کاتالیزورها و انرژی فعال سازی | ACID-CITRIC.IR

کاتالیزور چیست؟

بیایید در مورد اینکه کاتالیزور چیست صحبت کنیم. آ کاتالیزور ترکیب یا عنصری است که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهد، به عنوان مثال سرعتی که در آن رخ می دهد، بدون اینکه خود بخشی از واکنش باشد. به طور کلی، یک کاتالیزور در واکنش از بین نمی رود یا تغییر نمی کند. یک کاتالیزور این کار را با پایین آوردن درجه انجام می دهد انرژی فعال سازی، که در قسمت بعدی توضیح می دهیم

انرژی فعال سازی چیست؟

به زبان ساده، تعریف انرژی فعال سازی انرژی مورد نیاز برای شروع واکنش بین دو یا چند عنصر یا ترکیب است. یک واکنش با انرژی فعال سازی بالا ممکن است به کندی انجام شود یا اصلاً انجام نشود. برای سرعت بخشیدن یا شروع یک واکنش، می توانید انرژی فعال سازی لازم را اضافه کنید یا از کاتالیزوری استفاده کنید که این نیاز را کاهش می دهد و به طور موثر سرعت واکنش را افزایش می دهد.

واحدهای انرژی فعال سازی بر حسب واحد انرژی هستند. رایج ترین واحدهای مورد استفاده KJ/mol یا J/mol هستند.

کاتالیزور چگونه کار می کند؟

یک کاتالیزور با کاهش انرژی فعال سازی سرعت واکنش را افزایش می دهد. کاهش انرژی فعال سازی به معنای انرژی کمتر مورد نیاز برای شروع واکنش است.

نمودار زیر انرژی یک واکنش را با و بدون کاتالیزور نشان می دهد. محور x مختصات واکنش یا پیشرفت واکنش از واکنش دهنده (سمت چپ) به محصول (سمت راست) است. محور y انرژی است.

با وجود کاتالیزور، انرژی فعال سازی (E_آ) کوچکتر است. از نظر بصری، تپه ای که واکنش باید قبل از سرازیری به سمت محصولات بالا برود کوچکتر است. همانطور که دوچرخه سواری بر روی یک سربالایی کوچک آسانتر از یک سربالایی بزرگتر است، هنگامی که تپه انرژی فعال سازی کوچکتر باشد، واکنش سریعتر انجام می شود.

یک کاتالیزور انرژی فعال سازی را با تغییر حالت گذار واکنش کاهش می دهد. سپس واکنش از مسیر/مکانیسم متفاوتی نسبت به واکنش کاتالیز نشده عبور می کند. کاتالیزور تفاوت انرژی خالص بین واکنش دهنده و محصول را تغییر نمی دهد. معادله خالص واکنش در یک واکنش کاتالیز شده و غیر کاتالیز شده یکسان خواهد بود حتی اگر حالت گذار تغییر کند.

واکنش کلی: A + B + کاتالیزور -> AB + کاتالیزور

واکنش خالص: A + B -> AB

دسته های اصلی کاتالیست

کاتالیزور ناهمگن

یک کاتالیزور ناهمگن در فاز متفاوتی نسبت به واکنش دهنده ها قرار دارد. معمولاً به این معنی است که کاتالیزور در فاز جامد و واکنش دهنده ها در فاز مایع یا گاز هستند. نام دیگر کاتالیزور ناهمگن کاتالیزور سطحی است.

کاتالیزورهای ناهمگن با اتصال کاتالیزور به یک ساختار تکیه گاه جامد کار می کنند و واکنش دهنده ها بر روی کاتالیزور جریان می یابند و در طول مسیر واکنش نشان می دهند. یکی از مزایای این نوع کاتالیزور این است که کاتالیزور پس از اتمام واکنش به راحتی از محصول جدا می شود. سپس کاتالیزور به راحتی قابل استفاده مجدد است. در تولید، این یک اقدام مهم کاهش هزینه است. یک اشکال کاتالیزور ناهمگن این است که میزان برهمکنش بین واکنش دهنده و کاتالیزور را می توان با مساحت سطح و انتشار محصول به دور از سطح محدود کرد.

یک کاتالیزور ناهمگن رایج یک مبدل کاتالیزوری برای بنزین در خودروها است. یکی دیگر از کاتالیزورهای ناهمگن مهم فرآیند Haber-Bosch است که NH را تشکیل می دهد₃.

کاتالیزور همگن

در یک کاتالیزور همگن، هر دو واکنش دهنده و کاتالیزور در یک فاز هستند. معمولاً هر دو در فاز مایع یا گاز هستند.

مزیت اصلی یک کاتالیزور همگن افزایش برهمکنش بین واکنش دهنده و کاتالیزور است. هر دو می توانند آزادانه حرکت کنند و بنابراین احتمال بیشتری وجود دارد که تعامل داشته باشند و منجر به واکنش شوند.

کاتالیزورهای معمولی همگن فلزات واسطه و اسیدها هستند. یکی از واکنش‌های کاتالیز شده همگن، تبدیل اکسیژن به ازن در جو است. اکسید نیتریک (NO) واکنش را کاتالیز می کند. همه شرکت کنندگان در واکنش در فاز گاز قرار دارند. بنابراین می دانیم که یک واکنش کاتالیزوری همگن است.

آنزیم ها

آنزیم ها پروتئین های بزرگی هستند که کاتالیزورهای بیولوژیکی هستند. آنها نیروهای قدرتمندی در بدن هستند. اغلب آنها فقط یک واکنش بسیار خاص را کاتالیز می کنند (در مقایسه با کاتالیزورهای معدنی که اغلب مجموعه بسیار گسترده تری از واکنش ها را کاتالیز می کنند). این ویژگی به دلیل مکان فعال در کاتالیزور است – یک محفظه از ترکیب شیمیایی خاص که توسط اسیدهای آمینه تشکیل شده است که تنها یک مدل واکنش دهنده بسیار خاص در آن جا می شود. به این مدل قفل و کلید نیز گفته می شود.

آنزیم ها نقش مهمی در بدن دارند. آنها تجزیه نشاسته را برای ایجاد گلوکز کاتالیز می کنند. آنها همچنین دی اکسید کربن (CO₂) به سایر مولکول های مورد نیاز بدن مانند HCO₃^–. آنزیم ها تقریباً به تمام فرآیندهای بدن کمک می کنند و سرعت می بخشند.

محاسبه انرژی فعال سازی

محاسبات انرژی فعال سازی از معادله آرنیوس استفاده می کند. اصول اولیه در اینجا پوشش داده خواهد شد، اما برای مثال های بیشتر و تجزیه و تحلیل عمیق، حتما مقاله معادله آرنیوس را بررسی کنید.

معادله آرنیوس:

$k=Ae^{frac{-E_a}{RT}}$

جایی که $ک$ نرخ ثابت است، $E_a$ انرژی فعال سازی است، $آ$ فاکتور فرکانس است، $آر$ ثابت گاز است و $تی$ دما است.

اگر ثابت سرعت را بدانیم می توانیم انرژی فعال سازی را پیدا کنیم ( $ک$ در دماهای مختلف ( $تی$ ). برای تعیین انرژی فعال سازی ( $E_a$ ) طرح می کنیم $ln(k)$ در مقابل $1/T$ . با این کار خطی با شیب – $E_a$ / $آر$ و قطع y از $آ$ . $آر$ یک ثابت است، بنابراین می توانیم انرژی فعال سازی را حل کنیم.

برای مثال مشکلات مربوط به فرمول انرژی فعال سازی، به صفحه معادله آرنیوس مراجعه کنید!

لیست کاتالیزورهای رایج:

پنتوکسید وانادیوم (ساخت اسید سولفوریک)
فلز پالادیوم
دی اکسید منگنز
فلز پلاتین (در مبدل های کاتالیزوری)
فلز آهن (در فرآیند هابر)
کلرید آلومینیوم (بسیاری از واکنش های آلی)
اکسید مس (II).
آنزیم ها (کاتالیزورهای طبیعی در واکنش های بیوشیمیایی)

تعاریف واژگان کاتالیزور و انرژی فعال سازی

انرژی فعال سازی – انرژی مورد نیاز برای شروع واکنش بین دو یا چند عنصر یا ترکیب
کاتالیزور– مولکولی که سرعت واکنش را افزایش می دهد و در واکنش مصرف نمی شود
شماره گردش مالی – تعداد واکنش هایی که یک آنزیم می تواند در هر ثانیه کاتالیز کند
آنزیم – یک کاتالیزور بیولوژیکی ساخته شده از اسیدهای آمینه.
مدل قفل و کلید – مدلی که یک آنزیم و مولکول واکنش دهنده شکل مشابهی در محل فعال دارند تا ویژگی و کارایی واکنش را افزایش دهند.
کاتالیزور همگن – کاتالیزوری که در همان فاز واکنش دهنده ها وجود دارد.
کاتالیزور ناهمگن یک کاتالیزور در فازی متفاوت از واکنش دهنده ها.

امیدواریم اکنون بدانید که کاتالیزور چیست، چگونه بر واکنش اثر می‌گذارد و انرژی فعال‌سازی چگونه وارد عمل می‌شود. اگر عمیق‌تر به سینتیک واکنش‌های شیمیایی بپردازید، این مفاهیم اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. برای بازدید از ACID-CITRIC.IR متشکریم!