Η Χημεία είναι η επιστήμη των ουσιών και των μετασχηματισμών τους, καθώς και των μεθόδων απόκτησής τους. Ακόμη και σε ένα κανονικό σχολικό πρόγραμμα σπουδών, εξετάζεται ένα τόσο σημαντικό ζήτημα όπως οι τύποι αντιδράσεων. Η ταξινόμηση στην οποία εισάγονται οι μαθητές στο βασικό επίπεδο λαμβάνει υπόψη την αλλαγή στον βαθμό οξείδωσης, τη φάση του μαθήματος, τον μηχανισμό της διαδικασίας κ.λπ. Επιπλέον, όλες οι χημικές διεργασίες χωρίζονται σε μη καταλυτικές και καταλυτικές αντιδράσεις. Παραδείγματα μετασχηματισμών που λαμβάνουν χώρα με τη συμμετοχή ενός καταλύτη συναντά ένα άτομο στη συνηθισμένη ζωή: ζύμωση, αποσύνθεση. Οι μη καταλυτικοί μετασχηματισμοί είναι πολύ πιο σπάνιοι για εμάς.
Τι είναι καταλύτης
Πρόκειται για μια χημική ουσία που μπορεί να αλλάξει τον ρυθμό αλληλεπίδρασης, αλλά δεν συμμετέχει η ίδια σε αυτήν. Στην περίπτωση που η διαδικασία επιταχύνεται με τη βοήθεια καταλύτη, μιλάμε για θετική κατάλυση. Σε περίπτωση που μια ουσία που προστίθεται στη διαδικασία μειώνει τον ρυθμό της αντίδρασης, ονομάζεται αναστολέας.
Τύποι κατάλυσης
Η ομοιογενής και η ετερογενής κατάλυση διαφέρουν σε φάση, σεπου βρίσκονται τα αρχικά υλικά. Εάν τα αρχικά συστατικά που λαμβάνονται για αλληλεπιδράσεις, συμπεριλαμβανομένου του καταλύτη, βρίσκονται στην ίδια κατάσταση συσσωμάτωσης, προχωρά ομοιογενής κατάλυση. Στην περίπτωση που στην αντίδραση συμμετέχουν ουσίες διαφορετικών φάσεων, εμφανίζεται ετερογενής κατάλυση.
Επιλεκτικότητα δράσης
Η κατάλυση δεν είναι απλώς ένα μέσο αύξησης της παραγωγικότητας του εξοπλισμού, αλλά έχει θετική επίδραση στην ποιότητα των προϊόντων που προκύπτουν. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι λόγω της επιλεκτικής (επιλεκτικής) δράσης των περισσότερων καταλυτών, η άμεση αντίδραση επιταχύνεται, οι πλευρικές διεργασίες μειώνονται. Τελικά, τα προϊόντα που προκύπτουν είναι υψηλής καθαρότητας, δεν χρειάζεται περαιτέρω καθαρισμός των ουσιών. Η επιλεκτικότητα της καταλυτικής δράσης δίνει πραγματική μείωση στο μη παραγωγικό κόστος των πρώτων υλών, ένα καλό οικονομικό όφελος.
Οφέλη από τη χρήση καταλύτη στην παραγωγή
Τι άλλο χαρακτηρίζει τις καταλυτικές αντιδράσεις; Παραδείγματα από ένα τυπικό γυμνάσιο δείχνουν ότι η χρήση καταλύτη επιτρέπει τη διεξαγωγή της διαδικασίας σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Τα πειράματα επιβεβαιώνουν ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σημαντική μείωση του ενεργειακού κόστους. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις σύγχρονες συνθήκες, όταν υπάρχει έλλειψη ενεργειακών πόρων στον κόσμο.
Παραδείγματα καταλυτικής παραγωγής
Ποια βιομηχανία χρησιμοποιεί καταλυτικές αντιδράσεις; Παραδείγματα τέτοιων παραγωγών:παραγωγή νιτρικού και θειικού οξέος, υδρογόνο, αμμωνία, πολυμερή, διύλιση λαδιού. Η κατάλυση χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή οργανικών οξέων, μονοϋδρικών και πολυυδρικών αλκοολών, φαινόλης, συνθετικών ρητινών, βαφών και φαρμάκων.
Τι είναι ο καταλύτης
Πολλές ουσίες που βρίσκονται στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων του Ντμίτρι Ιβάνοβιτς Μεντελέεφ, καθώς και οι ενώσεις τους, μπορούν να λειτουργήσουν ως καταλύτες. Μεταξύ των πιο κοινών επιταχυντών είναι: νικέλιο, σίδηρος, πλατίνα, κοβάλτιο, αργιλοπυριτικά, οξείδια μαγγανίου.
Χαρακτηριστικά των καταλυτών
Εκτός από την επιλεκτική δράση, οι καταλύτες έχουν εξαιρετική μηχανική αντοχή, είναι σε θέση να αντέχουν σε καταλυτικά δηλητήρια και αναγεννώνται εύκολα (ανακτώνται).
Σύμφωνα με την κατάσταση φάσης, οι καταλυτικές ομοιογενείς αντιδράσεις χωρίζονται σε αέρια φάση και υγρή φάση.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτούς τους τύπους αντιδράσεων. Σε διαλύματα, κατιόντα υδρογόνου H+, ιόντα βάσης υδροξειδίου OH-, μεταλλικά κατιόντα M+ και ουσίες που συμβάλλουν στο σχηματισμό ελεύθερων ριζών δρουν ως επιταχυντής του χημικού μετασχηματισμού.
Η ουσία της κατάλυσης
Ο μηχανισμός της κατάλυσης στην αλληλεπίδραση οξέων και βάσεων είναι ότι υπάρχει ανταλλαγή μεταξύ των ουσιών που αλληλεπιδρούν και των θετικών ιόντων του καταλύτη (πρωτόνια). Στην περίπτωση αυτή γίνονται ενδομοριακές μετατροπές. Σύμφωνα με αυτόοι αντιδράσεις έχουν ως εξής:
- αφυδάτωση (αποκόλληση νερού);
- ενυδάτωση (προσκόλληση μορίων νερού);
- εστεροποίηση (σχηματισμός εστέρων από αλκοόλες και καρβοξυλικά οξέα),
- πολυσυμπύκνωση (σχηματισμός πολυμερούς με αποβολή νερού).
Η θεωρία της κατάλυσης εξηγεί όχι μόνο την ίδια τη διαδικασία, αλλά και πιθανούς πλευρικούς μετασχηματισμούς. Στην περίπτωση της ετερογενούς κατάλυσης, ο επιταχυντής της διαδικασίας σχηματίζει μια ανεξάρτητη φάση, ορισμένα κέντρα στην επιφάνεια των αντιδρώντων έχουν καταλυτικές ιδιότητες ή εμπλέκεται ολόκληρη η επιφάνεια.
Υπάρχει επίσης μια μικροετερογενής διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει την παρουσία ενός καταλύτη σε κολλοειδή κατάσταση. Αυτή η παραλλαγή είναι μια μεταβατική κατάσταση από έναν ομογενή σε έναν ετερογενή τύπο κατάλυσης. Οι περισσότερες από αυτές τις διεργασίες λαμβάνουν χώρα μεταξύ αέριων ουσιών που χρησιμοποιούν στερεούς καταλύτες. Μπορούν να έχουν τη μορφή κόκκων, δισκίων, κόκκων.
Κατανομή της κατάλυσης στη φύση
Η ενζυματική κατάλυση είναι αρκετά διαδεδομένη στη φύση. Με τη βοήθεια βιοκαταλυτών προχωρά η σύνθεση πρωτεϊνικών μορίων, πραγματοποιείται ο μεταβολισμός σε ζωντανούς οργανισμούς. Καμία βιολογική διαδικασία που συμβαίνει με τη συμμετοχή ζωντανών οργανισμών δεν παρακάμπτει τις καταλυτικές αντιδράσεις. Παραδείγματα ζωτικών διεργασιών: σύνθεση πρωτεϊνών ειδικών για το σώμα από αμινοξέα. διάσπαση λιπών, πρωτεϊνών, υδατανθράκων.
Αλγόριθμος κατάλυση
Ας εξετάσουμε τον μηχανισμό της κατάλυσης. Αυτή η διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα σε πορώδεις επιταχυντές χημικής αλληλεπίδρασης στερεών, περιλαμβάνειστον εαυτό σου μερικά στοιχειώδη στάδια:
- διάχυση αλληλεπιδρώντων ουσιών στην επιφάνεια κόκκων καταλύτη από τον πυρήνα της ροής;
- διάχυση αντιδραστηρίων στους πόρους του καταλύτη,
- χημειορόφηση (ενεργοποιημένη προσρόφηση) στην επιφάνεια ενός επιταχυντή χημικής αντίδρασης με την εμφάνιση χημικών επιφανειακών ουσιών - ενεργοποιημένα σύμπλοκα καταλύτη-αντιδραστηρίου;
- αναδιάταξη ατόμων με εμφάνιση συνδυασμών επιφανειών "καταλύτης-προϊόν";
- διάχυση στους πόρους του επιταχυντή αντίδρασης του προϊόντος;
- διάχυση του προϊόντος από την επιφάνεια των κόκκων του επιταχυντή αντίδρασης στη ροή του πυρήνα.
Οι καταλυτικές και μη καταλυτικές αντιδράσεις είναι τόσο σημαντικές που οι επιστήμονες συνέχισαν την έρευνα σε αυτόν τον τομέα για πολλά χρόνια.
Με ομοιογενή κατάλυση, δεν χρειάζεται να κατασκευαστούν ειδικές κατασκευές. Η ενζυματική κατάλυση στην ετερογενή έκδοση περιλαμβάνει τη χρήση διαφόρων και ειδικών εξοπλισμών. Για τη ροή του, έχουν αναπτυχθεί ειδικές συσκευές επαφής, υποδιαιρούμενες ανάλογα με την επιφάνεια επαφής (σε σωλήνες, σε τοίχους, πλέγματα καταλύτη). με στρώμα φίλτρου. ζυγισμένο στρώμα? με κινούμενο κονιοποιημένο καταλύτη.
Η ανταλλαγή θερμότητας στις συσκευές υλοποιείται με διαφορετικούς τρόπους:
- μέσω της χρήσης απομακρυσμένων (εξωτερικών) εναλλάκτες θερμότητας;
- με τη βοήθεια εναλλάκτη θερμότητας που είναι ενσωματωμένοι στη συσκευή επαφής.
Ανάλυση τύπων στη χημεία, μπορεί κανείς επίσης να βρει τέτοιες αντιδράσεις στις οποίες ο καταλύτης είναι ένα από τα τελικά προϊόντα που σχηματίζονται κατά τη χημική αλληλεπίδρασηγνήσια εξαρτήματα.
Τέτοιες διαδικασίες ονομάζονται συνήθως αυτοκαταλυτικές, το ίδιο το φαινόμενο ονομάζεται αυτοκατάλυση στη χημεία.
Ο ρυθμός πολλών αλληλεπιδράσεων σχετίζεται με την παρουσία ορισμένων ουσιών στο μείγμα αντίδρασης. Οι τύποι τους στη χημεία χάνονται πιο συχνά, αντικαθιστώνται από τη λέξη "καταλύτης" ή η συντομευμένη έκδοσή της. Δεν περιλαμβάνονται στην τελική στερεοχημική εξίσωση, αφού δεν μεταβάλλονται από ποσοτική άποψη μετά την ολοκλήρωση της αλληλεπίδρασης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μικρές ποσότητες ουσιών επαρκούν για να επηρεάσουν σημαντικά την ταχύτητα της διαδικασίας. Οι καταστάσεις είναι επίσης αρκετά αποδεκτές όταν το ίδιο το δοχείο αντίδρασης δρα ως επιταχυντής της χημικής αλληλεπίδρασης.
Η ουσία της επίδρασης ενός καταλύτη στην αλλαγή του ρυθμού μιας χημικής διεργασίας είναι ότι αυτή η ουσία περιλαμβάνεται στη σύνθεση του δραστικού συμπλόκου και επομένως αλλάζει την ενέργεια ενεργοποίησης της χημικής αλληλεπίδρασης.
Όταν αυτό το σύμπλοκο αποσυντίθεται, ο καταλύτης αναγεννάται. Η ουσία είναι ότι δεν θα δαπανηθεί, θα παραμείνει στο ίδιο ποσό μετά το τέλος της αλληλεπίδρασης. Γι' αυτό το λόγο μια μικρή ποσότητα της δραστικής ουσίας είναι αρκετά επαρκής για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση με το υπόστρωμα (αντιδρώσα ουσία). Στην πραγματικότητα, ασήμαντες ποσότητες καταλυτών εξακολουθούν να καταναλώνονται κατά τη διάρκεια χημικών διεργασιών, καθώς είναι δυνατές διάφορες παράπλευρες διεργασίες: δηλητηρίαση, τεχνολογικές απώλειες και αλλαγή στην κατάσταση της επιφάνειας ενός στερεού καταλύτη. Οι τύποι χημείας δεν περιλαμβάνουν καταλύτη.
Συμπέρασμα
Αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχει μια δραστική ουσία (καταλύτης) περιβάλλουν ένα άτομο, εξάλλου, συμβαίνουν και στο σώμα του. Οι ομοιογενείς αντιδράσεις είναι πολύ λιγότερο συχνές από τις ετερογενείς αλληλεπιδράσεις. Σε κάθε περίπτωση, αρχικά σχηματίζονται ενδιάμεσα σύμπλοκα, τα οποία είναι ασταθή, σταδιακά καταστρέφονται και παρατηρείται αναγέννηση (ανάκτηση) του επιταχυντή της χημικής διεργασίας. Για παράδειγμα, όταν το μεταφωσφορικό οξύ αντιδρά με το υπερθειικό κάλιο, το υδροϊωδικό οξύ δρα ως καταλύτης. Όταν προστίθεται στα αντιδρώντα, σχηματίζεται ένα κίτρινο διάλυμα. Καθώς πλησιάζετε στο τέλος της διαδικασίας, το χρώμα σταδιακά εξαφανίζεται. Σε αυτή την περίπτωση, το ιώδιο δρα ως ενδιάμεσο προϊόν και η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια. Μόλις όμως συντεθεί το μεταφωσφορικό οξύ, ο καταλύτης επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Οι καταλύτες είναι απαραίτητοι στη βιομηχανία, βοηθούν στην επιτάχυνση των μετασχηματισμών και στην απόκτηση προϊόντων αντίδρασης υψηλής ποιότητας. Οι βιοχημικές διεργασίες στο σώμα μας είναι επίσης αδύνατες χωρίς τη συμμετοχή τους.
