2.8: تجزیه
- Page ID
- 216173
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- عملکرد یک کاتالیزور را از نظر مکانیسم های واکنش و نمودارهای انرژی پتانسیل توضیح دهید
- لیست نمونه هایی از تجزیه در فرآیندهای طبیعی و صنعتی
از جمله عوامل مؤثر بر سرعت واکنش شیمیایی که قبلاً در این فصل مورد بحث قرار گرفت، وجود کاتالیزور بود، ماده ای که می تواند سرعت واکنش را بدون مصرف شدن در واکنش افزایش دهد. مفاهیم معرفی شده در بخش قبلی در مورد مکانیسم های واکنش، پایه ای برای درک اینکه چگونه کاتالیزورها قادر به انجام این عملکرد بسیار مهم هستند، فراهم می کند.
شکل نمودارهای واکنش یک فرآیند شیمیایی را در غیاب و حضور کاتالیزور \(\PageIndex{1}\) نشان می دهد. بررسی نمودارها چندین ویژگی از این واکنش ها را نشان می دهد. سازگار با این واقعیت که دو نمودار نشان دهنده یک واکنش کلی یکسان هستند، هر دو منحنی در انرژیهای یکسانی شروع و پایان مییابند (در این حالت چون محصولات از واکنشدهندهها پرانرژی ترند، واکنش گرماگیر است). مکانیسم واکنش، با این حال، به وضوح متفاوت است. واکنش کاتالیز نشده از طریق یک مکانیسم یک مرحله ای (یک حالت گذار مشاهده شده) ادامه می یابد، در حالی که واکنش کاتالیز شده از یک مکانیسم دو مرحله ای (دو حالت گذار مشاهده شده) با انرژی فعال سازی بسیار کمتر پیروی می کند. این تفاوت نشان دهنده وسیله ای است که کاتالیزور برای تسریع واکنش ها عمل می کند، یعنی با ارائه یک مکانیسم واکنش جایگزین با انرژی فعال سازی پایین تر. اگرچه مکانیسم واکنش کاتالیز شده برای یک واکنش لزوماً شامل تعداد مراحل متفاوتی نسبت به مکانیسم غیر کاتالیز نیست، اما باید یک مسیر واکنش را فراهم کند که مرحله تعیین سرعت آن سریعتر است (E a پایین تر).
دو نمودار واکنش در اینجا واکنش یکسانی را نشان می دهند: یکی بدون کاتالیزور و دیگری با کاتالیزور. انرژی فعال سازی را برای هر فرآیند تخمین بزنید و مشخص کنید کدام یک از آنها شامل یک کاتالیزور است.
راه حل
انرژی های فعال سازی با کم کردن انرژی واکنش دهنده از انرژی حالت گذار محاسبه می شوند.
\ [\ begin {align*}
&\ نام اپراتور {نمودار} (a): E_ {a} =32 کیلوژول -6 کیلوژول =26 کیلوژول\\ [4pt]
&\\ نام اپراتور {نمودار} (b): E_ {a} =20 کیلوژول -6 کیلوژول =14 کیلوژول\ پایان {align*}\]
واکنش کاتالیز شده واکنشی است که انرژی فعال سازی کمتری دارد که در این حالت با نمودار b نشان داده می شود.
نمودارهای واکنش برای یک فرآیند شیمیایی با و بدون کاتالیزور در زیر نشان داده شده است. هر دو واکنش شامل یک مکانیسم دو مرحله ای با مرحله اول تعیین نرخ است. انرژی های فعال سازی را برای اولین مرحله از هر مکانیسم محاسبه کنید و مشخص کنید که کدام یک مربوط به واکنش کاتالیز شده است. مراحل دوم این دو مکانیسم چگونه مقایسه می شوند؟
- پاسخ
-
برای مرحله اول، E a = 80 کیلوژول برای (a) و 70 کیلوژول برای (b)، بنابراین نمودار (b) واکنش کاتالیز شده را نشان می دهد. انرژی های فعال سازی برای مرحله دوم هر دو مکانیسم یکسان هستند، 20 کیلوژول.
کاتالیزورهای همگن
یک کاتالیزور همگن در همان فاز واکنش دهنده ها وجود دارد. با یک واکنش دهنده تعامل می کند و یک ماده واسطه تشکیل می دهد، که سپس در یک یا چند مرحله با واکنش دهنده دیگری تجزیه می شود یا واکنش می دهد تا کاتالیزور اصلی را بازسازی کرده و محصول تشکیل دهد.
به عنوان یک تصویر مهم از کاتالیز همگن، لایه ازن زمین را در نظر بگیرید. ازن در جو فوقانی، که زمین را از اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند، زمانی تشکیل می شود که مولکول های اکسیژن نور ماوراء بنفش را جذب می کنند و تحت واکنش قرار می گیرند:
\[3 O_2(g) \stackrel{h v}{\longrightarrow} 2 O_3(g) \nonumber \]
اوزون یک مولکول نسبتا ناپایدار است که تجزیه می شود تا اکسیژن دو اتمی را با معکوس این معادله تولید کند. این واکنش تجزیه با مکانیزم دو مرحلهای زیر سازگار است:
\ [\ begin {align*}
& O_3\ longrightarrow O_2+ O\ [4pt]
& O + O_3\ longrightarrow 2 O_2\ end {align*}\]
تعدادی از مواد می توانند تجزیه ازن را کاتالیز کنند. به عنوان مثال، اعتقاد بر این است که تجزیه اکسید نیتریک ازن از طریق مکانیسم سه مرحله ای زیر رخ می دهد:
\ [\ begin {align*}
& NO (g) + O_3 (g)\ سمت راست NO_2 (g) + O_2 (g)\\ [4pt]
& O_3 (g)\ سمت راست O_2 (g) + O (g)\ [4pt]
& NO_2 (g) + O (g) O_2 (g)\ پایان {align*}\]
همانطور که لازم است، واکنش کلی برای هر دو مکانیسم دو مرحله ای غیر کاتالیز شده و مکانیسم سه مرحله ای بدون کاتالیزور یکسان است:
\[2 O_3(g) \longrightarrow 3 O_2(g) \nonumber \]
توجه داشته باشید که NO یک واکنش دهنده در مرحله اول مکانیسم و یک محصول در مرحله آخر است. این یکی دیگر از ویژگی های یک کاتالیزور است: اگرچه در واکنش شیمیایی شرکت می کند، اما توسط واکنش مصرف نمی شود.
جایزه نوبل شیمی در سال 1995 توسط Paul J. Crutzen، Mario J. Molina (شکل\(\PageIndex{2}\)) و F. Sherwood Rowland برای «کارشان در شیمی اتمسفر، به ویژه در مورد تشکیل و تجزیه ازن» به اشتراک گذاشته شد. 1 کشف اولیه مولینا در مورد تخریب استراتوسفری ازن توسط اتم های کلر در دانشگاه کالیفرنیا ایروین انجام شد، او بعدا به آزمایشگاه پیشرانش NASA/Jet، MIT و دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو نقل مکان کرد. در زمان مرگ او در سال 2020 مولینا، یک شهروند مکزیکی مرکز جدیدی برای مطالعه انرژی و محیط زیست در مکزیکو سیتی ایجاد کرده بود.
در سال 1974، مولینا و رولند مقاله ای را در مجله Nature منتشر کردند که در آن تهدید گازهای کلروفلوئوروکربن برای پایداری لایه اوزون در جو بالایی زمین شرح داده شده بود. لایه ازن با جذب نور ماوراlet بنفش از زمین در برابر تابش خورشید محافظت می کند. همانطور که واکنش های شیمیایی مقدار ازن را در جو فوقانی کاهش می دهد، یک «سوراخ» قابل اندازه گیری در بالای قطب جنوب شکل می گیرد و افزایش میزان اشعه ماوراء بنفش خورشیدی - که به شدت با شیوع سرطان های پوست مرتبط است - به سطح زمین می رسد. کار مولینا و رولند در تصویب پروتکل مونترال، یک معاهده بین المللی امضا شده در 1987 که با موفقیت شروع به حذف تدریجی تولید مواد شیمیایی مرتبط با تخریب ازن کرد، نقش مهمی داشت.
مولینا و رولند نشان دادند که اتم های کلر از مواد شیمیایی ساخته شده توسط انسان می توانند تخریب ازن را در فرایندی مشابه با آن که NO باعث تسریع تخریب ازن می شود، کاتالیز کنند. اتم های کلر زمانی تولید می شوند که کلروکربن ها یا کلروفلوئوروکربن ها - زمانی که به طور گسترده ای به عنوان مبرد و پیشرانه استفاده می شوند - توسط نور ماوراء بنفش تجزیه می شوند یا با رادیکال های هیدروکسیل واکنش نشان می دهند. یک مکانیزم نمونه در اینجا با استفاده از متیل کلرید نشان داده شده است:
\[CH_3 Cl + OH \longrightarrow Cl +\text { other products }\]
رادیکال های کلر ازن را تجزیه می کنند و توسط چرخه کاتالیزوری زیر بازسازی می شوند:
\ [\ begin {align*}
& Cl + O_3\ longrightarrow ClO + O_2\\ [4pt]
& ClO + O\ longrightarrow Cl + O_2
\ end {align*}\nشماره\] واکنش کلی:\nشماره\]
\(O_3+ O \longrightarrow 2 O_2\)
یک کلر تک اتمی می تواند هزاران مولکول ازن را تجزیه کند. خوشبختانه، اکثر کلر اتمسفری به عنوان غیر فعال کاتالیزوری Cl 2 و ClonO 2 وجود دارد.
آنزیم ها در بدن انسان به عنوان کاتالیزور برای واکنش های شیمیایی مهم در متابولیسم سلولی عمل می کنند. به همین ترتیب، کمبود یک آنزیم خاص می تواند به یک بیماری تهدید کننده زندگی تبدیل شود. کمبود G6PD (glucoze-6-phosphate dehydrogenase)، یک بیماری ژنتیکی است که منجر به کمبود آنزیم گلوکز-6-فسفات دهیدروژناز می شود، شایع ترین کمبود آنزیم در انسان است. این آنزیم، که در شکل 12.21 نشان داده شده است، آنزیم محدود کننده سرعت برای مسیر متابولیک است که NADPH را به سلول ها عرضه می کند (شکل). \(\PageIndex{4}\)
اختلال در این مسیر می تواند منجر به کاهش گلوتاتیون در گلبول های قرمز شود؛ هنگامی که تمام گلوتاتیون مصرف می شود، آنزیم ها و پروتئین های دیگر مانند هموگلوبین مستعد آسیب هستند. به عنوان مثال، هموگلوبین می تواند به بیلی روبین متابولیزه شود، که منجر به زردی می شود، وضعیتی که می تواند شدید شود. افرادی که از کمبود G6PD رنج می برند باید از برخی غذاها و داروهای حاوی مواد شیمیایی که می توانند باعث آسیب رساندن به گلبول های قرمز کمبود گلوتاتیون شوند، اجتناب کنند.
کاتالیزورهای ناهمگن
کاتالیزور ناهمگن کاتالیزوری است که در فاز متفاوتی (معمولاً یک جامد) نسبت به واکنش دهنده ها وجود دارد. چنین کاتالیزورها به طور کلی با ارائه یک سطح فعال که بر روی آن واکنش می تواند رخ دهد، عمل می کنند. واکنش های فاز گاز و مایع کاتالیز شده توسط کاتالیزورهای ناهمگن بر روی سطح کاتالیزور به جای داخل فاز گاز یا مایع رخ می دهد.
کاتالیز ناهمگن به طور معمول شامل فرآیندهای زیر است:
- جذب واکنش دهنده (ها) بر روی سطح کاتالیزور
- فعال سازی واکنش دهنده (های) جذب شده
- واکنش واکنش دهنده (های) جذب شده
شکل\(\PageIndex{5}\): مراحل مکانیسم واکنش ترکیبات حاوی پیوند دوگانه کربن-کربن با هیدروژن بر روی کاتالیزور نیکل را نشان می دهد. نیکل کاتالیزوری است که در هیدروژناسیون چربی ها و روغن های اشباع نشده (که حاوی چندین پیوند دوگانه کربن-کربن هستند) برای تولید چربی ها و روغن های اشباع شده (که فقط حاوی پیوندهای تک کربن و کربن هستند) استفاده می شود.
بسیاری از محصولات شیمیایی مهم از طریق فرایندهای صنعتی تهیه می شوند که از کاتالیزورهای ناهمگن استفاده می کنند، از جمله آمونیاک، اسید نیتریک، اسید سولفوریک و متانول. کاتالیزورهای ناهمگن نیز در مبدل های کاتالیزوری موجود در اکثر اتومبیل های بنزینی استفاده می شود (شکل). \(\PageIndex{6}\)
دانشمندان مبدل های کاتالیزوری را برای کاهش میزان انتشار سمی تولید شده توسط سوزاندن بنزین در موتورهای احتراق داخلی توسعه دادند. با استفاده از یک ترکیب با دقت انتخاب شده از فلزات فعال کاتالیزوری، می توان احتراق کامل تمام ترکیبات حاوی کربن را به دی اکسید کربن انجام داد و در عین حال خروجی اکسید نیتروژن را کاهش داد. این به ویژه هنگامی قابل توجه است که ما در نظر بگیریم که یک مرحله شامل اضافه کردن اکسیژن بیشتر به مولکول و دیگری شامل حذف اکسیژن است (شکل\(\PageIndex{6}\)).
اکثر مبدل های کاتالیزوری سه طرفه مدرن دارای یک سطح آغشته به کاتالیزور پلاتین-رودیوم هستند که تبدیل اکسید نیتریک به دی نیتروژن و اکسیژن و همچنین تبدیل مونوکسید کربن و هیدروکربن ها مانند اکتان به دی اکسید کربن و بخار آب را کاتالیز می کند:
\ [\ begin {align*}
& 2 NO_2 (g)\ طولانی سمت راست N_2 (g) + 2 O_2 (g)\\ [4pt]
& 2 CO (g) + O_2 (g)\ راست بلند 2 CO_2 (g)\ [4pt]
& 2 C_8 H_ {18} (g) + 25 O_2 (g)\ rigright تارو 16 CO_2 (g) + 18 H_2 O (g)\ پایان {align*}\]
به منظور کارآیی هرچه بیشتر، اکثر مبدل های کاتالیزوری توسط یک بخاری برقی پیش گرم می شوند. این تضمین می کند که فلزات موجود در کاتالیزور حتی قبل از اینکه اگزوز خودرو به اندازه کافی گرم باشد برای حفظ دمای واکنش مناسب، کاملاً فعال هستند.
LibreTexts توضیح کاملی از نحوه عملکرد مبدل های کاتالیزوری ارائه می دهد.
مطالعه آنزیم ها یک ارتباط مهم بین زیست شناسی و شیمی است. آنزیم ها معمولا پروتئین ها (پلی پپتیدها) هستند که به کنترل سرعت واکنش های شیمیایی بین ترکیبات مهم بیولوژیکی، به ویژه آنهایی که در متابولیسم سلولی دخیل هستند، کمک می کنند. کلاس های مختلف آنزیم ها عملکردهای مختلفی را انجام می دهند، همانطور که در جدول نشان داده شده \(\PageIndex{1}\) است.
| کلاس | تابع |
|---|---|
| اکسیدوردوکتاز | واکنش های ردوکس |
| ترانسفرازها | انتقال گروه های عملکردی |
| هیدرولازها | واکنش های هیدرولیز |
| لیازها | حذف گروه برای تشکیل اوراق قرضه دوگانه |
| ایزومرازها | ایزومریزاسیون |
| لیگازها | تشکیل پیوند با هیدرولیز ATP |
مولکول های آنزیم دارای یک سایت فعال هستند، بخشی از مولکول با شکلی که به آن اجازه می دهد تا به یک بستر خاص (یک مولکول واکنش دهنده) پیوند بخورد و یک مجموعه آنزیم-سوبسترا را به عنوان واسطه واکنش تشکیل دهد. دو مدل وجود دارد که تلاش می کنند توضیح دهند که چگونه این سایت فعال کار می کند. ساده ترین مدل به عنوان فرضیه قفل و کلید شناخته می شود، که نشان می دهد که اشکال مولکولی سایت فعال و بستر مکمل هستند و مانند یک کلید در یک قفل با هم جور می شوند. از طرف دیگر، فرضیه برازش القایی نشان می دهد که مولکول آنزیم انعطاف پذیر است و تغییر شکل می دهد تا پیوند با بستر را در خود جای دهد. با این حال، این بدان معنا نیست که محل فعال آنزیم به طور کامل قابل انعطاف است. هر دو مدل قفل و کلید و مدل تناسب القایی این واقعیت را تشکیل می دهند که آنزیم ها فقط می توانند با بسترهای خاص متصل شوند، زیرا به طور کلی یک آنزیم خاص فقط یک واکنش خاص را کاتالیز می کند (شکل). \(\PageIndex{7}\)
انجمن سلطنتی شیمی مقدمه ای عالی برای آنزیم ها برای دانش آموزان و معلمان ارائه می دهد.