Analitik, fizik-kolloid va biologik kimyo

10.2.Kataliz va katalizatorlar.

Kimyoda kimyoviy reaktsiyalarni tezlashtirishning keng tarqalgan usullaridan biri katalizdir.

Reaktsiya tezligini katalizatorlar selektiv ta’siridan o’zgarishiga kataliz deyiladi.

Kimyoviy reaktsiya tezligini o’zgartiradigan, lekin o’zi kimyoviy reaktsiya natijasida ham sifat, ham miqdoriy jihatdan o’zgarmaydigan moddalarga katalizatorlar deyiladi. Katalizatorlar reaktsiyaga kirishuvchi moddalardan birortasi bilan kimyoviy reaktsiyaga kirishib oraliq moddalar hosil qiladi va reaktsiya oxirida o’zi qaytariladi.

Katalizatorlarning reaktsiya tezligini o’zgartirishiga sabab, reaktsiyani aktivlanish energiyasini kamaytiradi.

A + B = AB

Aktivlanish energiyasi katta bo’lgani uchun bu reaktsiya tezligi juda sekin yoki amalda nolga teng bo’lsin. Bu reaktsiya uchun boshqa uchinchi modda K topilsinki, u reaktsiya uchun olingan moddalardan birortasi bilan birikib aktivlanishi kichik bo’lgan oraliq modda hosil qilsin.

Masalan: A + K → A ··· K → AK (1)

<sup>aktiv oraliq

kompleks modda</sup>

AK B modda bilan ham oson birika olsin:

AK + B → AK ··· B → AB + K (2)

^{aktiv kompleks}

1-chi va 2-chi tenglamalarni qo’shib:

A + B = AB ni olamiz, ya’ni reaktsiya natijasida K-katalizator o’zgarishsiz qoladi. Demak, katalizator kimyoviy jarayonda oraliq bosqichlarda ishtirok etadi. Hamma katalizatorlar uchun umumiy bo’lgan narsa, ular hamma vaqt reaktsiyani aktivlanish energiyasini o’zgartiradi.

Fazoviy belgilarga qarab kataliz gomogen va geterogen katalizga bo’linadi.

Gomogen katalizda reaktsiyaga kirishuvchi moddalar va katalizator bir xil agregat holatda bo’ladi, ular orasida yuza sirt chegaralari bo’lmaydi.

Masalan: A_(gaz) + B_(gaz) + K_(gaz) → yoki

A_(S) + B_(S) + K_(S) → (S-suyuqlik)

Ko’rinib turibdiki, gomogen katalizda katalizator va reaktsiyaga kirishuvchi moddalar bir xil gaz yoki suyuq fazani tashkil qiladi. Bu holda katalizator va ta’sir etuvchi moddalar orasida yuza sirt bo’linish bo’lmaydi. Gaz va suyuq fazali katalitik jarayonlar juda ko’p sonlidir. Gazli-kataliz reaktsiyalari zanjir mexanizm va molekulyar mexanizm bo’yicha boradi. Misol uchun CO ni O₂ bilan suv bug’lari katalizatori ishtirokida borishini ko’raylik.

Quruq CO va O₂ aralashmasi quyidagi sxema bo’yicha ta’sirlashadi:

CO+O₂→CO₂+O*+35,4 kJ. Hosil bo’lgan atomar kislorod zanjirni uzilishiga olib keladigan reaktsiyaga kirishadi:

O*+ CO + x → CO₂ + x + 517,2 kJ

O + O₂ + x → O₃ + x + 104,5 kJ

O₃ + CO → CO₂ + O₂ + 420,5 kJ

bu erda x-3-chi jism (masalan, idish devori) o’ziga ortiqcha energiyani oladi.

Shunday qilib, sistemada zanjirning uzilish ehtimolligi uning davom etish ehtimolligidan kattadir.

Agar bu sistemaga ozgina suv bug’lari yuborilsa, u katalizator rolini bajaradi, aktiv markazni yuzaga keltiradi va zanjir osonlik bilan tarmoqlanadi:

O*+ H₂O → OH*+ OH*+ 55,1 kJ

aktiv markaz

Zanjirning tarmoqlanishi:

O*+ CO → CO₂ + H*+ 11,3 kJ

H*+ O₂ → OH*+ O*+ 22,1 kJ

O*+ H₂ → OH*+ H*+ 51,5 kJ

Sistemada H*, O*, va OH* zarrachalarining kontsentratsiyalari juda kichik bo’lganligi uchun zanjirning uzilish reaktsiyalari deyarli bormaydi. Suvning ozgina miqdori zanjir jarayonini juda tezlashtiradi va uni portlash chegarasigacha olib keladi. Ushbu reaktsiya katalitik zanjir mexanizmi orqali sodir bo’ladi.

Molekulyar mexanizm bilan o’tadigan gomogen katalizga quyidagi reaktsiya misol bo’ladi:

SO₂ ni SO₃ gacha oksidlanishi juda sekin boradigan qaytar reaktsiyadir. Bu reaktsiya uchun azot (II) oksidi (NO) katalizator bo’ladi:

(1)

oraliq modda

(2)

Umumiy reaktsiyani:

2SO_2(gaz) +O_2(gaz)→ 2SO₃ sxemada ifodalash mumkin.

Geterogen katalizda reaktsiyaga kirishuvchi moddalar va katalizator har xil agregat holatida bo’ladi, ular orasida yuza sirt chegaralanish bo’ladi. Odatda katalizator qattiq, reaktsiyaga kirishuvchi moddalar gazlar yoki suyuqliklar bo’ladi.

Masalan:

Ayrim katalizatorlar reaktsiyani sekinlashtiradi, ammo reaktsiyaga stexiometrik kirishmaydi. Bunday moddalarga ingibitorlar deyiladi.

Ayrim moddalar katalizatorning ta’sirini butunlay yo’q qiladi, bunday moddalarga katalitik zaharlar deyiladi.

Masalan: NH₃-sintezida 0,1% C-bo’lishi to’rsimon Fe-katalizatori ta’sirini keskin kamaytiradi. Katalizator ta’sirini kuchaytiradigan moddalarga promotorlar (aktivatorlar) deyiladi.

Masalan: NH₃-sintezida Fe-katalizatoriga 2% KAlO₂-ni qo’shilishi katalitik aktivlikni birmuncha oshiradi. Tirik organizmlarda boradigan, murakkab kimyoviy almashinishlarda biologik katalizatorlar ishtirok etadi. Bularga fermentlar deyiladi.