияның жылдамдығын өзгерте алады, ал екіншісінің жылдамдығына әсер етпейді.
4. Катализатор реакцияның басқа жолмен жүруіне мүмкіндік береді және катализатор болмаған кездегіге қарағанда жылдамырақ.
Жылдамдықты белсендіру энергиясын азайту, экспоненциалды факторға дейінгі факторды немесе екеуін де арттыру арқылы арттыруға болады. Мысалы, CH 3 CHO CH 4 + CO сірке альдегидінің термиялық ыдырауы йод буымен катализденеді, бұл активтену энергиясының ~55 кДж/мольге төмендеуін тудырады. Бұл төмендеу жылдамдық константасының шамамен 10 000 есе артуын тудырады.
5. Катализатор термодинамикалық тепе-теңдік жағдайына әсер етпейді. Ол тура және кері реакциялардың жылдамдығын бірдей дәрежеде өзгертеді.
6. Промоторлар деп аталатын кейбір заттарды қосу арқылы катализатордың белсенділігі артады; ингибиторларды қосу реакция жылдамдығын төмендетеді.
2. Гомогенді катализ
Біртекті катализде катализатор біртекті ерітіндідегі молекула немесе ион болып табылады. Біртекті катализ кезінде катализатор және барлық әрекеттесуші заттар бір ортақ фазаны құрайды.
Біртекті катализ теориясының негізгі болжамы реакция кезінде катализатордың әрекеттесуші заттармен тұрақсыз аралық қосылыстары түзіледі, содан кейін катализатордың регенерациясымен ыдырайды деген идея:
A + B + K = (A-B-K)* D + K
Бұл реакцияның жылдамдығы
v=k nв Ав Бв Қ
катализатор концентрациясына пропорционал, ал жылдамдық константасы Аррениус теңдеуіне бағынады. Бұл реакция екі кезеңде болуы мүмкін:
катализ гомогенді қышқылдық ферменттік гетерогенді
Бұл жағдайда екі жағдай болуы мүмкін. Біріншісінде кешеннің катализаторға және бастапқы өнімге ыдырау жылдамдығы соңғы өнім түзілетін екінші кезеңнің жылдамдығынан айтарлықтай жоғары. Сондықтан катализдің бұл түрінде Аррениус комплекстері деп аталатын комплекстердің концентрациясы төмен. Екінші жағдайда кешеннің ыдырау жылдамдығы екінші кезеңнің жылдамдығымен салыстырылады. Аралық кешеннің концентрациясы айтарлықтай және стационарлық. Бұл түрдегі кешендерді Вант-Хофф кешендері деп атайды.
Екінші жағдай, әдеттегідей, толығырақ қарастырылады. Аралық қосылыс АА бастапқы заттармен тепе-теңдікте болғандықтан тура (v 1) және кері (v 2) реакциялардың (1) жылдамдықтары тең болуы керек. Олар үшін кинетикалық теңдеулерді құрастырып, біз аламыз:
Қайда (Бірге Кімге"-- бірге АК") -- реакцияға түспеген катализатордың концентрациясы; бірге А,Бірге А.Қ."-- тиісінше А затының және аралық АА-ның тепе-теңдік концентрациясы.
(2) аралық қосылыстың концентрациясын табамыз:
Бүкіл процестің жалпы жылдамдығы (v) ең баяу кезеңнің жылдамдығымен анықталады, бұл жағдайда екінші. Содан кейін
(3) аралық қосылыс концентрациясын (4) орнына қойып, мынаны аламыз:
(5) теңдеу екі шектеуші режимнің болу мүмкіндігін көрсетеді:
Екі жағдайда да реакция жылдамдығы катализатор концентрациясына тура пропорционал, бірақ бастапқы заттарға қатысты реакцияның жүру реті әртүрлі. Бірінші жағдайда ол екіге тең, ал екіншісінде - бір. Шектеу режимдерінен тыс реакция реті бөлшек болады.
Біртекті катализге мысал ретінде йод буымен катализделген сірке альдегидінің CH 3 SON CH 4 + CO термиялық ыдырау реакциясын келтіруге болады. Йод буы болмаған жағдайда Е А=191,0 кДж/моль, олардың қатысуымен Е А= 136,0 кДж/моль. Жылдамдық константасы 10 000 есе артады. Бұл реакция екі кезеңде жүретіндіктен болады:
CH 3 SON + I 2 = CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI = CH 4 + I 2
Әрбір сатының активтену энергиясы каталитикалық емес реакцияның активтену энергиясынан аз.
Гомогенді катализге көптеген қышқылдық-негіздік реакциялар, комплекс түзілу реакциялары, тотығу-тотықсыздану реакциялары, көптеген гидрлеу реакциялары, сульфатизация реакциялары және т.б.
3. Қышқылдық және негіздік катализ
Қышқылдар мен негіздер көптеген реакцияларда катализатордың қызметін атқарады, яғни реакцияға қатыса отырып, олардың өздері жұмсалмайды (гидролиз, алкилдеу, эфирлену реакциялары және т.б. Қышқылдық-негіздік катализдің үш түрі бар:
1) спецификалық қышқылдық (негіздік) катализ, онда сәйкесінше H + немесе OH - иондары катализатор қызметін атқарады;
2) кез келген протон доноры (акцепторы) жүзеге асыратын жалпы қышқылдық (негіздік) катализ;
3) қышқылдар мен Льюис негіздері арқылы жүзеге асырылатын электрофильді (нуклеофильді) катализ.
Бірінші ретті жылдамдық тұрақтысы кбуферлік ерітіндідегі реакция үшін [H + ], [OH - ], [HA], [A - ] сызықтық функциясы болуы мүмкін, яғни:
k = k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH - ] + k 3 [HA] + k 4 [A - ]
Бұл өрнекте к 0 -- барлық каталитикалық иондар болмаған кездегі бірінші ретті жылдамдық константасы: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- каталитикалық коэффициенттер.
Егер k 1 [H + ] термині ғана маңызды рөл атқарса, онда олар реакция сутегі иондарымен ерекше катализ көрсетеді дейді. Егер мүше басым болса к 3 [HA] болса, онда реакция жалпы қышқылдық катализге ұшырайды деп аталады. Егер мүше басым болса к 4 [A - ] болса, онда реакция жалпы негізгі катализге ұшырайды деп аталады.
Спецификалық қышқылдық-негіздік катализ үшін, каталитикалық емес реакцияның жылдамдығы төмен болған кезде (к 0 = 0), логарифмдік түрде көрсетілуі мүмкін:
Қышқыл ерітінділер үшін:
Сілтілік ерітінділер үшін:
Теңдеулер нақты қышқылдық-негіздік катализ кезінде жылдамдық константасының логарифмі ортаның рН-ға сызықты түрде тәуелді екенін көрсетеді.
Сутегі иондарының каталитикалық әсер ету механизмі протонның аралық қосылысы мен бастапқы заттың молекуласының түзілуінде. Осы процестің арқасында бастапқы затта болатын химиялық байланыстар қопсытады, активтену энергиясы азаяды, содан кейін BH+ протондалған түрі реакция өнімі мен катализаторға ыдырайды.
4. Комплексті қосылыстар катализдейтін біртекті каталитикалық реакциялар
Өндірістік жағдайда тотықсыздану, гидрлеу, тотығу, изомерлеу, полимерлену реакциялары катализаторлар – күрделі қосылыстар (периодтық жүйенің VIII тобындағы металл иондары Fe, Co, Ni, Ru, сондай-ақ Cu, Fg, Hg) қатысуымен жүргізіледі. , Cr, Mn). Каталитикалық әрекеттің мәні мынада: металл иондары электронды донор немесе акцептор ретінде әрекет етеді. Орталық металл ионының айналасында үйлестірілген реакцияға түсетін молекулалар арасындағы химиялық әрекеттесу молекулалардың поляризациясы және жеке байланыстар энергиясының төмендеуі арқылы жеңілдетіледі. Орталық металл ионы реакцияға түсетін молекулалар арасындағы электронды ауысуды жеңілдететін көпір рөлін атқарады.
Металл ионының каталитикалық белсенділігі ионның реакцияға қатысушылармен байланыс энергиясына байланысты. Егер байланыс энергиясы жоғары немесе төмен болса, металл ионының каталитикалық белсенділігі әлсіз болады. Бірінші жағдайда металл иондары әрекеттесуші молекулалармен тығыз байланысады, сондықтан олар реакциядан шығарылады. Екінші жағдайда әрекеттесуші молекулалар ерітіндіде бар басқа лигандтарды ығыстыра алмайды. Нәтижесінде белсенді катализатор болып табылмайтын координациялық қаныққан комплекстер пайда болады.
Күрделі катализаторлардың құрамын реттеудегі кең мүмкіндіктердің арқасында құрамында VIII топ элементтерінің иондары бар ферменттердің қатысуымен бірқатар реакцияларды модельдеу мүмкін болды.
5. Ферменттердің катализі
Ферменттер ең ғажайып катализаторлар болып табылады. Олар тірі организмдердегі көптеген реакциялармен байланысты, сондықтан оларды көбінесе биологиялық катализаторлар деп атайды. Ферменттік катализ кәдімгі катализге қарағанда күрделі құбылыс. Ферменттік катализ процестерінің жоғары ұйымдастырылуы ферменттік реакциялардағы әрекеттесуші заттар деп аталатын ферменттер мен субстраттардың молекулалық құрылымының ерекше комбинациясымен байланысты тірі организмдегі өзара әрекеттесу ерекшелігімен анықталады.
Ферменттер белоктар, яғни. пептидтік байланыспен байланысқан аминқышқылдарынан тұрады. Фермент молекуласында ауыспалы полярлық топтар COOH, NH 2, NH, OH, SH және т.б., сондай-ақ гидрофобты топтар бар. Ферменттің біріншілік құрылымы әртүрлі аминқышқылдарының ауысу ретімен анықталады. Термиялық хаотикалық қозғалыс нәтижесінде ферменттің макромолекуласы иіліп, борпылдақ шарларға айналады. Молекулааралық әрекеттесу полипептидтік тізбектің жеке бөлімдері арасында жүреді, сутектік байланыстардың түзілуіне әкеледі. Ферменттің екінші реттік құрылымы борпылдақ орта түрінде көрінеді. Әрбір фермент үшін екінші реттік құрылым жақсы анықталған. Ферменттің белсенді каталитикалық орталығына субстрат молекулаларын белгілі бір қалыпта бағдарлайтын топтар жатады. Белсенді орталық белгілі бір құрылымның молекуласы ғана кіре алатын матрица тәрізді. Ферменттік катализ механизмі ферменттің белсенді орталықтарының субстратпен фермент-субстрат кешенінің түзілуімен әрекеттесуінен тұрады, содан кейін ол бірнеше түрлендірулерден өтеді, нәтижесінде реакция өнімі пайда болады. Аралық кезеңдердің әрқайсысы реакцияның тез жүруіне ықпал ететін төменгі активтену энергиясымен сипатталады. Бұл ферменттердің жоғары белсенділігін түсіндіреді.
Ферменттер реакцияның қандай түрін катализдейтініне байланысты кластарға бөлінеді: оксидоредуктазалар (тотықсыздану-тотықсыздану реакцияларын катализдейді), трансферазалар (химиялық топтардың бір қосылыстан екінші қосылысқа ауысуын катализдейді), гидролазалар (гидролиз реакцияларын катализдейді), лиазалар (әртүрлі байланыстарды үзеді) , изомеразалар (изомерлік түрлендірулерді жүзеге асырады), лигазалар (синтез реакцияларын катализдейді). Көріп отырғанымыздай, ферменттер спецификалық және селективтілігі бойынша ерекшеленеді. Кейбіреулер белгілі бір типтегі реакциялардың тұтас класын катализдейді, кейбіреулері тек бір реакцияны катализдейді.
Көптеген ферменттердің құрамында металл иондары (металлоферменттер) болады. Металлоферменттерде металл иондары ферменттің белсенді құрылымын қамтамасыз ететін хелаттық комплекстер түзеді. Тотығу дәрежесі айнымалы металдар (Fe, Mn, Cu) тотығу-тотықсыздану реакцияларына қатысады, тотықтырғышқа электрондарды береді. Сутегі мен электрон тасымалдау қызметін атқаратын бірнеше ондаған органикалық қосылыстар белгілі. Олардың құрамында витаминдер туындылары бар.
Ауыр металл иондары (Ag +, Hg +, Pb 2+) ферменттердің белсенді топтарын блоктай алады.
Әртүрлі ферменттердің әсерін бағалау үшін молекулалық белсенділік ұғымы енгізілді, ол минутына бір фермент молекуласының әсерінен түрленетін субстрат молекулаларының санымен анықталады. Белгілі ең белсенді фермент - молекулалық белсенділігі минутына ~ 36 миллион молекуланы құрайтын карбоангидраза.
Фермент катализдейтін реакция жылдамдығы ферменттің концентрациясына тура пропорционал. Төмен субстрат концентрациясында реакция субстратқа қатысты бірінші ретті болады. Жоғары концентрацияларда реакция жылдамдығы тұрақты болып қалады және реакция реті нөлге айналады (фермент субстратпен толық қаныққан). Реакция жылдамдығы ортаның температурасы мен қышқылдығына байланысты.
Ферменттік катализ тіршіліктің барлық көріністерінде үлкен рөл атқарады, мұнда біз тірі тіршілік иелері туралы айтып отырмыз. Дененің өмірлік белсенділігін арттыру және метаболизмді жақсарту үшін дәрі ретінде қолданылатын көптеген ферменттік препараттар жасалды. Ферменттік препараттар ас қорыту ферменттерінің жеткіліксіз өндірілуіне байланысты асқазан-ішек жолдарының бұзылыстары үшін кең таралған. Сонымен, гастриттің кейбір түрлері үшін пепсин немесе панкреатин препараттары қолданылады. Сондай-ақ ферменттер көп мөлшерде жинақталған ақуыз түзілімдерін жою қажет болған жағдайда (күйіктерде, іріңді жараларда, өкпенің іріңді-қабыну ауруларына және т.б.) сәтті қолданылады. Бұл жағдайларда ақуыздардың жылдам гидролизіне әкелетін және іріңді жинақтардың резорбциясына ықпал ететін протолиттік ферменттер қолданылады. Бірқатар жұқпалы ауруларды емдеу үшін кейбір патогендік бактериялардың қабығын бұзатын лизоцимдік препараттар қолданылады. Қан ұйығыштарын (қан тамырларының ішіндегі қан ұйығыштарын) ерітетін ферменттер өте маңызды. Бұл қанда табылған плазмин; ұйқы безінің ферменттері - трипсин және химотрипсин. Олардың негізінде әртүрлі қоспалармен дәрілік ферментті препараттар жасалды - медицинада қолданылатын стрептокиназа, стрептаза және т.б.
6. Гетерогенді катализ
Интерфейстегі гетерогенді катализ жүреді. Бірінші байқалған гетерогенді каталитикалық реакция Пристли (1778) жүргізген белсенді сазда этил спиртін сусыздандыру болды:
C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O
19 ғасырдың бірінші жартысында гетерогенді катализге көптеген еңбектер арналды. Қатты денелердің каталитикалық әрекетін теориялық тұрғыдан түсіндіруге көп еңбек арналды. Кейіннен ілімнің дамуы тәжірибелік мәліметтердің жинақталуымен де, катализаторларды дайындау әдістерінің жасалуымен де, жаңа каталитикалық процестердің ашылуы мен зерттелуімен де, химия өнеркәсібіне катализдің енгізілуімен де, гетерогенді катализ теориясының дамуымен де жалғасты. . Дегенмен, теоретиктердің жетістіктері экспериментаторлардың табыстарынан әлдеқайда қарапайым болды. Және бұл кездейсоқ емес.
Катализдік және каталитикалық емес процестердің арасында түбегейлі айырмашылық болмағанымен, екеуі де химиялық кинетика заңдарына бағынады, екі жағдайда да әрекеттесуші заттардың жүйесі қандай да бір ерекше белсенді күйден өтеді және гетерогенді каталитикалық реакцияларда ерекше белгілер байқалады. Ең алдымен, қатты дене пайда болады, оның қасиеттеріне барлық құбылыстар тұтастай байланысты. Сондықтан гетерогенді катализ теориясының жетістіктері қатты денелер теориясының дамуымен тығыз байланысты екені кездейсоқ емес. Процесс жер бетінде жүретіндіктен, катализатор бетінің құрылымын білу катализ теориясын дамыту үшін шешуші болып табылады. Бұл катализ теориясының дамуы мен адсорбция құбылыстарын тәжірибелік және теориялық зерттеулердің дамуы арасындағы тығыз байланысты білдіреді. Гетерогенді процестердің күрделілігі және олардың өзіне тән ерекшелігі осы саладағы теориялық зерттеулердің әлі аяқталмағандығына әкеледі. Әзірге, бірінші жуықтау үшін белгілі бір эксперименттік фактілерді жалпылайтын бірнеше теориялық тұжырымдамалардың болуы туралы айтуға болады.
Тәжірибеде гетерогенді катализдің екі түрі жиі кездеседі:
1) катализатор қатты фазада және әрекеттесуші заттар сұйық фазада болатын процестер;
2) катализатор қатты фазада, ал әрекеттесуші заттар газ фазасында болатын процестер. Реакция, әдетте, фазалық шекарада пайда болады (және кейбір көп сатылы процестерде басталады), яғни. қатты дененің бетінде – катализатор.
Гетерогенді процесті бес кезеңге бөлуге болады:
1) әрекеттесуші заттардың катализатор бетіне тасымалдануы (диффузия);
2) катализатор бетіндегі әрекеттесуші заттардың адсорбциясы;
3) бетіндегі реакция;
4) катализатор бетін шығарумен реакция өнімдерін десорбциялау;
5) реакция өнімдерін көлемге тасымалдау (диффузия).
Процесс жағдайларына және оның ерекшеліктеріне байланысты бес кезеңнің кез келгені ең баяу болуы мүмкін, сондықтан каталитикалық процестің жылдамдығы олардың кез келгенімен шектелуі мүмкін. Катализаторлардың белсенділігін салыстырмалы бағалау үшін беттегі реакция жылдамдығы шешуші болып табылады. Сондықтан катализатордың активтілігінің мәнін алу маңызды болған жағдайларда, олар процесті жылдамдық екінші кинетикалық кезең деп аталатын жолмен анықталатындай етіп жүргізуге тырысады.
Адсорбция мен десорбцияның өзіне тән заңдылықтары бар.Адсорбция - бұл заттың шекарадағы концентрациясының өздігінен өзгеру процесі. Бетінде адсорбция процесі жүретін зат деп аталады адсорбент. Адсорбцияланған зат деп аталады адсорбат. Гетерогенді катализде адсорбент катализатор, ал адсорбат әрекеттесуші заттың (субстрат) молекуласы болып табылады. Катализатордағы субстраттың адсорбциясы бетінде орналасқан катализатор молекулалары (атомдары) мен субстрат молекулалары арасында пайда болатын әрекеттесу күштері есебінен жүзеге асырылуы мүмкін (физикалық адсорбция). Химиялық әрекеттесу (химиялық адсорбция немесе хемосорбция) катализатордың молекулалары (атомдары) мен әрекеттесуші заттың молекулалары арасында болуы мүмкін. Адсорбция нәтижесінде жүйенің реті жоғарылайды және жүйенің энергиясы азаяды және реакцияның активтену энергиясы азаяды.
Гетерогенді процестер үшін заттың сұйықтың немесе газдың ішкі көлемінен қатты бетке қозғалысы ерекше маңызға ие. Масса алмасу процестері диффузия заңдарына бағынады.
Қорытынды
Мұнай өңдеудегі және мұнай-химиядағы катализаторлар мен каталитикалық процестердің маңыздылығын асыра бағалау мүмкін емес. Өйткені, олар қазіргі адамзат қоғамының қажеттіліктерін қанағаттандырудың аса маңызды салаларындағы техникалық прогрестің негізі болып табылады. Мәселе, ең алдымен, әртүрлі кен орындарының мұнайында әдетте бензинге сәйкес келетін төмен қайнайтын фракциялардың 5-тен 20% -ға дейін бар. Автомобиль және әуе көлігінің заманауи дамуымен бензинге деген қажеттілік орасан зор. Сонымен қатар, мұнайдан тікелей тазартылған мотор отындары әдетте төмен сапалы болады. Катализдік крекинг пен риформингті басқа заманауи өңдеу әдістерімен үйлестіре пайдалану жоғары деңгейлі бензиннің шығымдылығын мұнай салмағының 75%-ына дейін арттыруға мүмкіндік береді. Мотор отындары да көмірді металл катализаторлары арқылы каталитикалық гидрлеу арқылы өндіріледі.
Металл және оксид катализаторларында көмірсутектерді одан әрі каталитикалық өңдеу халық тұтынатын тауарлар өндірісіне қажетті аралық өнімдерді алуға мүмкіндік береді. Олардан алынған мономерлер мен полимерлердің көпшілігі мұнайдан, көмірден, тақтатастардан, табиғи газдан алынған көмірсутектерді және олардың туындыларын өңдеудің каталитикалық процестерінің өнімдері болып табылады. Дәрілік заттарға арналған жуғыш заттар мен бояғыштарды өндіруде каталитикалық процестер маңызды рөл атқарады.
Аралық өнімдерді (және органикалық технология өнімдерін) өндіретін негізгі органикалық синтез негізінен каталитикалық реакцияларға негізделген. Қазіргі қоғам өмірінде күкірт қышқылы, аммиак және азот қышқылы сияқты химиялық өнімдердің маңызы зор. Халық шаруашылығының барлық дерлік салалары осы заттарды немесе олардың көмегімен алынған басқа да химиялық қосылыстарды тұтынады. Олар ондаған миллион тонна минералды тыңайтқыштарды өндіруге пайдаланылады, оларсыз егістік өнімділігін арттыру, тіпті оны сақтау мүмкін емес. Жүздеген химия, мұнай-химия, тамақ, жеңіл және басқа да салалар күкірт, азот қышқылдары, аммиак және олардың туындыларын пайдаланады. Бұл қосылыстар металлургия және металл өңдеу өнеркәсібінде де қолданылады.
Бұл кезде аммиактан күкірт қышқылын, аммиак пен азот қышқылын кең көлемде алу тек тиісті катализаторлардың ашылуы мен оларды қолдану әдістерінің дамуының арқасында мүмкін болды.
Пайдаланылған көздер тізімі
1) А.П. Беляева. Физикалық және коллоидтық химия. М.: ГОЕТАР-Медиа, 2008 ж
2) И.П. Мухленов. Катализатор технологиясы. М.: Букинист, 2007 ж
3) Химиялық энциклопедия. – М.: Совет энциклопедиясы, 1990 ж.
4) Имьянитов Н.С. Металл кешені катализіндегі бірнеше катализаторлар жүйесі. // Үйлестіру химиясы. 1984 жыл.
Ұқсас құжаттар
Металл комплексті катализ процесінің мәні мен ерекшеліктері. Металл кешендерінің каталитикалық белсенділігін анықтайтын қасиеттері. Ферментативті катализді модельдеу. Металл комплексті катализдің қолдану салалары, артықшылықтары мен кемшіліктері.
есеп, 16.03.2015 жылы қосылған
Гомогенді катализдің жалпы теориялары. Катализ процесінің кезеңдері және реакция жылдамдығы. Әртүрлі мөлшерде Fe2+ катализаторы болғандағы сутегі асқын тотығының диспропорциялануының каталитикалық реакциясының кинетикасы, реакция жылдамдығына рН әсері.
сынақ, 18.09.2012 қосылған
Химиялық реакцияның жылдамдығын анықтау. Катализдік реакциялардың ашылу тарихы, түсінігі және түрлері. Катализ құбылысы, оның физикалық және химиялық аспектілері туралы химияның көрнекті қайраткерлерінің пікірлері. Гетерогенді катализдің механизмі. Биохимиядағы ферментативті катализ.
аннотация, 14.11.2010 қосылған
Катализ, катализатор және каталитикалық процесс ұғымдары, олардың әртүрлі анықтамалары. Катализаторлар арқылы реакцияларды жеделдету механизмдері. Химиялық (биологиялық емес) катализ. Күкірт қышқылының қатысуымен спирттен диэтил эфирінің синтезі. Катализ теориялары.
аннотация, 26.01.2009 қосылған
Металл катализаторлары, гетерогенді катализге арналған аралас және көп функциялы катализаторлар. Катализаторға қойылатын талаптар. Гетерогенді катализ теориялары. Мультиплекс және электронды теориялар. Белсенді ансамбльдер теориясы. Табиғи газды өңдеудегі катализ.
курстық жұмыс, 06.05.2014 қосылған
Катализ анықтамасы және оның өнеркәсіптегі рөлі. Селективтілік және «химиялық реакция механизмі» түсінігі туралы жалпы түсінік. Реакциялардың фазалары мен түрлері бойынша каталитикалық жүйелердің жіктелуі. Адсорбция және өндірістік катализаторларға қойылатын негізгі талаптар.
аннотация, 26.01.2009 қосылған
Арендиазоний тұздарын қайнату әдістері. Фенолдардың термодинамикалық қышқылдығын талдау. Фенолдардың ацилдену, қышқылдық катализ және феноксисірке қышқылының сипаттамасы. Кольбе-Шмитт реакциясының ерекшеліктері, феноксисірке қышқылын алу әдістері.
сынақ, 28.03.2012 қосылған
Термохимияның пәні, химиялық реакциялардың жылу эффектілерін зерттеу. Химиялық кинетика және катализ процестерінің түрлері. Реакцияның энтальпиясы (жылу эффектісі). Реакция жылдамдығы, массалар әрекетінің заңы. Химиялық тепе-теңдік константасы, катализатордың әсері.
презентация, 19.10.2014 қосылды
Ферменттер (ферменттер) сүт қышқылы өнімдерін өндіруде қолданылатын биологиялық катализаторлар. Ферменттердің номенклатурасының халықаралық ережелері. Тек глобулярлы белоктар фермент бола алады. Белок құрылымының деңгейлері. Ферментативті катализдің кинетикасы.
аннотация, 26.01.2009 қосылған
Биологиялық катализаторлар туралы түсінік, тірі жүйелердегі ферменттердің әрекеті және олардың классификациясы. Биологиялық катализаторлардың белсенділігіне әсер ететін факторлар. Кофермент деп аталатын заттар. Ферменттік катализ кинетикасы, Михаэлис-Ментен теңдеуі.
Жүктелуде...
