Kimya, maddelerin ve bunların dönüşümlerinin yanı sıra bunları elde etme yöntemlerinin bilimidir. Normal bir okul müfredatında bile, tepki türleri gibi önemli bir konu dikkate alınmaktadır. Okul çocuklarına temel düzeyde tanıtılan sınıflandırma, oksidasyon derecesindeki değişikliği, kursun fazını, işlemin mekanizmasını vb. dikkate alır. Ek olarak, tüm kimyasal işlemler katalitik olmayan ve katalitik olarak ayrılır. reaksiyonlar. Bir katalizörün katılımıyla gerçekleşen dönüşüm örnekleri, sıradan yaşamda bir kişi tarafından karşılanır: fermantasyon, çürüme. Katalitik olmayan dönüşümler bizim için çok daha nadirdir.
Bir katalizör nedir
Bu, etkileşim hızını değiştirebilen ancak kendisine katılmayan kimyasal bir maddedir. Sürecin bir katalizör yardımıyla hızlandırılması durumunda, pozitif katalizden bahsediyoruz. Prosese eklenen bir maddenin reaksiyon hızını düşürmesi durumunda buna inhibitör denir.
Kataliz türleri
Homojen ve heterojen kataliz faz bakımından farklılık gösterir,başlangıç malzemelerinin bulunduğu yer. Katalizör dahil olmak üzere etkileşimler için alınan ilk bileşenler aynı kümelenme durumundaysa, homojen kataliz ilerler. Reaksiyona farklı fazdaki maddelerin katılması durumunda heterojen kataliz oluşur.
Eylem seçiciliği
Kataliz, yalnızca ekipmanın verimliliğini artırmanın bir yolu değildir, ortaya çıkan ürünlerin kalitesi üzerinde de olumlu bir etkiye sahiptir. Bu fenomen, çoğu katalizörün seçici (seçici) etkisinden dolayı doğrudan reaksiyonun hızlandırılması, yan işlemlerin azalması ile açıklanabilir. Sonuçta ortaya çıkan ürünler yüksek saflığa sahiptir, maddelerin daha fazla saflaştırılmasına gerek yoktur. Katalizör etkisinin seçiciliği, hammaddelerin üretim dışı maliyetlerinde gerçek bir azalma, iyi bir ekonomik fayda sağlar.
Üretimde katalizör kullanmanın faydaları
Katalitik reaksiyonları karakterize eden başka neler var? Tipik bir liseden alınan örnekler, bir katalizör kullanımının işlemin daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmesine izin verdiğini göstermektedir. Deneyler, enerji maliyetlerini önemli ölçüde az altmak için kullanılabileceğini doğrulamaktadır. Bu, dünyada enerji kaynaklarının kıt olduğu modern koşullarda özellikle önemlidir.
Katalitik üretim örnekleri
Hangi endüstri katalitik reaksiyonları kullanır? Bu tür yapımlara örnekler:nitrik ve sülfürik asit üretimi, hidrojen, amonyak, polimerler, petrol arıtma. Kataliz, organik asitler, monohidrik ve polihidrik alkoller, fenol, sentetik reçineler, boyalar ve ilaçların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Katalizatör nedir
Dmitry Ivanovich Mendeleev'in kimyasal elementlerinin periyodik tablosunda bulunan birçok madde ve bunların bileşikleri katalizör görevi görebilir. En yaygın hızlandırıcılar arasında şunlar bulunur: nikel, demir, platin, kob alt, alüminosilikatlar, manganez oksitler.
Katalizörlerin özellikleri
Seçici etkiye ek olarak, katalizörler mükemmel mekanik güce sahiptirler, katalitik zehirlere dayanabilirler ve kolayca yenilenirler (geri kazanılırlar).
Faz durumuna göre, katalitik homojen reaksiyonlar gaz fazı ve sıvı faza ayrılır.
Gelin bu tür tepkilere daha yakından bakalım. Çözeltilerde hidrojen katyonları H+, hidroksit baz iyonları OH-, metal katyonları M+ ve serbest radikallerin oluşumuna katkıda bulunan maddeler kimyasal dönüşümü hızlandırıcı görevi görür.
Katalizin özü
Asitlerin ve bazların etkileşimindeki kataliz mekanizması, etkileşen maddeler ile katalizör pozitif iyonları (protonlar) arasında bir değişim olmasıdır. Bu durumda, molekül içi dönüşümler gerçekleşir. Buna göretepkiler şöyle oluyor:
- dehidrasyon (su ayrılması);
- hidrasyon (su moleküllerinin bağlanması);
- esterifikasyon (alkollerden ve karboksilik asitlerden ester oluşumu);
- polikondenzasyon (suyun yok edilmesiyle polimer oluşumu).
Kataliz teorisi sadece sürecin kendisini değil, olası yan dönüşümleri de açıklar. Heterojen kataliz durumunda, işlemin hızlandırıcısı bağımsız bir faz oluşturur, reaktanların yüzeyindeki bazı merkezler katalitik özelliklere sahiptir veya tüm yüzey dahil olur.
Ayrıca kolloidal durumda bir katalizörün varlığını içeren mikroheterojen bir süreç vardır. Bu varyant, homojenden heterojen bir kataliz tipine geçiş halidir. Bu işlemlerin çoğu, katı katalizörler kullanan gaz halindeki maddeler arasında gerçekleşir. Granül, tablet, tahıl şeklinde olabilirler.
Doğada katalizin dağılımı
Enzimatik kataliz doğada oldukça yaygındır. Protein moleküllerinin sentezinin devam etmesi biyokatalizörlerin yardımıyla, canlı organizmalarda metabolizma gerçekleştirilir. Canlı organizmaların katılımıyla meydana gelen tek bir biyolojik süreç katalitik reaksiyonları atlamaz. Hayati süreçlere örnekler: amino asitlerden vücuda özgü proteinlerin sentezi; yağların, proteinlerin, karbonhidratların parçalanması.
Kataliz algoritması
Kataliz mekanizmasını ele alalım. Gözenekli katı kimyasal etkileşim hızlandırıcılarda gerçekleşen bu işlem, şunları içerir:kendinize birkaç temel aşama:
- etkileşen maddelerin akışın merkezinden katalizör tanelerinin yüzeyine difüzyonu;
- Reaktiflerin katalizörün gözeneklerinde difüzyonu;
- kimyasal yüzey maddelerinin görünümü ile bir kimyasal reaksiyon hızlandırıcısının yüzeyinde kimyasal adsorpsiyon (aktive edilmiş adsorpsiyon) - aktifleştirilmiş katalizör-reaktif kompleksleri;
- Yüzey kombinasyonlarının görünümü ile atomların yeniden düzenlenmesi "katalizör-ürün";
- Ürün reaksiyon hızlandırıcısının gözeneklerinde difüzyon;
- Ürünün reaksiyon hızlandırıcının tane yüzeyinden çekirdek akışa difüzyonu.
Katalitik ve katalitik olmayan reaksiyonlar o kadar önemlidir ki bilim adamları bu alanda uzun yıllardır araştırma yapmaya devam etmektedir.
Homojen kataliz ile özel yapılar inşa etmeye gerek yoktur. Heterojen versiyondaki enzimatik kataliz, çeşitli ve spesifik ekipmanların kullanımını içerir. Akışı için, temas yüzeyine (tüplerde, duvarlarda, katalizör ızgaralarında) göre alt bölümlere ayrılmış özel temas aparatları geliştirilmiştir; bir filtre tabakası ile; ağırlıklı katman; hareketli toz haline getirilmiş katalizör ile.
Cihazlarda ısı değişimi farklı şekillerde uygulanır:
- uzak (harici) ısı eşanjörlerinin kullanımı yoluyla;
- Kontak aparatına yerleştirilmiş ısı eşanjörleri yardımıyla.
Kimyadaki formülleri analiz ederek, katalizörün kimyasal etkileşim sırasında oluşan son ürünlerden biri olduğu reaksiyonlar da bulunabilir.orijinal bileşenler.
Bu tür işlemlere genellikle otokatalitik denir, fenomenin kendisine kimyada otokataliz denir.
Birçok etkileşimin hızı, reaksiyon karışımında belirli maddelerin varlığı ile ilişkilidir. Kimyadaki formülleri çoğu zaman gözden kaçırılır, yerini "katalizör" kelimesi veya kıs altılmış hali alır. Etkileşimin tamamlanmasından sonra nicel bir bakış açısıyla değişmedikleri için nihai stereokimyasal denkleme dahil edilmezler. Bazı durumlarda, işlemin hızını önemli ölçüde etkilemek için az miktarda madde yeterlidir. Reaksiyon kabının kendisi kimyasal etkileşimin hızlandırıcısı olarak hareket ettiğinde de durumlar oldukça kabul edilebilir.
Bir katalizörün kimyasal bir işlemin hızını değiştirme üzerindeki etkisinin özü, bu maddenin aktif kompleksin bileşimine dahil edilmesi ve dolayısıyla kimyasal etkileşimin aktivasyon enerjisini değiştirmesidir.
Bu kompleks ayrıştığında, katalizör yeniden üretilir. Sonuç olarak, harcanmayacak, etkileşimin bitiminden sonra aynı miktarda kalacaktır. Bu nedenle, aktif maddenin az bir miktarının substrat (reaksiyona giren madde) ile reaksiyonu gerçekleştirmek için oldukça yeterlidir. Gerçekte, kimyasal işlemler sırasında önemsiz miktarlarda katalizör hala tüketilmektedir, çünkü çeşitli yan işlemler mümkündür: zehirlenmesi, teknolojik kayıpları ve katı bir katalizörün yüzeyindeki bir değişiklik. Kimya formülleri katalizör içermez.
Sonuç
Etkin bir maddenin (katalizörün) yer aldığı reaksiyonlar kişiyi çevreler ayrıca vücudunda da meydana gelir. Homojen reaksiyonlar, heterojen etkileşimlerden çok daha az yaygındır. Her durumda, ilk önce kararsız olan, yavaş yavaş yok edilen ara kompleksler oluşur ve kimyasal sürecin hızlandırıcısının rejenerasyonu (geri kazanımı) gözlenir. Örneğin, metafosforik asit potasyum persülfat ile reaksiyona girdiğinde, hidroiyodik asit bir katalizör görevi görür. Reaktanlara eklendiğinde sarı bir çözelti oluşur. İşlemin sonuna yaklaştıkça renk yavaş yavaş kaybolur. Bu durumda iyot ara ürün görevi görür ve süreç iki aşamada gerçekleşir. Ancak metafosforik asit sentezlenir sentezlenmez katalizör orijinal durumuna geri döner. Katalizörler endüstride vazgeçilmezdir, dönüşümleri hızlandırmaya ve yüksek kaliteli reaksiyon ürünleri elde etmeye yardımcı olurlar. Vücudumuzdaki biyokimyasal süreçler de onların katılımı olmadan imkansızdır.
