Հիմնական նյութ

10-րդ դասարան. քիմիա

Դասընթաց․ (10-րդ դասարան. քիմիա) > Բաժին 4

Դաս 4: Կինետիկա

Կատալիզատորների տեսակները

Ի՞նչ է կատալիզատորը։ Ներառված են ֆերմենտների, թթվահիմնային կատալիզատորների, հետերոգեն (կամ մակերևութային) կատալիզատորների օրինակներ։

Հիմնական դրույթներ

Կատալիզատորը նյութ է, որը չի սպառվում ռեակցիայի ընթացքում, սակայն կարող է ավելացվել ռեակցիային՝ ռեակցիայի արագությունը մեծացնելու համար:
Կատալիզատորները սովորաբար արագացնում են ռեակցիան՝ նվազեցնելով ակտիվացման էներգիան կամ փոխելով ռեակցիայի մեխանիզմը:
Ֆերմենտները սպիտակուցներ են, որոնք կենսաքիմիական ռեակցիաներում գործում են որպես կատալիզատորներ:
Կատալիզատորների տարածված տեսակներն են ֆերմենտները, թթվահիմնային կատալիզատորները և տարասեռ (կամ մակերևութային) կատալիզատորները:

Ներածություն: Մտավոր փորձ կինետիկայի վերաբերյալ

Ձեր ուղեղը սնուցվում է գլյուկոզի օքսիդացման արդյունքում: Գլյուկոզի օքսիդացումը կարելի է ներկայացնել հետևյալ հավասարեցված քիմիական ռեակցիայի միջոցով.

C_{6} H_{12} O_{6} (պ) + 6 O_{2} (գ) \to 6 C O_{2} (գ) + 6 H_{2} O (հ) + ջ ե ր մ ո ւ թ յ ո ւ ն Δ G^{\circ} -ն 25^{\circ} C = - 2885 \frac{կՋ}{մոլ}

Առանց այս քիմիական ռեակցիան ուսումնասիրելու քիմիա սովորելը շատ դժվար կլինի: Բարեբախտաբար, օքսիդացման ռեակցիայի ընթացքը ջերմադինամիկորեն իրագործելի է (ձեռնտու է)

25^{\circ} C

-ում, քանի որ

Δ G^{\circ} < 0

Իսկ ինչու՞ մենք էլ չփորձենք: Գտեք ինչ-որ հաճելի և քաղցր սնունդ, օրինակ՝ չամիչ: Ավելացրեք թթվածին գազ (այսինքն՝ այն պահեք օդում): Ի՞նչ է տեղի ունենում:

Նկատո՞ւմ եք ջերմության անջատում կամ ջրի գոյացում: Իսկ գեղեցիկ փրփուրի առաջացու՞մ՝ պայմանավորված գոյացող ածխածնի երկօքսիդով:

Հավանաբար չամիչը մի փոքր ավելի չորանալուց բացի այլ բանի ընդունակ չէ: Չնայած գլյուկոզի օքսիդացումը ջերմադինամիկորեն իրագործելի (ձեռնտու) ռեակցիա է, պարզվում է, որ ռեակցիայի արագությունը շատ, շատ, շատ փոքր է:

Ռեակցիայի արագությունը կախված է հետևալ գոծոններից.

Ակտիվացման էներգիա
Ջերմաստիճան. եթե չամիչը տաքացնեք մինչև բավականաչափ բարձր ջերմաստիճան, այն, հավանաբար, կբռնկվի և կօքսիդանա

Այս երկու գործոնները սերտորեն փոխկապակցված են. ռեակցիայի ջերմաստիճանի բարձրացումը մեծացնում է ելանյութի մոլեկուլների կինետիկ էներգիան: Սա մեծացնում է հավանականությունը, որ նրանք կունենան բավարար էներգիա ակտիվացման էներգիայի արգելքը հաղթահարելու համար:

Ինչպե՞ս է ձեր մարմինը լուծում գլյուկոզի օքսիդացման այս խնդիրը: Ի վերջո, ձեր մարմնի ջերմաստիճանը շատ չի գերազանցում

25^{\circ} C

-ը, ինչպե՞ս է այս ռեակցիան անընդհատ տեղի ունենում ձեր մարմնում:

Կենսաբանական համակարգերն օգտագործում են կատալիզատորներ, որոնք մեծացնում են օքսիդացման ռեակցիայի արագությունը, որպեսզի այն տեղի ունենա ավելի արագ՝ ավելի ցածր ջերմաստիճաններում: Այս հոդվածում մենք հիմնականում կխոսենք, կատալիզատորների և նրանց տարբեր տեսակների մասին:

Ի՞նչ է կատալիզատորը:

Կատալիզատորները նյութեր են, որոնք մեծացնում են ռեակցիայի արագությունը, սակայն չեն սպառվում ռեակցիայի ընթացում: Վերջիններս սովորաբար աշխատում են հետևյալ կերպ.

Անցումային վիճակի էներգիայի նվազեցում, հետևաբար ակտիվացման էներգիայի նվազեցում, և/կամ
Ռեակցիայի մեխանիզմի փոփոխություն: Սա նաև փոխում է անցումային վիճակի բնույթը (և էներգիան):

Կատալիզատորներն ամենուր են: Կենսաքիմիական շատ գործընթացներ, ինչպիսին է գլյուկոզի օքսիդացումը, մեծապես կախված են ֆերմենտներից: Վերջիններս սպիտակուցներ են, որոնք հանդես են գալիս որպես կատալիզատորներ:

Կատալիզատորների այլ տարածված տեսակներից են թթվահիմնային կատալիզատորները և տարասեռ (կամ մակերևութային) կատալիզատորները:

Օրինակ: Ածխաթթվային անհիդրազ (կարբոանհիդրազ)

Ածխաթթվային անհիդրազ ֆերմենտը կատալիզում է ածխածնի երկօքսիդի

({CO}_{2})

և ջրի

(H_{2} O)

միջև տեղի ունեցող դարձելի ռեակցիան ածխաթթու առաջացնելու համար: Երբ

{CO}_{2}

-ի կոնցենտրացիան մարմնում չափազանց բարձր է, ածխաթթվային անհիդրազը կատալիզում է հետևյալ ռեակցիան.

{CO}_{2} + H_{2} O \to H_{2} {CO}_{3}

Արյան մեջ և հյուսվածքներում ածխաթթվի կոնցենտրացիան կարգավորելով՝ ֆերմենտը ի վիճակի է լինում մարմնում

pH

-ը պահել հաստատուն:

Մարդու կարբոանհիդրազ II-ի ժապավենային տրամագիր: Քիմիան գեղեցիկ է, չէ՞: Սպիտակուցի կենտրոնում շագանակագույն հատվածը ցինկի իոնն է: Նկարը՝ Wikimedia Commons-ի հասարակական տիրույթից

Ածխաթթվային անհիդրազը ամենահայտնի ֆեմենտներից է, որի առկայությամբ ռեակցիայի արագությունը կազմում է

10^{4}

10^{6}

ռեակցիա վայրկյանում: Այս փաստը առավել զարմանալի է, երբ համեմատում ենք չկատալիզվող ռեակցիայի արագության հետ, որի արագությունը ~

0, 2

ռեակցիա է վայրկյանում: Կարելի է տեսնել, որ տեղի է ունենում ռեակցիայի արագության մեծացում ~

10^{5} - 10^{7}

անգամ:

Հետևյալ տրամագրում ցույց է տրված ածխածնի երկօքսիդից և ջրից ածխաթթվի ստացման ռեակցիայի էներգիական տրամագիրը: Կատալիզատորի առկայությամբ ընթացող ռեակցիան նշված է կապույտ գծով, իսկ չկատալիզվող ռեակցիան նշվում է կարմիր գծով:

Ածխածնի երկօքսիդից և ջրից ածխաթթվի ստացման ռեակցիայի էներգիական տրամագիրը: Կատալիզատորի ավելացումը (կապույտ գիծ) նվազեցնում է անցումային վիճակի էներգիան, սակայն չի փոխում $Δ H_{ռեակցիա}$ ‍-ն՝ համեմատած չկատալիզվող ռեակցիայի հետ (կարմիր գիծ): Նկարը՝ Wikimedia Commons-ից, CC BY-SA 3.0

Կատալիզատորը նվազեցնում է ռեակցիայի անցումային վիճակի էներգիան: Քանի որ ակտիվացման էներգիան անցումային վիճակի էներգիայի և ելանյութի էներգիայի տարբերությունն է, անցումային վիճակի էներգիայի նվազեցումը հանգեցնում է ակտիվացման էներգիայի նվազեցման:

[Ինպե՞ս է ռեակցիայի արագությունը կապված ակտիվացման էներգիայի հետ:]

Նկատեք, որ ելանյութերի և վերջնանյութերի էներգիաները նույնն են կատալիզվող և չկատալիզվող ռեակցիաների համար: Այդ պատճառով ռեակցիայի ընթացքում անջատվող գումարային էներգիան

Δ H_{ռեակցիա}

չի փոխվում ֆերմենտի ավելացմամբ: Այս փաստն ընդգծում է շատ կարևոր հանգամանք, որ ռեակցիայի կինետիկան, այսինքն՝ ռեակցիայի արագությունը, ռեակցիայի ջերմադինամիկայի հետ կապված չէ ուղղակիորեն:

Թթվահիմնային կատալիզատորներ

Թթվային կատալիզի ժամանակ որպես կատալիզատոր հիմնականում հանդես է գալիս

H^{+}

իոնը: Հիմնային կատալիզի պարագայում կատալիզատորը սովորաբար

{OH}^{-}

իոնն է:

Սախարոզի (սուկրոզ), որը նաև հայտնի է որպես շաքարեղեգի շաքար, հիդրոլիզը թթվով կատալիզվող ռեակցիայի օրինակ է: Սախարոզը կազմված է երկու պարզ շաքարներից (կամ մոնոսախարիդներից)՝ գլյուկոզից և ֆրուկտոզից: Թթվի կամ ֆերմենտի, ինչպիսին է սուկրազը, ավելացմամբ սախարոզը կարող է քայքայվել գլյուկոզի և ֆրուկտոզի, ինչպես որ ցույց է տրված բերված հետևյալ ռեակցիաների շարքում.

Սախարոզից (որը նաև հայտնի է որպես շաքարեղեգի շաքար) գլուկոզի և ֆրուկտոզի ստացման ռեակցիան, որը կատալիզվում է թթվով

Առաջին փուլում սխարաոզը դարձելիորեն փոխազդում է

H^{+}

-ի (կարմիրով) հետ՝ առաջացնելով պրոտոնացված սախարոզ: Պրոտոնացված սախարոզը դարձելիորեն փոխազդում է ջրի հետ (կապույտով)՝ առաջացնելով

H^{+}

և մեկական մոլեկուլ գլյուկոզ ու ֆրուկտոզ: Գումարային ռեակցիան կարելի է գրել հետևյալ կերպ.

Սախարոզ + H_{2} O \overset{թթվային կատալիզատոր}{\to} Գլյուկոզ + Ֆրուկտոզ

Քանի որ

H^{+}

-ը հանդես է գալիս ինչպես ելանյութ, անպես էլ վերջանյութ՝ հավասար քանակություններով, հետևաբար այն ռեակցիայի ընթացքում չի ծախսվում: Այդ պատճառով կատալիզատորը չի նշվում գումարային ռեակցիայի ո՛չ ելանյութերում, ո՛չ էլ վերջանյութերում:

Տարասեռ և մակերևութային կատալիզներ

Տարասեռ (ոչ համասեռ, հետերոգեն) կատալիզատորները այն կատալիզատորներն են, որոնք ելանյութերի համեմատ այլ ֆազում են: Օրինակ՝ կատալիզատորը կարող է լինել պինդ ֆազում, իսկ ելանյութերը՝ հեղուկ կամ գազային ֆազում:

[Ի՞նչ են անվանում կատալիզատորը, որը ելանյութերի հետ նույն ֆազում է:]

Տարասեռ կատալիզատորի օրինակներից է բենզինային կամ դիզելային վառելիքով աշխատող մեքենաների կատալիտիկ փոխակերպիչը: Կատալիտիկ փոխակերպիչները պարունակում են անցումային մետաղ պարունակող կատալիզատորներ, որոնք նստեցված են պինդ կրիչի վրա: Պինդ կատալիզատորը, շփման մեջ մտնելով ավտոմեքենայի շարժիչից արտանետվող գազերի, օրինակ՝ խիստ վտանգավոր ածխածնի մոնօքսիդի և չայրված վառելիքի հետ, մեծացնում է դրանց միջև տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիայի արագությունը, ինչի հետևանքով ստացվում են ավելի քիչ վնասակար նյութեր:

Կատալիտիկ փոխակերպիչի ներսում գտնվող պինդ կատալիզատորը նվազեցնում է թունավոր գազերի, չայրված վառելիքի և պինդ մասնիկների արտանետումները: Պինդ կրիչն այնպես է նախագծված, որպեսզի ունենա մակերևույթի մեծ մակերես, որը թույլ կտա կատալիզատորին հնարավորինս մեծ մակերեսով փոխազդել ավտոմեքենայի շարժիչից արտանետվող գազերի հետ: Նկարը՝ flickr կայքի Oak Ridge National Laboratory օգտատեր, CC BY-NC-ND 2.0

Կատալիտիկ փոխակերպիչը մակերևութային կատալիզի օրինակ է, որտեղ ելանյութերի մոլեկուլներն ադսորբվում են պինդ կրիչի մակերեսին մինչ վերջանյութեր առաջացնելու համար կատալիզատորի հետ փոխազդելը: Մակերևութային կատալիզատորով կատալիզվող ռեակցիայի արագությունը մեծանում է կատալիզատորի և ելանյութերի շփման մակերևույթի մակերեսի մեծացմամբ: Հետևաբար կատալիտիկ փոխակերպիչի ներսում պինդ կրիչն այնպես է նախագծված, որ ունենա բավականին մեծ մակերևույթի մակերես: Հենց այստեղից է վերջինիս ծակոտկեն, մեղրախորշ հիշեցնող տեսքը:

Տարասեռ և մակերևութային կատալիզի հետևանքով են ստացվում լայն կիրառություն ունեցող պլաստիկներ (կամ պոլիմերներ), որոնցից է օրինակ պոլիէթիլենը: Այդ տեսակի կատալիզատորները կոչվում են Ցիգլեր-Նատտայի կատալիզատորներ, և դրանք օգտագործվում են գրեթե ամեն ինչի պատրաստման համար՝ սկսած պլաստիկե փաթեթավորումներից, վերջացրած մածունի համար նախատեված բաժակներով: Կատալիզատորները, որոնք ստացվել են անցումային մետաղներից, նստեցվում են պինդ կրիչի վրա նախքան վերջիններիս փոխազդեցությունը ելանյութերի հետ (որոնց նաև անվանում են մոնոմերներ)՝ գազային ֆազում կամ լուծույթում:

Պոլիէթիլենը նաև օգտագործվում է արհեստական հոդերի պատրաստման համար: Այս արհեստական ազդրոսկրի մեջ մետաղական գնդիկավոր հանգույցը տեղավորվում է պոլիէթիլենային վարդակի մեջ, որը պարզ երևում է ռենտգենյան ճառագայթման միջոցով: Նկարը՝ Wikimedia Commons-ի հասարակական տիրութից

Եթե նույնիկ ռեակցիան ընթանում է գազային ֆազում, վերջանյութ պոլիմերը սովորաբար պինդ է:

Ամփոփում

Կատալիզատորը միացություն է, որը մեծացնում է ռեակցիայի արագությունը, սակայն չի սպառվում ռեակցիայի ընթացքում:
Կատալիզատորները սովորաբար արագացնում են ռեակցիան՝ նվազեցնելով ակտիվացման էներգիան կամ փոխելով ռեակցիայի մեխանիզմը:
Ֆերմենտները սպիտակուցներ են, որոնք կենսաքիմիական ռեակցիաների ժամանակ գործում են որպես կատալիզատորներ:
Կատալիզատորների տարածված տեսակներն են ֆերմենտները, թթվահիմնային կատալիզատորները և տարասեռ (կամ մակերևութային) կատալիզատորները:

[Հղումներ և մեջբերումներ]

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: