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.

\text C_6 \text H_{12} \text O_6(պ)+6\text O_2(գ) \rightarrow 6\text C \text O_2(գ) + 6\text H_2 \text O(հ) + ջերմություն\quad\quad{\Delta\text G^\circ \,\text {-ն }25\,^\circ \text C=-2885\,\dfrac{\text{կՋ}}{\text{մոլ}}}

start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript, left parenthesis, պ, right parenthesis, plus, 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, գ, right parenthesis, right arrow, 6, start text, C, end text, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, գ, right parenthesis, plus, 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, հ, right parenthesis, plus, ջ, ե, ր, մ, ո, ւ, թ, յ, ո, ւ, ն, delta, start text, G, end text, degrees, start text, negative, ն, space, end text, 25, degrees, start text, C, end text, equals, minus, 2885, start fraction, start text, կ, Ջ, end text, divided by, start text, մ, ո, լ, end text, end fraction

Առանց այս քիմիական ռեակցիան ուսումնասիրելու քիմիա սովորելը շատ դժվար կլինի: Բարեբախտաբար, օքսիդացման ռեակցիայի ընթացքը ջերմադինամիկորեն իրագործելի է (ձեռնտու է) 25, degrees, start text, C, end text-ում, քանի որ delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 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, degrees, start text, C, end text-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 left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis և ջրի left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis միջև տեղի ունեցող դարձելի ռեակցիան ածխաթթու առաջացնելու համար: Երբ start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-ի կոնցենտրացիան մարմնում չափազանց բարձր է, ածխաթթվային անհիդրազը կատալիզում է հետևյալ ռեակցիան.

start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript

Արյան մեջ և հյուսվածքներում ածխաթթվի կոնցենտրացիան կարգավորելով՝ ֆերմենտը ի վիճակի է լինում մարմնում start text, p, H, end text-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, start superscript, 4, end superscript-10, start superscript, 6, end superscript ռեակցիա վայրկյանում: Այս փաստը առավել զարմանալի է, երբ համեմատում ենք չկատալիզվող ռեակցիայի արագության հետ, որի արագությունը ~ 0, comma, 2 ռեակցիա է վայրկյանում: Կարելի է տեսնել, որ տեղի է ունենում ռեակցիայի արագության մեծացում ~10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript 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 delta, start text, H, end text, start subscript, start text, ռ, ե, ա, կ, ց, ի, ա, end text, end subscript-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 delta, start text, H, end text, start subscript, start text, ռ, ե, ա, կ, ց, ի, ա, end text, end subscript 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript իոնը: Հիմնային կատալիզի պարագայում կատալիզատորը սովորաբար start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ի (կարմիրով) հետ՝ առաջացնելով պրոտոնացված սախարոզ: Պրոտոնացված սախարոզը դարձելիորեն փոխազդում է ջրի հետ (կապույտով)՝ առաջացնելով start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript և մեկական մոլեկուլ գլյուկոզ ու ֆրուկտոզ: Գումարային ռեակցիան կարելի է գրել հետևյալ կերպ.

\text{Սախարոզ} + \text H_2 \text O \xrightarrow{\text{թթվային կատալիզատոր}} \text{Գլյուկոզ} + \text{Ֆրուկտոզ}

Քանի որ start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-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]

Դասակարգել ըստ

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

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