Կատալիզ

Կատալիզ (հունարեն՝ χατάλνσιξ - տրոհում), քիմիական ռեակցիայի արագության փոփոխություն կատալիզատորների ազդեցությամբ, որոնք ռեակցիայի ընթացքում քանակապես անփոփոխ են մնում։
Քիմիական ռեակցիայի արագության մեծացման դեպքում կատալիզ կոչվում է դրական, փոքրացման դեպքում՝ բացասական։ Կատալիզատորների մասնակցությամբ ընթացող ռեակցիաները կոչվում են կատալիտիկ։ Եթե կատալիզատորը գոյանում է ռեակցիայի ընթացքում, ապա ռեակցիան կոչվում է ինքնակատալիզված, իսկ երևույթը՝ ինքնակատալիզ։
Ռեակցիաների բացարձակ արագությունների տեսության համաձայն ցանկացած տարրական ռեակցիա ընթանում է ռեագենտների փոխազդեցության հետևանքով միջանկյալ շատ ռեակցունակ գոյացության՝ ակտիվ կոմպլեքսի առաջացման վրայով՝ 

ելանյութեր 
  
    
      
        ⇄
      
    
    {\displaystyle \rightleftarrows }
   ակտիվ կոմպլեքս 
  
    
      
        →
      
    
    {\displaystyle \rightarrow }
   վերջնանյութեր։Ըստ այս մոդելի, ռեակցիայի արագությունը համեմատական է ակտիվացման պրոցեսի ստանդարտ ազատ էներգիայի (
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
  ) փոփոխությանը։ Եթե կատալիզատորի բացակայությամբ ստանդարտ ազատ էներգիան 
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
   (չկ) է և կատալիզատորի ներկայությամբ՝ 
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
   (կ), ապա 
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
  (կ) < 
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
  (չկ)։ 
  
    
      
        △
        
          G
          
            o
          
          
            ≠
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle G_{o}^{\neq }}
  -նրի տարբերությունը հետևանք է այն բանի, որ չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաներն ընթանում են տարբեր մեխանիզմներով։


== Հիմնական սկզբունքներ ==

Կատալիզատորի ներկայությամբ ռեակցիան ընթանում է նոր, ավելի հարմար ուղիով։ Ռեակցիայի նոր ճանապարհն ավելի ձեռնտու է, որովհետև նրա իրականացման համար պահանջվում է ավելի փոքր ակտիվացման էներգիա։ Ըստ գծագրի, չկատալիզված և կատալիզված ռեակցիաների ակտիվացման էներգիաների տարբերությունը հավասար է

  
    
      
        
          (
          
            E
            
              1
            
          
          −
          
            E
            
              2
            
          
          )
        
      
    
    {\displaystyle {(E_{1}-E_{2})}}
  կամ 

  
    
      
        
          (
          
            E
            
              1
            
          
          −
          
            E
            
              3
            
          
          )
        
      
    
    {\displaystyle {(E_{1}-E_{3})}}
  Եթե ելանյութի և կատալիզի փոխազդեցության հետևանքով չի առաջանում միջանկյալ կայուն միացություն, ապա կատալիզված ռեակցիայի ընթացքը կպատկերվի (3) կորով։
Կատալիզատորի ազդեցության վերաբերյալ բերված պատկերումից հետևում է՝ 

կատալիզատորը փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը՝ մասնակցելով ռեակցիայի միջանկյալ փուլերին.
ռեակցիայի վերջում այն քանակապես վերականգնվում է.
կատալիզատորի ներկայությամբ փոխվում է ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրությունը (X1-ի փոխարեն ստացվում է X2)։Ուրեմն, կատալիզը երևույթ է, երբ ակտիվ կոմպլեքսի բաղադրության մեջ մտնում է մի նյութ, որը, ռեակցիայի ընթացքում քանակապես անփոփոխ մնալով, փոխում է ռեակցիայի մեխանիզմը։ Որոշ դեպքերում կատալիզատորների առկայությամբ ռեակցիայի ընթացքում ծնունդ են առնում էներգիայով հարուստ միջանկյալ մասնիկներ, որոնք արագացնում են ռեակցիան (ճյուղավորված շղթայական ռեակցիաներ), օրինակ,

  
    
      
        
          C
          O
          +
          
            O
            
              2
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {CO+O_{2}}}
   ռեակցիան կատալիզվում է ջրով, որի առկայությամբ ծնունդ են առնում H և OH- ռեակցունակ միջանկյալ մասնիկները։


== Տեսակներ ==
Գոյություն ունեն համասեռ (հոմոգեն) և տարասեռ (հետերոգեն) կատալիզներ։ 


=== Հոմոգեն ===
Համասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են միևնույն ֆազում։ Ռեագենտները և կատալիզատորը, օրինակ, գազեր են 

  
    
      
        
          
            S
            
              O
              
                2
              
            
            +
            
              O
              
                2
              
            
            +
            N
            
              O
              
                2
              
            
            ⇄
            2
            S
            
              O
              
                3
              
            
            +
            N
            
              O
              
                2
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+O_{2}+NO_{2}\rightleftarrows 2SO_{3}+NO_{2}}}}
  հեղուկներ 

  
    
      
        
          
            C
            
              H
              
                3
              
            
            C
            O
            O
            
              C
              
                2
              
            
            
              H
              
                5
              
            
            +
            
              H
              
                2
              
            
            O
            +
            
              H
              
                +
              
            
            ⇄
            C
            
              H
              
                3
              
            
            C
            O
            O
            H
            +
            
              C
              
                2
              
            
            
              H
              
                5
              
            
            O
            H
            +
            
              H
              
                +
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}COOC_{2}H_{5}+H_{2}O+H^{+}\rightleftarrows CH_{3}COOH+C_{2}H_{5}OH+H^{+}}}}
  պինդ նյութեր

  
    
      
        
          
            2
            K
            C
            l
            
              O
              
                3
              
            
            +
            M
            n
            
              O
              
                2
              
            
            ⇄
            2
            K
            C
            l
            +
            3
            
              O
              
                2
              
            
            +
            M
            n
            
              O
              
                2
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {2KClO_{3}+MnO_{2}\rightleftarrows 2KCl+3O_{2}+MnO_{2}}}}
  


=== Հետերոգեն ===
Տարասեռի դեպքում ռեագենտները և կատալիզատորը գտնվում են տարբեր ֆազերում, օրինակ,

  
    
      
        
          
            4
            N
            
              H
              
                3
              
            
            +
            5
            
              O
              
                2
              
            
            +
            P
            t
            ⇄
            4
            N
            O
            +
            6
            
              H
              
                2
              
            
            O
            +
            P
            t
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {4NH_{3}+5O_{2}+Pt\rightleftarrows 4NO+6H_{2}O+Pt}}}
  Միջանկյալ միկրոտարասեռ կատալիզը, երբ կատալիզատորը գտնվում է կոլոիդային վիճակում կամ բարձրմոլեկուլային նյութ է, օրինակ, միցելները, ֆերմենտները։


== Կատալիզված ռեակցիաներ ==
Ըստ ռեագենտի և կատալիզատորի փոխազդեցության բնույթի, կատալիզված ռեակցիաները լինում են թթվահիմնային և օքսիդավերականգնման։ 


=== Թթվահիմնային կատալիզ ===
Թթվայինի դեպքում H+ է անցնում կատալիզատորից (HA) ռեագենտին (C)՝ 

  
    
      
        
          
            C
            +
            H
            A
            →
            C
            
              H
              
                +
              
            
            +
            
              A
              
                −
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {C+HA\rightarrow CH^{+}+A^{-}}}}
  
  
    
      
        
          
            C
            
              H
              
                +
              
            
            +
            D
            →
            E
            +
            F
            +
            
              H
              
                +
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\mathsf {CH^{+}+D\rightarrow E+F+H^{+}}}}
  հիմնայինի դեպքում՝ OH կամ H+ հակառակ ուղղությամբ։ Ապրոտոնային թթուների (Լյուիսի թթուների) առկայությամբ ռեագենտ-կատալիզատոր փոխազդեցությունը իրականանում է էլեկտրոնների զույգի մասնակցությամբ։ Թթվահիմնային կատալիզ կարող է տեղի ունենալ իոնափոխանակային խեժերի առկայությամբ։ 


=== Օքսիդավերականգնման կատալիզ ===
Օքսիդավերականգնման կատալիզի դեպքում ռեագենտ-կատալիզաաոր փոխազդեցությունը տեղի է ունենում էլեկտրոնների անցումով։ Կիսահաղորդչային կատալիզատորը պատկանում է այդ դասին։ Օքսիդավերականգնման ռեակցիաներում կատալիզելու ակտիվություն ունեն հատկապես d-տարրերը։


== Առանձնահատկություններ ==
Կատալիզին հատուկ են մի շարք առանձնահատկություններ՝ ազդեցության յուրահատկություն (յուրաքանչյուր քիմիական ռեակցիակամ նմանատիպ ռեակցիաների դաս կարող է կատալիզվել միայն որոշակի նյութերով)։ Այս հատկությունը առավել ցայտուն է ֆերմենտների մոտ։ Կատալիզատորի այս հատկության չափանիշը կատալիզատորի ընտրողականությունն է։ Սա արագությունների հարաբերություն է՝ հայտարարը ելանյութի սպառման արագությունն է, համարիչը՝ հետաքրքրության առարկա հանդիսացող նյութի կուտակման արագությունը։
Կատալիտիկ ակտիվությունը որոշվում է կատալիզատորի միավոր զանգվածին, կոնցենտրացիային կամ մակերեսին ընկնող ռեակցիայի արագությամբ։ Պրոմոտորների ներկայությամբ կատալիզատորի ակտիվությունը մեծանում է, թույների (ինհիբիտորների) ներկայությամբ՝ նվազում։ Կատալիզատորի բաղադրության ընտրությունը բարդ խնդիր է, կատարվում է փորձարարական ճանապարհով։


== Տես նաև ==
Կատալիզատորներ
Ինհիբիտոր
Ավտոկատալիզ


== Գրականություն ==
Боресков Г. К. Катализ. Вопросы теории и практики. — Новосибирск, 1987.
Гейтс Б. Химия каталитических процессов / Б. Гейтс, Дж. Кетцир, Г. Шуйт. — М.: Мир, 1981. — 551 с.
Журнал «Кинетика и катализ Archived 2004-10-13 at the Wayback Machine.».
Колесников И. М. Катализ и производство катализаторов. — М.: Техника, 2004. — 399 с.
Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н. Кинетические модели каталитических реакций. — Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983. — 255 c.


== Արտաքին հղումներ ==
Science Aid: Catalysts Page for high school level science
W.A. Herrmann Technische Universität presentation Archived 2005-10-28 at the Wayback Machine.
Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan
Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands
Centre for Surface Chemistry and Catalysis Archived 2008-10-05 at the Wayback Machine.