Gomogen va geterogen katalizatorning borish mexanizmi

Gomogen va geterogen katalizatorning borish mexanizmi

Reaksiya tezligini katalizatorlar yordamida oshirish mumkin.
Temperaturani oshirgandan ko'ra katalizator ishlatgan afzalroq,
bundan tashqari temperaturani hamma vaqt ham oshirish imkoni
bo'lavermaydi.

Kimyoviy reaksiyalarning tezligini o‘zgartiradigan moddalar
katalizatorlar deyiladi.
Ba’zi katalizatorlar reaksiyani juda tezlashtirib yuboradi —
musbat kataliz yoki to'g'ridan-to'g'ri kataliz, boshqalari
sekinlashtiradi — manfiy katalizlar deyiladi. Musbat ka-
talizga sulfat kislotaning oksidlanib nitrat kislotaga aylanishi va b.
misol bo'la oladi. Manfiy katalizga natriy sulfat eritmasi bilan havo
kislorodining o'zaro ta’sirlanish reaksiyasining etil spirt ishtirokida
sekinlashishi yoki vodorod peroksid parchalanish tezligining oz
miqdordagi sulfat kislota (0,0001 massa qism) ishtirokida kamayishi
va boshqalar misol bo'ladi. Manfiy kataliz ko'pincha ingibitorlash,
reaksiya tezligini kamaytiruvchi manfiy katalizatorlar esa —
ingibitorlar deyiladi (ularning ta’sir etish mexanizmi kataliza-
torlarning ta’siridan farq qiladi).
Katalizatorlar ishtirokida sodir bo‘ladigan kimyoviy reaksiyalar
katalitik reaksiyalar deyiladi.
Ko'pchilik kimyoviy reaksiyalarga katalitik ta’sir ko'rsatish
mumkin. Katalizatorlarning soni juda ko'p, ularning katalitik aktivligi
esa turli-tumandir. Bu aktivlik reaksiya tezligining katalizator tufayli
o'zgarishi bilan aniqlanadi.
Katalizatorning o‘zi reaksiyalarda sarflanmaydi va oxirgi
mahsulotlar tarkibiga kirmaydi.
Katalizning ikki turi — gomogen (bir jinsli) va geterogen (bir
jinsli emas) kataliz bor.
Gomogen katalizda reaksiyaga kirishuvchi moddalar
va katalizator bir fazali sistemadan — gaz yoki suyuq sistemani
hosil qiladi, katalizator bilan reaksiyaga kirishuvchi moddalar
orasida chegara sirti bo'lmaydi. Masalan, vodorod peroksidning
tuzlar eritmalari ishtirokida (suyuq faza) katalitik parchalanishi.Gomogen katalizda kimyoviy reaksiyaning tezligi katalizatorning
konsentratsiyasiga proporsional bo'lishi aniqlangan.
Geterogen katalizda reaksiyaga kirishuvchi moddalar
bilan katalizator turli fazalardan iborat sistemani hosil qiladi. Bunda
reaksiyaga kirishuvchi moddalar bilan katalizator orasida chegara
sirti bo'ladi. Odatda katalizator — qattiq modda, reaksiyaga
kirishuvchi moddalar — gazlar yoki suyuqliklar bo'ladi. Misol
tariqasida ammiakning (gazsimon faza) platina ishtirokida (qattiq
faza) oksidlanishini yoki vodorod peroksidning (suyuq faza)
ko'mir yoki marganes (IV) oksid (qattiq faza) ishtirokida
parchalanishini keltirish mumkin. Geterogen katalizda barcha
reaksiyalar katalizator sirtida sodir bo'ladi. Shu sababli qattiq
katalizatorning aktivligi uning sirtining xossalariga (o'lchamlari,
kimyoviy tarkibi, tuziiishi va holatiga) ham bog'liq bo'ladi.
Katalizatorlar ta’sirining mexanizmi odatda reaksiyaga kiri¬shuvchi moddalardan birining oraliq birikmalar hosil qilishi bilan
tushuntiriladi. Masalan, agar sekin boradigan reaksiya A+B=AB 
katalizator К ishtirokida olib borilsa, u holda katalizator boshlan
g'ich moddalarning biri bilan reaksiyaga kirishadi va beqaror oraliq
birikma hosil qiladi:
A+K=AK
Reaksiya tez ketadi, chunki bu jarayonning aktivlanish ener¬giyasi kam. So'ngra oraliq birikma AK boshlang'ich moddaning
ikkinchisi bilan o'zaro ta’sirlashadi, bunda katalizator ajralib chiqadi:
AK+B=AB+K
Katalizatorning sirti bir jinsli emas. Unda aktiv markazlar 
bor bo‘lib, katalitik reaksiyalar asosan ana shu markazlarda sodir
bo‘ladi. Reaksiyaga kirishadigan moddalar markazlarda sodir boiadi.
Reaksiyaga kirishadigan moddalar shu markazlarga adsorbilanadi,
natijada ularning katalizator sirtidagi konsentratsiyasi ko‘payadi. Bu
hoi ko‘pincha reaksiyaning tezlashuviga olib keladi. Lekin reaksiya
tezligi ortishining asosiy sababi adsorbilangan molekulalar kimyoviy
aktivligining keskin kuchayishidir. Katalizator ta’sirida adsorbilangan
molekulalarda atomlar orasidagi bogianishlar susayadi va ular
reaksiyaga kirishuvchi bolib qoladi. Bu holda ham reaksiya
aktivlantirish energiyasining kamayishi (shu jumladan katalizator
sirtida oraliq birikmalar hosil bolishi hisobiga) tufayli tezlashadi.
Ba’zi moddalar qattiq katalizatorning aktivligini kamaytiradi
yoki butunlay yo‘qotadi. Bunday moddalar katalitik, zaharlar
 deyiladi. Misol tariqasida mishyak, simob, qo‘rg‘oshin
birikmalarini, sianli birikmalarni keltirish mumkin, ular, ayniqsa,
platina katalizatorlarga tez ta’sir etadi. Ishlab chiqarish sharoitida
reaksiyaga kirishadigan moddalar katalitik zaharlardan tozalanadi,
zaharlangan katalizator esa regeneratsiya qilinadi (zahardan
ajratiladi).
Shuni alohida ta’kidlab olish kerakki, katalizator tanlab ta’sir
etadi, shu sababli turli katalizatorlarni ishlatib, bitta moddaning
o‘zidan turli xil mahsulotlar olish mumkin. Masalan, katali¬zator — aluminiy oksid A1₂0₃ ishtirokida 300°C da etil spirtdan
suv bilan etilen olinadi:
C₂H₅OH-> H₂0+C₂H₄
Biologik katalizatorlar — fermentlar alohida ahamiyatga ega.
0‘simlikva hayvon organizmlaridagi murakkab kimyoviy jarayonlar
ana shu katalizatorlar ishtirokida sodir boiadi.

Chapda: qisman karamellashgan qand, oʻngda: qandni kul bilan yondirilmoqda (bu yerda kul - katalizator).

Kataliz katalizator, deb ataluvchi modda vositasida kimyoviy reaksiya tezligining oʻzgarishidir. Reaksiyada ishtirok etayotgan reagentlardan farqli oʻlaroq, katalizator reaksiyaga kirishmaydi. Reaksiyani tezlatuvchi katalizatorlar musbat katalizator, sekinlatuvchilari esa ingibitor deyiladi. Katalizator faolligini oshiruvchi moddalar promouter, kamaytiruvchi moddalar esa katalitik zahar, deb ataladi.
Kataliz (yun. katalysis — buzilish, parchalanish) — kimyoviy reaksiyalar tezligining baʼzi moddalar (katalizatorlar) taʼsirida oʻzgarishi. Katalizator reaksiyaga kirishuvchi modda (reagent)lar bilan bir qancha oraliq birikmalar hosil qilib, reaksiya nihoyasida miqdori va tarkibi oʻzgarmasdan ajralib chiqadi. Katalizator sifatida turli xil moddalar (gaz, suyuqliklar va qattiq moddalar) ishlatilishi mumkin. Reagentlar va katalizatorlarning fazaviy holatiga qarab katalitik jarayonlar, asosan, gomogen va geterogen K.ga boʻlinadi. Bundan tashqari, mikrogeterogen, fermentativ katalitik jarayonlar ham mavjud. Gomogen K.da reagentlar bilan katalizator bir jinsli aralashma hosil qiladi. Reaksiya gaz yoki suyuq fazada boradi. Katalizator sifatida atomlar, ionlar, molekulalar ishtirok etishi mumkin. Bunday katalitik jarayon mexanizmini sharxlash uchun oraliq moddalar nazariyasi ishlab chiqilgan. Bu nazariyaga asosan, reagentlar katalizator bilan beqaror oraliq moddalar hosil qiladi. Soʻngra bu moddalar parchalanib katalizator qayta tiklanadi (regeneratsiya). Suyuq fazadagi kislotaasosli K. mexanizmi reagentlar bilan katalizator oʻrtasidagi proton almashinishiga asoslangan. Mas:R-CH=CH2+HA -" R-CH2-CH2++A~R-CH2-CHj+H+OH^R-CH2CH2OH+H+N+ + A -> NAGomogen katalitik jarayonning tezligi juda koʻp omillarga, xususan, reagentlar va katalizatorlar konsentratsiyasi, t-ra, bosim va aralashtirish darajasiga bogʻliq. Bu jarayonning asosiy kamchiligi mahsulot tarkibidan katalizatorni ajratib olish (tozalash) zarur boʻladi. Geterogen K.da katalizator sifatida qattiq moddalar ishlatiladi. Ularning sharsimon, granulasimon, spiralsimon va b. turlari maʼlum. Shuningdek, bu katalizatorlar tarkibiga koʻra, bir, ikki yoki koʻp komponentli, holatiga qarab oksidsimon, metallsimon boʻladi. Geterogen K. baʼzan kontakt K. deb ham ataladi. Bu jarayon nihoyasida mahsulotdan (suyuq yoki fazadagi) katalizator oson ajratib olinadi. Shu sababli geterogen K. sanoatda keng qoʻllaniladi. Mikrogeterogen K.da reaksiya suyuq fazada boradi, katalizator sifatida kolloid zarrachalar ishtirok etadi. Fermentativ K. oʻsimlik yoki hayvon toʻqimalarida sodir boʻladi, bu reaksiyada katalizator sifatida kolloid holdagi oqsil zarrachalari — fermentlar xizmat qiladi. Baʼzi moddalar kimyoviy reaksiya tezligini susaytiradi yoki toʻxtatadi. Bunday moddalar antikatalizator yoki ingibitorlar deb ataladi. Bu holatni manfiy K. deyiladi. Sanoatda, asosan, musbat K. katta ahamiyatga ega. Katalizator qoʻllanganga bir vaqtda borishi mumkin boʻlgan parallel reaksiyalardan faqat birining tezligi ortadi. Boshqalari esa toʻxtaydi (selektiv K.). Mas:[Ad]SN2—SN2[Pd] [Si]K. jarayonida hosil boʻladigan oraliq kompleks birikmalar bilan dastlabki moddalar energiyasi orasidagi farq aktivlanish energiyasi deyiladi. Kimyoviy reaksiyalar tezligi, asosan, shu energiyaning miqdoriga bogʻliq boʻlib, unga teskari proporsionaldir. Katalitik jarayonning aktivlanish energiyasi qancha kam boʻlsa, reaksiya tezligi shuncha yuqori boʻladi. K. jarayonida qoʻllaniladigan katalizatorning roli kimyoviy reaksiyalar aktivlanish energiyasini kamaytirishdan iborat boʻlib, buning natijasida reaksiya yoʻlini oʻzgartiradi yoki uni zanjirsimon mexanizmga oʻtkazadi. K. borish mexanizmiga qarab, asosan, ikkiga boʻlinadi: kislota-asos katalizi va oksidlanish-qaytarilish katalizi. Kislota-asos K.da kislota-asoslar katalizator boʻladi. Bu reaksiyalarda proton almashinishi roʻy beradi, yaʼni proton katalizatordan reagentga yoki, aksincha, reagentdan katalizatorga oʻtadi. K. jarayoni keyingi bosqichda polimerlanish, izomerlanish: kreking jarayonlari alyuminiy silikat taʼsirida shu kislotaasos katalizi mexanizmi bilan boradi. Oksidlanish-qaytarilish katalizida metall, metall oksidlari, tuzlar katalizator boʻlib xizmat qiladi. Bunday K.da elektron almashadi, elektron katalizatorlardan reagentga yoki, aksincha, reagentdan katalizatorga oʻtadi. Shunday qilib, ok-sidlanish — qaytarilish jarayoni sodir boʻladi. Maʼlum katalizator yoki katalizatorlar guruhi kimyoviy reaksiyaning maʼlum yoʻnalishinigina oʻzgartiradi, tezlatadi, xolos. Shunga koʻra, muayyan reaksiya uchun katalizator tanlash amaliy ahamiyatga ega boʻlgan asosiy va muhim vazifadir. Hoz. vaqtda K.ning umumlashgan yagona nazariyasi mavjud boʻlmasada, uning baʼzi tomonlarini eʼtiborga olgan ayrim nazariyalar bor. Rus kimyogarlari N. I. Kobozevning faol ansambl, A. A. Balandinning multiplet K.i.ning elektron va zanjir nazariyalari shular jumlasidandir.
Kimyoviy reaksiya tezligi. Kimyoviy reaksiyalar turli xil tezlikda sodir bo’ladi. Ulardan ba’zilari sekundning mingdan bir ulushida sodir bo’lsa, ayrimlari minutlar, soatlar, kun, oylar va yillar davomida amalga oshadi. Shunday reaksiyalar ham ma’lumki, ular sharoitga qarab tez va sekin amalga oshishi mumkin, masalan: yuqori haroratda tez, sovuqda sekin borishi mumkin. Bu reaksiyalarning tezliklari orasidagi farq katta bo’lishi mumkin. Modda va moddalar yig’indisiga kimyoda sistema deyiladi. Sistemalar gomogen va geterogen sistemalarga bo’linadi. Bir xil fazadan tashkil topgan sistema gomogen, har xil fazadan tashkil topgan sistema geterogen sistema deb ataladi. Sistemaning boshqa qismlaridan chegara sirtlari bilan ajralib turuvchi qismiga faza deb ataladi. Gomogen sistemaga gazlar aralashmasi, chin eritmalar, metallarning qotishmasini, geterogen sistemalarga esa dag’al dispers sistemalar, aralashmalar va hokazolar misol bo’ladi. Gomogen sistemada boradigan (gomogen reaksiyalar) va geterogen sistemada boradigan (geterogen reaksiyalar) reaksiyalar bir birlaridan farq qiladi. Gomogen sistemada reaksiya sistemaning butun hajmi bo’yicha ketadi. Masalan, sulfat kislotasiga natriy tiosulfat eritmasi aralashtirilsa, butun hajmi bo’yicha oltingugurt hosil bo’lib, eritmaning loyqalanishi kuzatiladi: H2SO4 + Na2S2O3 = Na2SO4 + H2O + SO2 + S Geterogen sistemalarda esa sistemani tashkil etuvchi fazalar sirtidagina reaksiya amalga oshadi. Masalan, metallning kislotada erishi: Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2  Bu reaksiya faqat metall sirtida sodir bo’ladi, chunki reaksiyaga kirishuvchi ikkala modda shu sirtda bir biri bilan to’qnashadi. Gomogen reaksiya tezligi geterogen reaksiya tezligidan farq qiladi va ular har xil aniqlanadi. Gomogen reaksiyaning tezligi reaksiyaga kirishayotgan yoki hosil bo’layotgan moddalardan birortasining konsentratsiyasini vaqt birligi ichida o’zgarishi bilan aniqlanadi. Geterogen reaksiyaning tezligi esa vaqt birligi ichida faza sirtining yuza birligida reaksiyaga kirishgan yoki hosil bo’lgan moddalarning miqdori bilan aniqlanadi. Gomogen reaksiya tezligini matematik usulda quyidagicha ifodalanadi. t С Vгомоген  Geterogen reaksiya tezligi: t S n Vгетероген   Kimyoviy reaksiya tezligining reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyasiga bog’liqligi. Massalar ta’siri qonuni. Kimyo sanoatida moddalarni ishlab chiqarish apparatlarining o’lchami va unumdorligi, hosil qilinadigan mahsulot miqdori reaksiyaning tezligiga bog’liq. Mahsulot moddalari unumdorligini oshirish va chiqindi moddalar mi- «Umumiy va noorganik kimyo» fanidan ma’ruzalar matnlari. 37 qdorini kamaytirish kimyo sanoatining muhim vazifalaridan biridir. Shuning uchun kimyoviy reaksiyalar va ularga ta’sir etuvchi omillar o’rganiladi. Kimyoviy reaksiyalar tezliklari haqidagi kimyoning bo’limi kimyoviy kinetika deyiladi. Kimyoviy reaksiya tezligi reaksiyaga kirishayotgan moddalar konsentratsiyasi, harorat, katalizator, moddalar tabiati va boshqa omillarga bog’liq. Moddalar konsentratsiyalarining kimyoviy reaksiya tezligiga ta’sirini ifodalovchi qonun 1867 yilda norvegiyalik olim K.Guldberg va P.Vaage tomonidan taklif etilgan bo’lib, massalar ta’siri qonuni deb ataladi: O’zgarmas haroratda kimyoviy reaksiya tezligi reaksiyaga kirishayotgan moddalarning konsentratsiyalari ko’paytmasiga to’g’ri proporsionaldir. A + B = C reaksiya uchun: v = k [A][B] bo’ladi. bu yerda: v - reaksiya tezligi; k - tezlik konstantasi; [A],[B] - reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyalari, mol/l. Agar aA + bB = C bo’lsa, v = k[A]a [B]b bo’ladi. Massalar ta’siri qonunini azot(II)-oksidning oksidlanish reaksiyasi misolida quyidagicha ifodalanadi: 2NO + O2 = 2NO2 v = k [NO]2 [O2]. Geterogen reaksiyalarda massalar ta’siri qonuni tenglamasiga faqat gaz yoki suyuq fazalarda bo’lgan moddalarning konsentratsiyalari kiritiladi. Masalan: C + O2 = CO2 reaksiyasi uchun v = k [O2] bo’ladi. Reaksiya tezligining haroratga bog’liqligi. Vant-Goff qonuni. Kimyoviy reaksiya tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar zarrachalari o’rtasidagi to’qnashuvlar soniga bog’liq bo’ladi. Ma’lumki, harorat oshirilganda, zarrachalarning harakatchanligi ortadi. Natijada to’qnashuvlar soni ham ortadi. Demak, reaksiyaning tezligi harorat ko’tarilishiga proporsional ravishda ortadi. Molekulalarning to’qnashishi natijasida yangi modda hosil bo’lishi uchun zarur bo’lgan qo’shimcha energiya ayni reaksiyaning aktivlanish energiyasi deyiladi. Aktivlanish energiyasiga ega bo’lgan molekulalar aktiv molekulalar deyiladi. Harorat ko’tarilishi bilan aktiv molekulalar soni ortadi. Vant-Goff qonuni: Harorat har 10C ortganda kimyoviy reaksiya tezligi 2-4 marta ortadi. 10 t t t t 2 1 2 1 V V    bu yerda: 1 Vt , 2 Vt - reaksiyaning tegishlicha boshlang’ich (t1) va oxirigi (t2) temperaturadagi tezliklari;  - reaksiya tezligining temperatura koeffitsenti. U reaksiyaga kirishayotgan moddalarning temperaturasi 10 ko’tarilganda reaksiyaning tezligi necha marta ortishini ko’rsatadi. Misol: Reaksiya 298OK.da 32 min. davomida tugaydi. Agar reaksiyaning temperatura koeffitsenti 4 ga teng bo’lsa, shu reaksiya 348OK.da necha minutdan keyin tugaydi? Temperatura 298OK.dan 348OK.ga ko’tarilganda VantGoff qoidasiga ko’ra reaksiyaning tezligi: 4 4 1024 V V 10 5 348 298 t t 1 2     marta ortadi. Binobarin, agar bu reaksiya 298OK.da 32 min.da tugasa, 348OK.da u 1,8 sek.da tugaydi (32 min:1024 = 0,03 min = 1,8 s). Vant-Goff qoidasi taqribiy bo’lib, uni reaksiya tezligiga temperaturaning ta’sirini taxminiy baholash uchungina tatbiq etish mumkin. Gomogen va geterogen kataliz. Kimyoviy reaksiya tezligini orttirib, o’zi kimyoviy reaksiyada ishtirok etmaydigan moddalar katalizatorlar deyiladi. Katalizatorlar ishtirokida boradigan reaksiyalar katalitik reaksiyalar 38 «Umumiy va noorganik kimyo» fanidan ma’ruzalar matnlari. deyiladi. Kataliz ham gomogen va geterogen katalizlarga bo’linadi. Katalizator aktivligini pasaytiruvchi moddalar katalitik zaxarlar deyiladi. Kimyoviy reaksiya tezligini katalizatorlar ishtirokida o’zgarishi kataliz deb ataladi. Ba’zi katalizatorlar reaksiyani juda tezlashtiradi, bu — musbat kataliz deyiladi. Masalan, sulfat kislotani ishlab chiqarishda SO2 ning oksidlanib SO3 ga aylanishi musbat katalizga misoldir. Boshqa katalizatorlar reaksiyani sekinlashtiradi, bu — manfiy kataliz deyiladi. Masalan, vodorod peroksid H2O2 ning parchalanish reaksiyasi tezligining ozroq miqdordagi (0,0001 mas.q.) sulfat kislota ishtirokida kamayishi manfiy katalizga misoldir. Reaksiya tezligini kamaytiradigan manfiy katalizatorlar esa ingibitorlar deyiladi (ingibitorlarning ta’sir etish mexanizmi katalizatorlarnikidan farq qiladi). Gomogen katalizda reaksiyaga kirishayotgan moddalar bilan katalizatorlar bir fazali gaz yoki suyuq fazali sistema hosil qiladi. Bunda katalizator bilan reaksiyaga kirishayotgan moddalar orasida ajralish sirti bo’lmaydi. Gamogen: 2 2 2 2 1 СО О СО Н О   Geterogen katalizda reaksiyaga kirishayotgan moddalar bilan katalizatorlar turli fazalardan iborat sistemani hosil qiladi. Bunda katalizator bilan reatsiyaga kirishayotgan moddalar orasida chegara sirti hosil bo’ladi. Odatda, katalizator qattiq modda, reaksiyaga kirishayotgan moddalar esa gazlar yoki suyuqliklar bo’ladi. Geterogen: NH O NO H O Pt 2 3 2 2 2 3 2 5    Kimyoviy ishlab chiqarishda katalizatorlarning roli nihoyatda katta. Sulfat kislotaning olinishi, ammiak sintezi, qattiq ko’mirdan suyuq yoqilg’i olish, neftni va tabiy gazni qayta ishlash, sun’iy kauchuk, plastmassalar olish — bular kattalizatorlar ishlatiladigan eng muhim ishlab chiqarishlarning bir qismigina xolos. Biologik sistemalarda kataliz juda muhim rol uynaydi. Bunday jarayonlarning katalizatorlari fermentlar deyiladi. Fermentlar oddiy yoki murakkab oqsillardan iborat. Chunonchi, so’lakda ptialin fermenti bor bo’lib, kraxmalni qandga aylanishini katalitik tezlashtiradi. Odam organizmida 30 000 ga yaqin turli-tuman fermentlar bo’lib, ulardan har biri o’ziga xos reaksiyalar uchun effektiv katalizatorlik vazifasini bajaradi.