Катализаторы и ингибиторы

Практически все химические реакции представляют собой не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторные действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Таким образом, влияние “третьих тел” на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

В качестве примера рассмотрим реакцию синтеза аммиака. До 1913 г. она вообще не могла быть осуществлена. Только после того, как был найден катализатор, при высокой температуре и давлении эту реакцию удалось осуществить. Но в технологическом исполнении реакция оставалась трудной и опасной. Позднее были открыты условия, позволяющие проводить ее при нормальном давлении и комнатной температуре с использованием металлоорганических катализаторов.

Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им стало возможным ввести в действие в качеств сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся “химическими мертвецами”. Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и “тяжелого органического синтеза”, включая получение горюче смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез также становится все более каталитическим. 60-80 процентов всей химии основаны на каталитических процессах. Химики не без оснований говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором. Но сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.

Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали исследователей на новые эксперименты. Ведь дело было в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так например, для вышеназванной реакции синтеза аммиака в 1913-1914 годах немецкие химики испробовали в качестве катализатора более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и сочетая их самыми разными способами.

Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа:

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором

взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей

Если же реакцию проводят в отсутствие катализатора, тот активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор инерции извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертолидного типа — соединения переменного состава, отличающиеся наличием в них ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Их молекулы содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже атомы на поверхности.

4. Следствием взаимодействия реагентов с катализатором является ход реакции в заданном направлении; увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул; захват катализатором некоторой части энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Эволюционная химия.

Основная проблема эволюционной химии: - выявление процессов химической эволюции, способов и средств управления ею. Появление эволюционной химии: 1950-60-е годы.

Предельная (не сегодня) организованность и эффективность химических процессов достигается в живой клетке, которая является результатом эволюции материи.

Идея: открыть законы химических процессов в живых организмах и перенести их на химическое производство.

Основное: термодинамические, кинетические, каталитические условия протекания биологических процессов в клетках.

Особенно! - транспортирование веществ для химических реакций.

Основополагающие работы: немец К. Циглер (1898-1973). Нобелевская премия 1965.

Главное направление сегодня моделирование ферментов и транспортных РНК. Решение этой проблемы невозможно без понимания законов химической эволюции, так как имеем дело с крайне сложными молекулярными системами, синтезировать которые путем подбора имитирования невозможно. Синтез возможен только на основе моделирования тех природных процессов, которые реально вели к появлению ферментов и транспортных соединений. Это эволюционная химия.

Второе направление - исследование явления самоорганизации химических реакций и катализаторов в процессе химических реакций.

На этом пути - решение проблемы происхождения жизни? Основания: отбор химических элементов и соединений в живом и не только в живом.

Теория химической эволюции Руденко (1964,1969)

Суть: химическая эволюция есть саморазвитие каталитических систем, т. е. Эволюционирующее вещество - катализаторы.

Основной закон: с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его активности.

Итог

Невозможность классического описания поведения электронов в атоме

Дискретность электронных состояний в атоме

Организация электронных состояний атома в электронные оболочки

Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение и ионизация)

Химический элемент

Молекула

Вещества: простые и сложные (соединения)

Понятие о качественном и количественном составе вещества

Катализаторы

Биокатализаторы (ферменты)

Полимеры

Мономеры