Keemia on teadus ainetest ja nende muundumisest, samuti nende saamismeetoditest. Isegi tavakooli õppekavas käsitletakse sellist olulist teemat nagu reaktsioonide tüübid. Klassifikatsioon, mida koolilastele algtasemel tutvustatakse, võtab arvesse oksüdatsiooniastme muutust, kursuse faasi, protsessi mehhanismi jne. Lisaks jagunevad kõik keemilised protsessid mittekatalüütilisteks ja katalüütilisteks reaktsioonid. Näiteid katalüsaatori osalusel toimuvatest transformatsioonidest kohtab inimene tavaelus: käärimine, lagunemine. Mittekatalüütilised teisendused on meie jaoks palju harvemad.
Mis on katalüsaator
See on keemiline aine, mis võib muuta interaktsiooni kiirust, kuid ei osale selles ise. Juhul, kui protsessi kiirendatakse katalüsaatori abil, räägime positiivsest katalüüsist. Kui protsessile lisatud aine vähendab reaktsiooni kiirust, nimetatakse seda inhibiitoriks.
Katalüüsi tüübid
Homogeenne ja heterogeenne katalüüs erinevad faasi poolestkus asuvad lähtematerjalid. Kui interaktsioonide jaoks võetud algkomponendid, sealhulgas katalüsaator, on samas agregatsiooniseisundis, toimub homogeenne katalüüs. Kui reaktsioonis osalevad erineva faasiga ained, toimub heterogeenne katalüüs.
Tegevuse valikulisus
Katalüüs ei ole ainult vahend seadmete tootlikkuse tõstmiseks, vaid sellel on positiivne mõju saadud toodete kvaliteedile. Seda nähtust saab seletada asjaoluga, et enamiku katalüsaatorite selektiivse (selektiivse) toime tõttu kiireneb otsereaktsioon, vähenevad kõrvalprotsessid. Lõppkokkuvõttes on saadud tooted kõrge puhtusastmega, aineid pole vaja täiendav alt puhastada. Katalüsaatori toime selektiivsus vähendab toorainete tootmisväliseid kulusid ja annab hea majandusliku kasu.
Katalüsaatori kasutamise eelised tootmises
Mis veel iseloomustab katalüütilisi reaktsioone? Tüüpilise keskkooli näited näitavad, et katalüsaatori kasutamine võimaldab protsessi läbi viia madalamatel temperatuuridel. Katsed kinnitavad, et selle abil saab oluliselt vähendada energiakulusid. See on eriti oluline tänapäevastes tingimustes, mil maailmas napib energiaressursse.
Katalüütilise tootmise näited
Milline tööstus kasutab katalüütilisi reaktsioone? Näited sellistest lavastustest:lämmastik- ja väävelhapete, vesiniku, ammoniaagi, polümeeride tootmine, nafta rafineerimine. Katalüüsi kasutatakse laialdaselt orgaaniliste hapete, ühe- ja mitmehüdroksüülsete alkoholide, fenooli, sünteetiliste vaikude, värvainete ja ravimite tootmisel.
Mis on katalüsaator
Paljud Dmitri Ivanovitš Mendelejevi keemiliste elementide perioodilisustabelis olevad ained ja nende ühendid võivad toimida katalüsaatoritena. Levinumate kiirendite hulka kuuluvad: nikkel, raud, plaatina, koob alt, alumosilikaadid, mangaanoksiidid.
Katalüsaatorite omadused
Lisaks selektiivsele toimele on katalüsaatoritel suurepärane mehaaniline tugevus, nad taluvad katalüütilisi mürki ja on kergesti regenereeritavad (taastuvad).
Faasi oleku järgi jagunevad katalüütilised homogeensed reaktsioonid gaasifaasis ja vedelfaasis.
Vaatame seda tüüpi reaktsioone lähem alt. Lahustes toimivad vesiniku katioonid H+, hüdroksiidi aluste ioonid OH-, metallikatioonid M+ ja ained, mis aitavad kaasa vabade radikaalide moodustumisele, keemilise muundamise kiirendajana.
Katalüüsi olemus
Katalüüsi mehhanism hapete ja aluste interaktsioonis seisneb selles, et interakteeruvate ainete ja katalüsaatori positiivsete ioonide (prootonite) vahel toimub vahetus. Sel juhul toimuvad molekulisisesed transformatsioonid. Selle järgireaktsioonid on järgmised:
- dehüdratsioon (vee eraldumine);
- hüdratsioon (veemolekulide kinnitumine);
- esterdamine (estri moodustumine alkoholidest ja karboksüülhapetest);
- polükondensatsioon (polümeeri moodustumine vee eemaldamisega).
Katalüüsi teooria ei selgita mitte ainult protsessi ennast, vaid ka võimalikke kõrvalmuutusi. Heterogeense katalüüsi korral moodustab protsessi kiirendaja iseseisva faasi, mõnedel reaktiivide pinnal asuvatel keskustel on katalüütilised omadused või on kaasatud kogu pind.
Toimub ka mikroheterogeenne protsess, mis hõlmab katalüsaatori olemasolu kolloidses olekus. See variant on üleminekuseisund homogeensest katalüüsitüübist heterogeensele. Enamik neist protsessidest toimub gaasiliste ainete vahel, kasutades tahkeid katalüsaatoreid. Need võivad olla graanulite, tablettide või terade kujul.
Katalüüsi levik looduses
Ensümaatiline katalüüs on looduses üsna lai alt levinud. Just biokatalüsaatorite abil toimub valgumolekulide süntees, toimub ainevahetus elusorganismides. Mitte ükski elusorganismide osalusel toimuv bioloogiline protsess ei lähe katalüütilistest reaktsioonidest mööda. Näited elutähtsatest protsessidest: organismile omaste valkude süntees aminohapetest; rasvade, valkude, süsivesikute lagunemine.
Katalüüsi algoritm
Mõtleme katalüüsi mehhanismi. See protsess, mis toimub poorsetel tahketel keemiliste interaktsioonide kiirendajatel, hõlmabise mõned põhietapid:
- interakteeruvate ainete difusioon voolu tuumast katalüsaatoriterade pinnale;
- reaktiivide difusioon katalüsaatori poorides;
- kemisorptsioon (aktiveeritud adsorptsioon) keemilise reaktsiooni kiirendaja pinnal koos keemiliste pinnaainete ilmnemisega - aktiveeritud katalüsaatori-reaktiivi kompleksid;
- aatomite ümberpaigutamine koos pinnakombinatsioonide ilmumisega "katalüsaator-produkt";
- difusioon toote reaktsioonikiirendi poorides;
- produkti difusioon reaktsioonikiirendi terapinn alt südamiku voolu.
Katalüütilised ja mittekatalüütilised reaktsioonid on nii olulised, et teadlased on selles valdkonnas uurimistööd jätkanud juba aastaid.
Homogeense katalüüsiga ei ole vaja ehitada spetsiaalseid struktuure. Ensümaatiline katalüüs heterogeenses versioonis hõlmab erinevate ja spetsiifiliste seadmete kasutamist. Selle voolamiseks on välja töötatud spetsiaalsed kontaktaparaadid, mis on jagatud kontaktpinna järgi (torudes, seintel, katalüsaatorivõredes); filtrikihiga; kaalutud kiht; liikuva pulbristatud katalüsaatoriga.
Seadmete soojusvahetust rakendatakse erineval viisil:
- kaugsoojusvahetite (väliste) kasutamise kaudu;
- kontaktseadmesse sisseehitatud soojusvahetite abil.
Keemias valemeid analüüsides võib leida ka selliseid reaktsioone, kus katalüsaator on üks keemilise interaktsiooni käigus tekkivatest lõppproduktidestoriginaalkomponendid.
Selliseid protsesse nimetatakse tavaliselt autokatalüütiliseks, nähtust ennast nimetatakse keemias autokatalüüsiks.
Paljude koostoimete kiirus on seotud teatud ainete esinemisega reaktsioonisegus. Nende valemid keemias jäävad kõige sagedamini vahele, asendatud sõnaga "katalüsaator" või selle lühendatud versioon. Neid ei kaasata lõplikku stereokeemilisse võrrandisse, kuna need ei muutu pärast interaktsiooni lõppu kvantitatiivsest vaatepunktist. Mõnel juhul piisab väikestest ainete kogustest, et protsessi kiirust oluliselt mõjutada. Samuti on üsna vastuvõetavad olukorrad, kui reaktsioonianum ise toimib keemilise interaktsiooni kiirendajana.
Katalüsaatori mõju keemilise protsessi kiiruse muutmisel seisneb selles, et see aine sisaldub aktiivse kompleksi koostises ja muudab seetõttu keemilise interaktsiooni aktiveerimisenergiat.
Kui see kompleks laguneb, regenereeritakse katalüsaator. Lõpptulemus on see, et seda ei kulutata, see jääb pärast suhtluse lõppu samale summale. Just sel põhjusel on substraadiga (reageeriva ainega) reaktsiooni läbiviimiseks täiesti piisav väike kogus toimeainet. Tegelikkuses kulub keemiliste protsesside käigus katalüsaatoreid siiski ebaoluline kogus, kuna võimalikud on mitmesugused kõrvalprotsessid: selle mürgitamine, tehnoloogilised kaod ja tahke katalüsaatori pinna oleku muutumine. Keemiavalemid ei sisalda katalüsaatorit.
Järeldus
Reaktsioonid, milles osaleb toimeaine (katalüsaator), ümbritsevad inimest, pealegi esinevad need ka tema kehas. Homogeensed reaktsioonid on palju vähem levinud kui heterogeensed vastasmõjud. Igal juhul moodustuvad esm alt vahekompleksid, mis on ebastabiilsed, hävivad järk-järgult ja täheldatakse keemilise protsessi kiirendaja regenereerimist (taastumist). Näiteks kui metafosforhape reageerib kaaliumpersulfaadiga, toimib vesinikjodiidhape katalüsaatorina. Kui see lisatakse reagentidele, moodustub kollane lahus. Protsessi lõpule lähenedes kaob värv järk-järgult. Sel juhul toimib jood vaheproduktina ja protsess toimub kahes etapis. Kuid niipea, kui metafosforhape on sünteesitud, naaseb katalüsaator algsesse olekusse. Katalüsaatorid on tööstuses asendamatud, need aitavad kiirendada muundumisi ja saada kvaliteetseid reaktsiooniprodukte. Biokeemilised protsessid meie kehas on samuti võimatud ilma nende osaluseta.
