Katalīze ir ķīmisko reakciju ātruma maiņa vielu - katalizatoru ietekmē, kas piedalās procesā, nonākot starpposma ķīmiskajā mijiedarbībā ar reaģentiem, bet pēc katalītiskā akta beigām paliek ķīmiski nemainīgi.

Katalizatori var būt vielas jebkurā no trim agregācijas stāvokļiem - gāzes, šķidrumi un cietas vielas.

Katalītiskos procesus var iedalīt divās grupās: homogēnos un neviendabīgos. Ja reakcija paātrinās katalizatora klātbūtnē, šo parādību sauc par pozitīvo katalīzi vai vienkārši katalīzi. Ja reakcija palēninās - antikatalizatori vai inhibitori.

Katalīzes būtība ir vienāda visiem tās veidiem - viendabīgam, neviendabīgam, taču katram no šiem veidiem ir savas atšķirīgās iezīmes. Kopumā katalizatoru paātrinošā iedarbība būtiski atšķiras no citu ķīmiskos procesus pastiprinošo faktoru darbības – temperatūras, spiediena. Tādējādi, temperatūrai paaugstinoties, reaģējošo molekulu temperatūra palielinās no ārpuses ievadītā siltuma dēļ.

Pievienojot katalizatoru, reaģējošo molekulu enerģijas līmenis nemainās. Katalizatora darbība nepārvieto vienkāršas reakcijas līdzsvaru, bet tikai paātrina līdzsvara sasniegšanu noteiktā temperatūrā.

Procesiem, kas notiek kinētiskajā reģionā, reakcijas ātrums

Tā kā ΔС nemainās katalītiskajās un nekatalītiskajās reakcijās, katalizatora iedarbība ir palielināt reakcijas ātruma konstanti.

Visizplatītākā teorija, kas kalpo par pamatu mūsdienu idejām par katalīzi, ir starpproduktu savienojumu teorija. Saskaņā ar šo teoriju lēno posmu starp izejmateriāliem var aizstāt ar diviem vai vairākiem ātrākiem posmiem, kuros iesaistīts katalizators, kas veido vājus savienojumus ar izejmateriāliem. Reakcijas ātrums ir lielāks, jo mazāka ir aktivācijas enerģija eksponenciālās atkarības dēļ

Reaģējošās sistēmas enerģijas izmaiņas nekatalītisko (1) un katalītisko (2) reakciju laikā

Apskatīsim reakcijas sistēmas enerģijas attēlu, piemēram, bimolekulārai reakcijai

,

iet, ja nav katalizatora saskaņā ar shēmu

veidojoties aktīvajam kompleksam AB *. Katalizatora klātbūtnē reakcija notiek pa atšķirīgu ceļu vairākos elementārajos posmos:

A + = A

A + B = AB *

AB * = R + . . .

E – nekatalītiskās reakcijas aktivācijas enerģija;

E cat – katalītiskā reakcija;

e 1 un e 2 – starpposmu aktivizācijas enerģijas.

Katalizatora darbība

Vissvarīgākā katalizatoru īpašība ir to aktivitāte, jo tas ir katalizatora paātrināšanas efekta mērs attiecībā pret konkrēto reakciju.

Apskatīsim sēra dioksīda oksidēšanas piemēru

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 + Q

Aktivizācijas enerģija 420 o C (693 K) temperatūrā ir 420 000 J/mol. Uz vanādija katalizatora V 2 O 5 E k = 268 kJ/mol K. R = 8,3 J/mol K.

Selektivitāte (katalizatora selektivitāte)

Darbības selektivitāte ir vissvarīgākā katalizatoru iezīme, kas noteica to plašās izmantošanas panākumus vairākās nozarēs. Īpaši svarīgi tas ir bioloģisko produktu ražošanā, kad selektivitāte ļauj ievērojami paātrināt vienu noderīgu reakciju, veikt procesu pazeminātā temperatūrā, nomācot citas reakcijas.

Katalizatora I cat darbības selektivitāti var izteikt ar mērķa produkta veidošanās ātruma attiecību pret galveno izejmateriāla kopējo konversijas ātrumu.

,

kur G p ir produkta daudzums;

υ p υ out – stehiometrisko koeficientu attiecība produktu veidošanā no galvenā izejmateriāla.

Katalizatoru darbības kopējo integrālo selektivitāti var izteikt ar attiecību

.

kur G ir izejvielas kopējais daudzums, mol;

Grems - izejvielas daudzums, kas nonāca blakusreakcijās;

G p ir izejvielas daudzums, kas pārvērsts mērķa produktā.

Selektivitāte ir īpaši izteikta sarežģītās organiskās reakcijās. Piemēram, etilspirtu atkarībā no katalizatora veida var pārvērst etilēnā

Līdz ar to no vienas un tās pašas izejvielas ir iespējams iegūt dažādus mērķa produktus.

Enciklopēdisks YouTube

1 / 5

✪ Fizikālā ķīmija. Lekcija 3. Ķīmiskā kinētika un katalīze

✪ Ķīmija. Ķīmisko reakciju kinētika. Ķīmiskās reakcijas ātrums. Foksfordas tiešsaistes mācību centrs

✪ Video nodarbība "Katalizatori un katalīze" - ĶĪMIJA - 9.kl.

✪ 2. lekcija “Katalīze kā ķīmiska un kinētiska parādība”

✪ Ievads kinētikā

Subtitri

Katalīzes pamatprincipi

Katalizators maina reakcijas mehānismu uz enerģētiski labvēlīgāku, tas ir, samazina aktivācijas enerģiju. Katalizators ar viena reaģenta molekulu veido starpproduktu savienojumu, kurā ķīmiskās saites ir novājinātas. Tas atvieglo reakciju ar otro reaģentu. Ir svarīgi atzīmēt, ka katalizatori paātrina atgriezeniskas reakcijas gan uz priekšu, gan atpakaļ. Tāpēc tie neizmaina ķīmisko līdzsvaru.

Katalīzes veidi

Pamatojoties uz to ietekmi uz reakcijas ātrumu, daudzi katalīzes avoti ir sadalīti pozitīvajos (reakcijas ātrums palielinās) un negatīvajos (reakcijas ātrums samazinās). Pēdējā gadījumā notiek inhibīcijas process, ko nevar uzskatīt par “negatīvu katalīzi”, jo inhibitors tiek patērēts reakcijas laikā.

Notiek katalīze viendabīgs Un neviendabīgs(kontaktēties). Homogēnā katalīzē katalizators atrodas tajā pašā fāzē kā reakcijas reaģenti, savukārt heterogēnie katalizatori atšķiras pēc fāzes.

Homogēnā katalīze

Viendabīgas katalīzes piemērs ir ūdeņraža peroksīda sadalīšanās joda jonu klātbūtnē. Reakcija notiek divos posmos:

H 2 O 2 + I → H 2 O + IO H 2 O 2 + IO → H 2 O + O 2 + I

Homogēnā katalīzē katalizatora darbība ir saistīta ar to, ka tas mijiedarbojas ar reaģējošām vielām, veidojot starpproduktu savienojumus, kas noved pie aktivācijas enerģijas samazināšanās.

Heterogēnā katalīze

Heterogēnajā katalīzē procesa paātrinājums parasti notiek uz cieta ķermeņa — katalizatora — virsmas, tāpēc katalizatora aktivitāte ir atkarīga no tā virsmas izmēra un īpašībām. Praksē katalizators parasti tiek atbalstīts uz cieta poraina nesēja.

Neviendabīgās katalīzes mehānisms ir sarežģītāks nekā homogēnās katalīzes mehānisms. Neviendabīgās katalīzes mehānisms ietver piecus posmus, no kuriem visi ir atgriezeniski.

1. Reaģentu difūzija uz cietas vielas virsmu
2. Reaģējošo molekulu cietas vielas fiziskā adsorbcija uz virsmas aktīvajiem centriem un pēc tam to ķīmiskā sorbcija
3. Ķīmiskā reakcija starp reaģējošām molekulām
4. Produktu desorbcija no katalizatora virsmas
5. Produkta difūzija no katalizatora virsmas vispārējā plūsmā

Neviendabīgas katalīzes piemērs ir SO 2 oksidēšana par SO 3 uz V 2 O 5 katalizatora sērskābes ražošanā (kontakta metode).

Reakcijas norisi uz katalizatora virsmas var demonstrēt ar eksperimentu, kurā platīna plāksne tiek uzkarsēta gāzes degļa liesmā, pēc tam liesma tiek nodzēsta un uz plāksni tiek izvadīta gāzes plūsma no degļa, un plāksne atkal kļūst sarkanīgi karsta - uz metāla virsmas notiek metāna oksidēšanās.

Katalizatora nesējs

katalizatora nesējs, citādi substrāts (katalizators) (angļu valodā pārvadātājs vai balsts) - inerts vai mazaktīvs materiāls, kas kalpo, lai stabilizētu aktīvās katalītiskās fāzes daļiņas uz tā virsmas.

Atbalsta loma heterogēnajā katalīzē ir novērst aktīvā komponenta aglomerāciju vai saķepināšanu, kas ļauj uzturēt augstu kontakta laukumu starp aktīvo vielu (sk. aktīvo katalītisko fāzi) un reaģentiem. Nesējvielas daudzums parasti ir daudz lielāks par tam uzklāto aktīvās sastāvdaļas daudzumu. Galvenās prasības nesējiem ir liels virsmas laukums un porainība, termiskā stabilitāte, ķīmiskā inerce un augsta mehāniskā izturība. Dažos gadījumos nesējs ietekmē aktīvās fāzes īpašības (“spēcīga metāla un nesēja mijiedarbības” efekts). Kā nesēji tiek izmantoti gan dabiskie (māli, pumeks, diatomīts, azbests u.c.), gan sintētiskie materiāli (aktīvās ogles, silikagels, aluminosilikāti, alumīnija oksīdi, magnijs, cirkonijs u.c.).

Katalīzes ķīmija

Katalīzes ķīmija pēta vielas, kas maina ķīmisko reakciju ātrumu. Vielas, kas palēnina reakcijas, sauc inhibitori. Fermenti- Tie ir bioloģiskie katalizatori. Katalizators nav stehiometriskā attiecībā ar produktiem un tiek reģenerēts pēc katra reaģentu pārvēršanas produktos cikla. Neskatoties uz jaunu molekulu aktivizēšanas metožu parādīšanos (plazmas ķīmija, starojuma un lāzera efekti un citi), katalīze ir ķīmiskās ražošanas pamats (katalītisko procesu relatīvā daļa ir 80-90%).

Reakcija, kas baroja cilvēci (fiksētā slāpekļa problēmas risinājums), ir Hābera-Boša cikls. Amonjaks tiek ražots ar katalizatoru - porainu dzelzi. Rodas pie P = 30 MPa un T = 420-500 °C

3H2 + N2 = 2NH3

Ūdeņradi NH 3 sintēzei iegūst ar diviem secīgiem katalītiskajiem procesiem: pārvēršot CH 4 (CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2) uz Ni − katalizatoriem un pārvēršot iegūto oglekļa monoksīdu (CO + H 2 ). O → CO 2 + H 2) . Lai sasniegtu augstu konversijas pakāpi, pēdējo reakciju veic divos posmos: augstā temperatūrā (315-480 °C) - uz Fe - Cr - oksīda katalizatoriem un zemā temperatūrā (200-350 ° C) - uz Cu - Zn - oksīda katalizatori. Amonjaku izmanto slāpekļskābes un citu slāpekļa savienojumu ražošanai – no zālēm un mēslošanas līdzekļiem līdz sprāgstvielām.

Ir dažādi katalīzes veidi viendabīgs, neviendabīgs, saskarnes, micelārs, fermentatīvs.

Aktivizācijas enerģija E Ja nav katalizatora, notiek ievērojami mazāk katalītisko reakciju nekā tai pašai reakcijai. Piemēram, NH 3 nekatalītiskajai sadalīšanai N 2 + H 2 E~ 320 kJ/mol, tādai pašai sadalīšanai platīna klātbūtnē E~ 150 kJ/mol. Pateicoties samazinājumam E tiek nodrošināts katalītisko reakciju paātrinājums salīdzinājumā ar nekatalītiskām.

Katalīzes pielietojums rūpniecībā

Hidrogenēšana

Liels skaits katalītisko reakciju ir saistītas ar ūdeņraža atoma un dažu citu molekulu aktivāciju, kas izraisa to ķīmisko mijiedarbību. Šo procesu sauc par hidrogenēšanu, un tas ir daudzu naftas rafinēšanas un šķidrā kurināmā ražošanas no akmeņogļu posmiem pamatā (Bergia process). Aviācijas benzīna un motordegvielas ražošana no oglēm tika attīstīta Vācijā Otrā pasaules kara laikā, jo valstī nebija naftas atradņu. Bergiusa process ietver tiešu ūdeņraža pievienošanu akmeņoglēm. Ogles karsē zem spiediena ūdeņraža klātbūtnē, lai iegūtu šķidru produktu, ko pēc tam pārstrādā aviācijas benzīnā un motordegvielā. Kā katalizators tiek izmantots dzelzs oksīds, kā arī katalizatori uz alvas un molibdēna bāzes. Kara laikā Vācijā 12 rūpnīcas, izmantojot Berģiusa procesu, saražoja aptuveni 1400 tonnas šķidrās degvielas dienā. Cits process, Fišera-Tropša, sastāv no diviem posmiem. Pirmkārt, ogles tiek gazificētas, tas ir, tās reaģē ar ūdens tvaiku un skābekli, veidojot ūdeņraža un oglekļa oksīdu maisījumu. Šo maisījumu pārvērš šķidrā degvielā, izmantojot dzelzi vai kobaltu saturošus katalizatorus. Līdz ar kara beigām Vācijā tika pārtraukta sintētiskās degvielas ražošana no oglēm. Naftas cenu kāpuma rezultātā, kas sekoja naftas embargo 1973.–1974. gadā, tika pieliktas lielas pūles, lai izstrādātu rentablu metodi benzīna ražošanai no oglēm. Tādējādi ogļu tiešo sašķidrināšanu var veikt efektīvāk, izmantojot divpakāpju procesu, kurā ogles vispirms saskaras ar alumīnija-kobalta-molibdēna katalizatoru salīdzinoši zemā un pēc tam augstākā temperatūrā. Šāda sintētiskā benzīna izmaksas ir augstākas nekā no naftas iegūtā.

Skābes katalīze

Lielas klases katalizatoru katalītisko aktivitāti nosaka to skābās īpašības. Pēc J. Brønsted un T. Lowry domām, skābe ir savienojums, kas spēj ziedot protonu. Spēcīgas skābes viegli nodod savus protonus bāzēm. Skābuma jēdziens tika tālāk attīstīts G. Lūisa darbos, kurš definēja skābi kā vielu, kas spēj pieņemt elektronu pāri no donorvielas, veidojot kovalento saiti šī elektronu pāra koplietošanas dēļ. Šīs idejas kopā ar idejām par reakcijām, kas rada karbēnija jonus, palīdzēja izprast dažādu katalītisko reakciju mehānismu, īpaši to, kas saistītas ar ogļūdeņražiem.

Skābes stiprumu var noteikt, izmantojot bāzu komplektu, kas maina krāsu, pievienojot protonu. Izrādās, ka daži rūpnieciski svarīgi katalizatori uzvedas kā ļoti spēcīgas skābes. Tie ietver Friedel-Crafts procesa katalizatoru, piemēram, HCl-AlCl 2 O 3 (vai HAlCl 4) un alumīnija silikātus. Skābes stiprums ir ļoti svarīgs raksturlielums, jo tas nosaka protonēšanas ātrumu, kas ir galvenais solis skābes katalīzes procesā.

Katalizatoru, piemēram, aluminosilikātu, ko izmanto eļļas krekinga procesā, aktivitāti nosaka Brønsted un Lewis skābes uz to virsmas. To struktūra ir līdzīga silīcija dioksīda (silīcija dioksīda) struktūrai, kurā daži no Si 4+ atomiem ir aizstāti ar Al 3+ atomiem. Pārmērīgo negatīvo lādiņu, kas rodas šajā gadījumā, var neitralizēt ar atbilstošiem katjoniem.

Skābju katalizatoru aktivitāti nosaka to spēja reaģēt ar ogļūdeņražiem, veidojot karbēnija jonu kā starpproduktu. Alkilkarbēnija joni satur pozitīvi lādētu oglekļa atomu, kas saistīts ar trim alkilgrupām un/vai ūdeņraža atomiem. Tiem ir svarīga loma kā starpproduktiem, kas veidojas daudzās reakcijās, kurās iesaistīti organiskie savienojumi. Skābju katalizatoru darbības mehānismu var ilustrēt, izmantojot izomerizācijas reakcijas piemēru n-butāns par izobutānu HCl-AlCl 3 vai Pt-Cl-Al 2 O 3 klātbūtnē. Pirmkārt, neliels daudzums olefīna C4H8 pievienojas skābes katalizatora pozitīvi lādētajam ūdeņraža jonam, veidojot terciāro karbēnija jonu. Tad negatīvi lādētais hidrīdjons H - tiek atdalīts no n-butāns, veidojot izobutānu un sekundāro butilkarbēnija jonu. Pēdējais pārkārtošanās rezultātā pārvēršas par terciāro karbēnija jonu. Šī ķēde var turpināties ar hidrīda jonu izvadīšanu no nākamās molekulas n-butāns utt.

Zīmīgi, ka terciārie karbēnija joni ir stabilāki nekā primārie vai sekundārie. Rezultātā tie galvenokārt atrodas uz katalizatora virsmas, un tāpēc galvenais butāna izomerizācijas produkts ir izobutāns.

Skābes katalizatori tiek plaši izmantoti naftas pārstrādē – krekinga, alkilēšanas, polimerizācijas un ogļūdeņražu izomerizācijas procesā. Ir noskaidrots karbēnija jonu darbības mehānisms, kas šajos procesos spēlē katalizatoru lomu. Tajā pašā laikā tie piedalās vairākās reakcijās, tostarp mazu molekulu veidošanā, šķeļot lielas, molekulu kombinācijā (olefīns ar olefīnu vai olefīnu ar izoparafīnu), struktūras pārkārtošanā izomerizācijas ceļā un parafīnu veidošanā un aromātiskie ogļūdeņraži ar ūdeņraža pārnesi.

Viens no jaunākajiem skābes katalīzes pielietojumiem rūpniecībā ir svinu saturošas degvielas ražošana, pievienojot spirtus izobutilēnam vai izoamilēnam. Skābekli saturošu savienojumu pievienošana benzīnam samazina oglekļa monoksīda koncentrāciju izplūdes gāzēs. metil- berzē-butilēteris (MTBE) ar oktānskaitli 109 arī ļauj iegūt degvielu ar augstu oktānskaitli, kas nepieciešama automašīnas dzinēja darbībai ar augstu kompresijas pakāpi, neievadot benzīnā tetraetilsvinu. Organizēta arī degvielu ar oktānskaitli 102 un 111 ražošana.

Augu eļļas hidrogenēšana

Viena no praktiskākajām hidrogenēšanas reakcijām ir nepilnīga augu eļļu hidrogenēšana par margarīnu, cepamo eļļu un citiem pārtikas produktiem. Augu eļļas iegūst no sojas pupiņām, kokvilnas sēklām un citām kultūrām. Tie satur esterus, proti, taukskābju triglicerīdus ar dažādu nepiesātinājuma pakāpi. Oleīnskābei CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH ir viena C=C dubultsaite, linolskābei ir divas un linolēnskābei trīs. Ūdeņraža pievienošana, lai pārrautu šo saiti, novērš eļļu oksidēšanos (sasmakumu). Tas palielina to kušanas temperatūru. Lielākajai daļai iegūto produktu cietība ir atkarīga no hidrogenēšanas pakāpes. Hidrogenēšanu veic smalka niķeļa pulvera klātbūtnē, kas nogulsnēts uz substrāta, vai Raney niķeļa katalizatoram ļoti attīrīta ūdeņraža atmosfērā.

Dehidrogenēšana

Dehidrogenēšana ir arī rūpnieciski svarīga katalītiskā reakcija, lai gan tās pielietojuma mērogs ir nesalīdzināmi mazāks. Ar tā palīdzību tiek iegūts, piemēram, stirols, svarīgs monomērs. Lai to izdarītu, etilbenzolu dehidrogenē katalizatora klātbūtnē, kas satur dzelzs oksīdu; Reakciju veicina arī kālijs un kaut kāds struktūras stabilizators. Propāna, butāna un citu alkānu dehidrogenēšana tiek veikta rūpnieciskā mērogā. Butāna dehidrogenēšana hroma-alumīnija oksīda katalizatora klātbūtnē rada butēnus un butadiēnu.

Amonjaks

Viens no vienkāršākajiem hidrogenēšanas procesiem no ķīmiskā viedokļa ir amonjaka sintēze no ūdeņraža un slāpekļa. Slāpeklis ir ļoti inerta viela. Lai pārrautu N-N saiti savā molekulā, ir nepieciešama aptuveni 200 kcal/mol enerģija. Taču slāpeklis saistās ar dzelzs katalizatora virsmu atomu stāvoklī, un tam ir nepieciešami tikai 20 kcal/mol. Ūdeņradis vēl vieglāk saistās ar dzelzi.

Pamatkatalīze

Katalizatoru aktivitāti nosaka to pamatīpašības. Ilgstošs un labi zināms šādu katalizatoru piemērs ir nātrija hidroksīds, ko izmanto tauku hidrolizēšanai vai pārziepjošanai ziepju pagatavošanai, un viens nesens piemērs ir katalizatori, ko izmanto poliuretāna plastmasas un putu ražošanā. Uretāns veidojas, spirtam reaģējot ar izocianātu, un šī reakcija tiek paātrināta bāzisku amīnu klātbūtnē. Reakcijas laikā izocianāta molekulā pie oglekļa atoma pievienojas bāze, kā rezultātā uz slāpekļa atoma parādās negatīvs lādiņš un palielinās tā aktivitāte pret spirtu. Trietilēndiamīns ir īpaši efektīvs katalizators. Poliuretāna plastmasu ražo, diizocianātiem reaģējot ar polioliem (polispirtiem). Izocianātam reaģējot ar ūdeni, iepriekš izveidotais uretāns sadalās, izdalot CO2. Kad polispirtu un ūdens maisījums mijiedarbojas ar diizocianātiem, iegūtās poliuretāna putas puto ar CO 2 gāzi.

Divkāršas darbības katalizatori

Šie katalizatori paātrina divu veidu reakcijas un dod labākus rezultātus nekā reaģentu sērijveida izvadīšana caur diviem reaktoriem, no kuriem katrs satur tikai viena veida katalizatoru. Tas ir saistīts ar faktu, ka divkāršās darbības katalizatora aktīvās vietas atrodas ļoti tuvu viena otrai, un starpprodukts, kas veidojas vienā no tiem, nekavējoties tiek pārvērsts galaproduktā otrā. Labs rezultāts tiek iegūts, apvienojot katalizatoru, kas aktivizē ūdeņradi, ar katalizatoru, kas veicina ogļūdeņražu izomerizāciju. Ūdeņraža aktivāciju veic daži metāli, un ogļūdeņražu izomerizāciju veic skābes. Efektīvs divkāršas darbības katalizators, ko izmanto naftas rafinēšanā, lai pārvērstu ligroīnu benzīnā, ir smalki sadalīts platīns, kas atbalstīts uz skāba alumīnija oksīda. Ligroīna sastāvdaļas, piemēram, metilciklopentāns, metilciklopentāns (MCP) pārvēršot benzolā, palielina benzīna oktānskaitli. Pirmkārt, MCP tiek dehidrogenēts uz katalizatora platīna daļas olefīnā ar tādu pašu oglekļa karkasu; tad olefīns pāriet uz katalizatora skābo daļu, kur tas izomerizējas par cikloheksēnu. Pēdējais pāriet uz platīna daļu un tiek dehidrogenēts līdz benzolam un ūdeņradim. Divkāršās darbības katalizatori ievērojami paātrina eļļas reformēšanu. Tos izmanto, lai izomerizētu parastos parafīnus izoparafīnās. Pēdējie, kas vārās tādā pašā temperatūrā kā benzīna frakcijas, ir vērtīgi, jo tiem ir augstāks oktānskaitlis salīdzinājumā ar parastajiem ogļūdeņražiem. Turklāt n-butāna pārvēršanu izobutānā pavada dehidrogenēšana, atvieglojot MTBE ražošanu.

Stereospecifiskā polimerizācija

Svarīgs pavērsiens katalīzes vēsturē bija olefīnu katalītiskās polimerizācijas atklāšana, veidojot stereoregulārus polimērus. Stereospecifiskos polimerizācijas katalizatorus atklāja K. Cīglers, mēģinot izskaidrot iegūto polimēru neparastās īpašības. Cits ķīmiķis J. Natta ierosināja, ka Cīgelera polimēru unikalitāti nosaka to stereoregularitāte. Rentgenstaru difrakcijas eksperimenti ir parādījuši, ka polimēri, kas izgatavoti no propilēna Cīglera katalizatoru klātbūtnē, ir ļoti kristāliski un tiem patiešām ir stereoregulāra struktūra. Lai aprakstītu šādas sakārtotas struktūras, Natta ieviesa terminus “izotaktiskais” un “sindiotaktiskais”. Gadījumā, ja nav kārtības, tiek lietots termins “taktika”.

Stereospecifiska reakcija notiek uz cieto katalizatoru virsmas, kas satur IVA-VIII grupas pārejas metālus (piemēram, Ti, V, Cr, Zr), kas ir daļēji oksidētā stāvoklī, un uz jebkura savienojuma, kas satur oglekli vai ūdeņradi, kas ir saistīts ar metāls no I-III grupas. Klasisks šāda katalizatora piemērs ir nogulsnes, kas veidojas, mijiedarbojoties TiCl 4 un Al(C 2 H 5) 3 heptānā, kur titāns tiek reducēts līdz trīsvērtīgajam stāvoklim. Šī īpaši aktīvā sistēma katalizē propilēna polimerizāciju normālā temperatūrā un spiedienā.

Katalītiskā oksidēšana

Katalizatoru izmantošanai oksidācijas procesu ķīmijas kontrolei ir liela zinātniska un praktiska nozīme. Dažos gadījumos oksidēšanai ir jābūt pilnīgai, piemēram, neitralizējot CO un ogļūdeņražu piesārņotājus automašīnu izplūdes gāzēs. Tomēr biežāk ir nepieciešams, lai oksidēšana būtu nepilnīga, piemēram, daudzos plaši izmantotos rūpnieciskos procesos ogļūdeņražu pārvēršanai vērtīgos starpproduktos, kas satur tādas funkcionālās grupas kā -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. Šajā gadījumā tiek izmantoti gan homogēni, gan neviendabīgi katalizatori. Viendabīga katalizatora piemērs ir pārejas metālu komplekss, ko izmanto paraksilola oksidēšanai par tereftalskābi, kuras esteri veido pamatu poliestera šķiedru ražošanai.

Etilēna ražošana ar metāna dehidrodimerizāciju

Etilēna sintēze, izmantojot dehidrodimerizāciju, pārvērš dabasgāzi vieglāk transportējamos ogļūdeņražos. Reakcija 2CH 4 + 2O 2 → C 2 H4 + 2H 2 O tiek veikta 850 °C temperatūrā, izmantojot dažādus katalizatorus; vislabākie rezultāti tika iegūti ar Li-MgO katalizatoru. Iespējams, ka reakcija norisinās, veidojot metilradikāli, abstrahējot ūdeņraža atomu no metāna molekulas. Elimināciju veic ar nepilnīgi reducētu skābekli, piemēram, O2−
2. Metila radikāļi gāzes fāzē rekombinējas, veidojot etāna molekulu, un turpmākās dehidrogenēšanas laikā tiek pārveidoti par etilēnu. Vēl viens nepilnīgas oksidācijas piemērs ir metanola pārvēršana formaldehīdā sudraba vai dzelzs-molibdēna katalizatora klātbūtnē.

Katalizatori heterogēnai oksidēšanai

Šie katalizatori parasti ir sarežģīti cietie oksīdi. Katalītiskā oksidēšana notiek divos posmos. Pirmkārt, skābekli oksīdā uztver ogļūdeņraža molekula, kas adsorbēta uz oksīda virsmas. Šajā gadījumā ogļūdeņradis tiek oksidēts un oksīds tiek reducēts. Reducētais oksīds reaģē ar skābekli un atgriežas sākotnējā stāvoklī. Izmantojot vanādija katalizatoru, ftalskābes anhidrīdu iegūst, nepilnīgi oksidējot naftalīnu vai butānu.

Ķīmisko reakciju ātrums var strauji palielināties dažādu vielu klātbūtnē, kas nav reaģenti un neietilpst reakcijas produktos. Šo ievērojamo parādību sauc katalīze(no grieķu “katalysis” - iznīcināšana). Vielu, kuras klātbūtne maisījumā palielina reakcijas ātrumu, sauc katalizators. Tā daudzums pirms un pēc reakcijas paliek nemainīgs. Katalizatori nepārstāv nekādu īpašu vielu klasi. Dažādās reakcijās metāliem, oksīdiem, skābēm, sāļiem un kompleksiem savienojumiem var būt katalītiska iedarbība. Ķīmiskās reakcijas dzīvās šūnās notiek katalītisko proteīnu kontrolē, ko sauc fermenti. Katalīzi vajadzētu uzskatīt par patiesi ķīmisku faktoru ķīmisko reakciju ātruma palielināšanai, jo katalizators ir tieši iesaistīts reakcijā. Katalīze bieži ir spēcīgāks un mazāk riskants līdzeklis reakcijas paātrināšanai nekā temperatūras paaugstināšana. To skaidri parāda dzīvu organismu ķīmisko reakciju piemērs. Reakcijas, piemēram, olbaltumvielu hidrolīze, kas laboratorijās jāveic ar ilgstošu karsēšanu līdz vārīšanās temperatūrai, notiek gremošanas procesā, nesildot ķermeņa temperatūrā.

Katalīzes fenomenu pirmo reizi novēroja franču ķīmiķis L. J. Tenards (1777-1857) 1818. gadā. Viņš atklāja, ka dažu metālu oksīdi, kas pievienoti ūdeņraža peroksīda šķīdumam, izraisa tā sadalīšanos. Šo eksperimentu var viegli atkārtot, pievienojot kālija permanganāta kristālus 3% ūdeņraža peroksīda šķīdumam. Sāls KMn0 4 pārvēršas par Mn0 2, un oksīda iedarbībā no šķīduma ātri izdalās skābeklis:

Katalizatora tiešā ietekme uz reakcijas ātrumu ir saistīta ar aktivācijas enerģijas samazināšanos. Vai normālā temperatūrā ir pazemināšanās? un par 20 kJ/mol palielina ātruma konstanti aptuveni 3000 reizes. Pazemināšana E L var būt daudz spēcīgāks. Tomēr aktivācijas enerģijas samazināšanās ir katalizatora darbības ārēja izpausme. Reakciju raksturo noteikta vērtība E. v kas var mainīties tikai tad, ja mainās pati reakcija. Dodot vienus un tos pašus produktus, reakcija ar pievienotās vielas piedalīšanos notiek pa citu ceļu, cauri citiem posmiem un ar atšķirīgu aktivācijas enerģiju. Ja šajā jaunajā ceļā aktivācijas enerģija ir mazāka un reakcija attiecīgi ātrāka, tad mēs sakām, ka šī viela ir katalizators.

Katalizators mijiedarbojas ar vienu no reaģentiem, veidojot kādu starpproduktu savienojumu. Vienā no turpmākajām reakcijas stadijām katalizators tiek reģenerēts - tas atstāj reakciju sākotnējā formā. Reaģenti, kas piedalās katalītiskajā reakcijā, turpina lēni mijiedarboties viens ar otru bez katalizatora līdzdalības. Tāpēc katalītiskās reakcijas pieder pie kompleksu reakciju veida, ko sauc par sērijveida paralēlām reakcijām. Attēlā 11.8. attēlā parādīta ātruma konstantes atkarība no katalizatora koncentrācijas. Atkarības grafiks neiziet cauri nullei, jo, ja nav katalizatora, reakcija neapstājas.

Rīsi. 11.8.

novērota nemainīga k izteikts ar summu k u+ & k c(K)

Piemērs 11.5. -500 °C temperatūrā sēra oksīda (1U) oksidācijas reakcija

kas ir viens no sērskābes rūpnieciskās ražošanas posmiem, notiek ļoti lēni. Tālāka temperatūras paaugstināšanās nav pieļaujama, jo līdzsvars nobīdās pa kreisi (reakcija ir eksotermiska) un produkta iznākums pārāk samazinās. Taču šo reakciju paātrina dažādi katalizatori, no kuriem viens var būt slāpekļa oksīds (N). Vispirms katalizators reaģē ar skābekli:

un pēc tam pārnes skābekļa atomu uz sēra oksīdu (1U):

Tas veido galaproduktu un reģenerē katalizatoru. Reakcijai tagad ir iespēja plūst pa jaunu ceļu, kurā ātruma konstantes ir ievērojami palielinājušās:

Zemāk redzamā diagramma parāda abus S0 2 oksidācijas procesa ceļus. Ja nav katalizatora, reakcija notiek tikai pa lēnu ceļu un katalizatora klātbūtnē caur abiem.

Ir divu veidu katalīze - viendabīgs Un neviendabīgs. Pirmajā gadījumā katalizators un reaģenti veido viendabīgu sistēmu gāzu maisījuma vai šķīduma veidā. Sēra oksīda oksidācijas piemērs ir viendabīgā katalīze. Homogēnās katalītiskās reakcijas ātrums ir atkarīgs gan no reaģentu koncentrācijas, gan no katalizatora koncentrācijas.

Neviendabīgā katalīzē katalizators ir cieta viela tīrā veidā vai uz nesēja pārvadātājs. Piemēram, platīnu kā katalizatoru var nostiprināt uz azbesta, alumīnija oksīda utt. Reaģentu molekulas tiek adsorbētas (absorbētas) no gāzes vai šķīduma īpašos punktos uz katalizatora virsmas - aktīvajiem centriem un tiek aktivizētas vienlaikus. Pēc ķīmiskās transformācijas iegūtās produkta molekulas tiek desorbētas no katalizatora virsmas. Daļiņu transformācijas akti tiek atkārtoti aktīvajos centros. Starp citiem faktoriem neviendabīgas katalītiskās reakcijas ātrums ir atkarīgs no katalītiskā materiāla virsmas laukuma.

Heterogēnā katalīze īpaši plaši tiek izmantota rūpniecībā. Tas izskaidrojams ar nepārtraukta katalītiskā procesa vienkāršību, kad reaģentu maisījums iziet cauri kontaktaparatūrai ar katalizatoru.

Katalizatori darbojas selektīvi, paātrinot ļoti specifisku reakciju vai pat atsevišķu reakciju un neietekmējot citus. Tas ļauj izmantot katalizatorus ne tikai reakcijas paātrināšanai, bet arī mērķtiecīgai izejvielu pārvēršanai vēlamajos produktos. Metāns un ūdens 450 °C temperatūrā uz Fe 2 0 3 katalizatora tiek pārveidoti par oglekļa dioksīdu un ūdeņradi:

Tās pašas vielas 850 °C temperatūrā reaģē uz niķeļa virsmu, veidojot oglekļa monoksīdu (II) un ūdeņradi:

Katalīze ir viena no tām ķīmijas jomām, kurā vēl nav iespējams veikt precīzas teorētiskas prognozes. Visi rūpnieciskie katalizatori naftas produktu pārstrādei, dabasgāzei, amonjaka ražošanai un daudziem citiem ir izstrādāti, pamatojoties uz darbietilpīgiem un laikietilpīgiem eksperimentāliem pētījumiem.

Spēja kontrolēt ķīmisko procesu ātrumu ir nenovērtējama cilvēka saimnieciskajā darbībā. Rūpnieciski ražojot ķīmiskos produktus, parasti ir jāpalielina tehnoloģisko ķīmisko procesu ātrums, un, uzglabājot produktus, jāsamazina sadalīšanās ātrums vai skābekļa, ūdens u.c. Ir zināmas vielas, kas var palēnināt ķīmiskās reakcijas. Viņus sauc inhibitori, vai negatīvie katalizatori. Inhibitori būtiski atšķiras no īstiem katalizatoriem ar to, ka tie reaģē ar aktīvām sugām (brīvajiem radikāļiem), kas viena vai otra iemesla dēļ rodas vielā vai tās vidē un izraisa vērtīgas sadalīšanās un oksidēšanās reakcijas. Inhibitori tiek pakāpeniski patērēti, pārtraucot to aizsargājošo iedarbību. Vissvarīgākais inhibitoru veids ir antioksidanti, kas aizsargā dažādus materiālus no skābekļa iedarbības.

Ir arī vērts atgādināt, ko nevar panākt ar katalizatoru palīdzību. Viņi spēj paātrināt tikai spontānas reakcijas. Ja reakcija nenotiek spontāni, katalizators to nevarēs paātrināt. Piemēram, neviens katalizators nevar izraisīt ūdens sadalīšanos ūdeņradī un skābeklī. Šo procesu var veikt tikai ar elektrolīzi, kam nepieciešams elektrisks darbs.

Katalizatori var arī aktivizēt nevēlamus procesus. Pēdējās desmitgadēs ir notikusi pakāpeniska atmosfēras ozona slāņa iznīcināšana 20-25 km augstumā. Tiek pieņemts, ka ozona sadalīšanā ir iesaistītas noteiktas vielas, piemēram, halogenētie ogļūdeņraži, ko atmosfērā izdala rūpniecības uzņēmumi un tiek izmantoti sadzīves vajadzībām.

Ķīmija ir zinātne par vielām un to pārvērtībām, kā arī to ražošanas metodēm. Pat parastajā skolas programmā tiek risināts tik svarīgs jautājums kā reakciju veidi. Klasifikācija, ar kuru skolēni tiek iepazīstināti pamatlīmenī, ņem vērā oksidācijas pakāpes izmaiņas, rašanās fāzi, procesa mehānismu utt. Turklāt visus ķīmiskos procesus iedala nekatalītiskās un katalītiskās reakcijās. . Pārveidojumu piemēri, kas notiek ar katalizatora piedalīšanos, ir sastopami ikdienas dzīvē: fermentācija, puve. Ar nekatalītiskām transformācijām sastopamies daudz retāk.

Kas ir katalizators

Šī ir ķīmiska viela, kas var mainīt mijiedarbības ātrumu, bet pati tajā nepiedalās. Gadījumā, ja process tiek paātrināts ar katalizatora palīdzību, mēs runājam par pozitīvu katalīzi. Ja procesam pievienotā viela to samazina, to sauc par inhibitoru.

Katalīzes veidi

Homogēnā un heterogēnā katalīze atšķiras fāzē, kurā atrodas izejvielas. Ja sākotnējie komponenti, kas ņemti mijiedarbībai, tostarp katalizators, ir tādā pašā agregācijas stāvoklī, notiek viendabīga katalīze. Gadījumā, ja reakcijā piedalās dažādu fāžu vielas, notiek neviendabīga katalīze.

Darbības selektivitāte

Katalīze nav tikai līdzeklis iekārtu produktivitātes paaugstināšanai, tai ir pozitīva ietekme uz iegūto produktu kvalitāti. Šo parādību var izskaidrot ar to, ka lielākās daļas katalizatoru selektīvās darbības dēļ tiek paātrināta tiešā reakcija un samazināti blakus procesi. Galu galā iegūtie produkti ir tīrāki, nav nepieciešams turpināt vielu attīrīšanu. Katalizatora selektivitāte nodrošina reālu izejvielu izmaksu, kas nav saistītas ar ražošanu, samazinājumu un labus ekonomiskos ieguvumus.

Katalizatora izmantošanas priekšrocības ražošanā

Kas vēl raksturo katalītiskās reakcijas? Piemēri no tipiskas vidusskolas klases parāda, ka katalizatora izmantošana ļauj procesu veikt zemākā temperatūrā. Eksperimenti apstiprina, ka ar tā palīdzību jūs varat rēķināties ar ievērojamu enerģijas izmaksu samazinājumu. Īpaši svarīgi tas ir mūsdienu apstākļos, kad pasaulē trūkst energoresursu.

Katalītiskās ražošanas piemēri

Kurās nozarēs tiek izmantotas katalītiskās reakcijas? Šādu nozaru piemēri: slāpekļskābes un sērskābes, ūdeņraža, amonjaka, polimēru ražošana Katalīzi plaši izmanto organisko skābju, vienvērtīgo un fenola, sintētisko sveķu, krāsvielu un medikamentu ražošanā.

Kas ir katalizators

Daudzas vielas, kas atrodamas Dmitrija Ivanoviča Mendeļejeva periodiskajā ķīmisko elementu sistēmā, kā arī to savienojumi var darboties kā katalizatori. Starp visizplatītākajiem paātrinātājiem ir: niķelis, dzelzs, platīns, kobalts, aluminosilikāti, mangāna oksīdi.

Katalizatoru īpašības

Papildus selektīvajai darbībai katalizatoriem ir lieliska mehāniskā izturība, tie spēj izturēt katalītiskās indes un ir viegli reģenerējami (atjaunojami).

Pamatojoties uz fāzes stāvokli, katalītiskos katalizatorus iedala gāzes fāzē un šķidrā fāzē.

Apskatīsim sīkāk šāda veida reakcijas. Šķīdumos ķīmiskās transformācijas paātrinātāji ir ūdeņraža katjoni H+, bāzes OH- hidroksīda joni, metālu katjoni M+ un vielas, kas veicina brīvo radikāļu veidošanos.

Katalīzes būtība

Katalīzes mehānisms skābju un bāzu mijiedarbībā ir tāds, ka starp mijiedarbībā esošajām vielām un katalizatoru notiek pozitīvu jonu (protonu) apmaiņa. Šajā gadījumā notiek intramolekulāras transformācijas. Šāda veida reakcijas ir:

• dehidratācija (ūdens atdalīšanās);
• hidratācija (ūdens molekulu piesaiste);
• esterifikācija (esteru veidošanās no spirtiem un karbonskābēm);
• polikondensācija (polimēra veidošanās ar ūdens izvadīšanu).

Katalīzes teorija izskaidro ne tikai pašu procesu, bet arī iespējamās sānu pārvērtības. Neviendabīgas katalīzes gadījumā procesa paātrinātājs veido neatkarīgu fāzi, dažiem centriem uz reaģējošo vielu virsmas ir katalītiskas īpašības vai arī tiek iesaistīta visa virsma.

Ir arī mikroheterogēns process, kas ietver katalizatora klātbūtni koloidālā stāvoklī. Šī opcija ir pārejas stāvoklis no homogēna uz neviendabīgu katalīzes veidu. Lielākā daļa šo procesu notiek starp gāzveida vielām, izmantojot cietos katalizatorus. Tie var būt granulu, tablešu, graudu veidā.

Katalīzes izplatība dabā

Fermentu katalīze dabā ir diezgan izplatīta. Tieši ar biokatalizatoru palīdzību notiek olbaltumvielu molekulu sintēze un vielmaiņa dzīvos organismos. Neviens bioloģisks process, kurā iesaistīti dzīvi organismi, apiet katalītiskās reakcijas. Dzīvības procesu piemēri: organismam raksturīgu proteīnu sintēze no aminoskābēm; tauku, olbaltumvielu, ogļhidrātu sadalīšana.

Katalīzes algoritms

Apskatīsim katalīzes mehānismu. Šis process, kas notiek uz porainiem cietiem ķīmiskās mijiedarbības paātrinātājiem, ietver vairākus elementārus posmus:

• mijiedarbojošo vielu difūzija uz katalizatora graudu virsmu no plūsmas serdes;
• reaģentu difūzija katalizatora porās;
• ķīmijas sorbcija (aktivēta adsorbcija) uz ķīmiskās reakcijas paātrinātāja virsmas ar ķīmisko virsmas vielu parādīšanos - aktivētu katalizatora-reaģentu kompleksu;
• atomu pārkārtošanās ar virsmas "katalizatora-produkta" kombināciju parādīšanos;
• difūzija produkta reakcijas paātrinātāja porās;
• produkta difūzija no reakcijas paātrinātāja graudu virsmas plūsmas kodolā.

Katalītiskās un nekatalītiskās reakcijas ir tik svarīgas, ka zinātnieki ir turpinājuši pētījumus šajā jomā daudzus gadus.

Ar viendabīgu katalīzi nav nepieciešams būvēt īpašas struktūras. Fermentatīvā katalīze neviendabīgā versijā ietver daudzveidīga un specifiska aprīkojuma izmantošanu. Tās plūsmai ir izstrādātas īpašas kontaktierīces, kas sadalītas pēc saskares virsmas (caurulēs, uz sienām, katalizatora režģiem); ar filtra slāni; piekārtais slānis; ar kustīgu putekļu katalizatoru.

Siltuma apmaiņa ierīcēs tiek realizēta dažādos veidos:

• izmantojot attālinātos (ārējos) siltummaiņus;
• izmantojot kontaktaparātā iebūvētus siltummaiņus.

Analizējot ķīmijas formulas, var atrast arī reakcijas, kurās katalizators ir viens no galaproduktiem, kas veidojas sākotnējo komponentu ķīmiskās mijiedarbības laikā.

Šādus procesus parasti sauc par autokatalītiskiem, bet pašu parādību ķīmijā sauc par autokatalīzi.

Daudzu mijiedarbību ātrums ir saistīts ar noteiktu vielu klātbūtni reakcijas maisījumā. To formulas ķīmijā visbiežāk tiek izlaistas un aizstātas ar vārdu “katalizators” vai tā saīsināto versiju. Tie nav iekļauti galīgajā stereoķīmiskajā vienādojumā, jo pēc reakcijas pabeigšanas tie kvantitatīvi nemainās. Dažos gadījumos pietiek ar nelielu vielu daudzumu, lai būtiski ietekmētu procesa ātrumu. Arī situācijas, kad reakcijas trauks darbojas kā ķīmiskās mijiedarbības paātrinātājs, ir diezgan pieņemamas.

Katalizatora ietekmes uz ķīmiskā procesa ātruma maiņu būtība ir tāda, ka šī viela ir iekļauta aktīvajā kompleksā un tādējādi maina ķīmisko mijiedarbību.

Kad šis komplekss sadalās, tiek novērota katalizatora reģenerācija. Lieta ir tāda, ka tas netiks patērēts un pēc mijiedarbības beigām paliks tādā pašā daudzumā. Šī iemesla dēļ pietiek ar nelielu aktīvās vielas daudzumu, lai veiktu reakciju ar substrātu (reaģējošo vielu). Patiesībā procesa laikā joprojām tiek patērēts neliels daudzums katalizatoru, jo ir iespējami dažādi blakus procesi: tā saindēšanās, tehnoloģiskie zudumi un cietā katalizatora virsmas stāvokļa izmaiņas. Ķīmiskās formulas neietver katalizatora ņemšanu vērā.

Secinājums

Reakcijas, kurās piedalās aktīvā viela (katalizators), ieskauj cilvēku, un tās notiek arī viņa ķermenī. Homogēnas reakcijas ir daudz retāk sastopamas nekā neviendabīgas mijiedarbības. Jebkurā gadījumā vispirms veidojas starpposma kompleksi, kas ir nestabili, pamazām tiek iznīcināti, un tiek novērota ķīmiskā procesa paātrinātāja reģenerācija (atjaunošanās). Piemēram, kad metafosforskābe reaģē ar kālija persulfātu, jodūdeņražskābe darbojas kā katalizators. Kad to pievieno reaģējošām vielām, veidojas dzeltens šķīdums. Procesam tuvojoties beigām, krāsa pakāpeniski pazūd. Šajā gadījumā jods darbojas kā starpprodukts, un process notiek divos posmos. Bet, tiklīdz tiek sintezēta metafosforskābe, katalizators atgriežas sākotnējā stāvoklī. Katalizatori ir neaizstājami rūpniecībā, tie palīdz paātrināt transformācijas un iegūt augstas kvalitātes reakcijas produktus. Arī bioķīmiskie procesi mūsu organismā nav iespējami bez viņu līdzdalības.