Kataliza. Levchenkov S.I.

Jedna od najčešćih metoda reguliranja brzine reakcije je uporaba katalizatora.

Katalizatori- to su tvari koje aktivno sudjeluju u srednjim fazama reakcije, mijenjaju brzinu cjelokupnog procesa, ali se nalaze u produktima reakcije u nepromijenjenom stanju.

Promjena brzine reakcije u prisutnosti katalizatora naziva se kataliza, a same reakcije – katalitičke reakcije.

Postoje dva pristupa klasifikaciji katalitičkih reakcija.

1. Na temelju prisutnosti fazne granice razlikuju se:

– homogena kataliza kada su reagensi, katalizator i produkti reakcije u istoj fazi;

– heterogena kataliza kada su katalizator i reaktanti s produktima reakcije u različitim fazama; Često katalizator tvori čvrstu fazu, a reaktanti i produkti su u tekućoj fazi ili u plinovitoj fazi.

2. Prema prirodi promjene brzine reakcije, događa se:

– pozitivna kataliza, u kojem katalizator povećava brzinu reakcije;

– negativna kataliza (inhibicija), pri čemu katalizator ( inhibitor) usporava brzinu reakcije;

– autokataliza kada produkt reakcije igra ulogu katalizatora; na primjer, u hidrolizi estera

CH 3 COOH 3 + H 2 O CH 3 COOH + CH 3 OH

Octena kiselina nastala kao rezultat reakcije odvaja vodikov ion, koji počinje igrati ulogu katalizatora za reakciju hidrolize. Stoga, početno spora reakcija ima sve veću brzinu tijekom vremena.

Kako bi se objasnio mehanizam katalitičkih reakcija, predloženo je srednja teorija. Prema ovoj teoriji, u pozitivnoj katalizi katalizator ( DO) velikom brzinom stvara intermedijarni spoj s jednim od reagensa, koji također brzo stupa u interakciju s drugim reagensom:

A + B D(polako)

1) A + K AK(brzo)

2) AK + B D + K(brzo)

Iz slike 4a vidljivo je da je energija aktivacije nekatalitičkog procesa mnogo veća od energije aktivacije prvog i drugog stupnja katalitičke transformacije. Dakle, s pozitivnom katalizom Uloga katalizatora je smanjiti aktivacijsku energiju reakcije.

Put reakcije a)

Reakcijski put b) Put reakcije a)

Slika 4 Energetski dijagrami katalitičke reakcije (a) i

inhibirana reakcija (b)

U reakcijama inhibicije, inhibitor ( ja) stvara jak međuspoj pri velikoj brzini ( AI), koji se vrlo polako pretvara u produkt reakcije:

A + B D(polako)

1) A + I AI(vrlo brzo)

2) AI + B D + I(Tako sporo)

Iz slike 4b vidljivo je da prvi stupanj inhibicije, u usporedbi s neinhibiranim procesom, ima nižu energiju aktivacije i odvija se vrlo brzo. U isto vrijeme, aktivacijska energija drugog stupnja inhibicije mnogo je veća od energije neinhibirane reakcije. Dakle, u inhibiranim reakcijama uloga inhibitora je povećanje aktivacijske energije reakcije.

ZNAČAJKE ENZIMSKIH

KATALIZA

Enzimi(od lat. fermentum– sourdough) – biološki katalizatori prisutni u svim biološkim sustavima. Oni provode transformaciju tvari u tijelu, čime usmjeravaju i reguliraju njegov metabolizam. Enzimi se široko koriste u prehrambenoj i lakoj industriji. Po kemijskoj prirodi, enzimi su kuglaste proteinske molekule.

Enzimska kataliza (biokataliza)– je ubrzanje kemijskih reakcija u biološkim sustavima posebnim proteinima – enzimima. Enzimska kataliza temelji se na istim kemijskim principima kao i osnova konvencionalne kemijske katalize koja se koristi u kemijskoj proizvodnji. Međutim, enzimska kataliza ima svoje karakteristike:

1. Veća aktivnost u odnosu na kemijske katalizatore (povećanje brzine za 10 10 – 10 13 puta). To se događa jer enzimske reakcije u svim fazama imaju vrlo niske aktivacijske energije (Slika 5).

2. Većina enzima je različita specifičnost djelovanja, tako da je gotovo svaka reakcija pretvorbe reaktanta ( supstrat) u proizvod provodi poseban enzim. Postoje dvije teorije o specifičnosti djelovanja enzima:

1) Fisherova teorija(teorija “ključ-brava”): enzim i supstrat, prema svojoj prostornoj strukturi, moraju pristajati jedan drugome poput ključa u svoju bravu;

2) Koshlandova teorija(teorija "ruka i rukavica"): enzim i supstrat pojedinačno ne moraju imati prostorne oblike koji odgovaraju jedan drugome, ali kada se približe, njihove se konfiguracije mijenjaju na takav način da postaje moguća stroga prostorna korespondencija.

3. Karakteriziraju se enzimi fenomen inaktivacije– razaranje molekule enzima nakon interakcije s određenim brojem molekula supstrata. Što je veća aktivnost enzima, to se brže razgrađuje. Fenomen inaktivacije objašnjava Koshlandova teorija. Doista, što je enzim aktivniji, to je intenzivnija interakcija sa supstratom, pri čemu molekula enzima prolazi kroz značajnu prostornu deformaciju. Takva ponovljena deformacija dovodi do kidanja najslabijih kemijskih veza, odnosno do razaranja molekule enzima.

4. Svaki enzim sadrži molekulu proteina. Jednokomponentni sastoje se samo od proteinske molekule, i dvokomponentni– od proteinske molekule i s njom povezane neproteinske komponente (anorganski ion ili molekula organskog spoja – najčešće molekula vitamina ili produkt njegove pretvorbe) – kofaktor. Molekularni kompleks proteina i kofaktora naziva se holoenzim, koji ima maksimalnu katalitičku aktivnost. Proteinski dio holoenzima naziva se feron, a neproteinski dio je agona. Proteinska komponenta kojoj nedostaje kofaktor naziva se apoenzim, a kofaktor odvojen od proteinske molekule je koenzim. Odvojena od kofaktora, proteinska molekula ima vrlo nisku aktivnost, a koenzim kao katalizator općenito je neaktivan.

5. Djelovanje većine enzima je regulirano, odnosno sposobni su prijeći iz stanja niske aktivnosti u stanje visoke aktivnosti i natrag. Regulacijski mehanizam složen je sustav putem kojeg tijelo kontrolira sve svoje funkcije.

6. Enzimi su vrlo osjetljivi na utjecaj vanjskih uvjeta. Djeluju u relativno uskom rasponu temperatura i pH vrijednosti.

Mehanizam enzimskih reakcija sličan je mehanizmu reakcija kataliziranih kemijskim katalizatorima:

S + E ES P + E,

odnosno isprva nastaje vrlo brzo enzimsupstratni kompleks ES, koji se može disocirati natrag u supstrat S i enzim E, ali se također polako pretvaraju u produkt reakcije P. Pri konstantnoj koncentraciji enzima ovisnost početne brzine pretvorbe supstrata v 0 od njegove početne koncentracije je opisana Michaelisova kinetička jednadžba-Menten:

v 0 = ,

Gdje Km I Vmax– kinetički parametri koji odražavaju mehanizam djelovanja enzima.

Metoda određivanja ovih parametara temelji se na upotrebi Lineweaver–Burk jednadžbe, koja se dobiva transformacijom Michaelis–Mentenove jednadžbe:

= +

Slika 6. prikazuje metodologiju određivanja parametara Km I Vmax. V max - je najveća početna brzina reakcije za određenu koncentraciju enzima [ E] (Slika 7). Molarna aktivnost enzima(a E) određuje se relacijom:

koji pokazuje broj molekula supstrata koje pretvori jedna molekula enzima u jedinici vremena. Na primjer, za reakciju CO2 + H2O H2CO3, kataliziran krvnim enzimom karbonat dehidratazom i E = 36∙10 6 mol CO 2/(min∙mol E), odnosno 1 molekula enzima u jednoj minuti katalizira transformaciju 36 milijuna molekula CO 2.

Slika 7. Ovisnost početne brzine enzimske reakcije o početnoj koncentraciji supstrata

Parametar Kmšto znači količina supstrata potrebna za vezanje polovice dostupnog enzima u kompleks enzim-supstrat i postizanje polovice maksimalne brzine (Slika 7). Zato Km može se koristiti za procjenu specifičnosti djelovanja pojedinog enzima u odnosu na dati supstrat. Na primjer, za reakciju

monosaharid + ATPšećerni fosfat + ADF,

kataliziran enzimom heksokinazom, dobivenim za glukozu K m= 8∙10 –6 mol/l, a za alozu K m= 8∙10 –3 mol/l. Posljedično, enzim bolje komunicira s glukozom, budući da mu je potrebno 1000 puta manje od aloze da bi se postigao isti rezultat.

4. KEMIJSKA RAVNOTEŽA

Kada se postigne stanje kemijske ravnoteže, broj molekula tvari prestaje se mijenjati i ostaje konstantan tijekom vremena pod stalnim vanjskim uvjetima. Kemijsku ravnotežu karakteriziraju sljedeće značajke:

1) jednakost brzina prednjih i obrnutih reakcija;

2) postojanost koncentracija (parcijalnih tlakova) komponenata pri stalnim vanjskim uvjetima;

3) pokretljivost, odnosno sposobnost spontanog oporavka s malim pomacima;

4) ravnoteža se postiže i prednjim i obrnutim reakcijama.

Razmotrite energetski dijagram kemijske reakcije

A + B D(Slika 8). Za ovu reakciju:

Slika 8 Energetski dijagram reverzibilne kemijske reakcije

Posljedično, na danoj temperaturi, prednja i obrnuta reakcija imaju dobro definirane konstante brzine. Stoga u reverzibilnim reakcijama kinetičke krivulje imaju oblik prikazan na slici 9 A. Sa slike se vidi da nakon postizanja vremena t r koncentracije komponenti ostaju nepromijenjene.

Po zakonu na masovna akcija

Sa slike 9 b Vidi se da nakon postizanja vremena ravnoteže tp postiže se jednakost brzina. Zatim

Gdje K c= je konstanta kemijske ravnoteže određena iz ravnotežnih koncentracija komponenata.

Slika 9. Kinetičke krivulje (a) i ovisnosti brzine prednje i obrnute reakcije o vremenu (b) za reverzibilnu reakciju

Općenito, za reakciju

mA +nB qD +fE

konstanta ravnoteže dana je izrazom

Tako, K c je parametar karakterističan za reakcijski sustav pri određenoj temperaturi, koji određuje omjer koncentracija komponenata u stanju kemijske ravnoteže.

Ako se reakcija odvija u plinovitoj fazi, tada se umjesto koncentracija koriste parcijalni tlakovi komponenti sustava. Za gornju reakciju ravnoteže, konstanta ravnoteže, određena iz parcijalnih tlakova komponenata u ravnoteži, nalazi se kao

Za idealne plinove r i =C i RT. Zato

gdje je - promjena broja molova komponenti tijekom reakcije.

Vrijednosti K c I Kp ovise o temperaturi i o prirodi komponenti reakcijskih sustava.

Iz Arrheniusovih jednadžbi za direktnu i obrnutu reakciju slijedi:

ul k pr= log A pr i ln k dosp.= log A arr.

Od tad

ul K r= log

Gdje ΔN pr– toplinski učinak izravne reakcije.

Iz dobivene jednadžbe proizlazi da ovisnost Kp izgleda kao ravna crta i za nju (slika 10), iz koje slijedi .

Za određivanje ΔH pr pronađite vrijednost pomoću analitičke metode Kp na dvije različite temperature i izvedite izračune pomoću formule

ΔH pr

Slika 10 Određivanje toplinskog učinka izravne endotermne reakcije ( ΔN pr >0)

Posljednji izraz naziva se integralna jednadžba izobare kemijske reakcije. Povezuje konstante ravnoteže na dvije različite temperature i opisuje sustave ravnoteže u kojima ukupni tlak ostaje konstantan kako se temperatura mijenja.

Ako pri promjeni temperature volumen sustava ostaje konstantan, kao na primjer tijekom reakcija u otopinama, tada se odnos između parametara izražava kroz izohora kemijske reakcije

ΔU pr .

Raspravljajući o smjeru kemijskih reakcija sa stajališta kemijske termodinamike, primijećeno je da je sustav u stanju kemijske ravnoteže pod uvjetom ∆G= 0. Na temelju ovog stava dobivena je jednadžba izoterme kemijske reakcije, što vam omogućuje određivanje znaka ∆G i, sukladno tome, smjer kemijske reakcije pod uvjetom da se komponente reakcijskog sustava miješaju u proizvoljnim omjerima:

ΔG= RT(ln – ln Kp)

Gdje str A I str V- proizvoljni parcijalni tlakovi komponenata dobiveni njihovim miješanjem.

Sličan odnos se predlaže za sustav čije su komponente u otopini.

Na primjer, za reakciju

mA+nB qD+fE,

čija je ravnoteža uspostavljena u tekućoj fazi, jednadžba izoterme kemijske reakcije ima sljedeći oblik:

ΔG= RT(ln - ln K c)

gdje su molni udjeli komponenata u otopini koja se dobije miješanjem proizvoljne količine tvari A, B, D I E.

Pomak ravnoteže. Promjena temperature, koncentracije ili tlaka sustava u stanju ravnoteže izbacuje ga iz ravnoteže. Ali nakon određenog vremena u sustavu se ponovno uspostavlja novo ravnotežno stanje čiji se parametri već razlikuju od izvornog stanja. Takav prijelaz sustava iz jednog ravnotežnog stanja u drugo ravnotežno stanje pri promjeni uvjeta naziva se pomak ravnoteže. Koristi se za povećanje prinosa ciljnog proizvoda za one sustave koji imaju male vrijednosti konstanti ravnoteže. Osim toga, metoda pomicanja ravnoteže može suzbiti nepoželjne procese koji se odvijaju paralelno.

No potrebno je imati na umu dva faktora koji ne utječu na stanje ravnoteže. Prvo, uvođenje katalizatora u ravnotežni sustav ne dovodi do pomaka u ravnoteži. Katalizator istovremeno snižava energiju aktivacije prednje i obrnute reakcije, što dovodi do povećanja brzine obje reakcije u istoj mjeri. Kao rezultat uporabe katalizatora, stanje ravnoteže se postiže u kraćem vremenskom razdoblju. Drugo, u heterogenim ravnotežnim sustavima, koncentracije i parcijalni tlakovi netopljivih i nehlapljivih krutina nisu uključeni u izraz konstante ravnoteže. Na primjer, za reakciju FeO +CO Fe +CO 2 konstanta ravnoteže je definirana kao Kp= .

Učinak temperature. Jednadžbe izohore I izobare omogućuju predviđanje smjera pomaka ravnoteže s promjenama temperature. Na primjer, ako je sustav u ravnoteži, a prednja reakcija je egzotermna (DN pr <0), то при повышении температуры (T 2 >T 1) mora se poštovati nejednakost K p ,2 K p ,1. To sugerira da će u novom stanju ravnoteže parcijalni tlak produkata reakcije biti niži, odnosno da će se reakcija pomaknuti ulijevo.

Povećanje temperature pomiče ravnotežu prema endotermnoj reakciji, a smanjenje temperature pomiče ravnotežu prema egzotermnoj reakciji.

Tako se postiže najveći prinos proizvoda:

Za egzotermne reakcije na niskim temperaturama;

Za endotermne reakcije na visokim temperaturama.

Učinak koncentracije (parcijalni tlak). Jednadžba izoterme omogućuje vam predviđanje smjera pomaka ravnoteže kada se promijeni koncentracija bilo koje komponente ravnotežnog sustava. Neka je sustav u stanju ravnoteže. Zatim ΔG=0 i koncentracije komponenata u jednadžbi izoterme odgovaraju ravnotežnim vrijednostima i = K c. Ako se dio produkata reakcije ukloni iz sustava, tada nastaje neravnotežno stanje s omjerom parametara K c i sukladno tome, ΔG< 0. Posljednja nejednakost je termodinamički uvjet za spontano odvijanje izravne reakcije. Posljedično, novo stanje ravnoteže postiže se pretvaranjem dijela početnih reaktanata u produkte reakcije – pomicanjem ravnoteže udesno.

Povećanje koncentracije (parcijalnog tlaka) početnih reagensa pomiče ravnotežu prema stvaranju produkata, a smanjenje njihove koncentracije (parcijalnog tlaka) - prema obrnutoj pretvorbi produkata u izvorne. Povećanje koncentracije (parcijalnog tlaka) produkata pomiče ravnotežu prema obrnutoj reakciji, a smanjenje njihove koncentracije (parcijalnog tlaka) pomiče ravnotežu prema pravoj reakciji.

Stoga je za povećanje prinosa produkta reakcije potrebno povećati koncentracije (parcijalne tlakove) početnih reagensa ili smanjiti koncentracije (parcijalne tlakove) produkata njihovim postupnim uklanjanjem iz reakcijskog sustava.

Učinak ukupnog tlaka sustava. Neka je dan ravnotežni sustav plinovite faze mA nB, za koji n m, odnosno dolazi do izravne reakcije s povećanjem broja molekula.

Prema Daltonovom zakonu, str A = p∙y A I str B = p∙y B, Gdje R- ukupni tlak u sustavu; r A, r B– parcijalni tlakovi komponenti; y A , y B– molni udjeli komponenti u plinovitoj fazi. Tada jednadžba izoterme poprima sljedeći oblik

Ako je na pritisak str 1 sustav je tada u ravnoteži

.

Povećanje tlaka na p 2 izbacuje sustav iz ravnoteže. jer ( p-t) 0, tada nastaje sljedeća relacija parametara sustava

I ΔG> 0.

To je termodinamički uvjet za odvijanje obrnute reakcije. Posljedično, s povećanjem tlaka, nastat će novo ravnotežno stanje kao rezultat obrnute transformacije proizvoda U na izvornu vezu A, uslijed čega se smanjuje ukupni broj molekula u sustavu.

Sumirajući dobivene rezultate, možemo izvući sljedeće zaključke:

Porast ukupnog tlaka sustava pomiče ravnotežu prema reakciji koja se događa smanjenjem broja molekula;

Smanjenje ukupnog tlaka sustava dovodi do pomaka ravnoteže prema reakciji koja se događa s povećanjem broja molekula.

Generalizacija obrazaca utjecaja svih faktora na smjer pomaka ravnoteže dovodi do pravila tzv Le Chatelierov princip:

Ako se na ravnotežni sustav izvrši vanjski utjecaj (promjena temperature, koncentracija ili parcijalni tlakovi komponenata, ukupni tlak), tada će on reagirati tako da učinak tog utjecaja oslabi.

FOTOKEMIJSKE REAKCIJE

Kemijske reakcije koje se odvijaju pod utjecajem svjetlosnog zračenja nazivaju se fotokemijske reakcije. Najvažnije fotokemijske reakcije uključuju stvaranje ozona iz molekularnog kisika pod utjecajem ultraljubičastog zračenja Sunca:

O2 + hO

O + O 2 O 3 + O

Nastali ozon O 3 apsorbira ultraljubičaste zrake u području od 250-260 mm, koje imaju štetan učinak na žive organizme. Druga važna fotokemijska reakcija je fotosinteza, koja rezultira time da biljke apsorbiraju ugljični dioksid iz atmosfere i otpuštaju kisik. Fotokemijska razgradnja srebrnog bromida u središtu je fotografskog procesa.

Energija fotona (kvant zračenja) ( E) određena je relacijom

E = h,

Gdje h– Planckova konstanta (h 6,626 10 J∙s); – frekvencija zračenja, s. Valna duljina vidljive svjetlosti, infracrvenih i ultraljubičastih zraka kreće se od 100 nm do 1000 nm, a njihova energija od 120 kJ/mol do 1200 kJ/mol. Kvant zračenja apsorbira jedan jedini elektron atoma u molekuli, uslijed čega taj elektron prelazi na višu energetsku razinu. Kao rezultat toga, moguće su tri različite posljedice apsorpcije energije u obliku zračenja:

1. Atom ili molekula prelazi u pobuđeno stanje:

A + h A *

M + h M *

2. Disocijacija molekule pri čemu nastaju atomi odn slobodni radikali:

AB + h A + B

3. Obrazovanje jednostavan ili molekularni ioni uklanjanjem jednog elektrona:

A + h A + +

AB + h AB + +

Svi ovi procesi podliježu sljedećim zakonima.

1. Fotokemijske reakcije mogu biti uzrokovane samo onim dijelom upadnog zračenja koji je apsorbiran u reakcijskom sustavu ( Grotthus-Dreperov zakon).

2. Svaki apsorbirani kvant zračenja uzrokuje transformaciju samo jedne molekule ( Einstein-Starkov zakon).

3. Količina produkta koja nastaje kao rezultat fotokemijske reakcije proporcionalna je intenzitetu apsorbiranog zračenja i vremenu ozračivanja ( van't Hoffov zakon).

Posljednji zakon se može prikazati u matematičkom obliku:

m = k t,

Gdje m– masa fotokemijski pretvorene tvari, g; - snaga apsorbiranog zračenja, tj. količina energije koja prenosi svjetlosni tok kroz jedinicu površine u jedinici vremena, J/s; t– vrijeme ozračivanja, s.; k– konstanta brzine reakcije, g/J.

Prilikom eksperimentalnog testiranja 1. i 2. zakona, ponekad se uočava očita razlika. Prvo, broj apsorbiranih kvanta nije jednak broju izreagiranih molekula tvari, tj. kao da se krši Einstein-Starkov zakon. Stoga, za karakterizaciju fotokemijskih procesa, koncept kvantni prinos, koji je jednak omjeru broja stvarno izreagiranih molekula prema broju apsorbiranih kvanta. Vrijednost varira u rasponu od 10 -3 do 10 6 . Na<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 sustav curi lančana reakcija. U ovom slučaju, apsorbirani kvant zračenja uzrokuje pojavu jedne aktivne čestice, koja zatim stvara lanac sekundarnih transformacija.

Drugo, neke tvari ne apsorbiraju svjetlost u vidljivom ili ultraljubičastom području, međutim, sposobne su doživjeti transformaciju kada su ozračene. Time je prekršen Grotthusov zakon. Ispostavilo se da u ovom slučaju kvant zračenja apsorbiraju posebne tvari - fotosenzibilizatori, koji predaju apsorbiranu energiju drugoj tvari, koja kao rezultat prolazi kroz kemijsku transformaciju. Posljedično, kršenje Grotthusova zakona samo je prividno. Na primjer, molekularni vodik ne apsorbira svjetlost valne duljine 253,7 nm. Međutim, kada se smjesa pare žive i vodika ozrači, opaža se proces disocijacije molekula vodika na atome:

Hg + hHg *

Hg*+H2Hg+H+H

Sličan proces fotosenzibilizacije je fotosinteza– sinteza ugljikohidrata iz ugljičnog monoksida (IV) i vode, praćena oslobađanjem kisika. Molekula klorofila djeluje kao senzibilizator za ovu fotokemijsku reakciju. Štoviše, klorofil b hvata i skuplja svjetlosnu energiju. Nakon fotoekscitacije, on predaje višak energije molekuli klorofila A, koji potom izravno sudjeluje u procesu fotosinteze.

Ukupni proces fotosinteze izražava se reakcijom:

6CO2 + 6H20 C6H1206 + 6 H20, G 0 = 2861,9 kJ/mol

Fotosinteza je složen redoks proces koji kombinira fotokemijske reakcije s enzimskim. U mehanizmu fotosinteze postoje dvije faze: svjetlo I mračno. Svjetlosni stadij uključuje stvarne fotokemijske reakcije i njima pridružene enzimske reakcije, koje dovršavaju oksidaciju vode i stvaraju reducirani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat ( NADPH 2) i adenozin trifosforna kiselina ( ATP). U mračnoj fazi NADPH 2 I ATP obnoviti molekulu CO 2 prije CH2O a zatim nastaje monosaharid u ciklusu konjugiranih enzimskih reakcija koje se odvijaju bez sudjelovanja kvanta zračenja.

SVOJSTVA OTOPINA

OPĆE INFORMACIJE

Rješenja se zovu homogena(jednofazni) sustavi koji se sastoje od otapala, otopljenih tvari i proizvoda njihove interakcije, čije koncentracije mogu varirati u širokim granicama.

Mogu biti čvrsti, tekući i plinoviti. Procesi u biološkim objektima i tehnološki procesi u poljoprivredno-prerađivačkoj industriji odvijaju se u vodenim otopinama. Stoga ćemo se ubuduće ograničiti na razmatranje samo vodenih otopina različitih tvari.

Tijekom otapanja dolazi do jednolike raspodjele molekula ili iona otopljene tvari u volumenu otapala. Međutim, otapanje se ne može smatrati čisto fizičkim procesom difuzije jedne tvari u drugu. To dokazuje oslobađanje značajne količine topline kada se određene tvari otope u vodi ( H2SO4, NaOH i drugi). Utvrđeno je da su moguće kemijske interakcije između molekula otapala i molekula ili iona otopljene tvari, praćene kidanjem jednih i stvaranjem drugih kemijskih veza. To dovodi do stvaranja produkata međudjelovanja između otapala i otopljene tvari, koji se nazivaju solvati, i u vodenim otopinama – hidratizira. Sam proces interakcije naziva se solvatacija ili hidratacija.

Trenutno se rješenja smatraju fizički-kemijski sustavi, zauzimaju međupoložaj u svojim svojstvima između mehaničkih smjesa i kemijskih spojeva i imaju za njih karakteristične fizikalne i kemijske zakonitosti.

Glavna karakteristika svakog rješenja je njegova koncentracija. Otapalo je u pravilu ona komponenta otopine koja je sadržana u relativno većoj količini i određuje njezino fazno stanje. Fizikalno-kemijska svojstva otopina ovise o njihovim koncentracijama. Mnogo je takvih ovisnosti. Sve su dobivene na temelju pretpostavke da je rješenje savršen. Idealan je rješenje u kojem:

1) koncentracija otopljene tvari je vrlo niska - molni udio manji od 0,005;

2) otopljena tvar je nehlapljiva, odnosno njezine molekule ne mogu iz tekuće faze preći u plinovitu fazu;

3) između čestica otopine nema sila međudjelovanja, odnosno toplina miješanja je nula ( N r= 0) i nema promjene volumena sustava ( V str = 0);

Većina procesa na kojima se temelji kemijska tehnologija su katalitičke reakcije. To je zbog činjenice da se uvođenjem katalizatora stopa interakcije tvari značajno povećava. U isto vrijeme, proizvođači mogu smanjiti troškove ili dobiti više produkata reakcije u istom vremenskom razdoblju. Zato se proučavanju katalize posvećuje velika pažnja u školovanju tehnologa. Međutim, ova pojava također igra važnu ulogu u prirodi. Tako posebne tvari reguliraju odvijanje biokemijskih reakcija u živim organizmima, čime utječu na metabolizam.

Koncept katalize

Bit ovog kemijskog fenomena je reguliranje brzine transformacije tvari pomoću posebnih reagensa koji mogu usporiti ili ubrzati taj proces. U ovom slučaju govore o pozitivnoj ili negativnoj katalizi. Postoji i fenomen autokatalize, gdje na brzinu reakcije utječe jedan od međuproizvoda kemijske reakcije. Katalitički procesi su različiti, razlikuju se po mehanizmima, agregacijskom stanju spojeva i smjeru.

Tvari koje usporavaju kemijske interakcije nazivaju se inhibitorima, a tvari koje ubrzavaju katalitičke reakcije katalizatorima. I jedni i drugi mijenjaju brzinu reakcije kroz ponovljene intermedijarne interakcije s jednim ili više sudionika. Međutim, oni nisu uključeni u sastav proizvoda i obnavljaju se nakon završetka ciklusa transformacije tvari. Stoga se sudjelovanje katalizatora ne odražava stehiometrijski u reakcijskoj jednadžbi, već je samo naznačeno kao uvjet za međudjelovanje tvari.

Vrste katalitičkih reakcija

Prema agregatnom stanju tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji razlikuju se:

• homogene reakcije - reaktanti, produkti i katalizator su u istom agregacijskom stanju (fazi), dok su molekule tvari ravnomjerno raspoređene po volumenu;
• međufazne katalitičke reakcije – odvijaju se na granici tekućina koje se ne miješaju, a uloga katalizatora svodi se na prijenos reagensa kroz njega;
• heterogene katalitičke reakcije - kod njih katalizator ima različito agregatno stanje od reagensa, a sama reakcija se odvija na granici faza;
• heterogeno-homogene reakcije – započinju na granici s katalizatorom, a nastavljaju se u reakcijskom volumenu;
• mikroheterogene reakcije - male čestice krutog katalizatora formiraju micele po cijelom volumenu tekuće faze.

Postoji i redoks kataliza, koja je popraćena promjenom oksidacijskog stanja katalizatora u interakciji s reagensima. Takve se transformacije nazivaju katalitičke reakcije oksidacije i redukcije. Najčešći proces u kemijskoj proizvodnji je oksidacija sumporovog dioksida u trioksid da bi se dobila sumporna kiselina.

Vrste katalizatora

Prema agregatnom stanju katalizatori su tekući (H 2 SO 4, H 3 PO 4), kruti (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) i plinoviti (BF 3).

Prema vrsti tvari, katalizatori se dijele na:

• metali - mogu biti čisti, legure, čvrsti ili nataloženi na poroznu podlogu (Fe, Pt, Ni, Cu);
• spojevi metala tipa M m E n - najčešći oksidi su MgO, Al 2 O 3, MoO 3 i dr.;
• kiseline i baze - koriste se za acidobazne katalitičke reakcije, to mogu biti Lewisove kiseline, Bronstedove kiseline itd.;
• kompleksi metala - u ovu skupinu spadaju i soli prijelaznih metala, na primjer PdCl 2, Ni(CO) 4;
• enzimi (tzv. enzimi) su biokatalizatori koji ubrzavaju reakcije koje se odvijaju u živim organizmima.

Prema specifičnostima elektronske strukture razlikuju se d-katalizatori koji imaju d-elektrone i d-orbitale, te s,p-katalizatori u čijem je središtu element s valentnim s i p-elektronima.

Svojstva katalizatora

Da bi se učinkovito koristili, podliježu prilično opsežnom popisu zahtjeva koji se razlikuju za određeni proces. Ali najznačajnija su sljedeća dva svojstva katalizatora:

• Specifičnost leži u sposobnosti katalizatora da utječu na samo jednu reakciju ili više sličnih transformacija, a da ne utječu na brzinu ostalih. Stoga se platina najčešće koristi u reakcijama organske hidrogenacije.
• Selektivnost je karakterizirana sposobnošću ubrzavanja jedne od nekoliko mogućih paralelnih reakcija, čime se povećava prinos najvažnijeg produkta.

Brzina katalitičke reakcije

Razlog ubrzanja interakcije tvari je stvaranje aktivnog kompleksa s katalizatorom, što dovodi do smanjenja aktivacijske energije.

Prema osnovnom postulatu kemijske kinetike, brzina bilo koje kemijske reakcije izravno je proporcionalna umnošku koncentracija polaznih tvari, koje se uzimaju u potencijama koje odgovaraju njihovim stehiometrijskim koeficijentima:

v = k ∙ S A x ∙ S V u ∙ S D z ,

gdje je k konstanta brzine kemijske reakcije, brojčano jednaka brzini iste reakcije, pod uvjetom da su koncentracije polaznih spojeva 1 mol/l.

Prema Arrheniusovoj jednadžbi, k ovisi o energiji aktivacije:

k = A ∙ exp^(-E A / RT).

Navedeni uzorci vrijede i za katalitičke reakcije. To potvrđuje i jednadžba za omjer konstanti brzine:

k K / k = A K /A ∙ exp^((E A -E AK)/RT),

gdje se varijable s indeksom K odnose na katalitičke reakcije.

Faze katalitičkih reakcija

Za homogene katalitičke reakcije dovoljna su dva glavna stupnja:

1. Stvaranje aktiviranog kompleksa: A + K ―> AK.
2. Interakcija aktiviranog kompleksa s drugim polaznim tvarima: AK + B ―> C + K.

U općem obliku napisana je jednadžba oblika A + B ―> C.

Mehanizam heterogenih katalitičkih reakcija je složen. Razlikuje se sljedećih šest faza:

1. Dovođenje polaznih spojeva na površinu katalizatora.
2. Adsorpcija polaznih reagensa površinom katalizatora i stvaranje međukompleksa: A + B + K ―> AVK.
3. Aktivacija nastalog kompleksa: ΑVK ―> ΑVK * .
4. Razgradnja kompleksnog spoja, pri čemu nastali produkti adsorbiraju katalizator: ΑVK * ―> CDK.
5. Desorpcija nastalih proizvoda površinom katalizatora: CDK ―> C + D + K.
6. Uklanjanje proizvoda iz katalizatora.

Primjeri katalitičkih reakcija

Katalizatori se koriste ne samo u kemijskoj industriji. Svaka osoba u svom svakodnevnom životu susreće se s različitim katalitičkim reakcijama. To je, primjerice, uporaba vodikovog peroksida pri liječenju rana. Vodikov peroksid u interakciji s krvlju počinje se raspadati pod utjecajem:

2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O.

U modernim automobilima opremljen je posebnim katalitičkim komorama koje potiču razgradnju štetnih plinovitih tvari. Na primjer, platina ili rodij pomažu u smanjenju onečišćenja okoliša od dušikovih oksida, koji se razgrađuju u bezopasne O 2 i N 2 .

Neke paste za zube sadrže enzime koji pokreću razgradnju plaka i ostataka hrane.

Već početkom 20. stoljeća velik broj enzima potaknuo je istraživačima pitanja o nomenklaturi i klasifikaciji enzima. Posebnost enzima na početku 20. stoljeća bio je završetak "aza", koji se koristio dodavanjem prvo nazivu supstrata (amilum - škrob - amilaza), a zatim nazivu reakcije ( dehidrogenacija – dehidrogenaza). Povjerenstvo za enzime (CI), koje je osnovala Međunarodna unija kemičara i biokemičara, razvilo je osnovna načela klasifikacije i nomenklature enzima, koja su usvojena 1961. Klasifikacija se temeljila na vrsti reakcije koju katalizira enzim. Svi enzimi na ovoj osnovi podijeljeni su u 6 klasa, od kojih svaka ima nekoliko podklasa.

1. Oksidoreduktaze - enzimi koji kataliziraju reakcije redukcije ili oksidacije. Na primjer, alkohol dehidrogenaza, enzim koji oksidira etilni alkohol u acetaldehid. Drugi enzim poznat kao aldehid dehidrogenaza zatim pretvara acetaldehid u acetil CoA. Oksidoreduktaze često zahtijevaju sudjelovanje kofaktora koji djeluju kao posredni akceptori vodika; u donjem primjeru to je NAD +.

Oksidaze – vrsta oksidoreduktaze. Ovo je naziv za enzime koji koriste kisik kao konačni akceptor vodika. Primjer je glukoza oksidaza, koja oksidira glukozu u glukonsku kiselinu . FAD služi kao intermedijarni akceptor vodika.

2. Transferaze - enzimi koji prenose funkcionalne skupine s donorske molekule na akceptorsku molekulu. Primjer su metiltransferaze koje prenose metilnu skupinu sa S-adenozilmetionina na neki akceptor. Dolje je prikazana reakcija koju katalizira katehol-O-metiltransferaza, enzim uključen u metabolizam neurotransmitera epinefrina i norepinefrina. .

Drugi vrlo važan primjer transferaza su enzimi koji kataliziraju prijenos amino skupina – transaminaze.

Transaminaze koriste aminokiselinu kao donor amino skupine, koju prenose na α-keto kiselinu, pretvarajući donorsku aminokiselinu u α-keto kiselinu, odnosno akceptor keto kiseline u aminokiselinu. Ovo se koristi za međupretvorbu određenih aminokiselina i omogućuje aminokiselinama da uđu u puteve metabolizma ugljikohidrata ili lipida.

Transferaze koje ćemo često spominjati u biokemiji su kinaze koje kataliziraju prijenos fosfata s visokoenergetske molekule ATP na supstrat. Postoje mnoge kinaze koje igraju važnu ulogu u staničnom metabolizmu.

3. Hidrolaze-enzimi koji kataliziraju reakcije biološke hidrolize. Oni kidaju kovalentne veze. pričvršćivanje vodenih elemenata na mjestu puknuća. Lipaze, fosfataze, acetilkolinesteraze i proteaze su primjeri hidrolitičkih enzima.

4. Liaze (dezmolaze)– enzimi koji kataliziraju razgradnju C-C, C-O i C-N veza na nehidrolitički način uz stvaranje dvostrukih veza. Primjer je enzim DOPA dekarboksilaza, koji je ključni enzim u sintezi biogenih amina adrenalina i norepinefrina.

5. Izomeraze- enzimi koji kataliziraju intramolekularne preraspodjele. U tom slučaju dolazi do međusobne pretvorbe optičko geometrijskih i položajnih izomera. Epimeraze i racemaze su primjeri enzima u ovoj klasi.

6. Ligaze kataliziraju stvaranje veza C-O, C-S, C-N ili C-C koristeći energiju hidrolize ATP-a. Fosfat može ali ne mora biti kovalentno vezan na proizvod reakcije.

Komisija za enzime također je predložila načela za nomenklaturu enzima. Preporuča se korištenje sustavne i operativne nomenklature. Sustavna nomenklatura temelji se na istom principu kao i klasifikacija - vrsti reakcije koja se katalizira. Na prvi pogled nazivi postaju glomazni, ali iz naziva postaje jasno čemu enzim služi. Naziv se sastoji od dva dijela: imena sudionika reakcije (ovisno o klasi, to mogu biti supstrati, intermedijarni akceptori) i vrste katalizirane reakcije sa završetkom "ase".

Svaki enzim dobiva određeni kodni broj enzima, koji odražava njegov položaj u klasifikaciji: prva znamenka označava klasu enzima, druga – potklasu, a treća – pod-podklasu. Svaka podklasa je popis enzima. Serijski broj enzima na ovom popisu je četvrta znamenka koda. Slika 1-1 prikazuje šifru za kreatin fosfokinazu - KF.2.7.3.2. Ovaj enzim katalizira reakciju fosforilacije kreatina. Sustavni naziv enzima ATP je kreatin fosfotransferaza. Radni naziv ovog enzima je kreatin kinaza ili kreatin fosfokinaza

R je 2-1. Kod kreatin fosfokinaze i mjesto enzima u klasifikaciji enzima

(vidi također KEMIJA I METODE PRERADE NAFTE). Utvrđen je mehanizam djelovanja karbenijevih iona koji u tim procesima imaju ulogu katalizatora. Pritom sudjeluju u brojnim reakcijama, uključujući stvaranje malih molekula cijepanjem velikih molekula, spajanje molekula (olefin u olefin ili olefin u izoparafin), strukturno preuređenje izomerizacijom i stvaranje parafina i aromatskih ugljikovodici prijenosom vodika.

Jedna od najnovijih primjena kiselinske katalize u industriji je proizvodnja olovnih goriva dodavanjem alkohola izobutilenu ili izoamilenu. Dodavanje spojeva koji sadrže kisik u benzin smanjuje koncentraciju ugljičnog monoksida u ispušnim plinovima. metil-

trlja -butil eter (MTBE) s oktanskim mješovitim brojem 109 također omogućuje dobivanje visokooktanskog goriva potrebnog za rad automobilskog motora s visokim omjerom kompresije, bez uvođenja tetraetil olova u benzin. Organizirana je i proizvodnja goriva s oktanskim brojem 102 i 111.Osnovna kataliza. Djelovanje katalizatora određeno je njihovim osnovnim svojstvima. Dugogodišnji i dobro poznati primjer takvih katalizatora je natrijev hidroksid, koji se koristi za hidrolizu ili saponifikaciju masti za izradu sapuna, a noviji primjer su katalizatori koji se koriste u proizvodnji poliuretanske plastike i pjene. Uretan nastaje reakcijom alkohola s izocijanatom, a ta se reakcija ubrzava u prisutnosti bazičnogočiti amini. Tijekom reakcije na atom ugljika u molekuli izocijanata se veže baza, zbog čega se na atomu dušika javlja negativan naboj i povećava se njegova aktivnost prema alkoholu. Trietilendiamin je posebno učinkovit katalizator. Poliuretanska plastika se proizvodi reakcijom diizocijanata s poliolima (polialkoholima). Kada izocijanat reagira s vodom, prethodno formirani uretan se razgrađuje, oslobađajući CO2 . Kada mješavina polialkohola i vode stupi u interakciju s diizocijanatima, nastala poliuretanska pjena pjeni se kao plin CO2. Katalizatori dvostrukog djelovanja. Ovi katalizatori ubrzavaju dvije vrste reakcija i daju bolje rezultate nego propuštanje reaktanata u seriji kroz dva reaktora, od kojih svaki sadrži samo jednu vrstu katalizatora. To je zbog činjenice da su aktivna mjesta katalizatora s dvostrukim djelovanjem vrlo blizu jedno drugome, a međuproizvod nastao na jednom od njih odmah se pretvara u konačni proizvod na drugom.

Dobar rezultat postiže se kombiniranjem katalizatora koji aktivira vodik s katalizatorom koji potiče izomerizaciju ugljikovodika. Aktivaciju vodika provode neki metali, a izomerizaciju ugljikovodika kiseline. Učinkoviti katalizator dvostrukog djelovanja koji se koristi u rafiniranju nafte za pretvaranje nafte u benzin je fino usitnjena platina na bazi kisele glinice. Pretvaranje sastojaka nafte kao što je metilciklopentan (MCP) u benzen povećava oktanski broj benzina. Prvo, MCP se dehidrogenira na platinastom dijelu katalizatora u olefin s istim ugljikovim skeletom; olefin zatim prelazi u kiseli dio katalizatora, gdje se izomerizira u cikloheksen. Potonji prelazi u platinski dio i dehidrogenira se u benzen i vodik.

Katalizatori dvostrukog djelovanja značajno ubrzavaju reformiranje ulja. Koriste se za izomerizaciju normalnih parafina u izoparafine. Potonji, koji vriju na istim temperaturama kao benzinske frakcije, vrijedni su jer imaju viši oktanski broj u usporedbi s čistim ugljikovodicima. Štoviše, transformacija

n -butana u izobutan prati dehidrogenacija, olakšavajući proizvodnju MTBE.Stereospecifična polimerizacija. Važna prekretnica u povijesti došlo je do katalize otkriće katalitičke polimerizacijea-olefini s tvorbom stereopravilan x polimeri. Na katalizatore stereospecifičan polimerizacija otkrio je K. Ziegler kada je pokušao objasniti neobična svojstva polimera koje je dobio. Drugi kemičar, J. Natta, sugerirao je da je jedinstvenost Zieglerovih polimera određena njihovom stereopravilnošću. Eksperimenti s difrakcijom X-zraka pokazali su da su polimeri pripravljeni iz propilena u prisutnosti Zieglerovih katalizatora vrlo kristalni i da doista imaju stereopravilnu strukturu. Kako bi opisao takve uređene strukture, Natta je uveo izraze " izotaktički " i "sindiotaktički". U slučaju kada nema reda, koristi se izraz "ataktika":Stereospecifična reakcija događa se na površini krutih katalizatora koji sadrže skupine prijelaznih metala IVA - VIII (kao što su Ti, V, Cr, Zr ), koji je u nepotpuno oksidiranom stanju, i svaki spoj koji sadrži ugljik ili vodik koji je vezan na metal iz skupina I - III . Klasičan primjer takvog katalizatora je talog nastao kada TiCl 4 i Al(C 2 H 5 ) 3 u heptanu, gdje je titan reduciran u trovalentno stanje. Ovajizuzetno aktivanSustav katalizira polimerizaciju propilena pri normalnoj temperaturi i tlaku.Katalitička oksidacija. Primjena katalizatora za kontrolu kemije oksidacijskih procesa od velike je znanstvene i praktične važnosti. U nekim slučajevima oksidacija mora biti potpuna, na primjer kod neutralizacije CO i ugljikovodika u ispušnim plinovima automobila.Međutim, češće je potrebno da oksidacija bude nepotpuna, na primjer, u mnogim široko korištenim industrijskim procesima za pretvaranje ugljikovodika u vrijedne međuproizvode koji sadrže funkcionalne skupine kao što su -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. U ovom slučaju koriste se i homogeni i heterogeni katalizatori. Primjer homogenog katalizatora je kompleks prijelaznog metala koji se koristi za oksidacijupar -ksilen do tereftalne kiseline, čiji esteri služe kao osnova za proizvodnju poliesterskih vlakana.Katalizatori za heterogenu oksidaciju. Ovi katalizatori su obično složeni čvrsti oksidi. Katalitička oksidacija odvija se u dvije faze. Prvo, kisik u oksidu je zarobljen od strane molekule ugljikovodika adsorbirane na površini oksida. U tom slučaju ugljikovodik se oksidira, a oksid reducira. Reducirani oksid reagira s kisikom i vraća se u prvobitno stanje. Korištenjem vanadijevog katalizatora, ftalni anhidrid se dobiva nepotpunom oksidacijom naftalena ili butana.Proizvodnja etilena dehidrodimerizacijom metana. Sinteza etilena kroz dehidrodimerizaciju pretvara prirodni plin u ugljikovodike koji se lakše prenose. Reakcija 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O provodi se na 850 ° C korištenje različitih katalizatora; najbolji rezultati postižu se s katalizatorom Li-MgO . Pretpostavlja se da se reakcija odvija stvaranjem metilnog radikala odvajanjem vodikovog atoma od molekule metana. Eliminacija se provodi nepotpuno reduciranim kisikom, npr. O 2 2- . Metilni radikali u plinovitoj fazi rekombiniraju se u molekulu etana i, tijekom naknadne dehidrogenacije, pretvaraju se u etilen. Drugi primjer nepotpune oksidacije je pretvorba metanola u formaldehid u prisutnosti srebrnog ili željezno-molibden katalizatora.Zeoliti. Zeoliti predstavljaju posebnu klasu heterogenih katalizatora. To su aluminosilikati s uređenom strukturom saća, čija je veličina stanica usporediva s veličinom mnogih organskih molekula. Također se nazivaju i molekularna sita. Od najvećeg interesa su zeoliti čije pore tvore prstenovi koji se sastoje od 8-12 iona kisika (slika 2). Ponekad se pore preklapaju, kao u zeolitu ZSM-5 (slika 3), koji se koristi za vrlo specifičnu pretvorbu metanola u ugljikovodike benzinske frakcije. Benzin sadrži značajne količine aromatskih ugljikovodika i stoga ima visok oktanski broj. U Novom Zelandu, primjerice, trećina cjelokupnog potrošenog benzina proizvedena je ovom tehnologijom. Metanol se proizvodi iz uvoznog metana. Katalizatori koji čine skupinu Y-zeolita značajno povećavaju učinkovitost katalitičkog krekiranja prvenstveno zahvaljujući svojim neobičnim kiselim svojstvima. Zamjenom aluminosilikata zeolitima moguće je povećati prinos benzina za više od 20%.

Osim toga, zeoliti imaju selektivnost u pogledu veličine molekula koje reagiraju. Njihova selektivnost određena je veličinom pora kroz koje mogu proći molekule samo određenih veličina i oblika. Ovo se odnosi i na početne materijale i na produkte reakcije. Na primjer, zbog steričkih ograničenja

par -ksilol se lakše stvara od glomaznijihorto- I meta -izomeri. Potonji se nađu "zaključani" u porama zeolita (slika 4).

Primjenom zeolita napravljena je prava revolucija u nekim industrijskim tehnologijama - deparafinizacija plinskog ulja i motornog ulja, dobivanje kemijskih međuprodukata za proizvodnju plastike alkilacijom aromatskih spojeva, izomerizacija ksilena, disproporcionacija toluena i katalitičko krekiranje nafte. Zeolit ​​je tu posebno učinkovit

ZSM-5. Katalizatori i zaštita okoliša. Korištenje katalizatora za smanjenje onečišćenja zraka počelo je krajem godine 19 40-ih godina. Godine 1952. A. Hagen-Smith je otkrio da ugljikovodici i dušikovi oksidi sadržani u ispušnim plinovima reagiraju na svjetlu stvarajući oksidante (osobito ozon), koji iritiraju oči i izazivaju druge neželjene učinke. Otprilike u isto vrijeme, Y. Khoudri je razvio metodu za katalitičko pročišćavanje ispušnih plinova oksidacijom CO a ugljikovodici do CO2 i H2 A. Godine 1970. formulirana je Deklaracija o čistom zraku (pročišćena 1977., proširena 1990.), prema kojoj svi novi automobili, počevši od modela iz 1975., moraju biti opremljeni katalizatorima. Uspostavljeni su standardi za sastav ispušnih plinova. Budući da spojevi olova koji se dodaju benzinskim katalizatorima truju, usvojen je program postupnog ukidanja. Također je skrenuta pozornost na potrebu smanjenja sadržaja dušikovih oksida.

Katalizatori su kreirani posebno za automobilske neutralizatore, u kojima se aktivne komponente nanose na keramičku podlogu sa strukturom saća kroz čije ćelije prolaze ispušni plinovi. Podloga je presvučena tankim slojem metalnog oksida, npr.

Al2O3 , na koje se nanosi katalizator - platina, paladij ili rodij. Sadržaj dušikovih oksida nastalih izgaranjem prirodnih goriva u termoelektranama može se smanjiti dodavanjem malih količina amonijaka u dimne plinove i propuštanjem kroz titan vanadij katalizator.Enzimi. Enzimi su prirodni katalizatori koji reguliraju biokemijske procese u živoj stanici. Sudjeluju u procesima izmjene energije, razgradnji hranjivih tvari i reakcijama biosinteze. Bez njih se ne mogu odvijati mnoge složene organske reakcije. Enzimi djeluju na uobičajenim temperaturama i tlakovima, imaju vrlo visoku selektivnost i sposobni su povećati brzinu reakcije za osam redova veličine. Unatoč ovim prednostima, samo cca. 20 od 15 000 poznatih enzima koristi se u velikoj mjeri.

Čovjek je tisućama godina koristio enzime za pečenje kruha, proizvodnju alkoholnih pića, sira i octa. Sada se enzimi koriste iu industriji: u preradi šećera, u proizvodnji sintetskih antibiotika, aminokiselina i proteina. Deterdžentima se dodaju proteolitički enzimi koji ubrzavaju procese hidrolize.

Uz pomoć bakterija

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann je izvršio enzimatsku pretvorbu škroba u aceton i butilni alkohol. Ova metoda proizvodnje acetona bila je široko korištena u Engleskoj tijekom Prvog svjetskog rata, a tijekom Drugog svjetskog rata korištena je za proizvodnju butadien gume u SSSR-u.

Izuzetno važnu ulogu odigralo je korištenje enzima koje proizvode mikroorganizmi za sintezu penicilina, kao i streptomicina i vitamina

B12. Etilni alkohol, proizveden enzimskim procesima, naširoko se koristi kao gorivo za automobile. U Brazilu više od trećine od oko 10 milijuna automobila radi na 96% etil alkohol dobiven iz šećerne trske, dok ostatak radi na mješavinu benzina i etil alkohola (20%). Tehnologija proizvodnje goriva, koje je mješavina benzina i alkohola, dobro je razvijena u Sjedinjenim Državama. Godine 1987. cca. 4 milijarde litara alkohola, od čega je otprilike 3,2 milijarde litara iskorišteno kao gorivo. Različite primjene nalaze i tzv. imobilizirani enzimi. Ovi enzimi vezani su za čvrsti nosač, poput silika gela, preko kojeg prolaze reagensi. Prednost ove metode je što osigurava učinkovit kontakt supstrata s enzimom, odvajanje produkata i očuvanje enzima. Jedan primjer industrijske uporabe imobiliziranih enzima je izomerizacija D -glukozu u fruktozu. TEHNOLOŠKI ASPEKTI Suvremene tehnologije ne mogu se zamisliti bez upotrebe katalizatora. Katalitičke reakcije mogu se odvijati na temperaturama do 650° C i tlakove od 100 atm ili više. To nameće nova rješenja za probleme povezane s kontaktom između plinovitih i krutih tvari i s prijenosom čestica katalizatora. Da bi proces bio učinkovit, njegovo modeliranje mora uzeti u obzir kinetičke, termodinamičke i hidrodinamičke aspekte. Ovdje se široko koristi računalno modeliranje, kao i novi instrumenti i metode za praćenje tehnoloških procesa.

Godine 1960. postignut je značajan napredak u proizvodnji amonijaka. Korištenje aktivnijeg katalizatora omogućilo je snižavanje temperature proizvodnje vodika tijekom razgradnje vodene pare, što je omogućilo snižavanje tlaka i time smanjenje troškova proizvodnje, na primjer, korištenjem jeftinijih centrifugalnih kompresora . Kao rezultat toga, cijena amonijaka pala je za više od polovice, došlo je do kolosalnog povećanja njegove proizvodnje, au vezi s tim i povećanja proizvodnje hrane, jer je amonijak vrijedno gnojivo.

Metode. Istraživanja u području katalize provode se tradicionalnim i posebnim metodama. Koriste se radioaktivni obilježivači, X-zrake, infracrvena i Ramanova (Raman) spektroskopija, elektronske mikroskopske metode; Provedena su kinetička mjerenja, proučavan utjecaj metoda pripreme katalizatora na njihovu aktivnost. Od velike je važnosti određivanje površine katalizatora Brunauer-Emmett-Teller metodom (BET metoda), koja se temelji na mjerenju fizičke adsorpcije dušika pri različitim tlakovima. Da biste to učinili, odredite količinu dušika potrebnu za stvaranje monosloja na površini katalizatora i, znajući promjer molekule N 2 , izračunajte ukupnu površinu. Osim određivanja ukupne površine, provodi se kemisorpcija različitih molekula, što omogućuje procjenu broja aktivnih centara i dobivanje podataka o njihovim svojstvima.

Istraživačima su na raspolaganju različite metode za proučavanje površinske strukture katalizatora na atomskoj razini. Metoda vam omogućuje dobivanje jedinstvenih informacija

EXAFS . Od spektroskopskih metoda sve više se koriste UV, X-zrake i Auger fotoelektronska spektroskopija. Masena spektrometrija sekundarnih iona i spektroskopija raspršenja iona od velikog su interesa. NMR mjerenja koriste se za proučavanje prirode katalitičkih kompleksa. Skenirajući tunelski mikroskop omogućuje vam da vidite raspored atoma na površini katalizatora. IZGLEDI Opseg katalitičkih procesa u industriji raste svake godine. Katalizatori se sve više koriste za neutralizaciju tvari koje zagađuju okoliš. Uloga katalizatora u proizvodnji ugljikovodika i sintetičkih goriva koja sadrže kisik iz plina i ugljena raste. Stvaranje gorivih ćelija za ekonomičnu pretvorbu energije goriva u električnu energiju čini se vrlo obećavajućim.

Novi koncepti katalize omogućit će dobivanje polimernih materijala i drugih proizvoda s mnogim vrijednim svojstvima, poboljšati metode dobivanja energije i povećati proizvodnju hrane, posebice sintezom proteina iz alkana i amonijaka uz pomoć mikroorganizama. Moglo bi biti moguće razviti genetski modificirane metode za proizvodnju enzima i organometalnih spojeva koji se približavaju prirodnim biološkim katalizatorima u svojoj katalitičkoj aktivnosti i selektivnosti.

KNJIŽEVNOST Gates B.K. Kemija katalitičkih procesa . M., 1981
Boreskov G.K. Kataliza. Pitanja teorije i prakse . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Nova opća teorija katalize . L., 1991. (monografija).
Tokabe K. Katalizatori i katalitički procesi . M., 1993

Uvod

1. Opće odredbe i principi katalize

2. Homogena kataliza

3. Kisela i bazna kataliza

4. Homogene katalitičke reakcije katalizirane kompleksnim spojevima

5. Enzimska kataliza

6. Heterogena kataliza

Zaključak

Popis korištenih izvora

Uvod

Kataliza je pojava promjene brzine reakcije u prisutnosti katalizatora. Reakcije koje se odvijaju uz sudjelovanje katalizatora nazivaju se katalitičke. Tvari koje povećavaju brzinu kemijske reakcije, a ostaju nepromijenjene kao rezultat ukupne reakcije, nazivaju se katalizatori.

Postoji mnogo različitih vrsta katalizatora i mnogo različitih mehanizama njihova djelovanja. Katalizator prolazi kroz cikluse u kojima se prvo veže, zatim regenerira, ponovno veže i tako mnogo puta. Katalizator omogućuje da se reakcija odvija drugim putem i to bržom brzinom nego što bi bila u odsutnosti katalizatora. Brzina se može povećati smanjenjem aktivacijske energije, povećanjem predeksponencijalnog faktora ili oboje.

Katalizator istovremeno ubrzava i prednju i obrnutu reakciju, zbog čega konstanta ravnoteže ukupne reakcije ostaje nepromijenjena. Da to nije tako, tada bi bilo moguće konstruirati perpetuum mobile pomoću katalizatora za regeneraciju materije

1. Opće odredbe i principi katalize

Katalizatori se dijele na homogene i heterogene. Homogeni katalizator nalazi se u istoj fazi s tvarima koje reagiraju, dok heterogeni katalizator čini neovisnu fazu, odvojenu međufazom od faze u kojoj se nalaze tvari koje reagiraju. Tipični homogeni katalizatori su kiseline i baze. Kao heterogeni katalizatori koriste se metali, njihovi oksidi i sulfidi.

Reakcije istog tipa mogu se odvijati i s homogenim i s heterogenim katalizatorima. Tako se uz kisele otopine koriste čvrsti Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, alumosilikati i zeoliti s kiselim svojstvima. Heterogeni katalizatori osnovnih svojstava: CaO, BaO, MgO.

Heterogeni katalizatori, u pravilu, imaju visoko razvijenu površinu, za koju su raspoređeni na inertnom nosaču (silikagel, aluminijev oksid, aktivni ugljen itd.).

Za svaku vrstu reakcije djelotvorni su samo određeni katalizatori. Uz već spomenute acidobazne katalizatore, postoje oksidacijsko-redukcijski katalizatori; karakterizirani su prisutnošću prijelaznog metala ili njegovog spoja (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). U ovom slučaju, kataliza se provodi promjenom oksidacijskog stanja prijelaznog metala.

Mnoge se reakcije provode pomoću katalizatora koji djeluju kroz koordinaciju reaktanata na atomu ili ionu prijelaznog metala (Ti, Rh, Ni). Ova vrsta katalize naziva se koordinacijska kataliza.

Ako katalizator ima kiralna svojstva, tada se optički aktivan produkt dobiva iz optički neaktivnog supstrata.

U suvremenoj znanosti i tehnologiji često se koriste sustavi od nekoliko katalizatora od kojih svaki ubrzava različite faze reakcije. Katalizator također može povećati brzinu jedne faze katalitičkog ciklusa koju provodi drugi katalizator. Ovdje se odvija "kataliza katalize", ili kataliza druge razine.

U biokemijskim reakcijama enzimi imaju ulogu katalizatora.

Katalizatore je potrebno razlikovati od inicijatora. Na primjer, peroksidi se razgrađuju na slobodne radikale, koji mogu pokrenuti lančane reakcije radikala. Inicijatori se troše tijekom reakcije, pa se ne mogu smatrati katalizatorima.

Inhibitori se ponekad pogrešno smatraju negativnim katalizatorima. Ali inhibitori, na primjer, lančane reakcije radikala, reagiraju sa slobodnim radikalima i, za razliku od katalizatora, ne skladište se. Drugi inhibitori (katalitički otrovi) vežu se na katalizator i deaktiviraju ga; ovdje dolazi do supresije katalize, a ne do negativne katalize. Negativna kataliza je načelno nemoguća: ona bi osigurala sporiji put reakcije, ali reakcija će, naravno, slijediti brži, u ovom slučaju nekatalizirani put.

Katalizator može biti jedan od produkata reakcije. U tom slučaju reakcija se naziva autokatalitička, a sama pojava autokataliza. Na primjer, tijekom oksidacije Fe 2+ s Mn0 4

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 0

nastali ioni Mn 2+ kataliziraju reakciju.

Katalitičke reakcije vrlo su česte u prirodi. Najiznenađujuće od njih su reakcije s enzimima, koji kataliziraju mnoge reakcije u živim organizmima. Katalizatori se široko koriste u industriji. Proizvodnja dušične i sumporne kiseline, amonijaka, proizvodnja sintetičkog kaučuka i dr. nemoguće bez katalitičkih reakcija. U proizvodnji ljekovitih tvari koriste se katalizatori: fenacetin, gvajakol, halogeni derivati ​​aromatskih spojeva i dr. Kao katalizatori koriste se Mn(IV) oksid, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3 .

Postoje homogena i heterogena kataliza, ali za bilo koju od njih glavni principi svode se na sljedeće:

1. Katalizator aktivno sudjeluje u elementarnom činu reakcije, tvoreći ili intermedijarne spojeve s jednim od sudionika reakcije, ili aktivirani kompleks sa svim reagirajućim tvarima. Nakon svakog elementarnog čina, on se regenerira i može komunicirati s novim molekulama reagirajućih tvari.

2. Brzina katalitičke reakcije proporcionalna je količini katalizatora.

3. Katalizator ima selektivnost djelovanja. Može promijeniti brzinu jedne reakcije i ne utjecati na brzinu druge.

4. Katalizator omogućuje da se reakcija odvija drugim putem, i to bržom brzinom nego što bi bila u odsutnosti katalizatora.

Brzina se može povećati smanjenjem aktivacijske energije, povećanjem predeksponencijalnog faktora ili oboje. Na primjer, toplinska razgradnja acetaldehida CH 3 CHO CH 4 + CO katalizirana je parama joda, što uzrokuje smanjenje aktivacijske energije za ~55 kJ/mol. Ovo smanjenje uzrokuje povećanje konstante brzine za približno 10 000 puta.

5. Katalizator ne utječe na položaj termodinamičke ravnoteže. U istoj mjeri mijenja brzinu i prednje i obrnute reakcije.

6. Dodavanjem određenih tvari koje se nazivaju promotori povećava se aktivnost katalizatora; dodavanjem inhibitora smanjuje se brzina reakcije.

2. Homogena kataliza

U homogenoj katalizi, katalizator je molekula ili ion u homogenoj otopini. U slučaju homogene katalize, katalizator i svi reaktanti čine jednu zajedničku fazu.

Glavna pretpostavka teorije homogene katalize je ideja da tijekom reakcije nastaju nestabilni intermedijarni spojevi katalizatora s reaktantima, koji se zatim razgrađuju uz regeneraciju katalizatora:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Brzina ove reakcije

v=k nc Ac Bc K

proporcionalna je koncentraciji katalizatora, a konstanta brzine slijedi Arrheniusovu jednadžbu. Ova reakcija se može odvijati u dvije faze:

kataliza homogene acidic enzimski heterogeneous

U ovom slučaju moguća su dva slučaja. U prvoj je brzina razgradnje kompleksa na katalizator i početni produkt znatno veća od brzine druge faze u kojoj nastaje konačni produkt. Stoga je koncentracija kompleksa, koji se nazivaju Arrheniusovi kompleksi u ovoj vrsti katalize, niska. U drugom slučaju, brzina razgradnje kompleksa je usporediva s brzinom druge faze. Koncentracija intermedijarnog kompleksa je značajna i stacionarna. Kompleksi ovog tipa nazivaju se van't Hoff kompleksi.

Razmotrimo drugi slučaj, koji je tipičniji, detaljnije. Budući da je intermedijarni spoj AA u ravnoteži s polaznim tvarima, brzine prednje (v 1) i obrnute (v 2) reakcije (1) trebaju biti jednake. Sastavljajući kinetičke jednadžbe za njih, dobivamo:

Gdje (S Do"-- S AK") -- koncentracija katalizatora koji nije reagirao; S A,S A.K."-- ravnotežne koncentracije tvari A odnosno međuprodukta AA.

Iz (2) nalazimo koncentraciju intermedijarnog spoja:

Ukupna brzina cijelog procesa (v) određena je brzinom najsporije faze, u ovom slučaju druge. Zatim

Zamjenom koncentracije intermedijarnog spoja (3) u (4), dobivamo:

Jednadžba (5) ukazuje na mogućnost postojanja dva granična režima:

U oba slučaja brzina reakcije izravno je proporcionalna koncentraciji katalizatora, ali je redoslijed reakcije s obzirom na polazne materijale različit. U prvom slučaju je jednako dva, au drugom - jedan. Izvan ograničavajućih režima, redoslijed reakcije bit će frakcijski.

Primjer homogene katalize je reakcija toplinske razgradnje acetaldehida CH 3 SON CH 4 + CO, katalizirana parama joda. U nedostatku jodnih para E A=191,0 kJ/mol, u njihovoj prisutnosti E A= 136,0 kJ/mol. Konstanta brzine povećava se 10 000 puta. To se događa jer se reakcija odvija u dvije faze:

CH 3 SON + I 2 = CH 3 I + HI + CO

CH3I + HI = CH4 + I2

Aktivacijska energija svakog stupnja manja je od aktivacijske energije nekatalitičke reakcije.

Homogena kataliza uključuje mnoge kiselinsko-bazne reakcije, reakcije kompleksiranja, redoks reakcije, brojne reakcije hidrogenacije, reakcije sulfedacije itd.

3. Kisela i bazna kataliza

Kiseline i baze u mnogim reakcijama obavljaju funkcije katalizatora, tj. dok sudjeluju u reakciji, same se ne troše (reakcije hidrolize, alkilacije, esterifikacije itd. Postoje tri vrste kiselinsko-bazne katalize:

1) specifična kiselinska (bazna) kataliza, u kojoj H + ili OH - ioni služe kao katalizatori;

2) opća kiselinska (bazna) kataliza, koju provodi bilo koji donor (akceptor) protona;

3) elektrofilna (nukleofilna) kataliza, koju provode kiseline i Lewisove baze.

Konstanta brzine prvog reda k za reakciju u puferskoj otopini može biti linearna funkcija [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], tj.:

k = k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH - ] + k 3 [HA] + k 4 [A - ]

U ovom izrazu k 0 -- konstanta brzine prvog reda u odsutnosti svih katalitičkih iona: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- katalitički koeficijenti.

Ako samo pojam k 1 [H + ] igra značajnu ulogu, onda kažu da reakcija pokazuje specifičnu katalizu vodikovim ionima. Ako član prevladava k 3 [HA], onda kažu da je reakcija podložna općoj kiseloj katalizi. Ako član prevladava k 4 [A - ], tada se kaže da je reakcija podložna općoj bazičnoj katalizi.

Za specifičnu kiselinsko-baznu katalizu, kada je brzina nekatalitičke reakcije niska (k 0 = 0), može se predstaviti u logaritamskom obliku:

Za kisele otopine:

Za alkalne otopine:

Jednadžbe pokazuju da kod specifične acidobazne katalize logaritam konstante brzine linearno ovisi o pH medija.

Mehanizam katalitičkog djelovanja vodikovih iona sastoji se u stvaranju intermedijarnog spoja protona i molekule polazne tvari. Zbog ovog procesa kemijske veze prisutne u polaznoj tvari se popuštaju, aktivacijska energija se smanjuje, a zatim se protonirani oblik BH + razgrađuje u produkt reakcije i katalizator.

4. Homogene katalitičke reakcije katalizirane kompleksnim spojevima

Reakcije redukcije, hidrogenacije, oksidacije, izomerizacije, polimerizacije u industrijskim uvjetima provode se u prisutnosti katalizatora - kompleksnih spojeva (metalni ioni VIII skupine periodnog sustava Fe, Co, Ni, Ru, kao i Cu, Fg, Hg , Cr, Mn). Bit katalitičkog djelovanja je da metalni ioni djeluju kao donori ili akceptori elektrona. Kemijske interakcije između reagirajućih molekula koordiniranih oko središnjeg metalnog iona su olakšane polarizacijom molekula i smanjenjem energije pojedinačnih veza. Središnji metalni ion djeluje kao most, olakšavajući elektronske prijelaze između reagirajućih molekula.

Katalitička aktivnost metalnog iona ovisi o energiji vezanja iona sa sudionicima reakcije. Ako je energija vezanja visoka ili niska, metalni ion pokazuje slabu katalitičku aktivnost. U prvom slučaju, metalni ioni vežu se tako čvrsto za reagirajuće molekule da se uklanjaju iz reakcije. U drugom slučaju, molekule koje reagiraju ne mogu istisnuti druge ligande prisutne u otopini. Rezultat su kompleksi zasićeni koordinacijom koji nisu aktivni katalizatori.

Zahvaljujući širokim mogućnostima regulacije sastava složenih katalizatora, postalo je moguće simulirati brojne reakcije u kojima sudjeluju enzimi koji sadrže ione elemenata VIII.

5. Enzimska kataliza

Enzimi su najčudesniji katalizatori. Povezani su s mnogim reakcijama u živim organizmima, pa se često nazivaju biološkim katalizatorima. Enzimska kataliza je složeniji fenomen od konvencionalne katalize. Visoka organizacija procesa enzimske katalize određena je osobitošću interakcije u živom organizmu, povezanom s posebnom kombinacijom molekularne strukture enzima i supstrata, koji se nazivaju reaktanti u enzimskim reakcijama.

Enzimi su proteini, tj. sastoje se od aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Molekula enzima ima izmjenične polarne skupine COOH, NH 2, NH, OH, SH itd., kao i hidrofobne skupine. Primarna struktura enzima određena je redoslijedom izmjene različitih aminokiselina. Kao rezultat toplinskog kaotičnog kretanja, makromolekula enzima se savija i uvija u labave lopte. Između pojedinih dijelova polipeptidnog lanca dolazi do međumolekularne interakcije, što dovodi do stvaranja vodikovih veza. Sekundarna struktura enzima pojavljuje se u obliku rastresitog medija. Za svaki enzim, sekundarna struktura je dobro definirana. Aktivni katalitički centar enzima uključuje skupine koje usmjeravaju molekule supstrata u određenom položaju. Aktivni centar je poput matrice u koju može ući samo molekula određene strukture. Mehanizam enzimske katalize sastoji se u interakciji aktivnih centara enzima sa supstratom uz stvaranje kompleksa enzim-supstrat, koji zatim prolazi kroz nekoliko transformacija, kao rezultat čega se pojavljuje proizvod reakcije. Svaki od međufaza karakterizira niža energija aktivacije, što pridonosi brzom odvijanju reakcije. To objašnjava visoku aktivnost enzima.

Enzimi se dijele u klase ovisno o vrsti reakcije koju kataliziraju: oksidoreduktaze (kataliziraju redoks reakcije), transferaze (kataliziraju prijenos kemijskih skupina s jednog spoja na drugi), hidrolaze (kataliziraju reakcije hidrolize), liaze (kidaju razne veze) , izomeraze (provode izomerne transformacije), ligaze (katalizuju reakcije sinteze). Kao što se može vidjeti, enzimi se razlikuju po specifičnosti i selektivnosti. Neki kataliziraju cijelu klasu reakcija određenog tipa, neki kataliziraju samo jednu reakciju.

Mnogi enzimi sadrže metalne ione (metaloenzimi). U metaloenzimima metalni ioni tvore kelatne komplekse koji osiguravaju aktivnu strukturu enzima. Metali s promjenjivim oksidacijskim stanjima (Fe, Mn, Cu) sudjeluju u redoks reakcijama, prenoseći elektrone na oksidacijsko sredstvo. Poznato je nekoliko desetaka organskih spojeva koji obavljaju funkcije prijenosa vodika i elektrona. Sadrže derivate vitamina.

Ioni teških metala (Ag +, Hg +, Pb 2+) mogu blokirati aktivne skupine enzima.

Za procjenu djelovanja različitih enzima uveden je pojam molekularne aktivnosti, koja je određena brojem molekula supstrata pretvorenih pod djelovanjem jedne molekule enzima u minuti. Najaktivniji poznati enzim je karboanhidraza, čija je molekularna aktivnost ~36 milijuna molekula u minuti.

Brzina reakcije koju katalizira enzim izravno je proporcionalna koncentraciji enzima. Pri niskim koncentracijama supstrata reakcija je prvog reda u odnosu na supstrat. Pri visokim koncentracijama, brzina reakcije ostaje konstantna i redoslijed reakcije postaje nula (enzim je potpuno zasićen supstratom). Brzina reakcije ovisi o temperaturi i kiselosti medija.

Enzimska kataliza igra ogromnu ulogu u svim pojavnim oblicima života, gdje govorimo o živim bićima. Da bi se povećala vitalna aktivnost tijela i poboljšao metabolizam, stvoreni su mnogi enzimski pripravci koji se koriste kao lijekovi. Enzimski pripravci postali su široko rasprostranjeni za poremećaje gastrointestinalnog trakta povezane s nedovoljnom proizvodnjom probavnih enzima. Dakle, za neke oblike gastritisa koriste se lijekovi pepsin ili pankreatin. Enzimi se također uspješno koriste u slučajevima kada je potrebno uništiti proteinske tvorevine nakupljene u velikim količinama (za opekline, gnojne rane, gnojno-upalne bolesti pluća itd.). U tim se slučajevima koriste protolitički enzimi koji dovode do brze hidrolize proteina i potiču resorpciju gnojnih nakupina. Za liječenje niza zaraznih bolesti koriste se pripravci lizozima koji uništavaju membranu nekih patogenih bakterija. Vrlo su važni enzimi koji otapaju krvne ugruške (krvne ugruške unutar krvnih žila). Ovo je plazmin koji se nalazi u krvi; pankreasni enzimi – tripsin i kimotripsin. Na njihovoj osnovi, uz razne dodatke, stvoreni su ljekoviti enzimski pripravci - streptokinaza, streptaza i dr., koji se koriste u medicini.

6. Heterogena kataliza

Heterogena kataliza događa se na međupovršini. Prva promatrana heterogena katalitička reakcija bila je dehidracija etilnog alkohola na aktivnoj glini koju je proveo Priestley (1778.):

C2H5OH -- C2H4 + H20

U prvoj polovici 19. stoljeća velik je broj radova posvećen heterogenoj katalizi. Mnogo je radova posvećeno teoretskom objašnjenju katalitičkog djelovanja krutih tvari. Potom je razvoj doktrine pratio prikupljanje eksperimentalnih podataka, razvoj metoda za pripremu katalizatora, otkriće i proučavanje novih katalitičkih procesa, uvođenje katalize u kemijsku industriju i razvoj teorije heterogene katalize. . Međutim, uspjesi teoretičara bili su mnogo skromniji od uspjeha eksperimentatora. I to nije slučajnost.

Iako nema temeljne razlike između katalitičkih i nekatalitičkih procesa, oba se pokoravaju zakonima kemijske kinetike, u oba slučaja sustav reagirajućih tvari prolazi kroz neko posebno aktivno stanje, a specifičnosti se uočavaju u heterogenim katalitičkim reakcijama. Prije svega, pojavljuje se čvrsto tijelo o čijim svojstvima bitno ovise sve pojave u cjelini. Stoga nije slučajnost da su uspjesi teorije heterogene katalize neraskidivo povezani s razvojem teorije čvrstih stanja. Budući da se proces odvija na površini, poznavanje strukture površine katalizatora odlučujuće je za razvoj teorije katalize. To implicira blisku vezu između razvoja teorije katalize i razvoja eksperimentalnih i teorijskih studija fenomena adsorpcije. Složenost heterogenih procesa i njihova svojstvena specifičnost dovode do toga da teorijska istraživanja u ovom području još uvijek nisu završena. Za sada se može govoriti o postojanju nekoliko teorijskih koncepata koji u prvoj aproksimaciji generaliziraju određene eksperimentalne činjenice.

U praksi se najčešće susreću dvije vrste heterogene katalize:

1) procesi u kojima je katalizator u čvrstoj fazi, a reaktanti u tekućoj fazi;

2) procesi u kojima je katalizator u čvrstoj fazi, a reaktanti u plinovitoj fazi. Reakcija se u pravilu događa (a u nekim višefaznim procesima i počinje) na granici faza, tj. na površini čvrstog tijela – katalizator.

Heterogeni proces može se podijeliti u pet faza:

1) transport reaktanata na površinu katalizatora (difuzija);

2) adsorpcija reaktanata na površini katalizatora;

3) reakcija na površini;

4) desorpcija produkata reakcije uz oslobađanje površine katalizatora;

5) transport produkata reakcije u volumen (difuzija).

Ovisno o uvjetima procesa i njegovim značajkama, bilo koja od pet faza može biti najsporija, pa stoga bilo koja od njih može ograničiti brzinu katalitičkog procesa. Za usporednu ocjenu aktivnosti katalizatora odlučujuća je brzina reakcije na površini. Stoga, u slučajevima kada je važno dobiti vrijednost aktivnosti katalizatora, proces se nastoji voditi na način da se brzina određuje drugom, tzv. kinetičkom fazom.

Adsorpcija i desorpcija imaju svoje zakonitosti. Adsorpcija je proces spontanih promjena koncentracije tvari na graničnoj površini. Tvar na čijoj se površini odvija proces adsorpcije naziva se adsorbent. Adsorbirana tvar naziva se adsorbat. U heterogenoj katalizi adsorbent je katalizator, a adsorbat je molekula reaktanta (supstrat). Adsorpcija supstrata na katalizatoru može se provesti zahvaljujući silama interakcije koje nastaju između molekula (atoma) katalizatora smještenih na površini i molekula supstrata (fizička adsorpcija). Između molekula (atoma) katalizatora i molekula reaktanta može doći do kemijske interakcije (kemijska adsorpcija ili kemisorpcija). Uslijed adsorpcije povećava se uređenost sustava i smanjuje energija sustava i smanjuje aktivacijska energija reakcije.

Za heterogene procese posebno je važno kretanje tvari iz unutarnjeg volumena tekućine ili plina na čvrstu površinu. Procesi prijenosa mase podliježu zakonima difuzije.

Zaključak

Važnost katalizatora i katalitičkih procesa u rafiniranju nafte i petrokemiji ne može se precijeniti. Uostalom, oni su temelj tehničkog napretka u najvažnijim područjima zadovoljenja potreba suvremenog ljudskog društva. Radi se prije svega o tome da nafta iz raznih nalazišta obično sadrži samo od 5 do 20% frakcija niskog vrelišta koje odgovaraju benzinu. Suvremenim razvojem automobilskog i zračnog prometa potrebe za benzinom su ogromne. Istodobno, motorna goriva destilirana izravno iz nafte obično su niske kvalitete. Korištenje katalitičkog krekiranja i reforminga u kombinaciji s drugim suvremenim metodama obrade omogućuje povećanje prinosa benzina visoke razine na 75% težine nafte. Motorna goriva također se proizvode katalitičkom hidrogenacijom ugljena uz korištenje metalnih katalizatora.

Daljnja katalitička obrada ugljikovodika na metalnim i oksidnim katalizatorima omogućuje dobivanje međuproizvoda potrebnih u proizvodnji robe široke potrošnje. Većina monomera i polimera dobivenih iz njih proizvodi su katalitičkih procesa prerade ugljikovodika i njihovih derivata dobivenih iz nafte, ugljena, škriljevca i prirodnog plina. Katalitički procesi imaju važnu ulogu u proizvodnji deterdženata i boja za ljekovite tvari.

Osnovna organska sinteza, koja proizvodi intermedijere (i proizvode organske tehnologije) temelji se uglavnom na katalitičkim reakcijama. Kemijski proizvodi poput sumporne kiseline, amonijaka i dušične kiseline od velike su važnosti u životu modernog društva. Gotovo svi sektori nacionalnog gospodarstva troše ove tvari ili druge kemijske spojeve dobivene uz njihovu pomoć. Od njih se proizvode deseci milijuna tona mineralnih gnojiva bez kojih je nemoguće povećati, pa čak i održati produktivnost polja. Stotine kemijskih, petrokemijskih, prehrambenih, lakih i drugih industrija koriste sumpornu, dušičnu kiselinu, amonijak i njihove derivate. Ovi se spojevi također koriste u metalurškoj i metaloprerađivačkoj industriji.

U međuvremenu, velika proizvodnja sumporne kiseline, amonijaka i dušične kiseline iz amonijaka postala je moguća samo zahvaljujući otkriću odgovarajućih katalizatora i razvoju metoda za njihovu upotrebu.

Popis korištenih izvora

1) A.P. Beljajeva. Fizikalna i koloidna kemija. M.: GOETAR-Media, 2008

2) I.P. Muhlenov. Tehnologija katalizatora. M.: Bukinist, 2007

3) Kemijska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1990.

4) Imyanitov N.S. Sustavi više katalizatora u metalkompleksnoj katalizi. // Koordinacijska kemija. 1984. godine.

Slični dokumenti

Bit i značajke procesa katalize metalnih kompleksa. Svojstva metalnih kompleksa koja određuju katalitičku aktivnost. Modeliranje enzimske katalize. Područja primjene, prednosti i nedostaci metalkompleksne katalize.

izvješće, dodano 16.03.2015


Opće teorije homogene katalize. Faze procesa katalize i brzina reakcije. Kinetika katalitičke reakcije disproporcioniranja vodikovog peroksida u prisutnosti različitih količina Fe2+ katalizatora, utjecaj pH na brzinu reakcije.

test, dodan 18.09.2012


Određivanje brzine kemijske reakcije. Povijest otkrića, pojam i vrste katalitičkih reakcija. Mišljenja istaknutih osoba iz kemije o fenomenu katalize, njezinim fizikalnim i kemijskim aspektima. Mehanizam heterogene katalize. Enzimska kataliza u biokemiji.

sažetak, dodan 14.11.2010


Pojmovi katalize, katalizatora i katalitičkog procesa, njihove različite definicije. Mehanizmi za ubrzavanje reakcija katalizatorima. Kemijska (nebiološka) kataliza. Sinteza dietil etera iz alkohola uz sudjelovanje sumporne kiseline. Teorije katalize.

sažetak, dodan 26.01.2009


Metalni katalizatori, mješoviti i multifunkcionalni katalizatori za heterogenu katalizu. Zahtjevi za katalizator. Teorije heterogene katalize. Multipleksne i elektronske teorije. Teorija aktivnih ansambala. Kataliza u preradi prirodnog plina.

kolegij, dodan 06.05.2014


Definicija katalize i njezina uloga u industriji. Selektivnost i općenite ideje o pojmu "mehanizam kemijske reakcije". Podjela katalitičkih sustava prema fazama i tipovima reakcija. Adsorpcija i osnovni zahtjevi za industrijske katalizatore.

sažetak, dodan 26.01.2009


Metode kuhanja arendiazonijevih soli. Analiza termodinamičke kiselosti fenola. Karakteristike acilacije fenola, kisele katalize i fenoksioctene kiseline. Značajke Kolbe-Schmittove reakcije, metode dobivanja fenoksioctene kiseline.

test, dodan 28.03.2012


Predmet termokemije, proučavanje toplinskih učinaka kemijskih reakcija. Vrste kemijske kinetike i procesa katalize. Entalpija (toplinski učinak) reakcije. Brzina reakcije, zakon djelovanja mase. Konstanta kemijske ravnoteže, utjecaj katalizatora.

prezentacija, dodano 19.10.2014


Enzimi (enzimi) su biološki katalizatori koji se koriste u proizvodnji proizvoda mliječne kiseline. Međunarodna pravila nomenklature enzima. Samo globularni proteini mogu biti enzimi. Razine strukture proteina. Kinetika enzimske katalize.

sažetak, dodan 26.01.2009


Pojam bioloških katalizatora, djelovanje enzima u živim sustavima i njihova klasifikacija. Čimbenici koji utječu na aktivnost bioloških katalizatora. Supstance koje se nazivaju koenzimi. Kinetika enzimske katalize, Michaelis-Mentenova jednadžba.