Ķīmija ir zinātne par vielām un to pārvērtībām, kā arī to iegūšanas metodēm. Pat parastajā skolas programmā tiek apskatīts tik svarīgs jautājums kā reakciju veidi. Klasifikācija, ar kuru skolēni tiek iepazīstināti pamatlīmenī, ņem vērā oksidācijas pakāpes izmaiņas, kursa fāzi, procesa mehānismu utt. Turklāt visi ķīmiskie procesi tiek iedalīti nekatalītiskajos un katalītiskajos reakcijas. Pārveidojumu piemēri, kas notiek ar katalizatora piedalīšanos, cilvēks sastopas parastajā dzīvē: fermentācija, sabrukšana. Nekatalītiskās pārvērtības pie mums notiek daudz retāk.
Kas ir katalizators
Šī ir ķīmiska viela, kas var mainīt mijiedarbības ātrumu, bet pati tajā nepiedalās. Gadījumā, ja process tiek paātrināts ar katalizatora palīdzību, mēs runājam par pozitīvu katalīzi. Gadījumā, ja procesam pievienotā viela samazina reakcijas ātrumu, to sauc par inhibitoru.
Katalīzes veidi
Viendabīga un neviendabīga katalīze atšķiras pēc fāzes, inkurā atrodas izejas materiāli. Ja sākotnējie komponenti, kas ņemti mijiedarbībai, tostarp katalizators, ir tādā pašā agregācijas stāvoklī, notiek viendabīga katalīze. Gadījumā, ja reakcijā piedalās dažādu fāžu vielas, notiek heterogēna katalīze.
Darbības selektivitāte
Katalīze nav tikai līdzeklis iekārtu produktivitātes paaugstināšanai, tai ir pozitīva ietekme uz iegūto produktu kvalitāti. Šī parādība izskaidrojama ar to, ka lielākās daļas katalizatoru selektīvās (selektīvās) darbības dēļ tiek paātrināta tiešā reakcija, samazināti blakus procesi. Galu galā iegūtie produkti ir augstas tīrības pakāpes, nav nepieciešams turpināt vielu attīrīšanu. Katalizatora darbības selektivitāte nodrošina reālu izejvielu izmaksu, kas nav saistītas ar ražošanu, samazinājumu un labu ekonomisku ieguvumu.
Katalizatora izmantošanas priekšrocības ražošanā
Kas vēl raksturo katalītiskās reakcijas? Tipiskas vidusskolas piemēri liecina, ka katalizatora izmantošana ļauj procesu veikt zemākā temperatūrā. Eksperimenti apstiprina, ka to var izmantot, lai ievērojami samazinātu enerģijas izmaksas. Īpaši svarīgi tas ir mūsdienu apstākļos, kad pasaulē trūkst energoresursu.
Katalītiskās ražošanas piemēri
Kādā nozarē tiek izmantotas katalītiskās reakcijas? Šādu iestudējumu piemēri:slāpekļskābes un sērskābes, ūdeņraža, amonjaka, polimēru ražošana, naftas pārstrāde. Katalīzi plaši izmanto organisko skābju, vienvērtīgo un daudzvērtīgo spirtu, fenola, sintētisko sveķu, krāsvielu un zāļu ražošanā.
Kas ir katalizators
Daudzas vielas, kas ir Dmitrija Ivanoviča Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā tabulā, kā arī to savienojumi var darboties kā katalizatori. Visizplatītākie paātrinātāji ir: niķelis, dzelzs, platīns, kob alts, aluminosilikāti, mangāna oksīdi.
Katalizatoru īpašības
Papildus selektīvai darbībai katalizatoriem ir lieliska mehāniskā izturība, tie spēj izturēt katalītiskās indes un ir viegli reģenerējami (atgūstami).
Atbilstoši fāzes stāvoklim katalītiski viendabīgās reakcijas iedala gāzes fāzē un šķidrā fāzē.
Apskatīsim tuvāk šāda veida reakcijas. Šķīdumos ūdeņraža katjoni H+, hidroksīda bāzes joni OH-, metālu katjoni M+ un vielas, kas veicina brīvo radikāļu veidošanos, darbojas kā ķīmiskās transformācijas paātrinātājs.
Katalīzes būtība
Katalīzes mehānisms skābju un bāzu mijiedarbībā ir tāds, ka notiek apmaiņa starp mijiedarbībā esošajām vielām un katalizatora pozitīvajiem joniem (protoniem). Šajā gadījumā notiek intramolekulāras transformācijas. Saskaņā ar šoreakcijas notiek šādi:
- dehidratācija (ūdens atdalīšanās);
- hidratācija (ūdens molekulu piesaiste);
- esterifikācija (esteru veidošanās no spirtiem un karbonskābēm);
- polikondensācija (polimēra veidošanās ar ūdens izvadīšanu).
Katalīzes teorija izskaidro ne tikai pašu procesu, bet arī iespējamās sānu pārvērtības. Neviendabīgas katalīzes gadījumā procesa paātrinātājs veido neatkarīgu fāzi, dažiem centriem uz reaģentu virsmas piemīt katalītiskas īpašības vai arī tiek iesaistīta visa virsma.
Ir arī mikroheterogēns process, kas ietver katalizatora klātbūtni koloidālā stāvoklī. Šis variants ir pārejas stāvoklis no homogēna uz neviendabīgu katalīzes veidu. Lielākā daļa šo procesu notiek starp gāzveida vielām, izmantojot cietos katalizatorus. Tās var būt granulu, tablešu, graudu veidā.
Katalīzes izplatība dabā
Enzīmu katalīze dabā ir diezgan plaši izplatīta. Tieši ar biokatalizatoru palīdzību notiek olb altumvielu molekulu sintēze, notiek vielmaiņa dzīvos organismos. Neviens bioloģiskais process, kas notiek ar dzīvo organismu piedalīšanos, apiet katalītiskās reakcijas. Dzīvības procesu piemēri: organismam raksturīgo proteīnu sintēze no aminoskābēm; tauku, olb altumvielu, ogļhidrātu sadalīšana.
Katalīzes algoritms
Apskatīsim katalīzes mehānismu. Šis process, kas notiek uz porainiem cietiem ķīmiskās mijiedarbības paātrinātājiem, ietversev dažus pamata posmus:
- mijiedarbojošo vielu difūzija uz katalizatora graudu virsmu no plūsmas kodola;
- reaģentu difūzija katalizatora porās;
- ķīmisorbcija (aktivēta adsorbcija) uz ķīmiskās reakcijas paātrinātāja virsmas ar ķīmisko virsmas vielu parādīšanos - aktivēti katalizatora-reaģenta kompleksi;
- atomu pārkārtošanās ar virsmas kombināciju parādīšanos "katalizators-produkts";
- difūzija produkta reakcijas paātrinātāja porās;
- produkta difūzija no reakcijas paātrinātāja graudainās virsmas kodola plūsmā.
Katalītiskās un nekatalītiskās reakcijas ir tik svarīgas, ka zinātnieki ir turpinājuši pētījumus šajā jomā daudzus gadus.
Izmantojot viendabīgu katalīzi, nav nepieciešams būvēt īpašas konstrukcijas. Fermentatīvā katalīze neviendabīgā versijā ietver dažādu un specifisku iekārtu izmantošanu. Tās plūsmai ir izstrādāti speciāli kontaktaparāti, kas sadalīti pēc saskares virsmas (caurulēs, uz sienām, katalizatora režģiem); ar filtra slāni; nosvērts slānis; ar kustīgu pulverveida katalizatoru.
Siltummaiņa ierīcēs tiek īstenota dažādos veidos:
- izmantojot attālos (ārējos) siltummaiņus;
- ar kontaktaparātā iebūvēto siltummaiņu palīdzību.
Analizējot formulas ķīmijā, var atrast arī tādas reakcijas, kurās katalizators ir viens no galaproduktiem, kas veidojas ķīmiskās mijiedarbības laikāoriģinālās sastāvdaļas.
Šādus procesus parasti sauc par autokatalītiskiem, pašu parādību ķīmijā sauc par autokatalīzi.
Daudzu mijiedarbību ātrums ir saistīts ar noteiktu vielu klātbūtni reakcijas maisījumā. Viņu formulas ķīmijā visbiežāk tiek izlaistas, aizstājot ar vārdu "katalizators" vai tā saīsināto versiju. Tie nav iekļauti galīgajā stereoķīmiskajā vienādojumā, jo tie nemainās no kvantitatīvā viedokļa pēc mijiedarbības pabeigšanas. Dažos gadījumos pietiek ar nelielu vielu daudzumu, lai būtiski ietekmētu procesa ātrumu. Ir arī diezgan pieņemamas situācijas, kad reakcijas trauks pats darbojas kā ķīmiskās mijiedarbības paātrinātājs.
Katalizatora ietekmes uz ķīmiskā procesa ātruma maiņu būtība ir tāda, ka šī viela ir iekļauta aktīvā kompleksa sastāvā un līdz ar to maina ķīmiskās mijiedarbības aktivācijas enerģiju.
Kad šis komplekss sadalās, katalizators tiek reģenerēts. Secinājums ir tāds, ka tas netiks iztērēts, tas paliks tādā pašā apmērā pēc mijiedarbības beigām. Šī iemesla dēļ ar nelielu aktīvās vielas daudzumu pilnīgi pietiek, lai veiktu reakciju ar substrātu (reaģējošo vielu). Reāli ķīmisko procesu laikā joprojām tiek patērēts niecīgs katalizatoru daudzums, jo iespējami dažādi blakus procesi: tā saindēšanās, tehnoloģiskie zudumi, cietā katalizatora virsmas stāvokļa izmaiņas. Ķīmiskās formulas neietver katalizatoru.
Secinājums
Reakcijas, kurās piedalās aktīvā viela (katalizators), apņem cilvēku, turklāt tās notiek arī viņa organismā. Homogēnas reakcijas ir daudz retāk sastopamas nekā neviendabīgas mijiedarbības. Jebkurā gadījumā vispirms veidojas starpproduktu kompleksi, kas ir nestabili, pakāpeniski tiek iznīcināti, un tiek novērota ķīmiskā procesa paātrinātāja reģenerācija (atgūšana). Piemēram, kad metafosforskābe reaģē ar kālija persulfātu, jodūdeņražskābe darbojas kā katalizators. Kad to pievieno reaģentiem, veidojas dzeltens šķīdums. Tuvojoties procesa beigām, krāsa pakāpeniski pazūd. Šajā gadījumā jods darbojas kā starpprodukts, un process notiek divos posmos. Bet, tiklīdz tiek sintezēta metafosforskābe, katalizators atgriežas sākotnējā stāvoklī. Katalizatori ir neaizstājami rūpniecībā, tie palīdz paātrināt transformācijas un iegūt augstas kvalitātes reakcijas produktus. Arī bioķīmiskie procesi mūsu organismā nav iespējami bez viņu līdzdalības.
