ქიმია არის მეცნიერება ნივთიერებებისა და მათი გარდაქმნების, აგრეთვე მათი მიღების მეთოდების შესახებ. ჩვეულებრივ სასკოლო სასწავლო გეგმაშიც კი განიხილება ისეთი მნიშვნელოვანი საკითხი, როგორიცაა რეაქციების სახეები. კლასიფიკაცია, რომელსაც სკოლის მოსწავლეები ეცნობიან საბაზისო საფეხურზე, ითვალისწინებს ჟანგვის ხარისხის ცვლილებას, კურსის ფაზას, პროცესის მექანიზმს და ა.შ. გარდა ამისა, ყველა ქიმიური პროცესი იყოფა არაკატალიტიკურ და კატალიტურად. რეაქციები. კატალიზატორის მონაწილეობით მიმდინარე გარდაქმნების მაგალითები ადამიანს ხვდება ჩვეულებრივ ცხოვრებაში: დუღილი, დაშლა. არაკატალიზური გარდაქმნები ჩვენთვის გაცილებით იშვიათია.
რა არის კატალიზატორი
ეს არის ქიმიური ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ურთიერთქმედების სიჩქარე, მაგრამ თავად არ მონაწილეობს მასში. იმ შემთხვევაში, როდესაც პროცესი აჩქარებულია კატალიზატორის დახმარებით, საუბარია დადებით კატალიზზე. იმ შემთხვევაში, თუ პროცესში დამატებული ნივთიერება ამცირებს რეაქციის სიჩქარეს, მას ინჰიბიტორი ეწოდება.
კატალიზის ტიპები
ჰომოგენური და ჰეტეროგენული კატალიზი განსხვავდება ფაზაში,რომლის საწყისი მასალები განლაგებულია. თუ ურთიერთქმედებისთვის მიღებული საწყისი კომპონენტები, კატალიზატორის ჩათვლით, აგრეგაციის ერთსა და იმავე მდგომარეობაშია, მიმდინარეობს ჰომოგენური კატალიზი. იმ შემთხვევაში, როდესაც რეაქციაში მონაწილეობენ სხვადასხვა ფაზის ნივთიერებები, ხდება ჰეტეროგენული კატალიზი.
მოქმედების შერჩევითობა
კატალიზი არ არის მხოლოდ აღჭურვილობის პროდუქტიულობის გაზრდის საშუალება, ის დადებითად მოქმედებს მიღებული პროდუქციის ხარისხზე. ეს ფენომენი აიხსნება იმით, რომ კატალიზატორების უმეტესობის შერჩევითი (შერჩევითი) მოქმედების გამო, პირდაპირი რეაქცია აჩქარებულია, გვერდითი პროცესები მცირდება. საბოლოო ჯამში, მიღებული პროდუქტები მაღალი სისუფთავისაა, არ არის საჭირო ნივთიერებების შემდგომი გაწმენდა. კატალიზატორის მოქმედების სელექციურობა იძლევა ნედლეულის არასაწარმოო ხარჯების რეალურ შემცირებას, კარგ ეკონომიკურ სარგებელს.
წარმოებაში კატალიზატორის გამოყენების სარგებელი
კიდევ რა ახასიათებს კატალიზურ რეაქციებს? ტიპიური საშუალო სკოლის მაგალითები აჩვენებს, რომ კატალიზატორის გამოყენება საშუალებას იძლევა პროცესი განხორციელდეს დაბალ ტემპერატურაზე. ექსპერიმენტები ადასტურებს, რომ მისი გამოყენება შესაძლებელია ენერგიის ხარჯების მნიშვნელოვნად შესამცირებლად. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია თანამედროვე პირობებში, როდესაც მსოფლიოში ენერგორესურსების ნაკლებობაა.
კატალიტიკური წარმოების მაგალითები
რომელი ინდუსტრია იყენებს კატალიზურ რეაქციებს? ასეთი წარმოების მაგალითები:აზოტის და გოგირდის მჟავების, წყალბადის, ამიაკის, პოლიმერების წარმოება, ნავთობის გადამუშავება. კატალიზი ფართოდ გამოიყენება ორგანული მჟავების, მონოჰიდრული და პოლიჰიდრული სპირტების, ფენოლის, სინთეზური ფისების, საღებავებისა და მედიკამენტების წარმოებაში.
რა არის კატალიზატორი
ბევრი ნივთიერება, რომელიც შედის დიმიტრი ივანოვიჩ მენდელეევის ქიმიური ელემენტების პერიოდულ სისტემაში, ისევე როგორც მათ ნაერთებს, შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც კატალიზატორი. ყველაზე გავრცელებულ ამაჩქარებლებს შორისაა: ნიკელი, რკინა, პლატინა, კობალტი, ალუმოსილიკატები, მანგანუმის ოქსიდები.
კატალიზატორების მახასიათებლები
შერჩევითი მოქმედების გარდა, კატალიზატორებს აქვთ შესანიშნავი მექანიკური სიმტკიცე, მათ შეუძლიათ გაუძლონ კატალიზურ შხამებს და ადვილად აღდგება (აღდგენა).
ფაზური მდგომარეობის მიხედვით კატალიზური ერთგვაროვანი რეაქციები იყოფა აირისფაზად და თხევადფაზად.
მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ ამ ტიპის რეაქციებს. ხსნარებში წყალბადის კათიონები H+, ჰიდროქსიდის ბაზის იონები OH-, ლითონის კათიონები M+ და ნივთიერებები, რომლებიც ხელს უწყობენ თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნას, მოქმედებენ როგორც ქიმიური ტრანსფორმაციის ამაჩქარებელი.
კატალიზის არსი
კატალიზის მექანიზმი მჟავებისა და ფუძეების ურთიერთქმედებისას არის ის, რომ ხდება ურთიერთქმედება ნივთიერებებსა და კატალიზატორ დადებით იონებს (პროტონებს) შორის. ამ შემთხვევაში ხდება ინტრამოლეკულური გარდაქმნები. Ამის მიხედვითრეაქციები ასეთია:
- დეჰიდრატაცია (წყლის გამოყოფა);
- ჰიდრატაცია (წყლის მოლეკულების მიმაგრება);
- ესტერიფიკაცია (ესტერის წარმოქმნა სპირტებისგან და კარბოქსილის მჟავებისგან);
- პოლიკონდენსაცია (პოლიმერის წარმოქმნა წყლის გამოდევნით).
კატალიზის თეორია ხსნის არა მხოლოდ თავად პროცესს, არამედ შესაძლო გვერდით გარდაქმნებს. ჰეტეროგენული კატალიზის შემთხვევაში, პროცესის ამაჩქარებელი ქმნის დამოუკიდებელ ფაზას, რეაგენტების ზედაპირზე ზოგიერთ ცენტრს აქვს კატალიზური თვისებები, ან ჩართულია მთელი ზედაპირი.
არსებობს აგრეთვე მიკროჰეტეროგენული პროცესი, რომელიც გულისხმობს კატალიზატორის არსებობას კოლოიდურ მდგომარეობაში. ეს ვარიანტი არის გარდამავალი მდგომარეობა ჰომოგენურიდან ჰეტეროგენულ ტიპის კატალიზებამდე. ამ პროცესების უმეტესობა მიმდინარეობს აირისებრ ნივთიერებებს შორის მყარი კატალიზატორების გამოყენებით. ისინი შეიძლება იყოს გრანულების, ტაბლეტების, მარცვლების სახით.
კატალიზის განაწილება ბუნებაში
ფერმენტული კატალიზი საკმაოდ გავრცელებულია ბუნებაში. სწორედ ბიოკატალიზატორების დახმარებით მიმდინარეობს ცილის მოლეკულების სინთეზი, მიმდინარეობს მეტაბოლიზმი ცოცხალ ორგანიზმებში. არც ერთი ბიოლოგიური პროცესი, რომელიც ხდება ცოცხალი ორგანიზმების მონაწილეობით, არ გვერდს უვლის კატალიზურ რეაქციებს. სასიცოცხლო პროცესების მაგალითები: ორგანიზმისთვის სპეციფიკური ცილების სინთეზი ამინომჟავებისგან; ცხიმების, ცილების, ნახშირწყლების დაშლა.
კატალიზის ალგორითმი
მოდით განვიხილოთ კატალიზის მექანიზმი. ეს პროცესი, რომელიც მიმდინარეობს ფოროვან მყარი ქიმიური ურთიერთქმედების ამაჩქარებლებზე, მოიცავსსაკუთარ თავს რამდენიმე ელემენტარული ეტაპი:
- ურთიერთქმედება ნივთიერებების დიფუზია კატალიზატორის მარცვლების ზედაპირზე ნაკადის ბირთვიდან;
- რეაგენტების დიფუზია კატალიზატორის ფორებში;
- ქიმიისორბცია (გააქტიურებული ადსორბცია) ქიმიური რეაქციის ამაჩქარებლის ზედაპირზე ქიმიური ზედაპირული ნივთიერებების გამოჩენით - გააქტიურებული კატალიზატორი-რეაგენტის კომპლექსები;
- ატომების გადაწყობა ზედაპირული კომბინაციების გამოჩენით "კატალიზატორი-პროდუქტი";
- დიფუზია პროდუქტის რეაქციის ამაჩქარებლის ფორებში;
- პროდუქტის დიფუზია რეაქციის ამაჩქარებლის მარცვლოვანი ზედაპირიდან ბირთვის ნაკადში.
კატალიტიკური და არაკატალიზური რეაქციები იმდენად მნიშვნელოვანია, რომ მეცნიერები აგრძელებენ კვლევებს ამ სფეროში მრავალი წლის განმავლობაში.
ერთგვაროვანი კატალიზით, არ არის საჭირო სპეციალური სტრუქტურების აგება. ფერმენტული კატალიზი ჰეტეროგენულ ვერსიაში გულისხმობს სხვადასხვა და სპეციფიკური აღჭურვილობის გამოყენებას. მისი ნაკადისთვის შემუშავებულია სპეციალური საკონტაქტო აპარატები, რომლებიც იყოფა საკონტაქტო ზედაპირის მიხედვით (მილებში, კედლებზე, კატალიზატორის ბადეებში); ფილტრის ფენით; აწონილი ფენა; მოძრავი დაფქული კატალიზატორით.
სითბოს გაცვლა მოწყობილობებში სხვადასხვა გზით ხორციელდება:
- დისტანციური (გარე) სითბოს გადამცვლელების გამოყენებით;
- კონტაქტურ აპარატში ჩაშენებული სითბოს გადამცვლელების დახმარებით.
ქიმიის ფორმულების გაანალიზებით, ასევე შეგიძლიათ იპოვოთ ისეთი რეაქციები, რომლებშიც კატალიზატორი არის ერთ-ერთი საბოლოო პროდუქტი, რომელიც წარმოიქმნება ქიმიური ურთიერთქმედების დროს.ორიგინალური კომპონენტები.
ასეთ პროცესებს ჩვეულებრივ უწოდებენ ავტოკატალიტურს, თავად ფენომენს ქიმიაში ავტოკატალიზს უწოდებენ.
ბევრი ურთიერთქმედების სიჩქარე დაკავშირებულია გარკვეული ნივთიერებების არსებობასთან სარეაქციო ნარევში. მათი ფორმულები ქიმიაში ყველაზე ხშირად გამოტოვებულია, ჩანაცვლებულია სიტყვით "კატალიზატორი" ან მისი შემოკლებული ვერსია. ისინი არ შედის საბოლოო სტერეოქიმიურ განტოლებაში, ვინაიდან ურთიერთქმედების დასრულების შემდეგ რაოდენობრივი თვალსაზრისით არ იცვლება. ზოგიერთ შემთხვევაში, ნივთიერებების მცირე რაოდენობა საკმარისია პროცესის სიჩქარეზე მნიშვნელოვანი ზემოქმედებისთვის. ასევე საკმაოდ მისაღებია სიტუაციები, როდესაც თავად სარეაქციო ჭურჭელი მოქმედებს როგორც ქიმიური ურთიერთქმედების ამაჩქარებელი.
ქიმიური პროცესის სიჩქარის შეცვლაზე კატალიზატორის ეფექტის არსი არის ის, რომ ეს ნივთიერება შედის აქტიური კომპლექსის შემადგენლობაში და, შესაბამისად, ცვლის ქიმიური ურთიერთქმედების აქტივაციის ენერგიას.
როდესაც ეს კომპლექსი იშლება, კატალიზატორი რეგენერირებულია. დასკვნა ის არის, რომ ის არ დაიხარჯება, ის იგივე რაოდენობით დარჩება ურთიერთქმედების დასრულების შემდეგ. სწორედ ამ მიზეზით, აქტიური ნივთიერების მცირე რაოდენობა სავსებით საკმარისია სუბსტრატთან (რეაქტიულ ნივთიერებასთან) რეაქციის განსახორციელებლად. სინამდვილეში, ქიმიური პროცესების დროს კვლავ მოიხმარება კატალიზატორების უმნიშვნელო რაოდენობა, რადგან შესაძლებელია სხვადასხვა გვერდითი პროცესი: მისი მოწამვლა, ტექნოლოგიური დანაკარგები და მყარი კატალიზატორის ზედაპირის მდგომარეობის ცვლილება. ქიმიის ფორმულები არ შეიცავს კატალიზატორს.
დასკვნა
რეაქციები, რომლებშიც აქტიური ნივთიერება (კატალიზატორი) მონაწილეობს, გარს ახვევს ადამიანს, გარდა ამისა, ხდება მის ორგანიზმშიც. ჰომოგენური რეაქციები გაცილებით ნაკლებად გავრცელებულია, ვიდრე ჰეტეროგენული ურთიერთქმედება. ნებისმიერ შემთხვევაში, ჯერ წარმოიქმნება შუალედური კომპლექსები, რომლებიც არასტაბილურია, თანდათან ნადგურდებიან და შეინიშნება ქიმიური პროცესის ამაჩქარებლის რეგენერაცია (აღდგენა). მაგალითად, როდესაც მეტაფოსფორის მჟავა რეაგირებს კალიუმის პერსულფატთან, ჰიდროიოდმჟავა მოქმედებს როგორც კატალიზატორი. როდესაც მას ემატება რეაგენტებს, წარმოიქმნება ყვითელი ხსნარი. პროცესის დასასრულს რომ უახლოვდებით, ფერი თანდათან ქრება. ამ შემთხვევაში იოდი მოქმედებს როგორც შუალედური პროდუქტი და პროცესი ორ ეტაპად მიმდინარეობს. მაგრამ როგორც კი მეტაფოსფორის მჟავა სინთეზირდება, კატალიზატორი უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. კატალიზატორები შეუცვლელია ინდუსტრიაში, ისინი ხელს უწყობენ ტრანსფორმაციის დაჩქარებას და მაღალი ხარისხის რეაქციის პროდუქტების მიღებას. ბიოქიმიური პროცესები ჩვენს ორგანიზმში მათი მონაწილეობის გარეშეც შეუძლებელია.
