Що спільного діє всіх каталізаторів. Що таке каталізатор і для чого він потрібний? Поширення каталізу у природі

Один з найефективніших впливів на хімічні реакції – це застосування каталізатора. Каталізатори - це речовини, що прискорюють хімічні реакції. Присутність каталізаторів змінює швидкість реакції у тисячі і навіть мільйони разів. Каталізатори беруть активну участь у хімічній реакції, але на відміну від реагентів наприкінці її залишаються незмінними.

- Це речовини, які змінюють швидкість протікання реакції, але самі не витрачаються в ході реакції і не входять до складу кінцевих продуктів.

Важливою характеристикою каталітичної реакції (каталізу) є однорідність або неоднорідність каталізатора та реагуючих речовин. Розрізняють гомогенні та гетерогенні каталітичні процеси. При гомогенному (однорідному) каталізі між речовинами, що реагують, і каталізатором відсутня поверхня розділу. У разі каталіз здійснюється через освіту нестійких проміжних продуктів.

Наприклад, речовина A повинна вступити в реакцію з речовиною B. Однак для початку реакції необхідне сильне нагрівання, і далі реакція протікає повільно. Тоді підбирають каталізатор з таким розрахунком, щоб він з речовиною A утворив активну проміжну сполуку, здатну потім енергійно реагувати з речовиною B:

A+ Кат. = A ∙ Кат.
A ∙ Кат. + B = AB ∙ Кат.
Кат.
A + B = AB

Процеси, в яких каталізатор і речовини, що каталізуються, знаходяться в різних агрегатних станах, відносяться до гетерогенного (неоднорідного) каталізу. При адсорбції поверхні каталізатора газоподібних чи рідких реагентів послаблюються хімічні зв'язку, зростає здатність цих речовин до взаємодії.

Прискорююча дія каталізатора полягає у зниженні енергії активації основної реакції. Кожен із проміжних процесів за участю каталізатора протікає з меншою енергією активації, ніж реакція, що не каталізується. Каталіз відкриває інший шлях протікання хімічної реакції від вихідних речовин до продуктів реакції.

Досвід свідчить, що каталізатори суворо специфічні конкретних реакцій. Наприклад, у реакції:

N 2 +3H 2 = Fe 2NH 3

Каталізатором є металеве залізо, а реакції окислення оксиду сірки(IV) в оксид сірки(VI) каталізатор – оксид ванадію(V) V 2 O 5 . Часто як каталізаторів використовують платину, нікель, паладій, оксид алюмінію. Для прискорення процесу розкладання пероксиду водню як каталізатор застосовують оксид марганцю(IV). Якщо до склянки з розчином пероксиду водню додати трохи оксиду марганцю(IV), відразу відбувається бурхливе спінювання рідини внаслідок виділення кисню.

Каталізатором реакції взаємодії алюмінію та йоду є звичайна вода. Якщо до суміші алюмінію та йоду прилити воду, то речовини у суміші бурхливо реагують.

Існують речовини, які здатні уповільнювати хімічну реакцію – здійснювати так званий негативний каталіз. Їх називають інгібіторами. Такі речовини застосовують при необхідності уповільнити деякі процеси, наприклад, корозію металів, окислення сульфідів при зберіганні та ін.

Хімія - наука про речовини та їх перетворення, а також способи їх отримання. Навіть у звичайній шкільній програмі розглядається таке важливе питання, як типи реакцій. Класифікація, з якою знайомлять школярів на базовому рівні, враховує зміну ступеня окислення, фазу перебігу, механізм процесу тощо. буд. Крім того, всі хімічні процеси поділяють на некаталітичні та каталітичні реакції. Приклади перетворень, що протікають за участю каталізатора, зустрічаються людині у звичному житті: бродіння, гниття. Некаталітичні перетворення нам трапляються набагато рідше.

Що таке каталізатор

Це хімічна речовина, яка здатна змінювати швидкість взаємодії, але сама в ній не бере участі. У тому випадку, коли за допомогою каталізатора відбувається прискорення процесу, йдеться про позитивний каталіз. У тому випадку, якщо речовина, що додається в процес, знижує його називають інгібітором.

Види каталізу

Гомогенний та гетерогенний каталіз відрізняються за фазою, в якій знаходяться вихідні речовини. Якщо вихідні компоненти, взяті для взаємодій, включаючи каталізатор, знаходяться в одному агрегатному стані, протікає гомогенний каталіз. У тому випадку, коли в реакції беруть участь різні фази речовини, йде гетерогенний каталіз.

Селективність дії

Каталіз є не просто засіб підвищення продуктивності апаратури, він позитивно впливає на якість одержуваних продуктів. Пояснити подібне явище можна тим, що завдяки виборчій (селективній) дії більшості каталізаторів, прискорюється пряма реакція, знижуються побічні процеси. Зрештою одержувані продукти мають велику чистоту, немає потреби додатково очищати речовини. Селективність дії каталізатора дає реальне зниження невиробничих витрат сировини, непогану економічну вигоду.

Переваги застосування каталізатора у виробництві

Чим ще характеризуються каталітичні реакції? Приклади, що розглядаються у звичайній середній школі, свідчать про те, що використання каталізатора дозволяє проводити процес за нижчих температур. Експерименти підтверджують, що з його допомогою можна розраховувати на значне зниження енергетичних витрат. Це особливо важливо у сучасних умовах, коли у світі спостерігається нестача енергетичних ресурсів.

Приклади каталітичних виробництв

У якій промисловості використовують каталітичні реакції? Приклади таких виробництв: виготовлення азотної та сірчаної кислот, водню, аміаку, полімерів, широко застосовують каталіз в отриманні органічних кислот, одноатомних та фенолу, синтетичних смол, барвників, лікарських засобів.

Що є каталізатором

Як каталізаторів можуть виступати багато речовин, що знаходяться в періодичній системі хімічних елементів Дмитра Івановича Менделєєва, а також їх сполуки. Серед найпоширеніших прискорювачів виділяють: нікель, залізо, платину, кобальт, алюмосилікати, оксиди марганцю.

Особливості каталізаторів

Крім виборчої дії, у каталізаторів відмінна механічна міцність, вони здатні протистояти каталітичним отрутам, легко регенеруються (відновлюються).

За фазовим станом каталітичні поділяють на газофазні та рідкофазні.

Докладніше розглянемо такі типи реакцій. У розчинах прискорювачем хімічного перетворення виступають катіони водню Н+, гідроксид іони основи ВІН-, катіони металів М+ та речовини, які сприяють утворенню вільних радикалів.

Суть каталізу

Механізм каталізу при взаємодії кислот і основ полягає в тому, що відбувається обмін між речовинами, що взаємодіють, і каталізатором позитивними іонами (протонами). При цьому відбуваються внутрішньомолекулярні перетворення. За цим типом йдуть реакції:

• дегідратації (відчеплення води);
• гідратації (приєднання молекул води);
• етерифікації (утворення складного ефіру зі спиртів та карбонових кислот);
• поліконденсації (утворення полімеру із відщепленням води).

Теорія каталізу пояснює як сам процес, а й можливі побічні перетворення. У разі гетерогенного каталізу прискорювач процесу утворює самостійну фазу, каталітичні властивості мають деякі центри на поверхні реагуючих речовин або задіяна вся поверхня.

Існує і мікрогетерогенний процес, який передбачає перебування каталізатора у колоїдному стані. Цей варіант є перехідним станом від гомогенного до гетерогенного виду каталізу. Більшість таких процесів протікає між газоподібними речовинами із застосуванням твердих каталізаторів. Вони можуть бути у формі гранул, пігулок, зерен.

Поширення каталізу у природі

Ферментативний каталіз досить поширений у природі. Саме за допомогою біокаталізаторів протікає синтез білкових молекул, здійснюється обмін речовин у живих організмах. Жоден біологічний процес, що протікає за участю живих організмів, не оминає каталітичні реакції. Приклади життєво важливих процесів: синтез із амінокислот білків, специфічних для організму; розщеплення жирів, білків, вуглеводів.

Алгоритм каталізу

Розглянемо механізм каталізу. Цей процес, що протікає на пористих твердих прискорювачах хімічної взаємодії, включає кілька елементарних стадій:

• дифузія взаємодіючих речовин до поверхні крупинок каталізатора з потоку ядра;
• дифузія реагентів у порах каталізатора;
• хемосорбція (активована адсорбція) на поверхні прискорювача хімічної реакції з появою хімічних поверхневих речовин – активованих комплексів «каталізатор-реагенти»;
• перегрупування атомів із виникненням поверхневих комбінацій «каталізатор-продукт»;
• дифузія у порах прискорювача реакції продукту;
• дифузія продукту від поверхні зерна прискорювача реакції у ядро ​​потоку.

Каталітичні та некаталітичні реакції настільки важливі, що вчені протягом багатьох років продовжують дослідження у цій сфері.

При гомогенному каталізі немає потреби споруджувати спеціальні конструкції. Ферментативний каталіз при гетерогенному варіанті передбачає використання різноманітної та специфічної апаратури. Для його протікання розроблені спеціальні контактні апарати, що підрозділяються поверхнею контакту (у трубках, на стінках, каталізаторних сітках); з фільтруючим шаром; зваженим шаром; з пилеподібним каталізатором, що рухається.

Теплообмін в апаратах реалізується різними способами:

• шляхом застосування виносних (зовнішніх) теплообмінників;
• за допомогою теплообмінників, вбудованих у контактний апарат.

Аналізуючи формули з хімії, можна знайти й такі реакції, в яких каталізатором виступає один із кінцевих продуктів, який утворюється в ході хімічної взаємодії вихідних компонентів.

Подібні процеси прийнято називати автокаталітичним, саме явище в хімії називається автокаталізом.

Швидкість багатьох взаємодій пов'язана з присутністю реакційної суміші певних речовин. Їхні формули в хімії найчастіше упускаються, замінюються словом «каталізатор» або його скороченим варіантом. Їх не включають до підсумкового стереохімічного рівняння, оскільки вони після завершення взаємодії не змінюються з кількісної точки зору. У деяких випадках досить незначних кількостей речовин, щоб суттєво вплинути на швидкість процесу, що здійснюється. Цілком допустимі й такі ситуації, коли як прискорювач хімічної взаємодії виступає сама реакційна судина.

Суть впливу каталізатора зміну швидкості хімічного процесу у цьому, що це речовина включено до складу активного комплексу, тому змінює хімічного взаємодії.

При розпаді цього комплексу спостерігається регенерація каталізатора. Суть у тому, що він не витрачатиметься, залишиться у незмінній кількості після закінчення взаємодії. Саме з цієї причини цілком достатньо незначної кількості активної речовини для здійснення реакції з субстратом (реагує речовиною). Насправді незначні кількості каталізаторів під час проведення таки витрачаються, оскільки можливі різні побічні процеси: його отруєння, технологічні втрати, зміна стану поверхні твердого каталізатора. Формули хімії не передбачають облік каталізатора.

Висновок

Реакції, в яких бере участь активна речовина (каталізатор), оточують людину, до того ж, вони протікають і в її організмі. Гомогенні реакції зустрічаються набагато рідше, ніж гетерогенні взаємодії. У будь-якому випадку спочатку відбувається утворення проміжних комплексів, які є нестабільними, поступово руйнуються та спостерігається регенерація (відновлення) прискорювача хімічного процесу. Наприклад, при взаємодії метафосфорної кислоти з персульфатом калію як каталізатор виступає йодоводородна кислота. При додаванні до реагуючих речовин утворюється розчин жовтого кольору. У міру наближення до закінчення процесу фарбування поступово зникає. Як проміжний продукт у цьому випадку виступає йод, а процес відбувається у дві стадії. Але як тільки метафосфорна кислота буде синтезована, каталізатор повертається до свого початкового стану. Каталізатори незамінні у промисловості, вони допомагають прискорювати перетворення, отримувати якісні продукти реакції. Неможливі без їхньої участі та біохімічні процеси в нашому організмі.

Ініціюючі хімічні реакції за рахунок проміжних хімічних взаємодій з учасниками реакції та відновлення свого хімічного складу після кожного циклу таких проміжних взаємодій (див. статті Каталіз). За способом організації та фазовим складом реакційної системи прийнято розрізняти гетерогенні та гомогенні каталізатори, а також каталізатори біологічного походження - ферменти. У гетерогенному каталізі каталізатори іноді називають контактами.

У загальному випадку носієм каталітичної активності каталізаторів (дивись у статтях Гетерогенний каталіз, Гомогенний каталіз) зазвичай є речовина, що безпосередньо вступає в хімічну взаємодію, принаймні з одним з вихідних реагентів з утворенням нестійких (в умовах проведення каталітичної реакції) хімічних сполук, - активний компонент каталізатора (для твердих гетерогенних каталізаторів часто є каталітична активна фаза). Механізми дії каталізаторів досить різноманітні та залежать від типу здійснюваної каталітичної реакції та природи речовини активного компонента каталізатора; хімічна природа активного компонента каталізаторів також може бути різноманітною. Масова частка активного компонента в каталізаторах може варіювати від 100% до малих величин (десяті частки відсотка).

Основними характеристиками каталізаторів є каталітична активність, селективність по відношенню до цільових продуктів каталітичних перетворень, специфічність по відношенню до реагентів каталітичних реакцій, стабільність, стійкість до дії каталітичних отрут; для промислових каталізаторів ще й продуктивність (кількість цільового продукту, отриманого за одиницю часу на одиницю об'єму чи маси каталізатора).

Зазвичай каталізатори поділяють за типами каталітичних процесів: глибокого і парціального (селективного) окислення, гідрування, полімеризації, процесів нафтопереробки, органічного синтезу та ін. також їх солі, комплексні сполуки, оксиди та сульфіди. Типовими каталізаторами кислотно-основних реакцій (гідратації, дегідратації, алкілування, полімеризації, крекінгу та ін.) є рідкі та тверді мінеральні та органічні кислоти та основи, кислі солі, алюмосилікати, цеоліти та ін.

У промисловості вважають за краще використовувати тверді гетерогенні каталізатори внаслідок легкості їх відокремлення від реакційного середовища та можливості роботи при підвищених температурах. Активний компонент (каталітично активна фаза) багатьох промислових гетерогенних каталізаторів є високодисперсним і нерідко нанесеним на міцний пористий носій (зазвичай високопористий вуглець, оксид неперехідного елемента, наприклад, кремнію, алюмінію, титану, цирконію та ін.). Для збільшення каталітичної активності, селективності, хімічної стійкості і термостабільності в каталізатори іноді вводять невелику кількість промотору (або активатора) - речовини, яка може не мати самостійну каталітичну активність.

Тверді промислові каталізатори повинні мати високу каталітичну активність, специфічність по відношенню до заданої реакції, селективність по відношенню до цільового продукту, механічну міцність, термостійкість, певну теплопровідність. Промислові каталізатори повинні бути також стійкими до дезактивації - зниження або повного придушення їх каталітичної активності. Дезактивація каталізаторів може відбуватися за рахунок спікання або механічного руйнування (наприклад, стирання) активного компонента та/або речовини носія, блокування активних центрів побічними продуктами процесу - щільними відкладеннями вуглецю (коксом), смолистими речовинами тощо, отруєння каталітичними отрутами. Дія каталітичних отрут зазвичай зумовлена ​​блокуванням найбільш активних ділянок активного компонента каталізаторів за рахунок міцної хемосорбції і тому проявляється навіть за наявності малих кількостей отрут. Типовими каталітичними отрутами є сполуки сірки, азоту, фосфору, миш'яку, свинцю, ртуті, ціаністі сполуки, кисень, монооксид вуглецю, похідні ацетилену, іноді вода та ін. У промислових каталітичних процесах відновлення каталітичної активності каталізатори після їх дезактивації регенерують. Регенерацію каталізаторів здійснюють, наприклад, випалюванням коксу та смолистих речовин, промиванням водою або спеціально підібраними розчинниками.

Каталітична активність твердого каталізатора залежить від величини та стану доступної для реагентів поверхні каталізатора, форми, розміру та профілю пор каталізатора (тобто його текстури), що визначається способом приготування каталізатора та його попередньою обробкою. У разі відсутності дифузійних обмежень активність твердого каталізатора прямо пропорційна такий поверхні. Тому більшість промислових гетерогенних каталізаторів має розвинену питому поверхню, до кількох сотень м 2 на 1 г каталізатора. Найбільш поширеними методами отримання активних твердих каталізаторів є осадження гідроксидів і карбонатів металів з розчинів солей або комплексних сполук з подальшим термічним розкладанням осаду до оксидів, розкладання інших сполук на повітрі до оксидів, сплавлення декількох речовин з наступним вилуговуванням з одного ( «скелетні», каталізатори), а також нанесення активного компонента каталізатора на носій методом просочення або газової фази з подальшою активацією каталізатора. Типовими процедурами активації каталізаторів є їх відновлення воднем, сульфідування за допомогою різних сірковмісних сполук тощо; для деяких типів каталізаторів використовується термоактивація, що здійснюється за допомогою прогрівання каталізатора до температури формування активної фази. Механічно міцні каталізатори виготовляють у вигляді пресованих таблеток, а також отриманих спеціальними методами гранул, кульок, суцільних і порожнистих циліндрів (кілець Рашига), різного роду екструдатів та ін. У ряді випадків для зниження аеро- або гідродинамічного опору шару каталізаторів форми. Наприклад, каталітичні нейтралізатори автомобільних вихлопів зазвичай виготовляють у вигляді керамічних або металевих «стільникових» блоків з безліччю паралельних каналів уздовж потоку газу, що очищається. У промисловості застосовують також суспензії каталізаторів у рідкій фазі (суспензійний процес) та пилоподібні каталізатори, які в ході реакції виявляються зваженими в парах компонентів реакції (так званий флюїд-процес).

Вартість каталізатора залежить від його хімічного складу, способу приготування та варіює від 0,5 до декількох тисяч доларів США за 1 кг каталізатора. Проте, у вартості готової продукції, отриманої з допомогою промислових каталізаторів, вартість каталізатора зазвичай становить трохи більше 0,1-1%.

Промислові гетерогенні каталізатори є мало- або середньотоннажною продукцією. Загальний обсяг річного споживання Росії близько 100 тисяч тонн.

Літературу дивися за статті Каталіз.

← попередня наступна →

Наші публікації

 Гвоздика (пряність) та її цілюща сила Рубрика: Здоровий спосіб життя

Традиційно гвоздика зустрічається практично в кожному рецепті пряників та пуншів. Ця пряність покращує смак соусів, а також м'ясних та овочевих страв. Вчені виявили, що пряна гвоздика є чудовим антиоксидантом і тому підходить для зміцнення захисних сил організму.

Рубрика: Здоровий спосіб життя

Черемша (дикий часник) - свого роду провісник весни, на якого чекають з нетерпінням. Це не дивно, адже ніжне зелене листя дикого часнику є не лише кулінарною, а й корисною для здоров'я родзинкою! Черемша виводить токсини, знижує кров'яний тиск та рівень холестерину. Вона бореться з існуючим атеросклерозом та захищає організм від бактерій та грибків. На додаток до великої кількості вітамінів і поживних речовин, дикий часник також містить активний інгредієнт Алліїн - природний антибіотик з різноманітною лікувальною дією.

Рубрика: Здоровий спосіб життя

Зима – час грипу. Щорічна хвиля захворювань на грип зазвичай починається в січні і триває три-чотири місяці. Чи можна запобігти грипу? Як захистити себе від грипу? Чи є вакцина проти грипу справді єдиною альтернативою чи є інші способи? Що конкретно можна зробити для зміцнення імунної системи та запобігання грипу природними способами, ви дізнаєтесь у нашій статті.

Рубрика: Здоровий спосіб життя

Існує безліч лікарських рослин від застудних захворювань. У нашій статті ви познайомитеся з найбільш важливими травами, які допоможуть вам швидше впоратися із застудою та стати сильнішими. Ви дізнаєтеся, які рослини допомагають при нежиті, чинять протизапальну дію, полегшують біль у горлі та заспокоюють кашель.

Як стати щасливим? Кілька кроків на щастя Рубрика: Психологія відносин

Ключі на щастя знаходяться не так далеко, як це може здатися. Є речі, які затьмарюють нашу дійсність. Їх необхідно позбавлятися. У нашій статті ми познайомимо вас з кількома кроками, за допомогою яких ваше життя стане яскравішим, і ви відчуєте себе щасливішим.

Вчимося вибачатися правильно Рубрика: Психологія відносин

Людина може швидко щось сказати і навіть не помітити, що вона образила когось. Миттєво може розгорітися сварка. Одне погане слово слідує за наступним. Якогось моменту ситуація настільки розжарюється, що, схоже, з неї вже немає виходу. Єдиний порятунок – щоб один із учасників сварки зупинився та вибачився. Щиро та доброзичливо. Адже холодне «Вибачте» не викликає жодних емоцій. Правильне вибачення – найкращий лікар для стосунків у кожній життєвій ситуації.

Рубрика: Психологія відносин

Зберігати гармонійні стосунки з партнером – це не просто, але нескінченно важливо для нашого здоров'я. Можна правильно харчуватися, регулярно займатися спортом, мати чудову роботу та багато грошей. Але ніщо з цього не допоможе, якщо ми маємо проблеми у стосунках з дорогою людиною. Тому так важливо, щоб наші відносини були гармонійними, а як цього досягти, допоможуть поради у цій статті.

Неприємний запах із рота: у чому причина? Рубрика: Здоровий спосіб життя

Поганий запах із рота - досить неприємне питання не тільки для самого винуватця цього запаху, а й для його близьких. Неприємний запах у виняткових випадках, наприклад у вигляді часникової їжі, прощається всім. Хронічний поганий запах із рота, однак, може легко просувати людину до соціального офсайду. Так не повинно відбуватися, тому що причина неприємного запаху з рота може бути здебільшого відносно легко виявлена ​​та усунена.

Рубрика:

Спальня завжди має бути оазою миру та благополуччя. Очевидно тому багато людей хочуть прикрасити спальню кімнатними рослинами. Але чи це доцільно? І якщо так, то які рослини підходять для спальної кімнати?

Сучасні наукові знання ганьблять давню теорію про те, що квіти в спальні недоречні. Раніше вважалося, що зелені та квітучі рослини вночі споживають багато кисню і можуть спричинити проблеми зі здоров'ям. Насправді кімнатні рослини мають мінімальну потребу у кисні.

Секрети нічної фотозйомки Рубрика: Фотографія

Які ж параметри камери слід використовувати під час тривалої експозиції, нічної фотозйомки та фотозйомки з низьким рівнем освітлення? У нашій статті ми зібрали кілька порад та рекомендацій, які допоможуть Вам зробити якісні нічні фотографії.

Каталізатори забезпечують швидший результат будь-якої хімічної реакції. Реагуючи з вихідними речовинами реакції, каталізатор утворює з ними проміжне з'єднання, після чого це з'єднання піддається перетворенню і в результаті розпадається на необхідний кінцевий продукт реакції, а також на каталізатор, що не зазнав змін. Після розпаду та утворення необхідного продукту каталізатор знову вступає в реакцію з вихідними реагентами, утворюючи все більшу кількість вихідної речовини. Даний цикл може повторюватися мільйони разів, і якщо витягти каталізатор із групи реагентів, реакція може тривати в сотні та тисячі разів повільніше.

Каталізатори гетерогенними та гомогенними. Гетерогенні каталізатори в ході хімічної реакції утворюють самостійну фазу, яка відокремлена межею, що розділяє, від фази вихідних реагентів. Гомогенні каталізатори, навпаки, є частиною однієї й тієї фази з вихідними реагентами.

Існують каталізатори органічного походження, які беруть участь у бродінні та дозріванні, вони називаються ферментами. Без їхньої безпосередньої участі людство не змогло б отримувати більшу частину спиртних напоїв, молочнокислих продуктів, продуктів із тіста, а також мед та . Без участі ферментів було б неможливий обмін речовин у живих організмів.

Вимоги до речовин каталізаторам

Каталізатори, які широко застосовуються в промисловому виробництві, повинні мати цілу низку властивостей, необхідних для успішного завершення реакції. Каталізатори повинні бути високоактивними, селективними, механічно міцними та термостійкими. Вони повинні мати тривалу дію, легку регенерацію, стійкість до каталітичних отрут, гідродинамічні властивості, а також невелику ціну.

Сучасне застосування промислових каталізаторів

У нинішньому високотехнологічному виробництві каталізатори застосовуються при крекінгу нафтопродуктів, одержанні ароматичних вуглеводнів та високооктанового, одержанні чистого водню, кисню або інертних газів, синтезі аміаку, одержанні та сірчаної кислоти без додаткових витрат. Також каталізатори широко застосовуються для отримання азотної кислоти, фталевого ангідриду, метилового та спирту та ацетальдегіду. Найбільш широко застосовуються каталізатори – це металева платина, ванадій, нікель, хром, залізо, цинк, срібло, алюміній та паладій. Також часто застосовуються деякі солі цих металів.