촉매작용. 레브첸코프 S.I.

반응 속도를 조절하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 촉매를 사용하는 것입니다.

촉매- 이들은 반응의 중간 단계에 적극적으로 참여하고 전체 공정의 속도를 변화시키지만 반응 생성물에서는 변하지 않은 상태로 발견되는 물질입니다.

촉매가 있을 때 반응속도의 변화를 촉매라고 한다. 촉매작용, 그리고 반응 자체 - 촉매 반응.

촉매 반응을 분류하는 데에는 두 가지 접근 방식이 있습니다.

1. 위상 경계의 존재에 따라 다음이 구별됩니다.

– 균일한 촉매작용시약, 촉매 및 반응 생성물이 동일한 상에 있을 때;

– 이질적인 촉매작용촉매와 반응 생성물이 포함된 반응물이 서로 다른 상에 있을 때; 종종 촉매는 고체상을 형성하고, 반응물과 생성물은 액체상 또는 기체상으로 존재합니다.

2. 반응 속도 변화의 성격에 따라 다음과 같은 일이 발생합니다.

– 긍정적인 촉매작용, 촉매가 반응 속도를 증가시키는 경우;

– 음성촉매(억제), 여기서 촉매( 억제제) 반응 속도가 느려집니다.

– 자가촉매작용반응 생성물이 촉매 역할을 하는 경우; 예를 들어, 에스테르의 가수분해에서

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

반응의 결과로 형성된 아세트산은 수소 이온을 분리하여 가수분해 반응의 촉매 역할을 시작합니다. 따라서 초기에는 느린 반응이 시간이 지남에 따라 점점 더 증가하는 속도를 갖습니다.

촉매반응의 메커니즘을 설명하기 위해 제안되었다. 중간 이론. 이 이론에 따르면, 양성 촉매작용에서 촉매( 에게) 고속에서는 시약 중 하나와 중간체 화합물을 형성하며, 이는 두 번째 시약과도 빠르게 상호 작용합니다.

A + B D(느리게)

1) A + K AK(빠른)

2) AK + B D + K(빠른)

그림 4a에서 비촉매 공정의 활성화 에너지가 촉매 변환의 첫 번째 및 두 번째 단계의 활성화 에너지보다 훨씬 크다는 것이 분명합니다. 따라서 양성촉매를 통해 촉매의 역할은 반응의 활성화 에너지를 줄이는 것입니다.

반응 경로 a)

반응 경로 b) 반응 경로 a)

그림 4 촉매 반응의 에너지 다이어그램 (a) 및

억제된 반응(b)

억제 반응에서 억제제( 나)는 고속에서 강한 중간 화합물을 형성합니다 ( 일체 포함), 이는 매우 천천히 반응 생성물로 변합니다:

A + B D(느리게)

1) A + 나는 AI(매우 빠르다)

2) AI + B D + I(너무 느림)

그림 4b에서 억제의 첫 번째 단계는 억제되지 않은 과정에 비해 활성화 에너지가 더 낮고 매우 빠르게 진행된다는 것을 알 수 있습니다. 동시에 두 번째 억제 단계의 활성화 에너지는 억제되지 않은 반응의 활성화 에너지보다 훨씬 큽니다. 따라서 억제된 반응에서는 억제제의 역할은 반응의 활성화 에너지를 증가시키는 것입니다.

효소의 특징

촉매작용

효소(위도부터 발효종– 사워도우) – 모든 생물학적 시스템에 존재하는 생물학적 촉매제입니다. 그들은 신체의 물질 변환을 수행하여 신진 대사를 지시하고 조절합니다. 효소는 식품 및 경공업에서 널리 사용됩니다. 화학적 성질에 따라 효소는 구형 단백질 분자입니다.

효소촉매(생촉매)– 특수 단백질, 즉 효소에 의해 생물학적 시스템의 화학 반응이 가속화됩니다. 효소 촉매 작용은 화학 생산에 사용되는 기존 화학 촉매 작용의 기초와 동일한 화학적 원리를 기반으로 합니다. 그러나 효소 촉매작용에는 고유한 특성이 있습니다.

1. 더 높은 활동화학촉매와 비교(10 10 – 10 13 배 속도 증가). 이는 모든 단계의 효소 반응이 매우 낮은 활성화 에너지를 갖기 때문에 발생합니다(그림 5).

2. 대부분의 효소는 서로 다릅니다 행동의 특이성, 반응물의 변형에 대한 거의 모든 반응( 기판) 제품에 들어가는 것은 특별한 효소에 의해 수행됩니다. 효소 작용의 특이성에 대해서는 두 가지 이론이 있습니다.

1) 피셔 이론("열쇠 잠금" 이론): 효소와 기질은 공간 구조에 따라 자물쇠의 열쇠처럼 서로 맞아야 합니다.

2) 코쉬랜드 이론("손과 장갑" 이론): 효소와 기질은 개별적으로 서로 대응하는 공간적 형태를 가질 수 없지만 서로 가까워지면 엄격한 공간적 대응이 가능해지는 방식으로 구성이 변경됩니다.

3. 효소의 특징 비활성화 현상– 특정 수의 기질 분자와 상호 작용한 후 효소 분자가 파괴됩니다. 효소 활성도가 높을수록 분해 속도가 빨라집니다. 불활성화 현상은 Koshland의 이론으로 설명됩니다. 실제로, 효소의 활성이 높을수록 기질과 더 강하게 상호작용하며, 그 동안 효소 분자는 상당한 공간 변형을 겪습니다. 이러한 반복적인 변형은 가장 약한 화학 결합의 파괴, 즉 효소 분자의 파괴로 이어집니다.

4. 각 효소에는 단백질 분자가 포함되어 있습니다. 일액형단백질 분자로만 구성되어 있으며, 2성분– 단백질 분자 및 이와 관련된 비단백질 성분(무기 이온 또는 유기 화합물 분자 – 대부분 비타민 분자 또는 그 변환 산물) – 보조인자. 단백질과 보조인자의 분자 복합체를 다음과 같이 부른다. 홀로효소, 이는 최대의 촉매 활성을 갖는다. 홀로효소의 단백질 부분은 다음과 같다. 페론, 그리고 비단백질 부분은 아곤. 보조인자가 결여된 단백질 성분을 단백질이라고 한다. 아포효소, 그리고 단백질 분자로부터 분리된 보조인자는 다음과 같습니다. 보조효소. 보조인자와 분리된 단백질 분자는 활성이 매우 낮으며, 촉매로서의 보조효소는 일반적으로 비활성 상태입니다.

5. 대부분의 효소의 작용은 조절됩니다.즉, 낮은 활동 상태에서 높은 활동 상태로 전환했다가 다시 되돌릴 수 있습니다. 규제 메커니즘은 신체가 모든 기능을 제어하는 ​​복잡한 시스템입니다.

6. 효소는 외부 조건의 영향에 매우 민감합니다. 이들은 상대적으로 좁은 범위의 온도와 pH 값에서 활성화됩니다.

효소 반응 메커니즘은 화학 촉매에 의해 촉매되는 반응 메커니즘과 유사합니다.

S + E ES P + E,

즉, 처음에는 매우 빠르게 형성됩니다. 효소기질 복합체 ES, 이는 다시 기질로 해리될 수 있습니다. 에스그리고 효소 이자형, 또한 천천히 반응 생성물로 변합니다. 피. 일정한 효소 농도에서 초기 기질 전환 속도의 의존성 v 0초기 농도부터 설명됩니다. 미카엘리스 운동 방정식-멘텐:

v 0 = ,

어디 Km그리고 Vmax– 효소의 작용 메커니즘을 반영하는 동역학적 매개변수.

이러한 매개변수를 결정하는 방법은 용도에 따라 다릅니다. 라인위버-버크 방정식, 이는 Michaelis-Menten 방정식을 변환하여 얻습니다.

= +

그림 6은 매개변수를 결정하는 방법을 보여줍니다. Km그리고 Vmax. V 최대 -주어진 효소 농도에 대한 최대 초기 반응 속도는 [ 이자형] (그림 7). 몰효소 활성(a E)는 다음 관계식에 의해 결정됩니다.

이는 단위 시간당 하나의 효소 분자에 의해 변환되는 기질 분자의 수를 나타냅니다. 예를 들어, 반응에 대해 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3, 혈액 효소 탄산탈수효소에 의해 촉매되며 E = 36∙10 6 mol CO 2/(min∙mol E), 즉 1분에 1분자의 효소가 3,600만 개의 분자의 변형을 촉매합니다. CO 2.

그림 7 기질의 초기 농도에 대한 효소 반응의 초기 속도의 의존성

매개변수 Km이는 이용 가능한 효소의 절반을 효소-기질 복합체에 결합하고 최대 속도의 절반을 달성하는 데 필요한 기질의 양을 의미합니다(그림 7). 그렇기 때문에 Km주어진 기질과 관련하여 특정 효소 작용의 특이성을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 반응에 대해

단당류 + ATP설탕인산염 + ADF,

포도당에 대해 얻어지는 효소 헥소키나제에 의해 촉매됨 Km= 8∙10 –6 mol/l, 및 알로오스의 경우 Km= 8∙10 –3 mol/l. 결과적으로, 효소는 동일한 결과를 얻기 위해 알로오스보다 1000배 적은 양의 포도당이 필요하기 때문에 포도당과 더 우선적으로 상호작용합니다.

4. 화학적 평형

화학 평형 상태에 도달하면 물질의 분자 수는 변화를 멈추고 일정한 외부 조건에서 시간이 지나도 일정하게 유지됩니다. 화학 평형은 다음과 같은 특징이 있습니다.

1) 순방향 및 역방향 반응 속도의 평등;

2) 일정한 외부 조건 하에서 구성 요소의 농도(부분 압력) 일정성;

3) 이동성, 즉 작은 변위로 자발적으로 회복하는 능력;

4) 평형은 순방향 반응과 역방향 반응 모두에 의해 달성됩니다.

화학 반응의 에너지 다이어그램을 고려하십시오.

A + B D(그림 8). 이 반응의 경우:

그림 8 가역적 화학반응의 에너지 다이어그램

결과적으로, 주어진 온도에서 정반응과 역반응은 잘 정의된 속도 상수를 갖습니다. 따라서 가역반응에서 동역학 곡선은 그림 9와 같은 형태를 갖습니다. ㅏ. 그림을 보면 해당 시간에 도달한 후임을 알 수 있습니다. t r성분의 농도는 변하지 않습니다.

법에 따르면 ~에대중 행동

그림 9에서 비평형상태에 도달한 것을 볼 수 있다. tp속도의 평등이 달성됩니다. 그 다음에

어디 Kc=는 성분의 평형 농도로부터 결정된 화학 평형 상수입니다.

그림 9 가역 반응에 대한 동역학 곡선(a)과 시간에 따른 정방향 및 역방향 반응 속도의 의존성(b)

일반적으로 반응에 대해서는

mA +nB qD +fE

평형 상수는 다음과 같이 주어진다.

따라서, Kc주어진 온도에서 반응 시스템의 매개변수 특성으로, 화학 평형 상태에서 성분 농도의 비율을 결정합니다.

반응이 기체상에서 발생하는 경우 농도 대신 시스템 구성 요소의 분압이 사용됩니다. 위의 평형 반응의 경우, 평형 상태에서 성분의 분압으로부터 결정된 평형 상수는 다음과 같이 구됩니다.

이상기체용 р 나는 =C 나는 RT. 그렇기 때문에

여기서 -반응 중 성분의 몰수의 변화입니다.

가치 Kc그리고 케이피온도와 반응 시스템 구성 요소의 특성에 따라 달라집니다.

정반응과 역반응에 대한 Arrhenius 방정식은 다음과 같습니다.

에 케이 홍보= 로그 홍보그리고 ln ㅋ arr.= 로그 도착.

그때부터

에 크르= 로그

어디 ΔН pr– 직접 반응의 열 효과.

결과 방정식으로부터 의존성은 다음과 같습니다. 케이피직선처럼 보이고(그림 10), 그로부터 다음과 같은 결과가 나옵니다. .

결정을 위해 ΔH pr분석적 방법을 사용하여 값을 찾습니다. 케이피두 가지 다른 온도에서 공식을 사용하여 계산을 수행합니다.

ΔH pr

그림 10 직접 흡열 반응의 열 효과 결정( ΔН pr >0)

마지막 표현식을 적분 방정식이라고 합니다. 화학 반응 등압선. 이는 서로 다른 두 온도에서의 평형 상수를 연관시키고 온도 변화에 따라 전체 압력이 일정하게 유지되는 평형 시스템을 설명합니다.

예를 들어 용액에서의 반응과 같이 온도가 변할 때 시스템의 부피가 일정하게 유지되면 매개변수 간의 관계는 다음과 같이 표현됩니다. 화학 반응의 이소코어

ΔU pr .

화학열역학의 관점에서 화학반응의 방향을 논할 때, 계는 다음 조건에서 화학평형 상태에 있음을 알 수 있었다. ΔG= 0. 이 위치를 바탕으로 방정식이 얻어집니다. 화학 반응 등온선, 이를 통해 부호를 결정할 수 있습니다. ΔG따라서 반응 시스템의 구성 요소가 임의의 비율로 혼합되는 경우 화학 반응의 방향은 다음과 같습니다.

ΔG= RT(ln – ln 케이피)

어디 피 A그리고 피V- 혼합하여 얻은 구성 요소의 임의 분압.

구성요소가 용액에 있는 시스템에 대해서도 유사한 관계가 제안되었습니다.

예를 들어, 반응에 대해

mA+nB qD+fE,

액체상에서 평형이 확립되면 화학 반응 등온선 방정식의 형식은 다음과 같습니다.

ΔG= RT(ln - ln Kc)

임의의 양의 물질을 혼합하여 얻은 용액 성분의 몰분율은 어디에 있습니까? 에이, 비, 디그리고 이자형.

평형 이동.평형 상태에 있는 시스템의 온도, 농도 또는 압력의 변화로 인해 시스템의 균형이 깨집니다. 그러나 일정 시간이 지나면 시스템에 새로운 평형 상태가 다시 설정되며 그 매개변수는 이미 원래 상태와 다릅니다. 조건이 변할 때 시스템이 한 평형 상태에서 다른 평형 상태로 전이하는 것을 평형 이동이라고 합니다. 평형 상수 값이 작은 시스템의 경우 목표 제품의 수율을 높이는 데 사용됩니다. 또한, 평형을 이동시키는 방법은 동시에 발생하는 바람직하지 않은 프로세스를 억제할 수 있습니다.

그러나 평형 상태에 영향을 미치지 않는 두 가지 요소를 염두에 둘 필요가 있습니다. 첫째, 평형 시스템에 촉매를 도입해도 평형이 바뀌지 않습니다. 촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 동시에 낮추어 두 반응의 속도를 같은 정도로 증가시킵니다. 촉매를 사용하면 더 짧은 시간 내에 평형 상태에 도달합니다. 둘째, 이종 평형 시스템에서는 불용성 및 비휘발성 고체의 농도 및 분압이 평형 상수의 표현에 포함되지 않습니다. 예를 들어, 반응에 대해 FeO+CO Fe+CO 2평형 상수는 다음과 같이 정의됩니다. 케이피= .

온도의 영향.방정식 아이소코어그리고 등압선온도 변화에 따른 평형 이동 방향을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 시스템이 평형 상태에 있고 순방향 반응이 발열 반응인 경우 (DN 홍보 <0), то при повышении температуры (티 2 >티 1) 불평등을 관찰해야합니다 Kp,2Kp,1. 이는 새로운 평형 상태에서 반응 생성물의 분압이 더 낮아질 것임을 의미합니다. 즉, 반응이 왼쪽으로 이동합니다.

온도가 증가하면 평형이 흡열 반응 쪽으로 이동하고, 온도가 감소하면 평형이 발열 반응 쪽으로 이동합니다.

따라서 최고의 제품 수율이 달성됩니다.

저온에서의 발열 반응의 경우;

고온에서의 흡열 반응용.

농도의 영향(부분압).방정식 등온선평형 시스템의 구성 요소 농도가 변할 때 평형 이동 방향을 예측할 수 있습니다. 시스템을 평형 상태에 두십시오. 그 다음에 ΔG=0이고 등온식 방정식의 성분 농도는 평형 값에 해당하며 = Kc. 반응 생성물 중 일부가 시스템에서 제거되면 매개변수 비율에 따라 비평형 상태가 발생합니다. Kc이에 따라, ΔG< 0. 마지막 부등식은 직접 반응이 자발적으로 발생하는 열역학적 조건입니다. 결과적으로, 평형을 오른쪽으로 이동시켜 초기 반응물의 일부를 반응 생성물로 변환함으로써 새로운 평형 상태가 달성됩니다.

초기 시약의 농도(부분압)가 증가하면 평형이 생성물 형성쪽으로 이동하고 농도(부분압)가 감소하면 생성물이 원래 생성물로 역전환되는 방향으로 이동합니다. 생성물의 농도(부분압)가 증가하면 평형이 역반응 쪽으로 이동하고, 농도(부분압)가 감소하면 평형이 정반응 쪽으로 이동합니다.

따라서, 반응 생성물의 수율을 높이려면 초기 시약의 농도(부분압)를 높이거나, 반응계에서 서서히 제거하여 생성물의 농도(부분압)를 낮추는 것이 필요하다.

전체 시스템 압력의 영향. 평형 기체상 시스템이 주어지자 mA nB, 이를 위해 nm즉, 분자 수가 증가함에 따라 직접적인 반응이 발생합니다.

돌턴의 법칙에 따르면, 피 A = p∙y A그리고 피B = p∙y B, 어디 아르 자형- 시스템의 전체 압력; r A, r B– 부품의 부분 압력; y A , y B– 기체상 성분의 몰분율. 그러면 등온선 방정식은 다음과 같은 형식을 취합니다.

압력을 받는 경우 p 1시스템이 평형 상태에 있으면

.

압력을 p 2로 높이면 시스템이 평형 상태에서 벗어납니다. 왜냐하면 ( p-t) 0이면 다음과 같은 시스템 매개변수 관계가 발생합니다.

그리고 ΔG> 0.

이것이 역반응이 일어나기 위한 열역학적 조건이다. 결과적으로 압력이 증가하면 제품의 역변환으로 인해 새로운 평형 상태가 발생합니다. 안에원래 연결에 ㅏ, 그 결과 시스템의 총 분자 수가 감소합니다.

얻은 결과를 요약하면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.

시스템의 전체 압력이 증가하면 분자 수가 감소하면서 발생하는 반응쪽으로 평형이 이동합니다.

시스템의 전체 압력이 감소하면 분자 수가 증가함에 따라 발생하는 반응쪽으로 평형이 이동합니다.

균형 이동 방향에 대한 모든 요인의 영향 패턴을 일반화하면 다음과 같은 규칙이 생성됩니다. 르 샤틀리에의 원리:

평형 시스템에 외부 영향(온도, 구성 요소의 농도 또는 부분 압력 변화, 전체 압력)이 가해지면 이 영향의 효과가 약화되는 방식으로 반응합니다.

광화학 반응

빛 복사의 영향으로 발생하는 화학 반응을 호출합니다. 광화학 반응. 가장 중요한 광화학 반응에는 태양의 자외선 복사 영향으로 분자 산소로부터 오존이 형성되는 것이 포함됩니다.

O2 + hO

O + O 2 O 3 + O

그 결과 오존 오 3살아있는 유기체에 해로운 영향을 미치는 250-260mm 영역의 자외선을 흡수합니다. 또 다른 중요한 광화학 반응은 광합성으로, 이로 인해 식물은 대기에서 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출합니다. 브롬화은의 광화학적 분해는 사진 촬영 과정의 핵심입니다.

광자의 에너지(방사선의 양자)( 이자형)는 관계에 의해 결정됩니다

E = h,

어디 시간– 플랑크 상수(h 6.626 10 J∙s); – 방사 주파수, s. 가시광선, 적외선, 자외선의 파장 범위는 100 nm ~ 1000 nm이고, 에너지 범위는 120 kJ/mol ~ 1200 kJ/mol입니다. 방사선의 양자는 분자 내 원자의 단일 전자 하나에 흡수되고, 그 결과 이 ​​전자는 더 높은 에너지 준위로 이동합니다. 결과적으로 방사선 형태로 에너지를 흡수하면 세 가지 다른 결과가 발생할 수 있습니다.

1. 원자나 분자가 들뜬 상태가 됩니다.

A + h A *

M + h M *

2. 분자가 해리되어 원자를 형성하거나 자유 라디칼:

AB + H A + B

3. 교육 단순한또는 분자 이온하나의 전자를 제거함으로써:

A + h A + +

AB + h AB + +

이러한 모든 과정은 다음 법칙을 따릅니다.

1. 광화학 반응은 반응 시스템에 의해 흡수되는 입사 방사선의 해당 부분에 의해서만 발생할 수 있습니다( 그로투스-드레퍼 법칙).

2. 각각의 흡수된 방사선 양자는 단 하나의 분자( 아인슈타인-스타크 법칙).

3. 광화학반응으로 생성되는 생성물의 양은 흡수된 방사선의 세기와 조사시간에 비례한다( 반트 호프의 법칙).

마지막 법칙은 수학적 형태로 표현될 수 있습니다.

m = kt,

어디 중- 광화학적으로 변환된 물질의 질량, g; - 흡수된 방사선의 힘, 즉 단위 시간당 단위 면적을 통해 광속을 전달하는 에너지의 양, J/s; 티– 조사 시간, 초; 케이– 반응 속도 상수, g/J.

제1법칙과 제2법칙을 실험적으로 테스트할 때 때때로 명백한 불일치가 관찰됩니다. 첫째로, 흡수된 양자의 수는 물질의 반응된 분자의 수와 같지 않습니다. 마치 아인슈타인-스타크 법칙을 위반하는 것처럼요. 따라서 광화학 과정을 특성화하기 위해 개념 양자 수율, 이는 실제로 반응한 분자 수와 흡수된 양자 수의 비율과 같습니다. 값은 10 -3 에서 10 6 까지 다양합니다. ~에<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 시스템이 누출되고 있습니다 연쇄 반응. 이 경우, 흡수된 방사선 양자는 하나의 활성 입자의 출현을 유발하고, 이는 이후 일련의 2차 변환을 생성합니다.

둘째, 일부 물질은 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 흡수하지 않지만 조사되면 변형될 수 있습니다. 따라서 Grotthus의 법칙이 위반됩니다. 이 경우 방사선 양자는 특수 물질에 흡수되는 것으로 나타났습니다. 감광제, 흡수된 에너지를 다른 물질로 전달하여 결과적으로 화학적 변형을 겪는다. 결과적으로 Grotthus의 법칙을 위반하는 것은 명백할 뿐입니다. 예를 들어, 분자 수소는 253.7nm 파장의 빛을 흡수하지 않습니다. 그러나 수은과 수소 증기의 혼합물을 조사하면 수소 분자가 원자로 해리되는 과정이 관찰됩니다.

Hg + hHg *

Hg*+H2Hg+H+H

유사한 감광화 과정은 다음과 같습니다. 광합성– 산소 방출과 함께 일산화탄소(IV)와 물로부터 탄수화물의 합성. 엽록소 분자는 이러한 광화학 반응에 대한 감작제 역할을 합니다. 게다가 엽록소는 비빛 에너지를 포착하고 수집합니다. 광여기 후 과잉 에너지를 엽록소 분자로 전달합니다. ㅏ, 이는 광합성 과정에 직접적으로 참여합니다.

광합성의 전체 과정은 다음과 같은 반응으로 표현됩니다.

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O, G 0 = 2861.9kJ/mol

광합성은 광화학 반응과 효소 반응을 결합하는 복잡한 산화 환원 과정입니다. 광합성 메커니즘에는 두 단계가 있습니다. 빛그리고 어두운. 명암 단계에는 물의 산화를 완료하고 환원된 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산염을 형성하는 실제 광화학 반응과 관련 효소 반응이 포함됩니다. 나드프 2) 및 아데노신 삼인산( ATP). 어두운 무대에서 나드프 2그리고 ATP분자를 복원하다 CO 2~ 전에 CH2O그런 다음 방사선 양자의 참여 없이 발생하는 접합 효소 반응의 주기에서 단당류가 형성됩니다.

솔루션의 속성

일반 정보

솔루션호출된다 동종의(단상) 시스템은 용매, 용해된 물질 및 이들의 상호 작용 생성물로 구성되며 농도는 넓은 범위 내에서 달라질 수 있습니다.

고체, 액체, 기체일 수 있습니다. 농업 가공 산업의 생물학적 물체 및 기술 공정은 수용액에서 발생합니다. 따라서 앞으로는 다양한 물질의 수용액만을 고려하는 것으로 제한하겠습니다.

용해되는 동안 용매 부피에 용질의 분자 또는 이온이 균일하게 분포됩니다. 그러나 용해는 한 물질이 다른 물질로 확산되는 순전히 물리적인 과정으로 간주될 수 없습니다. 이는 특정 물질이 물에 용해될 때 상당한 양의 열이 방출되는 것으로 입증됩니다( H2SO4, NaOH다른 사람). 용매 분자와 용해된 물질의 분자 또는 이온 사이에 화학적 상호 작용이 가능하며 일부가 끊어지고 다른 화학 결합이 형성된다는 것이 확립되었습니다. 이로 인해 용매와 용질 사이의 상호 작용 생성물이 형성되는데, 이를 용매화물,그리고 수용액에서 - 수화물. 상호 작용 프로세스 자체를 호출합니다. 용매화또는 수화.

현재 솔루션은 다음과 같이 간주됩니다. 물리적-화학 시스템,기계적 혼합물과 화학적 화합물 사이의 특성에서 중간 위치를 차지하며, 그 특성의 물리적, 화학적 법칙을 가지고 있습니다.

모든 솔루션의 주요 특징은 집중. 일반적으로 용매는 상대적으로 더 많은 양이 포함되어 있는 용액의 구성 요소이며 상 상태를 결정합니다. 용액의 물리화학적 특성은 농도에 따라 달라집니다. 그러한 종속성이 많이 있습니다. 모두 해가 다음과 같다는 가정하에 얻은 것입니다. 완벽한. 이상적인다음과 같은 솔루션입니다.

1) 용해된 물질의 농도가 매우 낮습니다 - 몰분율이 0.005 미만입니다.

2) 용질은 비휘발성입니다. 즉, 그 분자는 액체상에서 기체상으로 나갈 수 없습니다.

3) 용액 입자 사이에는 상호 작용력이 없습니다. 즉, 혼합열이 0입니다 ( Nr= 0) 시스템의 부피에는 변화가 없습니다( 브이피 = 0);

화학 기술의 기반이 되는 대부분의 공정은 촉매 반응입니다. 이는 촉매를 도입하면 물질의 상호 작용 속도가 크게 증가하기 때문입니다. 동시에 제조업체는 비용을 절감하거나 같은 기간에 더 많은 반응 생성물을 얻을 수 있습니다. 이것이 바로 기술자 교육에서 촉매 연구에 많은 관심을 기울이는 이유입니다. 그러나 이 현상은 자연에서도 중요한 역할을 한다. 따라서 특수 물질은 살아있는 유기체의 생화학 반응 발생을 조절하여 신진 대사에 영향을 미칩니다.

촉매 개념

이 화학적 현상의 본질은 이 과정을 늦추거나 가속화할 수 있는 특수 시약을 사용하여 물질의 변형 속도를 조절하는 것입니다. 이 경우 그들은 긍정적이거나 부정적인 촉매작용에 대해 이야기합니다. 반응 속도가 화학 반응의 중간 생성물 중 하나에 의해 영향을 받는 자가촉매 현상도 있습니다. 촉매 과정은 다양하며 메커니즘, 화합물의 응집 상태 및 방향이 다릅니다.

화학적 상호작용을 느리게 하는 물질을 억제제라고 하며, 촉매 반응을 촉진하는 물질을 촉매라고 합니다. 둘 다 참가자 중 한 명 이상과의 반복적인 중간 상호 작용을 통해 반응 속도를 변경합니다. 그러나 제품 구성에는 포함되지 않으며 물질 변환주기가 끝나면 복원됩니다. 따라서 촉매의 참여는 반응식에 화학양론적으로 반영되지 않고 물질의 상호작용에 대한 조건으로만 표시된다.

촉매 반응의 유형

화학 반응에 참여하는 물질의 응집 상태에 따라 다음과 같이 구별됩니다.

• 균질 반응 - 반응물, 생성물 및 촉매는 동일한 응집 상태(상)에 있는 반면, 물질의 분자는 부피 전체에 고르게 분포됩니다.
• 계면 촉매 반응 - 혼합되지 않는 액체의 계면에서 발생하며 촉매의 역할은 이를 통한 시약의 전달로 축소됩니다.
• 이종 촉매 반응 - 촉매는 시약과 다른 응집 상태를 가지며 반응 자체는 상 경계면에서 수행됩니다.
• 불균일-균질 반응 - 촉매와의 경계면에서 시작되어 반응 부피에서 계속됩니다.
• 미세 이종 반응 - 고체 촉매의 작은 입자가 액체상의 전체 부피에 걸쳐 미셀을 형성합니다.

시약과 상호 작용할 때 촉매의 산화 상태 변화를 동반하는 산화 환원 촉매 작용도 있습니다. 이러한 변환을 촉매 산화 및 환원 반응이라고 합니다. 화학 생산에서 가장 일반적인 공정은 이산화황을 삼산화물로 산화시켜 황산을 생성하는 것입니다.

촉매의 종류

촉매는 응집 상태에 따라 액체(H 2 SO 4, H 3 PO 4), 고체(Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3), 기체(BF 3)로 나뉩니다.

물질의 유형에 따라 촉매는 다음과 같이 분류됩니다.

• 금속 - 순수, 합금, 고체 또는 다공성 베이스(Fe, Pt, Ni, Cu)에 증착될 수 있습니다.
• M m E n 유형의 금속 화합물 - 가장 일반적인 산화물은 MgO, Al 2 O 3, MoO 3 등입니다.
• 산 및 염기 - 산-염기 촉매 반응에 사용되며 루이스산, 브론스테드산 등이 될 수 있습니다.
• 금속 착물 - 이 그룹에는 PdCl 2, Ni(CO) 4와 같은 전이 금속 염도 포함됩니다.
• 효소(일명 효소)는 살아있는 유기체에서 일어나는 반응을 가속화하는 생체촉매입니다.

전자 구조의 특성에 따라 d-전자와 d-오비탈을 갖는 d-촉매와 원자가 s 및 p-전자를 갖는 요소를 중심으로 하는 s,p-촉매가 구별됩니다.

촉매의 성질

효과적으로 사용하려면 특정 프로세스에 따라 달라지는 상당히 광범위한 요구 사항 목록이 적용됩니다. 그러나 가장 중요한 것은 촉매의 다음 두 가지 특성입니다.

• 특이성은 하나의 반응 또는 여러 유사한 변환에만 영향을 미치고 다른 반응의 속도에는 영향을 미치지 않는 촉매의 능력에 있습니다. 따라서 백금은 유기 수소화 반응에 가장 자주 사용됩니다.
• 선택성은 가능한 여러 병렬 반응 중 하나를 가속화하여 가장 중요한 제품의 수율을 높이는 능력을 특징으로 합니다.

촉매 반응 속도

물질의 상호 작용이 가속화되는 이유는 촉매와 활성 복합체가 형성되어 활성화 에너지가 감소하기 때문입니다.

화학 동역학의 기본 가정에 따르면, 모든 화학 반응 속도는 화학량론적 계수에 해당하는 거듭제곱으로 계산되는 출발 물질 농도의 곱에 정비례합니다.

v = k ∙ С А x ∙ С В у ∙ С D z ,

여기서 k는 화학 반응의 속도 상수이며, 출발 화합물의 농도가 1 mol/l인 경우 동일한 반응의 속도와 수치적으로 동일합니다.

Arrhenius 방정식에 따르면 k는 활성화 에너지에 따라 달라집니다.

k = A ∙ exp^(-E A / RT).

표시된 패턴은 촉매 반응에도 유효합니다. 이는 속도 상수의 비율에 대한 방정식으로도 확인됩니다.

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

여기서 아래 첨자 K가 있는 변수는 촉매 반응을 나타냅니다.

촉매 반응의 단계

균일한 촉매 반응의 경우 두 가지 주요 단계로 충분합니다.

1. 활성화된 복합체의 형성: A + K ―> AK.
2. 활성화된 복합체와 다른 출발 물질의 상호 작용: AK + B ―> C + K.

일반적인 형태에서는 A + B ―> C 형태의 방정식이 쓰여진다.

이종 촉매 반응의 메커니즘은 복잡합니다. 다음과 같은 6단계로 구분됩니다.

1. 출발 화합물을 촉매 표면으로 가져옵니다.
2. 촉매 표면에 의한 출발 시약의 흡착 및 중간 복합체 형성: A + B + K ―> AVK.
3. 결과 복합체의 활성화: ΑВК ―> ΑВК * .
4. 촉매에 의해 흡착된 생성물과 함께 복합 화합물의 분해: ΑВК * ―> CDK.
5. 촉매 표면에 의한 생성물 탈착: CDK ―> C + D + K.
6. 촉매에서 생성물 제거.

촉매 반응의 예

촉매는 화학 산업에서만 사용되는 것이 아닙니다. 일상 생활에서 사람은 누구나 다양한 촉매 반응을 접하게 됩니다. 예를 들어 상처를 치료할 때 과산화수소를 사용하는 것입니다. 과산화수소는 혈액과 상호 작용할 때 다음의 영향으로 분해되기 시작합니다.

2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O.

현대 자동차에는 유해한 기체 물질의 분해를 촉진하는 특수 촉매실이 장착되어 있습니다. 예를 들어, 백금이나 로듐은 파괴되어 무해한 O 2 및 N 2 를 형성하는 질소 산화물로 인한 환경 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다.

일부 치약에는 플라크와 음식 찌꺼기의 분해를 시작하는 효소가 포함되어 있습니다.

이미 20세기 초에 수많은 효소가 연구자들에게 효소의 명명법과 분류에 대한 의문을 제기했습니다. 20세기 초 효소의 독특한 특징은 어미 "aza"였는데, 이는 기질 이름(아밀럼 - 전분 - 아밀라제)에 먼저 추가한 다음 반응 이름에 추가하여 사용했습니다( 탈수소화 - 탈수소효소). 국제 화학자 및 생화학자 연맹이 창설한 효소 위원회(CI)는 효소 분류의 기본 원칙과 명명법을 개발하여 1961년에 채택되었습니다. 분류는 효소에 의해 촉매되는 반응 유형을 기준으로 이루어졌습니다. 이를 기준으로 모든 효소는 6개의 클래스로 나뉘며 각 클래스에는 여러 하위 클래스가 있습니다.

1.산화환원효소 -환원이나 산화 반응을 촉매하는 효소. 예를 들어, 알코올 탈수소효소는 에틸 알코올을 아세트알데히드로 산화시키는 효소입니다. 알데히드 탈수소효소로 알려진 두 번째 효소는 아세트알데히드를 아세틸 CoA로 전환시킵니다. 산화환원효소는 종종 중간 수소 수용체 역할을 하는 보조인자의 참여를 필요로 합니다. 아래 예에서는 이것이 NAD+입니다.

산화효소 –산화환원효소의 일종. 이는 산소를 최종 수소 수용체로 사용하는 효소에 부여된 이름입니다. 그 예로 포도당을 글루콘산으로 산화시키는 포도당 산화효소가 있습니다. . FAD는 중간 수소 수용체 역할을 합니다.

2.전이 -공여자 분자에서 수용체 분자로 작용기를 전달하는 효소. 그 예로는 S-아데노실메티오닌의 메틸기를 일부 수용체로 전달하는 메틸트랜스퍼라제가 있습니다. 아래 그림은 신경전달물질인 에피네프린과 노르에피네프린의 대사에 관여하는 효소인 카테콜-O-메틸트랜스퍼라제에 의해 촉매되는 반응입니다. .

트랜스퍼라제의 또 다른 매우 중요한 예는 아미노기의 전달을 촉매하는 효소인 트랜스아미나제입니다.

트랜스아미나제는 아미노산을 아미노기의 공여체로 사용하여 α-케토산으로 전달하여 공여체 아미노산을 α-케토산으로, 케토산 수용체를 아미노산으로 각각 전환합니다. 이는 특정 아미노산을 상호 전환하는 데 사용되며 아미노산이 탄수화물 또는 지질 대사 경로로 들어갈 수 있도록 합니다.

생화학에서 자주 언급되는 트랜스퍼라제는 고에너지 분자 ATP에서 기질로 인산염의 전달을 촉매하는 키나제입니다. 세포 대사에 중요한 역할을 하는 많은 키나제가 있습니다.

3. 가수분해효소- 생물학적 가수분해 반응을 촉매하는 효소. 그들은 공유 결합을 끊습니다. 파열 부위에 물 요소를 부착합니다. 리파제, 포스파타제, 아세틸콜린에스테라제 및 프로테아제는 모두 가수분해 효소의 예입니다.

4. 리아제(데스몰라아제)– 이중 결합을 형성하여 비가수분해 방식으로 C-C, C-O 및 C-N 결합의 분해를 촉매하는 효소. 예를 들어 생체 아민인 아드레날린과 노르에피네프린의 합성에 중요한 효소인 DOPA 탈탄산효소가 있습니다.

5. 이성질화효소- 분자내 재배열을 촉매하는 효소. 이 경우 광학적 기하 이성질체와 위치 이성질체의 상호 변환이 발생합니다. 에피머라제와 라세마제는 이 부류의 효소의 예입니다.

6. 리가제 ATP 가수분해 에너지를 사용하여 C-O, C-S, C-N 또는 C-C 결합의 형성을 촉매합니다. 인산염은 반응 생성물에 공유 결합될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

효소위원회는 또한 효소 명명법에 대한 원칙을 제안했습니다. 체계적이고 운영적인 명명법을 사용하는 것이 좋습니다. 체계적인 명명법은 분류와 동일한 원리, 즉 촉매되는 반응 유형을 기반으로 합니다. 언뜻 보면 이름이 복잡해 보이지만 이름을 보면 효소가 하는 일이 무엇인지 분명해집니다. 이름은 두 부분으로 구성됩니다. 반응 참가자의 이름(클래스에 따라 기질, 중간 수용체가 될 수 있음)과 끝이 "ase"인 촉매 반응 유형입니다.

각 효소는 분류에서의 위치를 ​​반영하는 특정 효소 코드 번호를 받습니다. 첫 번째 숫자는 효소 클래스를 나타내고, 두 번째 숫자는 하위 클래스, 세 번째 숫자는 하위 하위 클래스를 나타냅니다. 각 하위 클래스는 효소 목록입니다. 이 목록에 있는 효소의 일련번호는 코드의 네 번째 숫자입니다. 그림 1-1은 크레아틴 포스포키나제 - KF.2.7.3.2에 대한 코드를 보여줍니다. 이 효소는 크레아틴의 인산화 반응을 촉매합니다. ATP 효소의 체계적 명칭은 크레아틴 포스포트랜스퍼라제(creatine phosphotransferase)입니다. 이 효소의 실제 이름은 크레아틴 키나아제 또는 크레아틴 포스포키나아제입니다.

아르 자형 2-1이다. 크레아틴 포스포키나제 코드와 효소 분류에서 효소의 위치

(또한보십시오 석유 처리의 화학 및 방법). 이러한 과정에서 촉매 역할을 하는 카르베늄 이온의 작용 메커니즘이 확립되었습니다. 그렇게 함으로써 그들은 큰 분자의 절단에 의한 작은 분자의 형성, 분자의 결합(올레핀에서 올레핀 또는 올레핀에서 이소파라핀), 이성질체화에 의한 구조적 재배열, 파라핀과 방향족의 형성을 포함한 수많은 반응에 참여합니다. 수소 전달에 의한 탄화수소.

산업계에서 산 촉매작용을 적용한 최신 사례 중 하나는 이소부틸렌이나 이소아밀렌에 알코올을 첨가하여 유연 연료를 생산하는 것입니다. 가솔린에 산소 함유 화합물을 첨가하면 배기 가스의 일산화탄소 농도가 감소합니다. 메틸-

문지름 옥탄 혼합수 109의 -부틸에테르(MTBE)를 사용하면 가솔린에 테트라에틸납을 첨가하지 않고도 높은 압축비로 자동차 엔진 작동에 필요한 고옥탄 연료를 얻을 수 있습니다. 옥탄가 102와 111의 연료 생산도 조직되었습니다.기본 촉매작용. 촉매의 활성은 기본 특성에 따라 결정됩니다. 이러한 촉매의 오래되고 잘 알려진 예로는 비누를 만들기 위해 지방을 가수분해하거나 비누화하는 데 사용되는 수산화나트륨이 있으며, 최근의 한 예는 폴리우레탄 플라스틱 및 폼 생산에 사용되는 촉매입니다. 우레탄은 알코올과 이소시아네이트의 반응으로 형성되며, 이 반응은 염기성 존재 하에서 가속화됩니다.명백한 아민. 반응 중에 염기가 이소시아네이트 분자의 탄소 원자에 부착되어 결과적으로 질소 원자에 음전하가 나타나고 알코올에 대한 활성이 증가합니다. 트리에틸렌디아민은 특히 효과적인 촉매입니다. 폴리우레탄 플라스틱은 디이소시아네이트와 폴리올(폴리알코올)을 반응시켜 생산됩니다. 이소시아네이트가 물과 반응하면 이전에 형성된 우레탄이 분해되어 방출됩니다. CO2 . 폴리알코올과 ​​물의 혼합물이 디이소시아네이트와 상호 작용하면 생성된 폴리우레탄 폼이 가스로 거품이 발생합니다. CO2. 이중 작용 촉매. 이러한 촉매는 두 가지 유형의 반응 속도를 높이고 각각 ​​한 가지 유형의 촉매만 포함하는 두 개의 반응기를 통해 반응물을 직렬로 통과시키는 것보다 더 나은 결과를 생성합니다. 이는 이중 작용 촉매의 활성 부위가 서로 매우 가깝고 그 중 하나에서 형성된 중간 생성물이 다른 쪽에서 즉시 최종 생성물로 전환된다는 사실 때문입니다.

수소를 활성화하는 촉매와 탄화수소의 이성질화를 촉진하는 촉매를 결합하면 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 수소의 활성화는 일부 금속에 의해 수행되고 탄화수소의 이성질화는 산에 의해 수행됩니다. 나프타를 가솔린으로 전환하기 위해 석유 정제에 사용되는 효과적인 이중 작용 촉매는 산성 알루미나에 담지된 미세하게 분할된 백금입니다. 메틸사이클로펜탄(MCP)과 같은 나프타 성분을 벤젠으로 전환하면 휘발유의 옥탄가가 증가합니다. 먼저, MCP는 촉매의 백금 부분에서 탈수소화되어 동일한 탄소 골격을 가진 올레핀으로 변합니다. 그런 다음 올레핀은 촉매의 산 부분으로 이동하여 사이클로헥센으로 이성질체화됩니다. 후자는 백금 부분으로 전달되어 벤젠과 수소로 탈수소화됩니다.

이중 작용 촉매는 오일 개질을 크게 가속화합니다. 이는 노말 파라핀을 이소파라핀으로 이성질체화하는 데 사용됩니다. 가솔린 분획과 동일한 온도에서 끓는 후자는 일반 탄화수소에 비해 옥탄가가 더 높기 때문에 가치가 있습니다. 게다가 변형은

N -부탄에서 이소부탄으로의 전환은 탈수소화를 동반하여 MTBE 생산을 촉진합니다.입체특이성 중합. 역사상 중요한 이정표촉매작용이 일어났다 촉매중합의 발견ㅏ-형성된 올레핀 입체 규칙적인 x 폴리머. 촉매에 입체특이적인중합 K. Ziegler가 그가 얻은 중합체의 특이한 특성을 설명하려고 시도했을 때 발견되었습니다. 또 다른 화학자인 J. Natta는 Ziegler 중합체의 고유성은 입체규칙성에 의해 결정된다고 제안했습니다. X-선 회절 실험에 따르면 Ziegler 촉매가 있는 상태에서 프로필렌으로 제조된 중합체는 결정성이 높고 실제로 입체 규칙적인 구조를 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 정렬된 구조를 설명하기 위해 Natta는 다음과 같은 용어를 도입했습니다.등배성 " 및 "신디오택틱". 순서가 없는 경우 "atactic"이라는 용어가 사용됩니다.전이금속기를 함유한 고체촉매의 표면에서는 입체특이적반응이 일어난다. IVA - VIII(예: Ti, V, Cr, Zr ), 불완전하게 산화된 상태에 있고, 그룹의 금속에 결합된 탄소 또는 수소를 포함하는 모든 화합물나 - III . 그러한 촉매의 전형적인 예는 다음과 같은 경우에 형성된 침전물입니다.티타늄이 환원되는 헵탄의 TiCl 4 및 Al(C 2 H 5 ) 3 3가 상태로. 이것유난히 활동적이다이 시스템은 정상적인 온도와 압력에서 프로필렌의 중합을 촉매합니다.촉매 산화. 산화 공정의 화학적 성질을 제어하기 위해 촉매를 사용하는 것은 과학적으로나 실제적으로 매우 중요합니다. 예를 들어 자동차 배기 가스의 CO 및 탄화수소 오염 물질을 중화하는 경우와 같이 산화가 완료되어야 하는 경우도 있습니다.그러나 예를 들어 탄화수소를 -CHO, -COOH, -C-CO, -CN과 같은 작용기를 포함하는 귀중한 중간 생성물로 변환하기 위해 널리 사용되는 많은 산업 공정에서 산화가 불완전해야 하는 경우가 더 자주 발생합니다. 이 경우에는 균일 촉매와 불균일 촉매가 모두 사용됩니다. 균일 촉매의 예로는 산화에 사용되는 전이 금속 착물이 있습니다.쌍 -자일렌에서 테레프탈산으로, 폴리에스테르 섬유 생산의 기초가 되는 에스테르입니다.불균일 산화용 촉매. 이러한 촉매는 일반적으로 복잡한 고체 산화물입니다. 촉매 산화는 두 단계로 발생합니다. 첫째, 산화물의 산소는 산화물 표면에 흡착된 탄화수소 분자에 의해 포획됩니다. 이 경우 탄화수소는 산화되고, 산화물은 환원된다. 환원된 산화물은 산소와 반응하여 원래의 상태로 돌아갑니다. 바나듐 촉매를 사용하여 나프탈렌이나 부탄을 불완전 산화시켜 무수프탈산을 얻습니다.메탄의 탈수소이량체화에 의한 에틸렌 생산. 탈수소이량체화를 통한 에틸렌 합성은 천연가스를 보다 쉽게 ​​운반할 수 있는 탄화수소로 변환합니다. 반응 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O는 850°에서 수행됩니다. C 다양한 촉매를 사용하는 단계; 촉매를 사용하면 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. Li-MgO . 아마도 반응은 메탄 분자에서 수소 원자가 분리되어 메틸 라디칼이 형성되면서 진행되는 것 같습니다. 제거는 불완전하게 환원된 산소(예: O)에 의해 수행됩니다. 2 2- . 기체상의 메틸 라디칼은 재결합하여 에탄 분자를 형성하고 후속 탈수소화 과정에서 에틸렌으로 전환됩니다. 불완전 산화의 또 다른 예는 은 또는 철-몰리브덴 촉매 존재 하에서 메탄올을 포름알데히드로 전환시키는 것입니다.제올라이트. 제올라이트는 특별한 종류의 불균일 촉매를 구성합니다. 이들은 정렬된 벌집 구조를 가진 알루미노실리케이트이며 셀 크기는 많은 유기 분자의 크기와 비슷합니다. 분자체라고도 합니다. 가장 관심을 끄는 것은 제올라이트인데, 그 기공은 8-12개의 산소 이온으로 구성된 고리로 형성됩니다(그림 2). ZSM-5 제올라이트(그림 3)의 경우처럼 기공이 겹치는 경우도 있는데, 이는 메탄올을 가솔린 분획 탄화수소로 매우 특이적으로 전환하는 데 사용됩니다. 휘발유에는 상당량의 방향족 탄화수소가 포함되어 있어 옥탄가가 높습니다. 예를 들어 뉴질랜드에서는 소비되는 휘발유의 3분의 1이 이 기술을 사용해 생산됩니다. 메탄올은 수입된 메탄으로부터 생산됩니다. Y-제올라이트 그룹을 구성하는 촉매는 주로 특이한 산성 특성으로 인해 촉매 분해 효율을 크게 증가시킵니다. 알루미노실리케이트를 제올라이트로 대체하면 휘발유 생산량을 20% 이상 늘릴 수 있습니다.

또한, 제올라이트는 반응 분자의 크기와 관련하여 선택성을 갖습니다. 이들의 선택성은 특정 크기와 모양의 분자만 통과할 수 있는 기공의 크기에 따라 결정됩니다. 이는 출발 물질과 반응 생성물 모두에 적용됩니다. 예를 들어 입체적 제한으로 인해

쌍 -자일렌은 부피가 큰 것보다 더 쉽게 형성됩니다.오르토- 그리고 메타 -이성질체. 후자는 제올라이트의 기공에 "고정"되어 있음을 발견합니다(그림 4).

제올라이트의 사용은 경유 및 엔진 오일의 탈랍, 방향족 화합물의 알킬화를 통한 플라스틱 생산을 위한 화학 중간체 획득, 자일렌의 이성질체화, 톨루엔의 불균형화 및 오일의 촉매 분해 등 일부 산업 기술에서 실질적인 혁명을 일으켰습니다. 제올라이트는 여기서 특히 효과적입니다.

ZSM-5. 촉매 및 환경 보호. 대기 오염을 줄이기 위해 촉매를 사용하는 것은 2009년 말부터 시작되었습니다. 19 40대. 1952년에 A. Hagen-Smith는 배기 가스에 포함된 탄화수소와 질소 산화물이 빛과 반응하여 눈을 자극하고 기타 바람직하지 않은 영향을 미치는 산화제(특히 오존)를 형성한다는 사실을 발견했습니다. 비슷한 시기에 Y. Khoudri는 산화에 의한 배기가스의 촉매 정화 방법을 개발했습니다.콜로라도 그리고 탄화수소까지 CO 2 및 H 2 A. 1970년에 청정 공기 선언(1977년 개선, 1990년 확장)이 공식화되었으며, 이에 따라 1975년 모델을 시작으로 모든 신차에는 촉매 변환기가 장착되어야 합니다. 배기가스 구성에 대한 표준이 확립되었습니다. 가솔린 독촉매에 납 화합물이 첨가되었기 때문에 단계적 폐지 프로그램이 채택되었습니다. 질소산화물 함량을 줄여야 할 필요성도 지적됐다.

촉매는 활성 성분이 배기 가스가 통과하는 셀을 통해 벌집 구조의 세라믹 기판에 적용되는 자동차 중화제용으로 특별히 개발되었습니다. 기판은 금속 산화물의 얇은 층으로 코팅됩니다.

Al2O3 , 백금, 팔라듐 또는 로듐과 같은 촉매가 적용됩니다. 화력 발전소에서 천연 연료를 연소하는 동안 형성되는 질소 산화물의 함량은 연소 가스에 소량의 암모니아를 첨가하고 이를 티타늄 바나듐 촉매에 통과시킴으로써 줄일 수 있습니다.효소. 효소는 살아있는 세포의 생화학적 과정을 조절하는 천연 촉매제입니다. 그들은 에너지 교환 과정, 영양소 분해 및 생합성 반응에 참여합니다. 그것들이 없으면 많은 복잡한 유기 반응이 일어날 수 없습니다. 효소는 일반적인 온도와 압력에서 기능하고 선택성이 매우 높으며 반응 속도를 8배나 증가시킬 수 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고 약. 알려진 효소 15,000개 중 20개가 대규모로 사용됩니다.

인간은 빵을 굽고, 알코올 음료, 치즈, 식초를 생산하기 위해 수천 년 동안 효소를 사용해 왔습니다. 이제 효소는 설탕 가공, 합성 항생제, 아미노산 및 단백질 생산과 같은 산업 분야에서도 사용됩니다. 가수분해 과정을 가속화하는 단백질 분해 효소가 세제에 첨가됩니다.

박테리아의 도움으로

클로스트리디움 아세토부틸리쿰 H. Weizmann은 전분을 아세톤과 부틸 알코올로 효소 전환시키는 작업을 수행했습니다. 이 아세톤 생산 방법은 제1차 세계대전 당시 영국에서 널리 사용됐고, 제2차 세계대전 중에는 소련에서 부타디엔 고무를 생산하는 데 사용됐다.

페니실린, 스트렙토마이신 및 비타민 합성을 위해 미생물이 생산하는 효소를 사용하는 것이 매우 중요한 역할을 했습니다.

B12. 효소 공정에 의해 생산되는 에틸알코올은 자동차 연료로 널리 사용됩니다. 브라질에서는 약 1,000만 대의 자동차 중 3분의 1 이상이 사탕수수에서 추출한 96% 에틸알코올을 사용하고 나머지는 휘발유와 에틸알코올의 혼합물(20%)을 사용합니다. 휘발유와 알코올을 혼합한 연료를 생산하는 기술은 미국에서 잘 발달되어 있다. 1987년에는 약. 40억 리터의 알코올 중 약 32억 리터가 연료로 사용되었습니다. 소위는 또한 다양한 응용 프로그램을 찾습니다. 고정화된 효소. 이들 효소는 시약이 통과하는 실리카겔과 같은 고체 지지체에 결합되어 있습니다. 이 방법의 장점은 기질과 효소의 효율적인 접촉, 생성물의 분리 및 효소의 보존을 보장한다는 것입니다. 고정화 효소의 산업적 사용의 한 예는 이성체화입니다.디 -포도당을 과당으로. 기술적 측면 촉매를 사용하지 않으면 현대 기술을 상상할 수 없습니다. 촉매 반응은 최대 650°C의 온도에서 발생할 수 있습니다.° C 및 100 atm 이상의 압력. 이는 기체와 고체 물질 사이의 접촉 및 촉매 입자의 이동과 관련된 문제에 대한 새로운 해결책을 제시합니다. 프로세스가 효과적이려면 모델링에서 역학적, 열역학적, 유체역학적 측면을 고려해야 합니다. 여기서는 컴퓨터 모델링이 널리 사용되며 기술 프로세스를 모니터링하기 위한 새로운 도구 및 방법도 사용됩니다.

1960년에는 암모니아 생산에 상당한 진전이 있었습니다. 보다 활성이 높은 촉매를 사용하면 수증기가 분해되는 동안 수소 생산 온도를 낮출 수 있었고, 이를 통해 압력을 낮출 수 있어 예를 들어 더 저렴한 원심 압축기를 사용하여 생산 비용을 줄일 수 있었습니다. . 그 결과 암모니아 가격이 절반 이상 떨어졌고 생산량이 엄청나게 증가했으며 이와 관련하여 암모니아는 귀중한 비료이기 때문에 식량 생산량이 증가했습니다.

행동 양식. 촉매 분야의 연구는 전통적인 방법과 특수한 방법을 모두 사용하여 수행됩니다. 방사성 추적자, X선, 적외선 및 라만(Raman) 분광법, 전자 현미경 방법이 사용됩니다. 동역학 측정이 수행되고 촉매 제조 방법이 활성에 미치는 영향이 연구됩니다. 다양한 압력에서 질소의 물리적 흡착을 측정하여 Brunauer-Emmett-Teller 방법(BET 방법)을 사용하여 촉매의 표면적을 결정하는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해서는 촉매 표면에 단층을 형성하는 데 필요한 질소의 양을 결정하고, 분자의 직경을 알아야 합니다.엔 2 , 전체 면적을 계산합니다. 총 표면적을 결정하는 것 외에도 다양한 분자의 화학 흡착이 수행되어 활성 중심의 수를 추정하고 해당 특성에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

연구자들은 원자 수준에서 촉매의 표면 구조를 연구하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 고유한 정보를 얻을 수 있습니다.

EXAFS . 분광법 중에는 UV, X선, Auger 광전자 분광법이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 2차 이온 질량 분석법과 이온 산란 분광법은 큰 관심을 끌고 있습니다. NMR 측정은 촉매 복합체의 특성을 연구하는 데 사용됩니다. 주사형 터널링 현미경을 사용하면 촉매 표면의 원자 배열을 볼 수 있습니다. 전망 산업계의 촉매 공정 규모는 매년 증가하고 있습니다. 환경을 오염시키는 물질을 중화하기 위해 촉매가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 가스와 석탄으로부터 탄화수소와 산소 함유 합성 연료를 생산하는 데 촉매의 역할이 증가하고 있습니다. 연료 에너지를 전기 에너지로 경제적으로 전환하기 위한 연료 전지의 개발은 매우 유망해 보입니다.

촉매작용의 새로운 개념은 특히 미생물의 도움으로 알칸과 암모니아로부터 단백질을 합성함으로써 고분자 물질과 많은 귀중한 특성을 지닌 기타 제품을 얻고, 에너지를 얻는 방법을 개선하고, 식량 생산량을 늘리는 것을 가능하게 할 것입니다. 촉매 활성 및 선택성 측면에서 천연 생물학적 촉매에 근접한 효소 및 유기금속 화합물을 생산하기 위한 유전공학적 방법을 개발하는 것이 가능할 수 있습니다.

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소개

1. 촉매작용의 일반 조항 및 원리

2. 균질한 촉매작용

3. 산 및 염기 촉매작용

4. 복합화합물에 의해 촉매되는 균일한 촉매 반응

5. 효소 촉매작용

6. 이종 촉매작용

결론

사용된 소스 목록

소개

촉매작용은 촉매가 있을 때 반응 속도를 변화시키는 현상입니다. 촉매의 참여로 발생하는 반응을 촉매라고합니다. 전체 반응의 결과로 변하지 않은 채로 화학 반응 속도를 증가시키는 물질을 촉매라고 합니다.

촉매에는 다양한 유형이 있으며 그 작용 메커니즘도 다양합니다. 촉매는 처음 결합된 다음 재생되고 다시 결합되는 등의 사이클을 여러 번 거칩니다. 촉매는 반응이 다른 경로를 따라 진행되도록 하며 촉매가 없을 때보다 더 빠른 속도로 진행되도록 합니다. 활성화 에너지를 줄이거나 사전 지수 인자를 늘리거나 두 가지 모두를 통해 속도를 높일 수 있습니다.

촉매는 정반응과 역반응을 동시에 가속화하므로 전체 반응의 평형 상수는 변하지 않습니다. 그렇지 않다면 촉매를 사용하여 물질을 재생하는 영구 운동 기계를 만드는 것이 가능할 것입니다.

1. 촉매작용의 일반 조항 및 원리

촉매는 동종촉매와 이종촉매로 구분됩니다. 균일 촉매는 반응 물질과 동일한 상에 존재하는 반면, 불균일 촉매는 반응 물질이 위치한 상과 경계면에 의해 분리된 독립 상을 형성합니다. 전형적인 균일 촉매는 산과 염기입니다. 금속, 그 산화물 및 황화물은 불균일 촉매로 사용됩니다.

동일한 유형의 반응은 균질 촉매와 불균일 촉매 모두에서 발생할 수 있습니다. 따라서 산성 용액과 함께 고체 Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, 알루미노 규산염 및 산성 특성을 지닌 제올라이트가 사용됩니다. 기본 특성을 지닌 이종 촉매: CaO, BaO, MgO.

일반적으로 이종 촉매는 표면이 매우 발달하여 불활성 담체(실리카겔, 산화알루미늄, 활성탄 등) 위에 분포되어 있습니다.

각 반응 유형에 대해 특정 촉매만 효과적입니다. 이미 언급한 산-염기 촉매 외에도 산화-환원 촉매가 있습니다. 이는 전이 금속 또는 그 화합물(Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3)의 존재를 특징으로 합니다. 이 경우 전이금속의 산화 상태를 변화시켜 촉매작용을 수행한다.

많은 반응은 전이 금속 원자 또는 이온(Ti, Rh, Ni)에서 반응물의 배위를 통해 작용하는 촉매를 사용하여 수행됩니다. 이러한 유형의 촉매작용을 배위촉매라고 합니다.

촉매가 키랄 특성을 갖는 경우, 광학적으로 활성인 생성물은 광학적으로 비활성인 기질로부터 얻어집니다.

현대 과학 및 기술에서는 여러 촉매 시스템이 종종 사용되며 각 촉매 시스템은 반응의 여러 단계를 가속화합니다. 촉매는 또한 다른 촉매에 의해 수행되는 촉매 사이클의 한 단계 속도를 증가시킬 수 있습니다. 여기에서는 "촉매작용의 촉매작용", 즉 2단계 촉매작용이 발생합니다.

생화학 반응에서 효소는 촉매 역할을 합니다.

촉매는 개시제와 구별되어야 합니다. 예를 들어, 과산화물은 자유 라디칼로 분해되어 라디칼 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다. 개시제는 반응 중에 소모되므로 촉매로 간주할 수 없습니다.

억제제는 때때로 부정적인 촉매제로 잘못 간주되기도 합니다. 그러나 예를 들어 라디칼 연쇄 반응 억제제는 자유 라디칼과 반응하며 촉매와 달리 저장되지 않습니다. 다른 억제제(촉매 독)는 촉매에 결합하여 이를 비활성화합니다. 여기서는 음성 촉매 작용이 아닌 촉매 작용이 억제됩니다. 음성 촉매작용은 원칙적으로 불가능합니다. 반응의 느린 경로를 제공하지만, 당연히 반응은 더 빠른 경로(이 경우에는 비촉매 경로)를 따릅니다.

촉매는 반응 생성물 중 하나일 수 있다. 이 경우 반응을 자가촉매라고 하며, 현상 자체를 자가촉매라고 합니다. 예를 들어, Fe 2+가 MnO 4로 산화되는 동안

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

생성된 Mn 2+ 이온이 반응을 촉매합니다.

촉매 반응은 본질적으로 매우 일반적입니다. 이들 중 가장 놀라운 것은 살아있는 유기체에서 많은 반응을 촉매하는 효소와의 반응입니다. 촉매는 산업계에서 널리 사용됩니다. 질산, 황산, 암모니아 생산, 합성고무 생산 등 촉매반응 없이는 불가능하다. 촉매는 페나세틴, 구아야콜, 방향족 화합물의 할로겐 유도체 등 의약 물질 생산에 사용됩니다. Mn(IV) 산화물, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3이 촉매로 사용됩니다.

균질한 촉매작용과 이질적인 촉매작용이 있지만 이들 중 어떤 경우에도 주요 원칙은 다음과 같이 요약됩니다.

1. 촉매는 반응의 기본 작용에 적극적으로 참여하여 반응 참가자 중 하나와 중간 화합물을 형성하거나 모든 반응 물질과 활성화된 복합체를 형성합니다. 각 기본 행위 후에는 재생되고 반응 물질의 새로운 분자와 상호 작용할 수 있습니다.

2. 촉매 반응 속도는 촉매량에 비례합니다.

3. 촉매는 작용 선택성을 가지고 있습니다. 한 반응의 속도를 변경할 수 있지만 다른 반응의 속도에는 영향을 미치지 않습니다.

4. 촉매는 촉매가 없을 때보다 반응이 다른 경로를 따라 더 빠른 속도로 진행되도록 합니다.

활성화 에너지를 줄이거나 사전 지수 인자를 늘리거나 두 가지 모두를 통해 속도를 높일 수 있습니다. 예를 들어, 아세트알데히드 CH 3 CHO CH 4 + CO의 열분해는 요오드 증기에 의해 촉매되며, 이는 활성화 에너지를 ~55 kJ/mol 감소시킵니다. 이러한 감소로 인해 속도 상수는 약 10,000배 증가합니다.

5. 촉매는 열역학적 평형 위치에 영향을 미치지 않습니다. 이는 순방향 및 역방향 반응의 속도를 동일한 정도로 변경합니다.

6. 촉진제라고 불리는 특정 물질을 첨가하면 촉매의 활성이 증가합니다. 억제제를 추가하면 반응 속도가 감소합니다.

2. 균질한 촉매작용

균질 촉매작용에서 촉매는 균질 용액의 분자 또는 이온입니다. 균일 촉매반응의 경우, 촉매와 모든 반응물은 하나의 공통상을 형성합니다.

균질 촉매작용 이론의 주요 가정은 반응 중에 반응물과 함께 촉매의 불안정한 중간 화합물이 형성되어 촉매 재생과 함께 분해된다는 아이디어입니다.

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

이 반응의 속도

v=k N씨 ㅏ씨 비씨 케이

는 촉매 농도에 비례하며 속도 상수는 Arrhenius 방정식을 따릅니다. 이 반응은 두 단계로 발생할 수 있습니다.

촉매작용 균질 산성 효소 불균일

이 경우에는 두 가지 경우가 가능합니다. 첫 번째 단계에서는 복합체가 촉매와 초기 생성물로 분해되는 속도가 최종 생성물이 형성되는 두 번째 단계의 속도보다 훨씬 높습니다. 따라서 이러한 유형의 촉매작용에서는 아레니우스 복합체라고 불리는 복합체의 농도가 낮습니다. 두 번째 경우 복합체의 분해 속도는 두 번째 단계의 분해 속도와 비슷합니다. 중간 복합체의 농도는 중요하고 고정되어 있습니다. 이러한 유형의 복합체를 반트 호프 복합체(van't Hoff complex)라고 합니다.

보다 일반적인 경우인 두 번째 경우를 더 자세히 살펴보겠습니다. 중간체 화합물 AA는 출발 물질과 평형을 이루므로 정방향(v 1) 및 역방향(v 2) 반응(1)의 속도는 동일해야 합니다. 이에 대한 운동 방정식을 컴파일하면 다음을 얻습니다.

어디 (와 함께 에게"-- 와 함께 AK") -- 반응하지 않은 촉매의 농도; 와 함께 ㅏ,와 함께 A.K."-- 물질 A와 중간체 AA의 평형 농도.

(2)로부터 중간체 화합물의 농도를 구합니다.

전체 프로세스의 총 속도(v)는 가장 느린 단계(이 경우 두 번째 단계)의 속도에 의해 결정됩니다. 그 다음에

중간체 화합물(3)의 농도를 (4)에 대입하면 다음을 얻습니다.

방정식 (5)는 두 가지 제한 체제의 존재 가능성을 나타냅니다.

두 경우 모두 반응 속도는 촉매의 농도에 정비례하지만 출발 물질에 대한 반응 순서는 다릅니다. 첫 번째 경우에는 2이고 두 번째 경우에는 1입니다. 제한 체제 밖에서 반응 순서는 부분적입니다.

균일한 촉매작용의 예는 요오드 증기에 의해 촉매되는 아세트알데히드 CH 3 SON CH 4 + CO의 열분해 반응입니다. 요오드 증기가 없을 때 이자형 ㅏ=191.0 kJ/mol, 존재 시 이자형 ㅏ= 136.0kJ/mol. 속도 상수는 10,000배 증가합니다. 이는 반응이 두 단계로 발생하기 때문에 발생합니다.

CH 3 아들 + I 2 = CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI = CH 4 + I 2

각 단계의 활성화 에너지는 비촉매 반응의 활성화 에너지보다 작습니다.

균일한 촉매작용에는 많은 산-염기 반응, 착물화 반응, 산화환원 반응, 수많은 수소화 반응, 황화 반응 등이 포함됩니다.

3. 산 및 염기 촉매작용

많은 반응에서 산과 염기는 촉매의 기능을 수행합니다. 즉, 반응에 참여하는 동안 그 자체는 소비되지 않습니다(가수분해, 알킬화, 에스테르화 등의 반응). 산-염기 촉매에는 세 가지 유형이 있습니다.

1) H + 또는 OH - 이온이 각각 촉매 역할을 하는 특정 산(염기) 촉매 작용;

2) 양성자 공여체(수용체)에 의해 수행되는 일반 산(염기) 촉매작용;

3) 산과 루이스 염기에 의해 수행되는 친전자성(친핵성) 촉매작용.

1차 비율 상수 케이완충 용액에서의 반응은 [H + ], [OH - ], [HA], [A - ]의 선형 함수일 수 있습니다. 즉:

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

이 표현에서는 케이 0 -- 모든 촉매 이온이 없는 경우의 1차 속도 상수: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- 촉매 계수.

k 1 [H + ]라는 용어만이 중요한 역할을 한다면, 그들은 그 반응이 수소 이온에 의한 특정한 촉매 작용을 나타낸다고 말합니다. 회원이 우대하는 경우 케이 3 [HA], 그러면 반응은 일반적인 산 촉매작용을 받는다고 합니다. 회원이 압도적인 경우 케이 4 [A - ]이면 반응은 일반적인 염기성 촉매작용을 받는다고 합니다.

특정 산-염기 촉매작용의 경우, 비촉매 반응 속도가 느린 경우 (케이 0 = 0), 로그 형태로 표현될 수 있습니다:

산성 용액의 경우:

알칼리성 용액의 경우:

방정식은 특정 산-염기 촉매작용의 경우 속도 상수의 로그가 매체의 pH에 ​​선형적으로 의존한다는 것을 나타냅니다.

수소이온의 촉매 작용 메커니즘은 양성자와 출발 물질 분자의 중간 화합물이 형성된다는 것입니다. 이 과정으로 인해 출발물질에 존재하는 화학결합이 느슨해지고 활성화 에너지가 감소하며, 양성자화된 형태의 BH+가 반응생성물과 촉매로 분해됩니다.

4. 복합화합물에 의해 촉매되는 균일한 촉매 반응

산업 조건에서 환원, 수소화, 산화, 이성질화, 중합 반응은 촉매 - 착화합물(주기율표 Fe, Co, Ni, Ru의 VIII족 금속 이온 및 Cu, Fg, Hg)의 존재 하에서 수행됩니다. , Cr, Mn). 촉매 작용의 본질은 금속 이온이 전자 공여체 또는 수용체 역할을 한다는 것입니다. 중심 금속 이온 주위에 결합된 반응 분자 사이의 화학적 상호작용은 분자의 분극화와 개별 결합의 에너지 감소에 의해 촉진됩니다. 중심 금속 이온은 다리 역할을 하여 반응하는 분자 사이의 전자 전이를 촉진합니다.

금속 이온의 촉매 활성은 이온과 반응 참가자의 결합 에너지에 따라 달라집니다. 결합 에너지가 높거나 낮으면 금속 이온은 약한 촉매 활성을 나타냅니다. 첫 번째 경우, 금속 이온은 반응 분자에 너무 단단히 결합되어 반응에서 제거됩니다. 두 번째 경우, 반응 분자는 용액에 존재하는 다른 리간드를 대체할 수 없습니다. 그 결과 활성 촉매가 아닌 배위 포화 착물이 생성됩니다.

복합 촉매의 조성을 조절하는 데 있어 폭넓은 가능성 덕분에 VIII족 원소의 이온을 함유한 효소와 관련된 다양한 반응을 시뮬레이션하는 것이 가능해졌습니다.

5. 효소 촉매작용

효소는 가장 놀라운 촉매제입니다. 이는 살아있는 유기체의 많은 반응과 연관되어 있으므로 종종 생물학적 촉매라고 불립니다. 효소 촉매작용은 기존 촉매작용보다 더 복잡한 현상입니다. 효소 촉매 작용 과정의 높은 조직은 효소 반응에서 반응물이라고 불리는 효소와 기질의 분자 구조의 특별한 조합과 관련된 살아있는 유기체의 상호 작용의 특성에 의해 결정됩니다.

효소는 단백질입니다. 펩타이드 결합으로 연결된 아미노산으로 구성되어 있다. 효소 분자는 소수성 그룹뿐만 아니라 COOH, NH 2, NH, OH, SH 등의 교대 극성 그룹을 가지고 있습니다. 효소의 1차 구조는 다양한 아미노산의 교대 순서에 따라 결정됩니다. 열적 혼란 운동의 결과로, 효소 거대분자는 구부러지고 휘어져 느슨한 공 모양이 됩니다. 분자간 상호 작용은 폴리펩티드 사슬의 개별 부분 사이에서 발생하여 수소 결합이 형성됩니다. 효소의 2차 구조는 느슨한 매질의 형태로 나타납니다. 각 효소의 2차 구조는 잘 정의되어 있습니다. 효소의 활성 촉매 중심에는 기질 분자를 특정 위치에 배향시키는 그룹이 포함됩니다. 활성 센터는 특정 구조의 분자만 들어갈 수 있는 매트릭스와 같습니다. 효소 촉매 작용의 메커니즘은 효소-기질 복합체의 형성과 함께 효소의 활성 중심과 기질의 상호 작용으로 구성되며, 이는 여러 변형을 거쳐 반응 생성물이 나타납니다. 각 중간 단계는 활성화 에너지가 낮아 반응이 빠르게 진행되는 것이 특징입니다. 이것은 효소의 높은 활성을 설명합니다.

효소는 촉매하는 반응 유형에 따라 산화환원효소(산화환원 반응을 촉매함), 전이효소(한 화합물에서 다른 화합물로 화학 그룹의 이동을 촉매함), 가수분해효소(가수분해 반응을 촉매함), 리아제(다양한 결합을 끊음) 등으로 분류됩니다. 이성질화효소(이성질체 변환 수행), 리가아제(합성 반응 촉매). 보시다시피 효소는 특이성과 선택성이 다릅니다. 일부는 특정 유형의 전체 반응 종류를 촉매하고, 일부는 단 하나의 반응만 촉매합니다.

많은 효소에는 금속 이온(금속효소)이 포함되어 있습니다. 금속효소에서 금속 이온은 효소의 활성 구조를 제공하는 킬레이트 복합체를 형성합니다. 다양한 산화 상태를 갖는 금속(Fe, Mn, Cu)은 산화환원 반응에 참여하여 전자를 산화제로 전달합니다. 수소 및 전자 전달 기능을 수행하는 수십 가지 유기 화합물이 알려져 있습니다. 그들은 비타민 유도체를 함유하고 있습니다.

중금속 이온(Ag +, Hg +, Pb 2+)은 효소의 활성 그룹을 차단할 수 있습니다.

다양한 효소의 작용을 평가하기 위해 분당 하나의 효소 분자의 작용으로 변환되는 기질 분자의 수에 의해 결정되는 분자 활성의 개념이 도입되었습니다. 알려진 가장 활성이 높은 효소는 탄산탈수효소로, 분자 활성도는 분당 약 3,600만 분자입니다.

효소에 의해 촉매되는 반응 속도는 효소의 농도에 정비례합니다. 낮은 기질 농도에서 반응은 기질에 대해 1차 반응입니다. 고농도에서는 반응 속도가 일정하게 유지되고 반응 순서는 0이 됩니다(효소는 기질로 완전히 포화됩니다). 반응 속도는 매체의 온도와 산도에 따라 달라집니다.

효소 촉매작용은 생명체에 관해 이야기하는 생명의 모든 표현에서 큰 역할을 합니다. 신체의 필수 활동을 증가시키고 신진 대사를 개선하기 위해 의약품으로 사용되는 많은 효소 제제가 만들어졌습니다. 소화 효소 생산 부족과 관련된 위장관 장애에 대한 효소 제제가 널리 보급되었습니다. 따라서 일부 형태의 위염에는 펩신이나 판크레아틴이라는 약물이 사용됩니다. 효소는 대량으로 축적된 단백질 형성을 파괴해야 하는 경우(화상, 화농성 상처, 폐의 화농성 염증성 질환 등)에도 성공적으로 사용됩니다. 이러한 경우에는 단백질 분해 효소가 사용되어 단백질의 신속한 가수분해를 유도하고 화농성 축적물의 재흡수를 촉진합니다. 여러 전염병을 치료하기 위해 일부 병원성 박테리아의 막을 파괴하는 리소자임 제제가 사용됩니다. 혈전(혈관 내부의 혈전)을 녹이는 효소는 매우 중요합니다. 이것은 혈액에서 발견되는 플라스민입니다. 췌장 효소 - 트립신과 키모트립신. 이를 기반으로 다양한 첨가제를 사용하여 의학에 사용되는 스트렙토키나제, 스트렙타제 등의 약용 효소 제제가 만들어졌습니다.

6. 이종 촉매작용

이종 촉매작용은 경계면에서 발생합니다. 처음으로 관찰된 불균일 촉매 반응은 Priestley(1778)에 의해 수행된 활성 점토에서 에틸 알코올의 탈수였습니다.

C2H5OH -- C2H4 + H2O

19세기 전반에는 불균일 촉매에 관한 많은 연구가 이루어졌습니다. 고체의 촉매 작용에 대한 이론적 설명을 위해 많은 연구가 이루어졌습니다. 그 후, 교리의 개발은 실험 데이터의 축적, 촉매 제조 방법의 개발, 새로운 촉매 공정의 발견 및 연구, 화학 산업에서의 촉매 도입, 불균일 촉매 이론의 개발을 모두 따랐습니다. . 그러나 이론가들의 성공은 실험가들의 성공보다 훨씬 미미했습니다. 그리고 이것은 우연이 아닙니다.

촉매 공정과 비촉매 공정 사이에는 근본적인 차이가 없지만 둘 다 화학 동역학의 법칙을 따르며 두 경우 모두 반응 물질 시스템이 특별한 활성 상태를 통과하며 이종 촉매 반응에서 특정 특징이 관찰됩니다. 우선, 모든 현상 전체가 그 속성에 크게 의존하는 견고한 몸체가 나타납니다. 따라서 이종 촉매 이론의 성공이 고체 상태 이론의 발전과 불가분의 관계가 있다는 것은 우연이 아닙니다. 공정이 표면에서 발생하기 때문에 촉매 표면의 구조에 대한 지식은 촉매 이론의 발전에 결정적입니다. 이는 촉매 이론의 발전과 흡착 현상에 대한 실험적, 이론적 연구의 발전 사이의 밀접한 연관성을 의미합니다. 이질적인 프로세스의 복잡성과 고유한 특수성으로 인해 이 분야에 대한 이론적 연구가 아직 완료되지 않았습니다. 지금은 특정 실험적 사실을 첫 번째 근사치로 일반화하는 몇 가지 이론적 개념의 존재에 대해 이야기할 수 있습니다.

실제로 두 가지 유형의 이종 촉매 작용이 가장 자주 발생합니다.

1) 촉매가 고체상이고 반응물이 액체상인 공정;

2) 촉매가 고체상이고 반응물이 기체상인 공정. 일반적으로 반응은 상 경계에서 발생합니다(일부 다단계 프로세스에서는 시작됨). 고체 표면 - 촉매.

이기종 프로세스는 5가지 단계로 나눌 수 있습니다.

1) 반응물의 촉매 표면으로의 이동(확산);

2) 촉매 표면의 반응물 흡착;

3) 표면에서의 반응;

4) 촉매 표면의 방출과 함께 반응 생성물의 탈착;

5) 반응 생성물을 부피로 이동(확산)합니다.

공정 조건과 특징에 따라 5단계 중 하나가 가장 느릴 수 있으므로 촉매 공정의 속도는 각 단계에 의해 제한될 수 있습니다. 촉매 활성을 비교 평가하려면 표면 반응 속도가 결정적입니다. 따라서 촉매 활성 값을 얻는 것이 중요한 경우 속도가 소위 동역학 단계에 의해 결정되는 방식으로 공정을 수행하려고합니다.

흡착과 탈착에는 고유한 법칙이 있으며, 흡착은 계면에서 물질 농도가 자발적으로 변화하는 과정입니다. 흡착 과정이 일어나는 표면의 물질을 흡착제. 흡착된 물질이라고 합니다. 흡착하다. 불균일 촉매작용에서 흡착제는 촉매이고, 흡착물은 반응물(기질)의 분자입니다. 촉매에 대한 기질의 흡착은 표면에 위치한 촉매의 분자(원자)와 기질의 분자 사이에 발생하는 상호작용력(물리적 흡착)으로 인해 수행될 수 있습니다. 촉매의 분자(원자)와 반응물의 분자 사이에 화학적 상호작용(화학적 흡착 또는 화학흡착)이 발생할 수 있습니다. 흡착의 결과로 계의 차수가 증가하고 계의 에너지가 감소하며 반응의 활성화 에너지가 감소한다.

이종 공정의 경우 액체 또는 기체의 내부 부피에서 고체 표면으로의 물질 이동이 특히 중요합니다. 물질 전달 과정은 확산 법칙을 따릅니다.

결론

정유 및 석유화학 분야에서 촉매와 촉매 공정의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 결국 이는 현대 인류 사회의 요구를 충족시키는 가장 중요한 영역에서 기술 진보의 기초입니다. 우선 요점은 다양한 분야의 석유에는 일반적으로 휘발유에 해당하는 저비점 분획이 5~20%만 포함되어 있다는 것입니다. 자동차와 항공운송의 현대적 발전으로 휘발유의 수요는 엄청나다. 동시에 오일에서 직접 증류된 자동차 연료는 일반적으로 품질이 낮습니다. 다른 현대적 가공 방법과 결합하여 촉매 분해 및 개질을 사용하면 고급 휘발유 수율을 오일 중량의 75%까지 높일 수 있습니다. 자동차 연료는 금속 촉매를 사용하여 석탄을 촉매 수소화하여 생산되기도 합니다.

금속 및 산화물 촉매에서 탄화수소를 추가로 촉매 처리하면 소비재 생산에 필요한 중간 생성물을 얻을 수 있습니다. 이들로부터 얻은 대부분의 단량체 및 중합체는 석유, 석탄, 셰일 및 천연 가스에서 얻은 탄화수소 및 그 파생물을 처리하는 촉매 공정의 산물입니다. 촉매 공정은 의약 물질용 세제 및 염료 생산에 중요한 역할을 합니다.

중간체(및 유기 기술의 산물)를 생산하는 기본 유기 합성은 주로 촉매 반응을 기반으로 합니다. 황산, 암모니아, 질산과 같은 화학제품은 현대사회의 생활에서 매우 중요합니다. 국가 경제의 거의 모든 부문은 이러한 물질이나 도움을 받아 얻은 기타 화합물을 소비합니다. 그들은 수천만 톤의 광물질 비료를 생산하는 데 사용되며, 이 비료 없이는 현장 생산성을 높이거나 유지하는 것이 불가능합니다. 수백 개의 화학, 석유화학, 식품, 조명 및 기타 산업에서는 황산, 질산, 암모니아 및 그 파생물을 사용합니다. 이 화합물은 야금 및 금속 가공 산업에서도 사용됩니다.

한편, 암모니아로부터 황산, 암모니아, 질산을 대규모로 생산하는 것은 적절한 촉매의 발견과 그 이용방법의 개발 덕분에 가능해졌다.

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유사한 문서

금속 착체 촉매 작용 과정의 본질과 특징. 촉매 활성을 결정하는 금속 착물의 특성. 효소 촉매작용 모델링. 금속 착체 촉매 작용의 적용 분야, 장점 및 단점.

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균질 촉매작용의 일반 이론. 촉매 과정의 단계와 반응 속도. 다양한 양의 Fe2+ 촉매 존재 하에서 과산화수소 불균형화의 촉매 반응 동역학, pH가 반응 속도에 미치는 영향.

테스트, 2012년 9월 18일에 추가됨


화학 반응 속도 결정. 촉매 반응의 발견, 개념 및 유형의 역사. 촉매 현상, 물리적, 화학적 측면에 대한 화학계 저명한 인물들의 의견. 이종 촉매 작용의 메커니즘. 생화학에서의 효소 촉매작용.

초록, 2010년 11월 14일에 추가됨


촉매 작용, 촉매 및 촉매 과정의 개념, 다양한 정의. 촉매에 의한 반응을 가속화하는 메커니즘. 화학적(비생물학적) 촉매작용. 황산을 사용하여 알코올로부터 디에틸 에테르를 합성합니다. 촉매작용 이론.

초록, 2009년 1월 26일에 추가됨


불균일 촉매작용을 위한 금속 촉매, 혼합 및 다기능 촉매. 촉매 요구 사항. 이질적인 촉매작용의 이론. 다중화 및 전자 이론. 활성 앙상블의 이론. 천연가스 처리의 촉매작용.

코스 작업, 2014년 5월 6일에 추가됨


촉매의 정의와 산업에서의 역할. "화학 반응 메커니즘"의 개념에 대한 선택성과 일반적인 아이디어. 반응 단계 및 유형에 따른 촉매 시스템 분류. 산업용 촉매에 대한 흡착 및 기본 요구 사항.

초록, 2009년 1월 26일에 추가됨


아렌디아조늄 염을 끓이는 방법. 페놀의 열역학적 산도 분석. 페놀, 산 촉매작용 및 페녹시아세트산의 아실화 특성. Kolbe-Schmitt 반응의 특징, 페녹시아세트산을 얻는 방법.

테스트, 2012년 3월 28일에 추가됨


열화학의 주제, 화학 반응의 열 효과를 연구합니다. 화학적 동역학 및 촉매 과정의 유형. 반응의 엔탈피(열 효과). 반응 속도, 대량 행동의 법칙. 화학 평형 상수, 촉매 영향.

프레젠테이션, 2014년 10월 19일에 추가됨


효소 (효소)는 젖산 제품 생산에 사용되는 생물학적 촉매입니다. 효소 명명법에 대한 국제 규칙. 구형 단백질만이 효소가 될 수 있습니다. 단백질 구조의 수준. 효소 촉매작용의 동역학.

초록, 2009년 1월 26일에 추가됨


생물학적 촉매의 개념, 생물계에서 효소의 작용 및 분류. 생물학적 촉매의 활성에 영향을 미치는 요인. 코엔자임이라고 불리는 물질. 효소 촉매작용의 동역학, Michaelis-Menten 방정식.