Kemia on tiedettä aineista ja niiden muunnoksista sekä menetelmistä niiden saamiseksi. Jopa tavallisessa koulun opetussuunnitelmassa huomioidaan niin tärkeä asia kuin reaktioiden tyypit. Luokittelu, johon koululaiset tutustutaan perustasolla, ottaa huomioon hapetusasteen muutoksen, kurssin vaiheen, prosessin mekanismin jne. Lisäksi kaikki kemialliset prosessit on jaettu ei-katalyyttisiin ja katalyyttisiin reaktiot. Esimerkkejä katalyytin mukana tapahtuvista muutoksista kohtaa ihminen tavallisessa elämässä: käyminen, hajoaminen. Ei-katalyyttiset muunnokset ovat meille paljon harvinaisempia.
Mikä on katalyytti
Tämä on kemiallinen aine, joka voi muuttaa vuorovaikutuksen nopeutta, mutta ei itse osallistu siihen. Siinä tapauksessa, että prosessia kiihdytetään katalyytin avulla, puhumme positiivisesta katalyysistä. Jos prosessiin lisätty aine hidastaa reaktion nopeutta, sitä kutsutaan inhibiittoriksi.
Katalyysityypit
Homogeeninen ja heterogeeninen katalyysi eroavat faasiltaan, inmissä lähtöaineet sijaitsevat. Jos vuorovaikutuksiin otetut alkukomponentit, mukaan lukien katalyytti, ovat samassa aggregaatiotilassa, homogeeninen katalyysi etenee. Siinä tapauksessa, että reaktioon osallistuu eri faasien aineita, tapahtuu heterogeenista katalyysiä.
Toimenpiteiden valikoivuus
Katalyysi ei ole vain keino lisätä laitteiden tuottavuutta, vaan sillä on positiivinen vaikutus syntyvien tuotteiden laatuun. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että useimpien katalyyttien selektiivisen (selektiivisen) toiminnan ansiosta suora reaktio kiihtyy, sivuprosessit vähenevät. Loppujen lopuksi saadut tuotteet ovat erittäin puhtaita, aineita ei tarvitse puhdistaa enempää. Katalyyttitoiminnan selektiivisyys vähentää todellista raaka-aineiden tuotantokustannuksia, mikä on hyvä taloudellinen hyöty.
Katalyytin käytön edut tuotannossa
Mitä muuta katalyyttisille reaktioille on ominaista? Esimerkit tyypillisestä lukiosta osoittavat, että katalyytin käyttö mahdollistaa prosessin suorittamisen alemmissa lämpötiloissa. Kokeet vahvistavat, että sillä voidaan vähentää merkittävästi energiakustannuksia. Tämä on erityisen tärkeää nykyaikaisissa olosuhteissa, kun maailmassa on pulaa energiavaroista.
Esimerkkejä katalyyttituotannosta
Mikä teollisuus käyttää katalyyttisiä reaktioita? Esimerkkejä tällaisista tuotannosta:typpi- ja rikkihapon, vedyn, ammoniakin, polymeerien, öljynjalostuksen tuotanto. Katalyysiä käytetään laaj alti orgaanisten happojen, yksi- ja moniarvoisten alkoholien, fenolin, synteettisten hartsien, väriaineiden ja lääkkeiden tuotannossa.
Mikä on katalyytti
Monet aineet, jotka ovat Dmitri Ivanovitš Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa taulukossa, sekä niiden yhdisteet voivat toimia katalyytteinä. Yleisimpiä kiihdyttimiä ovat: nikkeli, rauta, platina, koboltti, alumiinisilikaatit, mangaanioksidit.
Katalyyttien ominaisuudet
Selektiivisen toiminnan lisäksi katalyyteillä on erinomainen mekaaninen lujuus, ne kestävät katalyyttisiä myrkkyjä ja ovat helposti regeneroitavissa (t alteenotettavissa).
Faasitilan mukaan katalyyttiset homogeeniset reaktiot jaetaan kaasufaasiin ja nestefaasiin.
Katsotaanpa tarkemmin tämäntyyppisiä reaktioita. Liuoksissa vetykationit H+, hydroksidiemäs-ionit OH-, metallikationit M+ ja aineet, jotka edistävät vapaiden radikaalien muodostumista, toimivat kemiallisen muuntumisen kiihdyttimenä.
Katalyysin olemus
Katalyysin mekanismi happojen ja emästen vuorovaikutuksessa on vuorovaikutuksessa olevien aineiden ja katalyytin positiivisten ionien (protonien) välinen vaihto. Tässä tapauksessa tapahtuu molekyylinsisäisiä transformaatioita. tämän perusteellareaktiot menevät näin:
- dehydraatio (veden irtoaminen);
- hydraatio (vesimolekyylien kiinnittyminen);
- esteröinti (esterin muodostuminen alkoholeista ja karboksyylihapoista);
- polykondensaatio (polymeerin muodostuminen veden poistuessa).
Katalyysin teoria selittää paitsi itse prosessin, myös mahdolliset sivumuunnokset. Heterogeenisen katalyysin tapauksessa prosessin kiihdytin muodostaa itsenäisen faasin, joillakin reaktanttien pinnalla olevilla keskuksilla on katalyyttisiä ominaisuuksia tai koko pinta on mukana.
On olemassa myös mikroheterogeeninen prosessi, johon liittyy kolloidisessa tilassa olevan katalyytin läsnäolo. Tämä variantti on siirtymätila homogeenisesta heterogeeniseen katalyysityyppiin. Suurin osa näistä prosesseista tapahtuu kaasumaisten aineiden välillä käyttämällä kiinteitä katalyyttejä. Ne voivat olla rakeiden, tablettien tai jyvien muodossa.
Katalyysin jakautuminen luonnossa
Entsymaattinen katalyysi on melko laajalle levinnyt luonnossa. Juuri biokatalyyttien avulla proteiinimolekyylien synteesi etenee, aineenvaihdunta elävissä organismeissa tapahtuu. Yksikään biologinen prosessi, joka tapahtuu elävien organismien kanssa, ei ohita katalyyttisiä reaktioita. Esimerkkejä elintärkeistä prosesseista: keholle spesifisten proteiinien synteesi aminohapoista; rasvojen, proteiinien, hiilihydraattien hajoaminen.
Katalyysialgoritmi
Katsotaan katalyysin mekanismia. Tämä prosessi, joka tapahtuu huokoisissa kiinteissä kemiallisen vuorovaikutuksen kiihdyttimissä, sisältääitsellesi muutama perusvaihe:
- vuorovaikutteisten aineiden diffuusio katalyyttirakeiden pinnalle virtauksen ytimestä;
- reagenssien diffuusio katalyytin huokosissa;
- kemisorptio (aktivoitu adsorptio) kemiallisen reaktiokiihdyttimen pinnalle kemiallisten pinta-aineiden ilmaantuessa - aktivoidut katalyytti-reagenssikompleksit;
- atomien uudelleenjärjestely ja pintayhdistelmien ilmaantuminen "katalyyttituote";
- diffuusio tuotteen reaktiokiihdytin huokosissa;
- tuotteen diffuusio reaktiokiihdyttimen raepinnasta ydinvirtaukseen.
Katalyyttiset ja ei-katalyyttiset reaktiot ovat niin tärkeitä, että tiedemiehet ovat jatkaneet tutkimusta tällä alalla useiden vuosien ajan.
Homogeenisen katalyysin avulla ei tarvitse rakentaa erityisiä rakenteita. Entsymaattinen katalyysi heterogeenisessa versiossa sisältää erilaisten ja erityisten laitteiden käytön. Sen virtausta varten on kehitetty erityisiä kosketuslaitteita, jotka on jaettu kosketuspinnan mukaan (putkiin, seiniin, katalyyttiristikkoihin); suodatinkerroksen kanssa; punnittu kerros; liikkuvalla jauhemaisella katalyytillä.
Lämmönvaihto laitteissa toteutetaan eri tavoin:
- kauko- (ulkoisten) lämmönvaihtimien avulla;
- kosketinlaitteeseen sisäänrakennettujen lämmönvaihtimien avulla.
Kemiassa kaavoja analysoimalla voidaan löytää myös sellaisia reaktioita, joissa katalyytti on yksi kemiallisen vuorovaikutuksen aikana muodostuvista lopputuotteistaalkuperäiset komponentit.
Tällaisia prosesseja kutsutaan yleensä autokatalyyttisiksi, itse ilmiötä kutsutaan kemiassa autokatalyysiksi.
Monien vuorovaikutusten nopeus liittyy tiettyjen aineiden esiintymiseen reaktioseoksessa. Heidän kemiansa kaavat unohtuvat useimmiten, ja ne korvataan sanalla "katalysaattori" tai sen lyhenne. Ne eivät sisälly lopulliseen stereokemialliseen yhtälöön, koska ne eivät muutu kvantitatiivisesta näkökulmasta vuorovaikutuksen päättymisen jälkeen. Joissakin tapauksissa pienet määrät aineita ovat riittäviä vaikuttamaan merkittävästi prosessin nopeuteen. Tilanteet ovat myös varsin hyväksyttäviä, kun reaktioastia itse toimii kemiallisen vuorovaikutuksen kiihdyttimenä.
Katalyytin kemiallisen prosessin nopeutta muuttavan vaikutuksen ydin on, että tämä aine sisältyy aktiivisen kompleksin koostumukseen ja muuttaa siten kemiallisen vuorovaikutuksen aktivaatioenergiaa.
Kun tämä kompleksi hajoaa, katalyytti regeneroituu. Tärkeintä on, että sitä ei käytetä, se pysyy samana vuorovaikutuksen päätyttyä. Tästä syystä pieni määrä aktiivista ainetta on täysin riittävä suorittamaan reaktio substraatin (reagoivan aineen) kanssa. Todellisuudessa kemiallisten prosessien aikana kuluu edelleen merkityksettömiä määriä katalyyttejä, koska erilaiset sivuprosessit ovat mahdollisia: sen myrkytys, teknologiset häviöt ja kiinteän katalyytin pinnan tilan muutos. Kemialliset kaavat eivät sisällä katalyyttiä.
Johtopäätös
Reaktiot, joihin vaikuttava aine (katalyytti) osallistuu, ympäröivät ihmistä, lisäksi niitä esiintyy myös hänen kehossaan. Homogeeniset reaktiot ovat paljon harvinaisempia kuin heterogeeniset vuorovaikutukset. Joka tapauksessa ensin muodostuu välikomplekseja, jotka ovat epävakaita, tuhoutuvat vähitellen ja havaitaan kemiallisen prosessin kiihdytin regeneroitumista (palautumista). Esimerkiksi kun metafosforihappo reagoi kaliumpersulfaatin kanssa, jodivetyhappo toimii katalyyttinä. Kun se lisätään reagoiviin aineisiin, muodostuu keltainen liuos. Kun lähestyt prosessin loppua, väri häviää vähitellen. Tässä tapauksessa jodi toimii välituotteena, ja prosessi tapahtuu kahdessa vaiheessa. Mutta heti kun metafosforihappo on syntetisoitu, katalyytti palaa alkuperäiseen tilaansa. Katalyytit ovat teollisuudessa välttämättömiä, ne nopeuttavat muunnoksia ja tuottavat korkealaatuisia reaktiotuotteita. Biokemialliset prosessit kehossamme ovat myös mahdottomia ilman heidän osallistumistaan.
