लेवचेनकोव एस.आई. कटैलिसीस और उत्प्रेरक एसिड और बुनियादी कटैलिसीस

20वीं सदी की शुरुआत में बड़ी संख्या में एंजाइमों ने शोधकर्ताओं के सामने एंजाइमों के नामकरण और वर्गीकरण के बारे में सवाल उठाए। 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में एंजाइम की एक विशिष्ट विशेषता "आजा" का अंत था, जिसका उपयोग इसे पहले सब्सट्रेट (एमाइलम-स्टार्च-एमाइलेज) के नाम से जोड़कर किया जाता था, और फिर प्रतिक्रिया के नाम पर ( डिहाइड्रोजनीकरण-डिहाइड्रोजनेज)। इंटरनेशनल यूनियन ऑफ केमिस्ट्स एंड बायोकेमिस्ट्स द्वारा बनाया गया, एंजाइमों पर आयोग (CF) ने एंजाइमों के वर्गीकरण और नामकरण के बुनियादी सिद्धांतों को विकसित किया, जिन्हें 1961 में अपनाया गया था। वर्गीकरण एक एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के प्रकार पर आधारित था। इस आधार पर सभी एंजाइमों को 6 वर्गों में विभाजित किया गया था, जिनमें से प्रत्येक के कई उपवर्ग हैं।

1. ऑक्सीडोरडक्टेस -एंजाइम जो कमी या ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं। उदाहरण के लिए, अल्कोहल डिहाइड्रोजनेज, एक एंजाइम जो एथिल अल्कोहल को एसिटालडिहाइड में ऑक्सीकृत करता है। एल्डिहाइड डिहाइड्रोजनेज के रूप में जाना जाने वाला एक दूसरा एंजाइम तब एसीटैल्डिहाइड को एसिटाइल सीओए में परिवर्तित करता है। ऑक्सीडोरडक्टेस को अक्सर सहकारकों की भागीदारी की आवश्यकता होती है जो नीचे दिए गए उदाहरण में मध्यवर्ती हाइड्रोजन स्वीकर्ता की भूमिका निभाते हैं, यह NAD + है।

ऑक्सीडेज -एक प्रकार का ऑक्सीडोरक्टेस। यह उन एंजाइमों का नाम है जो हाइड्रोजन के अंतिम स्वीकर्ता के रूप में ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं। एक उदाहरण ग्लूकोज ऑक्सीडेज है, जो ग्लूकोज को ग्लूकोनिक एसिड में ऑक्सीकृत करता है . FAD एक मध्यवर्ती हाइड्रोजन स्वीकर्ता के रूप में कार्य करता है।

2. स्थानान्तरण -एंजाइम जो कार्यात्मक समूहों को एक दाता अणु से एक स्वीकर्ता अणु में स्थानांतरित करते हैं। एक उदाहरण मिथाइलट्रांसफेरेज़ है, जो एस-एडेनोसिलमेथियोनिन से मिथाइल समूह को किसी भी स्वीकर्ता में स्थानांतरित करता है। कैटेचोल-ओ-मिथाइलट्रांसफेरेज़ द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया नीचे दिखाई गई है, जो न्यूरोट्रांसमीटर एपिनेफ्रीन और नॉरपेनेफ्रिन के चयापचय में शामिल एक एंजाइम है। .

ट्रांसफरेज़ का एक और बहुत महत्वपूर्ण उदाहरण एंजाइम है जो एक ट्रांसएमिनेस के अमीनो समूह के हस्तांतरण को उत्प्रेरित करता है।

ट्रांसएमिनेस अमीनो समूह के दाता के रूप में एक अमीनो एसिड का उपयोग करते हैं, जिसे वे β-कीटो एसिड में स्थानांतरित करते हैं, अमीनो एसिड को परिवर्तित करते हैं, दाता को β-कीटो एसिड, और कीटो एसिड, स्वीकर्ता, अमीनो एसिड में परिवर्तित करते हैं। क्रमश। इसका उपयोग कुछ अमीनो एसिड के परस्पर रूपांतरण के लिए किया जाता है और अमीनो एसिड को कार्बोहाइड्रेट या लिपिड के चयापचय पथ में प्रवेश करने की अनुमति देता है।

स्थानांतरण, जिसे अक्सर जैव रसायन में संदर्भित किया जाएगा, किनेसेस हैं जो उच्च-ऊर्जा एटीपी अणु से सब्सट्रेट में फॉस्फेट के हस्तांतरण को उत्प्रेरित करते हैं। कई किनेसेस हैं जो कोशिका चयापचय में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

3. हाइड्रोलिसिस-जैविक हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने वाले एंजाइम। वे सहसंयोजक बंधन तोड़ते हैं। जल के तत्वों को टूटने के स्थान पर जोड़ना। लाइपेस, फॉस्फेटेस, एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ और प्रोटीज़ सभी हाइड्रोलाइटिक एंजाइम के उदाहरण हैं।

4. Lyases (desmolases)-एंजाइम जो सी-सी, सी-ओ और सी-एन बॉन्ड के अपघटन को गैर-हाइड्रोलाइटिक तरीके से डबल बॉन्ड के गठन के साथ उत्प्रेरित करते हैं। एक उदाहरण एंजाइम DOPA decarboxylase होगा, जो बायोजेनिक एमाइन एड्रेनालाईन और नॉरपेनेफ्रिन के संश्लेषण में एक प्रमुख एंजाइम है।

5. आइसोमेरेसिस- एंजाइम जो इंट्रामोल्युलर पुनर्व्यवस्था को उत्प्रेरित करते हैं। इस मामले में, ऑप्टिकल ज्यामितीय और स्थितीय आइसोमर्स का एक अंतर-रूपांतरण होता है। एपिमरेज़ और रेसमास एंजाइमों के इस वर्ग के उदाहरण हैं।

6. लिगैसएटीपी हाइड्रोलिसिस की ऊर्जा का उपयोग करके सी-ओ, सी-एस, सी-एन या सी-सी बांड के गठन को उत्प्रेरित करें। फॉस्फेट सहसंयोजक रूप से प्रतिक्रिया उत्पाद से बंध सकता है या नहीं भी।

एंजाइम आयोग ने एंजाइम नामकरण के सिद्धांतों का भी प्रस्ताव रखा। यह अनुशंसा की जाती है कि आप एक व्यवस्थित और परिचालनात्मक नामकरण का उपयोग करें। व्यवस्थित नामकरण वर्गीकरण के समान सिद्धांत पर आधारित है - उत्प्रेरित प्रतिक्रिया का प्रकार। पहली नजर में तो नाम बोझिल हो जाते हैं, लेकिन नाम से ही साफ हो जाता है कि एंजाइम क्या करता है। नाम में दो भाग होते हैं: प्रतिक्रिया में प्रतिभागियों के नाम (वर्ग के आधार पर, ये सबस्ट्रेट्स, मध्यवर्ती स्वीकृति हो सकते हैं) और उत्प्रेरित प्रतिक्रिया का प्रकार "आज़ा" समाप्त होने के साथ।

प्रत्येक एंजाइम को एक विशिष्ट कोड संख्या-एंजाइम सिफर प्राप्त होता है, जो वर्गीकरण में अपनी स्थिति को दर्शाता है: पहला अंक एंजाइम के वर्ग को दर्शाता है, दूसरा - उपवर्ग और तीसरा उप-उपवर्ग। प्रत्येक उपवर्ग एंजाइमों की एक सूची है। इस सूची में एंजाइम का क्रमांक कोड का चौथा अंक है। चित्र 1-1 क्रिएटिन फॉस्फोकाइनेज - केएफ 2.7.3.2 का कोड दिखाता है। यह एंजाइम क्रिएटिन की फास्फारिलीकरण प्रतिक्रिया उत्प्रेरित करता है। एटीपी एंजाइम का व्यवस्थित नाम क्रिएटिन फॉस्फोट्रांसफेरेज है। इस एंजाइम का कार्य नाम क्रिएटिन किनेस या क्रिएटिन फॉस्फोकाइनेज है

आर 2-1 है। क्रिएटिन फॉस्फोकाइनेज का कोड और एंजाइमों के वर्गीकरण में एंजाइम का स्थान

परिचय

1. सामान्य प्रावधान और उत्प्रेरण के नियम

2. सजातीय कटैलिसीस

3. अम्ल और क्षारक उत्प्रेरण

4. जटिल यौगिकों द्वारा उत्प्रेरित सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं

5. एंजाइमेटिक कटैलिसीस

6. विषम उत्प्रेरण

निष्कर्ष

प्रयुक्त स्रोतों की सूची

परिचय

उत्प्रेरण उत्प्रेरक की उपस्थिति में प्रतिक्रिया की दर में परिवर्तन की घटना है। उत्प्रेरकों से युक्त अभिक्रियाएँ उत्प्रेरक कहलाती हैं। वे पदार्थ जो किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाते हैं, जबकि समग्र प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप अपरिवर्तित रहते हैं, उत्प्रेरक कहलाते हैं।

कई अलग-अलग प्रकार के उत्प्रेरक और उनकी क्रिया के कई अलग-अलग तंत्र हैं। उत्प्रेरक चक्रों से गुजरता है जिसमें वह पहले बंधता है, फिर पुन: उत्पन्न होता है, फिर से बंधता है, और इसी तरह बार-बार। उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को एक अलग पथ के साथ आगे बढ़ने की अनुमति देता है, और उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में इसकी तुलना में उच्च दर पर होता है। सक्रियण ऊर्जा को कम करके, पूर्व-घातीय कारक या दोनों को बढ़ाकर गति को बढ़ाया जा सकता है।

उत्प्रेरक एक साथ आगे और पीछे दोनों प्रतिक्रियाओं को तेज करता है, जिसके कारण समग्र प्रतिक्रिया का संतुलन स्थिर रहता है। यदि ऐसा नहीं होता, तो पदार्थ को पुन: उत्पन्न करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग करके एक सतत गति मशीन को डिजाइन करना संभव होता

1. सामान्य प्रावधान और उत्प्रेरण के नियम

उत्प्रेरकों को सजातीय और विषमांग में वर्गीकृत किया गया है। एक सजातीय उत्प्रेरक अभिकारकों के साथ एक ही चरण में होता है, एक विषम उत्प्रेरक एक स्वतंत्र चरण बनाता है, जो उस चरण से इंटरफ़ेस द्वारा अलग किया जाता है जिसमें अभिकारक स्थित होते हैं। अम्ल और क्षार विशिष्ट सजातीय उत्प्रेरक हैं। धातु, उनके ऑक्साइड और सल्फाइड विषमांगी उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

एक ही प्रकार की प्रतिक्रियाएं सजातीय और विषम उत्प्रेरक दोनों के साथ आगे बढ़ सकती हैं। तो, एसिड समाधान के साथ, ठोस अल 2 ओ 3, टीआईओ 2, थओ 2, एल्यूमिनोसिलिकेट्स, अम्लीय गुणों वाले जिओलाइट्स का उपयोग किया जाता है। मूल गुणों वाले विषम उत्प्रेरक: CaO, BaO, MgO।

विषम उत्प्रेरक, एक नियम के रूप में, एक अत्यधिक विकसित सतह होती है, जिसके लिए उन्हें एक अक्रिय वाहक (सिलिका जेल, एल्यूमिना, सक्रिय कार्बन, आदि) पर वितरित किया जाता है।

प्रत्येक प्रकार की प्रतिक्रिया के लिए, केवल कुछ उत्प्रेरक ही प्रभावी होते हैं। पहले से उल्लिखित एसिड-बेस उत्प्रेरक के अलावा, ऑक्सीकरण-कमी उत्प्रेरक भी हैं; उन्हें एक संक्रमण धातु या उसके यौगिक (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3) की उपस्थिति की विशेषता है। इस मामले में, संक्रमण धातु के ऑक्सीकरण राज्य को बदलकर उत्प्रेरण किया जाता है।

उत्प्रेरक का उपयोग करके कई प्रतिक्रियाएं की जाती हैं जो एक संक्रमण धातु परमाणु या आयन (Ti, Rh, Ni) पर अभिकारकों के समन्वय के माध्यम से कार्य करती हैं। इस तरह के कटैलिसीस को फोकल कटैलिसीस कहा जाता है।

यदि उत्प्रेरक में चिरल गुण होते हैं, तो वैकल्पिक रूप से निष्क्रिय सब्सट्रेट से एक वैकल्पिक रूप से सक्रिय उत्पाद प्राप्त किया जाता है।

आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी में, कई उत्प्रेरकों की प्रणालियों का अक्सर उपयोग किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक प्रतिक्रिया के विभिन्न चरणों को तेज करता है। उत्प्रेरक दूसरे उत्प्रेरक द्वारा किए गए उत्प्रेरक चक्र के एक चरण की गति को भी बढ़ा सकता है। यहां "कैटेलिसिस कटैलिसीस" या दूसरे स्तर का कटैलिसीस होता है।

एंजाइम जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक की भूमिका निभाते हैं।

उत्प्रेरकों को सर्जक से अलग किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, पेरोक्साइड मुक्त कणों में टूट जाते हैं, जो कट्टरपंथी श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को शुरू कर सकते हैं। प्रतिक्रिया के दौरान आरंभकर्ताओं का उपभोग किया जाता है, इसलिए उन्हें उत्प्रेरक नहीं माना जा सकता है।

अवरोधकों को कभी-कभी गलती से नकारात्मक उत्प्रेरक माना जाता है। लेकिन अवरोधक, उदाहरण के लिए, कट्टरपंथी श्रृंखला प्रतिक्रियाएं, मुक्त कणों के साथ प्रतिक्रिया करती हैं और उत्प्रेरक के विपरीत, बनी नहीं रहती हैं। अन्य अवरोधक (उत्प्रेरक विष) उत्प्रेरक से बंधते हैं और उसे निष्क्रिय कर देते हैं; यहीं पर उत्प्रेरण का दमन होता है, ऋणात्मक उत्प्रेरण नहीं। नकारात्मक कटैलिसीस, सिद्धांत रूप में, असंभव है: यह प्रतिक्रिया के लिए एक धीमा मार्ग प्रदान करेगा, लेकिन प्रतिक्रिया, स्वाभाविक रूप से, तेजी से अनुसरण करेगी, इस मामले में, उत्प्रेरित नहीं, पथ।

उत्प्रेरक प्रतिक्रिया उत्पादों में से एक हो सकता है। इस मामले में, प्रतिक्रिया को ऑटोकैटलिटिक कहा जाता है, और घटना को ऑटोकैटलिसिस कहा जाता है। उदाहरण के लिए, Fe 2+ को Mn0 4 . के साथ ऑक्सीकरण करते समय

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H + = 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0

परिणामी Mn 2+ आयन प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को उत्प्रेरित करते हैं।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं प्रकृति में अत्यंत सामान्य हैं। इनमें से सबसे आश्चर्यजनक एंजाइमों के साथ प्रतिक्रियाएं हैं जो जीवित जीवों में कई प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करती हैं। उद्योग में उत्प्रेरक का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। नाइट्रिक और सल्फ्यूरिक एसिड का उत्पादन, अमोनिया, सिंथेटिक रबर का उत्पादन, आदि। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के बिना असंभव हैं। उत्प्रेरक का उपयोग औषधीय पदार्थों के उत्पादन में किया जाता है: फेनासेटिन, गियाकोल, सुगंधित यौगिकों के हलोजन डेरिवेटिव, आदि। उत्प्रेरक Mn (IV) ऑक्साइड, Ni, Co, Fe, A1C1 3, TeCl 3 हैं।

सजातीय और विषमांगी उत्प्रेरण के बीच अंतर करें, लेकिन उनमें से किसी के लिए मुख्य नियमितताएं इस प्रकार हैं:

1. उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के प्रारंभिक कार्य में सक्रिय रूप से भाग लेता है, प्रतिक्रिया में प्रतिभागियों में से एक के साथ या तो मध्यवर्ती यौगिकों का निर्माण करता है, या सभी प्रतिक्रियाशील पदार्थों के साथ एक सक्रिय परिसर होता है। प्रत्येक प्रारंभिक क्रिया के बाद, यह पुनर्जीवित होता है और प्रतिक्रियाशील पदार्थों के नए अणुओं के साथ बातचीत कर सकता है।

2. उत्प्रेरक अभिक्रिया की दर उत्प्रेरक की मात्रा के समानुपाती होती है।

3. उत्प्रेरक की एक चयनात्मक क्रिया होती है। वह एक प्रतिक्रिया की गति को बदल सकता है और दूसरी की गति को प्रभावित नहीं कर सकता।

4. उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को एक अलग पथ के साथ आगे बढ़ने की अनुमति देता है, और उत्प्रेरक की अनुपस्थिति में इसकी तुलना में उच्च दर पर होता है।

सक्रियण ऊर्जा को कम करके, पूर्व-घातीय कारक या दोनों को बढ़ाकर गति को बढ़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एसीटैल्डिहाइड सीएच 3 सीएचओ सीएच 4 + सीओ का थर्मल अपघटन आयोडीन वाष्प द्वारा उत्प्रेरित होता है, जिससे सक्रियण ऊर्जा में ~ 55 kJ / mol की कमी होती है। इस कमी के कारण दर स्थिरांक लगभग १०,००० के कारक से बढ़ जाता है।

5. उत्प्रेरक थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति को प्रभावित नहीं करता है। यह आगे और पीछे दोनों प्रतिक्रियाओं की गति को एक ही हद तक बदल देता है।

6. प्रमोटर नामक कुछ पदार्थों के जुड़ने से उत्प्रेरक की गतिविधि बढ़ जाती है; अवरोधकों को जोड़ने से प्रतिक्रिया दर कम हो जाती है।

2. सजातीय कटैलिसीस

सजातीय कटैलिसीस में, उत्प्रेरक एक सजातीय समाधान में एक अणु या आयन होता है। सजातीय उत्प्रेरण के मामले में, उत्प्रेरक और सभी अभिकारक एक सामान्य चरण का निर्माण करते हैं।

सजातीय कटैलिसीस के सिद्धांत की मुख्य धारणा यह विचार है कि प्रतिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक के अस्थिर मध्यवर्ती यौगिक प्रतिक्रिया के दौरान बनते हैं, जो तब उत्प्रेरक के पुनर्जनन के साथ विघटित हो जाते हैं:

ए + बी + के = (ए-बी-के) * डी + के

इस प्रतिक्रिया की गति

वी = के एनसी एसी बीसी क

उत्प्रेरक सांद्रता के समानुपाती होता है, और दर स्थिरांक अरहेनियस समीकरण का पालन करता है। यह प्रतिक्रिया दो चरणों में आगे बढ़ सकती है:

कटैलिसीस सजातीय अम्लीय एंजाइमैटिक विषम

इस मामले में, दो मामले संभव हैं। पहले में, उत्प्रेरक और प्रारंभिक उत्पाद में परिसर के अपघटन की दर दूसरे चरण की दर से बहुत अधिक है, जिसमें अंतिम उत्पाद बनता है। इसलिए, इस प्रकार के कटैलिसीस में परिसरों की एकाग्रता, जिसे अरहेनियस कॉम्प्लेक्स कहा जाता है, कम है। दूसरे मामले में, परिसर के अपघटन की दर दूसरे चरण की दर के अनुरूप है। मध्यवर्ती परिसर की एकाग्रता महत्वपूर्ण और स्थिर है। इस प्रकार के संकुलों को वैन्ट हॉफ संकुल कहते हैं।

आइए हम दूसरे मामले को अधिक विशिष्ट के रूप में, अधिक विस्तार से देखें। चूंकि मध्यवर्ती यौगिक एए प्रारंभिक सामग्री के साथ संतुलन में है, आगे (v 1) और रिवर्स (v 2) प्रतिक्रियाओं (1) की दरें बराबर होनी चाहिए। उनके लिए गतिज समीकरण संकलित करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

कहां (साथ प्रति"-- साथ एके") - उत्प्रेरक की एकाग्रता जिसने प्रतिक्रिया नहीं की है; साथ ए,साथ एके"-- पदार्थ ए और मध्यवर्ती यौगिक एए की संतुलन सांद्रता क्रमशः।

(2) से हम मध्यवर्ती यौगिक की सांद्रता पाते हैं:

पूरी प्रक्रिया की कुल गति (v) सबसे धीमी चरण की गति से निर्धारित होती है, इस मामले में दूसरी। फिर

(4) मध्यवर्ती (3) की सांद्रता में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

समीकरण (5) दो सीमित व्यवस्थाओं के अस्तित्व की संभावना को इंगित करता है:

दोनों ही मामलों में, प्रतिक्रिया दर उत्प्रेरक एकाग्रता के सीधे आनुपातिक है, लेकिन प्रारंभिक सामग्री के संबंध में प्रतिक्रिया का क्रम अलग है। पहले मामले में, यह दो के बराबर है, और दूसरे में - एक के लिए। सीमित व्यवस्थाओं के बाहर, प्रतिक्रिया क्रम भिन्नात्मक होगा।

सजातीय कटैलिसीस का एक उदाहरण एसीटैल्डिहाइड सीएच 3 सीओएच सीएच 4 + सीओ के थर्मल अपघटन की प्रतिक्रिया है, जो आयोडीन वाष्प द्वारा उत्प्रेरित होता है। आयोडीन वाष्प की अनुपस्थिति में इ ए= 191.0 kJ / mol, उनकी उपस्थिति में इ ए= 136.0 केजे / मोल। दर स्थिरांक १०,००० के कारक से बढ़ता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रतिक्रिया दो चरणों में होती है:

सीएच 3 एसओएच + आई 2 = सीएच 3 आई + एचआई + सीओ

सीएच 3 आई + एचआई = सीएच 4 + आई 2

प्रत्येक चरण की सक्रियण ऊर्जा गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा से कम होती है।

सजातीय कटैलिसीस में कई एसिड-बेस प्रतिक्रियाएं, जटिल प्रतिक्रियाएं, रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं, हाइड्रोजनीकरण की कई प्रतिक्रियाएं, सल्फाइडिंग आदि शामिल हैं।

3. अम्ल और क्षारक उत्प्रेरण

कई प्रतिक्रियाओं में एसिड और बेस एक उत्प्रेरक के कार्य करते हैं, अर्थात, प्रतिक्रिया में भाग लेते हुए, वे स्वयं खपत नहीं होते हैं (हाइड्रोलिसिस, अल्काइलेशन, एस्टरीफिकेशन, आदि की प्रतिक्रियाएं। एसिड-बेस कटैलिसीस तीन प्रकार के होते हैं:

1) विशिष्ट एसिड (बेसिक) कटैलिसीस, जिसमें एच + या ओएच - आयन क्रमशः उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं;

2) सामान्य एसिड (बेसिक) कटैलिसीस, जो किसी भी प्रोटॉन डोनर (स्वीकर्ता) द्वारा किया जाता है;

3) एसिड और लुईस बेस द्वारा किए गए इलेक्ट्रोफिलिक (न्यूक्लियोफिलिक) कटैलिसीस।

प्रथम आदेश दर स्थिर कएक बफर समाधान में प्रतिक्रिया के लिए [एच +], [ओएच -], [एचए], [ए -], यानी का एक रैखिक कार्य हो सकता है।

के = के 0 + के 1 [एच +] + के 2 [ओएच -] + के 3 [एचए] + के 4 [ए -]

इस अभिव्यक्ति में क 0 - सभी उत्प्रेरक आयनों की अनुपस्थिति में पहले क्रम की दर स्थिर: [एच +], [ओएच -], [एचए], [ए -], एक के टी - उत्प्रेरक गुणांक।

यदि केवल k 1 [H +] पद महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, तो यह कहा जाता है कि प्रतिक्रिया हाइड्रोजन आयनों द्वारा एक विशिष्ट उत्प्रेरण के रूप में प्रकट होती है। यदि शब्द प्रबल होता है क 3 [एचए], प्रतिक्रिया को सामान्य एसिड कटैलिसीस के अधीन कहा जाता है। यदि शब्द प्रबल होता है क 4 [ए -], यह कहा जाता है कि प्रतिक्रिया सामान्य बुनियादी कटैलिसीस की कार्रवाई के अधीन है।

विशिष्ट एसिड-बेस कटैलिसीस के लिए जब गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर कम होती है (क 0 = 0) को लघुगणक रूप में दर्शाया जा सकता है:

अम्लीय घोल के लिए:

क्षारीय समाधान के लिए:

समीकरण इंगित करते हैं कि विशिष्ट एसिड-बेस कटैलिसीस के लिए, दर का लघुगणक रैखिक रूप से माध्यम के पीएच पर निर्भर करता है।

हाइड्रोजन आयनों की उत्प्रेरक क्रिया का तंत्र यह है कि एक प्रोटॉन का एक मध्यवर्ती यौगिक और प्रारंभिक पदार्थ का एक अणु बनता है। इस प्रक्रिया के कारण, प्रारंभिक पदार्थ में मौजूद रासायनिक बंधन ढीले हो जाते हैं, सक्रियण ऊर्जा कम हो जाती है, और फिर प्रोटोनेटेड रूप BH + एक प्रतिक्रिया उत्पाद और एक उत्प्रेरक में विघटित हो जाता है।

4. जटिल यौगिकों द्वारा उत्प्रेरित सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं

औद्योगिक परिस्थितियों में कमी, हाइड्रोजनीकरण, ऑक्सीकरण, आइसोमेराइजेशन, पोलीमराइजेशन की प्रतिक्रियाएं उत्प्रेरक - जटिल यौगिकों (आवर्त सारणी Fe, Co, Ni, Ru, साथ ही Cu, Fg के समूह VIII के धातु आयनों) की उपस्थिति में की जाती हैं। , एचजी, सीआर, एमएन)। उत्प्रेरक क्रिया का सार यह है कि धातु आयन इलेक्ट्रॉनों के दाताओं या स्वीकर्ता के रूप में कार्य करते हैं। केंद्रीय धातु आयन के चारों ओर समन्वित प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच रासायनिक संपर्क अणुओं के ध्रुवीकरण और व्यक्तिगत बांडों की ऊर्जा में कमी से सुगम होता है। केंद्रीय धातु आयन प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण की सुविधा के लिए एक पुल के रूप में कार्य करता है।

धातु आयन की उत्प्रेरक गतिविधि प्रतिक्रिया प्रतिभागियों के साथ आयन की बाध्यकारी ऊर्जा पर निर्भर करती है। यदि बंधन ऊर्जा उच्च या निम्न है, तो धातु आयन कमजोर उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शित करता है। पहले मामले में, धातु आयन प्रतिक्रिया करने वाले अणुओं से इतनी मजबूती से बंधे होते हैं कि वे प्रतिक्रिया से दूर हो जाते हैं। दूसरे मामले में, प्रतिक्रिया करने वाले अणु समाधान में मौजूद अन्य लिगैंड को विस्थापित नहीं कर सकते हैं। समन्वय-संतृप्त संकुल प्राप्त होते हैं जो सक्रिय उत्प्रेरक नहीं होते हैं।

जटिल उत्प्रेरकों की संरचना को विनियमित करने की व्यापक संभावनाओं के कारण, समूह VIII तत्वों के आयनों वाले एंजाइमों को शामिल करते हुए कई प्रतिक्रियाओं का अनुकरण करना संभव हो गया।

5. एंजाइमेटिक कटैलिसीस

एंजाइम सबसे आश्चर्यजनक उत्प्रेरक हैं। वे जीवित जीवों में कई प्रतिक्रियाओं से जुड़े होते हैं, और इसलिए उन्हें अक्सर जैविक उत्प्रेरक कहा जाता है। एंजाइमैटिक कटैलिसीस पारंपरिक कटैलिसीस की तुलना में अधिक जटिल घटना है। एंजाइमी कटैलिसीस की प्रक्रियाओं का उच्च संगठन एंजाइम और सब्सट्रेट की आणविक संरचना के एक विशेष संयोजन से जुड़े एक जीवित जीव में बातचीत की ख़ासियत से निर्धारित होता है, जिसे एंजाइमी प्रतिक्रियाओं में अभिकारक कहा जाता है।

एंजाइम प्रोटीन होते हैं, अर्थात। पेप्टाइड बॉन्ड से जुड़े अमीनो एसिड से मिलकर बनता है। एंजाइम अणु में वैकल्पिक ध्रुवीय समूह COOH, NH 2, NH, OH, SH, आदि के साथ-साथ हाइड्रोफोबिक समूह भी होते हैं। एंजाइम की प्राथमिक संरचना विभिन्न अमीनो एसिड के प्रत्यावर्तन के क्रम के कारण होती है। थर्मल अराजक आंदोलन के परिणामस्वरूप, एंजाइम मैक्रोमोलेक्यूल झुकता है और ढीली गेंदों में कर्ल करता है। पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के अलग-अलग हिस्सों के बीच अंतर-आणविक संपर्क होता है, जिससे हाइड्रोजन बांड बनते हैं। एंजाइम की द्वितीयक संरचना एक ढीले माध्यम के रूप में प्रकट होती है। प्रत्येक एंजाइम के लिए, माध्यमिक संरचना काफी निश्चित है। एंजाइम के सक्रिय उत्प्रेरक केंद्र में ऐसे समूह शामिल होते हैं जो सब्सट्रेट अणुओं को एक निश्चित स्थिति में उन्मुख करते हैं। सक्रिय केंद्र एक मैट्रिक्स की तरह है, जिसमें केवल एक निश्चित संरचना का अणु प्रवेश कर सकता है। एंजाइमेटिक कटैलिसीस के तंत्र में एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स के गठन के साथ सब्सट्रेट के साथ एंजाइम के सक्रिय केंद्रों की बातचीत होती है, जो तब कई परिवर्तनों से गुजरती है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया उत्पाद दिखाई देता है। मध्यवर्ती चरणों में से प्रत्येक को कम सक्रियण ऊर्जा की विशेषता है, जो प्रतिक्रिया की तीव्र प्रगति में योगदान देता है। यह एंजाइमों की उच्च गतिविधि की व्याख्या करता है।

एंजाइमों को वर्गों में विभाजित किया जाता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वे किस प्रकार की प्रतिक्रिया उत्प्रेरित करते हैं: ऑक्सीडोरेक्टेसेस (रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं), ट्रांसफरेज़ (रासायनिक समूहों के एक यौगिक से दूसरे में स्थानांतरण को उत्प्रेरित करते हैं), हाइड्रोलिसिस (हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं), लाइसिस (विभिन्न बांडों को तोड़ते हैं) , आइसोमेरेज़ (आइसोमेरिक परिवर्तन करना), लिगेज (संश्लेषण प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करना)। जैसा कि आप देख सकते हैं, एंजाइम विशिष्टता और चयनात्मकता में भिन्न होते हैं। कुछ एक विशेष प्रकार की प्रतिक्रियाओं के पूरे वर्ग को उत्प्रेरित करते हैं, कुछ केवल एक प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करते हैं।

कई एंजाइमों में धातु आयन (धातुएंजाइम) होते हैं। मेटलोएंजाइम में, धातु आयन केलेट कॉम्प्लेक्स बनाते हैं जो एंजाइम की सक्रिय संरचना प्रदान करते हैं। एक चर ऑक्सीकरण अवस्था (Fe, Mn, Cu) वाली धातुएं ऑक्सीकरण एजेंट को इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण को अंजाम देते हुए, रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग लेती हैं। कई दर्जन कार्बनिक यौगिकों को हाइड्रोजन और इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के कार्यों को पूरा करने के लिए जाना जाता है। इनमें विटामिन के डेरिवेटिव होते हैं।

भारी धातु आयन (Ag +, Hg +, Pb 2+) एंजाइमों के सक्रिय समूहों को अवरुद्ध कर सकते हैं।

विभिन्न एंजाइमों की क्रिया का आकलन करने के लिए, आणविक गतिविधि की अवधारणा पेश की गई थी, जो एक मिनट में एक एंजाइम अणु द्वारा परिवर्तित सब्सट्रेट अणुओं की संख्या से निर्धारित होती है। ज्ञात एंजाइमों में सबसे सक्रिय कार्बोनिक एनहाइड्रेज़ है, जिसकी आणविक गतिविधि ~ 36 मिलियन अणु प्रति मिनट है।

एक एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया की दर एंजाइम की एकाग्रता के सीधे आनुपातिक होती है। कम सब्सट्रेट सांद्रता पर, सब्सट्रेट के संदर्भ में प्रतिक्रिया पहले क्रम की होती है। उच्च सांद्रता में, प्रतिक्रिया दर स्थिर रहती है, और प्रतिक्रिया क्रम शून्य हो जाता है (एंजाइम पूरी तरह से सब्सट्रेट से संतृप्त होता है)। प्रतिक्रिया दर माध्यम के तापमान और अम्लता पर निर्भर करती है।

जीवन की सभी अभिव्यक्तियों में एंजाइमेटिक कटैलिसीस एक बड़ी भूमिका निभाता है, जहां जीवित चीजों की बात आती है। शरीर की महत्वपूर्ण गतिविधि को बढ़ाने और चयापचय में सुधार करने के लिए, कई एंजाइम तैयार किए गए हैं जो दवाओं के रूप में उपयोग किए जाते हैं। एंजाइम की तैयारी व्यापक रूप से पाचन एंजाइमों के अपर्याप्त उत्पादन से जुड़े जठरांत्र संबंधी मार्ग के विकारों के लिए उपयोग की जाती है। तो, गैस्ट्र्रिटिस के कुछ रूपों के लिए, पेप्सिन या पैनक्रिएटिन की तैयारी का उपयोग किया जाता है। एंजाइमों का उपयोग उन मामलों में भी सफलतापूर्वक किया जाता है जहां बड़ी मात्रा में जमा प्रोटीन संरचनाओं को नष्ट करना आवश्यक होता है (जलन, शुद्ध घाव, प्युलुलेंट-सूजन फेफड़ों के रोग, आदि)। इन मामलों में, प्रोटोलिटिक एंजाइम का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रोटीन का तेजी से हाइड्रोलिसिस होता है और प्यूरुलेंट संचय के पुनर्जीवन की सुविधा होती है। कई संक्रामक रोगों के उपचार के लिए, लाइसोजाइम की तैयारी का उपयोग किया जाता है, जो कुछ रोगजनक बैक्टीरिया के खोल को नष्ट कर देता है। रक्त के थक्कों (रक्त वाहिकाओं के अंदर रक्त के थक्के) को घोलने वाले एंजाइम बहुत महत्वपूर्ण होते हैं। यह रक्त में पाया जाने वाला प्लास्मिन है; अग्नाशयी एंजाइम - ट्रिप्सिन और काइमोट्रिप्सिन। उनके आधार पर, विभिन्न योजक के साथ, औषधीय एंजाइम की तैयारी बनाई गई है - स्ट्रेप्टोकिनेज, स्ट्रेप्टेस और अन्य दवा में उपयोग किए जाते हैं।

6. विषम उत्प्रेरण

इंटरफ़ेस पर विषम उत्प्रेरण होता है। पहली बार देखी गई विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रीस्टली (1778) द्वारा की गई सक्रिय मिट्टी पर एथिल अल्कोहल का निर्जलीकरण था:

सी 2 एच 5 ओएच - सी 2 एच 4 + एच 2 ओ

19वीं शताब्दी के पूर्वार्ध में, बड़ी संख्या में कार्य विषम उत्प्रेरण के लिए समर्पित थे। ठोस पदार्थों की उत्प्रेरक क्रिया की सैद्धांतिक व्याख्या के लिए कई कार्य समर्पित किए गए हैं। इसके बाद, सिद्धांत का विकास प्रायोगिक डेटा जमा करने, उत्प्रेरक तैयार करने के तरीकों को विकसित करने, नई उत्प्रेरक प्रक्रियाओं की खोज और अध्ययन करने, रासायनिक उद्योग में उत्प्रेरण की शुरुआत करने और विषम कटैलिसीस के सिद्धांत को विकसित करने के मार्ग पर आगे बढ़ा। हालाँकि, प्रयोगकर्ताओं की सफलताओं की तुलना में सिद्धांतकारों की सफलताएँ बहुत अधिक मामूली थीं। और यह कोई संयोग नहीं है।

यद्यपि उत्प्रेरक और गैर-उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के बीच कोई मौलिक अंतर नहीं है, दोनों ही रासायनिक गतिकी के नियमों का पालन करते हैं, दोनों ही मामलों में अभिकारकों की प्रणाली कुछ विशेष सक्रिय अवस्था से गुजरती है; विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में विशिष्ट विशेषताएं देखी जाती हैं। सबसे पहले, एक ठोस दिखाई देता है, जिसके गुणों पर सभी घटनाएं अनिवार्य रूप से निर्भर करती हैं। इसलिए, यह कोई संयोग नहीं है कि विषम उत्प्रेरण के सिद्धांत की सफलताएं ठोस अवस्था सिद्धांत के विकास के साथ अटूट रूप से जुड़ी हुई हैं। चूंकि प्रक्रिया सतह पर होती है, उत्प्रेरक सतह की संरचना का ज्ञान कटैलिसीस के सिद्धांत के विकास के लिए निर्णायक साबित होता है। इसलिए उत्प्रेरण के सिद्धांत के विकास और सोखना घटना के प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अध्ययन के विकास के बीच घनिष्ठ संबंध का अनुसरण करता है। विषम प्रक्रियाओं की जटिलता, उनकी अंतर्निहित विशिष्टता, इस तथ्य की ओर ले जाती है कि इस क्षेत्र में सैद्धांतिक अध्ययन अभी तक पूरा नहीं हुआ है। जबकि हम कई सैद्धांतिक अवधारणाओं की उपस्थिति के बारे में बात कर सकते हैं, पहले सन्निकटन में, कुछ प्रयोगात्मक तथ्यों का सामान्यीकरण।

व्यवहार में, दो प्रकार के विषम उत्प्रेरण सबसे आम हैं:

1) प्रक्रियाएं, जिनमें से उत्प्रेरक ठोस चरण में है, और अभिकारक तरल चरण में हैं;

2) प्रक्रियाएं, जिनमें से उत्प्रेरक ठोस चरण में है, और अभिकारक गैस चरण में हैं। प्रतिक्रिया आमतौर पर इंटरफ़ेस पर होती है (और कुछ मल्टीस्टेज प्रक्रियाओं में शुरू होती है), यानी। एक ठोस की सतह पर - एक उत्प्रेरक।

विषम प्रक्रिया को पाँच चरणों में विभाजित किया जा सकता है:

1) उत्प्रेरक सतह (प्रसार) के लिए अभिकारकों का परिवहन;

2) उत्प्रेरक सतह पर अभिकारकों का अधिशोषण;

3) सतह पर प्रतिक्रिया;

4) उत्प्रेरक सतह की मुक्ति के साथ प्रतिक्रिया उत्पादों का अवशोषण;

5) प्रतिक्रिया उत्पादों का आयतन (प्रसार) में परिवहन।

प्रक्रिया की स्थितियों और इसकी विशेषताओं के आधार पर, पांच चरणों में से कोई भी सबसे धीमा हो सकता है, और परिणामस्वरूप, उत्प्रेरक प्रक्रिया की गति उनमें से किसी के द्वारा सीमित की जा सकती है। उत्प्रेरक की गतिविधि के तुलनात्मक मूल्यांकन के लिए, सतह पर प्रतिक्रिया की दर निर्णायक होती है। इसलिए, उन मामलों में जब उत्प्रेरक गतिविधि का मूल्य प्राप्त करना महत्वपूर्ण होता है, वे प्रक्रिया को इस तरह से संचालित करने का प्रयास करते हैं कि दर दूसरे, तथाकथित गतिज चरण द्वारा निर्धारित की जाती है।

अधिशोषण और विशोषण के अपने नियम हैं। अधिशोषण अंतरापृष्ठ पर किसी पदार्थ की सांद्रता में स्वतःस्फूर्त परिवर्तन की प्रक्रिया है। वह पदार्थ जिसकी सतह पर अधिशोषण प्रक्रिया होती है, कहलाती है शोषक अधिशोषित पदार्थ कहलाता है सोखना विषम उत्प्रेरण में, अधिशोषक उत्प्रेरक है, और अधिशोषक अभिकारक (सब्सट्रेट) अणु है। उत्प्रेरक पर सब्सट्रेट का सोखना सतह पर उत्प्रेरक के अणुओं (परमाणुओं) और सब्सट्रेट के अणुओं (भौतिक सोखना) के बीच उत्पन्न होने वाली बातचीत की ताकतों के कारण किया जा सकता है। उत्प्रेरक के अणुओं (परमाणुओं) और अभिकारक के अणुओं के बीच रासायनिक संपर्क (रासायनिक सोखना या रसायन विज्ञान) हो सकता है। सोखने के परिणामस्वरूप, सिस्टम का क्रम बढ़ता है, सिस्टम की ऊर्जा कम हो जाती है, और प्रतिक्रिया की सक्रियता ऊर्जा कम हो जाती है।

विषम प्रक्रियाओं के लिए, द्रव या गैस के आंतरिक आयतन से ठोस सतह तक पदार्थ की गति का विशेष महत्व है। मास ट्रांसफर प्रक्रियाएं प्रसार के नियमों का पालन करती हैं।

निष्कर्ष

तेल शोधन और पेट्रोकेमिस्ट्री में उत्प्रेरक और उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के महत्व को कम करके आंका नहीं जा सकता है। आखिरकार, वे आधुनिक मानव समाज की जरूरतों को पूरा करने के सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्रों में तकनीकी प्रगति का आधार हैं। मुद्दा यह है, सबसे पहले, कि विभिन्न जमाओं के तेल में आमतौर पर गैसोलीन के अनुरूप कम उबलते अंशों का केवल 5 से 20% होता है। ऑटोमोबाइल और हवाई परिवहन के आधुनिक विकास के साथ गैसोलीन की आवश्यकता बहुत अधिक है। इसी समय, तेल से सीधे आसुत मोटर ईंधन आमतौर पर खराब गुणवत्ता वाले होते हैं। अन्य आधुनिक प्रसंस्करण विधियों के संयोजन में उत्प्रेरक क्रैकिंग और सुधार के उपयोग से तेल के वजन के 75% तक अत्यधिक सक्रिय गैसोलीन की उपज बढ़ाना संभव हो जाता है। धातु उत्प्रेरक का उपयोग करके कोयले के उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण द्वारा मोटर ईंधन का भी उत्पादन किया जाता है।

धातु और ऑक्साइड उत्प्रेरकों पर हाइड्रोकार्बन के आगे उत्प्रेरक प्रसंस्करण से उपभोक्ता वस्तुओं के उत्पादन में आवश्यक मध्यवर्ती उत्पाद प्राप्त करना संभव हो जाता है। उनसे प्राप्त अधिकांश मोनोमर्स और पॉलिमर हाइड्रोकार्बन के उत्प्रेरक प्रसंस्करण और तेल, कोयला, शेल, प्राकृतिक गैस से प्राप्त उनके डेरिवेटिव के उत्पाद हैं। उत्प्रेरक प्रक्रियाएं अपमार्जक, रंजक और औषधीय पदार्थों के उत्पादन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं।

मुख्य कार्बनिक संश्लेषण, जो मध्यवर्ती उत्पाद (और जैविक प्रौद्योगिकी के उत्पाद) देता है, मुख्य रूप से उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं पर आधारित होता है। सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया और नाइट्रिक एसिड जैसे रासायनिक उत्पादों का आधुनिक समाज के जीवन में बहुत महत्व है। राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के लगभग सभी क्षेत्र इन पदार्थों या उनकी सहायता से प्राप्त अन्य रासायनिक यौगिकों का उपभोग करते हैं। उनके आधार पर, दसियों लाख टन खनिज उर्वरकों का उत्पादन होता है, जिसके बिना खेतों की उपज को बढ़ाना या संरक्षित करना भी असंभव है। रासायनिक, पेट्रोकेमिकल, खाद्य, प्रकाश और अन्य उद्योगों में सैकड़ों उद्योग सल्फ्यूरिक, नाइट्रिक एसिड, अमोनिया और उनके डेरिवेटिव का उपयोग करते हैं। इन यौगिकों का उपयोग धातुकर्म और धातु उद्योग में भी किया जाता है।

इस बीच, अमोनिया से सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया और नाइट्रिक एसिड का बड़े पैमाने पर उत्पादन केवल उपयुक्त उत्प्रेरक की खोज और उनके उपयोग के तरीकों के विकास के लिए संभव हो गया।

प्रयुक्त स्रोतों की सूची

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यह लेख उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित करेगा। पाठक को उत्प्रेरकों के सामान्य विचार और सिस्टम पर उनके प्रभाव से परिचित कराया जाएगा, साथ ही प्रतिक्रियाओं के प्रकार, उनके पाठ्यक्रम की विशेषताओं और बहुत कुछ का वर्णन किया जाएगा।

कटैलिसीस का परिचय

इससे पहले कि आप उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं से परिचित हों, यह सीखने लायक है कि कटैलिसीस क्या है।

यह एक चयनात्मक त्वरण प्रक्रिया है, उत्प्रेरक के संपर्क में आने वाली प्रतिक्रिया की एक निश्चित थर्मोडायनामिक रूप से अनुमत दिशा है। यह बार-बार एक रासायनिक प्रकृति की बातचीत में शामिल होता है, और प्रतिक्रिया में प्रतिभागियों को प्रभावित करता है। किसी भी मध्यवर्ती चक्र के अंत में, उत्प्रेरक अपने मूल रूप को फिर से शुरू कर देता है। उत्प्रेरक की अवधारणा को 1835 में जे. बार्ज़ेलियस और जेन्स द्वारा प्रचलन में लाया गया था।

सामान्य जानकारी

उत्प्रेरित प्रकृति में व्यापक है और आमतौर पर तकनीकी उद्योग में मनुष्यों द्वारा उपयोग किया जाता है। उद्योग में प्रयुक्त सभी उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं की प्रमुख संख्या। ऑटोकैटलिसिस की एक अवधारणा है - एक घटना जिसमें एक त्वरक प्रतिक्रिया उत्पाद के रूप में कार्य करता है या प्रारंभिक यौगिकों का हिस्सा होता है।

अभिकारकों की सभी प्रकार की रासायनिक अंतःक्रियाओं को उत्प्रेरक और गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में विभाजित किया जाता है। उत्प्रेरकों से युक्त अभिक्रियाओं के त्वरण को धनात्मक उत्प्रेरण कहते हैं। बातचीत की दर में मंदी अवरोधकों की भागीदारी के साथ होती है। प्रतिक्रियाएं नकारात्मक उत्प्रेरक हैं।

उत्प्रेरक प्रतिक्रिया न केवल उत्पादन शक्ति बढ़ाने का एक तरीका है, बल्कि परिणामी उत्पाद की गुणवत्ता में सुधार करने का एक अवसर भी है। यह मुख्य प्रतिक्रिया को तेज करने और समानांतर में चलने वालों की गति को धीमा करने के लिए विशेष रूप से चयनित पदार्थ की क्षमता के कारण है।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं भी तंत्र की ऊर्जा लागत को कम करती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि त्वरण प्रक्रिया को कम तापमान पर चलाने की अनुमति देता है जो इसके बिना आवश्यक होगा।

उत्प्रेरक प्रतिक्रिया का एक उदाहरण उत्पादन में नाइट्रिक एसिड, हाइड्रोजन, अमोनिया आदि जैसी मूल्यवान चीजों का उत्पादन है। इन प्रक्रियाओं का सबसे अधिक उपयोग एल्डिहाइड, फिनोल, विभिन्न प्लास्टिक, रेजिन और रबर आदि के उत्पादन में किया जाता है।

प्रतिक्रियाओं की विविधता

कटैलिसीस का सार सबसे लाभदायक विकल्प के लिए प्रतिक्रिया तंत्र के हस्तांतरण में निहित है। यह सक्रियण ऊर्जा में कमी के कारण संभव हो जाता है।

उत्प्रेरक एक विशिष्ट अभिकर्मक अणु के साथ एक कमजोर रासायनिक बंधन बनाता है। इससे दूसरे अभिकर्मक के साथ प्रतिक्रिया करना आसान हो जाता है। उत्प्रेरक के रूप में वर्गीकृत पदार्थ रासायनिक संतुलन में बदलाव को प्रभावित नहीं करते हैं, क्योंकि वे दोनों दिशाओं में विपरीत रूप से कार्य करते हैं।

कटैलिसीस को दो मुख्य प्रकारों में विभाजित किया गया है: सजातीय और विषम। पहले प्रकार के सभी इंटरैक्शन की एक सामान्य विशेषता यह है कि उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के अभिकर्मक के साथ एक सामान्य चरण में है। इस बिंदु पर दूसरे प्रकार का अंतर है।

सजातीय उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं हमें दिखाती हैं कि एक त्वरक, एक निश्चित पदार्थ के साथ बातचीत करते समय, एक मध्यवर्ती यौगिक बनाता है। इससे सक्रियण के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा में और कमी आएगी।

विषम उत्प्रेरण प्रक्रिया को गति देता है। एक नियम के रूप में, यह ठोस की सतह पर बहती है। नतीजतन, उत्प्रेरक की क्षमता और उसकी गतिविधि सतह के आकार और व्यक्तिगत गुणों से निर्धारित होती है। एक विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया में एक सजातीय की तुलना में संचालन का अधिक जटिल तंत्र होता है। इसके तंत्र में 5 चरण शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक प्रतिवर्ती हो सकता है।

पहले चरण में, अंतःक्रियात्मक अभिकर्मकों का प्रसार ठोस के क्षेत्र में शुरू होता है, फिर एक भौतिक सोखना होता है जिसके बाद रसायन विज्ञान होता है। नतीजतन, तीसरा चरण शुरू होता है, जिसमें प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थों के अणुओं के बीच प्रतिक्रिया होने लगती है। चौथे चरण में, उत्पाद का desorption मनाया जाता है। पांचवें चरण में, अंतिम पदार्थ उत्प्रेरक विमान से सामान्य धाराओं में फैलता है।

उत्प्रेरक सामग्री

उत्प्रेरक वाहक की एक अवधारणा है। यह एक निष्क्रिय या निष्क्रिय प्रकार की सामग्री है, जो उत्प्रेरक चरण में भाग लेने वाले एक कण को ​​​​स्थिर अवस्था में लाने के लिए आवश्यक है।

सक्रिय घटकों के सिंटरिंग और ढेर को रोकने के लिए विषम त्वरण आवश्यक है। मामलों की भारी संख्या में, वाहकों की संख्या समर्थित सक्रिय प्रकार के घटक की उपस्थिति से अधिक हो जाती है। आवश्यकताओं की मुख्य सूची जो एक वाहक के पास होनी चाहिए वह एक बड़ा सतह क्षेत्र और सरंध्रता, थर्मल स्थिरता, जड़ता और यांत्रिक तनाव का प्रतिरोध है।

रासायनिक आधार।पदार्थों के बीच परस्पर क्रिया को तेज करने का रसायन हमें दो प्रकार के पदार्थों, अर्थात् उत्प्रेरक और अवरोधकों में अंतर करने की अनुमति देता है। उत्तरार्द्ध, बदले में, प्रतिक्रिया दर को धीमा कर देता है। एंजाइम उत्प्रेरक के प्रकारों में से एक हैं।

उत्प्रेरक स्वयं प्रतिक्रिया के उत्पाद के संपर्क में स्टोइकोमेट्रिक रूप से नहीं आते हैं और अंततः हमेशा पुनर्जीवित होते हैं। आधुनिक समय में, आणविक सक्रियण की प्रक्रिया को प्रभावित करने के कई तरीके हैं। हालांकि, कटैलिसीस रासायनिक उत्पादन के आधार के रूप में कार्य करता है।

उत्प्रेरक की प्रकृति उन्हें सजातीय, विषम, चरण-स्थानांतरण, एंजाइमेटिक और माइक्रेलर में विभाजित करने की अनुमति देती है। एक उत्प्रेरक की भागीदारी के साथ एक रासायनिक प्रतिक्रिया इसके सक्रियण के लिए आवश्यक ऊर्जा खपत को कम कर देगी। उदाहरण के लिए, NH3 के नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के गैर-उत्प्रेरक अपघटन के लिए लगभग 320 kJ/mol की आवश्यकता होगी। वही प्रतिक्रिया, लेकिन प्लैटिनम के प्रभाव में, यह संख्या घटकर 150 kJ / mol हो जाएगी।

हाइड्रोजनीकरण प्रक्रिया

उत्प्रेरकों से जुड़ी प्रतिक्रियाओं की प्रमुख संख्या हाइड्रोजन परमाणु और एक निश्चित अणु की सक्रियता पर आधारित होती है, जो बाद में एक रासायनिक प्रकृति की बातचीत की ओर ले जाती है। इस घटना को हाइड्रोजनीकरण कहा जाता है। यह तेल शोधन और कोयले से तरल ईंधन के निर्माण के अधिकांश चरणों के केंद्र में है। उत्तरार्द्ध का उत्पादन देश में तेल क्षेत्रों की कमी के कारण जर्मनी में खोला गया था। ऐसे ईंधन के निर्माण को बर्गियस प्रक्रिया कहा जाता है। इसमें हाइड्रोजन और कोयले का सीधा संयोजन होता है। कोयले को एक निश्चित दबाव और हाइड्रोजन की उपस्थिति में गर्म किया जाता है। नतीजतन, एक तरल प्रकार का उत्पाद बनता है। आयरन ऑक्साइड उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। लेकिन कभी-कभी धातुओं पर आधारित पदार्थ जैसे मोलिब्डेनम और टिन का भी उपयोग किया जाता है।

उसी ईंधन को प्राप्त करने का एक और तरीका है, जिसे फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया कहा जाता है। इसके दो चरण हैं। पहले चरण में, कोयले को जल वाष्प और ओ 2 की बातचीत के साथ इलाज करके गैसीकरण के अधीन किया जाता है। इस प्रतिक्रिया से हाइड्रोजन मिश्रण और कार्बन मोनोऑक्साइड का निर्माण होता है। इसके अलावा, उत्प्रेरक की मदद से, परिणामी मिश्रण को तरल ईंधन की स्थिति में स्थानांतरित किया जाता है।

अम्लता और उत्प्रेरक क्षमताओं के बीच संबंध

एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया एक घटना है जो स्वयं उत्प्रेरक के अम्लीय गुणों पर निर्भर करती है। जे ब्रोंस्टेड की परिभाषा के अनुसार, एसिड एक ऐसा पदार्थ है जो प्रोटॉन दे सकता है। मजबूत अम्ल आसानी से उपयोग के लिए अपने प्रोटॉन को आधार को दान कर देगा। जी. लुईस ने एसिड को एक ऐसे पदार्थ के रूप में परिभाषित किया जो दाता पदार्थों से इलेक्ट्रॉन जोड़े को स्वीकार करने में सक्षम है और इसके परिणामस्वरूप एक सहसंयोजक बंधन बनता है। इन दो विचारों ने मनुष्य को उत्प्रेरण के तंत्र का सार निर्धारित करने की अनुमति दी।

एक एसिड की ताकत को आधारों के एक सेट का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है जो प्रोटॉन के अतिरिक्त होने के कारण अपना रंग बदल सकता है। उद्योग में प्रयुक्त कुछ उत्प्रेरक अत्यंत प्रबल अम्लों की तरह व्यवहार कर सकते हैं। उनकी ताकत प्रोटॉन की दर निर्धारित करती है, और इसलिए यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण विशेषता है।

उत्प्रेरक की अम्लीय गतिविधि हाइड्रोकार्बन के साथ प्रतिक्रिया करने की क्षमता के कारण होती है, इस प्रकार एक मध्यवर्ती उत्पाद - कार्बेनियम आयन बनता है।

निर्जलीकरण प्रक्रिया

डिहाइड्रोजनीकरण भी एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया है। इसका उपयोग अक्सर विभिन्न औद्योगिक क्षेत्रों में किया जाता है। इस तथ्य के बावजूद कि डिहाइड्रोजनीकरण पर आधारित उत्प्रेरक प्रक्रियाओं का उपयोग हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं की तुलना में कम बार किया जाता है, फिर भी वे मानव गतिविधि में एक महत्वपूर्ण स्थान रखते हैं। इस प्रकार की उत्प्रेरक प्रतिक्रिया का एक उदाहरण स्टाइरीन का उत्पादन है, जो एक महत्वपूर्ण मोनोमर है। सबसे पहले, एथिलबेन्जीन का डिहाइड्रोजनीकरण आयरन ऑक्साइड युक्त पदार्थों की भागीदारी के साथ होता है। मनुष्य अक्सर इस घटना का उपयोग कई अल्केन्स को डीहाइड्रोजनेट करने के लिए करता है।

दुगना एक्शन

एक साथ दो प्रकार की प्रतिक्रिया को तेज करने में सक्षम दोहरे-अभिनय उत्प्रेरक हैं। नतीजतन, वे केवल एक प्रकार के उत्प्रेरक वाले 2 रिएक्टरों के माध्यम से अभिकर्मकों को वैकल्पिक रूप से पारित करने की तुलना में बेहतर परिणाम देते हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि एक डबल-अभिनय त्वरक का सक्रिय केंद्र उसी तरह के दूसरे केंद्र के साथ-साथ एक मध्यवर्ती उत्पाद के साथ निकट स्थिति में है। एक अच्छा परिणाम है, उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक का संयोजन जो एक पदार्थ के साथ हाइड्रोजन को सक्रिय करता है जो हाइड्रोकार्बन के आइसोमेराइजेशन को आगे बढ़ने की अनुमति देता है। सक्रियण अक्सर धातुओं द्वारा किया जाता है, और एसिड की भागीदारी के साथ आइसोमेराइजेशन होता है।

मुख्य उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं की विशिष्टता

उत्प्रेरक की क्षमता और प्रभावशीलता भी उसके मूल गुणों से निर्धारित होती है। एक उल्लेखनीय उदाहरण सोडियम हाइड्रॉक्साइड है, जिसका उपयोग साबुन बनाने के लिए वसा के हाइड्रोलिसिस में किया जाता है। इस प्रकार के उत्प्रेरक का उपयोग फोम और पॉलीयूरेथेन शीट के उत्पादन में भी किया जाता है। यूरेथेन एक अल्कोहल और एक आइसोसाइनेट की प्रतिक्रिया से उत्पन्न होता है। एक निश्चित मूल अमीन के संपर्क में आने पर प्रतिक्रिया का त्वरण होता है। आधार आइसोसाइनेट अणु में निहित कार्बन परमाणु से जुड़ा होता है। नतीजतन, नाइट्रोजन परमाणु नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाता है। इससे शराब के संबंध में गतिविधि बढ़ जाती है।

स्टीरियो स्पेसिफिक कैरेक्टर का पॉलिमराइजेशन

उत्प्रेरण के अध्ययन के इतिहास में स्टीरियोरेगुलर पॉलीमेरिक पदार्थों के बाद के उत्पादन के साथ ओलेफिन पोलीमराइजेशन की खोज का ऐतिहासिक महत्व है। उत्प्रेरकों की खोज, जो स्टीरियो स्पेसिफिक पोलीमराइजेशन की विशेषता है, के। ज़िग्लर से संबंधित है। ज़िग्लर द्वारा किए गए पॉलिमर की तैयारी पर काम, रुचि जे। नट्टा, जिन्होंने सुझाव दिया कि बहुलक विशिष्टता को इसकी स्टीरियोरेगुलरिटी द्वारा निर्धारित किया जाना चाहिए। विवर्तन के अधीन एक्स-रे का उपयोग करने वाले कई प्रयोगों से पता चला है कि ज़िग्लर उत्प्रेरक के प्रभाव में प्रोपलीन से प्राप्त बहुलक अत्यधिक क्रिस्टलीय होता है। कार्रवाई का प्रभाव स्टीरियोरेगुलर है।

इस प्रकार की अभिक्रियाएँ संक्रमण धातुओं जैसे Ti, Cr, V, Zr युक्त ठोस उत्प्रेरक के तल पर होती हैं। वे अपूर्ण ऑक्सीकरण में होना चाहिए। TiCl 4 और Al (C 2 H 5) 3 के परस्पर क्रिया के बीच उत्प्रेरक प्रतिक्रिया का समीकरण, जिसके दौरान एक अवक्षेप बनता है, इसका एक उल्लेखनीय उदाहरण है। यहां टाइटेनियम को उसकी 3-वैलेंटा अवस्था में बहाल किया गया है। इस प्रकार की सक्रिय प्रणाली तापमान और दबाव की सामान्य परिस्थितियों में प्रोपलीन को पोलीमराइज़ करना संभव बनाती है।

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में ऑक्सीकरण

कुछ पदार्थों की प्रतिक्रिया की दर को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण, उत्प्रेरक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं का व्यापक रूप से मनुष्यों द्वारा उपयोग किया जाता है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए पूर्ण ऑक्सीकरण की आवश्यकता होती है, जैसे CO और हाइड्रोकार्बन संदूषकों का निष्प्रभावीकरण। हालांकि, अधिकांश प्रतिक्रियाओं के लिए अपूर्ण ऑक्सीकरण की आवश्यकता होती है। यह उद्योग में मूल्यवान, लेकिन मध्यवर्ती उत्पादों के उत्पादन के लिए आवश्यक है, जिसमें एक निश्चित और महत्वपूर्ण मध्यवर्ती समूह हो सकता है: COOH, CN, CHO, C-CO। इस मामले में, एक व्यक्ति विषम और मोनोजेनिक दोनों प्रकार के उत्प्रेरक का उपयोग करता है।

रासायनिक प्रतिक्रियाओं के पाठ्यक्रम को तेज करने वाले सभी पदार्थों में, ऑक्साइड को एक महत्वपूर्ण स्थान दिया जाता है। मुख्य रूप से ठोस अवस्था में। ऑक्सीकरण प्रक्रिया को 2 चरणों में विभाजित किया गया है। पहले चरण में, ऑक्सीजन ऑक्साइड को सोखने वाले ऑक्साइड हाइड्रोकार्बन अणु द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। नतीजतन, ऑक्साइड कम हो जाता है और हाइड्रोकार्बन ऑक्सीकृत हो जाता है। नवीनीकृत ऑक्साइड O 2 के साथ परस्पर क्रिया करता है और अपनी मूल स्थिति में लौट आता है।

एस. आई. लेवचेनकोव

भौतिक और कोलाइडल रसायन

SFU (RSU) के जैविक संकाय के छात्रों के लिए व्याख्यान नोट्स

२.३ उत्प्रेरक प्रक्रियाएं

किसी दिए गए तापमान पर रासायनिक प्रतिक्रिया की दर एक सक्रिय परिसर के गठन की दर से निर्धारित होती है, जो बदले में, सक्रियण ऊर्जा के मूल्य पर निर्भर करती है। कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, सक्रिय परिसर की संरचना में ऐसे पदार्थ शामिल हो सकते हैं जो स्टोइकोमेट्रिक रूप से अभिकर्मक नहीं हैं; यह स्पष्ट है कि इस मामले में प्रक्रिया की सक्रियण ऊर्जा का मूल्य भी बदल जाता है। कई संक्रमण राज्यों की उपस्थिति के मामले में, प्रतिक्रिया मुख्य रूप से सबसे छोटे सक्रियण अवरोध के साथ पथ के साथ आगे बढ़ेगी।

कटैलिसीस पदार्थों की उपस्थिति में एक रासायनिक प्रतिक्रिया की दर में परिवर्तन की घटना है, जिसकी अवस्था और मात्रा प्रतिक्रिया के बाद अपरिवर्तित रहती है।

अंतर करना सकारात्मकतथा नकारात्मकउत्प्रेरण (क्रमशः, प्रतिक्रिया दर में वृद्धि और कमी), हालांकि अक्सर "उत्प्रेरण" शब्द का अर्थ केवल सकारात्मक उत्प्रेरण होता है; ऋणात्मक उत्प्रेरण कहलाता है निषेध.

एक पदार्थ जो सक्रिय परिसर की संरचना का हिस्सा है, लेकिन स्टोइकोमेट्रिक रूप से अभिकर्मक नहीं है, उत्प्रेरक कहलाता है। सभी उत्प्रेरक क्रिया की विशिष्टता और चयनात्मकता जैसे सामान्य गुणों को साझा करते हैं।

विशेषताउत्प्रेरक केवल एक प्रतिक्रिया या समान प्रतिक्रियाओं के समूह को तेज करने की क्षमता में निहित है और अन्य प्रतिक्रियाओं की दर को प्रभावित नहीं करता है। उदाहरण के लिए, कई संक्रमण धातु (प्लैटिनम, तांबा, निकल, लोहा, आदि) हाइड्रोजनीकरण प्रक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक हैं; एल्यूमीनियम ऑक्साइड जलयोजन प्रतिक्रियाओं आदि को उत्प्रेरित करता है।

चयनात्मकताउत्प्रेरक - दी गई शर्तों के तहत संभावित समानांतर प्रतिक्रियाओं में से एक को तेज करने की क्षमता। इसके कारण, विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग करके, एक ही प्रारंभिक सामग्री से विभिन्न उत्पाद प्राप्त करना संभव है:

सकारात्मक कटैलिसीस के साथ प्रतिक्रिया दर में वृद्धि का कारण सक्रियण ऊर्जा में कमी है जब प्रतिक्रिया उत्प्रेरक की भागीदारी के साथ सक्रिय परिसर के माध्यम से आगे बढ़ती है (चित्र। 2.8)।

चूंकि, अरहेनियस समीकरण के अनुसार, रासायनिक प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक सक्रिय रूप से सक्रियण ऊर्जा के मूल्य पर निर्भर है, बाद में कमी दर स्थिरांक में उल्लेखनीय वृद्धि का कारण बनती है। दरअसल, अगर हम मानते हैं कि उत्प्रेरक और गैर-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए अरहेनियस समीकरण (II.32) में प्रीएक्सपोनेंशियल कारक करीब हैं, तो दर स्थिरांक के अनुपात के लिए हम लिख सकते हैं:

यदि E A = -50 kJ / mol है, तो दर स्थिरांक का अनुपात 2.7 · 10 6 गुना होगा (वास्तव में, व्यवहार में, E A में इस तरह की कमी से प्रतिक्रिया दर लगभग 10 5 गुना बढ़ जाती है)।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उत्प्रेरक की उपस्थिति प्रक्रिया के परिणामस्वरूप थर्मोडायनामिक क्षमता में परिवर्तन के परिमाण को प्रभावित नहीं करती है और इसलिए, कोई उत्प्रेरक थर्मोडायनामिक रूप से असंभव प्रक्रिया के सहज प्रवाह को संभव नहीं बना सकता है (प्रक्रिया, G (ΔF) जो शून्य से अधिक है)। उत्प्रेरक प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं के लिए संतुलन स्थिरांक के मूल्य को नहीं बदलता है; इस मामले में उत्प्रेरक का प्रभाव केवल एक संतुलन राज्य की प्राप्ति में तेजी लाने के लिए है।

अभिकारकों और उत्प्रेरक की चरण अवस्था के आधार पर, सजातीय और विषम उत्प्रेरण को प्रतिष्ठित किया जाता है।

चावल। 2.8उत्प्रेरक के बिना रासायनिक प्रतिक्रिया का ऊर्जा आरेख (1)
और उत्प्रेरक (2) की उपस्थिति में।

2.3.1 सजातीय उत्प्रेरण।

सजातीय उत्प्रेरण - उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं जिसमें अभिकारक और उत्प्रेरक एक ही चरण में होते हैं। सजातीय उत्प्रेरक प्रक्रियाओं के मामले में, उत्प्रेरक अभिकर्मकों के साथ मध्यवर्ती प्रतिक्रियाशील उत्पाद बनाता है। कुछ प्रतिक्रिया पर विचार करें

ए + बी -> सी

एक उत्प्रेरक की उपस्थिति में, दो तेजी से आगे बढ़ने वाले चरणों को अंजाम दिया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप मध्यवर्ती यौगिक AK के कण बनते हैं और फिर (सक्रिय जटिल AVK # के माध्यम से) उत्प्रेरक पुनर्जनन के साथ प्रतिक्रिया का अंतिम उत्पाद:

ए + के -> एके

एके + बी -> सी + के

ऐसी प्रक्रिया का एक उदाहरण एसीटैल्डिहाइड की अपघटन प्रतिक्रिया है, जिसकी सक्रियता ऊर्जा E A = 190 kJ / mol है:

सीएच 3 सीएचओ -> सीएच 4 + सीओ

आयोडीन वाष्प की उपस्थिति में, यह प्रक्रिया दो चरणों में होती है:

३ + मैं २ –> СН ३ मैं + I +

सीएच 3 आई + एचआई -> सीएच 4 + आई 2

उत्प्रेरक की उपस्थिति में इस प्रतिक्रिया की सक्रियता ऊर्जा में कमी 54 kJ / mol है; इस मामले में स्थिर प्रतिक्रिया दर लगभग 105 गुना बढ़ जाती है। सजातीय कटैलिसीस का सबसे आम प्रकार एसिड कटैलिसीस है, जिसमें हाइड्रोजन आयन एच + उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं।

2.3.2 ऑटोकैटलिसिस।

ऑटोकैटलिसिस- अपने उत्पादों में से एक द्वारा रासायनिक प्रतिक्रिया के उत्प्रेरक त्वरण की प्रक्रिया। एक उदाहरण हाइड्रोजन आयन उत्प्रेरित एस्टर हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया है। हाइड्रोलिसिस के दौरान बनने वाला एसिड प्रोटॉन के निर्माण से अलग हो जाता है, जो हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया को तेज करता है। ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया की ख़ासियत यह है कि यह प्रतिक्रिया उत्प्रेरक की एकाग्रता में निरंतर वृद्धि के साथ आगे बढ़ती है। इसलिए, प्रतिक्रिया की प्रारंभिक अवधि में, इसकी दर बढ़ जाती है, और बाद के चरणों में, अभिकर्मकों की एकाग्रता में कमी के परिणामस्वरूप, दर घटने लगती है; ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया उत्पाद के गतिज वक्र में एक विशेषता एस-आकार का रूप होता है (चित्र। 2.9)।

चावल। 2.9ऑटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया उत्पाद का काइनेटिक वक्र

2.3.3 विषम उत्प्रेरण।

विषम उत्प्रेरण - उत्प्रेरक और अभिकारकों द्वारा गठित इंटरफेस पर होने वाली उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं। सजातीय उत्प्रेरण के मामले की तुलना में विषम उत्प्रेरक प्रक्रियाओं का तंत्र बहुत अधिक जटिल है। प्रत्येक विषम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया में, कम से कम छह चरणों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

1. उत्प्रेरक सतह पर प्रारंभिक सामग्री का प्रसार।

2. कुछ मध्यवर्ती यौगिकों के निर्माण के साथ सतह पर प्रारंभिक सामग्री का सोखना:

ए + बी + के -> एवीके

3. अधिशोषित अवस्था का सक्रियण (इसके लिए आवश्यक ऊर्जा प्रक्रिया की वास्तविक सक्रियता ऊर्जा है):

एवीके -> एवीके #

4. adsorbed प्रतिक्रिया उत्पादों के गठन के साथ सक्रिय परिसर का अपघटन:

एवीके # –> सीडीके

5. उत्प्रेरक सतह से प्रतिक्रिया उत्पादों का अवशोषण।

सीडीके -> सी + डी + के

6. उत्प्रेरक सतह से प्रतिक्रिया उत्पादों का प्रसार।

हेटेरोकैटलिटिक प्रक्रियाओं की एक विशिष्ट विशेषता उत्प्रेरक को बढ़ावा देने और जहर देने की क्षमता है।

पदोन्नति- उन पदार्थों की उपस्थिति में उत्प्रेरक की गतिविधि में वृद्धि जो स्वयं इस प्रक्रिया (प्रवर्तक) के उत्प्रेरक नहीं हैं। उदाहरण के लिए, धातु निकल द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के लिए

सीओ + एच 2 -> सीएच 4 + एच 2 ओ

निकल उत्प्रेरक में सेरियम की एक छोटी सी अशुद्धता की शुरूआत से उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज वृद्धि होती है।

विषाक्तता- कुछ पदार्थों (तथाकथित उत्प्रेरक जहर) की उपस्थिति में उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज कमी। उदाहरण के लिए, अमोनिया संश्लेषण की प्रतिक्रिया के लिए (उत्प्रेरक स्पंजी लोहा है), प्रतिक्रिया मिश्रण में ऑक्सीजन या सल्फर यौगिकों की उपस्थिति लौह उत्प्रेरक की गतिविधि में तेज कमी का कारण बनती है; उसी समय, उत्प्रेरक की प्रारंभिक सामग्री को सोखने की क्षमता बहुत कम हो जाती है।

विषम उत्प्रेरक प्रक्रियाओं की इन विशेषताओं की व्याख्या करने के लिए, जी। टेलर ने निम्नलिखित धारणा बनाई: उत्प्रेरक की पूरी सतह उत्प्रेरक रूप से सक्रिय नहीं है, बल्कि इसके कुछ हिस्से - तथाकथित हैं। सक्रिय केंद्र , जो उत्प्रेरक की क्रिस्टल संरचना में विभिन्न दोष हो सकते हैं (उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक सतह पर उभार या अवसाद)। वर्तमान में, विषमांगी उत्प्रेरण का कोई एकीकृत सिद्धांत नहीं है। धातु उत्प्रेरक के लिए, बहुगुण सिद्धांत ... बहुगुण सिद्धांत के मुख्य प्रावधान इस प्रकार हैं:

1. उत्प्रेरक की सक्रिय साइट परिवर्तन के दौर से गुजर रहे अणु की संरचना के अनुसार ज्यामितीय में उत्प्रेरक की सतह पर स्थित एक निश्चित संख्या में सोखना साइटों का एक सेट है।

2. सक्रिय केंद्र पर प्रतिक्रियाशील अणुओं के सोखने के दौरान, एक मल्टीप्लेट कॉम्प्लेक्स बनता है, जिसके परिणामस्वरूप बॉन्ड का पुनर्वितरण होता है, जिससे प्रतिक्रिया उत्पादों का निर्माण होता है।

गुणकों के सिद्धांत को कभी-कभी सक्रिय केंद्र और प्रतिक्रियाशील अणुओं की ज्यामितीय समानता का सिद्धांत कहा जाता है। विभिन्न प्रतिक्रियाओं के लिए, सक्रिय केंद्र में सोखना केंद्रों (जिनमें से प्रत्येक को एक धातु परमाणु के साथ पहचाना जाता है) की संख्या भिन्न होती है - 2, 3, 4, आदि। ऐसे सक्रिय केन्द्रों को क्रमश: द्वैत, त्रिक, चतुर्भुज आदि कहा जाता है। (सामान्य मामले में, एक मल्टीप्लेट, जो कि सिद्धांत का नाम है)।

उदाहरण के लिए, मल्टीप्लेट्स के सिद्धांत के अनुसार, संतृप्त मोनोहाइड्रिक अल्कोहल का डिहाइड्रोजनेशन एक डबल पर होता है, और साइक्लोहेक्सेन का डिहाइड्रोजनेशन - एक सेक्सेट पर (चित्र। 2.10 - 2.11); गुणकों के सिद्धांत ने धातुओं की उत्प्रेरक गतिविधि को उनके परमाणु त्रिज्या के मूल्य के साथ जोड़ना संभव बना दिया।

चावल। 2.10अल्कोहल का डिहाइड्रोजनीकरण एक दुगने पर

चावल। 2.11एक सेक्सेट पर साइक्लोहेक्सेन का निर्जलीकरण

2.3.4 एंजाइमी कटैलिसीस।

एंजाइमी कटैलिसीस - उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में एंजाइम शामिल हैं - एक प्रोटीन प्रकृति के जैविक उत्प्रेरक। एंजाइमी कटैलिसीस में दो विशिष्ट विशेषताएं हैं:

1. उच्च गतिविधि , जो अकार्बनिक उत्प्रेरक की गतिविधि से अधिक परिमाण के कई आदेश हैं, जो एंजाइमों द्वारा प्रक्रिया की सक्रियता ऊर्जा में बहुत महत्वपूर्ण कमी से समझाया गया है। इस प्रकार, Fe 2+ आयनों द्वारा उत्प्रेरित हाइड्रोजन पेरोक्साइड के अपघटन के लिए स्थिर दर 56 s -1 है; उत्प्रेरित एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित उसी प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक 3.5 × 10 7 है, अर्थात। एंजाइम की उपस्थिति में प्रतिक्रिया एक लाख गुना तेजी से आगे बढ़ती है (प्रक्रियाओं की सक्रियता ऊर्जा क्रमशः 42 और 7.1 kJ / mol है)। एसिड और यूरिया की उपस्थिति में यूरिया हाइड्रोलिसिस की दर स्थिरांक परिमाण के तेरह आदेशों से भिन्न होती है, जिसकी मात्रा 7.4 · 10 -7 और 5 · 10 6 s -1 (सक्रियण ऊर्जा क्रमशः 103 और 28 kJ / mol है)।

2. उच्च विशिष्टता ... उदाहरण के लिए, एमाइलेज स्टार्च के टूटने को उत्प्रेरित करता है, जो समान ग्लूकोज इकाइयों की एक श्रृंखला है, लेकिन सुक्रोज के हाइड्रोलिसिस को उत्प्रेरित नहीं करता है, जिसका अणु ग्लूकोज और फ्रुक्टोज के टुकड़ों से बना होता है।

एंजाइमी कटैलिसीस के तंत्र के बारे में आम तौर पर स्वीकृत विचारों के अनुसार, सब्सट्रेट एस और एंजाइम एफ बहुत तेजी से बनने वाले एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स एफएस के साथ संतुलन में हैं, जो मुक्त एंजाइम की रिहाई के साथ प्रतिक्रिया उत्पाद पी में अपेक्षाकृत धीरे-धीरे विघटित होता है; इस प्रकार, एंजाइम-सब्सट्रेट कॉम्प्लेक्स के प्रतिक्रिया उत्पादों में अपघटन का चरण दर-निर्धारण (सीमित) है।

एफ + एस<––>एफएस -> एफ + पी

एंजाइम की निरंतर सांद्रता पर सब्सट्रेट की एकाग्रता पर एंजाइमेटिक प्रतिक्रिया की दर की निर्भरता के अध्ययन से पता चला है कि सब्सट्रेट की एकाग्रता में वृद्धि के साथ, प्रतिक्रिया दर पहले बढ़ जाती है और फिर बदलना बंद हो जाती है (चित्र 2.12)। ) और सब्सट्रेट की एकाग्रता पर प्रतिक्रिया दर की निर्भरता निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित है:

(II.45)

Catamlys-उत्प्रेरक (एस) की कार्रवाई के तहत रासायनिक प्रतिक्रिया के संभावित थर्मोडायनामिक रूप से अनुमत दिशाओं में से एक का चयनात्मक त्वरण, जो बार-बार प्रतिक्रिया प्रतिभागियों के साथ मध्यवर्ती रासायनिक संपर्क में प्रवेश करता है और मध्यवर्ती रासायनिक इंटरैक्शन के प्रत्येक चक्र के बाद अपनी रासायनिक संरचना को पुनर्स्थापित करता है। शब्द "उत्प्रेरण" 1835 में स्वीडिश वैज्ञानिक जोंस जैकब बर्ज़ेलियस द्वारा पेश किया गया था।

कटैलिसीस की घटना प्रकृति में व्यापक है (जीवित जीवों में होने वाली अधिकांश प्रक्रियाएं उत्प्रेरक हैं) और व्यापक रूप से प्रौद्योगिकी (तेल शोधन और पेट्रोकेमिस्ट्री में, सल्फ्यूरिक एसिड, अमोनिया, नाइट्रिक एसिड, आदि के उत्पादन में) का उपयोग किया जाता है। सभी औद्योगिक प्रतिक्रियाओं में से अधिकांश उत्प्रेरक हैं।

उत्प्रेरकरासायनिक अभिक्रिया की दर को परिवर्तित करने वाले पदार्थ कहलाते हैं।

कुछ उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को बहुत तेज करते हैं - सकारात्मक कटैलिसीस, या बस कटैलिसीस, जबकि अन्य नकारात्मक कटैलिसीस को धीमा कर देते हैं। सकारात्मक कटैलिसीस के उदाहरणों में सल्फ्यूरिक एसिड का उत्पादन, प्लैटिनम उत्प्रेरक का उपयोग करके अमोनिया का नाइट्रिक एसिड में ऑक्सीकरण आदि शामिल हैं।

प्रतिक्रिया दर पर इसके प्रभाव के अनुसार, कटैलिसीस सकारात्मक (प्रतिक्रिया दर बढ़ जाती है) और नकारात्मक (प्रतिक्रिया दर घट जाती है) में विभाजित है। बाद के मामले में, एक निषेध प्रक्रिया होती है, जिसे "नकारात्मक उत्प्रेरण" नहीं माना जा सकता है, क्योंकि प्रतिक्रिया के दौरान अवरोधक का सेवन किया जाता है।

कटैलिसीस सजातीय और विषम (संपर्क) हो सकता है। सजातीय उत्प्रेरण में, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया अभिकर्मकों के समान चरण में होता है, जबकि विषम उत्प्रेरक चरण में भिन्न होते हैं।

सजातीय कटैलिसीस।

एक उदाहरणसजातीय उत्प्रेरण आयोडीन आयनों की उपस्थिति में हाइड्रोजन पेरोक्साइड का अपघटन है। प्रतिक्रिया दो चरणों में होती है:

एच 2 2+ मैं> H2O+ आईओ, H2O2+ आईओ> H2O + 2+ मैं

सजातीय कटैलिसीस के साथ, उत्प्रेरक का प्रभाव इस तथ्य के कारण होता है कि यह मध्यवर्ती यौगिकों को बनाने के लिए अभिकारकों के साथ बातचीत करता है, जिससे सक्रियण ऊर्जा में कमी आती है।

विषम उत्प्रेरण।

विषम उत्प्रेरण के मामले में, प्रक्रिया का त्वरण आमतौर पर एक ठोस - एक उत्प्रेरक की सतह पर होता है; इसलिए, उत्प्रेरक की गतिविधि इसकी सतह के आकार और गुणों पर निर्भर करती है। व्यवहार में, उत्प्रेरक आमतौर पर झरझरा ठोस समर्थन पर समर्थित होता है।

विषमांगी उत्प्रेरण की क्रियाविधि सजातीय उत्प्रेरण की तुलना में अधिक जटिल है। विषम उत्प्रेरण के तंत्र में पाँच चरण शामिल हैं, जो सभी प्रतिवर्ती हैं।

• 1. ठोस की सतह पर अभिकारकों का प्रसार
• 2. प्रतिक्रियाशील अणुओं की ठोस सतह के सक्रिय केंद्रों पर भौतिक सोखना और फिर उनका रासायनिक सोखना
• 3. प्रतिक्रियाशील अणुओं के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया
• 4. उत्प्रेरक सतह से उत्पादों का विशोषण
• 5. उत्प्रेरक सतह से सामान्य प्रवाह में उत्पाद का प्रसार

विषम उत्प्रेरण का एक उदाहरण सल्फ्यूरिक एसिड (संपर्क विधि) के उत्पादन में वी 2 ओ 5 उत्प्रेरक पर एसओ 2 से एसओ 3 का ऑक्सीकरण है।

अधिकांश उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं झरझरा उत्प्रेरकों पर की जाती हैं, जिनमें से आंतरिक सतह में छिद्र होते हैं, विभिन्न आकार और लंबाई के चैनल होते हैं। इन छिद्रों को अलग या परस्पर जोड़ा जा सकता है। उत्प्रेरक के छिद्रों में गैसों की गति और गति को निर्धारित करने वाला मुख्य कारक छिद्र का आकार है। अणुओं की मुक्त गति की गति 1000 m / s तक पहुँच सकती है, और छिद्रों में गति का निषेध गैस के अणुओं और छिद्र की दीवारों के बीच टकराव से जुड़ा है।

अधिकांश उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं गैर-चयनात्मक होती हैं, जो विश्लेषण के गतिज तरीकों पर कुछ सीमाएं लगाती हैं।

अधिकांश उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में कई अलग-अलग प्रकार के परमाणु और अणु शामिल होते हैं। प्रतिक्रिया तंत्र और इन परमाणुओं और अणुओं के बीच और उनके और सतह के बीच अभिनय करने वाले बलों की प्रकृति का निर्धारण करना स्वाभाविक रूप से एक कठिन कार्य है, लेकिन एक प्रकार के परमाणुओं या अणुओं के सोखना व्यवहार का अध्ययन करके इसे सरल बनाया जा सकता है। इस तरह के अध्ययनों से पता चला है कि जब कुछ अणुओं को कुछ सोखने वाले पदार्थों पर अधिशोषित किया जाता है, तो अणु में बंधन टूट जाता है और अधिशोषक के साथ दो बंधन उत्पन्न होते हैं; इस मामले में, अधिशोषित अणु दो अधिशोषित परमाणुओं में बदल जाता है। यह प्रक्रिया एक सतही रासायनिक प्रतिक्रिया है, और बनने वाले सोखने वाले परमाणुओं को आमतौर पर रसायनयुक्त परमाणु कहा जाता है। यदि पर्याप्त रूप से कम तापमान पर ऐसी प्रतिक्रिया नहीं होती है और अधिशोषित अणु दो अधिशोषित परमाणुओं में विघटित नहीं होते हैं, तो ऐसे अणुओं को भौतिक रूप से अधिशोषित कहा जाता है।