კატალიზი

კატალიზი (ბერძნ. katalysis – დაშლა), ქიმიური რეაქციის სი­ჩქარის ცვლილება ან მისი ინი­ცირება ისეთი ნივთიერებების (კატალიზატორების) ­თანაობისას, რომლებიც მრავალჯერ მონაწილე­ობს შუ­ალედურ ქიმიურ ურთიერთქმედე­ბებში რეაქციის ­პროდუქტებთან და აღიდგენს თავის ქიმიურ შე­მადგენლობას (განიცდის რ ე ­გ ე ნ ე რ ა ც ი ა ს) ­ურთიერთქმედე­ბის ყოველი მომდევნო ციკლის ­შემდეგ. ამასთან, პროცესის დასრუ­ლე­ბის შემდეგ კატალიზატო­რის რაოდენო­ბა უცვლელი რჩება. კატა­ლიზატორი არ მონაწილეობს პროცესის სტექიომეტრულ განტოლებაში, არ ცვლის მორეაგირე სისტემის საბო­ლოო წონასწორულ მდგომარეობას და რეაქციის წონასწორობის K – მუდმივას (წინააღმდეგ შემთხვევაში დაირღვევა თერ­მო-დინამიკის ­მეორე კა­ნო­ნი). კა­ტალიზატორი ერთნაირად ­ზრდის როგორც პირდაპირი, ასე­ვე შებრუნებული რეაქციების სიჩქარე­თა მუდმივებს.

რეაქციის სიჩქარის K-მუდმივას გაზრდა უმეტეს შემთხვევაში დაკავშირებულია რეაქციის ეფექტური აქტივაციური ბარიერის შემცირებასთან – პროცესის აქტივაციის ენერგია კატალიზატორის თანაობისას უფრო ნაკლებია, ვიდრე კატალიზატორის გარეშე.

საზოგადოდ, კატალიზატორის მონაწილეობა ცვლის რეაქციის კინეტიკურ მექანიზმს (რეაქცია მიმდინარეობს განსხვავებული „მარშრუტით“). კატალი­ზატორი ვერ წარმართავს თერმო­დინამიკურად აკრძალულ რეაქციას, მას მხოლოდ თერმოდინა­მიკურად დასაშვები პროცესების დაჩქარება შეუძლია.

ქიმ. რეაქციის შენელებას (ან მის სრულ დათრგუნვას) ისეთი ნივთიერებების თანაობისას, რებიც ურთიერთქმედებს მორეაგირე ნივთიერებებთან და შემდგომ აღიდგენს თავის თვისებებს, ინჰიბიტორები ეწოდება, თავად პროცესს კი – ი ნ ჰ ი ბ ი რ ე ბ ა . როგორც წესი, რეაქციის სიჩქარის ზრდით მიმდინარე პროცესებს კ-ს მიაკუთვნებენ. ქიმ. რეაქციების უმრავლესობა კატალიზური პროცესებია.

ცო­ცხალ ორგანიზმთა უჯრედებში მრავალი სასიცოცხლო პროცესი ხორციელდება ბიოკატალიზატორების – ფერმენტების (ენზი­მები) უშუალო მოწილეობით. თუ რეაქციის ერთ-ერთი პროდუქტი ამავე რეაქციის კატალიზატორს წარმოადგენს, მაშინ ასეთ მოვლენას ავტოკატალიზს უწოდებენ.

კატალიზატორის მოქმედების მექანიზმის მიხედვით განასხვა­ვებენ ფუძე-მჟავური და ჟანგვა-აღ­დგენითი კ-ის რეაქციებს. რე­აქ­ციები, რ-ებიც მიმდინარეობს მო­რეაგი­რე ნივთიერებების ფუძე-მჟა­ვური შუალედური ურთიერთქმე­დებით კატალიზატორთან პროტონის ან ჰიდროქსილ-იონის გა­დაცემით (მაგ., კ-ური კრეკინგი, ­ჰიდრატაცია, დეჰიდრატაცია, ჰი­დ­როლიზი, იზომერიზაცია) ფუ­ძე-მჟა­ვურ კ-ს წარმოადგენს. თუ მორეაგი­რე ნივთიერებებსა და კატა­ლიზატორს შორის შუალედური ურთიერთქმედება ელექტრონების გადაცემით მიმდინარეობს (მაგ., ჟანგვა, აღდგენა, ჰიდრირება, დეჰიდრირება, პოლიკონდენსაცია, წყალ­ბადის პე­როქსიდის ტიპის ნაერთების დაშლა), მაშინ რეაქციები ჟანგვა-აღ­დგენით კ-ს მიეკუთვნება.

გარდა ქიმ. კ-ისა, არსებობს და დიდი მნიშვნელობა აქვს კ-ს ბირთვულ რეაქციებში, მაგ., მზეზე მიმდინარე C-N-O ციკლს (იხ. აგრეთვე სტ. მართვადი თერმობირთვული სინთეზი).

კატალიზური პროცესები საფუ­ძვლად უდევს ნავთობგადამამუშავებელი, ნავთობქიმიისა და ქიმ. მრეწველობის თანამედროვე პროცესების უმრავლესო­ბას. კ-ს იყე­ნებენ ­უმნიშვ­ნე­ლო­ვანესი არაორგ. და ორგ. პროდუქტების მისაღებად. კატალიზურ რეაქციებს ეფუძნება სინთეზური საწვავის მიღების ყველა მეთოდი ნახშირიდან, ბუნებრივი აირებიდან და ბიომასიდან. კ. საფუძვლად უდევს ნავთობგადამამუშავებელი მრეწველობის ყველა თანამედროვე მეთოდს (კრეკინგი, ჰიდროკრეკინგი, რიფორმინგი და სხვ.) და გარემოსდაცვითი თანამედროვე ტექნოლოგიების უმრავლესობას.

ს ა ­ქ ა რ ­თ ვ ე ­ლ ო ­შ ი პირველი გა­მოკვლევები კ-ში XX ს. 30-იან წლებში დაიწყო, 1929-იდან ახალგახსნილ პ. მელიქი­შვი­ლის სახ. ქიმიის სამეცნ.-კვლ. ინ-ტში (1965- იდან – საქართვ. მეცნ. აკა­დე­მიის პ. მელიქი­შვი­ლის სახ. ფიზიკური და ორგანული ქიმიის ინ-ტი; 2006-იდან – თსუ-ის პ. მელიქი­შვი­ლის სახ. ფიზიკური და ორგანული ქიმიის ინ-ტი). აღნიშნულ სამუშაოებს სა­თა­ვე­ში ჩაუდგა ლ. პისარჟევსკი თანამ­შრომ­ლებთან (ქ. ­ავალიანი, დ. ერის­თა­ვი, ვ. კოკოჩა­შვი­ლი და სხვ.) ერთად.

საინტერესოა პირველი ­ქართვ. ფარმაკოქიმიკოსის, პ. ჭეი­შვი­ლის გამოკვლევები ასბესტის კატალიზური თვისებების შე­სა­ხებ (1903, ხარკოვი).

თსუ-ში გ. ციციშვილმა და შ. სი­დამონიძემ პირველებმა გამოავლინეს და შეისწავლეს (1963) მონოვალენტური ­კათიონე­ბით მო­დიფიცირებული და დეკათი­ო­ნირებული ცეოლითების კატალიზური აქტივობა.

სა­ქართვ. მეცნ. აკადემიის პ. მელიქი­შვი­ლის სახ. ფიზ. და ორგანული ქიმიის ინ-ტის ორგანული კ-ის ლაბორ-ში ქ. არეშიძემ და მისმა თანამშრომლებმა (ე. ბენა­შვი­ლი, თ. ჩარკვიანი, გ. ჩივაძე, დ. შენგელია-გაჯიევი, ა. დოლი­ძე) გამოკვლევები ჩაატარეს სა­ქართვ. ნავთობის შემადგენელი ნახშირწყალბადების ­კატალიზური გარდა­ქმნების სფერო­ში. ქიმიური გარდაქმნების ჰეტეროგენულ კატა­ლიზატორებად მათ პირველად გამოიყენეს ადგილობრივი ბუნებრივი ნედლეული – გააქტივებული მონტმორილონიტური თიხები. მნიშვნელოვანია ქ. არეშიძის გამოკვლევები თხევადი ცხიმების ჰიდროგენიზაციისა და ასევე ციკლოჰექსანონის სინთე­ზის პროცესში სინთეზური ცეოლითების გამოყენების შე­სა­ხებ.

საერთაშ. აღიარება მოიპოვა პროფ. ა. ქორიძის (თსუ) გამოკვლევებმა ჰომოგენური კატალიზის სფეროში. მან თანაავტორებთან ერთად შექმნა ალკანების დეჰიდრირების ახ. თაობის ჰომოგენუ­რი კატალიზატორები, მიიღო ახ. ტიპის მეტალორგანული კომ­პლექსები, აღმოაჩინა ახ. გადაჯგუფებები – C-H და C-C ბმების წარმო­ქმნისა და გახლეჩის რე­აქციები, რ-ებიც მიმდინარეობს განსაკუთრებით რბილ პირობებში. ა. ქორიძის მიერ სინთეზირებული ირიდიუმის ჰიდრიდული კომპლექსები ბის(ფოსფინური) პინსერული ლიგანდებით ფეროცენისა და რუთენოცენის ბაზაზე ალკანების დეჰიდრირების რეაქციებში თავისი აქტიურობით აღემატება ყველა ცნობილ ჰომოგენურ კატალიზატორს. აღნიშნული ახ. თაობის ჰომოგენური კატალიზატორის საფუძველზე შე­საძლებელი გახდა ალკანების კა­ტალიზური დეჰიდრირებით უფრო ღირებული, რეაქციისუნარიანი ოლე­ფინების მიღება საკმაოდ რბილ პირობებში. ა. ქორიძემ ­თანამშრომლებთან ერთად ასევე შეისწავლა სპირ­ტების კატალიზუ­რი დეჰიდრირება ირიდიუმის პინსერული კომპლექსებით.

ლიტ.: Е р е м и н  В. В., Б о р щ е в с к и й  А. Я., Основы общей и физической химии, М., 2012; Ц и ц и ш в и л и  Г. В., С и д а м о н и д з е  Ш. И., Доклады АН СССР, 1963, т. 156; A t k i n s  P., J. de Paula, «Physical Chemistry», 8-th ed., Oxford University Press, 2006; K u k l i n  S. A., S h e l o u m o v  A. M., D o l g u c h i n  F. M., K o r i d z e  A. A., et al., Highly active iridium catalysts for alkan dehydrogenation. Synthesis and properties of iridium bis(phosphine) pincer complexes based on ferrocene and ruthenocene, «Organometallics», 2006, 25(22); P o l u k e e v  A. V., P e t r o v s k i  P. V., P e r e g u d o v  A. S., E z e r n i t s k a y a  M. G., K o r i d z e  A. A., Dehydrogenation of alcohols by bis(phosphinite) benzene based and bis(phosphine) ruthenocene based iridium pincer complexes, «Organometallics», 2013, 32(4).

გ. ბეზარა­შვი­ლი