სხვადასხვა ტიპის კატალიზატორები

ქიმიაში, ა კატალიზატორი არის ნივთიერება, რომელიც აჩქარებს რეაქციის სიჩქარეს, რეაქციაში თვითონ მოხმარების გარეშე. ნებისმიერი რეაქცია, რომელიც იყენებს კატალიზატორს, უწოდებენ კატალიზი. ფრთხილად იყავით ამ განსხვავების შესახებ ქიმიური მასალის წაკითხვისას; კატალიზატორი (მრავლობითი "კატალიზატორები") არის ფიზიკური ნივთიერება, მაგრამ კატალიზი (მრავლობითი რიცხვი "კატალიზები") არის პროცესი.

კატალიზატორების თითოეული კლასის მიმოხილვა სასარგებლო ამოსავალი წერტილია ანალიტიკური ქიმიის შესასწავლად და იმის გაგება, თუ რა ხდება მოლეკულურ დონეზე, როდესაც ნივთიერებებს ერთმანეთში ურევთ და ხდება რეაქცია. კატალიზატორები და მათთან დაკავშირებული კატალიზური რეაქციები გვხვდება სამი ძირითადი ტიპის: ერთგვაროვანი კატალიზატორები, ჰეტეროგენული კატალიზატორები და ბიოკატალიზატორები (ჩვეულებრივ ფერმენტებს უწოდებენ). კატალიზატორის საქმიანობის ნაკლებად გავრცელებული, მაგრამ მაინც მნიშვნელოვანი ტიპები მოიცავს ფოტოკატალიზს, გარემოს კატალიზს და მწვანე კატალიზურ პროცესებს.

მყარი კატალიზატორების უმეტესობა არის ლითონები (მაგალითად, პლატინა ან ნიკელი) ან ახლო მეტალები (მაგ., სილიციუმი, ბორი და ალუმინი), რომლებიც ერთვის ისეთ ელემენტებს, როგორიცაა ჟანგბადი და გოგირდი. კატალიზატორები, რომლებიც თხევად ან გაზის ფაზაში არიან, უფრო მეტია, რომ შედგება ერთი ელემენტისგან, თუმცა მათი შერწყმა შეიძლება გამხსნელები და სხვა მასალა და მყარი კატალიზატორები შეიძლება გავრცელდეს მყარ ან თხევად მატრიქსში, რომელიც ცნობილია როგორც კატალიზატორის საყრდენი.

კატალიზატორები აჩქარებენ რეაქციებს აქტივაციის ენერგია ე_ა რეაქცია, რომელიც კატალიზატორის გარეშე გაგრძელდება, მაგრამ ბევრად უფრო ნელა. ასეთ რეაქციებს აქვს პროდუქტი ან პროდუქტები, რომელთა საერთო ჯამური ენერგია ნაკლებია, ვიდრე რეაქტივის ან რეაქტიული ნივთიერებების; რომ ასე არ ყოფილიყო, ეს რეაქციები არ მოხდებოდა გარე ენერგიის დამატების გარეშე. მაგრამ უფრო მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობამდე მისასვლელად, პროდუქტებმა პირველ რიგში "უნდა გადალახონ კეხი", რომ "კეხი" იყოს E_ა. კატალიზატორები არსებითად ასწორებენ გამონაყარს რეაქციულ-ენერგიული გზის გასწვრივ და ამით უფრო ადვილია რეაქტივები რეაქციის ენერგეტიკულ "ვარდნაზე" მისაღწევად უბრალოდ დონის სიმაღლის დაწევით "გორაკის მწვერვალი".

ქიმიური სისტემები შეიცავს დადებითი და უარყოფითი კატალიზატორების მაგალითებს, რომელთაგან პირველები ცდილობენ დააჩქარონ რეაქციის სიჩქარე, ხოლო უარყოფითი კატალიზატორები ემსახურებიან მათ შენელებას. ორივე შეიძლება იყოს ხელსაყრელი, რაც დამოკიდებულია კონკრეტულ სასურველ შედეგზე.

კატალიზატორები ასრულებენ თავიანთ მუშაობას დროებით შეერთებით ან სხვაგვარად ქიმიურად შეცვლით ერთ რეაქტორს და შეცვლიან მის ფიზიკურ კონფორმაცია, ან სამგანზომილებიანი ფორმა, ისე, რომ გაუადვილოს რეაქტივის ან რეაქტივის ერთ-ერთ გარდაქმნაში პროდუქტები წარმოიდგინეთ გყავდეთ ძაღლი, რომელიც ტალახში შემოვიდა და უნდა იყოს სუფთა, სანამ ის შიგნით შემოვა. საბოლოოდ ტალახი თავისთავად ჩამოიშორებოდა ძაღლს, მაგრამ თუ თქვენ შეძლებდით ისეთი საქმის გაკეთებას, რაც ძაღლს ეზოს გასასხლელისკენ მიჰყავდა ისე, რომ ტალახი ბეწვისგან სწრაფად დაიფრქვეს, თქვენ ნამდვილად მსახურობდით, როგორც ბინძური ძაღლის "კატალიზატორი" სუფთა ძაღლის "რეაქციისთვის".

ყველაზე ხშირად, შუალედური პროდუქტი, რომელიც არ არის ნაჩვენები რეაქციის რაიმე რეზიუმეში, წარმოიქმნება რეაქტივისა და კატალიზატორისგან და როდესაც ეს კომპლექსი გადაიქცევა ერთ ან მეტ საბოლოო პროდუქტად, ხდება კატალიზატორის რეგენერაცია, თითქოს არცერთს არაფერი მომხდარა ყველა როგორც მალე ნახავთ, ეს პროცესი შეიძლება განხორციელდეს სხვადასხვა გზით.

განიხილება რეაქცია ჰომოგენურად კატალიზირებულია როდესაც კატალიზატორი და რეაქტიული ნივთიერებები ერთ ფიზიკურ ან ფაზაში არიან. ეს ყველაზე ხშირად ხდება გაზურ კატალიზატორ-რეაქტიულ წყვილთან. ერთგვაროვანი კატალიზატორების ტიპებში შედის ორგანული მჟავები, რომლებშიც შემოწირული წყალბადის ატომი ჩანაცვლებულია ლითონით, ნახშირბადის და ლითონის ელემენტების შერწყმული ნაერთების გარკვეული ფორმა და კარბონილის ნაერთები შეუერთდნენ კობალტს ან რკინა

ამ ტიპის კატალიზის მაგალითი, რომელიც მოიცავს სითხეებს, არის პერსულფატის და იოდიდის იონების გადაქცევა სულფატის იონსა და იოდში:

ს₂ო₈^2- + 2 მე^- → 2 ასე რომ₄^2- + მე₂

ამ რეაქციას გაუჭირდებოდა თავისთავად გაგრძელება, მიუხედავად ხელსაყრელი ენერგიისა, რადგან ორივე რეაქტივები უარყოფითად არიან დამუხტული და ამიტომ მათი ელექტროსტატიკური თვისებები ეწინააღმდეგება მათ ქიმიკატებს თვისებები. მაგრამ თუ ნარევს დაემატება რკინის იონები, რომლებსაც აქვთ დადებითი მუხტი, რკინა ნეგატიურ მუხტებს "აცილებს ყურადღებას" და რეაქცია სწრაფად მიიწევს წინ.

ბუნებრივად გაზიანი ჰომოგენური კატალიზი არის ჟანგბადის გაზის, ან O– ს გარდაქმნა₂, ოზონის ატმოსფეროში, ან O₃, სადაც ჟანგბადის რადიკალები (O^-) შუალედურია. აქ მზის ულტრაიისფერი სინათლე ნამდვილი კატალიზატორია, მაგრამ ყველა არსებული ფიზიკური ნაერთი იმავე (გაზის) მდგომარეობაშია.

განიხილება რეაქცია ჰეტეროგენულად კატალიზირებულია როდესაც კატალიზატორი და რეაქტიული ნივთიერებები სხვადასხვა ფაზაში იმყოფებიან, მათ შორის რეაქცია ხდება (მათ შორის, ყველაზე ხშირად გაზით მყარი ”საზღვარი”). ზოგიერთ უფრო გავრცელებულ ჰეტეროგენულ კატალიზატორში შედის არაორგანული - ანუ არა ნახშირბადის შემცველი - მყარი ნივთიერებები, როგორიცაა ელემენტარული ლითონები, სულფიდები და მეტალის მარილები, აგრეთვე ორგანული ნივთიერებების გაჟღენთილი, მათ შორის ჰიდროპეროქსიდები და იონი გადამცვლელი.

ცეოლიტები მნიშვნელოვანი ჰეტეროგენული კატალიზატორების კლასია. ეს არის კრისტალური მყარი ნივთიერებები, რომლებიც შედგება SiO– ს განმეორებითი ერთეულებისგან₄. ამ შეერთებული ოთხი მოლეკულის ოთხი ერთეული ერთმანეთთანაა დაკავშირებული და ქმნის სხვადასხვა რგოლის და გალიის სტრუქტურას. კრისტალში ალუმინის ატომის არსებობა ქმნის მუხტის დისბალანსს, რომელიც ანაზღაურდება პროტონით (ანუ წყალბადის იონით).

ფერმენტები არის ცილები, რომლებიც მოქმედებენ კატალიზატორებად საცხოვრებელ სისტემებში. ამ ფერმენტებს აქვთ კომპონენტები, სახელწოდებით სუბსტრატის სავალდებულო ადგილები, ან აქტიური ადგილები, სადაც ხდება კატალიზის დროს რეაქციაში მონაწილე მოლეკულების მიერთება. ყველა ცილის შემადგენელი ნაწილებია ამინომჟავები და თითოეულ ამ ინდივიდუალურ მჟავას აქვს არათანაბარი მუხტის განაწილება ერთი ბოლოდან მეორეზე. ეს თვისება არის მთავარი მიზეზი, რომ ფერმენტები ფლობენ კატალიზურ შესაძლებლობებს.

ფერმენტზე აქტიური ადგილი სუბსტრატის სწორ ნაწილს (რეაქტიულს) ერგება, უფრო მეტად, როგორც გასაღებს, რომელიც ჩაკეტილია საკეტში. გაითვალისწინეთ, რომ ადრე აღწერილი კატალიზატორები ხშირად ახდენენ განსხვავებული რეაქციების მასალის კატალიზაციას და, შესაბამისად, არ ფლობენ ქიმიური სპეციფიკის ხარისხს, რაც გააჩნიათ ფერმენტებს.

ზოგადად, როდესაც მეტი სუბსტრატი და მეტი ფერმენტია, რეაქცია უფრო სწრაფად გაგრძელდება. თუ უფრო და უფრო მეტ სუბსტრატს ემატება მეტი ფერმენტის დამატებაც, ყველა ფერმენტული სავალდებულო ადგილები გაჯერებულია და ამ რეაქციამ მიაღწია მაქსიმალურ სიჩქარეს ამ ფერმენტისთვის კონცენტრაცია. ფერმენტის მიერ კატალიზირებული თითოეული რეაქცია შეიძლება იყოს წარმოდგენილი შუალედური პროდუქტების თვალსაზრისით, რომლებიც წარმოიქმნება ფერმენტის არსებობის გამო. ანუ დაწერის ნაცვლად:

S → P

აჩვენეთ, რომ სუბსტრატი გარდაიქმნება პროდუქტად, შეგიძლიათ ასახოთ ეს:

E + S → ES → E + P

სადაც საშუალო ტერმინი არის ფერმენტ-სუბსტრატის (ES) კომპლექსი.

ფერმენტები, მართალია, კლასიფიცირებულია როგორც კატალიზატორის კატეგორია, რომელიც განსხვავდება ზემოთ ჩამოთვლილისგან, შეიძლება იყოს ერთგვაროვანი ან ჰეტეროგენული.

ფერმენტები ოპტიმალურად ფუნქციონირებენ ვიწრო ტემპერატურის დიაპაზონში, რასაც აქვს აზრი იმის გათვალისწინებით, რომ თქვენი სხეულის ტემპერატურა ჩვეულებრივ პირობებში რამდენიმე გრადუსზე მეტით არ იცვლება. უკიდურესი სიცხე ანადგურებს ბევრ ფერმენტს და იწვევს მათ სამგანზომილებიანი ფორმის დაკარგვას, ეს პროცესი ეწოდება დენატურაციას, რომელიც ვრცელდება ყველა ცილაზე.