Հիմնական նյութ
10-րդ դասարան. քիմիա
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.
Առանց այս քիմիական ռեակցիան ուսումնասիրելու քիմիա սովորելը շատ դժվար կլինի: Բարեբախտաբար, օքսիդացման ռեակցիայի ընթացքը ջերմադինամիկորեն իրագործելի է (ձեռնտու է) -ում, քանի որ :
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 -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 և ջրի միջև տեղի ունեցող դարձելի ռեակցիան ածխաթթու առաջացնելու համար: Երբ
-ի կոնցենտրացիան մարմնում չափազանց բարձր է, ածխաթթվային անհիդրազը կատալիզում է հետևյալ ռեակցիան.
Արյան մեջ և հյուսվածքներում ածխաթթվի կոնցենտրացիան կարգավորելով՝ ֆերմենտը ի վիճակի է լինում մարմնում -ը պահել հաստատուն:
Ածխաթթվային անհիդրազը ամենահայտնի ֆեմենտներից է, որի առկայությամբ ռեակցիայի արագությունը կազմում է - ռեակցիա վայրկյանում: Այս փաստը առավել զարմանալի է, երբ համեմատում ենք չկատալիզվող ռեակցիայի արագության հետ, որի արագությունը ~ ռեակցիա է վայրկյանում: Կարելի է տեսնել, որ տեղի է ունենում ռեակցիայի արագության մեծացում ~ 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:
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 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 իոնը: Հիմնային կատալիզի պարագայում կատալիզատորը սովորաբար 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.
Առաջին փուլում սխարաոզը դարձելիորեն փոխազդում է -ի (կարմիրով) հետ՝ առաջացնելով պրոտոնացված սախարոզ: Պրոտոնացված սախարոզը դարձելիորեն փոխազդում է ջրի հետ (կապույտով)՝ առաջացնելով և մեկական մոլեկուլ գլյուկոզ ու ֆրուկտոզ: Գումարային ռեակցիան կարելի է գրել հետևյալ կերպ.
Քանի որ -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:
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:
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։