หนึ่งในสาขาเคมีอินทรีย์ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยโลหะทรานซิชัน กระบวนการดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบเฮเทอโรไซคลิกและสำหรับการทำงานของพวกมัน การใช้กระบวนการที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะทรานซิชันไม่เพียงแต่มีส่วนช่วยในการพัฒนาวิธีการใหม่ทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังทำให้สามารถปรับปรุงวิธีการที่รู้จักกันดีมายาวนาน และเพิ่มความสามารถในการเลือกสรรและความง่ายในการใช้งานกระบวนการต่างๆ แพลเลเดียมเป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญและใช้กันอย่างแพร่หลายในปฏิกิริยาประเภทต่างๆ นิกเกิลยังใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ช่วงของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยนิกเกิลนั้นแคบกว่ามาก
โดยทั่วไป สารประกอบเฮเทอโรไซคลิกจะเกิดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาแพลเลเดียมในลักษณะที่คล้ายคลึงกับสารประกอบคาร์โบไซคลิก อะตอมของกำมะถันและไนโตรเจนที่รวมอยู่ในวงจรไม่ค่อยรบกวนการทำงานของกระบวนการ (ที่เป็นเนื้อเดียวกัน) ที่ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยแพลเลเดียม แม้ว่าจะทราบกันดีว่าโมเลกุลที่ประกอบด้วยซัลเฟอร์และไนโตรเจนมีผลเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันต่างกัน (แพลเลเดียมโลหะกับคาร์บอน) .
กระบวนการที่เร่งปฏิกิริยาด้วยแพลเลเดียมมักจะดำเนินการโดยใช้ 1-5 โมล % ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตัวกลางแอคทีฟแพลเลเดียมก่อตัวขึ้นที่ความเข้มข้นต่ำ กระบวนการดังกล่าวเป็นลำดับขั้นตอน ซึ่งแต่ละขั้นตอนเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมของสารประกอบออร์กาโนพัลลาเดียม กลไกของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับตัวกลางออร์กาโนพัลลาเดียมมีการประสานงานมากกว่าไอออนิก และเป็นที่ยอมรับไม่ได้ที่จะเปรียบเทียบปฏิกิริยาดังกล่าวกับกระบวนการที่เมื่อมองแวบแรก คล้ายกับเคมีอินทรีย์ "คลาสสิก" เพื่อให้กระบวนการดังกล่าวง่ายต่อการจดจำ สามารถใช้ลูกศรโค้งได้ เช่นเดียวกับที่ใช้ในการพิจารณาปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน และนี่คือ "คำอธิบาย" ของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาแพลเลเดียมที่จะใช้ในการอภิปรายต่อไป
2555-2562. เคมีของสารประกอบเฮเทอโรไซคลิก เคมีเฮเทอโรไซคลิก
กฎในการกำหนดเฮเทอโรไซเคิลหลัก: หากวัฏจักรมีเฮเทอโรอะตอมต่างกัน วัฏจักรที่มีเลขอะตอมจำนวนมากของเฮเทอโรอะตอมจะเป็นวัฏจักรหลัก
สิ่งพิมพ์ด้านการศึกษาที่เขียนโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่มีชื่อเสียงได้กำหนดแนวคิดทางทฤษฎีพื้นฐานเกี่ยวกับปฏิกิริยาและวิธีการสังเคราะห์สารประกอบเฮเทอโรไซคลิกประเภทต่างๆ และตัวแทนแต่ละราย บทบาทของสารประกอบเฮเทอโรไซคลิกในเคมีโซลิดสเตต กระบวนการทางชีวภาพ และเคมีของโพลีเมอร์-เซมิคอนดักเตอร์แสดงไว้ ให้ความสนใจเป็นพิเศษเพื่อเน้นย้ำถึงความก้าวหน้าล่าสุดในสาขาวิชาเคมีอินทรีย์ที่สำคัญซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในเคมียา เภสัชวิทยา และชีวเคมี เนื่องจากเนื้อหาที่นำเสนอมีความครบถ้วนและกว้างจึงสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงและสิ่งพิมพ์สารานุกรมได้
กระบวนการส่วนใหญ่เป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีเคมีคือปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากความจริงที่ว่าเมื่อมีการเปิดตัวตัวเร่งปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของสารจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะเดียวกัน ผู้ผลิตก็สามารถลดต้นทุนหรือได้รับผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาได้มากขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน นั่นคือเหตุผลที่ให้ความสนใจอย่างมากกับการศึกษาการเร่งปฏิกิริยาในการฝึกอบรมนักเทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์นี้ยังมีบทบาทสำคัญในธรรมชาติอีกด้วย ดังนั้นสารพิเศษจึงควบคุมการเกิดปฏิกิริยาทางชีวเคมีในสิ่งมีชีวิตซึ่งส่งผลต่อการเผาผลาญ
สาระสำคัญของปรากฏการณ์ทางเคมีนี้คือการควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงของสารโดยใช้รีเอเจนต์พิเศษที่สามารถชะลอหรือเร่งกระบวนการนี้ได้ ในกรณีนี้ พวกเขาพูดถึงการเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกหรือเชิงลบ นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์ของปฏิกิริยาอัตโนมัติซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้รับผลกระทบจากผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของปฏิกิริยาเคมีตัวใดตัวหนึ่ง กระบวนการเร่งปฏิกิริยามีความหลากหลาย ต่างกันที่กลไก สถานะของการรวมตัวของสารประกอบ และทิศทาง
สารที่ชะลอปฏิกิริยาเคมีเรียกว่าสารยับยั้ง และสารที่เร่งปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ทั้งสองเปลี่ยนความเร็วของปฏิกิริยาผ่านการโต้ตอบระดับกลางซ้ำ ๆ กับผู้เข้าร่วมหนึ่งคนขึ้นไป อย่างไรก็ตามจะไม่รวมอยู่ในองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์และจะได้รับการฟื้นฟูหลังจากสิ้นสุดรอบการเปลี่ยนรูปของสาร ดังนั้นการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงไม่สะท้อนปริมาณสัมพันธ์ในสมการปฏิกิริยา แต่จะระบุเป็นเงื่อนไขสำหรับอันตรกิริยาของสารเท่านั้น
ตามสถานะของการรวมตัวของสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีมีความโดดเด่น:
นอกจากนี้ยังมีตัวเร่งปฏิกิริยารีดอกซ์ซึ่งมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาเมื่อทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชันของตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการที่พบบ่อยที่สุดในการผลิตสารเคมีคือการออกซิเดชันของซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นไตรออกไซด์เพื่อผลิตกรดซัลฟิวริก
ตามสถานะการรวมตัว ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นของเหลว (H 2 SO 4, H 3 PO 4), ของแข็ง (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) และก๊าซ (BF 3)
ตัวเร่งปฏิกิริยาแบ่งออกเป็น:
ตามลักษณะเฉพาะของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ ตัวเร่งปฏิกิริยา d ซึ่งมี d-อิเล็กตรอนและ d-ออร์บิทัล มีความโดดเด่น เช่นเดียวกับ s,ตัวเร่งปฏิกิริยา p ซึ่งศูนย์กลางเป็นองค์ประกอบที่มีวาเลนซ์ s และ p-อิเล็กตรอน
เพื่อที่จะใช้อย่างมีประสิทธิผล สิ่งเหล่านี้จะต้องอยู่ภายใต้รายการข้อกำหนดที่ค่อนข้างครอบคลุมซึ่งแตกต่างกันไปตามกระบวนการเฉพาะ แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาสองประการดังต่อไปนี้:
เหตุผลในการเร่งปฏิกิริยาของสารคือการก่อตัวของสารเชิงซ้อนที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งส่งผลให้พลังงานกระตุ้นลดลง
ตามสมมุติฐานพื้นฐานของจลนศาสตร์เคมี อัตราของปฏิกิริยาเคมีใด ๆ จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้น ซึ่งอยู่ในกำลังที่สอดคล้องกับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์:
v = k ∙ С А x ∙ С В у ∙ С D z ,
โดยที่ k คืออัตราคงที่ของปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเท่ากับตัวเลขของอัตราของปฏิกิริยาเดียวกัน โดยมีเงื่อนไขว่าความเข้มข้นของสารประกอบตั้งต้นคือ 1 โมล/ลิตร
ตามสมการอาร์เรเนียส ค่า k ขึ้นอยู่กับพลังงานกระตุ้น:
k = A ∙ ประสบการณ์^(-E A / RT)
รูปแบบที่ระบุยังใช้ได้กับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วย สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยสมการสำหรับอัตราส่วนของค่าคงที่อัตรา:
k K / k = A K /A ∙ exp^((E A -E AK)/RT)
โดยที่ตัวแปรที่มีตัวห้อย K หมายถึงปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา
สำหรับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน สองขั้นตอนหลักก็เพียงพอแล้ว:
โดยทั่วไปจะมีการเขียนสมการในรูปแบบ A + B ―> C
กลไกของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันนั้นซับซ้อน หกขั้นตอนต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
ตัวเร่งปฏิกิริยาใช้ไม่เพียงแต่ในอุตสาหกรรมเคมีเท่านั้น บุคคลใดในชีวิตประจำวันของเขาต้องเผชิญกับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาต่างๆ ตัวอย่างเช่น การใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในการรักษาบาดแผล ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อทำปฏิกิริยากับเลือดเริ่มสลายตัวภายใต้อิทธิพลของ:
2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O
ในรถยนต์สมัยใหม่ มีการติดตั้งห้องเร่งปฏิกิริยาพิเศษที่ส่งเสริมการสลายตัวของสารก๊าซที่เป็นอันตราย ตัวอย่างเช่น แพลตตินัมหรือโรเดียมช่วยลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมจากไนโตรเจนออกไซด์ ซึ่งสลายตัวเป็น O 2 และ N 2 ที่ไม่เป็นอันตราย
ยาสีฟันบางชนิดมีเอนไซม์ที่กระตุ้นให้เกิดการสลายตัวของคราบพลัคและเศษอาหาร
เอส. ไอ. เลฟเชนคอฟ
เคมีฟิสิกส์และคอลลอยด์
เอกสารการบรรยายสำหรับนักศึกษาคณะชีววิทยาของ Southern Federal University (RSU)
2.3 กระบวนการเร่งปฏิกิริยา
อัตราของปฏิกิริยาเคมีที่อุณหภูมิที่กำหนดจะถูกกำหนดโดยอัตราการก่อตัวของสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นซึ่งในทางกลับกันก็ขึ้นอยู่กับมูลค่าของพลังงานกระตุ้น ในปฏิกิริยาเคมีหลายชนิด โครงสร้างของสารเชิงซ้อนกัมมันต์อาจรวมถึงสารที่ไม่ใช่รีเอเจนต์เชิงปริมาณสัมพันธ์ด้วย เห็นได้ชัดว่าในกรณีนี้พลังงานกระตุ้นของกระบวนการก็เปลี่ยนไปเช่นกัน ในกรณีที่มีสถานะเปลี่ยนผ่านหลายสถานะ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นตามเส้นทางโดยมีสิ่งกีดขวางการกระตุ้นที่ต่ำที่สุด
การเร่งปฏิกิริยาเป็นปรากฏการณ์ของการเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเมื่อมีสารอยู่ ซึ่งสถานะและปริมาณของสารนั้นยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังปฏิกิริยา
แยกแยะ เชิงบวกและ เชิงลบการเร่งปฏิกิริยา (อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นและลดลงตามลำดับ) แม้ว่าคำว่า "การเร่งปฏิกิริยา" มักจะหมายถึงการเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกเท่านั้น เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ การยับยั้ง.
สารที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น แต่ไม่ใช่สารรีเอเจนต์เชิงปริมาณสัมพัทธ์เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติทั่วไปเช่นความจำเพาะและการเลือกปฏิบัติ
ความจำเพาะตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ที่ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาเดียวหรือกลุ่มของปฏิกิริยาที่คล้ายกัน และไม่ส่งผลกระทบต่ออัตราของปฏิกิริยาอื่นๆ ตัวอย่างเช่น โลหะทรานซิชันหลายชนิด (แพลตตินัม ทองแดง นิกเกิล เหล็ก ฯลฯ) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกระบวนการไฮโดรจิเนชัน อลูมิเนียมออกไซด์กระตุ้นปฏิกิริยาไฮเดรชั่น ฯลฯ
หัวกะทิตัวเร่งปฏิกิริยา - ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาคู่ขนานอันใดอันหนึ่งที่เป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันจากวัสดุตั้งต้นเดียวกัน:
|
: CO + H 2 ––> CH 3 โอ้ |
: C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O |
|
: CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O |
: C 2 H 5 OH ––> CH 3 CHO + H 2 |
เหตุผลในการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาด้วยการเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกคือการลดลงของพลังงานกระตุ้นเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นผ่านสารเชิงซ้อนที่กระตุ้นด้วยการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยา (รูปที่ 2.8)
เนื่องจากตามสมการ Arrhenius ค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาเคมีจะขึ้นอยู่กับพลังงานกระตุ้นแบบเอกซ์โปเนนเชียล การลดลงอย่างหลังทำให้ค่าคงที่อัตราเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อันที่จริง หากเราถือว่าปัจจัยก่อนเลขชี้กำลังในสมการอาร์เรเนียส (II.32) สำหรับปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาและปฏิกิริยาที่ไม่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นใกล้เคียงกัน ดังนั้นสำหรับอัตราส่วนของค่าคงที่อัตรา เราสามารถเขียนได้:
ถ้า ΔE A = –50 kJ/mol อัตราส่วนของค่าคงที่อัตราจะเป็น 2.7 · 10 6 เท่า (อันที่จริงแล้ว ในทางปฏิบัติ การลดลงของ E A จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาประมาณ 10 5 เท่า)
ควรสังเกตว่าการมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ส่งผลกระทบต่อขนาดของการเปลี่ยนแปลงในศักย์ทางอุณหพลศาสตร์อันเป็นผลมาจากกระบวนการ ดังนั้น ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาใดที่สามารถทำให้เกิดกระบวนการที่เป็นไปไม่ได้ทางอุณหพลศาสตร์ได้เอง (กระบวนการที่ ΔG (ΔF) มากกว่าศูนย์) ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนค่าของค่าคงที่สมดุลสำหรับปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยาในกรณีนี้เป็นเพียงการเร่งให้เกิดสภาวะสมดุลเท่านั้น
ขึ้นอยู่กับสถานะเฟสของรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยา การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันนั้นมีความโดดเด่น
ข้าว. 2.8แผนภาพพลังงานของปฏิกิริยาเคมีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา (1)
และเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา (2)
2.3.1 การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน - ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสเดียวกัน ในกรณีของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาจะสร้างผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยาขั้นกลางกับรีเอเจนต์ ลองพิจารณาปฏิกิริยาบางอย่าง
เอ + บี ––> ซี
ในกรณีที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา จะมีการดำเนินการสองขั้นตอนที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นผลมาจากอนุภาคของสารประกอบระดับกลาง AA ที่เกิดขึ้น และจากนั้น (ผ่านคอมเพล็กซ์ ABC ที่เปิดใช้งาน #) ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาสุดท้ายที่มีการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่:
เอ + เค ––> เอเค
เอเค + บี ––> ซี + เค
ตัวอย่างของกระบวนการดังกล่าวคือปฏิกิริยาการสลายตัวของอะซีตัลดีไฮด์ ซึ่งมีพลังงานกระตุ้นคือ E A = 190 kJ/mol:
CH 3 CHO ––> CH 4 + CO
เมื่อมีไอโอดีน กระบวนการนี้เกิดขึ้นในสองขั้นตอน:
CH 3 CHO + ฉัน 2 ––> CH 3 ฉัน + HI + CO
CH 3 ฉัน + สวัสดี ––> CH 4 + ฉัน 2
พลังงานกระตุ้นที่ลดลงของปฏิกิริยานี้เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาคือ 54 กิโลจูล/โมล ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นประมาณ 105 เท่า การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันชนิดที่พบบ่อยที่สุดคือการเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด ซึ่งไฮโดรเจนไอออน H + ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
2.3.2 การเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ
การเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ– กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาเคมีโดยผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่ง ตัวอย่างคือการไฮโดรไลซิสของเอสเทอร์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยไฮโดรเจนไอออน กรดที่เกิดขึ้นระหว่างไฮโดรไลซิสจะแยกตัวออกเป็นโปรตอน ซึ่งจะช่วยเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส ลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยาอัตโนมัติคือปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นเมื่อความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นในช่วงเริ่มต้นของปฏิกิริยาความเร็วของมันจะเพิ่มขึ้นและในขั้นตอนต่อ ๆ ไปเนื่องจากความเข้มข้นของรีเอเจนต์ลดลงความเร็วจึงเริ่มลดลง เส้นโค้งจลน์ของผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติมีลักษณะเป็นรูปตัว S (รูปที่ 2.9)
ข้าว. 2.9เส้นโค้งจลนศาสตร์ของผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ
2.3.3 การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน
การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน – ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างเฟสที่เกิดจากตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้น กลไกของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันนั้นซับซ้อนกว่าในกรณีของการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันมาก ในปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันแต่ละปฏิกิริยาสามารถแยกแยะได้อย่างน้อยหกขั้นตอน:
1. การแพร่กระจายของสารตั้งต้นไปยังพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
2. การดูดซับของสารตั้งต้นบนพื้นผิวพร้อมกับการก่อตัวของสารประกอบกลางบางชนิด:
A + B + K ––> АВК
3. การเปิดใช้งานสถานะที่ถูกดูดซับ (พลังงานที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้คือพลังงานกระตุ้นที่แท้จริงของกระบวนการ):
AVK ––> AVK #
4. การสลายตัวของสารกัมมันต์เชิงซ้อนพร้อมกับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ถูกดูดซับ:
АВК # ––> СДК
5. การดูดซับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
СDК ––> С + D + К
6. การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
คุณลักษณะเฉพาะของกระบวนการเฮเทอโรคาตาไลติกคือความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการส่งเสริมและวางยาพิษ
การส่งเสริม– การเพิ่มขึ้นของกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาเมื่อมีสารที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกระบวนการนี้ (โปรโมเตอร์) ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาโลหะนิกเกิล
CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O
การแนะนำซีเรียมเจือปนเล็กน้อยในตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลทำให้กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
พิษ– กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อมีสารบางชนิด (เรียกว่าพิษของตัวเร่งปฏิกิริยา) ตัวอย่างเช่นสำหรับปฏิกิริยาของการสังเคราะห์แอมโมเนีย (ตัวเร่งปฏิกิริยาคือฟองน้ำเหล็ก) การมีอยู่ของออกซิเจนหรือสารประกอบซัลเฟอร์ในส่วนผสมของปฏิกิริยาทำให้กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กลดลงอย่างรวดเร็ว ในเวลาเดียวกันความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการดูดซับวัสดุเริ่มต้นลดลงเล็กน้อยมาก
เพื่ออธิบายคุณสมบัติเหล่านี้ของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน G. Taylor ได้ตั้งสมมติฐานดังต่อไปนี้: ไม่ใช่พื้นผิวทั้งหมดของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา แต่มีเพียงบางส่วนเท่านั้น - ที่เรียกว่า ศูนย์ที่ใช้งานอยู่ ซึ่งอาจเป็นข้อบกพร่องต่างๆ ในโครงสร้างผลึกของตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่น การยื่นออกมาหรือการกดทับบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา) ปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีที่เป็นเอกภาพเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะได้รับการพัฒนา ทฤษฎีทวีคูณ -
บทบัญญัติหลักของทฤษฎีทวีคูณมีดังนี้:
1. จุดศูนย์กลางที่ใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาคือชุดของศูนย์การดูดซับจำนวนหนึ่งที่อยู่บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในเชิงเรขาคณิตตามโครงสร้างของโมเลกุลที่กำลังเกิดการเปลี่ยนแปลง
2. ในระหว่างการดูดซับโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาบนศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่ จะเกิดสารเชิงซ้อนทวีคูณขึ้น ส่งผลให้เกิดการกระจายตัวของพันธะ นำไปสู่การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา
ทฤษฎีทวีคูณบางครั้งเรียกว่าทฤษฎีความคล้ายคลึงกันทางเรขาคณิตของศูนย์กลางแอคทีฟและโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน จำนวนศูนย์การดูดซับ (แต่ละศูนย์ระบุด้วยอะตอมของโลหะ) ในศูนย์ที่ใช้งานอยู่จะแตกต่างกัน - 2, 3, 4 เป็นต้น ศูนย์ที่ใช้งานอยู่ดังกล่าวเรียกว่า doublet, triplet, quadruplet เป็นต้น ตามลำดับ (ในกรณีทั่วไป คือ มัลติเล็ต ซึ่งเป็นที่มาของทฤษฎีนี้)
ตัวอย่างเช่นตามทฤษฎีของทวีคูณการดีไฮโดรจีเนชันของโมโนไฮดริกแอลกอฮอล์อิ่มตัวเกิดขึ้นบนดับเบิ้ลและการดีไฮโดรจีเนชันของไซโคลเฮกเซนเกิดขึ้นบน sextet (รูปที่ 2.10 - 2.11) ทฤษฎีมัลติเพลตทำให้สามารถเชื่อมโยงกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของโลหะกับค่ารัศมีอะตอมของพวกมันได้ข้าว. 2.10
การดีไฮโดรจีเนชันของแอลกอฮอล์บนดับเบิ้ลข้าว. 2.11
การดีไฮโดรจีเนชันของไซโคลเฮกเซนบน sextet
2.3.4 การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ – ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ – ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพของโปรตีนธรรมชาติ การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์มีคุณสมบัติเด่นสองประการ:
1. มีกิจกรรมสูง มีขนาดสูงกว่ากิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาอนินทรีย์หลายประการ ซึ่งอธิบายได้จากการลดลงอย่างมากของพลังงานกระตุ้นของกระบวนการโดยเอนไซม์ ดังนั้น อัตราคงที่ของปฏิกิริยาการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ถูกเร่งด้วยไอออน Fe 2+ คือ 56 วินาที -1 ; อัตราคงที่ของปฏิกิริยาเดียวกันที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์คาตาเลสคือ 3.5·10 7 กล่าวคือ ปฏิกิริยาต่อหน้าเอนไซม์จะเกิดขึ้นเร็วขึ้นล้านเท่า (พลังงานกระตุ้นการทำงานของกระบวนการคือ 42 และ 7.1 กิโลจูล/โมล ตามลำดับ) ค่าคงที่อัตราการไฮโดรไลซิสของยูเรียเมื่อมีกรดและยูรีเอสแตกต่างกัน 13 ลำดับความสำคัญ ซึ่งเท่ากับ 7.4·10 -7 และ 5·10 6 วินาที -1 (พลังงานกระตุ้นคือ 103 และ 28 กิโลจูล/โมล ตามลำดับ)
2. มีความจำเพาะสูง - ตัวอย่างเช่น อะไมเลสเร่งการสลายแป้งซึ่งเป็นสายโซ่ของหน่วยกลูโคสที่เหมือนกัน แต่ไม่ได้เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของซูโครส ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนกลูโคสและฟรุกโตส
ตามแนวคิดที่ยอมรับกันโดยทั่วไปเกี่ยวกับกลไกของการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ สารตั้งต้น S และเอนไซม์ F อยู่ในสภาวะสมดุลกับ FS ที่ซับซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้นที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งค่อนข้างช้าสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา P พร้อมกับปล่อยเอนไซม์อิสระ ดังนั้นขั้นตอนการสลายตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-ซับสเตรตไปเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจึงเป็นการกำหนดอัตรา (การจำกัด)
เอฟ+ส<––>FS ––> F + P
การศึกษาการขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ความเข้มข้นคงที่ของเอนไซม์ พบว่าเมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงหยุดการเปลี่ยนแปลง (รูปที่ 2.12) และ การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้นของสารตั้งต้นอธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้:
(II.45)
คาตามลิซ-การเร่งความเร็วแบบเลือกสรรของหนึ่งในทิศทางที่เป็นไปได้ทางอุณหพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีระดับกลางกับผู้เข้าร่วมปฏิกิริยาซ้ำแล้วซ้ำอีก และคืนองค์ประกอบทางเคมีของมันหลังจากแต่ละรอบของปฏิกิริยาเคมีระดับกลาง คำว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยา" ถูกนำมาใช้ในปี พ.ศ. 2378 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน Jons Jakob Berzelius
ปรากฏการณ์ของการเร่งปฏิกิริยาเป็นที่แพร่หลายในธรรมชาติ (กระบวนการส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี (ในการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี ในการผลิตกรดซัลฟิวริก แอมโมเนีย กรดไนตริก ฯลฯ ) ปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาสารที่เปลี่ยนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเรียกว่า
ตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมาก - ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกหรือเพียงแค่ตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวช้าลง - ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ ตัวอย่างของการเร่งปฏิกิริยาเชิงบวก ได้แก่ การผลิตกรดซัลฟิวริก การออกซิเดชันของแอมโมเนียให้เป็นกรดไนตริกโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม เป็นต้น
ขึ้นอยู่กับผลกระทบต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา แหล่งที่มาของการเร่งปฏิกิริยาหลายแห่งแบ่งออกเป็นเชิงบวก (อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น) และเชิงลบ (อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง) ในกรณีหลัง กระบวนการยับยั้งเกิดขึ้น ซึ่งไม่สามารถถือเป็น "การเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ" ได้ เนื่องจากสารยับยั้งถูกใช้ไปในระหว่างการทำปฏิกิริยา
การเร่งปฏิกิริยาอาจเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน (สัมผัส) ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในเฟสเดียวกับรีเอเจนต์ของปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันจะมีเฟสต่างกัน
การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ตัวอย่างการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อมีไอออนไอโอดีน ปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสองขั้นตอน:
เอช 2 O2+ ฉัน > น้ำ+ไอโอ H2O2+ไอโอ> น้ำ + O2+ฉัน
ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเกิดจากการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาทำปฏิกิริยากับสารที่ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างสารประกอบระดับกลาง ซึ่งส่งผลให้พลังงานกระตุ้นลดลง
การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน
ในการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน การเร่งของกระบวนการมักเกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้น กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับขนาดและคุณสมบัติของพื้นผิว ในทางปฏิบัติ ตัวเร่งปฏิกิริยามักจะได้รับการรองรับบนส่วนรองรับที่มีรูพรุนที่เป็นของแข็ง
กลไกของการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันนั้นซับซ้อนกว่ากลไกของการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน กลไกของการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันประกอบด้วยห้าขั้นตอน ซึ่งทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้
ตัวอย่างของการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันคือการออกซิเดชันของ SO 2 ถึง SO 3 บนตัวเร่งปฏิกิริยา V 2 O 5 ในการผลิตกรดซัลฟิวริก (วิธีการสัมผัส)
ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกิดขึ้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุน ซึ่งพื้นผิวด้านในประกอบด้วยรูพรุนและช่องทางที่มีขนาดและความยาวต่างกัน รูขุมขนเหล่านี้สามารถแยกหรือเชื่อมต่อถึงกันได้ ปัจจัยหลักที่กำหนดความเร็วและลักษณะของการเคลื่อนที่ของก๊าซในรูขุมขนของตัวเร่งปฏิกิริยาคือขนาดรูพรุน ความเร็วของการเคลื่อนที่อย่างอิสระของโมเลกุลสามารถสูงถึง 1,000 m/s และการยับยั้งการเคลื่อนที่ในรูพรุนนั้นเกี่ยวข้องกับการชนกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซและกับผนังรูพรุน
ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาแบบเลือกไม่ได้ ซึ่งมีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับวิธีการวิเคราะห์จลน์ศาสตร์
ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับอะตอมและโมเลกุลหลายประเภท การกำหนดกลไกการเกิดปฏิกิริยาและลักษณะของแรงที่กระทำระหว่างอะตอมและโมเลกุลเหล่านี้ และระหว่างพวกมันกับพื้นผิวถือเป็นปัญหาที่ซับซ้อนโดยธรรมชาติ แต่สามารถทำให้ง่ายขึ้นได้โดยการศึกษาพฤติกรรมการดูดซับของอะตอมหรือโมเลกุลประเภทหนึ่ง การศึกษาดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าเมื่อโมเลกุลบางตัวถูกดูดซับบนตัวดูดซับบางชนิด พันธะในโมเลกุลจะแตกออกและเกิดพันธะสองอันกับตัวดูดซับขึ้น ในกรณีนี้โมเลกุลที่ถูกดูดซับจะเปลี่ยนเป็นอะตอมที่ถูกดูดซับสองอะตอม กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาเคมีที่พื้นผิว และผลลัพธ์ของอะตอมที่ถูกดูดซับมักเรียกว่าอะตอมของสารเคมี หากที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอปฏิกิริยาดังกล่าวไม่เกิดขึ้นและโมเลกุลที่ถูกดูดซับไม่สลายตัวเป็นอะตอมที่ถูกดูดซับสองอะตอม โมเลกุลดังกล่าวจะถูกเรียกว่าการดูดซับทางกายภาพ
การแนะนำ
1. ข้อกำหนดทั่วไปและหลักการของการเร่งปฏิกิริยา
2. การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน
3. การเร่งปฏิกิริยาของกรดและเบส
4. ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันถูกเร่งด้วยสารประกอบเชิงซ้อน
5. การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
6. การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน
บทสรุป
รายชื่อแหล่งที่มาที่ใช้
การแนะนำ
การเร่งปฏิกิริยาเป็นปรากฏการณ์ของการเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา สารที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาโดยรวม เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา
มีตัวเร่งปฏิกิริยาหลายประเภทและมีกลไกการออกฤทธิ์ที่แตกต่างกันมากมาย ตัวเร่งปฏิกิริยาต้องผ่านวัฏจักรซึ่งมันถูกผูกไว้ครั้งแรก จากนั้นจึงสร้างใหม่ ผูกมัดอีกครั้ง และอื่นๆ หลายครั้ง ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ปฏิกิริยาดำเนินไปในเส้นทางที่แตกต่างกัน และในอัตราที่เร็วกว่าที่จะทำในกรณีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ความเร็วสามารถเพิ่มได้โดยการลดพลังงานกระตุ้น เพิ่มปัจจัยก่อนเลขชี้กำลัง หรือทั้งสองอย่าง
ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเร่งปฏิกิริยาทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับพร้อมกัน เนื่องจากค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาทั้งหมดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง หากไม่เป็นเช่นนั้น ก็อาจเป็นไปได้ที่จะสร้างเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างสสารขึ้นมาใหม่
1. ข้อกำหนดทั่วไปและหลักการของการเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาแบ่งออกเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันจะอยู่ในเฟสเดียวกันกับสารที่ทำปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันจะสร้างเฟสอิสระ ซึ่งแยกจากกันโดยส่วนต่อประสานจากเฟสซึ่งมีสารที่ทำปฏิกิริยาอยู่ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยทั่วไปคือกรดและเบส โลหะ ออกไซด์ และซัลไฟด์ของพวกมันถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน
ปฏิกิริยาประเภทเดียวกันสามารถเกิดขึ้นได้กับตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ดังนั้นร่วมกับสารละลายกรดจึงใช้ของแข็ง Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, อะลูมิโนซิลิเกตและซีโอไลต์ที่มีคุณสมบัติเป็นกรด ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันที่มีคุณสมบัติพื้นฐาน: CaO, BaO, MgO
ตามกฎแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันจะมีพื้นผิวที่ได้รับการพัฒนาอย่างมากซึ่งมีการกระจายตัวบนตัวพาเฉื่อย (ซิลิกาเจล, อลูมิเนียมออกไซด์, ถ่านกัมมันต์ ฯลฯ )
สำหรับปฏิกิริยาแต่ละประเภท จะมีเพียงตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดเท่านั้นที่มีประสิทธิภาพ นอกจากตัวเร่งปฏิกิริยากรด-เบสที่กล่าวไปแล้ว ยังมีตัวเร่งปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชันอีกด้วย มีลักษณะเป็นโลหะทรานซิชันหรือสารประกอบ (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3) ในกรณีนี้ การเร่งปฏิกิริยาจะดำเนินการโดยการเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันของโลหะทรานซิชัน
ปฏิกิริยาหลายอย่างดำเนินการโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่กระทำผ่านการประสานงานของสารตั้งต้นที่อะตอมหรือไอออนของโลหะทรานซิชัน (Ti, Rh, Ni) การเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้เรียกว่าการเร่งปฏิกิริยาแบบประสานงาน
หากตัวเร่งปฏิกิริยามีคุณสมบัติไครัล ก็จะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีปฏิกิริยาทางแสงจากซับสเตรตที่ไม่แอกทีฟทางแสง
ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ มักใช้ระบบของตัวเร่งปฏิกิริยาหลายตัว ซึ่งแต่ละระบบจะเร่งปฏิกิริยาในระยะต่างๆ ตัวเร่งปฏิกิริยายังสามารถเพิ่มอัตราของวงจรตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งขั้นที่ดำเนินการโดยตัวเร่งปฏิกิริยาอีกตัวหนึ่ง ในที่นี้ "การเร่งปฏิกิริยาของการเร่งปฏิกิริยา" หรือการเร่งปฏิกิริยาระดับที่สองเกิดขึ้น
ในปฏิกิริยาทางชีวเคมี เอนไซม์มีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องแยกความแตกต่างจากตัวริเริ่ม ตัวอย่างเช่น เปอร์ออกไซด์จะแตกตัวเป็นอนุมูลอิสระ ซึ่งสามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่จากอนุมูลอิสระได้ ตัวริเริ่มจะถูกใช้ไปในระหว่างการทำปฏิกิริยา ดังนั้นจึงไม่สามารถพิจารณาว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้
บางครั้งสารยับยั้งมักถูกมองว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ แต่สารยับยั้ง เช่น ปฏิกิริยาลูกโซ่ของอนุมูลอิสระ จะทำปฏิกิริยากับอนุมูลอิสระ และจะไม่ถูกกักเก็บ ซึ่งต่างจากตัวเร่งปฏิกิริยา สารยับยั้งอื่นๆ (สารพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา) จับกับตัวเร่งปฏิกิริยาและปิดการใช้งาน ในที่นี้มีการปราบปรามตัวเร่งปฏิกิริยา ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ โดยหลักการแล้ว การเร่งปฏิกิริยาเชิงลบนั้นเป็นไปไม่ได้: มันจะให้เส้นทางที่ช้ากว่าสำหรับปฏิกิริยา แต่โดยธรรมชาติแล้วปฏิกิริยาจะเป็นไปตามเส้นทางที่เร็วกว่า ในกรณีนี้ คือ เส้นทางที่ไม่มีการเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยา ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ และปรากฏการณ์นี้เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ ตัวอย่างเช่นระหว่างการเกิดออกซิเดชันของ Fe 2+ กับ Mn0 4
5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 0
ไอออน Mn 2+ ที่ได้จะกระตุ้นปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเป็นเรื่องปกติอย่างยิ่งในธรรมชาติ สิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือปฏิกิริยากับเอนไซม์ซึ่งกระตุ้นปฏิกิริยาหลายอย่างในสิ่งมีชีวิต ตัวเร่งปฏิกิริยามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม การผลิตกรดไนตริกและกรดซัลฟิวริก แอมโมเนีย การผลิตยางสังเคราะห์ ฯลฯ เป็นไปไม่ได้หากไม่มีปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาใช้ในการผลิตสารยา: ฟีนาซีติน, กัวเอคอล, อนุพันธ์ของฮาโลเจนของสารประกอบอะโรมาติก ฯลฯ Mn(IV) ออกไซด์, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3 ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
มีการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน แต่สำหรับสิ่งใดสิ่งหนึ่งหลักการสำคัญมีดังนี้:
1. ตัวเร่งปฏิกิริยามีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในปฏิกิริยาเบื้องต้น โดยก่อตัวเป็นสารประกอบกลางกับหนึ่งในผู้เข้าร่วมปฏิกิริยา หรือสารเชิงซ้อนที่กระตุ้นด้วยสารที่ทำปฏิกิริยาทั้งหมด หลังจากการกระทำเบื้องต้นแต่ละครั้ง มันจะถูกสร้างขึ้นใหม่และสามารถโต้ตอบกับโมเลกุลใหม่ของสารที่ทำปฏิกิริยาได้
2. อัตราของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนกับปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยา
3. ตัวเร่งปฏิกิริยามีการเลือกกระทำ สามารถเปลี่ยนอัตราของปฏิกิริยาหนึ่งได้และไม่ส่งผลต่ออัตราของปฏิกิริยาอื่น
4. ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ปฏิกิริยาดำเนินไปในเส้นทางที่แตกต่างกัน และในอัตราที่เร็วกว่าที่จะทำในกรณีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา
ความเร็วสามารถเพิ่มได้โดยการลดพลังงานกระตุ้น เพิ่มปัจจัยก่อนเลขชี้กำลัง หรือทั้งสองอย่าง ตัวอย่างเช่น การสลายตัวเนื่องจากความร้อนของอะซีตัลดีไฮด์ CH 3 CHO CH 4 + CO ถูกเร่งปฏิกิริยาด้วยไอโอดีน ซึ่งทำให้พลังงานกระตุ้นลดลง ~55 kJ/mol การลดลงนี้ทำให้อัตราคงที่เพิ่มขึ้นประมาณ 10,000 เท่า
5. ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ส่งผลต่อตำแหน่งของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ มันเปลี่ยนอัตราของปฏิกิริยาทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับในระดับเดียวกัน
6. เมื่อเพิ่มสารบางชนิดที่เรียกว่าโปรโมเตอร์ กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น การเติมสารยับยั้งจะช่วยลดอัตราการเกิดปฏิกิริยา
2. การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาคือโมเลกุลหรือไอออนในสารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกัน ในกรณีของการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นทั้งหมดจะก่อตัวเป็นเฟสร่วมหนึ่งเฟส
สมมติฐานหลักของทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือแนวคิดที่ว่าในระหว่างการทำปฏิกิริยาจะเกิดสารประกอบกลางที่ไม่เสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้นซึ่งจากนั้นจะสลายตัวพร้อมกับการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่:
A + B + K = (A-B-K)* D + K
ความเร็วของปฏิกิริยานี้
วี=เค nค กค บีค เค
เป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา และค่าคงที่ของอัตราเป็นไปตามสมการอาร์เรเนียส ปฏิกิริยานี้สามารถเกิดขึ้นได้ในสองขั้นตอน:
การเร่งปฏิกิริยา เอนไซม์ที่เป็นกรดที่เป็นเนื้อเดียวกันต่างกัน
ในกรณีนี้เป็นไปได้สองกรณี ในตอนแรก อัตราการสลายตัวของสารเชิงซ้อนในตัวเร่งปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์เริ่มต้นจะสูงกว่าอัตราของขั้นตอนที่สองซึ่งเกิดผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนที่เรียกว่าสารเชิงซ้อน Arrhenius ในการเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้จึงต่ำ ในกรณีที่สอง อัตราการสลายตัวของสารเชิงซ้อนจะเทียบเคียงได้กับอัตราของระยะที่สอง ความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนระดับกลางมีความสำคัญและคงที่ คอมเพล็กซ์ประเภทนี้เรียกว่าคอมเพล็กซ์ van't Hoff
กรณีที่สองซึ่งเป็นกรณีทั่วไปจะได้รับการพิจารณาในรายละเอียดเพิ่มเติม เนื่องจากสารประกอบตัวกลาง AA อยู่ในสมดุลกับสารตั้งต้น อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้า (v 1) และปฏิกิริยาย้อนกลับ (v 2) (1) จึงควรเท่ากัน เมื่อรวบรวมสมการจลน์สำหรับพวกมันแล้ว เราได้:
ที่ไหน (กับ ถึง"-- กับ อลาสก้า") - ความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ทำปฏิกิริยา กับ ก,กับ อ.เค."-- ความเข้มข้นสมดุลของสาร A และ AA ระดับกลางตามลำดับ
จาก (2) เราพบความเข้มข้นของสารประกอบตัวกลาง:
ความเร็วรวมของกระบวนการทั้งหมด (v) ถูกกำหนดโดยความเร็วของสเตจที่ช้าที่สุด ในกรณีนี้คือวินาที แล้ว
แทนที่ความเข้มข้นของสารประกอบกลาง (3) ลงใน (4) เราจะได้:
สมการ (5) บ่งบอกถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของระบอบการจำกัดสองระบบ:
ในทั้งสองกรณี อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ลำดับของปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับวัสดุตั้งต้นจะแตกต่างกัน ในกรณีแรกจะเท่ากับสองและในกรณีที่สอง - หนึ่ง ภายนอกขอบเขตที่กำหนด ลำดับปฏิกิริยาจะเป็นเศษส่วน
ตัวอย่างของการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือปฏิกิริยาการสลายตัวทางความร้อนของอะซีตัลดีไฮด์ CH 3 SON CH 4 + CO ซึ่งถูกเร่งด้วยไอโอดีน ในกรณีที่ไม่มีไอโอดีน อี ก=191.0 kJ/mol เมื่อมีอยู่ อี ก= 136.0 กิโลจูล/โมล อัตราคงที่เพิ่มขึ้น 10,000 เท่า สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสองขั้นตอน:
CH 3 ลูกชาย + ฉัน 2 = CH 3 ฉัน + HI + CO
CH 3 ฉัน + สูง = CH 4 + ฉัน 2
พลังงานกระตุ้นของแต่ละขั้นตอนจะน้อยกว่าพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาที่ไม่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันรวมถึงปฏิกิริยากรด-เบส, ปฏิกิริยาเชิงซ้อน, ปฏิกิริยารีดอกซ์, ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันจำนวนมาก, ปฏิกิริยาซัลเฟต ฯลฯ
3. การเร่งปฏิกิริยาของกรดและเบส
กรดและเบสในปฏิกิริยาหลายชนิดทำหน้าที่ของตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือ ในขณะที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา พวกมันจะไม่ถูกใช้ไป (ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส อัลคิเลชัน เอสเทอริฟิเคชัน เป็นต้น การเร่งปฏิกิริยากรด-เบสมีสามประเภท:
1) การเร่งปฏิกิริยาของกรด (เบส) เฉพาะซึ่งไอออน H + หรือ OH - ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตามลำดับ
2) การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด (เบส) ทั่วไปซึ่งดำเนินการโดยผู้บริจาคโปรตอน (ตัวรับ)
3) การเร่งปฏิกิริยาด้วยอิเล็กโทรฟิลิก (นิวคลีโอฟิลิก) ดำเนินการโดยกรดและเบสลูอิส
ค่าคงที่อัตราการสั่งซื้อครั้งแรก เคสำหรับปฏิกิริยาในสารละลายบัฟเฟอร์อาจเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของ [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], เช่น:
k = k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH - ] + k 3 [HA] + k 4 [A - ]
ในการแสดงออกนี้ เค 0 -- ค่าคงที่อัตราลำดับที่หนึ่งในกรณีที่ไม่มีไอออนตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมด: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- สัมประสิทธิ์การเร่งปฏิกิริยา
หากเพียงคำว่า k 1 [H + ] เท่านั้นที่มีบทบาทสำคัญ พวกเขากล่าวว่าปฏิกิริยาดังกล่าวแสดงการเร่งปฏิกิริยาที่จำเพาะโดยไฮโดรเจนไอออน หากสมาชิกมีชัย เค 3 [HA] ดังนั้นปฏิกิริยาจึงกล่าวได้ว่าขึ้นอยู่กับการเร่งปฏิกิริยาด้วยกรดทั่วไป หากสมาชิกมีอำนาจเหนือกว่า เค 4 [A - ] จากนั้นปฏิกิริยาดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับการเร่งปฏิกิริยาพื้นฐานทั่วไป
สำหรับการเร่งปฏิกิริยากรด-เบสจำเพาะ เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาต่ำ (เค 0 = 0) สามารถแสดงได้ในรูปแบบลอการิทึม:
สำหรับสารละลายที่เป็นกรด:
สำหรับสารละลายอัลคาไลน์:
สมการบ่งชี้ว่าเมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรด-เบสจำเพาะ ลอการิทึมของอัตราคงที่จะขึ้นอยู่กับค่า pH ของตัวกลางเป็นเส้นตรง
กลไกของการเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจนไอออนคือเกิดสารประกอบกลางของโปรตอนและโมเลกุลของสารเริ่มต้น เนื่องจากกระบวนการนี้ พันธะเคมีที่อยู่ในสารตั้งต้นจึงคลายตัว พลังงานกระตุ้นลดลง จากนั้น BH + ในรูปแบบโปรตอนจะสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยา
4. ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันเร่งปฏิกิริยาโดยสารประกอบเชิงซ้อน
การรีดิวซ์, ไฮโดรจิเนชัน, ออกซิเดชัน, ไอโซเมอไรเซชัน, ปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันภายใต้สภาวะทางอุตสาหกรรมจะดำเนินการต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา - สารประกอบเชิงซ้อน (ไอออนโลหะของกลุ่ม VIII ของตารางธาตุ Fe, Co, Ni, Ru รวมถึง Cu, Fg, Hg , Cr, Mn) สาระสำคัญของการดำเนินการเร่งปฏิกิริยาคือไอออนของโลหะทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคหรือรับอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาซึ่งประสานกันรอบไอออนของโลหะที่อยู่ตรงกลางจะได้รับการอำนวยความสะดวกโดยโพลาไรเซชันของโมเลกุลและพลังงานของพันธะแต่ละตัวลดลง ไอออนของโลหะที่อยู่ตรงกลางทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อม ซึ่งอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา
กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของไอออนโลหะขึ้นอยู่กับพลังงานการจับตัวของไอออนกับผู้เข้าร่วมปฏิกิริยา หากพลังงานยึดเหนี่ยวสูงหรือต่ำ ไอออนของโลหะจะมีฤทธิ์ในการเร่งปฏิกิริยาที่อ่อนแอ ในกรณีแรก ไอออนของโลหะจะจับกับโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาอย่างแน่นหนาจนถูกดึงออกจากปฏิกิริยา ในกรณีที่สอง โมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาไม่สามารถแทนที่ลิแกนด์อื่นที่มีอยู่ในสารละลายได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือสารเชิงซ้อนอิ่มตัวเชิงประสานงานซึ่งไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานอยู่
ด้วยความเป็นไปได้มากมายในการควบคุมองค์ประกอบของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อน จึงเป็นไปได้ที่จะจำลองปฏิกิริยาหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ที่มีไอออนของธาตุกลุ่ม VIII
5. การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่น่าทึ่งที่สุด พวกมันเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหลายอย่างในสิ่งมีชีวิต ดังนั้นพวกมันจึงมักถูกเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์เป็นปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนมากกว่าการเร่งปฏิกิริยาแบบเดิม การจัดระเบียบกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ในระดับสูงนั้นพิจารณาจากลักษณะเฉพาะของปฏิสัมพันธ์ในสิ่งมีชีวิตซึ่งสัมพันธ์กับการผสมผสานพิเศษของโครงสร้างโมเลกุลของเอนไซม์และสารตั้งต้นซึ่งเรียกว่าสารตั้งต้นในปฏิกิริยาของเอนไซม์
เอนไซม์คือโปรตีนเช่น ประกอบด้วยกรดอะมิโนที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะเปปไทด์ โมเลกุลของเอนไซม์มีการสลับกลุ่มขั้ว COOH, NH 2, NH, OH, SH ฯลฯ รวมถึงกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำ โครงสร้างหลักของเอนไซม์ถูกกำหนดโดยลำดับการสลับของกรดอะมิโนต่างๆ อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายเนื่องจากความร้อน โมเลกุลขนาดใหญ่ของเอนไซม์จะโค้งงอและโค้งงอเป็นลูกบอลที่หลวม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นระหว่างแต่ละส่วนของสายโซ่โพลีเปปไทด์ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน โครงสร้างทุติยภูมิของเอนไซม์จะปรากฏในรูปของตัวกลางที่หลวม สำหรับแต่ละเอนไซม์ โครงสร้างรองจะถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน ศูนย์เร่งปฏิกิริยาแอคทีฟของเอนไซม์ประกอบด้วยกลุ่มที่ปรับทิศทางโมเลกุลของสารตั้งต้นในตำแหน่งที่แน่นอน ศูนย์กลางที่แอคทีฟเปรียบเสมือนเมทริกซ์ที่สามารถเข้าไปได้เพียงโมเลกุลของโครงสร้างบางอย่างเท่านั้น กลไกของการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ประกอบด้วยการทำงานร่วมกันของศูนย์กลางแอคทีฟของเอนไซม์กับสารตั้งต้นด้วยการก่อตัวของเอนไซม์และสารตั้งต้นที่ซับซ้อนซึ่งจะผ่านการเปลี่ยนแปลงหลายครั้งอันเป็นผลมาจากการที่ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาปรากฏขึ้น แต่ละขั้นตอนระหว่างกลางมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่า ซึ่งก่อให้เกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้อธิบายถึงกิจกรรมที่สูงของเอนไซม์
เอนไซม์แบ่งออกเป็นคลาสขึ้นอยู่กับประเภทของปฏิกิริยาที่พวกมันเร่งปฏิกิริยา: ออกซิโดเรดักเตส (เร่งปฏิกิริยารีดอกซ์), ทรานสเฟอร์เรส (เร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนกลุ่มสารเคมีจากสารประกอบหนึ่งไปยังอีกสารประกอบหนึ่ง), ไฮโดรเลส (เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส), ไลเอส (ทำลายพันธะต่างๆ) , ไอโซเมอเรส (ทำการแปลงไอโซเมอร์), ลิกาเซส (ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เร่งปฏิกิริยา) อย่างที่คุณเห็นเอนไซม์มีความแตกต่างกันในด้านความจำเพาะและการเลือกสรร บางชนิดสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาทั้งระดับบางประเภท บางชนิดก็กระตุ้นปฏิกิริยาเพียงประเภทเดียวเท่านั้น
เอนไซม์หลายชนิดมีไอออนของโลหะ (metalloenzymes) ในโลหะเอนไซม์ ไอออนของโลหะจะก่อตัวเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของคีเลตซึ่งเป็นโครงสร้างที่ออกฤทธิ์ของเอนไซม์ โลหะที่มีสถานะออกซิเดชันแปรผัน (Fe, Mn, Cu) มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดอกซ์ โดยถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังตัวออกซิไดซ์ เป็นที่ทราบกันว่าสารประกอบอินทรีย์หลายสิบชนิดทำหน้าที่ถ่ายโอนไฮโดรเจนและอิเล็กตรอน พวกเขามีอนุพันธ์ของวิตามิน
ไอออนของโลหะหนัก (Ag +, Hg +, Pb 2+) สามารถปิดกั้นกลุ่มเอนไซม์ที่ทำงานอยู่ได้
เพื่อประเมินการกระทำของเอนไซม์ต่างๆ ได้มีการนำแนวคิดเรื่องกิจกรรมของโมเลกุลมาใช้ ซึ่งกำหนดโดยจำนวนโมเลกุลของสารตั้งต้นที่ถูกแปลงภายใต้การกระทำของหนึ่งโมเลกุลของเอนไซม์ต่อนาที เอนไซม์ที่ออกฤทธิ์มากที่สุดคือคาร์บอนิกแอนไฮเดรส ซึ่งมีกิจกรรมระดับโมเลกุลประมาณ 36 ล้านโมเลกุลต่อนาที
อัตราของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของเอนไซม์ ที่ความเข้มข้นของซับสเตรตต่ำ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นลำดับแรกเมื่อเทียบกับซับสเตรต ที่ความเข้มข้นสูง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะยังคงที่ และลำดับของปฏิกิริยาจะกลายเป็นศูนย์ (เอนไซม์จะอิ่มตัวอย่างสมบูรณ์กับซับสเตรต) อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเป็นกรดของตัวกลาง
การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์มีบทบาทอย่างมากในทุกรูปแบบของชีวิต ซึ่งเรากำลังพูดถึงสิ่งมีชีวิต เพื่อเพิ่มกิจกรรมที่สำคัญของร่างกายและปรับปรุงการเผาผลาญจึงมีการเตรียมเอนไซม์หลายชนิดที่ใช้เป็นยา การเตรียมเอนไซม์แพร่หลายสำหรับความผิดปกติของระบบทางเดินอาหารที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเอนไซม์ย่อยอาหารไม่เพียงพอ ดังนั้นสำหรับโรคกระเพาะบางรูปแบบจึงใช้ยาเปปซินหรือตับอ่อนติน นอกจากนี้ยังใช้เอนไซม์ได้สำเร็จในกรณีที่จำเป็นต้องทำลายการก่อตัวของโปรตีนที่สะสมในปริมาณมาก (สำหรับแผลไหม้, แผลเป็นหนอง, โรคปอดอักเสบเป็นหนอง ฯลฯ ) ในกรณีเหล่านี้จะใช้เอนไซม์โปรโตไลติกซึ่งนำไปสู่การไฮโดรไลซิสของโปรตีนอย่างรวดเร็วและส่งเสริมการสลายของการสะสมที่เป็นหนอง ในการรักษาโรคติดเชื้อจำนวนหนึ่งจะใช้การเตรียมไลโซไซม์ซึ่งทำลายเยื่อหุ้มของแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคบางชนิด เอนไซม์ที่ละลายลิ่มเลือด (ลิ่มเลือดในหลอดเลือด) มีความสำคัญมาก นี่คือพลาสมินที่พบในเลือด เอนไซม์ตับอ่อน - ทริปซินและไคโมทริปซิน บนพื้นฐานของสารเติมแต่งต่างๆได้มีการสร้างเอนไซม์ทางการแพทย์ - สเตรปโตไคเนสสเตรปเตส ฯลฯ ที่ใช้ในการแพทย์
6. การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน
การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสาน ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันแรกที่สังเกตได้คือการคายน้ำของเอทิลแอลกอฮอล์บนดินเหนียวที่ดำเนินการโดย Priestley (1778):
ค 2 ชม. 5 โอ้ -- ค 2 ชม. 4 + ชม. 2 โอ
ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 มีงานจำนวนมากที่อุทิศให้กับการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน มีงานมากมายที่ทุ่มเทให้กับการอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของของแข็ง ต่อมาการพัฒนาหลักคำสอนเป็นไปตามทั้งการสะสมข้อมูลการทดลอง การพัฒนาวิธีการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยา การค้นพบและการศึกษากระบวนการเร่งปฏิกิริยาใหม่ การแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมเคมี และการพัฒนาทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน . อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จของนักทฤษฎีนั้นเจียมเนื้อเจียมตัวมากกว่าความสำเร็จของผู้ทดลองมาก และนี่ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ
แม้ว่าจะไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างกระบวนการเร่งปฏิกิริยาและไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ทั้งสองเป็นไปตามกฎของจลนศาสตร์เคมี ในทั้งสองกรณีระบบของสารที่ทำปฏิกิริยาจะผ่านสถานะแอคทีฟพิเศษบางอย่าง และคุณสมบัติเฉพาะจะถูกสังเกตในปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน ประการแรกร่างกายที่มั่นคงปรากฏขึ้นโดยอาศัยคุณสมบัติที่ปรากฏการณ์ทั้งหมดโดยรวมขึ้นอยู่กับอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ความสำเร็จของทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันนั้นเชื่อมโยงกับการพัฒนาทฤษฎีสถานะของแข็งอย่างแยกไม่ออก เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นบนพื้นผิว ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจึงมีความสำคัญต่อการพัฒนาทฤษฎีตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งนี้แสดงถึงความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างการพัฒนาทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาและการพัฒนาการศึกษาเชิงทดลองและเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์การดูดซับ ความซับซ้อนของกระบวนการที่ต่างกันและความจำเพาะโดยธรรมชาตินำไปสู่ความจริงที่ว่าการวิจัยทางทฤษฎีในสาขานี้ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ สำหรับตอนนี้ เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการมีอยู่ของแนวคิดทางทฤษฎีหลายประการ ซึ่งในการประมาณครั้งแรก เป็นการสรุปข้อเท็จจริงเชิงทดลองบางอย่าง
ในทางปฏิบัติมักพบการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันสองประเภท:
1) กระบวนการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในสถานะของแข็งและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะของเหลว
2) กระบวนการที่ตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในสถานะของแข็ง และสารตั้งต้นอยู่ในสถานะก๊าซ ตามกฎแล้วปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น (และในกระบวนการหลายขั้นตอนบางอย่างเริ่มต้นขึ้น) ที่ขอบเขตเฟสเช่น บนพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง - ตัวเร่งปฏิกิริยา
กระบวนการต่างกันสามารถแบ่งออกเป็นห้าขั้นตอน:
1) การขนส่งสารตั้งต้นไปยังพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา (การแพร่กระจาย)
2) การดูดซับสารตั้งต้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา
3) ปฏิกิริยาบนพื้นผิว
4) การดูดซับผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาโดยปล่อยพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
5) การขนส่งผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาลงในปริมาตร (การแพร่กระจาย)
ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการและคุณลักษณะของขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งในห้าขั้นตอนอาจช้าที่สุด ดังนั้น ความเร็วของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาจึงสามารถถูกจำกัดด้วยขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งได้ สำหรับการประเมินเปรียบเทียบกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาบนพื้นผิวถือเป็นปัจจัยชี้ขาด ดังนั้นในกรณีที่สิ่งสำคัญคือต้องได้รับมูลค่าของกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา พวกเขาพยายามที่จะดำเนินกระบวนการในลักษณะที่กำหนดอัตราโดยขั้นตอนที่สองที่เรียกว่าขั้นตอนจลน์
การดูดซับและการคายการดูดซึมมีกฎของตัวเอง การดูดซับเป็นกระบวนการของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารที่ส่วนต่อประสานที่เกิดขึ้นเอง สารบนพื้นผิวที่เกิดกระบวนการดูดซับเรียกว่า ตัวดูดซับ สารที่ถูกดูดซับเรียกว่า ตัวถูกดูดซับ. ในการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน ตัวดูดซับคือตัวเร่งปฏิกิริยา และตัวดูดซับคือโมเลกุลของสารตั้งต้น (สารตั้งต้น) การดูดซับสารตั้งต้นบนตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากแรงอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล (อะตอม) ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่บนพื้นผิวและโมเลกุลของสารตั้งต้น (การดูดซับทางกายภาพ) ปฏิกิริยาทางเคมี (การดูดซับสารเคมีหรือการดูดซับทางเคมี) สามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างโมเลกุล (อะตอม) ของตัวเร่งปฏิกิริยาและโมเลกุลของตัวทำปฏิกิริยา ผลจากการดูดซับ ลำดับของระบบจะเพิ่มขึ้นและพลังงานของระบบลดลง และพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาลดลง
สำหรับกระบวนการที่ต่างกัน การเคลื่อนที่ของสารจากปริมาตรภายในของของเหลวหรือก๊าซไปยังพื้นผิวของแข็งมีความสำคัญเป็นพิเศษ กระบวนการถ่ายโอนมวลเป็นไปตามกฎการแพร่กระจาย
บทสรุป
ความสำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการเร่งปฏิกิริยาในการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมีไม่สามารถประเมินสูงเกินไปได้ ท้ายที่สุดแล้วสิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานของความก้าวหน้าทางเทคนิคในด้านที่สำคัญที่สุดในการตอบสนองความต้องการของสังคมมนุษย์ยุคใหม่ ประเด็นก็คือก่อนอื่น น้ำมันจากแหล่งต่างๆ มักจะมีเศษส่วนจุดเดือดต่ำเพียง 5 ถึง 20% ซึ่งสอดคล้องกับน้ำมันเบนซิน ด้วยการพัฒนาที่ทันสมัยของการขนส่งรถยนต์และทางอากาศ ความต้องการน้ำมันเบนซินจึงมีมหาศาล ในเวลาเดียวกัน เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ที่กลั่นโดยตรงจากน้ำมันมักจะมีคุณภาพต่ำ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแคร็กและการปฏิรูปร่วมกับวิธีการประมวลผลสมัยใหม่อื่น ๆ ทำให้สามารถเพิ่มผลผลิตน้ำมันเบนซินระดับสูงเป็น 75% ของน้ำหนักน้ำมัน เชื้อเพลิงของมอเตอร์ยังผลิตโดยการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของถ่านหินโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ
การประมวลผลตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติมของไฮโดรคาร์บอนบนตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะและออกไซด์ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่จำเป็นในการผลิตสินค้าอุปโภคบริโภค โมโนเมอร์และโพลีเมอร์ส่วนใหญ่ที่ได้รับจากสิ่งเหล่านี้เป็นผลิตภัณฑ์ของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของการแปรรูปไฮโดรคาร์บอนและอนุพันธ์ที่ได้จากน้ำมัน ถ่านหิน หินดินดาน และก๊าซธรรมชาติ กระบวนการเร่งปฏิกิริยามีบทบาทสำคัญในการผลิตผงซักฟอกและสีย้อมสำหรับสารที่เป็นยา
การสังเคราะห์สารอินทรีย์ขั้นพื้นฐานซึ่งผลิตสารตัวกลาง (และผลิตภัณฑ์ของเทคโนโลยีอินทรีย์) ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นหลัก ผลิตภัณฑ์เคมี เช่น กรดซัลฟูริก แอมโมเนีย และกรดไนตริก มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตของสังคมยุคใหม่ เกือบทุกภาคส่วนของเศรษฐกิจของประเทศบริโภคสารเหล่านี้หรือสารประกอบทางเคมีอื่น ๆ ที่ได้รับจากความช่วยเหลือ พวกมันถูกใช้เพื่อผลิตปุ๋ยแร่หลายสิบล้านตัน โดยที่ไม่สามารถเพิ่มหรือรักษาผลผลิตในไร่ได้ อุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี อาหาร แสง และอื่นๆ หลายร้อยชนิดใช้ซัลฟิวริก กรดไนตริก แอมโมเนีย และอนุพันธ์ของสิ่งเหล่านี้ สารประกอบเหล่านี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมโลหะและงานโลหะอีกด้วย
ในขณะเดียวกัน การผลิตกรดซัลฟิวริก แอมโมเนีย และกรดไนตริกจากแอมโมเนียในปริมาณมากนั้นเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมและการพัฒนาวิธีการใช้งาน
รายชื่อแหล่งที่มาที่ใช้
1) เอ.พี. เบลยาเอวา. เคมีกายภาพและคอลลอยด์ อ.: GOETAR-Media, 2008
2) ไอ.พี. มูคเลนอฟ. เทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยา อ.: บูกินิสต์, 2550
3) สารานุกรมเคมี - อ.: สารานุกรมโซเวียต, 2533.
4) อิมยานิตอฟ เอ็น.เอส. ระบบของตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิดในการเร่งปฏิกิริยาเชิงซ้อนของโลหะ // เคมีประสานงาน. 1984.
สาระสำคัญและคุณสมบัติของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อนของโลหะ คุณสมบัติของสารเชิงซ้อนของโลหะที่กำหนดกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยา การสร้างแบบจำลองการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ ขอบเขตการใช้งาน ข้อดีและข้อเสียของการเร่งปฏิกิริยาเชิงซ้อนของโลหะ
รายงาน เพิ่มเมื่อ 16/03/2558
ทฤษฎีทั่วไปของการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ขั้นตอนของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาและอัตราการเกิดปฏิกิริยา จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของการแบ่งสัดส่วนของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา Fe2+ ในปริมาณต่างๆ ผลของ pH ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
ทดสอบเพิ่มเมื่อ 18/09/2555
การกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ แนวคิด และประเภทของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ความคิดเห็นของบุคคลสำคัญทางเคมีเกี่ยวกับปรากฏการณ์การเร่งปฏิกิริยา ทางกายภาพและเคมี กลไกของการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ในชีวเคมี
บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 11/14/2010
แนวคิดเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยา และกระบวนการเร่งปฏิกิริยา คำจำกัดความต่างๆ กลไกการเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา การเร่งปฏิกิริยาทางเคมี (ไม่ใช่ทางชีวภาพ) การสังเคราะห์ไดเอทิลอีเทอร์จากแอลกอฮอล์โดยมีส่วนร่วมของกรดซัลฟิวริก ทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยา
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 26/01/2552
ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผสมและแบบมัลติฟังก์ชั่นสำหรับการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน ข้อกำหนดสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยา ทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยาแบบเฮเทอโรจีเนียส ทฤษฎีมัลติเพล็กซ์และอิเล็กตรอน ทฤษฎีวงดนตรีแอคทีฟ การเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการแปรรูปก๊าซธรรมชาติ
งานหลักสูตรเพิ่มเมื่อ 05/06/2014
ความหมายของตัวเร่งปฏิกิริยาและบทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม หัวกะทิและแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับแนวคิด "กลไกปฏิกิริยาเคมี" การจำแนกระบบตัวเร่งปฏิกิริยาตามระยะและประเภทของปฏิกิริยา ข้อกำหนดการดูดซับและพื้นฐานสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรม
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 26/01/2552
วิธีการต้มเกลืออารีไดโซเนียม การวิเคราะห์ความเป็นกรดทางอุณหพลศาสตร์ของฟีนอล ลักษณะของอะซิเลชันของฟีนอล การเร่งปฏิกิริยาของกรด และกรดฟีนอกซีอะซิติก คุณสมบัติของปฏิกิริยา Kolbe-Schmitt วิธีการรับกรดฟีน็อกซีอะซิติก
ทดสอบเพิ่มเมื่อ 28/03/2555
วิชาอุณหเคมี การศึกษาผลกระทบทางความร้อนของปฏิกิริยาเคมี ประเภทของจลนพลศาสตร์เคมีและกระบวนการเร่งปฏิกิริยา เอนทาลปี (ผลกระทบความร้อน) ของปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยา กฎแห่งการกระทำของมวล ค่าคงที่สมดุลเคมี อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยา
การนำเสนอเพิ่มเมื่อ 10/19/2014
เอนไซม์ (เอนไซม์) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์กรดแลคติค กฎสากลสำหรับการตั้งชื่อเอนไซม์ มีเพียงโปรตีนทรงกลมเท่านั้นที่สามารถเป็นเอนไซม์ได้ ระดับโครงสร้างโปรตีน จลนพลศาสตร์ของการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์
บทคัดย่อเพิ่มเมื่อ 26/01/2552
แนวคิดเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ การทำงานของเอนไซม์ในระบบสิ่งมีชีวิต และการจำแนกประเภทของเอนไซม์ ปัจจัยที่ส่งผลต่อการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ สารที่เรียกว่าโคเอ็นไซม์ จลนพลศาสตร์ของการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ สมการมิคาเอลิส-เมนเทน
