کاتالیز و وابستگی به دما
سرعت واکنشها با افزایش دما به شدت بالا میرود، که این پدیده توسط معادله آرنیوس توضیح داده میشود، و کاتالیزورها با فراهم آوردن مسیرهای جایگزین با موانع فعالسازی کمتر، واکنشها را تسریع میکنند.
Definition
کاتالیز به معنای تسریع یک واکنش توسط مادهای است که مسیری با انرژی کمتر فراهم میکند و بدون تغییر بازتولید میشود، و وابستگی به دما به رابطه آرنیوس بین ثابت سرعت، انرژی فعالسازی و دما اشاره دارد.
Scope
این موضوع به وابستگی ثابتهای سرعت به دما از طریق معادله آرنیوس، انرژی فعالسازی و عامل پیشنمایی، و تفسیر مولکولی آنها توسط نظریههای برخورد و حالت گذار میپردازد. همچنین، سینتیک کاتالیز را پوشش میدهد: اینکه چگونه کاتالیزورها بدون مصرف شدن، مانع فعالسازی را کاهش میدهند، کاتالیز همگن و ناهمگن، مکانیسمهای سطحی لانگمویر-هینشلوود و ایلی-رایدل، و کاتالیز آنزیمی از طریق طرح مایکل-منتن. نظریه تفصیلی کمپلکس فعالشده و قوانین سرعت زیربنایی در موضوعات مرتبط مورد بررسی قرار میگیرند.
Core questions
- معادله آرنیوس چگونه ثابت سرعت را به دما و انرژی فعالسازی مرتبط میکند؟
- یک کاتالیزور چگونه بدون مصرف شدن یا تغییر تعادل، سرعت واکنش را افزایش میدهد؟
- مکانیسمهای لانگمویر-هینشلوود و ایلی-رایدل چگونه کاتالیز سطحی را توصیف میکنند؟
- طرح مایکل-منتن چگونه سینتیک آنزیم و اشباع را توضیح میدهد؟
Key concepts
- معادله آرنیوس و عامل پیشنمایی
- انرژی فعالسازی
- کاتالیز همگن و ناهمگن
- مکانیسمهای لانگمویر-هینشلوود و ایلی-رایدل
- سینتیک آنزیمی مایکل-منتن
Key theories
- معادله آرنیوس
- ثابت سرعت به طور نمایی به نسبت منفی انرژی فعالسازی به انرژی حرارتی بستگی دارد، بنابراین نمودار لگاریتم ثابت سرعت در برابر معکوس دما، انرژی فعالسازی را از شیب خود به دست میدهد.
- سینتیک آنزیمی مایکل-منتن
- یک آنزیم سوبسترا را در یک پیشتعادل سریع متصل میکند تا کمپلکسی را تشکیل دهد که به محصول تبدیل میشود، و سرعتی را ایجاد میکند که با غلظت سوبسترا افزایش مییابد و در یک سرعت حداکثر اشباع میشود، که با ثابت مایکل مشخص میشود.
Clinical relevance
این ایدهها زیربنای کاتالیز ناهمگن صنعتی مانند سنتز آمونیاک و مبدلهای کاتالیزوری، کنترل دما و پایداری فرآیندهای شیمیایی و مواد ذخیرهشده، و تحلیل کمی آنزیمها است که کاتالیز را در بیوشیمی و عملکرد داروها محوری میسازد.
History
برزلیوس در سال ۱۸۳۵ نام کاتالیز را ابداع کرد؛ آرنیوس قانون دمایی سرعتها را در سال ۱۸۸۹ ارائه داد، و اوایل قرن بیستم شاهد سینتیک سطحی لانگمویر و بررسی آنزیمها توسط مایکل-منتن در سال ۱۹۱۳ بود که کاتالیز را به عنوان شاخهای کمی از سینتیک تثبیت کرد.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Jons Jacob Berzelius
- Leonor Michaelis
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- آیا کاتالیزور در یک واکنش مصرف میشود؟
- خیر. یک کاتالیزور در مکانیسم شرکت میکند اما در پایان چرخه کاتالیزوری بازتولید میشود، بنابراین در اصل مقدار کمی از آن میتواند مقدار زیادی از واکنشدهنده را تبدیل کند، اگرچه کاتالیزورهای واقعی ممکن است با گذشت زمان تخریب یا مسموم شوند.
- چرا افزایش دما معمولاً واکنشها را به طور چشمگیری تسریع میکند؟
- کسری از مولکولها که انرژی کافی برای عبور از مانع فعالسازی را دارند، به طور نمایی با دما افزایش مییابد، بنابراین حتی یک افزایش متوسط دما میتواند سرعت را چندین برابر کند، به همین دلیل بسیاری از واکنشها تقریباً برای هر ده درجه افزایش دما، سرعت خود را دو برابر میکنند.