ძირითადი მასალა

ქიმია

კურსი: ქიმია > თემა 13

გაკვეთილი 3: არენიუსის განტოლება და რეაქციის მექანიზმები

კატალიზატორების ტიპები

რა არის კატალიზატორი? განვიხილავთ ფერმენტების, მჟავურ-ფუძური კატალიზისა და ჰეტეროგენული (ან ზედაპირული) კატალიზის მაგალითებს.

საკვანძო საკითხები

კატალიზატორი არის ისეთი ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია, დააჩქაროს ქიმიური რეაქცია ისე, რომ თვითონ არ დაიხარჯოს.
კატალიზატორი, როგორც წესი, რეაქციას აჩქარებს იმით, რომ ან ამცირებს აქტივაციის ენერგიას, ან ცვლის რეაქციის მექანიზმს.
ფერმენტები არიან ცილები, რომლებიც გვევლინებიან კატალიზატორებად ბიოქიმიურ პროცესებში.
კატალიზატორებში შედის ფერმენტები, მჟავა-ფუძე კატალიზატორები და ჰეტეროგენური (ან ზედაპირული) კატალიზატორები.

შესავალი: კინეტიკური წარმოსახვითი ექსპერიმენტი

თქვენი ტვინი მუშაობს გლუკოზის ჟანგვით. გლუკოზის ჟანგვა შეგვიძლია წარმოვადგინოთ, როგორც შემდეგი გათანაბრებული ქიმიური რეაქცია:

\text C_6 \text H_{12} \text O_6(მყ.)+6\text O_2(აირ.) \rightarrow 6\text C \text O_2(აირ.) + 6\text H_2 \text O(თხ.) + სითხო\quad\quad{\Delta\text G^\circ \,\text{}25\,^\circ \text C-ზე=-2885\,\dfrac{\text{კჯ}}{\text{მოლი}}}

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, მ, ყ, point, right parenthesis, plus, 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, ა, ი, რ, point, right parenthesis, right arrow, 6, start text, C, end text, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, ა, ი, რ, point, right parenthesis, plus, 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, თ, ხ, point, right parenthesis, plus, ს, ი, თ, ხ, ო, delta, start text, G, end text, degrees, start text, end text, 25, degrees, start text, C, end text, minus, ზ, ე, equals, minus, 2885, start fraction, start text, კ, ჯ, end text, divided by, start text, მ, ო, ლ, ი, end text, end fraction

ამ რეაქციის არსებობის გარეშე, ქიმიის შესწავლა ბევრად უფრო გაგვიჭირდებოდა. საბედნიეროდ, ეს ჟანგვის რეაქცია თერმოდინამიკულად მდგრადია და თვითდინებით წარიმართება 25, degrees, start text, C, end text-ზე, ვინაიდან ამ დროს delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 0.

მოდით, ჩვენც ვცადოთ ეს. იპოვეთ რაიმე სასიამოვნო, ტკბილი საჭმელი, მაგალითად, ქიშმიში. დაამატეთ ჟანგბადი (ანუ დატოვეთ ჰაერზე). რა მოუვა?

შეამჩნიეთ სითბოს გამოყოფა? და წყლის წარმოქმნა და ნახშირორჟანგის აირის აფეთქების ხმა?

დიდი ალბათობით, ქიშმიში ცოტას გამოშრება და მეტს არაფერს არ იზამს. მიუხედავად იმისა, რომ გლუკოზის ჟანგვა თერმოდინამიკურად სასურველი რეაქციაა, აღმოჩნდა, რომ ამ რეაქციის სიჩქარე ძალიან, ძალიან, ძალიან ნელია.

რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია ისეთ ფაქტორებზე, როგორებიცაა:

აქტივაციის ენერგია
ტემპერატურა: თუ რეზინას გაათბობთ საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე, ალბათ, მას ცეცხლი მოეკიდება და დაიჟანგება

ეს ორი ფაქტორი ერთმანეთთან მჭიდროდაა დაკავშირებული: რეაქციის ტემპერატურის გაზრდა ზრდის საწყისი ნივთიერებების მოლეკულების კინეტიკურ ენერგიას. ეს ზრდის ალბათობას, რომ მათ ექნებათ აქტივაციის ბარიერის გადასალახად საკმარისი ენერგია.

როგორ აგვარებს თქვენი სხეული გლუკოზის ჟანგვის ამ პრობლემას? სხვა თუ არაფერი, თქვენი სხეულის ტემპერატურა 25, degrees, start text, C, end text-ზე ბევრად მაღალი არაა, ასე რომ, როგორ მიმდინარეობს ეს რეაქცია განმეორებითად თქვენს სხეულში?

ბიოლოგიური სისტემები კატალიზატორებს იყენებენ ჟანგვის რეაქციის სიჩქარის გასაზრდელად, რის შედეგადაც ამ რეაქციის წარმართვა დაბალ ტემპერატურაზე უფრო ჩქარაცაა შესაძლებელი. ამ სტატიაში უფრო მეტს ვისაუბრებთ იმის შესახებ, თუ რა არის კატალიზატორი, და განვიხილავთ კატალიზატორების განსხვავებულ ტიპებს.

რა არის კატალიზატორი?

კატალიზატორი არის ისეთი ნივთიერება, რომლის საშუალებითაც რეაქცია დაჩქარდება ისე, რომ თვითონ კატალიზატორი არ დაიხარჯოს ამ პროცესში. ისინი, ჩვეულებრივ, მუშაობენ

გარდამავალი მდგომარეობის ენერგიის შემცირებით, ანუ, აქტივაციის ენერგიის შემცირებით, და/ან
რეაქციის მექანიზმის ცვლილებით. ეს ასევე ცვლის გარდამავალი მდგომარეობის ბუნებას (და ენერგიას).

კატალიზატორები ყველგან არიან! ბევრი ბიოქიმიური პროცესი, მაგალითად, ისეთი, როგორიცაა, გლუკოზის ჟანგვა, დამოკიდებულია ფერმენტებზე, ცილებზე, რომლებიც კატალიზატორებივით იქცევიან.

სხვა ტიპის კატალიზატორები მოიცავენ მჟავურ-ფუძურ კატალიზატორებს და ჰეტეროგენულ (ან ზედაპირულ) კატალიზატორებს.

მაგალითი: კარბოანჰიდრაზა

ფერმენტი კარბოანჰიდრაზა აკატალიზებს შექცევად რეაქციას ნახშირორჟანგსა left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis და წყალს left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis შორის და წარმოქმნის ნახშირმჟავას. როცა სხეულში start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-ის კონცენტრაცია ძალიან მაღალია, კარბოანჰიდრაზა აკატალიზებს შემდეგ რეაქციას:

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

სისხლსა და ქსოვილებში ნახშირმჟავას კონცენტრაციის რეგულაციით ეს ფერმენტი სხეულში start text, p, H, end text-ის წონასწორობას ინარჩუნებს.

კარბოანჰიდრაზას სამგანზომილებიანი სტრუქტურა. ლამაზია, არა? ცილის ცენტრში არსებული ნაცრისფერი სფერო თუთიის იონია. სურათი წყარო: Wikimedia Commons, public domain

კარბოანჰიდრაზა ერთ-ერთი ყველაზე სწრაფად მომუშავე ფერმენტია, მისი რეაქციის სიჩქარეა 10, start superscript, 4, end superscript - 10, start superscript, 6, end superscript რეაქცია წამში. ეს კიდევ უფრო გასაოცარია, როცა არაკატალიზებულ რეაქციას ვადარებთ, რომლის სიჩქარეცაა ~0, comma, 2 რეაქცია წამში. ესაა სიჩქარის ~10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript-ჯერ ზრდა!!

მოცემული დიაგრამა გვიჩვენებს ენერგიის დიაგრამას ნახშირორჟანგსა და წყალს შორის მიმდინარე რეაქციისთვის, რომლის შედეგადაც ნახშირმჟავა მიიღება. კატალიზატორით მიმდინარე რეაქცია გამოსახულია ლურჯი ხაზით, კატალიზატორის გარეშე მიმდინარე რეაქცია — წითელი ხაზით.

ენერგიის დიაგრამა ნახშირორჟანგს და წყალს შორის მიმდინარე რეაქციისთვის, რომლის შედეგადაც წარმოიქმნება ნახშირმჟავა. კატალიზატორის დამატება (ლურჯი ხაზი) ამცირებს გარდამავალი მდგომარეობის ენერგიას, მაგრამ არ ცვლის delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript-ს არაკატალიზებულ რეაქციასთან შედარებით (წითელი ხაზი). სურათი; წყარო: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3,0

კატალიზატორი ამცირებს რეაქციის გარდამავალი მდგომარეობის ენერგიას. რადგანაც გარდამავალ მდგომარეობასა და რეაგირების ენერგიას შორის განსხვავება აქტივაციის ენერგიაა, გარდამავალი მდგომარეობის ენერგიის შემცირება ამცირებს აქტივაციის ენერგიასაც.

[როგორაა დაკავშირებული რეაქციის სიჩქარე აქტივაციის ენერგიასთან?]

ყურადღება მიაქციეთ, რომ საწყისი და საბოლოო ნივთიერებების ენერგიები ერთი და იგივეა კატალიზატორითა და კატალიზატორის გარეშე წარმართულ რეაქციებში. აქედან გამომდინარე, რეაქციის დროს გამოყოფილი ჯამური ენერგია delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript არ იცვლება ფერმენტის დამატებით. ეს ხაზს უსვამს ძალიან მნიშვნელოვან რაღაცას: რეაქციის კინეტიკა, ანუ რეაქციის სიჩქარე, პირდაპირ არაა დაკავშირებული რეაქციის თერმოდინამიკასთან.

მჟავურ-ფუძური კატალიზი

მჟავური კატალიზის დროს კატალიზატორი ძირითადად start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-ის იონია. ფუძე კატალიზის დროს კატალიზატორი ძირითადად start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript-ის იონია.

მჟავით კატალიზებული რეაქციის მაგალითია საქაროზას (ჩვეულებრივი შაქრის) ჰიდროლიზი. საქაროზა ორი მარტივი შაქრის (ან მონოსაქარიდის) კომბინაციაა - გლუკოზის და ფრუქტოზის. მჟავის ან ისეთი ფერმენტის დამატებით, როგორიცაა სუკრაზა, საქაროზა შეიძლება დაიშალოს გლუკოზად და ფრუქტოზად, როგორც ეს ნაჩვენებია მოცემულ რეაქციაში:

მჟავით კატალიზებული რეაქცია, რომლის დროსაც საქაროზიდან (ჩვეულებრივი შაქარი) წარმოიქმნება გლუკოზა და ფრუქტოზა

პირველ ნაბიჯში საქაროზა შექცევადად შედის რეაქციაში start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript-თან (წითლად), რათა წარმოქმნას პროტონირებული საქაროზა. პროტონირებული საქაროზა შექცევადად შედის რეაქციაში წყალთან (ლურჯად), რათა გასცეს start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, ერთი მოლეკულა გლუკოზა და ერთი მოლეკულა ფრუქტოზა. ეს მთლიანი რეაქცია შეგვიძლია დავწეროთ ასე:

\text{საქაროზა} + \text H_2 \text O \xrightarrow{\text{მჟავა კატალიზატორი}} \text{გლუკოზა} + \text{ფრუქტოზა}

რადგანაც start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript თანაბარი რაოდენობით გვხვდება როგორც საწყისი, ასევე საბოლოო ნივთიერების სახით, ის არ იხარჯება რეაქციის მიმდინარეობისას. აქედან გამომდინარე, კატალიზატორს არ ვწერთ რეაქციის საწყისი ან საბოლოო ნივთიერებების მხარეს.

ჰეტეროგენული და ზედაპირული კატალიზი

ჰეტეროგენული კატალიზატორები არიან კატალიზატორები, რომლებიც საწყისი ნივთიერებებისგან განსხვავებულ ფაზაში იმყოფებიან. მაგალითად, კატალიზატორი შეიძლება იყოს მყარ ფაზაში, ხოლო საწყისი ნივთიერებები თხევად ან აირად ფაზებში.

[რა ეწოდება კატალიზატორს, რომელიც იმავე ფაზაშია, რომელშიც საწყისი ნივთიერებები?]

ჰეტეროგენული კატალიზის ერთ-ერთი მაგალითია ბენზინზე ან დიზელზე მომუშავე მანქანების კატალიზატორული გარდამქმნელი. კატალიზატორული გარდამქმნელები შეიცავენ მეტალის გარდამავალ კატალიზატორებს, რომლებიც მყარფაზოვან საყრდენზე არიან ჩაშენებულნი. მყარფაზოვანი კატალიზატორი კონტაქტში შედის მანქანის გამონაბოლქვის ნაკადთან და ზრდის რეაქციების სიჩქარეს. ამის შედეგად გამონაბოლქვში არსებული მომწამლავი ნივთიერებები ისეთ ნაკლებად მომწამლავ ნივთიერებებად გარდაიქმნება, როგორებიცაა ნახშირორჟანგი და საწვავი.

კატალიზატორული გარდამქმნელის შიგნით არსებული მყარფაზოვანი კატალიზატორი ამცირებს მომწამლავი აირების, გადაუმუშავებელი საწვავისა და მყარი ნაწილაკების გამოყოფას. მყარფაზოვანი საყრდენი ფენა ისეა შექმნილი, რომ ჰქონდეს დიდი ზედაპირული ფართობი, რათა ზედაპირზე არსებულმა ბევრმა კატალიზატორმა შეძლოს გამონაბოლქვის ნაკადთან რეაქციაში შესვლა. სურათის წყარო: Oak Ridge National Laboratory flickr-ზე, CC BY-NC-ND 2,0

კატალიზატორული გარდამქმნელი ზედაპირული კატალიზის მაგალითიცაა. ამ დროს მოლეკულები კატალიზატორთან რეაქციაში შესვლამდე მყარ ფაზაზე ფიქსირდებიან. მყარფაზოვანი კატალიზის რეაქციის სიჩქარე იზრდება ზედაპირის ფართობზე არსებულ რეაქციაში შესულ კატალიზატორებთან ერთად. აქედან გამომდინარე, კატალიზატორულ გარდამქმნელში არსებული მყარფაზოვანი საყრდენი შექმნილია ისე, რომ ჰქონდეს ძალიან მაღალი ზედაპირული ფართობი, სწორედ ამიტომ წააგავს ის ფიჭას.

ჰეტეროგენული და ზედაპირული კატალიზის კიდევ ერთი მაგალითია პროცესი, რომელსაც ყოველდღიური მოხმარების პლასტიკატების (ან პოლიმერების), მაგალითად, პოლიეთილენის, შესაქმნელად ვიყენებთ. ამ კატალიზატორებს ზიგლერ-ნატა კატალიზატორები ეწოდებათ და იყენებენ ყველაფრის გასაკეთებლად, ცელოფნის შესაფუთი მასალიდან დაწყებული და იოგურტის თავსახურით დამთავრებული. გარდამავალი მეტალების კატალიზატორები მყარ დასაყრდენში არიან ჩაშენებულნი, სანამ ისინი აირად ან თხევად ფაზაში მყოფ საწყის მასალასთან (ანუ მონომერებთან) შევლენ რეაქციაში.

პოლიეთილენი ხელოვნური სახსრებისთვისაც გამოიყენება! მეტალის ბურთის სახსარი ხელოვნურ თეძოში ეტევა პოლიეთილენის "ჯიბეში", რომელიც რენტგენის სურათზე ნათლად ჩანს. ფოტო წყარო: Wikimedia Commons, public domain

მიუხედავად იმისა, რომ საწყისი ნივთიერებები აირად ფაზაში არიან, საბოლოო პოლიმერი, ჩვეულებრივ, მყარია. ეს რეაქცია პოპკორნის გაკეთების მსგავსად წარმომიდგენია: ჯერ კიდევ გაუმსკდარი სიმინდის მარცვლები არიან მყარ ფაზაზე არსებული კატალიზატორები. აირადი მონომერები რეაქციაში შესვლის შედეგად აყალიბებენ მყარი პოლიმერის ფენებს, რომლებიც კატალიზატორის ზედაპირზე ლაგდებიან და ბოლოს პოლიმერულ "პოპკორნის" მძივად გადაიქცევიან. ქიმიაminusჯადოქრობასავითაა!

შეჯამება

კატალიზატორი არის ისეთი ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია, დააჩქაროს ქიმიური რეაქცია ისე, რომ თვითონ არ დაიხარჯოს.
კატალიზატორი, როგორც წესი, რეაქციას აჩქარებს იმით, რომ ან ამცირებს აქტივაციის ენერგიას, ან ცვლის რეაქციის მექანიზმს.
ფერმენტები არიან ცილები, რომლებიც გვევლინებიან კატალიზატორებად ბიოქიმიურ პროცესებში.
კატალიზატორებში შედის ფერმენტები, მჟავა-ფუძე კატალიზატორები და ჰეტეროგენური (ან ზედაპირული) კატალიზატორები.

[ატრიბუცია და წყაროები]

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.