Мазмұны
Кіріспе 4
1 Катализ 6
1.1 Гомогенді катализ
1.2 Гетерогенді катализ
1.3 Ферменттік катализ
2 Катализдің промоторлануы
мен улануы
2.1 Химиялық өндірісте
катализдің маңызы
2.2 Реакция жылдамдығына
катализдің рөлі
3 Каталитикалық реакция
Қорытынды 20
Қолданылған әдебиеттер 21
Кіріспе
Химия бізді қоршаған материялық
дүниені зерттейтін жаратылыстану ғылымдарының
қатарыны жатады. Материя біздің санамыздан
тыс өмір сүреді және үнемі қозғалыста
болады. Әрбір ғылым материя қозғалысының
белгілі бір түрін зерттейді. Химия атомдардың
қосылуынан жаңа заттар түзілетінің материя
қозғалысының түрін зерттейд. Химия ғылымы
заттардың құрамын, құрылысын, қасиетін
және олардын басқа заттарға айналу процестерін
зерттейді.
Көптеген химиялық реакциялар
энергия бөлу арқылы жүреді. Осы энергияны
отын ретінде, іштен жанатын двигательдерде,
космос ракеталарында қолдану химияның
міндеттеріне жатады.
Өнеркәсіпті химияландыру техникалық
прогрестің негізгі шарттарының бірі.
Химияның осы кездегі жетістіктерін пайдаланудың
нәтижесінде өнеркәсіп пен транспортқа
қажетті жоғарғы сапалы болаттар және
құймалар (өте қатты, өте берік, коррозияға
төзімді, ыстыққа төзімді т.б.), сомалеттер
мен автомобильдердің дөңгелектеріне
қажетті өте шыдамды резиналар, әр түрлі
жартылай өткізгіштер, электротехникаға
қажетті изоляциялаушы материалдар, атом
энергетикасы мен ғарыш техникасына қажетті
материялдар мен жоғарғы калориялы жанғыш
заттар, платмассаның, жасанды талшықтардың
көптеген түрлерін өндіру мүмкін болады.
Катализ теориясының даму бағытын
қарастыра отырып, бір-бірімен тығыз байланысты
екі басты бағыт атап көрсетуге болады:
1. Катализатор әсерінің механизмін және
сол арқылы каталитикалық активтілікті
түсіндіретін каталитикалық поцестің
теориясын жасау. 2. Катализатордың активті
орталығының құрылысы мен қасиетін түсіндіріп
теория жасау, катализаторды даярлау теориясын
жасау.
Гетерогендік катализ бір қатар
элементарлық процестер арқылы жүреді.
Соның ішінде реагенттерің катализтормен
әрекеттесуі және өзара әрекеттесуінің
анықтаушы мәні бар. Катализатор мен реагенттердің
әрекеттесу мәселесі ктализ теориясының
ортақ мәселесі боып табылады. Теорияның
қазіргі дамуы катализдегі әрекеттесудің
екі өзара байланысқан мәселелерін атап
көрсетуге болады.
1. Катализ
Химиялық реакциялардың жүру заңдылықтарын
зерттеу химияның негізгі мәселесі. Бір
заттар басқа заттарға айналу кезінде
оларды құрайтын атомдардың электрондық
орбитальдары қайтадан топтасқандықтан
екі байланыстар үзіліп жаңа байланыстар
түзіліп отырады.
Реакцияның жүру механизімін,
жылдамдығын және сол жылдамдықта әрекеттесетін
заттардың концентрацияларының, температураның,
қысымның, катализатордың әсерлерін зерттейтін
химияның бөлімін химиялық кенетика дейді.
Әр түрлі реакциялар әр түрлі
жылдамдықпен жүреді. Кейбір реакциялар
өте баяу жүрді, ал басқа біреулрі қте
тез қопарылыс бере жүреді. Бір реакцияның
өзі жағдайларға байланысты әр түрлі жылдамдықпен
жүреді. Сөйтіп, химиялық реакцияның жылдамдығын
кесімді уақыт ішінде реакцияласушы заттардың
конентрациясының өзгеруімен өлшейді.
Химиялық реакцияның жылдамдығы
дегеніміз блгілі бір уақытта әрекеттесетін
заттар мөлшерінің өзгеруін айтады. Мысалы:
белгілі бір уақыт аралығында Δτ = τ2 + τ1 болғанда әрекеттесуші заттардың
концентрациясы да өзгереді, яғни кемиді: ΔС = С1 – С2. Сонда химиялық
реакцияның орташа жылдамдығы Δτ уақыт аралығында
υорташа = тең болады
(теңдеудің сол жағындағы (-)
блгісі, химиялық реакцияның барысында
әекеттесуші заттардың конентрациясының
кемитіндігін, соған орай реакцияның жылдамдығының
баяулайтындығын көрсетеді ).
С
С1 ---------- m
С2 -------------------------- n
Τ(уақыт)
Т1
Т2
Әрекеттесуші заттардың концентрациясы,
әдетте ерітіндінің белгілі бір көлемінде
еріген заттың моль санымен көрсетеді
(моль/л), ал уақытты сек. немесе мин. көрсетеді.
Химиялық реакция жылдамдығын реакцияға
қатысушы заттардың бірінің концентрациясының
азаюы арқылы көрсетуге болады (). Реакцияның
орташа жылдамдығын әрекеттесуші заттың
концентрациясының шексіз өзгеруінің
ең шексіз кішкене уақыт аралығына қатынасы
өлшемімен көрсетеді:
υ =
Химиялық ракцияның жылдамдығы
реакцияға қатысқан заттардың табиғатына,(еріткіштің
табиғатына) реагенттердің концентрациясына,
температураға және катализатордың қатысу
қатыспауына тікелей тәуелді болады. Ал
енді химиялық реакиялардың жылдамдығының
артуына арналған катализатордың әсерін
қарасытырып көрелік.
Химиялық реакция жылдамдығын
катализтор көмегімен реттеуге болады. Катализатор
деп, реакция жылдамдығын өзгертетін және
ракция нәтижесінде өзгеріссіз қалатын
заттарды айтады. Реакцияға қатысып, процесті
тиімді жолмен жүргізеді, бірлік бетіне
немесе салмақ бірлігіне есептегендегі
жоғары катализдік активтілігі.
Қазіргі уақытта химия
өнеркәсібіндегі барлық процестердің
70%-ке жуығы катализатор қолдану арқылы
жүреді. Кейбір заттар катализатордың
әсер туіне кедергі жасайды, ондай заттарды
ингибиторлар немесе
катализатор улары деп атайды. Катализатордың
улары қайтымды және қайтымсыз болады.
Мысалы, аммиактың темір катализаторында
синтездеу реакциясында оттектің қосылыстары
темірді қайтымды уландырады,ал күкірттің
қосылыстары қайтымсыз уландырады. Уландыруды
болдырмау үшін катализаторға келетін
реакциялық қоспаны өте мұқият тазатру
керек. Органикалық қосылыстардың реакцияларында
(крекинг, изомерлену, дегидрлеу, тағы
басқа) катализатордың улануы көбіне полимерлік
қабыршықтардың түзілуінен болады, өйткені
олар катализатор бетін жабады. Мұндай
жағдайда катализаторды регенерациялау
(қалпына келтіру) үшін қабыршықты ауа
үрлеп жағады. Егер катализатор қайтымсыз
уланса, оны регенерациялау үшін реактордан
шығрып алып катализатор улануын кетіретін
еріткіштермен жуады.
Катализатордың реакция жылдамдығына
әсерін аралық қосылыс теориясы арқылы
түсіндіруге болады.
Мысалы:
А + В → АВ (Е0 – активтендіру
энергиясы)
реакциясын алып қарастырайық.
Аралық қосылыс теориясы бойынша
көрсетілген типтегі реакцияда, оның жылдамдығын
арттыру үшін катализатор (К) реакцияға
қатысушы заттардың бірімен әрекеттесетін
тұрақсыз аралық қосылыс түзеді:
А + К → АК
АК – аралық комплексінің активтендіру
энергиясы төмен болады:
Е1акт.<Е0акт.
Түзілген аралық (АК) қосылысы
екінші В затымен әрекеттесіп, негізгі
АВ заты түзіледі де, К – катализатор бөлініп
шығады:
АК + В → АВ + К
(ЕIIакт. < Е0акт.)
Сонымен негізгі қосылысты
алу процесі аралық қосылыс түзілу арқылы
жүретін екі сатыдан тұрады. Бұған қатысатын
заттардың табиғаты әсер ететіндіктен
және екі прцестің де активтендіру энергиясы
азаятындықтан катализатор қатысуымен
жүретін жалпы реакцияның жылдамдығы
артады.
1.1 Гомогенді катализ
Каталитикалық процестерді
гомогендік, гетерогендік, ферменттік
процестер деп бөледі. Осы процесстердің
гомогендік түріне нақтырақ тоқталайық.
Гомогендік катализде катализатор және
реакцияға түсетін заттар бір фазада болады.
Гомогендік катализде реакция
жылдамдығы катализ мөлшеріне тура пропорционал
болады. Катализатордың реакция жылдамдығына
әсері меншікті каталитикалық активтілігі
(МКА) арқылы сипатталады. Гомогендік катализде
МКА катализатордің бірлік массасындағы
реакция жылдамдығымен анықталады. Гомогендік
реакцияның жылдамдығы деп белгілі бір
уақытта реакция жүретін көлемде әрекеттесетін
заттардың мөлшерінің өзгеруін айтады.
Мысалы, реакцияға қатысатын заттардың
концентрациясы 1 моль/л, ал реакция 1млн
жүргеннен кейін 0,8 моль/л қалса, 1млн ішінде
жұмсалған 0,2 моль/л осы реакцияның жылдамдығын
көрсетеді. Реакцияның орта жылдамдығы
белгілі бір уақыт аралығы үшін t2 – t1 концентрациясының
өзгеруімен С2 – С1 өлшенеді.
Газ фазасында гомогендік катализдің
мысалы ретінде дибутил және диэтил эфирдің,
ацеталдегидтің және азот (I) оксидінің
йод буының қатысында ыдырау реакцияларын
айтуға болады. Ерітіндідегі гомогендік
катализде көп жағдайда реакция жылдамдығы
сутек және гидроксид иондарының қатысуында
артады. Ерітіндідегі гомогендік катализдің
мысалы ретінде қанттың энверсиясы күрделі
эфирлер мен амидтердің су қатысында
ыдырауларын және т.б. көптеген реакцияларды
қарастыруға болады.
Гомогенді катализдегі катализатордың
әсері аралық қосылыстар түзілуі арқылы
түсіндіріледі. Реакцияның жалпы түрін
алайық:
Реакцияға катализатор ретінде
N0 қолданылады. Реакцияға кіретін заттар:
80 және О2, катализатор: N0= Осылардың бәрі
газдар, яғни фазасы біреу ғана (газ фазасы):
О2 + 2NO = 2NO2
N02 - аралық қосылыс.
2NO2 + 2SO2 = 2SO3
Босаған катализатор (N0) процестерді
одан әрі қайталап, жүргізе береді.
Мұнай химиялық өнеркәсіптің
негізгі процестерінің сипаттамалары.
Реагент-тердің бас-тапқы қоспа-ларының
фазалық күйі |
Просецесс өткізілетін жүйе |
Реякция сипаты |
Процесс |
Реактор
түрі |
Ескерту |
Газ (гомогенді) |
Статика-
лық
(периодтық) |
Экзотер-миялық |
Жоғары қысымда (1000-2000) және
оттек қатынасында этиленді полимерлеу. |
Цилин-дрлі автокла-втар |
- |
Газ (шомлгенді ктапли-тикалық
процестер-мен қоса)
|
Динами-калық (үздіксіз)
|
Ол да
|
Мұнда жиі эндотер-миялық
және экхотер-миялық реякиялар бірдей
өтеді. Бірақ жалпы жылу эфект экзотер-миялық
процеске сәйкес
|
Ацетиленді алуға металды
толықсыз жағу
|
Пештер |
Реякция өнімдерінің құрамы
реагенттер қатынасына |
Ситез газды алу
|
Ол да |
- |
Формальдегитті алуға метанды
және этанды
жартылай толықтыру
|
Көп құбыр
лы реа-кторлар |
Жүйеге еңгізілетін азот тотықтры-ның
ролі қазірге дейін білгісіз. |
Автотермиялық крекинг этанды
және пропанды сәйкесті олефиндер-ге дегил-дрлеу |
Көп құбыр-лы пеш-тер нем-есе
қат-ты тас-малшы-сы бар реакция құбыр-лар |
- |
Соңғысы газдық қоспадан
сумен немесе этаноламинмен 25 атм.қысым
астында шайылады, жуылған газ кейінен,
аммиакты синтездеудің жұмыстық қысымына
дейін компромирленеді және бірвалентті
мыс формиатының аммиакты ерітіндісімен
көміртек оксиді аластатылады. Бұл өңдеуден
кейін аммиакты синтездеуге сутек пен
1 азоттың бастапқы қоспасын алады.
Синтез газды қолданудың
өте маңызды және өте ірі саласы болып
табыады.Синтез көміртек оксидін және
сутекті, олефиндерге қосуына егізделгеннің
нәтижесін альдегидтер түзіледі.
Гидроформилдеу процесі гомогенді
катализдің қолдануына негізделген
ірі тонналық өнеркәсіптік
өңдірістің тарихында бірінші мысал
болды.
Ал оларды катализатор көмегімен
бензолға жөне оның туындыларына айналдыруды
парафиндердің ароматтандырудың Н.Д.Зелинский
және оның шәкірттері Б.А. Казанский мен
А.Ф. Платэ ашқан реакциясы негізінде іске
асыруға болады:
1.2 Гетерогенді
катализ
Қазіргі кезде кез келген реакцияға
оның жылдамдығын арттыратын катализаторды
таңдай алатындай катализдің ешқандай
жалпы теориясы жоқ. Алайда күрделі каталитикалық
теориялар аз емес. Соның ішінде көбірек
таралған үш теорияға тоқталайық.
1. А.А. Баландиннің мультиплеттік
теориясы. Бұл теория бойынша катализатор
бетіндегі активті бөлімшелердегі
атомдардың орналасуы мен реакцияға түсетін
заттардың молекулаларының құрылысы арасында
белгілі бір құрылыстық (немесе геометриялық)
сәйкестік болу керек. Бұл –құрылыстық
сәйкестілік принципі. Мультиплеттік
теория бойынша беттегі активтілік орталықтар-мультиплеттер
болады. Егер активтік орталық екі атомнан
тұрса – дуплет, үш атомнан тұрса –триплет,
алты атомнан тұрса –секстет деп аталады.
Жалпы алғанда оларды мультиплет деп атайды.
Катализатордың
әсері реакцияға түсетін молекулалардың
индкстік тобындағы атомдар арақашықтығы
мен активтік орталықтағы атомдардың
арақашықтығының қарым-қатынасына
байланысты болады. Тәжірбиелер
циклопарафиндердің дегидрогендеу
реакциясы үшін катализатор болуға тек
бет жағындағы атомдары тең бүйірлі ұшбұрыш
сияқты тор түрінде орналасқан металдардың
жарайтынын көрсетті. Оның үстіне осы
атомдардың мынадай аралықта: 2,47 А0 (Ni) және 2,47
А0 (Pt) болу керек
екенін көрсетеді. Мысалы, этил спиртінің
дегидрогендеу процесі мультиплеттік
теория бойынша дуплетте жүреді. Онда
дуплеттің бір атомына (К1) СН2 және ОН топтарының
сутек атомдары тартылады да, оттек атомы
мен СН тобындағы көміртек дуплеттің екінші
атомына (К2) тартылады.
Осының нәтижесінде С-Н және О-Н байланыстары
үзіліп, сірке альдегиді мен сутекте С=О
және Н-Н байланыстары түзіледі.
Н
. К1
СН3--- С--------О→СН3СНО + Н2
Н .К2
Мұндағы нүктелер – катализатор
бетіндегі дуплеттің атомдары. Егер дуплеттегі
атомдар арақашықтығы басқаша болса, онда
басқа процесс жүруі мүмкін: СН3 тобындағы
сутек және оттек атомдары дуплеттің бір
атомына, ал көміртек атомдары дуплеттің
екінші атомына тартылады. Соның нәтижесінде
реакция өнімдері этилен және су болады.