כימיה היא מדע החומרים והטרנספורמציות שלהם, כמו גם שיטות להשגתם. אפילו בתוכנית לימודים רגילה של בית ספר, נושא חשוב כמו סוגי תגובות נחשב. הסיווג שאליו מתוודעים לתלמידי בית הספר ברמה הבסיסית לוקח בחשבון את השינוי בדרגת החמצון, שלב הקורס, מנגנון התהליך וכו'. בנוסף, כל התהליכים הכימיים מחולקים לא-קטליטי וקטליטי. תגובות. דוגמאות לטרנספורמציות המתרחשות בהשתתפות זרז נתקלות באדם בחיים הרגילים: תסיסה, ריקבון. טרנספורמציות לא קטליטיות הן הרבה יותר נדירות עבורנו.
מהו זרז
זהו חומר כימי שיכול לשנות את קצב האינטראקציה, אך אינו משתתף בו בעצמו. במקרה שבו התהליך מואץ בעזרת זרז, אנחנו מדברים על קטליזה חיובית. במקרה שחומר המוסף לתהליך מפחית את קצב התגובה, הוא נקרא מעכב.
סוגי קטליזה
קטליזה הומוגנית והטרוגנית נבדלים זה מזה בשלב, בשבהם נמצאים חומרי המוצא. אם הרכיבים הראשוניים שנלקחו עבור אינטראקציות, כולל הזרז, נמצאים באותו מצב של צבירה, קטליזה הומוגנית ממשיכה. במקרה שבו חומרים משלבים שונים לוקחים חלק בתגובה, מתרחשת קטליזה הטרוגנית.
סלקטיביות של פעולה
קטליזה היא לא רק אמצעי להגדלת הפרודוקטיביות של הציוד, יש לה השפעה חיובית על איכות המוצרים המתקבלים. ניתן להסביר תופעה זו בעובדה שבגלל הפעולה הסלקטיבית (הסלקטיבית) של רוב הזרזים, התגובה הישירה מואצת, תהליכים צדדיים מופחתים. בסופו של דבר, המוצרים המתקבלים הם בעלי טוהר גבוה, אין צורך לטהר עוד יותר את החומרים. הסלקטיביות של פעולת הזרז מעניקה הפחתה ממשית בעלויות אי-ייצור של חומרי גלם, יתרון כלכלי טוב.
היתרונות של שימוש בזרז בייצור
מה עוד מאפיין תגובות קטליטיות? דוגמאות מתיכון טיפוסי מראות שהשימוש בזרז מאפשר ביצוע התהליך בטמפרטורות נמוכות יותר. ניסויים מאשרים שניתן להשתמש בו כדי להפחית משמעותית את עלויות האנרגיה. זה חשוב במיוחד בתנאים מודרניים, כאשר יש מחסור במשאבי אנרגיה בעולם.
דוגמאות לייצור קטליטי
איזו תעשייה משתמשת בתגובות קטליטיות? דוגמאות להפקות כאלה:ייצור של חומצות חנקתיות וגופרית, מימן, אמוניה, פולימרים, זיקוק נפט. קטליזה נמצאת בשימוש נרחב בייצור של חומצות אורגניות, אלכוהול חד-הידרי ורב-הידרי, פנול, שרפים סינתטיים, צבעים ותרופות.
מהו הזרז
חומרים רבים שנמצאים בטבלה המחזורית של יסודות כימיים של דמיטרי איבנוביץ' מנדלייב, כמו גם התרכובות שלהם, יכולים לשמש כזרזים. בין המאיצים הנפוצים ביותר הם: ניקל, ברזל, פלטינה, קובלט, אלומינוסיליקטים, תחמוצות מנגן.
תכונות של זרזים
בנוסף לפעולה סלקטיבית, לזרזים יש חוזק מכני מצוין, הם מסוגלים לעמוד בפני רעלים קטליטיים, ומתחדשים בקלות (מתאוששים).
לפי מצב הפאזה, תגובות הומוגניות קטליטיות מחולקות לפאזה גז ולפאזה נוזלית.
בואו נסתכל מקרוב על סוגי התגובות האלה. בתמיסות, קטיוני מימן H+, יוני בסיס הידרוקסיד OH-, קטיוני מתכת M+ וחומרים התורמים ליצירת רדיקלים חופשיים פועלים כמאיץ של טרנספורמציה כימית.
מהות הקטליזה
מנגנון הקטליזה באינטראקציה של חומצות ובסיסים הוא שיש חילוף בין החומרים המקיימים אינטראקציה לבין היונים החיוביים של הזרז (פרוטונים). במקרה זה מתרחשות טרנספורמציות תוך מולקולריות. לפי זההתגובות הולכות כך:
- התייבשות (ניתוק מים);
- הידרציה (חיבור של מולקולות מים);
- esterification (יצירת אסטר מאלכוהול וחומצות קרבוקסיליות);
- polycondensation (יצירת פולימר עם סילוק מים).
תיאוריית הקטליזה מסבירה לא רק את התהליך עצמו, אלא גם טרנספורמציות צדדיות אפשריות. במקרה של קטליזה הטרוגנית, מאיץ התהליך יוצר שלב עצמאי, לחלק מהמרכזים על פני המגיבים יש תכונות קטליטיות, או שכל פני השטח מעורבים.
יש גם תהליך מיקרוהטרוגני, הכולל נוכחות של זרז במצב קולואידי. וריאנט זה הוא מצב מעבר מסוג הומוגנית לסוג הטרוגני של קטליזה. רוב התהליכים הללו מתרחשים בין חומרים גזים באמצעות זרזים מוצקים. הם יכולים להיות בצורת גרגירים, טבליות, דגנים.
הפצה של קטליזה בטבע
קטליזה אנזימטית נפוצה למדי בטבע. בעזרת ביו-זרזים ממשיכה הסינתזה של מולקולות חלבון, חילוף החומרים באורגניזמים חיים מתבצע. אף תהליך ביולוגי אחד המתרחש בהשתתפות אורגניזמים חיים אינו עוקף תגובות קטליטיות. דוגמאות לתהליכים חיוניים: סינתזה של חלבונים ספציפיים לגוף מחומצות אמינו; פירוק שומנים, חלבונים, פחמימות.
אלגוריתם קטליזה
בואו נשקול את מנגנון הקטליזה. תהליך זה, המתרחש על מאיצי אינטראקציה כימית מוצקים נקבוביים, כולללעצמך כמה שלבים יסודיים:
- דיפוזיה של חומרים בעלי אינטראקציה אל פני השטח של גרגרי זרז מליבה של הזרימה;
- דיפוזיה של ריאגנטים בנקבוביות הזרז;
- chemisorption (ספיחה פעילה) על פני השטח של מאיץ תגובה כימית עם מראה של חומרים כימיים על פני השטח - מתחמי זרז-ריאגנט פעיל;
- סידור מחדש של אטומים עם מראה של צירופי פני שטח "זרז-מוצר";
- דיפוזיה בנקבוביות של מאיץ תגובת המוצר;
- דיפוזיה של המוצר ממשטח התבואה של מאיץ התגובה לתוך זרימת הליבה.
תגובות קטליטיות ולא-קטליטיות חשובות כל כך שמדענים המשיכו במחקר בתחום זה במשך שנים רבות.
עם קטליזה הומוגנית, אין צורך לבנות מבנים מיוחדים. קטליזה אנזימטית בגרסה הטרוגנית כרוכה בשימוש בציוד מגוון וספציפי. לזרימתו פותחו מכשירי מגע מיוחדים, המחולקים לפי משטח המגע (בצינורות, על קירות, רשתות זרז); עם שכבת סינון; שכבה שקולה; עם זרז מפורק נע.
חילופי חום במכשירים מיושמים בדרכים שונות:
- באמצעות שימוש במחלפי חום מרוחקים (חיצוניים);
- בעזרת מחליפי חום המובנים במנגנון המגע.
על ידי ניתוח נוסחאות בכימיה, אפשר למצוא גם תגובות כאלה שבהן הזרז הוא אחד מהתוצרים הסופיים שנוצרים במהלך האינטראקציה הכימיתרכיבים מקוריים.
תהליכים כאלה נקראים בדרך כלל אוטוקטליטיים, התופעה עצמה נקראת אוטוקטליזה בכימיה.
קצב של אינטראקציות רבות קשור לנוכחות של חומרים מסוימים בתערובת התגובה. הנוסחאות שלהם בכימיה לרוב מתגעגעות, מוחלפות במילה "זרז" או בגרסה המקוצרת שלה. הם אינם נכללים במשוואה הסטריאוכימית הסופית, מכיוון שהם אינם משתנים מבחינה כמותית לאחר השלמת האינטראקציה. במקרים מסוימים, מספיקות כמויות קטנות של חומרים כדי להשפיע באופן משמעותי על מהירות התהליך. גם מצבים מקובלים למדי כאשר כלי התגובה עצמו פועל כמאיץ של אינטראקציה כימית.
מהות ההשפעה של זרז על שינוי קצב תהליך כימי היא שחומר זה נכלל בהרכב הקומפלקס הפעיל, ולכן משנה את אנרגיית ההפעלה של האינטראקציה הכימית.
כאשר המתחם הזה מתפרק, הזרז מתחדש. השורה התחתונה היא שזה לא יתבזבז, זה יישאר באותו סכום לאחר סיום האינטראקציה. מסיבה זו מספיקה כמות קטנה של החומר הפעיל כדי לבצע את התגובה עם המצע (חומר מגיב). במציאות, כמויות לא משמעותיות של זרזים עדיין נצרכות במהלך תהליכים כימיים, שכן תהליכים צדדיים שונים אפשריים: הרעלתו, הפסדים טכנולוגיים ושינוי במצב פני השטח של זרז מוצק. נוסחאות כימיה אינן כוללות זרז.
מסקנה
תגובות שבהן לוקח חלק חומר פעיל (זרז) מקיפות אדם, חוץ מזה הן מתרחשות גם בגופו. תגובות הומוגניות שכיחות הרבה פחות מאינטראקציות הטרוגניות. בכל מקרה, נוצרים תחילה קומפלקסים ביניים, שאינם יציבים, נהרסים בהדרגה, ונצפה התחדשות (התאוששות) של מאיץ התהליך הכימי. לדוגמה, כאשר חומצה מטפוספורית מגיבה עם אשלגן פרסולפט, חומצה הידרו-יודית פועלת כזרז. כאשר מוסיפים אותו למגיבים, נוצרת תמיסה צהובה. ככל שמתקרבים לסוף התהליך, הצבע נעלם בהדרגה. במקרה זה, יוד פועל כמוצר ביניים, והתהליך מתרחש בשני שלבים. אבל ברגע שמסונתזת חומצה מטפוספורית, הזרז חוזר למצבו המקורי. זרזים הם הכרחיים בתעשייה, הם עוזרים להאיץ טרנספורמציות ולהשיג מוצרי תגובה באיכות גבוהה. גם תהליכים ביוכימיים בגופנו בלתי אפשריים ללא השתתפותם.
