Կատալիզ

Քիմիական ռեակցիայի արագության մեծացման դեպքում կատալիզ կոչվում է դրական, փոքրացման դեպքում՝ բացասական։ Կատալիզատորների մասնակցությամբ ընթացող ռեակցիաները կոչվում են կատալիտիկ։ Եթե կատալիզատորը գոյանում է ռեակցիայի ընթացքում, ապա ռեակցիան կոչվում է ինքնակատալիզված, իսկ երևույթը՝ ինքնակատալիզ։

Ռեակցիաների բացարձակ արագությունների տեսության համաձայն ցանկացած տարրական ռեակցիա ընթանում է ռեագենտների փոխազդեցության հետևանքով միջանկյալ շատ ռեակցունակ գոյացության՝ ակտիվ կոմպլեքսի առաջացման վրայով՝

• ելանյութեր ${\displaystyle \rightleftarrows }$ ակտիվ կոմպլեքս ${\displaystyle \rightarrow }$ վերջնանյութեր։

Ըստ այս մոդելի, ռեակցիայի արագությունը համեմատական է ակտիվացման պրոցեսի ստանդարտ ազատ էներգիայի (${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$) փոփոխությանը։ Եթե կատալիզատորի բացակայությամբ ստանդարտ ազատ էներգիան ${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$ (չկ) է և կատալիզատորի ներկայությամբ՝ ${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$ (կ), ապա ${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$(կ) < ${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$(չկ)։ ${\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}$-նրի տարբերությունը հետևանք է այն բանի, որ չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաներն ընթանում են տարբեր մեխանիզմներով։

 

Կատալիզատորի ներկայությամբ ռեակցիան ընթանում է նոր, ավելի հարմար ուղիով։ Ռեակցիայի նոր ճանապարհն ավելի ձեռնտու է, որովհետև նրա իրականացման համար պահանջվում է ավելի փոքր ակտիվացման էներգիա։ Ըստ գծագրի, չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաների ակտիվացման էներգիաների տարբերությունը հավասար է

${\displaystyle {(E_{1}-E_{2})}}$ 

կամ

${\displaystyle {(E_{1}-E_{3})}}$ 

Եթե ելանյութի և կատալիզի փոխազդեցության հետևանքով չի առաջանում միջանկյալ կայուն միացություն, ապա կատալիզված ռեակցիայի ընթացքը կպատկերվի (3) կորով։

Կատալիզատորի ազդեցության վերաբերյալ բերված պատկերումից հետևում է՝

1. կատալիզատորը փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը՝ մասնակցելով ռեակցիայի միջանկյալ փուլերին.
2. ռեակցիայի վերջում այն քանակապես վերականգնվում է.
3. կատալիզատորի ներկայությամբ փոխվում է ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրությունը (X₁-ի փոխարեն ստացվում է X₂)։

Ուրեմն, կատալիզը երևույթ է, երբ ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրության մեջ մտնում է մի նյութ, որը, ռեակցիայի ընթացքում քանակապես անփոփոխ մնալով, փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը։ Որոշ դեպքերում կատալիզատորների առկայությամբ ռեակցիայի ընթացքում ծնունդ են առնում էներգիայով հարուստ միջանկյալ մասնիկներ, որոնք արագացնում են ռեակցիան (ճյուղավորված շղթայական ռեակցիաներ), օրինակ,

${\displaystyle {CO+O_{2}}}$  ռեակցիան կատալիզվում է ջրով, որի առկայությամբ ծնունդ են առնում H և OH^- ռեակցունակ միջանկյալ մասնիկները։

Գոյություն ունեն համասեռ (հոմոգեն) և տարասեռ (հետերոգեն) կատալիզներ։

Հոմոգեն

Համասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են միևնույն ֆազում։ Ռեագենտները և կատալիզատորը, օրինակ, գազեր են

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+O_{2}+NO_{2}\rightleftarrows 2SO_{3}+NO_{2}}}}$ 

հեղուկներ

${\displaystyle {\mathsf {CH_{3}COOC_{2}H_{5}+H_{2}O+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}COOH+C_{2}H_{5}OH+H^{+}}}}$ 

պինդ նյութեր

${\displaystyle {\mathsf {2KClO_{3}+MnO_{2}\rightleftarrows 2KCl+3O_{2}+MnO_{2}}}}$ 

Հետերոգեն

Տարասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են տարբեր ֆազերում, օրինակ,

${\displaystyle {\mathsf {4NH_{3}+5O_{2}+Pt\rightleftarrows 4NO+6H_{2}O+Pt}}}$ 

Միջանկյալ միկրոտարասեռ կատալիզը, երբ կատալիզատորը գտնվում է կոլոիդային վիճակում կամ բարձրմոլեկուլային նյութ է, օրինակ, միցելները, ֆերմենտները։

Ըստ ռեագենտի և կատալիզատորի փոխազդեցության բնույթի, կատալիզված ռեակցիաները լինում են թթվահիմնային և օքսիդավերականգնման։

Թթվահիմնային կատալիզ

Թթվայինի դեպքում H⁺ է անցնում կատալիզատորից (HA) ռեագենտին (C)՝

${\displaystyle {\mathsf {C+HA\rightarrow CH^{+}+A^{-}}}}$ 

${\displaystyle {\mathsf {CH^{+}+D\rightarrow E+F+H^{+}}}}$ 

հիմնայինի դեպքում՝ OH կամ H⁺ հակառակ ուղղությամբ։ Ապրոտոնային թթուների (Լյուիսի թթուների) առկայությամբ ռեագենտ-կատալիզատոր փոխազդեցությունը իրականանում է էլեկտրոնների զույգի մասնակցությամբ։ Թթվահիմնային կատալիզ կարող է տեղի ունենալ իոնափոխանակային խեժերի առկայությամբ։

Օքսիդավերականգնման կատալիզ

Օքսիդավերականգնման կատալիզի դեպքում ռեագենտ-կատալիզաաոր փոխազդեցությունը տեղի է ունենում էլեկտրոնների անցումով։ Կիսահաղորդչային կատալիզատորը պատկանում է այդ դասին։ Օքսիդավերականգնման ռեակցիաներում կատալիզելու ակտիվություն ունեն հատկապես d-տարրերը։

Կատալիզին հատուկ են մի շարք առանձնահատկություններ՝ ազդեցության յուրահատկություն (յուրաքանչյուր քիմիական ռեակցիակամ նմանատիպ ռեակցիաների դաս կարող է կատալիզվել միայն որոշակի նյութերով)։ Այս հատկությունը առավել ցայտուն է ֆերմենտների մոտ։ Կատալիզատորի այս հատկության չափանիշը կատալիզատորի ընտրողականությունն է։ Սա արագությունների հարաբերություն է՝ հայտարարը ելանյութի սպառման արագությունն է, համարիչը՝ հետաքրքրության առարկա հանդիսացող նյութի կուտակման արագությունը։

Կատալիտիկ ակտիվությունը որոշվում է կատալիզատորի միավոր զանգվածին, կոնցենտրացիային կամ մակերեսին ընկնող ռեակցիայի արագությամբ։ Պրոմոտորների ներկայությամբ կատալիզատորի ակտիվությունը մեծանում է, թույների (ինհիբիտորների) ներկայությամբ՝ նվազում։ Կատալիզատորի բաղադրության ընտրությունը բարդ խնդիր է, կատարվում է փորձարարական ճանապարհով։

• Կատալիզատորներ
• Ինհիբիտոր
• Ավտոկատալիզ

• Боресков Г. К. Катализ. Вопросы теории и практики. — Новосибирск, 1987.
• Гейтс Б. Химия каталитических процессов / Б. Гейтс, Дж. Кетцир, Г. Шуйт. — М.: Мир, 1981. — 551 с.
• Журнал «Кинетика и катализ Արխիվացված 2004-10-13 Wayback Machine».
• Колесников И. М. Катализ и производство катализаторов. — М.: Техника, 2004. — 399 с.
• Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н. Кинетические модели каталитических реакций. — Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983. — 255 c.

• Science Aid: Catalysts Page for high school level science
• W.A. Herrmann Technische Universität presentation Արխիվացված 2005-10-28 Wayback Machine
• Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan
• Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands
• Centre for Surface Chemistry and Catalysis Արխիվացված 2008-10-05 Wayback Machine

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 5, էջ 282)։