เคมีเป็นศาสตร์แห่งสสารและการเปลี่ยนแปลงของสาร ตลอดจนวิธีการได้มาซึ่งสิ่งเหล่านี้ แม้แต่ในหลักสูตรปกติของโรงเรียน ประเด็นสำคัญเช่นปฏิกิริยาประเภทต่างๆ ก็ถูกนำมาพิจารณาด้วย การจำแนกประเภทที่เด็กนักเรียนได้รับการแนะนำให้รู้จักในระดับพื้นฐานคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงในระดับของการเกิดออกซิเดชัน ระยะของหลักสูตร กลไกของกระบวนการ ฯลฯ นอกจากนี้ กระบวนการทางเคมีทั้งหมดยังแบ่งออกเป็นแบบไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยา ตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นโดยมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาพบโดยบุคคลในชีวิตปกติ: การหมักการสลายตัว การแปลงแบบไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยานั้นหายากกว่ามากสำหรับเรา
ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร
นี่คือสารเคมีที่สามารถเปลี่ยนอัตราการโต้ตอบ แต่ไม่มีส่วนร่วม ในกรณีที่กระบวนการถูกเร่งด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยา เรากำลังพูดถึงตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวก ในกรณีที่สารที่เติมในกระบวนการลดอัตราการเกิดปฏิกิริยา จะเรียกว่าสารยับยั้ง
ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันในแต่ละเฟส, ในซึ่งมีวัสดุตั้งต้นอยู่ หากส่วนประกอบเริ่มต้นที่ใช้สำหรับการโต้ตอบ รวมทั้งตัวเร่งปฏิกิริยา อยู่ในสถานะการรวมตัวเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันจะดำเนินการต่อไป ในกรณีที่สารที่มีเฟสต่างกันมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา จะเกิดการเร่งปฏิกิริยาต่างกัน
การเลือกปฏิบัติ
การเร่งปฏิกิริยาไม่ได้เป็นเพียงวิธีการเพิ่มผลผลิตของอุปกรณ์ แต่ยังส่งผลดีต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้ ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าเนื่องจากการกระทำแบบเลือก (เลือก) ของตัวเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาโดยตรงจะถูกเร่ง กระบวนการด้านข้างจะลดลง ในที่สุด ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีความบริสุทธิ์สูง ไม่จำเป็นต้องทำให้สารบริสุทธิ์เพิ่มเติม การเลือกใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยลดต้นทุนวัตถุดิบที่ไม่ใช่การผลิตได้อย่างแท้จริง ซึ่งเป็นประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่ดี
ประโยชน์ของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิต
ปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยามีลักษณะอย่างไร? ตัวอย่างจากโรงเรียนมัธยมศึกษาทั่วไปแสดงให้เห็นว่าการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้กระบวนการนี้ดำเนินการได้ที่อุณหภูมิต่ำ การทดลองยืนยันว่าสามารถใช้เพื่อลดต้นทุนด้านพลังงานได้อย่างมาก สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งในสภาพปัจจุบัน เมื่อโลกขาดแคลนพลังงาน
ตัวอย่างการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยา
อุตสาหกรรมใดใช้ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา? ตัวอย่างของการผลิตดังกล่าว:การผลิตกรดไนตริกและกรดซัลฟิวริก ไฮโดรเจน แอมโมเนีย โพลีเมอร์ การกลั่นน้ำมัน ตัวเร่งปฏิกิริยาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตกรดอินทรีย์ โมโนไฮดริกและโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ ฟีนอล เรซินสังเคราะห์ สีย้อม และยารักษาโรค
ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร
สารจำนวนมากที่อยู่ในตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมีของ Dmitry Ivanovich Mendeleev รวมถึงสารประกอบของพวกมันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ในบรรดาสารเร่งความเร็วที่พบมากที่สุด ได้แก่ นิกเกิล เหล็ก แพลตตินัม โคบอลต์ อะลูมิโนซิลิเกต แมงกานีสออกไซด์
คุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา
นอกจากการดำเนินการคัดเลือกแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยายังมีความแข็งแรงทางกลที่ดีเยี่ยม พวกมันสามารถทนต่อพิษของตัวเร่งปฏิกิริยา และสร้างใหม่ได้ง่าย (กู้คืน)
ตามสถานะของเฟส ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันของตัวเร่งปฏิกิริยาจะแบ่งออกเป็นเฟสแก๊สและเฟสของเหลว
มาดูปฏิกิริยาประเภทนี้กันดีกว่า ในสารละลาย ไฮโดรเจนไอออนบวก H+, ไอออนฐานไฮดรอกไซด์ OH-, ไอออนบวกของโลหะ M+ และสารที่ก่อให้เกิดอนุมูลอิสระทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
สาระสำคัญของการเร่งปฏิกิริยา
กลไกการเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบสคือมีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างสารที่ทำปฏิกิริยากับไอออนบวกของตัวเร่งปฏิกิริยา (โปรตอน) ในกรณีนี้ การเปลี่ยนแปลงภายในโมเลกุลเกิดขึ้น ตามนี้ค่ะปฏิกิริยาไปเช่นนี้:
- คายน้ำ (แยกน้ำ);
- การให้น้ำ (สิ่งที่แนบมาของโมเลกุลของน้ำ);
- เอสเทอริฟิเคชัน (การเกิดเอสเทอร์จากแอลกอฮอล์และกรดคาร์บอกซิลิก);
- การควบแน่น (การเกิดพอลิเมอร์ด้วยการกำจัดน้ำ)
ทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาไม่ได้อธิบายเฉพาะกระบวนการเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงด้านข้างที่เป็นไปได้ด้วย ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาของกระบวนการจะสร้างเฟสอิสระ บางจุดศูนย์กลางบนพื้นผิวของสารตั้งต้นมีคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยา หรือเกี่ยวข้องกับพื้นผิวทั้งหมด
นอกจากนี้ยังมีกระบวนการ microheterogeneous ซึ่งเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาในสถานะคอลลอยด์ ตัวแปรนี้เป็นสถานะการนำส่งจากตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทเนื้อเดียวกันไปจนถึงตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทต่างกัน กระบวนการเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างสารที่เป็นก๊าซโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง อยู่ได้ทั้งแบบเม็ด เม็ด เม็ด
การกระจายตัวเร่งปฏิกิริยาในธรรมชาติ
การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ค่อนข้างแพร่หลายในธรรมชาติ ด้วยความช่วยเหลือของ biocatalysts ที่การสังเคราะห์โมเลกุลโปรตีนจะดำเนินการเมแทบอลิซึมในสิ่งมีชีวิตจะดำเนินการ ไม่ใช่กระบวนการทางชีววิทยาเดียวที่เกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของสิ่งมีชีวิตที่เลี่ยงผ่านปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างกระบวนการที่สำคัญ: การสังเคราะห์โปรตีนจำเพาะต่อร่างกายจากกรดอะมิโน สลายไขมัน โปรตีน คาร์โบไฮเดรต
อัลกอริธึมการเร่งปฏิกิริยา
มาดูกลไกการเร่งปฏิกิริยากัน กระบวนการนี้ซึ่งเกิดขึ้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่เป็นของแข็งที่มีรูพรุน ได้แก่ตัวเองเป็นช่วงประถมไม่กี่:
- การแพร่กระจายของสารที่มีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเกรนจากแกนของการไหล
- การแพร่กระจายของน้ำยาในรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยา
- เคมีดูดซับ (กระตุ้นการดูดซับ) บนพื้นผิวของเครื่องเร่งปฏิกิริยาเคมีที่มีลักษณะของสารบนพื้นผิวเคมี - สารเชิงซ้อนตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปิดใช้งาน
- การจัดเรียงอะตอมใหม่โดยมีลักษณะของการรวมพื้นผิว "catalyst-product";
- การแพร่กระจายในรูขุมขนของเครื่องเร่งปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์
- การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวเกรนของเครื่องเร่งปฏิกิริยาสู่กระแสแกน
ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาและไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญมากจนนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยอย่างต่อเนื่องในด้านนี้เป็นเวลาหลายปี
ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ไม่จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพิเศษ ตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ในเวอร์ชันที่ต่างกันนั้นเกี่ยวข้องกับการใช้อุปกรณ์ที่หลากหลายและเฉพาะเจาะจง สำหรับการไหลนั้นได้มีการพัฒนาอุปกรณ์สัมผัสพิเศษโดยแบ่งย่อยตามพื้นผิวสัมผัส (ในหลอด บนผนัง กริดตัวเร่งปฏิกิริยา) ด้วยชั้นกรอง; ชั้นชั่งน้ำหนัก ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแหลกลาญเคลื่อนที่
การแลกเปลี่ยนความร้อนในอุปกรณ์มีการใช้งานในรูปแบบต่างๆ:
- ผ่านการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระยะไกล (ภายนอก)
- ด้วยความช่วยเหลือของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งในอุปกรณ์สัมผัส
โดยการวิเคราะห์สูตรในวิชาเคมี เรายังสามารถพบปฏิกิริยาดังกล่าวซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมีส่วนประกอบดั้งเดิม
กระบวนการดังกล่าวมักจะเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติในวิชาเคมี
อัตราการโต้ตอบหลายอย่างสัมพันธ์กับการมีอยู่ของสารบางชนิดในส่วนผสมของปฏิกิริยา ส่วนใหญ่มักจะพลาดสูตรของพวกเขาในวิชาเคมี แทนที่ด้วยคำว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยา" หรือเวอร์ชันย่อ สิ่งเหล่านี้ไม่รวมอยู่ในสมการทางสเตอริโอเคมีขั้นสุดท้าย เนื่องจากพวกมันจะไม่เปลี่ยนจากมุมมองเชิงปริมาณหลังจากการโต้ตอบเสร็จสิ้น ในบางกรณี สารจำนวนเล็กน้อยก็เพียงพอที่จะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความเร็วของกระบวนการ สถานการณ์ยังค่อนข้างยอมรับได้เมื่อถังปฏิกิริยาทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี
สาระสำคัญของผลกระทบของตัวเร่งปฏิกิริยาต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราของกระบวนการทางเคมีคือสารนี้รวมอยู่ในองค์ประกอบของสารเชิงซ้อนที่ออกฤทธิ์ ดังนั้นจึงเปลี่ยนพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมี
เมื่อสารเชิงซ้อนนี้สลายตัว ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกสร้างขึ้นใหม่ สิ่งสำคัญที่สุดคือจะไม่ถูกใช้ไป แต่จะคงอยู่ในจำนวนเงินเท่าเดิมหลังจากสิ้นสุดการโต้ตอบ ด้วยเหตุนี้สารออกฤทธิ์จำนวนเล็กน้อยจึงเพียงพอที่จะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น (สารทำปฏิกิริยา) ในความเป็นจริง ตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนเล็กน้อยยังคงถูกใช้ไปในระหว่างกระบวนการทางเคมี เนื่องจากกระบวนการด้านต่าง ๆ เป็นไปได้: พิษของมัน การสูญเสียทางเทคโนโลยี และการเปลี่ยนแปลงในสถานะพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง สูตรเคมีไม่รวมตัวเร่งปฏิกิริยา
สรุป
ปฏิกิริยาที่สารออกฤทธิ์ (ตัวเร่งปฏิกิริยา) มีส่วนร่วมรอบตัวบุคคล นอกจากนั้น ยังเกิดขึ้นในร่างกายของเขาอีกด้วย ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันนั้นพบได้น้อยกว่าปฏิกิริยาที่ต่างกันมาก ไม่ว่าในกรณีใด ๆ คอมเพล็กซ์ระดับกลางจะถูกสร้างขึ้นครั้งแรกซึ่งไม่เสถียรจะค่อยๆถูกทำลายและสังเกตการงอกใหม่ (การกู้คืน) ของตัวเร่งปฏิกิริยาของกระบวนการทางเคมี ตัวอย่างเช่น เมื่อกรดเมตาฟอสฟอริกทำปฏิกิริยากับโพแทสเซียม เพอร์ซัลเฟต กรดไฮโดรไอโอดิกจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อเติมลงในสารตั้งต้นจะเกิดสารละลายสีเหลืองขึ้น เมื่อคุณเข้าใกล้จุดสิ้นสุดของกระบวนการ สีจะค่อยๆ หายไป ในกรณีนี้ ไอโอดีนทำหน้าที่เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลาง และกระบวนการนี้เกิดขึ้นในสองขั้นตอน แต่ทันทีที่มีการสังเคราะห์กรดเมตาฟอสฟอริก ตัวเร่งปฏิกิริยาจะกลับสู่สภาพเดิม ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรม ช่วยเร่งการเปลี่ยนแปลงและรับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาคุณภาพสูง กระบวนการทางชีวเคมีในร่างกายของเราก็เป็นไปไม่ได้เช่นกันหากไม่มีการมีส่วนร่วม
