Eleza kazi ya kichocheo kwa suala la utaratibu wa majibu na michoro za nishati
Orodha ya mifano ya kichocheo katika michakato ya asili na viwanda
Tumeona kwamba kiwango cha athari nyingi kinaweza kuharakishwa na vichocheo. Kichocheo kinazidi kasi ya mmenyuko kwa kupunguza nishati ya uanzishaji; kwa kuongeza, kichocheo kinarejeshwa katika mchakato. Athari kadhaa ambazo zinafaa kwa kutokuwepo kwa kichocheo hutokea tu kwa kiwango cha kuridhisha wakati kichocheo kiko. Mojawapo hayo ni hidrojeni ya kichocheo, mchakato ambao hidrojeni huongezwa kwenye dhamana ya alkene C = C ili kumudu bidhaa ya alkane iliyojaa. kulinganisha majibu kuratibu michoro (pia inajulikana kama michoro ya nishati) kwa kichocheo na uncatalyzed alkene hidrojeni ni inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\).
Vichocheo hufanya kazi kwa kutoa utaratibu mbadala wa mmenyuko ambao una nishati ya uanzishaji ya chini kuliko itapatikana kwa kutokuwepo kwa kichocheo. Wakati mwingine, utaratibu kichocheo ni pamoja na hatua za ziada, kama inavyoonyeshwa katika michoro mmenyuko inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Hii chini uanzishaji nishati matokeo katika kuongezeka kwa kiwango kama ilivyoelezwa na Arrhenius equation. Kumbuka kuwa kichocheo hupungua nishati ya uanzishaji kwa athari zote za mbele na za nyuma na hivyo huharakisha athari zote za mbele na za nyuma. Kwa hiyo, kuwepo kwa kichocheo kitaruhusu mfumo kufikia usawa kwa haraka zaidi, lakini haina athari kwa nafasi ya usawa kama inavyoonekana katika thamani ya mara kwa mara yake ya usawa (angalia sura ya baadaye juu ya usawa wa kemikali).
Mfano\(\PageIndex{1}\): Using Reaction Diagrams to Compare Catalyzed Reactions
Michoro miwili ya majibu hapa inawakilisha majibu sawa: moja bila kichocheo na moja yenye kichocheo. Tambua mchoro gani unaonyesha uwepo wa kichocheo, na uamua nishati ya uanzishaji kwa mmenyuko uliosababishwa:
Suluhisho
Kichocheo hakiathiri nishati ya reactant au bidhaa, hivyo mambo hayo ya michoro yanaweza kupuuzwa; wao ni, kama tunavyotarajia, kufanana kwa namna hiyo. Kuna, hata hivyo, tofauti inayoonekana katika hali ya mpito, ambayo ni dhahiri chini katika mchoro (b) kuliko ilivyo katika (a). Hii inaonyesha matumizi ya kichocheo katika mchoro (b). Nishati ya uanzishaji ni tofauti kati ya nishati ya reagents kuanzia na hali ya mpito-upeo juu ya mchoro wa kuratibu majibu. Reagents ni saa 6 kJ na hali ya mpito ni saa 20 kJ, hivyo nishati ya uanzishaji inaweza kuhesabiwa kama ifuatavyo:
Kuamua ni ipi kati ya michoro mbili hapa (wote kwa majibu sawa) inahusisha kichocheo, na kutambua nishati ya uanzishaji kwa mmenyuko uliosababishwa:
Jibu
Mchoro (b) ni mmenyuko wa kichocheo na nishati ya uanzishaji wa karibu 70 kJ.
Vichocheo vinavyolingana
Kichocheo cha homogeneous kiko katika awamu sawa na wahusika. Inaingiliana na reactant kuunda dutu ya kati, ambayo hutengana au humenyuka na mmenyuko mwingine katika hatua moja au zaidi ili kurejesha kichocheo cha awali na fomu ya bidhaa. Kama mfano muhimu wa catalysis homogeneous, fikiria safu ya ozoni ya dunia. Ozone katika anga ya juu, ambayo inalinda dunia kutoka mionzi ya ultraviolet, hutengenezwa wakati molekuli za oksijeni zinachukua mwanga wa ultraviolet na hupata majibu
Ozoni ni molekuli isiyo imara kiasi ambayo hutengana ili kuzalisha oksijeni diatomiki kwa reverse ya equation hii. Mmenyuko huu wa kuharibika ni sawa na utaratibu wafuatayo:
\ [ce {O3 O2 + O\\
O + O3 2O2}\ studio {12.8.3}\]
Uwepo wa oksidi ya nitriki, NO, huathiri kiwango cha kuharibika kwa ozoni. Oxydi ya nitriki hufanya kama kichocheo katika utaratibu wafuatayo:
\ [ce {NO} (g) +\ ce {O3} (g)\ ce {NO2} (g) +\ ce {O2} (g)\\ ce {O3} (g)
\ ce {O2} (g) {O2} (g) +\ ce {O} (g)\\ ce {O} (g)
\ ce {O} (g)\ ce {O} (g)\ ce {O}\ ce {O} (g)\ ce NO} (g) +\ ce {O2} (g)\ studio {12.8.4}\]
Mabadiliko ya kemikali ya jumla kwa utaratibu wa kichocheo ni sawa na:
\[\ce{2O3}(g)⟶\ce{3O2}(g) \label{12.8.5} \]
Oxydi ya nitriki humenyuka na hurejeshwa katika athari hizi. Haitumiwi kabisa; hivyo, hufanya kama kichocheo. Kiwango cha kuharibika kwa ozoni ni kubwa zaidi mbele ya oksidi ya nitriki kwa sababu ya shughuli za kichocheo cha NO. Misombo fulani ambayo ina klorini pia huchochea utengano wa ozoni.
Mario Molina
Tuzo ya Nobel ya Kemia ya 1995 ilishirikishwa na Paul J. Crutzen, Mario J. Molina (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), na F. Sherwood Rowland “kwa kazi yao katika kemia ya anga, hasa kuhusu malezi na utengano wa ozoni.” Molina, raia wa Mexico, alifanya kazi zake nyingi katika Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts (MIT).
Mwaka 1974, Molina na Rowland walichapisha karatasi katika jarida la Nature (mojawapo ya machapisho makubwa yaliyopitiwa upya wenzao katika uwanja wa sayansi) inayoelezea tishio la gesi za klorofluorocarbon kwa utulivu wa safu ya ozoni katika anga ya juu ya dunia. Safu ya ozoni inalinda dunia kutoka mionzi ya jua kwa kunyonya mwanga wa ultraviolet Kama athari za kemikali zinadhoofisha kiasi cha ozoni katika anga ya juu, “shimo” linalopimika linaunda juu ya Antaktika, na ongezeko la kiasi cha mionzi ya jua ultraviolet— inayohusishwa sana na kuenea kwa saratani za ngozi—hufikia uso wa dunia. Kazi ya Molina na Rowland ilikuwa muhimu katika kupitishwa kwa Itifaki ya Montreal, mkataba wa kimataifa uliosainiwa mwaka 1987 ambao ulifanikiwa kuanza kumaliza uzalishaji wa kemikali zinazohusishwa na uharibifu wa ozoni.
Molina na Rowland walionyesha kuwa atomi za klorini kutoka kwa kemikali zinazotengenezwa na binadamu zinaweza kuchochea uharibifu wa ozoni katika mchakato unaofanana na ule ambao NO huharakisha kupungua kwa ozoni. Atomi za klorini huzalishwa wakati klorokaboni au klorofluorokaboni-mara moja kutumika sana kama friji na propellants-ni photochemically kuoza na mwanga ultraviolet au kuguswa na radicals hidroks Utaratibu wa sampuli unaonyeshwa hapa kwa kutumia kloridi ya methyl:
Radicals ya klorini huvunja ozoni na hurejeshwa na mzunguko wa kichocheo zifuatazo:
\ [\ ce {Cl + O3 ClO + O2}\
\ ce {ClO + O Cl + O2}\
\ textrm {Majibu ya jumla:}\ ce {O3 + O O2}\ Namba\]
Klorini moja ya monatomiki inaweza kuvunja maelfu ya molekuli za ozoni. Kwa bahati nzuri, wengi wa klorini ya anga ipo kama aina kichocheo inaktiv Cl 2 na ClOnO 2.
Glucose-6-Phosphate Dehydrogenase upungufu
Enzymes katika mwili wa binadamu hufanya kama kichocheo kwa athari muhimu za kemikali katika kimetaboliki ya seli. Kwa hivyo, upungufu wa enzyme fulani unaweza kutafsiri ugonjwa unaohatarisha maisha. G6PD (glucose-6-phosphate dehydrogenase) upungufu, hali ya maumbile ambayo husababisha upungufu wa enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase, ni ya kawaida enzyme upungufu kwa binadamu. Enzyme hii, inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), ni enzyme ya kiwango cha kupunguza kwa njia ya metabolic ambayo hutoa NADPH kwa seli (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).
Uvunjaji katika njia hii unaweza kusababisha glutathione iliyopunguzwa katika seli nyekundu za damu; mara glutathione yote ikitumiwa, enzymes na protini nyingine kama vile hemoglobin huathirika na uharibifu. Kwa mfano, hemoglobin inaweza kuwa metabolized kwa bilirubin, ambayo inaongoza kwa jaundi, hali ambayo inaweza kuwa kali. Watu ambao wanakabiliwa na upungufu wa G6PD lazima kuepuka baadhi ya vyakula na madawa zenye kemikali ambayo inaweza kusababisha uharibifu glutathione-upungufu seli zao nyekundu za damu.
Vichocheo tofauti
Kichocheo cha kutofautiana ni kichocheo kilichopo katika awamu tofauti (kwa kawaida imara) kuliko majibu. Vichocheo vile kwa ujumla hufanya kazi kwa kutoa uso wa kazi ambayo majibu yanaweza kutokea. Athari za awamu ya gesi na kioevu zilizochochewa na vichocheo tofauti hutokea kwenye uso wa kichocheo badala ya ndani ya awamu ya gesi au kioevu.
Catalysis isiyo ya kawaida ina angalau hatua nne:
Adsorption ya reactant juu ya uso wa kichocheo
Utekelezaji wa reactant adsorbed
Tabia ya mmenyuko wa adsorbed
Kutenganishwa kwa bidhaa kutoka kwenye uso ndani ya awamu ya gesi au kioevu (desorption).
Yoyote ya hatua hizi inaweza kuwa polepole na hivyo inaweza kutumika kama kiwango cha kuamua hatua. Kwa ujumla, hata hivyo, mbele ya kichocheo, kiwango cha jumla cha mmenyuko ni kasi zaidi kuliko ingekuwa kama majibu yalikuwa katika awamu ya gesi au kioevu.
Kielelezo\(\PageIndex{6}\) unaeleza hatua ambazo maduka ya dawa wanaamini kutokea katika mmenyuko wa misombo zenye carbon-carbon mara mbili dhamana na hidrojeni juu ya kichocheo nikeli. Nikeli ni kichocheo kinachotumiwa katika hidrojeni ya mafuta na mafuta ya polyunsaturated (ambayo yana vifungo kadhaa vya kaboni-kaboni mara mbili) kuzalisha mafuta na mafuta yaliyojaa (ambayo yana vifungo vya kaboni-kaboni pekee).
Michakato mingine muhimu ya viwanda inayohusisha matumizi ya vichocheo tofauti ni pamoja na maandalizi ya asidi sulfuriki, maandalizi ya amonia, oxidation ya amonia kwa asidi ya nitriki, na awali ya methanoli, CH 3 OH. Kichocheo tofauti nyingi pia hutumika katika converters kichocheo kupatikana kwenye magari zaidi petrolini-powered (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)).
Automobile Kichocheo Converters
Wanasayansi walitengeneza waongofu wa kichocheo ili kupunguza kiasi cha uzalishaji wa sumu zinazozalishwa na kuchoma petroli katika inji za mwako ndani. Waongofu wa kichocheo hutumia faida ya mambo yote matano yanayoathiri kasi ya athari za kemikali ili kuhakikisha kuwa uzalishaji wa kutolea nje ni salama iwezekanavyo.
Kwa kutumia makini kuchaguliwa mchanganyiko wa metali kichocheo kazi, inawezekana kuleta mwako kamili ya misombo yote kaboni zenye dioksidi kaboni wakati pia kupunguza pato la oksidi nitrojeni. Hii ni ya kuvutia hasa wakati tunaona kwamba hatua moja inahusisha kuongeza oksijeni zaidi kwa molekuli na nyingine inahusisha kuondoa oksijeni (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).
Zaidi ya kisasa, njia tatu kichocheo converters wamiliki uso mimba na kichocheo platinum-rhodium, ambayo huchochea uongofu oksidi nitriki katika dinitrojeni na oksijeni pamoja na uongofu wa monoksidi kaboni na hidrokaboni kama vile oktane katika dioksidi kaboni na mvuke wa maji:
\ [ce {2NO2} (g)\ ce {N2} (g) +\ ce {2O2} (g)\\ [5pt]
\ ce {2CO} (g) +\ ce {O2} (g)\ ce {2CO2} (g)\\ ce {2CO2} (g)
\\ ce {2CO2} (g) +\ ce {25O2} (g)\ ce {16CO2} (g) +\ ce {18H2O} (g)\ nambari\]
Ili kuwa na ufanisi iwezekanavyo, waongofu wengi wa kichocheo hutanguliwa na joto la umeme. Hii inahakikisha kwamba metali katika kichocheo ni kazi kikamilifu hata kabla ya kutolea nje ya gari ni moto wa kutosha kudumisha joto la majibu sahihi.
Muundo wa Enzyme na Kazi
Utafiti wa enzymes ni uhusiano muhimu kati ya biolojia na kemia. Kawaida Enzymes ni protini (polipeptidi) zinazosaidia kudhibiti kiwango cha athari za kemikali kati ya misombo muhimu ya kibiolojia, hasa zile zinazohusika katika kimetaboliki ya seli. Madarasa tofauti ya enzymes hufanya kazi mbalimbali, kama inavyoonekana katika Jedwali\(\PageIndex{1}\).
Hidrolisisi ya ATP.” data-quail-id="131" data-mt-width="1016">
Jedwali\(\PageIndex{1}\): Darasa la Enzymes na Kazi Zake
Hatari
Kazi
oksidi reductase
athari za redox
uhamisho
uhamisho wa makundi ya kazi
hidrolasi
athari za hidrolisisi
lyases
kundi kuondoa kuunda vifungo mara mbili
isomerasi
isomerization
ligasi
malezi ya dhamana na hidrolisisi ya ATP
Molekuli za enzyme zina tovuti ya kazi, sehemu ya molekuli yenye sura ambayo inaruhusu kushikamana na substrate maalum (molekuli ya reactant), na kutengeneza tata ya enzyme-substrate kama kati ya majibu. Kuna mifano miwili inayojaribu kuelezea jinsi tovuti hii ya kazi inafanya kazi. Mfano rahisi zaidi hujulikana kama nadharia ya lock-na-muhimu, ambayo inaonyesha kwamba maumbo ya Masi ya tovuti ya kazi na substrate ni ya ziada, yanafaa pamoja kama ufunguo katika lock. Inced fit hypothesis, kwa upande mwingine, inaonyesha kwamba molekuli enzyme ni rahisi na mabadiliko ya sura ya kubeba dhamana na substrate. Hii sio kupendekeza kwamba tovuti ya kazi ya enzyme haiwezi kabisa, hata hivyo. Wote lock-na-muhimu mfano na ikiwa fit mfano akaunti kwa ukweli kwamba Enzymes inaweza tu kumfunga na substrates maalum, kwa kuwa kwa ujumla enzyme fulani tu kuchochea majibu fulani (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)).
Muhtasari
Vichocheo huathiri kiwango cha mmenyuko wa kemikali kwa kubadilisha utaratibu wake wa kutoa nishati ya uanzishaji wa chini. Kichocheo kinaweza kuwa sawa (katika awamu sawa na reactants) au heterogeneous (awamu tofauti kuliko reactants).
maelezo ya chini
“Tuzo ya Nobel katika Kemia 1995,” Tuzo ya Nobel, ilifikia Februari 18, 2015, Kemia ya Tuzo za Nobel [www.nobelprize.org].
faharasa
kichocheo tofauti
kichocheo kilichopo katika awamu tofauti kutoka kwa reactants, kutoa uso ambapo mmenyuko unaweza kutokea