Химия – заттар және олардың түрленуі, сондай-ақ оларды алу әдістері туралы ғылым. Кәдімгі мектеп бағдарламасында да реакция түрлері сияқты маңызды мәселе қарастырылады. Мектеп оқушыларын базалық деңгейде таныстыратын классификация тотығу дәрежесінің өзгеруін, курс фазасын, процестің механизмін және т.б. ескереді. Сонымен қатар барлық химиялық процестер каталитикалық емес және каталитикалық болып бөлінеді. реакциялар. Катализатордың қатысуымен болатын түрлендірулердің мысалдары адам қарапайым өмірде кездеседі: ашыту, ыдырау. Біз үшін каталитикалық емес түрлендірулер әлдеқайда сирек кездеседі.
Катализатор дегеніміз не
Бұл әрекеттесу жылдамдығын өзгерте алатын, бірақ оған өзі қатыспайтын химиялық зат. Процесс катализатордың көмегімен жеделдетілген жағдайда, біз оң катализ туралы айтып отырмыз. Процесске қосылған зат реакция жылдамдығын төмендететін жағдайда, ол ингибитор деп аталады.
Катализ түрлері
Біртекті және гетерогенді катализ фазасы бойынша ерекшеленеді,бастапқы материалдар орналасқан. Егер әрекеттесу үшін қабылданған бастапқы компоненттер, соның ішінде катализатор, агрегаттық күйде болса, біртекті катализ жүреді. Реакцияға әртүрлі фазадағы заттар қатысқан жағдайда гетерогенді катализ жүреді.
Әрекет таңдауы
Катализ құрал-жабдықтардың өнімділігін арттыру құралы ғана емес, ол алынған өнімнің сапасына оң әсер етеді. Бұл құбылысты катализаторлардың көпшілігінің селективті (селективті) әрекетінің арқасында тікелей реакцияның жеделдетілуімен, жанама процестердің азаюымен түсіндіруге болады. Сайып келгенде, алынған өнімдер жоғары тазалыққа ие, заттарды одан әрі тазартудың қажеті жоқ. Катализатор әрекетінің селективтілігі шикізаттың өндірістік емес шығындарының нақты төмендеуін, жақсы экономикалық пайданы береді.
Өндірісте катализаторды пайдаланудың артықшылықтары
Катализдік реакцияларды тағы не сипаттайды? Әдеттегі орта мектептен алынған мысалдар катализаторды пайдалану процесті төмен температурада жүргізуге мүмкіндік беретінін көрсетеді. Тәжірибелер оны энергия шығындарын айтарлықтай азайту үшін қолдануға болатындығын растайды. Бұл әсіресе әлемде энергия ресурстары жетіспейтін заманауи жағдайларда маңызды.
Катализдік өндіріс мысалдары
Катализдік реакциялар қай өнеркәсіпте қолданылады? Мұндай өндірістердің мысалдары:азот және күкірт қышқылдарын, сутегі, аммиак, полимерлер өндіру, мұнай өңдеу. Катализ органикалық қышқылдарды, бір атомды және көп атомды спирттерді, фенолды, синтетикалық шайырларды, бояғыштарды және дәрі-дәрмектерді өндіруде кеңінен қолданылады.
Катализатор дегеніміз не
Дмитрий Иванович Менделеевтің химиялық элементтерінің периодтық жүйесіне кіретін көптеген заттар, сондай-ақ олардың қосылыстары катализатор қызметін атқара алады. Ең көп тараған үдеткіштерге мыналар жатады: никель, темір, платина, кобальт, алюмосиликаттар, марганец оксидтері.
Катализаторлардың ерекшеліктері
Селективті әсерден басқа, катализаторлар тамаша механикалық беріктікке ие, олар каталитикалық уларға төтеп бере алады және оңай регенерацияланады (қалпына келтіріледі).
Фазалық күйі бойынша каталитикалық біртекті реакциялар газ-фаза және сұйық-фаза болып бөлінеді.
Осы реакция түрлерін толығырақ қарастырайық. Ерітінділерде сутегі катиондары Н+, гидроксидтік негіз иондары OH-, металл катиондары M+ және бос радикалдардың түзілуіне ықпал ететін заттар химиялық түрленуді жеделдеткіш ретінде әрекет етеді.
Катализдің мәні
Қышқылдар мен негіздердің әрекеттесуіндегі катализдің механизмі: әрекеттесетін заттар мен катализатордың оң иондары (протондар) арасында алмасу болады. Бұл жағдайда молекулаішілік трансформациялар жүреді. Осыған сәйкесреакциялар былай жүреді:
- сусыздану (судың бөлінуі);
- гидратация (су молекулаларының қосылуы);
- эфирлеу (спирттерден және карбон қышқылдарынан күрделі эфир түзілуі);
- поликонденсация (судың жойылуымен полимердің түзілуі).
Катализ теориясы процестің өзін ғана емес, мүмкін болатын жанама түрлендірулерді де түсіндіреді. Гетерогенді катализ жағдайында процестің үдеткіші тәуелсіз фазаны құрайды, әрекеттесуші заттардың бетіндегі кейбір орталықтар каталитикалық қасиетке ие болады немесе бүкіл беті қатысады.
Сонымен қатар микрогетерогенді процесс бар, ол коллоидтық күйде катализатордың болуын қамтиды. Бұл нұсқа катализдің біртекті түрінен гетерогенді түріне өтпелі күйі болып табылады. Бұл процестердің көпшілігі қатты катализаторлардың көмегімен газ тәрізді заттар арасында жүреді. Олар түйіршіктер, таблеткалар, дәндер түрінде болуы мүмкін.
Катализдің табиғатта таралуы
Ферменттік катализ табиғатта өте кең таралған. Дәл биокатализаторлардың көмегімен белок молекулаларының синтезі жүреді, тірі организмдердегі зат алмасу жүреді. Тірі организмдердің қатысуымен болатын бірде-бір биологиялық процесс каталитикалық реакцияларды айналып өтпейді. Өмірлік процестердің мысалдары: аминқышқылдарынан организмге тән белоктардың синтезі; майлардың, ақуыздардың, көмірсулардың ыдырауы.
Катализ алгоритмі
Катализ механизмін қарастырайық. Кеуекті қатты химиялық әрекеттесу үдеткіштерінде өтетін бұл процесс жатадыөзіңізге бірнеше қарапайым кезең:
- ағынның өзегінен катализатор дәндерінің бетіне әрекеттесетін заттардың диффузиясы;
- катализатор кеуектерінде реагенттердің диффузиясы;
- химиялық беттік заттардың – активтендірілген катализатор-реагент кешендерінің пайда болуымен химиялық реакция үдеткішінің бетіндегі хемосорбция (белсендірілген адсорбция);
- "катализатор-өнім" беттік комбинацияларының пайда болуымен атомдардың қайта орналасуы;
- өнім реакциясы үдеткішінің тесіктеріндегі диффузия;
- өнімнің реакция үдеткішінің түйір бетінен өзек ағынына диффузиясы.
Катализдік және каталитикалық емес реакциялардың маңыздылығы сонша, ғалымдар бұл саладағы зерттеулерді көптеген жылдар бойы жалғастырды.
Біртекті катализ кезінде арнайы құрылымдар салудың қажеті жоқ. Гетерогенді нұсқадағы ферментативті катализ әртүрлі және арнайы жабдықты қолдануды қамтиды. Оның ағыны үшін жанасу бетіне қарай (түтіктерде, қабырғаларда, катализатор торларында) бөлінетін арнайы контактілі аппараттар әзірленді; сүзгі қабаты бар; өлшенген қабат; қозғалатын ұнтақталған катализатормен.
Құрылғылардағы жылу алмасу әртүрлі жолдармен жүзеге асырылады:
- қашықтан (сыртқы) жылу алмастырғыштарды пайдалану арқылы;
- байланыс құрылғысына орнатылған жылу алмастырғыштардың көмегімен.
Химиядағы формулаларды талдау арқылы катализатор химиялық әрекеттесу кезінде түзілетін соңғы өнімдердің бірі болып табылатын реакцияларды да табуға болады.түпнұсқа компоненттер.
Мұндай процестер әдетте автокаталитикалық деп аталады, құбылыстың өзі химияда автокатализ деп аталады.
Көптеген әрекеттесу жылдамдығы реакциялық қоспада белгілі бір заттардың болуымен байланысты. Олардың химиядағы формулалары көбінесе «катализатор» сөзімен немесе оның қысқартылған нұсқасымен ауыстырылады. Олар өзара әрекеттесу аяқталғаннан кейін сандық тұрғыдан өзгермейтіндіктен, соңғы стереохимиялық теңдеуге кірмейді. Кейбір жағдайларда процестің жылдамдығына айтарлықтай әсер ету үшін заттардың аз мөлшері жеткілікті. Реакциялық ыдыстың өзі химиялық әрекеттесу үдеткіші ретінде әрекет еткенде де жағдайлар өте қолайлы.
Катализатордың химиялық процестің жылдамдығын өзгертуге әсер етуінің мәні мынада: бұл зат белсенді кешеннің құрамына кіреді, сондықтан химиялық әсерлесудің активтену энергиясын өзгертеді.
Бұл кешен ыдырағанда катализатор қайта қалпына келеді. Қорытындысы, ол жұмсалмайды, өзара әрекеттесу аяқталғаннан кейін сол мөлшерде қалады. Дәл осы себепті субстратпен (әрекеттесуші зат) реакция жүргізу үшін белсенді заттың аз мөлшері жеткілікті. Шындығында, химиялық процестер кезінде катализаторлардың шамалы мөлшері әлі де тұтынылады, өйткені әртүрлі жанама процестер мүмкін: оның улануы, технологиялық жоғалуы және қатты катализатор бетінің күйінің өзгеруі. Химия формулаларында катализатор жоқ.
Қорытынды
Белсенді зат (катализатор) қатысатын реакциялар адамды қоршайды, сонымен қатар оның ағзасында да болады. Біртекті реакциялар гетерогенді әрекеттесулерге қарағанда әлдеқайда сирек кездеседі. Кез келген жағдайда алдымен тұрақсыз аралық комплекстер түзіледі, бірте-бірте жойылып, химиялық процестің үдеткішінің регенерациясы (қалпына келуі) байқалады. Мысалы, метафосфор қышқылы калий персульфатымен әрекеттескенде, иодты қышқыл катализатор қызметін атқарады. Оны әрекеттесуші заттарға қосқанда сары түсті ерітінді түзіледі. Процестің соңына жақындаған сайын түс бірте-бірте жоғалады. Бұл жағдайда йод аралық өнім ретінде әрекет етеді және процесс екі кезеңде жүреді. Бірақ метафосфор қышқылы синтезделгеннен кейін катализатор бастапқы күйіне оралады. Катализаторлар өнеркәсіпте өте қажет, олар трансформацияны тездетуге және жоғары сапалы реакция өнімдерін алуға көмектеседі. Біздің денеміздегі биохимиялық процестер де олардың қатысуынсыз мүмкін емес.
