კატალიზი

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                              კატალიზი

A range of industrial catalysts in pellet form - სამრეწველო კატალიზატორების სპექტრი მარცვლების სახით

კატალიზი (ბერძნ. κατάλυσις საწყისი καταλύειν "განადგურება") არის ქიმიური რეაქციის ერთ-ერთი შესაძლო თერმოდინამიკურად დაშვებული მიმართულების შერჩევითი აჩქარება კატალიზატორის (ებ) მოქმედებით, რომელიც, შუალედური ნაერთების თეორიის მიხედვით, არაერთხელ შედის შუალედური ქიმიური ურთიერთქმედება რეაქციის მონაწილეებთან და აღადგენს მის ქიმიურ შემადგენლობას შუალედური ქიმიური ურთიერთქმედების ყოველი ციკლის შემდეგ.

ტერმინი „კატალიზი“ 1835 წელს შემოიღო შვედმა მეცნიერმა იონს იაკობ ბერცელიუსმა.

კატალიზი (კატალიზის ფენომენი) გავრცელებულია ბუნებაში (ცოცხალ ორგანიზმებში მიმდინარე პროცესების უმეტესობა კატალიზურია) და ფართოდ გამოიყენება ტექნოლოგიაში (ნავთობის გადამუშავებასა და ნავთობქიმიაში, გოგირდმჟავას, ამიაკის, აზოტის მჟავას წარმოებაში და ა. : ყველაზე მეტად სამრეწველო რეაქციები - კატალიზური).

შემთხვევას, როდესაც კატალიზატორი არის რეაქციის ერთ-ერთი პროდუქტი ან მისი საწყისი მასალა, ეწოდება ავტოკატალიზი.

იხ. ვიდეო - Catalysis Explained

კატალიზატორები იძლევიან გზებს, რომლებიც განსხვავდება არაკატალიზირებული რეაქციებისგან. ამ გზებს აქვთ დაბალი აქტივაციის ენერგია. შესაბამისად, მეტ მოლეკულურ შეჯახებას აქვს ენერგია, რომელიც საჭიროა გარდამავალი მდგომარეობის მისაღწევად. ამრიგად, კატალიზატორებს შეუძლიათ ჩართონ რეაქციები, რომლებიც სხვაგვარად დაიბლოკება ან შენელდება კინეტიკური ბარიერით. კატალიზატორმა შეიძლება გაზარდოს რეაქციის სიჩქარე ან სელექციურობა, ან ჩართოს რეაქცია დაბალ ტემპერატურაზე. ეს ეფექტი შეიძლება ილუსტრირებული იყოს ენერგეტიკული პროფილის დიაგრამით.

კატალიზებული ელემენტარული რეაქციის დროს, კატალიზატორები არ ცვლიან რეაქციის მასშტაბებს: მათ არ აქვთ გავლენა რეაქციის ქიმიურ წონასწორობაზე. წინა და საპირისპირო რეაქციის სიჩქარის თანაფარდობა უცვლელია (იხ. აგრეთვე თერმოდინამიკა). თერმოდინამიკის მეორე კანონი აღწერს რატომ არ ცვლის კატალიზატორი რეაქციის ქიმიურ წონასწორობას. დავუშვათ, რომ არსებობდა ისეთი კატალიზატორი, რომელმაც წონასწორობა შეცვალა. კატალიზატორის სისტემაში შეყვანა გამოიწვევს რეაქციას ახალ წონასწორობაზე გადასვლისას, რაც გამოიმუშავებს ენერგიას. ენერგიის გამომუშავება აუცილებელი შედეგია, რადგან რეაქციები სპონტანურია მხოლოდ გიბსის თავისუფალი ენერგიის წარმოქმნის შემთხვევაში, ხოლო თუ არ არის ენერგეტიკული ბარიერი, არ არის საჭირო კატალიზატორი. შემდეგ, კატალიზატორის ამოღება ასევე გამოიწვევს რეაქციას, წარმოქმნის ენერგიას; ანუ დამატება და მისი საპირისპირო პროცესი, ამოღება, ორივე გამოიმუშავებს ენერგიას. ამრიგად, კატალიზატორი, რომელსაც შეუძლია წონასწორობის შეცვლა, იქნება მუდმივი მოძრაობის მანქანა, რომელიც ეწინააღმდეგება თერმოდინამიკის კანონებს. ამრიგად, კატალიზატორები არ ცვლიან წონასწორობის მუდმივობას. (მაგრამ კატალიზატორს შეუძლია შეცვალოს წონასწორული კონცენტრაცია შემდგომ საფეხურზე რეაქციით. შემდეგ ის მოიხმარება რეაქციის მიმდინარეობისას და, შესაბამისად, ის ასევე არის რეაქტიული. საილუსტრაციო არის ეთერების ფუძე-კატალიზირებული ჰიდროლიზი, სადაც წარმოებული კარბოქსილის მჟავა დაუყოვნებლივ რეაგირებს. საბაზისო კატალიზატორთან და შესაბამისად, რეაქციის წონასწორობა გადადის ჰიდროლიზისკენ.)

ზოგადი პოტენციური ენერგიის დიაგრამა, რომელიც გვიჩვენებს კატალიზატორის ეფექტს ჰიპოთეტურ ეგზოთერმულ ქიმიურ რეაქციაში X + Y, რათა მივიღოთ Z. კატალიზატორის არსებობა ხსნის რეაქციის სხვა გზას (წითლად ნაჩვენები) აქტივაციის უფრო დაბალი ენერგიით. საბოლოო შედეგი და საერთო თერმოდინამიკა იგივეა.

კატალიზატორი უფრო მეტად ასტაბილურებს გარდამავალ მდგომარეობას, ვიდრე ასტაბილურებს საწყისი მასალას. ის ამცირებს კინეტიკურ ბარიერს საწყის მასალასა და გარდამავალ მდგომარეობას შორის ენერგიის სხვაობის შემცირებით. ის არ ცვლის ენერგეტიკულ განსხვავებას საწყის მასალებსა და პროდუქტებს შორის (თერმოდინამიკური ბარიერი) ან ხელმისაწვდომ ენერგიას (ამას უზრუნველყოფს გარემო სითბოს ან სინათლის სახით).

ისტორია

ტერმინი "კატალიზატორი", რომელიც ფართოდ არის განმარტებული, როგორც ყველაფერი, რაც ზრდის პროცესის სიჩქარეს, მომდინარეობს ბერძნული καταλύειν, რაც ნიშნავს "გაუქმებას", ან "გახსნის" ან "აკრეფას". კატალიზის კონცეფცია გამოიგონა ქიმიკოსმა ელიზაბეტ ფულჰემმა და აღწერა 1794 წლის წიგნში, რომელიც ეფუძნება მის ახალ ნაშრომს ჟანგვა-აღდგენითი რეაქციების შესახებ. პირველი ქიმიური რეაქცია ორგანულ ქიმიაში, რომელმაც შეგნებულად გამოიყენა კატალიზატორი, შეისწავლა 1811 წელს გოტლიბ კირხჰოფმა, რომელმაც აღმოაჩინა სახამებლის გლუკოზად მჟავა-კატალიზებული გარდაქმნა. ტერმინი კატალიზი მოგვიანებით გამოიყენა იონს იაკობ ბერცელიუსმა 1835 წელს რეაქციების აღსაწერად, რომლებიც აჩქარებულია ნივთიერებებით, რომლებიც უცვლელი რჩება რეაქციის შემდეგ. ფულჰემი, რომელიც ბერცელიუსამდე იყო, მუშაობდა წყალთან, ლითონებისგან განსხვავებით, თავის შემცირების ექსპერიმენტებში. მე-18 საუკუნის სხვა ქიმიკოსები, რომლებიც მუშაობდნენ კატალიზში, იყვნენ ეილჰარდ მიცჩერლიხი, რომელიც მას უწოდებდა კონტაქტურ პროცესებს და იოჰან ვოლფგანგ დობერაინერი , რომელიც საუბრობდა კონტაქტურ მოქმედებაზე. მან შექმნა Döbereiner's ნათურა, სანთებელა წყალბადზე დაფუძნებული და პლატინის ღრუბელი, რომელიც გახდა კომერციული წარმატება 1820-იან წლებში, რომელიც დღემდე ცოცხლობს. ჰამფრი დევიმ აღმოაჩინა პლატინის გამოყენება კატალიზში. 1880-იან წლებში ვილჰელმ ოსტვალდმა ლაიფციგის უნივერსიტეტში დაიწყო სისტემატური გამოკვლევა მჟავებისა და ფუძეების არსებობით კატალიზებული რეაქციების შესახებ და აღმოაჩინა, რომ ქიმიური რეაქციები ხდება სასრული სიჩქარით და რომ ეს სიჩქარე შეიძლება გამოყენებულ იქნას მჟავებისა და ფუძეების სიძლიერის დასადგენად. . ამ ნაშრომისთვის ოსტვალდს მიენიჭა 1909 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში. ვლადიმირ იპატიევმა შეასრულა რამდენიმე ადრეული ინდუსტრიული მასშტაბის რეაქცია, მათ შორის ოლიგომერიზაციის აღმოჩენა და კომერციალიზაცია და ჰიდროგენიზაციის კატალიზატორების შემუშავება.

ინჰიბიტორები, შხამები და პრომოტორები

დამატებულ ნივთიერებას, რომელიც ამცირებს სიჩქარეს, ეწოდება რეაქციის ინჰიბიტორი, თუ შექცევადია და კატალიზატორი შხამს, თუ შეუქცევადია. პრომოტერები არის ნივთიერებები, რომლებიც ზრდის კატალიზურ აქტივობას, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი თავისთავად არ არიან კატალიზატორები.

ინჰიბიტორებს ზოგჯერ მოიხსენიებენ როგორც „უარყოფით კატალიზატორებს“, რადგან ისინი ამცირებენ რეაქციის სიჩქარეს. თუმცა ტერმინი ინჰიბიტორი სასურველია, რადგან ისინი არ მუშაობენ რეაქციის გზის დანერგვით უფრო მაღალი აქტივაციის ენერგიით; ეს არ შეამცირებს სიჩქარეს, რადგან რეაქცია გაგრძელდება არაკატალიზირებული გზით. ამის ნაცვლად, ისინი მოქმედებენ ან კატალიზატორების დეაქტივირებით ან რეაქციის შუალედური ნივთიერებების მოცილებით, როგორიცაა თავისუფალი რადიკალები. ჰეტეროგენული კატალიზის დროს კოქსი აფერხებს კატალიზატორს, რომელიც დაფარულია პოლიმერული გვერდითი პროდუქტებით.

ინჰიბიტორმა შეიძლება შეცვალოს სელექციურობა სიჩქარის გარდა. მაგალითად, ალკინების ალკენებად ჰიდროგენიზაციისას შეიძლება გამოყენებულ იქნას პალადიუმის (Pd) კატალიზატორი, რომელიც ნაწილობრივ "მოწამლულია" ტყვიის(II) აცეტატით (Pb(CH3CO2)2). კატალიზატორის დეაქტივაციის გარეშე წარმოებული ალკენი შემდგომში ჰიდროგენიზდება ალკანად.

ინჰიბიტორს შეუძლია მოახდინოს ეს ეფექტი, მაგალითად, მხოლოდ გარკვეული ტიპის აქტიური უბნების შერჩევითი მოწამვლის გზით. კიდევ ერთი მექანიზმი არის ზედაპირის გეომეტრიის მოდიფიკაცია. მაგალითად, ჰიდროგენიზაციის ოპერაციებში, ლითონის ზედაპირის დიდი სიბრტყეები ფუნქციონირებს როგორც ჰიდროგენოლიზის კატალიზის ადგილები, ხოლო ადგილები, რომლებიც აკატალიზებს უჯერი ნივთიერებების ჰიდროგენიზაციას, უფრო მცირეა. ამრიგად, შხამი, რომელიც შემთხვევით ფარავს ზედაპირს, შეამცირებს დაუბინძურებელი დიდი სიბრტყეების რაოდენობას, მაგრამ პროპორციულად უფრო მცირე უბნებს თავისუფალს ტოვებს, რითაც იცვლება ჰიდროგენიზაცია და ჰიდროგენოლიზის სელექციურობა. ასევე შესაძლებელია მრავალი სხვა მექანიზმი.

პრომოუტერებს შეუძლიათ დაფარონ ზედაპირი, რათა თავიდან აიცილონ კოქსის ხალიჩის წარმოება, ან თუნდაც აქტიურად ამოიღონ ასეთი მასალა (მაგ., რენიუმი პლატინაზე პლატფორმაზე). მათ შეუძლიათ ხელი შეუწყონ კატალიზური მასალის დისპერსიას ან რეაგენტებთან დაკავშირებას.