If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

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.
C6H12O6(պ)+6O2(գ)6CO2(գ)+6H2O(հ)+ջերմությունΔG-ն 25C=2885կՋմոլ
Առանց այս քիմիական ռեակցիան ուսումնասիրելու քիմիա սովորելը շատ դժվար կլինի: Բարեբախտաբար, օքսիդացման ռեակցիայի ընթացքը ջերմադինամիկորեն իրագործելի է (ձեռնտու է) 25C-ում, քանի որ ΔG<0:
մոտ 5 մմ հաստությամբ մուգ խաղողի կտրվածքի տեսքը մանրադիտակի պատկերընկալի միջոցով
Գիտե՞ք, որ գլյուկոզն առաջին անգամ առանձնացվել է չամիչից: Նկարը՝ Wikimedia Commons-ի հանրային տիրույթից
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 25C-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.
  1. Անցումային վիճակի էներգիայի նվազեցում, հետևաբար ակտիվացման էներգիայի նվազեցում, և/կամ
  2. 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 (CO2) և ջրի (H2O) միջև տեղի ունեցող դարձելի ռեակցիան ածխաթթու առաջացնելու համար: Երբ CO2-ի կոնցենտրացիան մարմնում չափազանց բարձր է, ածխաթթվային անհիդրազը կատալիզում է հետևյալ ռեակցիան.
CO2+H2OH2CO3
Արյան մեջ և հյուսվածքներում ածխաթթվի կոնցենտրացիան կարգավորելով՝ ֆերմենտը ի վիճակի է լինում մարմնում pH-ը պահել հաստատուն:
Մարդու ածխաթթվային անհիդրազ II-ի ժապավենային տրամագիրը: Ցինկի իոնը մուգ գորշ գնդի տեսքով տեսանելի է սպիտակուցի կենտրոնում:
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 104-106 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 ~105107 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:
Կատալիտիկ ռեակցիայի տրամագիրը (մասնավորապես կատալիզվում է ածխաթթվային անհիդրազի միջոցով ածխածնի երկօքսիդի մեծ քանակության առկայության պայմաններում) ցույց է տալիս չկատալիզվող և կատալիզվող ռեակցիաների ակտիվացման էներգիաների միջև տարբերությունը: Ելանյութերն ու վերջանյութերն ունեն նույն էներգիան թե՛ ֆերմենտների ներկայությամբ, թե՛ դրանց բացակայությամբ ընթացող ռեակցիաներում, այսինքն՝ համակարգի էներգիայի ընդհանուր փոփոխությունը մնում է հաստատուն:
Ածխածնի երկօքսիդից և ջրից ածխաթթվի ստացման ռեակցիայի էներգիական տրամագիրը: Կատալիզատորի ավելացումը (կապույտ գիծ) նվազեցնում է անցումային վիճակի էներգիան, սակայն չի փոխում ΔHռեակցիա-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:
Նկատեք, որ ելանյութերի և վերջնանյութերի էներգիաները նույնն են կատալիզվող և չկատալիզվող ռեակցիաների համար: Այդ պատճառով ռեակցիայի ընթացքում անջատվող գումարային էներգիան ΔHռեակցիա 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.
Սախարոզը դարձելիորեն փոխազդում է ջրածին պրոտոնի՝ H+-ի հետ՝ առաջացնելով պրոտոնացված սախարոզ: Պրոտոնացվում է գլյուկոզի ու ֆրուկտոզի մոլեկուլները կապող թթվածինը: Այնուհետև պրոտոնացված սախարոզը դարձելիորեն փոխազդում է ջրի հետ՝ առաջացնելով մեկ մոլեկուլ գլուկոզ, մեկ մոլեկուլ ֆրուկտոզ և H+:
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+H2Oթթվային կատալիզատորԳլյուկոզ+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:
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:
Մետաղական խողովակի լայնական հատույթից երևում է պինդ շագանակագույն մեղրախորշի տեսքով ծակոտկեն նյութը՝ պինդ վիճակում կատալիզատորը:
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:
Ռենտգենյան ճառագայթման միջոցով կարելի է տեսնել, որ աջ ազդրոսկրը (նկարի ձախ կողմում) փոխարինվել է: Բաժականման հոդի խնձորակը փոխարինվել է մետաղական գլխիկով, որն ամրացվել է ազդոսկրին, և վարդակը փոխարինվել է սպիտակ պլաստիկից պատրաստված բաժակով (պարզ երևում է ռենտգենյան ճառագայթման միջոցով ստացված պատկերում):
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:

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

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