Կատալիզ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Տարասեռ կատալիզի քայլերը

Կատալիզ (հունարեն՝ χατάλνσιξ - տրոհում), քիմիական ռեակցիայի արագության փոփոխություն կատալիզատորների ազդեցությամբ, որոնք ռեակցիայի ընթացքում քանակապես անփոփոխ են մնում:

Քիմիական ռեակցիայի արագության մեծացման դեպքում կատալիզ կոչվում է դրական, փոքրացման դեպքում՝ բացասական: Կատալիզատորների մասնակցությամբ ընթացող ռեակցիաները կոչվում են կատալիտիկ: Եթե կատալիզատորը գոյանում է ռեակցիայի ընթացքում, ապա ռեակցիան կոչվում է ինքնակատալիզված, իսկ երևույթը՝ ինքնակատալիզ:

Ռեակցիաների բացարձակ արագությունների տեսության համաձայն ցանկացած տարրական ռեակցիա ընթանում է ռեագենտների փոխազդեցության հետևանքով միջանկյալ շատ ռեակցունակ գոյացության՝ ակտիվ կոմպլեքսի առաջացման վրայով՝

  • ելանյութեր  \rightleftarrows ակտիվ կոմպլեքս  \rightarrow վերջնանյութեր:

Ըստ այս մոդելի, ռեակցիայի արագությունը համեմատական է ակտիվացման պրոցեսի ստանդարտ ազատ էներգիայի ( \vartriangle G_{o}^{\neq} ) փոփոխությանը: Եթե կատալիզատորի բացակայությամբ ստանդարտ ազատ էներգիան  \vartriangle G_{o}^{\neq} (չկ) է և կատալիզատորի ներկայությամբ՝  \vartriangle G_{o}^{ \neq} (կ), ապա  \vartriangle G_{o}^{ \neq}(կ) <  \vartriangle G_{o}^{ \neq} (չկ):  \vartriangle G_{o}^{ \neq} -նրի տարբերությունը հետևանք է այն բանի, որ չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաներն ընթանում են տարբեր մեխանիզմներով:

Հիմնական սկզբունքներ[խմբագրել]

Ռեակցիոն համակարգի էներգիայի փոփոխությունը ռեակցիայի ընթացքում։
A-ելային վիճակ, B-միջանկյալ միացություն, C-վերջնանյութերի, X1, X2’, X2’’ - ակտիվացված կոմպլեքսների համապատասխան վիճակներ

Կատալիզատորի ներկայությամբ ռեակցիան ընթանում է նոր, ավելի հարմար ուղիով: Ռեակցիայի նոր ճանապարհն ավելի ձեռնտու է, որովհետև նրա իրականացման համար պահանջվում է ավելի փոքր ակտիվացման էներգիա: Ըստ գծագրի, չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաների ակտիվացման էներգիաների տարբերությունը հավասար է

 {(E_1 - E_2)}

կամ

 {(E_1 - E_3)}

Եթե ելանյութի և կատալիզի փոխազդեցության հետևանքով չի առաջանում միջանկյալ կայուն միացություն, ապա կատալիզված ռեակցիայի ընթացքը կպատկերվի (3) կորով:

Կատալիզատորի ազդեցության վերաբերյալ բերված պատկերումից հետևում է՝

  1. կատալիզատորը փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը՝ մասնակցելով ռեակցիայի միջանկյալ փուլերին.
  2. ռեակցիայի վերջում այն քանակապես վերականգնվում է.
  3. կատալիզատորի ներկայությամբ փոխվում է ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրությունը (X1-ի փոխարեն ստացվում է X2

Ուրեմն, կատալիզը երևույթ է, երբ ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրության մեջ մտնում է մի նյութ, որը, ռեակցիայի ընթացքում քանակապես անփոփոխ մնալով, փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը։ Որոշ դեպքերում կատալիզատորների առկայությամբ ռեակցիայի ընթացքում ծնունդ են առնում էներգիայով հարուստ միջանկյալ մասնիկներ, որոնք արագացնում են ռեակցիան (ճյուղավորված շղթայական ռեակցիաներ), օրինակ,

 {CO + O_2 } ռեակցիան կատալիզվում է ջրով, որի առկայությամբ ծնունդ են առնում H և OH- ռեակցունակ միջանկյալ մասնիկները։

Տեսակներ[խմբագրել]

Գոյություն ունեն համասեռ (հոմոգեն) և տարասեռ (հետերոգեն) կատալիզ։

Հոմոգեն[խմբագրել]

Համասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են միևնույն ֆազում։ Ռեագենտները և կատալիզատորը, օրինակ, գազեր են

\mathsf{SO_2 + O_2 + NO_2\rightleftarrows 2SO_3 + NO_2 }

հեղուկներ

\mathsf{CH_3COOC_2H_5 + H_2O + H^+ \rightleftarrows CH_3COOH + C_2H_5OH + H^+ }

պինդ նյութեր

\mathsf{2KClO_3 + MnO_2\rightleftarrows 2KCl + 3O_2 + MnO_2 }

Հետերոգեն[խմբագրել]

Տարասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են տարբեր ֆազերում, օրինակ,

\mathsf{4NH_3 + 5O_2 + Pt \rightleftarrows 4NO + 6H_2O + Pt }

Միջանկյալ միկրոտարասեռ կատալիզը, երբ կատալիզատորը գտնվում է կոլոիդային վիճակում կամ բարձրմոլեկուլային նյութ է, օրինակ, միցելները, ֆերմենտները։

Կատալիզված ռեակցիաներ[խմբագրել]

Ըստ ռեագենտի և կատալիզատորի փոխազդեցության բնույթի, կատալիզված ռեակցիաները լինում են թթվահիմնային և օքսիդավերականգնման։

Թթվահիմնային կատալիզ[խմբագրել]

Թթվայինի դեպքում H+ է անցնում կատալիզատորից (HA) ռեագենտին (C)՝

\mathsf{C + HA \rightarrow CH^+ + A^- }
\mathsf{CH^+ + D \rightarrow E + F+ H^+ }

հիմնայինի դեպքում՝ OH կամ H+ հակառակ ուղղությամբ։ Ապրոտոնային թթուների (Լյուիսի թթուների) առկայությամբ ռեագենտ-կատալիզատոր փոխազդեցությունը իրականանում է էլեկտրոնների զույգի մասնակցությամբ։ Թթվահիմնային կատալիզ կարող է տեղի ունենալ իոնափոխանակային խեժերի առկայությամբ։

Օքսիդավերականգնման կատալիզ[խմբագրել]

Օքսիդավերականգնման կատալիզի դեպքում ռեագենտ-կատալիզաաոր փոխազդեցությունը տեղի է ունենում էլեկտրոնների անցումով։ Կիսահաղորդչային կատալիզատորը պատկանում է այդ դասին։ Օքսիդավերականգնման ռեակցիաներում կատալիզելու ակտիվություն ունեն հատկապես d-տարրերը։

Առանձնահատկություններ[խմբագրել]

Կատալիզին հատուկ են մի շարք առանձնահատկություններ՝ ազդեցության յուրահատկություն (յուրաքանչյուր քիմիական ռեակցիակամ նմանատիպ ռեակցիաների դաս կարող է կատալիզվել միայն որոշակի նյութերով)։ Այս հատկությունը առավել ցայտուն է ֆերմենտների մոտ։ Կատալիզատորի այս հատկության չափանիշը կատալիզատորի ընտրողականությունն է։ Սա արագությունների հարաբերություն է՝ հայտարարը ելանյութի սպառման արագությունն է, համարիչը՝ հետաքրքրության առարկա հանդիսացող նյութի կուտակման արագությունը։

Կատալիտիկ ակտիվությունը որոշվում է կատալիզատորի միավոր զանգվածին, կոնցենտրացիային կամ մակերեսին ընկնող ռեակցիայի արագությամբ։ Պրոմոտորների ներկայությամբ կատալիզատորի ակտիվությունը մեծանում է, թույների (ինհիբիտորների) ներկայությամբ՝ նվազում։ Կատալիզատորի բաղադրության ընտրությունը բարդ խնդիր է, կատարվում է փորձարարական ճանապարհով։

Տես նաև[խմբագրել]

Գրականություն[խմբագրել]

  • Боресков Г. К. Катализ. Вопросы теории и практики. — Новосибирск, 1987.
  • Гейтс Б. Химия каталитических процессов / Б. Гейтс, Дж. Кетцир, Г. Шуйт. — М.: Мир, 1981. — 551 с.
  • Журнал «Кинетика и катализ».
  • Колесников И. М. Катализ и производство катализаторов. — М.: Техника, 2004. — 399 с.
  • Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н. Кинетические модели каталитических реакций. — Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983. — 255 c.

Արտաքին հղումներ[խմբագրել]

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից։ CC-BY-SA-icon-80x15.png