Катализатор в химии что это такое


катализаторы — Химическая энциклопедия

КАТАЛИЗАТОРЫ

вещества, изменяющие скорость хим. реакции или вызывающие ее, но не входящие в состав продуктов. Различают К. гомог. и гетерог. катализа. Типичные К. для гомог. катализа — протонные и апротонные кислоты, основания, некоторые комплексы металлов, для гетерогенного — металлы, оксиды металлов, сульфиды и др. Реакции одного и того же типа могут протекать в условиях как гомогенного, так и гетерог. катализа. Так, для кислотно-основных реакций типичные К. — растворы кислот и оснований или твердые тела с кислотными (Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты и др.) или основными [CaO, BaO, MgO, Ca(NH2)2и др.] свойствами (см. гетерогенный катализ, гомогенный катализ, кислотно-основной катализ). Для окислительно-восстановит. реакций наиболее распространенными К. являются переходные металлы (Pt, Pd, Ni, Fe, Co), оксиды (V2O5, MnO2, MoO3, Cr2O3), в т. ч. шпинели, сульфиды (MoS2, WS2, CoS), а также полупроводники, не имеющие в своем составе переходных элементов.

Требования, предъявляемые к катализаторам. К., используемые в промышленности, должны обладать постоянной высокой каталитич. активностью, селективностью, мех. прочностью, термостойкостью, устойчивостью к действию каталитич. ядов, большой длительностью работы, легкой регенерируемостью, определенными гидродинамич. характеристиками, незначительной стоимостью. Эти требования относятся, в первую очередь, к К. для гетерог. катализа. Единой теории подбора К. не существует. Многие К., широко применяемые в промышленности, подобраны эмпирич. путем. Однако развитие представлений о механизме катализа позволяет сформулировать некоторые принципы подбора К., пригодных для отдельных типов реакций. Принимая за основу ту или иную теорию действия К., стремятся найти к.-л. независимую, хорошо изученную характеристику К., которую можно связать с каталитич. активностью. Например, установлены корреляции активности К. с числом d-электронов на орбитали катиона (для простых оксидов), параметром кристаллич. решетки, электрич. проводимостью, зарядом и радиусом иона, энергией хим. связи, кислотностью и др. Основой этих корреляций, как правило, является положение элементов, входящих в К., в периодич. системе. В технол. расчетах каталитич. активность определяется скоростью реакции, отнесенной к единице объема или массы К. (см. активность катализатора), и зависит от его хим. состава. Поскольку формирование свойств К. происходит не только во время его приготовления, но и во время эксплуатации, метод приготовления К. должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Кроме того, во мн. случаях активность пром. К. увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов). В гетерог. катализе активность К., как правило, пропорциональна его уд. поверхности. Большой уд. поверхностью обладают пористые высокодисперсные К. или К., полученные нанесением активных компонентов на пористые носители (см. нанесенные катализаторы). С уменьшением размера частиц уд. поверхность возрастает. Однако при малых частицах и малых диаметрах пор возможен переход реакции из кинетич. области во внутреннедиффузионную, когда внутр. поверхность зерна катализатора не полностью участвует в реакции. Степень использования внутр. поверхности К. можно повысить, применяя т. наз. бидисперсные структуры, состоящие, напр., из мелких плотных зерен малого радиуса (неск. десятков нм), соединенных в более крупные пористые частицы размером 103–104 нм. В случае нанесенных катализаторов дисперсность активного компонента, как правило, не влияет на скорость диффузии, т. к. структура пор создается носителем. Селективностью К. называют отношение скорости накопления целевого продукта к сумме скоростей всех превращ. исходного вещества. Можно выделить неск. факторов, которые определяют селективность и связаны с составом гетерог. К. Т. наз. эффект ансамбля определяется числом атомов К., с которыми взаимод. одна молекула реагента. При окислении углеводородов на оксидных К. продукты парциального окисления (альдегиды, кислоты и т. д.) образуются при взаимодействии молекулы с одним-двумя атомами кислорода поверхности К., а продукты глубокого окисления (CO2 и H2O) — при взаимодействии с неск. атомами кислорода. Поэтому разбавление в тве

Катализатор, их виды и свойства

Катализатор, их виды и свойства.

 

 

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

 

Катализатор (понятие и сущность)

Типы и виды катализаторов

Свойства катализаторов

Каталитические системы на основе катализаторов

 

Катализатор (понятие и сущность):

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав их конечных продуктов.

Катализаторы – это вещества, ускоряющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.

Термин катализатор (от греч. katalysis – «ослабление», «разрушение») впервые ввел в 1835 г. шведский химик И. Берцелиус, который установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.

Соответственно химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, именуются каталитическими реакциями. А процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами, именуется катализом.

Различают положительный катализ и отрицательный катализ. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает.

Вещества, замедляющие химическую реакцию, именуются ингибиторами. Однако ингибиторы в отличие от катализаторов могут расходоваться в процессе химической реакции.

Все химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку катализатор снижает энергию активации реакции.

В некоторых химических реакциях катализатор реагирует с одним или несколькими реагентами с образованием временного промежуточного продукта, который затем регенерирует исходный катализатор в циклическом процессе. Химическая реакция в таких случаях состоит из нескольких стадий:

X + K → XK,

Y + XK → XYK,

XYKKZ,

KZ → K + Z,

где

X и Y – реагенты,

Z – конечный продукт химической реакции X и Y,

K – катализатор.

При этом общее уравнение реакции записывается как:

X + Y → Z.

В современном химическом производстве часто применяют каталитические системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии химической реакции. 

Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.

В настоящее время многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов. Согласно оценкам, для производства 90 % всех коммерчески производимых химических продуктов на той или иной стадии процесса их изготовления использовались катализаторы.

 

Типы и виды катализаторов:

Катализаторы, как правило, подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенный катализатор – это катализатор, молекулы которого диспергированы (т.е. находятся) в одной и той же фазе (обычно в газообразной или жидкой), что и молекулы реагента.

Гетерогенный катализатор – это катализатор, молекулы которого находятся не в той же фазе, что и реагенты (которые обычно представляют собой газы или жидкости, адсорбированные на поверхности твердого катализатора). Гетерогенный катализатор образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества – реагенты.

Действие гомогенного катализатора, как правило, связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, что приводит к снижению энергии активации химической реакции. Впоследствии промежуточные вещества регенерируют исходный катализатор.

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую твердую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.). Их действие основано на ускорении химической реакции на своей твердой поверхности (либо на плоской открытой поверхности, либо на краях кристалла, либо вследствие сочетания этих двух факторов). Поэтому активность гетерогенного катализатора зависит от величины и свойств его поверхности.

Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Одни и те же химические реакции могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Для определенных химических реакций эффективны только определённые катализаторы.

В биохимических реакциях роль катализаторов выполняют ферменты, которые часто рассматриваются как третья – отдельная категория.

Соответственно классификации катализаторов положительный катализ подразделяют на три типа:

а) гомогенный катализ, когда реакционная смесь и катализатор находятся или в жидком или в газообразном состоянии;

б) гетерогенный катализ, когда катализатор находится в виде твердого вещества, а реагирующие соединения в виде раствора или газообразной смеси. Это наиболее распространенный тип катализа, осуществляемого, таким образом, на границе раздела двух фаз;

в) ферментативный катализ, когда катализатором служат сложные белковые образования, ускоряющие течение биологически важных реакций в организмах растительного и животного мира. Ферментативный катализ может быть как гомогенным, так и гетерогенным, но из-за специфических особенностей действия ферментов целесообразно выделение этого вида катализа в самостоятельную область.

 

Свойства катализаторов:

Катализаторы как вещества, ускоряющие химические реакции, обладают следующими свойствами:

– каталитической активностью. Каталитическая активность – это свойство катализатора ускорять химическую реакцию. Формально каталитическую активность можно определить как скорость каталитической реакции в данных условиях за вычетом скорости той же реакции в отсутствие катализатора или как соотношение скоростей каталитической и некаталитической реакций;

селективностью. Селективность – это способность протекания химической реакции в определённом направлении, то есть свойство получать те продукты реакции, на которые направлена химическая реакция;

– неизменностью. Неизменность означает, что после участия в химической реакции они (катализаторы) остаются химически неизменными;

– активностью. Активность катализатора в процессе реакции может понижаться вследствие воздействия на катализатор вредных примесей. К последним относятся каталитические яды и ингибиторы. Каталитические яды – это вещества, вызывающие «отравление» катализатора, т. е. снижающие его каталитическую активность или полностью прекращающие каталитическое действие. Поэтому важно в процессе реакции исключить воздействие на катализатор вредных факторов.

Другими немаловажными свойствами катализаторов являются твердость, механическая прочность, устойчивость к истиранию и дроблению, срок службы, устойчивость к отравлению каталитическими ядами, размер и форма, масса единицы объема, пористость, удельная поверхность, термостойкость и стабильность.

 

Каталитические системы на основе катализаторов:

Современные промышленные твердые катализаторы обычно представляют собой сложные смеси, называемые контактными массами. В состав контактных масс входят прежде всего вещества, являющиеся собственно катализаторами, а также носители и активаторы.

Активаторы (промоторы) – это вещества, добавляемые к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность, которые сами по себе могут быть неактивными для данной реакции, но значительно улучшают свойства катализатора. Поэтому деление на сложные и активированные катализаторы носит лишь ориентировочный характер.

Улучшение свойств катализатора при добавлении промотора (активатора) значительно превосходит тот эффект, который можно было бы получить в результате независимого действия самого промотора, т.к. сам промотор может и не обладать каталитической активностью.

В общем случае по своему целевому назначению промоторы могут быть разделены на две группы:

– способствующие протеканию целевой реакции, т. е. увеличивающие активность катализатора;

– подавляющие нежелательные процессы, т. е. увеличивающие селективность катализатора.

Среди промоторов первой группы различают структурообразующие и активирующие. Структурообразующие промоторы, как правило, представляют собой инертные вещества, присутствующие в катализаторе в виде мелких частиц, препятствующих спеканию частиц активной каталитической фазы, что предотвращает уменьшение активной поверхности во время работы катализатора. Активирующие промоторы могут создавать дополнительные активные центры, воздействовать на электронную структуру активной фазы и т.п.

Носители – это прочные пористые термостойкие материалы, на которые осаждением, пропитыванием или другими методами наносят катализатор. При нанесении каталитических веществ на пористый носитель достигается их тонкое диспергирование, создаются большие удельные поверхности при размерах пор, близких к оптимальным, и увеличивается термостойкость катализатора, поскольку затруднено спекание его кристалликов, разобщенных на поверхности носителя. При таком методе нанесения достигается экономия дорогих катализаторов, например платины, палладия, серебра. Носитель, как правило, влияет на активность катализатора, таким образом, нет точной границы между понятием активатор и носитель. Наиболее часто в качестве носителей применяют оксид алюминия, силикагель, синтетические алюмосиликаты, каолин, пемзу, асбест, различные соли, уголь.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

 

Коэффициент востребованности 966

КАТАЛИЗ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

КАТАЛИЗ, ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются. Каталитические процессы играют огромную роль в нашей жизни. Биологические катализаторы, называемые ферментами, участвуют в регуляции биохимических процессов. Без катализаторов не могли бы протекать многие промышленные процессы.

Важнейшее свойство катализаторов – селективность, т.е. способность увеличивать скорость лишь определенных химических реакций из многих возможных. Это позволяет осуществлять реакции, протекающие в обычных условиях слишком медленно, чтобы им можно было найти практическое применение, и обеспечивает образование нужных продуктов.

Применение катализаторов способствовало бурному развитию химической промышленности. Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс), нередко более дешевых, чем применявшиеся прежде. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую роль играют каталитические процессы в охране окружающей среды.

В 1835 шведский химик Й.Берцелиус установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает. Для таких веществ он ввел термин «катализатор» (от греч. katalysis – расслабление). Как считал Берцелиус, катализаторы обладают особой способностью ослаблять связи между атомами в молекулах, участвующих в реакции, облегчая таким образом их взаимодействие. Большой вклад в развитие представлений о работе катализаторов внес немецкий физикохимик В.Оствальд, который в 1880 дал определение катализатора как вещества, которое изменяет скорость реакции.

Согласно современным представлениям, катализатор образует комплекс с реагирующими молекулами, стабилизируемый химическими связями. После перегруппировки этот комплекс диссоциирует с высвобождением продуктов и катализатора. Для мономолекулярной реакции превращения молекулы X в Y весь этот процесс можно представить в виде

X + Кат. ® X-Кат. ® Y-Кат. ® Y + Кат.

Высвободившийся катализатор вновь связывается с X, и весь цикл многократно повторяется, обеспечивая образование больших количеств продукта – вещества Y.

Многие вещества при обычных условиях не вступают в химическую реакцию друг с другом. Так, водород и оксид углерода при комнатной температуре не взаимодействуют между собой, поскольку связь между атомами в молекуле H2 достаточно прочная и не разрывается при атаке молекулой CO. Катализатор сближает молекулы H2 и CO, образуя с ними связи. После перегруппировки комплекс катализатор – реагенты диссоциирует с образованием продукта, содержащего атомы C, H и O.

Нередко при взаимодействии одних и тех же веществ образуются разные продукты. Катализатор может направить процесс по пути, наиболее благоприятному для образования определенного продукта. Рассмотрим реакцию между CO и H2. В присутствии медьсодержащего катализатора практически единственным продуктом реакции является метанол:

Вначале молекулы СО и Н2 адсорбируются на поверхности катализатора. Затем молекулы СО образуют с катализатором химические связи (происходит хемосорбция), оставаясь в недиссоциированной форме. Молекулы водорода также хемосорбируются на поверхности катализатора, но при этом диссоциируют. В результате перегруппировки образуется переходный комплекс Н-Кат.-CH2OH. После присоединения атома H комплекс распадается с высвобождением CH3OH и катализатора.

В присутствии никелевого катализатора как СО, так и Н2 хемосорбируются на поверхности в диссоциированной форме, и образуется комплекс Кат.-СН3. Конечными продуктами реакции являются СН4 и Н2О:

Большинство каталитических реакций проводят при определенных давлении и температуре, пропуская реакционную смесь, находящуюся в газообразном или жидком состоянии, через реактор, заполненный частицами катализатора. Для описания условий проведения реакции и характеристики продуктов используются следующие понятия. Объемная скорость – объем газа или жидкости, проходящий через единицу объема катализатора в единицу времени. Каталитическая активность – количество реагентов, превращенных катализатором в продукты в единицу времени. Конверсия – доля вещества, превращенного в данной реакции. Селективность – отношение количества определенного продукта к суммарному количеству продуктов (обычно выражается в процентах). Выход – отношение количества данного продукта к количеству исходного материала (обычно выражается в процентах). Производительность – количество продуктов реакции, образующихся в единице объема в единицу времени.

ТИПЫ КАТАЛИЗАТОРОВ

Катализаторы классифицируют исходя из природы реакции, которую они ускоряют, их химического состава или физических свойств. Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества – сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. По своим физическим свойствам катализаторы делятся на гомогенные и гетерогенные. Гетерогенные катализаторы – это твердые вещества, гомогенные диспергированы в той же газовой или жидкой среде, что и реагирующие вещества.

Многие гетерогенные катализаторы содержат металлы. Некоторые металлы, особенно относящиеся к VIII группе периодической системы элементов, обладают каталитической активностью сами по себе; типичный пример – платина. Но большинство металлов проявляют каталитические свойства, находясь в составе соединений; пример – глинозем (оксид алюминия Al2O3).

Необычным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности. Они пронизаны многочисленными порами, суммарная площадь которых иногда достигает 500 м2 на 1 г катализатора. Во многих случаях оксиды с большой площадью поверхности служат подложкой, на которой в виде небольших кластеров осаждаются частички металлического катализатора. Это обеспечивает эффективное взаимодействие реагентов в газовой или жидкой фазе с каталитически активным металлом. Особый класс гетерогенных катализаторов составляют цеолиты – кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия). Хотя многие гетерогенные катализаторы обладают большой площадью поверхности, обычно они имеют лишь небольшое число активных центров, на долю которых приходится малая часть суммарной поверхности. Катализаторы могут утрачивать свою активность в присутствии небольших количеств химических соединений, называемых каталитическими ядами. Эти вещества связываются с активными центрами, блокируя их. Определение структуры активных центров является предметом интенсивных исследований.

Гомогенные катализаторы имеют различную химическую природу – кислоты (Н2SO4 или Н3РО4), основания (NaOH), органические амины, металлы, чаще всего переходные (Fe или Rh), в форме солей, металлоорганических соединений или карбонилов. К катализаторам относятся также ферменты – белковые молекулы, регулирующие биохимические реакции. Активный центр некоторых ферментов содержит атом металла (Zn, Cu, Fe или Mo). Металлсодержащие ферменты катализируют реакции с участием малых молекул (О2, CO2 или N2). Ферменты обладают очень высокой активностью и селективностью, но работают только при определенных условиях, таких, в которых протекают реакции в живых организмах. В промышленности часто используют т.н. иммобилизованные ферменты.

КАК РАБОТАЮТ КАТАЛИЗАТОРЫ

Энергетика.

Любая химическая реакция может протекать лишь при условии, что реагенты преодолеют энергетический барьер, а для этого они должны приобрести определенную энергию. Как мы уже говорили, каталитическая реакция X ® Y состоит из ряда последовательных стадий. Для протекания каждой из них необходима энергия E, называемая энергией активации. Изменение энергии вдоль координаты реакции представлено на рис. 1.

Рассмотрим сначала некаталитический, «тепловой» путь. Чтобы реакция смогла осуществиться, потенциальная энергия молекул X должна превысить энергетический барьер Eт. Каталитическая же реакция состоит из трех стадий. Первая – образование комплекса Х-Кат. (хемосорбция), энергия активации которой равна Еадс. Вторая стадия – перегруппировка Х-Кат. ® Y-Кат. с энергией активации Екат, и наконец, третья – десорбция с энергией активации Едес; Еадс, Екат и Едес много меньше Ет. Поскольку скорость реакции экспоненциально зависит от энергии активации, каталитическая реакция протекает значительно быстрее тепловой при данной температуре.

Катализатор можно уподобить инструктору-проводнику, который ведет альпинистов (реагирующие молекулы) через горный хребет. Он проводит одну группу через перевал и затем возвращается за следующей. Путь через перевал лежит значительно ниже того, который лежит через вершину (тепловой канал реакции), и группа совершает переход быстрее, чем без проводника (катализатора). Возможно даже, что самостоятельно группа вообще не смогла бы преодолеть хребет.

Теории катализа.

Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, т.е. эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

На молекулярном уровне каталитическую газофазную реакцию можно представить следующим образом. Одна реагирующая молекула связывается с активным центром катализатора, а другая взаимодействует с ней, находясь непосредственно в газовой фазе. Возможен и альтернативный механизм: реагирующие молекулы адсорбируются на соседних активных центрах катализатора, а потом взаимодействуют друг с другом. По-видимому, именно таким образом протекает большинство каталитических реакций.

Другая концепция предполагает, что существует связь между пространственным расположением атомов на поверхности катализатора и его каталитической активностью. Скорость одних каталитических процессов, в том числе многих реакций гидрирования, не зависит от взаимного расположения каталитически активных атомов на поверхности; скорость других, напротив, существенно изменяется при изменении пространственной конфигурации поверхностных атомов. В качестве примера можно привести изомеризацию неопентана в изопентан и одновременный крекинг последнего до изобутана и метана на поверхности катализатора Pt-Al2O3.

ПРИМЕНЕНИЕ КАТАЛИЗА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Тот бурный промышленный рост, который мы сейчас переживаем, был бы невозможен без развития новых химических технологий. В значительной мере этот прогресс определяется широким применением катализаторов, с помощью которых низкосортное сырье превращается в высокоценные продукты. Образно говоря, катализатор – это философский камень современного алхимика, только он превращает не свинец в золото, а сырье в лекарства, пластмассы, химические реактивы, топливо, удобрения и другие полезные продукты.

Пожалуй, самый первый каталитический процесс, который человек научился использовать, – это брожение. Рецепты приготовления алкогольных напитков были известны шумерам еще за 3500 до н.э. См. ВИНО; ПИВО.

Значительной вехой в практическом применении катализа стало производство маргарина каталитическим гидрированием растительного масла. Впервые эта реакция в промышленном масштабе была осуществлена примерно в 1900. А начиная с 1920-х годов один за другим были разработаны каталитические способы получения новых органических материалов, прежде всего пластмасс. Ключевым моментом стало каталитическое получение олефинов, нитрилов, эфиров, кислот и т.д. – «кирпичиков» для химического «строительства» пластмасс.

Третья волна промышленного использования каталитических процессов приходится на 1930-е годы и связана с переработкой нефти. По своему объему это производство вскоре оставило далеко позади все другие. Переработка нефти состоит из нескольких каталитических процессов: крекинга, риформинга, гидросульфирования, гидрокрекинга, изомеризации, полимеризации и алкилирования.

И наконец, четвертая волна в использовании катализа связана с охраной окружающей среды. Наиболее известное достижение в этой области – создание каталитического нейтрализатора выхлопных газов автомобилей. Каталитические нейтрализаторы, которые устанавливают на автомобили с 1975, сыграли большую роль в улучшении качества воздуха и сберегли таким образом много жизней.

За работы в области катализа и смежных областей было присуждено около десятка Нобелевских премий.

О практической значимости каталитических процессов свидетельствует тот факт, что на долю азота, входящего в состав полученных промышленным путем азотсодержащих соединений, приходится около половины всего азота, входящего в состав пищевых продуктов. Количество соединений азота, образующихся естественным путем, ограничено, так что производство пищевого белка зависит от количества азота, вносимого в почву с удобрениями. Невозможно было бы прокормить и половину человечества без синтетического аммиака, который получают почти исключительно с помощью каталитического процесса Габера – Боша.

Область применения катализаторов постоянно расширяется. Важно и то, что катализ позволяет значительно повысить эффективность ранее разработанных технологий. В качестве примера можно привести усовершенствование каталитического крекинга благодаря использованию цеолитов.

Гидрирование.

Большое число каталитических реакций связано с активацией атома водорода и какой-либо другой молекулы, приводящей к их химическому взаимодействию. Этот процесс называется гидрированием и лежит в основе многих этапов переработки нефти и получения жидкого топлива из угля (процесс Бергиуса).

Производство авиационного бензина и моторного топлива из угля было развито в Германии во время Второй мировой войны, поскольку в этой стране нет нефтяных месторождений. Процесс Бергиуса заключается в непосредственном присоединении водорода к углю. Уголь нагревают под давлением в присутствии водорода и получают жидкий продукт, который затем перерабатывают в авиационный бензин и моторное топливо. В качестве катализатора используют оксид железа, а также катализаторы на основе олова и молибдена. Во время войны на 12 заводах Германии с помощью процесса Бергиуса получали примерно 1400 т жидкого топлива в сутки.

Другой процесс, Фишера – Тропша, состоит из двух стадий. Вначале уголь газифицируют, т.е. проводят реакцию его с водяным паром и кислородом и получают смесь водорода и оксидов углерода. Эту смесь превращают в жидкое топливо с помощью катализаторов, содержащих железо или кобальт. С окончанием войны производство синтетического топлива из угля в Германии было прекращено.

В результате повышения цен на нефть, последовавшего за нефтяным эмбарго в 1973–1974, были предприняты энергичные усилия по разработке экономически выгодного способа получения бензина из угля. Так, прямое ожижение угля можно проводить более эффективно, используя двухстадийный процесс, в котором сначала уголь контактирует с алюмокобальтомолибденовым катализатором при относительно низкой, а затем при более высокой температуре. Стоимость такого синтетического бензина выше, чем получаемого из нефти.

Аммиак.

Один из самых простых с химической точки зрения процессов гидрирования – синтез аммиака из водорода и азота. Азот весьма инертное вещество. Для разрыва связи N–N в его молекуле необходима энергия порядка 200 ккал/моль. Однако азот связывается с поверхностью железного катализатора в атомарном состоянии, и для этого нужно всего 20 ккал/моль. Водород связывается с железом еще более охотно. Синтез аммиака протекает следующим образом:

Этот пример иллюстрирует способность катализатора ускорять в равной степени как прямую, так и обратную реакцию, т.е. тот факт, что катализатор не изменяет положение равновесия химической реакции.

Гидрирование растительного масла.

Одна из важнейших в практическом отношении реакций гидрирования – неполное гидрирование растительных масел до маргарина, кулинарного жира и других пищевых продуктов. Растительные масла получают из соевых бобов, семян хлопчатника и других культур. В их состав входят эфиры, а именно триглицериды жирных кислот с разной степенью ненасыщенности. Олеиновая кислота СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН имеет одну двойную связь С=С, линолевая кислота – две и линоленовая – три. Присоединение водорода с разрывом этой связи предотвращает окисление масел (прогоркание). При этом повышается их температура плавления. Твердость большинства получаемых продуктов зависит от степени гидрирования. Гидрирование проводят в присутствии мелкодисперсного порошка никеля, нанесенного на подложку, или никелевого катализатора Ренея в атмосфере водорода высокой степени очистки.

Дегидрирование.

Дегидрирование – это тоже важная в промышленном отношении каталитическая реакция, хотя масштабы ее применения несравнимо меньше. С ее помощью получают, например, стирол – важный мономер. Для этого дегидрируют этилбензол в присутствии катализатора, содержащего оксид железа; протеканию реакции способствуют также калий и какой-нибудь структурный стабилизатор. В промышленных масштабах осуществляют дегидрирование пропана, бутана и других алканов. Дегидрированием бутана в присутствии алюмохромового катализатора получают бутены и бутадиен.

Кислотный катализ.

Каталитическая активность большого класса катализаторов обусловливается их кислотными свойствами. Согласно И.Брёнстеду и Т.Лоури, кислота – это соединение, способное отдавать протон. Сильные кислоты легко отдают свои протоны основаниям. Концепция кислотности получила дальнейшее развитие в работах Г.Льюиса, который дал определение кислоты как вещества, способного принимать электронную пару от вещества-донора с образованием ковалентной связи за счет обобществления этой электронной пары. Эти идеи вместе с представлениями о реакциях с образованием карбений-ионов помогли понять механизм разнообразных каталитических реакций, особенно тех, в которых участвуют углеводороды.

Силу кислоты можно определить с помощью набора оснований, изменяющих цвет при присоединении протона. Оказывается, некоторые промышленно важные катализаторы ведут себя как очень сильные кислоты. К ним относится катализатор процесса Фриделя – Крафтса, такой, как HCl-AlCl2O3 (или HAlCl4), и алюмосиликаты. Сила кислоты – это очень важная характеристика, поскольку от нее зависит скорость протонирования – ключевого этапа процесса кислотного катализа.

Активность таких катализаторов, как алюмосиликаты, применяющихся при крекинге нефти, определяется присутствием на их поверхности кислот Брёнстеда и Льюиса. Их структура аналогична структуре кремнезема (диоксида кремния), в котором часть атомов Si4+ замещена атомами Al3+. Лишний отрицательный заряд, возникающий при этом, может быть нейтрализован соответствующими катионами. Если катионами являются протоны, то алюмосиликат ведет себя как кислота Брёнстеда:

Активность кислотных катализаторов обусловливается их способностью реагировать с углеводородами с образованием в качестве промежуточного продукта карбений-иона. Алкилкарбений-ионы содержат положительно заряженный углеродный атом, связанный с тремя алкильными группами и/или атомами водорода. Они играют важную роль как промежуточные продукты, образующиеся во многих реакциях с участием органических соединений. Механизм действия кислотных катализаторов можно проиллюстрировать на примере реакции изомеризации н-бутана в изобутан в присутствии HCl-AlCl3 или Pt-Cl-Al2O3. Сначала малое количество олефина С4Н8 присоединяет положительно заряженный ион водорода кислотного катализатора с образованием третичного карбений-иона. Затем отрицательно заряженный гидрид-ион Н отщепляется от н-бутана с образованием изобутана и вторичного бутилкарбений-иона. Последний в результате перегруппировки превращается в третичный карбений-ион. Эта цепочка может продолжаться с отщеплением гидрид-иона от следующей молекулы н-бутана и т.д.:

Существенно, что третичные карбений-ионы более стабильны, чем первичные или вторичные. Вследствие этого на поверхности катализатора присутствуют в основном именно они, а потому основным продуктом изомеризации бутана является изобутан.

Кислотные катализаторы широко применяются при переработке нефти – крекинге, алкилировании, полимеризации и изомеризации углеводородов (см. также ХИМИЯ И МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ). Установлен механизм действия карбений-ионов, играющих роль катализаторов в этих процессах. При этом они участвуют в целом ряде реакций, включая образование малых молекул путем расщепления больших, соединение молекул (олефина с олефином или олефина с изопарафином), структурную перегруппировку путем изомеризации, образование парафинов и ароматических углеводородов путем переноса водорода.

Одно из последних применений кислотного катализа в промышленности – получение этилированных топлив присоединением спиртов к изобутилену или изоамилену. Добавление кислородсодержащих соединений в бензин уменьшает концентрацию оксида углерода в выхлопных газах. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) с октановым числом смешения 109 тоже позволяет получить высокооктановое топливо, необходимое для работы автомобильного двигателя с высокой степенью сжатия, не прибегая к введению в бензин тетраэтилсвинца. Организовано также производство топлив с октановыми числами 102 и 111.

Основной катализ.

Активность катализаторов обусловливается их основными свойствами. Давним и хорошо известным примером таких катализаторов является гидроксид натрия, применяющийся для гидролиза или омыления жиров при получении мыла, а один из последних примеров – катализаторы, используемые при производстве полиуретановых пластиков и пенопластов. Уретан образуется при взаимодействии спирта с изоцианатом, а ускоряется эта реакция в присутствии оснóвных аминов. В ходе реакции происходит присоединение основания к атому углерода в молекуле изоцианата, в результате чего на атоме азота появляется отрицательный заряд и его активность по отношению к спирту повышается. Особенно эффективным катализатором является триэтилендиамин. Полиуретановые пластики получают при взаимодействии диизоцианатов с полиолами (полиспиртами). Когда изоцианат реагирует с водой, ранее образовавшийся уретан разлагается с выделением CO2. При взаимодействии смеси полиспиртов и воды с диизоцианатами образующийся пенополиуретан вспенивается газообразным CO2.

Катализаторы двойного действия.

Эти катализаторы ускоряют реакции двух типов и дают лучшие результаты, чем при пропускании реагентов последовательно через два реактора, каждый из которых содержит только один тип катализатора. Это связано с тем, что активные центры катализатора двойного действия находятся очень близко друг к другу, и промежуточный продукт, образующийся на одном из них, тут же превращается в конечный продукт на другом.

Хороший результат дает объединение катализатора, активирующего водород, с катализатором, способствующим изомеризации углеводородов. Активацию водорода осуществляют некоторые металлы, а изомеризацию углеводородов – кислоты. Эффективным катализатором двойного действия, который применяется при переработке нефти для превращения нафты в бензин, является мелкодисперсная платина, нанесенная на кислый глинозем. Конверсия таких составляющих нафты, как метилциклопентан (МЦП), в бензол повышает октановое число бензина. Сначала МЦП дегидрируется на платиновой части катализатора в олефин с тем же углеродным остовом; затем олефин переходит на кислотную часть катализатора, где изомеризуется до циклогексена. Последний переходит на платиновую часть и дегидрируется до бензола и водорода.

Катализаторы двойного действия существенно ускоряют риформинг нефти. Их используют для изомеризации нормальных парафинов в изопарафины. Последние, кипящие при тех же температурах, что и бензиновые фракции, ценны тем, что обладают более высоким октановым числом по сравнению с неразветвленными углеводородами. Кроме того, превращение н-бутана в изобутан сопровождается дегидрированием, способствуя получению МТБЭ.

Стереоспецифическая полимеризация.

Важной вехой в истории катализа явилось открытие каталитической полимеризации a-олефинов с образованием стереорегулярных полимеров. Катализаторы стереоспецифической полимеризации были открыты К.Циглером, когда он пытался объяснить необычные свойства полученных им полимеров. Другой химик, Дж.Натта, предположил, что уникальность полимеров Циглера определяется их стереорегулярностью. Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей показали, что полимеры, полученные из пропилена в присутствии катализаторов Циглера, высококристалличны и действительно имеют стереорегулярную структуру. Для описания таких упорядоченных структур Натта ввел термины «изотактический» и «синдиотактический». В том случае, когда упорядоченность отсутствует, используется термин «атактический»:

Стереоспецифическая реакция протекает на поверхности твердых катализаторов, содержащих переходные металлы групп IVA–VIII (такие, как Ti, V, Cr, Zr), находящиеся в неполностью окисленном состоянии, и какое-либо соединение, содержащее углерод или водород, который связан с металлом из групп I–III. Классическим примером такого катализатора является осадок, образующийся при взаимодействии TiCl4 и Al(C2H5)3 в гептане, где титан восстановлен до трехвалентного состояния. Эта исключительно активная система катализирует полимеризацию пропилена при обычных температуре и давлении.

Каталитическое окисление.

Применение катализаторов для управления химизмом процессов окисления имеет большое научное и практическое значение. В некоторых случаях окисление должно быть полным, например при нейтрализации СО и углеводородных загрязнений в выхлопных газах автомобилей. Однако чаще нужно, чтобы окисление было неполным, например во многих широко применяемых в промышленности процессах превращения углеводородов в ценные промежуточные продукты, содержащие такие функциональные группы, как –СНО, –СООН, –С–СО, –СN. При этом применяются как гомогенные, так и гетерогенные катализаторы. Примером гомогенного катализатора является комплекс переходного металла, который используется для окисления пара-ксилола до терефталевой кислоты, эфиры которой служат основой производства полиэфирных волокон.

Катализаторы гетерогенного окисления.

Эти катализаторы обычно являются сложными твердыми оксидами. Каталитическое окисление проходит в два этапа. Сначала кислород оксида захватывается адсорбированной на поверхности оксида молекулой углеводорода. Углеводород при этом окисляется, а оксид восстанавливается. Восстановленный оксид взаимодействует с кислородом и возвращается в исходное состояние. Используя ванадиевый катализатор, неполным окислением нафталина или бутана получают фталевый ангидрид.

Получение этилена путем дегидродимеризации метана.

Синтез этилена посредством дегидродимеризации позволяет превращать природный газ в более легко транспортируемые углеводороды. Реакцию 2CH4 + 2O2® C2H4 + 2H2O проводят при 850° С с использованием различных катализаторов; наилучшие результаты получены с катализатором Li-MgO. Предположительно реакция протекает через образование метильного радикала путем отщепления атома водорода от молекулы метана. Отщепление осуществляется неполностью восстановленным кислородом, например О22–. Метильные радикалы в газовой фазе рекомбинируют с образованием молекулы этана и в ходе последующего дегидрирования превращаются в этилен. Еще один пример неполного окисления – превращение метанола в формальдегид в присутствии серебряного или железомолибденового катализатора.

Цеолиты.

Цеолиты составляют особый класс гетерогенных катализаторов. Это алюмосиликаты с упорядоченной сотовой структурой, размер ячеек которой сравним с размером многих органических молекул. Их называют еще молекулярными ситами. Наибольший интерес представляют цеолиты, поры которых образованы кольцами, состоящими из 8–12 ионов кислорода (рис. 2). Иногда поры перекрываются, как у цеолита ZSМ-5 (рис. 3), который используется для высокоспецифичного превращения метанола в углеводороды бензиновой фракции. Бензин содержит в значительных количествах ароматические углеводороды и поэтому имеет высокое октановое число. В Новой Зеландии, например, с помощью этой технологии получают треть всего потребляемого бензина. Метанол же получают из импортируемого метана.

Катализаторы, составляющие группу Y-цеолитов, существенно повышают эффективность каталитического крекинга благодаря в первую очередь своим необычным кислотным свойствам. Замена алюмосиликатов цеолитами позволяет увеличить выход бензина более чем на 20%.

Кроме того, цеолиты обладают селективностью в отношении размера реагирующих молекул. Их селективность обусловлена размером пор, через которые могут проходить молекулы лишь определенных размеров и формы. Это касается как исходных веществ, так и продуктов реакции. Например, вследствие стерических ограничений пара-ксилол образуется легче, чем более объемные орто- и мета-изомеры. Последние оказываются «запертыми» в порах цеолита (рис. 4).

Применение цеолитов произвело настоящую революцию в некоторых промышленных технологиях – депарафинизации газойля и машинного масла, получении химических полупродуктов для производства пластмасс алкилированием ароматических соединений, изомеризации ксилола, диспропорционировании толуола и каталитическом крекинге нефти. Особенно эффективен здесь цеолит ZSM-5.

Катализаторы и охрана окружающей среды.

Применение катализаторов для уменьшения загрязнения воздуха началось в конце 1940-х годов. В 1952 А.Хаген-Смит установил, что углеводороды и оксиды азота, входящие в состав выхлопных газов, реагируют на свету с образованием оксидантов (в частности, озона), которые оказывают раздражающее действие на глаза и дают другие нежелательные эффекты. Примерно в это же время Ю.Хоудри разработал способ каталитической очистки выхлопных газов путем окисления CO и углеводородов до CO2 и Н2О. В 1970 была сформулирована Декларация о чистом воздухе (уточненная в 1977, расширенная в 1990), согласно которой все новые автомобили, начиная с моделей 1975, должны снабжаться каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов. Были установлены нормы для состава выхлопных газов. Поскольку соединения свинца, добавляемые в бензин, отравляют катализаторы, принята программа поэтапного отказа от них. Обращалось внимание и на необходимость снижения содержания оксидов азота.

Специально для автомобильных нейтрализаторов созданы катализаторы, в которых активные компоненты нанесены на керамическую подложку с сотовой структурой, через ячейки которой проходят выхлопные газы. Подложку покрывают тонким слоем оксида металла, например Al2O3, на который наносят катализатор – платину, палладий или родий. Содержание оксидов азота, образующихся при сжигании природных топлив на теплоэлектростанциях, можно уменьшить добавлением в дымовые газы малых количеств аммиака и пропусканием их через титанованадиевый катализатор.

Ферменты.

Ферменты – это природные катализаторы, регулирующие биохимические процессы в живой клетке. Они участвуют в процессах энергообмена, расщеплении питательных веществ, реакциях биосинтеза. Без них не могут протекать многие сложные органические реакции. Ферменты функционируют при обычных температуре и давлении, обладают очень высокой селективностью и способны увеличивать скорость реакций на восемь порядков. Несмотря на эти преимущества, лишь ок. 20 из 15 000 известных ферментов применяются в широких масштабах.

Человек тысячелетиями использовал ферменты при выпечке хлеба, получении алкогольных напитков, сыра и уксуса. Сейчас ферменты применяются и в промышленности: при переработке сахара, получении синтетических антибиотиков, аминокислот и белков. Протеолитические ферменты, ускоряющие процессы гидролиза, добавляют в детергенты.

С помощью бактерий Clostridium acetobutylicum Х.Вейцман осуществил ферментативное превращение крахмала в ацетон и бутиловый спирт. Этот способ получения ацетона широко использовался в Англии во время Первой мировой войны, а во время Второй мировой войны с его помощью в СССР изготавливали бутадиеновый каучук.

Исключительно большую роль сыграло применение ферментов, продуцируемых микроорганизмами, для синтеза пенициллина, а также стрептомицина и витамина B12.

Этиловый спирт, получаемый ферментативным путем, широко используют в качестве автомобильного топлива. В Бразилии более трети из примерно 10 млн. автомобилей работают на 96%-ном этиловом спирте, получаемом из сахарного тростника, а остальные – на смеси бензина и этилового спирта (20%). Хорошо отработана технология производства топлива, представляющего собой смесь бензина и спирта, в США. В 1987 из зерен кукурузы было получено ок. 4 млрд. л спирта, из них примерно 3,2 млрд. л было использовано в качестве топлива. Разнообразное применение находят и т.н. иммобилизованные ферменты. Эти ферменты связаны с твердым носителем, например силикагелем, над которым пропускают реагенты. Преимущество этого метода состоит в том, что он обеспечивает эффективное контактирование субстратов с ферментом, разделение продуктов и сохранение фермента. Один из примеров промышленного использования иммобилизованных ферментов – изомеризация D-глюкозы во фруктозу.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Современные технологии невозможно представить без применения катализаторов. Каталитические реакции могут протекать при температурах до 650° С и давлениях 100 атм и более. Это заставляет по-новому решать проблемы, связанные с контактированием между газообразными и твердыми веществами и с переносом частиц катализатора. Чтобы процесс был эффективным, при его моделировании необходимо учитывать кинетические, термодинамические и гидродинамические аспекты. Здесь широко используются компьютерное моделирование, а также новые приборы и методы контроля за технологическими процессами.

В 1960 был достигнут значительный прогресс в производстве аммиака. Применение более активного катализатора позволило понизить температуру получения водорода при разложении водяного пара, благодаря чему удалось понизить давление и, следовательно, уменьшить производственные затраты, например за счет применения более дешевых центробежных компрессоров. В результате стоимость аммиака упала более чем вдвое, произошло колоссальное увеличение его производства, а в связи с этим – увеличение производства пищевых продуктов, поскольку аммиак – ценное удобрение.

Методы.

Исследования в области катализа проводят с использованием как традиционных, так и специальных методов. Применяются радиоактивные метки, рентгеновская, инфракрасная и рамановская (КР) спектроскопия, электронно-микроскопические методы; проводятся кинетические измерения, изучается влияние способов получения катализаторов на их активность. Большое значение имеет определение площади поверхности катализатора по методу Брунауэра – Эммета – Теллера (метод БЭТ), основанному на измерении физической адсорбции азота при разных давлениях. Для этого определяют количество азота, необходимого для образования монослоя на поверхности катализатора, и, зная диаметр молекулы N2, вычисляют суммарную площадь. Помимо определения общей площади поверхности проводят хемосорбцию разных молекул, что позволяет оценить число активных центров и получить информацию об их свойствах.

В распоряжении исследователей имеются разные методы изучения структуры поверхности катализаторов на атомном уровне. Уникальную информацию позволяет получить метод EXAFS. Среди спектроскопических методов все шире применяются УФ-, рентгеновская и оже-фотоэлектронная спектроскопия. Большой интерес представляет масс-спектрометрия вторичных ионов и спектроскопия ионного рассеяния. Для исследования природы каталитических комплексов применяются измерения ЯМР. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов на поверхности катализатора.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Все более широкое применение находят катализаторы для нейтрализации веществ, загрязняющих окружающую среду. Возрастает роль катализаторов в производстве углеводородов и кислородсодержащих синтетических топлив из газа и угля. Весьма перспективным представляется создание топливных элементов для экономичного преобразования энергии топлива в электрическую энергию.

Новые концепции катализа позволят получать полимерные материалы и другие продукты, обладающие многими ценными свойствами, усовершенствовать методы получения энергии, увеличить производство пищевых продуктов, в частности путем синтеза белков из алканов и аммиака с помощью микроорганизмов. Возможно, удастся разработать генно-инженерные способы получения ферментов и металлоорганических соединений, приближающихся по своей каталитической активности и селективности к природным биологическим катализаторам.

Катализаторы - Что такое Катализаторы?

Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в состав конечных продуктов.
См. Спецпроект Neftegaz.RU «Национальный продукт: Отечественные катализаторы».

Катализаторы обеспечивают энергетически менее затрудненные пути реакции, что позволяет эффективно использовать сырье.
Катализ - это ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются.
Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс).
Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.
Катализаторы позволяют превратить низкосортное сырье в высокоценные продукты.
Без катализаторов невозможно обеспечить производство моторных топлив для двигателей экологического стандарта «Евро-5» и выше.
Например, в каталитическом крекинге - одном из ключевых процессов, обеспечивающих увеличение выхода светлых нефтепродуктов (особенно бензина), самое главное действие катализатора - расщепление больших углеводородных молекул на более мелкие с высоким октановым числом.

Гидрокрекинг в свою очередь - процесс получения высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов из тяжелого газойля вакуумной перегонки и вторичных процессов. 
Он также позволяет получить высококачественную основу базовых масел, близкую по эксплуатационным характеристикам к синтетическим. 
Иначе говоря, это каталитический крекинг в присутствии водорода - где сочетание водорода, катализатора и соответствующего режима процесса позволяют провести крекинг низкокачественного легкого газойля и добиться получения высококачественных основ для широкого ассортимента товарных смазочных масел. 
Катализаторы здесь играют важную роль: они активно взаимодействуют с водородом, благодаря им идет сам крекинг и происходит образование изопарафинов.

Гидроочистка является наиболее крупнотоннажным каталитическим процессом в нефтепереработке. 
В процессе гидроочистки понижается содержание серы в топливе. 
Эффективность гидроочистки зависит от активности катализаторов, температурного режима и качества сырья. 
И повышение эффективности процесса требует использования новых типов катализаторов.

Требования к катализаторам:

  • постоянная высокая каталитическая активность, 
  • селективность, 
  • механическая прочность, 
  • термостойкость, 
  • устойчивостью к действию каталитических ядов, 
  • большая длительность работы, 
  • легкая регенерируемость, 
  • необходимые гидродинамические характеристики, 
  • невысокая стоимость. 
Активность определяется скоростью реакции, отнесенной к единице объема или массы катализатора и зависит от его хим. состава.
Формирование свойств катализатора происходит во время его приготовления и во время эксплуатации, поэтому метод приготовления катализатора должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Во многих случаях активность промышленных катализаторов увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).

Селективность изменяется из-за изменения электронных свойств и окружения активных центров катализатора (эффект лиганда).
В реакциях сложных органических молекул большое значение имеет преимущественное образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализатора.
В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы, селективность которых выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора. Селективность катализатора зависит также от его пористости, размера зерен и характера их укладки.

Термостойкость катализаторов  важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов.
Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители.

Устойчивость катализатора к действию ядов каталитических определяется спецификой их взаимодействия с катализатором.
Металлические катализаторы отравляются соединениями кислорода (Н2О, СО), серы (H2S, CS2 и др.), N, Р, As и другими веществами, образующими более прочную химическую связь с катализатором, чем реагирующие вещества.
На оксидные катализаторы действуют те же яды, однако оксиды более устойчивы к отравлению.
В процессах крекинга, риформинга и других реакций углеводородов катализаторы отравляются в результате покрытия их слоем кокса.
Кроме того, катализаторы могут дезактивироваться из-за механического покрытия поверхности пылью, которая вносится извне или образуется при катализе.

Приготовление катализаторов
Катализаторы с развитой удельной поверхностью распространение получил метод осаждения из водных растворов солей с последующим прокаливанием образующихся соединений.
Так получают многие оксиды металлов. При этом лучше использовать водный раствор NH3, потому что отпадает необходимость отмывки осадка от щелочных металлов. 
Охлажденный катализатор дробят, просеивают и восстанавливают азотно-водородной смесью в колонне синтеза.
Для получения правильной геометрической формы зерен катализатора используют специальные формовочные машины.
Цилиндрические гранулы получают экструзией (выдавливанием) влажной массы с помощью массивного винта (шнека) через отверстия нужного диаметра, после чего разрезают полученный жгут на отдельные цилиндрики, которые 
закатываются в сферические гранулы в специальных грануляторах.
Плоские цилиндрические таблетки получают прессованием сухого порошка на таблеточных машинах

Катализ и катализаторы - Энциклопедия wiki.MPlast.by

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализатороввеществ, принимающих участие в химической реакции, но в состав конечных продуктов не входящих и в результате реакции не расходующихся.

Одни катализаторы ускоряют реакцию (положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ). Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ.

При гомогенном (однородном) катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела. Пример гомогенного катализа – реакция окисления SO2 и SO3 в присутствии катализатора NO (реагирующие вещества и катализатор являются газами).

Гетерогенный катализ.

В случае гетерогенного (неоднородного) катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела. Обычно катализатор – твердое вещество, а реагирующие вещества – жидкости или газы. Пример гетерогенного катализа – окисление NN3 до NO в присутствии Pt (катализатор – твердое вещество).

Механизм действия катализаторов

Действие положительных катализаторов сводится к понижению энергии активации реакции Еа(исх), действие ингибиторов – противоположное.

Так, для реакции 2HI = H2+I2 Еа(исх)=184 кДж/моль. Когда же эта реакция протекает в присутствии катализатора Au или Pt, то Еа(исх)=104 кДж/моль, соответственно.

Механизм действия катализатора при гомогенном катализе объясняется образованием промежуточных соединений между катализатором и одним из реагирующих веществ. Далее промежуточное соединение реагирует со вторым исходным веществом, в результате чего образуется продукт реакции и катализатор в первоначальном виде. Так как скорость обоих промежуточных процессов значительно больше скорости прямого процесса, то реакция с участием катализатора протекает значительно быстрее, чем без него.

Например, реакция:

SO2 +1/2 O2 = SO3 протекает очень медленно, а если использовать катализатор NO

то реакции NO +1/2О2 = NO2 и NO2 +SO2 = SO3 +NO протекают быстро.

Механизм действия катализатора при гетерогенном катализе иной. В этом случае реакция протекает вследствие адсорбции молекул реагирующих веществ поверхностью катализатора (поверхность катализатора неоднородна: на ней имеются так называемые активные центры, на которых и адсорбируются частицы реагирующих веществ.). Увеличение скорости химической реакции достигается, в основном, за счет понижения энергии активации адсорбированных молекул, а также, отчасти, за счет увеличения концентрации реагирующих веществ в местах, где произошла адсорбция.

Каталитические яды и промоторы.

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность катализатора, такие вещества называют каталитическими ядами. Например, небольшие примеси серы (0,1%) полностью прекращает каталитическое действие металлического катализатора (губчатого железа), использующегося при синтезе аммиака. Вещества, повышающие активность катализатора, называют промоторами. Например, каталитическая активность губчатого железа значительно возрастает при добавлении примерно 2% метаалюмината калия KAlO2.

Применение катализаторов

Действие катализатора избирательно и специфично. Это означает, что, применяя различные катализаторы, из одних и тех же веществ можно получить различные продукты. Это особенно характерно для реакций органических веществ. Например, в присутствии катализатора AlO3 происходит дегидратация этилового спирта, в присутствии Cu – дегидрирование:

Биологические катализаторы, принимающие участие в сложных химических превращениях, протекающих в организме, называются ферментами.

Катализаторы широко используются в производстве серной кислоты, аммиака, каучука, пластмасс и др. веществ.


 

Автор: Метельский А.В
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год

Катализаторы в быту - Katalizator1

Как известно из школьного курса химии, катализатор представляет собой вещество, вызывающее определенную химическую реакцию, не вступая в контакт с конечным продуктом. Подобные процессы происходят регулярно, а в качестве каталитического элемента может выступать любой компонент, даже вода или песок. Предлагаем познакомиться с наиболее популярными примерами катализаторов в быту.

Разновидности каталитических процессов

Химические реакции, которые происходят с очень маленькой скоростью, требуют присутствия определенных веществ, сохраняющих первоначальные свойства в результате. Яркими примерами такого процесса считаются:

  1. Переработка нефти и нефтепродуктов.
  2. Брожение при изготовлении алкогольных напитков.
  3. Синтез аммиака.
  4. Производство эфирных масел.
  5. Получение серной кислоты.
  6. Преобразование растительного масла в маргарин и другие продукты питания.
  7. Фильтрация выхлопных газов.

Без применения веществ, обладающих каталитическими свойствами, подобные действия требовали бы гораздо больше времени или вообще не выполнялись. В роли катализаторов могут выступать простые и сложные химические соединения, газы, оксиды, различные металлы. Например, реакция, без которой было бы невозможно комфортное управление транспортным средством – снижение уровня токсичности выхлопных газов – требует наличия редких драгметаллов. Остановимся на этом процессе более подробно.

Автомобильные катализаторы

Применение автокатализаторов – важнейшее условие сохранения окружающей среды. Эти устройства устанавливаются за коллектором выхлопной системы или перед глушителем, и представляют собой пористую конструкцию, обработанную напылением из драгоценных металлов. Именно платина, палладий, родий обеспечивают запчасти каталитические свойства. Вступая в реакцию с отработанными выхлопными газами, эти элементы окисляют вредные вещества:

  • Углеводороды, из-за которых выхлопы имеют неприятный запах.
  • Оксиды азота. Эти вещества считаются первой причиной появления озоновых дыр. Наряду с углеводородами, они образуют едкий смог, негативно влияющий на состояние дыхательной системы человека.
  • Угарный газ – ядовитое соединение, способное привести не только к ухудшению здоровья, но и к летальному исходу.
  • Мелкие частицы сажи, способствующие развитию и возникновению онкологических заболеваний.

В результате контакта с платиносодержащим напылением, токсичные компоненты преобразуются в безвредные для человека углекислый газ, азот и водяной пар. Поэтому использование и своевременная замена автомобильного катализатора – решение каждого ответственного водителя, которому не безразлична экологическая обстановка.

Понравилась информация? Поделись с друзьями

Определение катализатора - Химический словарь

Что такое катализатор?

Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции; следовательно, катализатор может быть восстановлен химически без изменений в конце реакции, которую он использовал для ускорения, или катализатора .


Обсуждение

Чтобы химические вещества вступили в реакцию, их связи должны быть перегруппированы, потому что связи в продуктах отличаются от связей в реагентах.Самый медленный шаг в перегруппировке связи приводит к так называемому переходному состоянию. - химическое соединение, которое не является ни реагентом, ни продуктом, но является промежуточным звеном между ними.

Реагент ⇄ Переходное состояние ⇄ Продукт

Для формирования переходного состояния требуется энергия. Эта энергия называется энергией активации или E a . Чтение приведенной ниже диаграммы слева направо показывает прогресс реакции, когда реагенты проходят через переходное состояние и становятся продуктами.

Преодолевая барьер

Энергию активации можно рассматривать как барьер для химической реакции, барьер, который необходимо преодолеть. Если барьер высокий, немногие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы столкнуться, сформировать переходное состояние и пересечь барьер. Реагенты с энергией ниже E a не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции с более низким E - .Катализаторы снижают энергетический барьер. Другой путь позволяет упростить перегруппировку связей, необходимую для превращения реагентов в продукты, с меньшим потреблением энергии. В любой заданный интервал времени присутствие катализатора позволяет большей части реагентов набрать достаточно энергии, чтобы пройти через переходное состояние и стать продуктами.

Пример 1. Процесс Габера
Процесс Габера, который используется для получения аммиака из водорода и азота, катализируется железом, которое обеспечивает атомные центры, в которых связи реагентов могут легче перестраиваться с образованием переходного состояния.

N 2 (газ) + 3H 2 (газ) ⇌ 2NH 3 (газ)

Пример 2: Ферменты
В нашем организме и в других живых существах ферменты используются для ускорения биохимических реакций. Фермент - это разновидность катализатора. Сложная жизнь была бы невозможна без ферментов, позволяющих протекать реакциям с подходящей скоростью. Формы ферментов вместе с местами на ферменте, которые связываются с реагентами, обеспечивают альтернативный путь реакции, позволяя конкретным молекулам объединяться для образования переходного состояния с пониженным энергетическим барьером активации.

На схеме ниже длинноцепочечный фермент обеспечивает места для молекул реагентов, которые собираются вместе для образования переходного состояния с низкой энергией активации.

Катализаторы не могут изменить положение химического равновесия - прямая и обратная реакции ускоряются, так что константа равновесия K eq не изменяется. Однако, удаляя продукты из реакционной смеси по мере их образования, на практике можно увеличить общую скорость образования продукта.

.

Что такое катализатор? (с иллюстрациями)

Катализатор - это любое вещество, которое ускоряет химическую реакцию. Он может быть органическим, синтетическим или металлическим. Процесс, при котором это вещество ускоряет или замедляет реакцию, называется катализом.

Ученые часто добавляют катализатор в химический раствор, чтобы вызвать реакцию.

Для любого процесса требуется энергия, известная как энергия активации. Без помощи катализатора количество энергии, необходимое для разжигания конкретной реакции, велико. Когда он присутствует, энергия активации снижается, благодаря чему реакция протекает более эффективно. Вещество обычно работает либо путем изменения структуры молекулы, либо путем связывания с молекулами реагентов, заставляя их объединяться, реагировать и выделять продукт или энергию. Например, для соединения газов кислорода и водорода с образованием воды требуется катализатор.

Катализаторы важны как в лаборатории, так и на производстве и в промышленности.

Без помощи катализатора химические реакции могут никогда не произойти или на их прохождение потребуется значительно больше времени.Когда происходит химическая реакция, сам катализатор не изменяется и не является частью конечного результата. В большинстве случаев его можно использовать снова и снова в последующих реакциях.

Иногда вместо ускорения реакции катализатор замедляет реакцию, которая обычно не происходит или происходит очень медленно.Этот тип вещества является отрицательным катализатором, который также называют ингибитором. Ингибиторы важны в медицине, где они имеют решающее значение при лечении психических заболеваний, высокого кровяного давления, рака и множества других проблем со здоровьем.

Катализатор используется в двух типах условий: химических или биохимических.Наиболее часто в биохимических реакциях используются ферменты. Ферменты - это узкоспециализированные белки, которые ускоряют определенные химические реакции. Они делают жизнь возможной. Например, фермент, содержащийся в слюне, при контакте расщепляет пищу для переваривания. Без этого человеку потребовались бы недели, чтобы переварить нашу пищу.

Катализаторы

также важны в лаборатории, а также в производстве и промышленности.Одним из самых известных является каталитический нейтрализатор, который помогает предотвратить автомобильные выбросы и снизить расход топлива. Удобрения также являются катализаторами, ускоряющими рост растений.

Катализаторы ускоряют химическую реакцию..Катализатор

| Примеры, определения и факты

Катализатор , в химии, любое вещество, которое увеличивает скорость реакции, но само не потребляется. Ферменты - это природные катализаторы, ответственные за многие важные биохимические реакции.

Полимеризация этилена по Циглеру-Натта

Полимеризация этилена по Циглеру-Натта Газообразный этилен перекачивается под давлением в реакционный сосуд, где он полимеризуется под действием катализатора Циглера-Натта в присутствии растворителя.Из реактора выходит суспензия полиэтилена, непрореагировавшего мономера этилена, катализатора и растворителя. Непрореагировавший этилен отделяется и возвращается в реактор, в то время как катализатор нейтрализуют промывкой спиртом и фильтруют. Избыток растворителя извлекается из бани с горячей водой и рециркулируется, а сушилка обезвоживает влажный полиэтилен до его окончательной порошкообразной формы.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Подробнее по этой теме

Покрытие поверхности: катализаторы и осушители

Еще одним ключевым компонентом покрытий, используемых в низких концентрациях, являются катализаторы и осушители, которые помогают ускорить реакции образования пленки....

Большинство твердых катализаторов представляют собой металлы или оксиды, сульфиды и галогениды металлических элементов и полуметаллических элементов - бора, алюминия и кремния. Газообразные и жидкие катализаторы обычно используются в чистом виде или в сочетании с подходящими носителями или растворителями; твердые катализаторы обычно диспергированы в других веществах, известных как носители катализатора.

В общем, каталитическое действие - это химическая реакция между катализатором и реагентом, с образованием химических промежуточных продуктов, которые могут более легко реагировать друг с другом или с другим реагентом с образованием желаемого конечного продукта.Во время реакции между химическими промежуточными продуктами и реагентами катализатор регенерируется. Способы реакций между катализаторами и реагентами широко варьируются, и в твердых катализаторах часто бывают сложными. Типичными из этих реакций являются кислотно-основные реакции, реакции окисления-восстановления, образование координационных комплексов и образование свободных радикалов. С твердыми катализаторами на механизм реакции сильно влияют свойства поверхности, электронная или кристаллическая структура. Некоторые твердые катализаторы, называемые полифункциональными катализаторами, способны взаимодействовать с реагентами более чем в одном режиме; бифункциональные катализаторы широко используются для реакций риформинга в нефтяной промышленности.

Катализируемые реакции составляют основу многих промышленных химических процессов. Производство катализаторов само по себе является быстрорастущим промышленным процессом.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Каталитические процессы и их катализаторы
процесс катализатор
синтез аммиака утюг
производство серной кислоты оксид азота (II), платина
крекинг нефти цеолиты
гидрирование непредельных углеводородов никель, платина или палладий
окисление углеводородов в автомобильных выхлопах оксид меди (II), оксид ванадия (V), платина, палладий
Изомеризация н-бутана в изобутан хлорид алюминия, хлористый водород
.

видов катализа

Катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Обычно все присутствует в виде газа или содержится в одной жидкой фазе. Примеры содержат по одному из них. . .

Примеры гомогенного катализа

Реакция между персульфат-ионами и иодид-ионами

Это реакция раствора, которую вы можете встретить только в контексте катализа, но это прекрасный пример!

Персульфат-ионы (пероксодисульфат-ионы), S 2 O 8 2- , являются очень сильными окислителями.Иодид-ионы очень легко окисляются до йода. И все же реакция между ними в растворе в воде очень медленная.

Если вы посмотрите на уравнение, легко понять, почему это так:

Для реакции требуется столкновение двух отрицательных ионов. Этому серьезно помешает отталкивание!

Катализированная реакция полностью устраняет эту проблему. Катализатором могут быть ионы железа (II) или железа (III), которые добавляются в один и тот же раствор.Это еще один хороший пример использования соединений переходных металлов в качестве катализаторов из-за их способности изменять степень окисления.

Для аргументации в качестве катализатора примем ионы железа (II). Как вы вскоре увидите, на самом деле не имеет значения, используете ли вы ионы железа (II) или железа (III).

Ионы персульфата окисляют ионы железа (II) до ионов железа (III). В процессе ионы персульфата восстанавливаются до ионов сульфата.

Ионы железа (III) являются достаточно сильными окислителями, чтобы окислять иодид-ионы до йода.В процессе они снова восстанавливаются до ионов железа (II).

Обе эти отдельные стадии в общей реакции включают столкновение между положительными и отрицательными ионами. Это будет гораздо более успешным, чем столкновение двух отрицательных ионов в некаталитической реакции.

Что произойдет, если в качестве катализатора использовать ионы железа (III) вместо ионов железа (II)? Просто реакции происходят в другом порядке.

 

Разрушение атмосферного озона

Это хороший пример гомогенного катализа, где все присутствует в виде газа.

Озон, O 3 , постоянно образуется и снова распадается в высоких слоях атмосферы под действием ультрафиолетового света. Обычные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и распадаются на отдельные атомы кислорода. Они имеют неспаренные электроны и известны как свободные радикалы . Они очень реактивны.

Кислородные радикалы могут затем соединяться с обычными молекулами кислорода с образованием озона.

Озон также можно снова разделить на обычный кислород и кислородный радикал, поглощая ультрафиолетовый свет.

Это образование и распад озона происходит постоянно. Взятые вместе, эти реакции останавливают большое количество вредного ультрафиолетового излучения, проникающего в атмосферу и достигающего поверхности Земли.

Каталитическая реакция, в которой мы заинтересованы, разрушает озон и, таким образом, останавливает поглощение им ультрафиолета.

Хлорфторуглероды (CFC), такие как CF 2 Cl 2 , например, широко использовались в аэрозолях и в качестве хладагентов.При их медленном распаде в атмосфере образуются атомы хлора - свободные радикалы хлора. Они катализируют разрушение озона.

Это происходит в два этапа. В первом случае озон расщепляется и образуется новый свободный радикал.

Катализатор на основе хлор-радикала регенерируется второй реакцией. Это может происходить двумя способами в зависимости от того, попадает ли радикал ClO в молекулу озона или радикал кислорода.

Если он попадает в кислородный радикал (образованный в результате одной из реакций, которые мы рассмотрели ранее):

Или, если он попадает в молекулу озона:

Поскольку радикал хлора продолжает регенерироваться, каждый из них может разрушить тысячи молекул озона.

.

Катализаторы BASF | Главная | Катализаторы BASF

Подразделение катализаторов BASF со штаб-квартирой в Изелине, Нью-Джерси, США, является ведущим мировым поставщиком экологических и технологических катализаторов. В группе работает более 5000 человек, на более чем 30 производственных площадках по всему миру.

Как глобальное подразделение BASF SE, Людвигсхафен, Германия, Catalysts предлагает исключительный опыт в разработке технологий, которые защищают воздух, которым мы дышим, производят топливо, которое питает наш мир, и обеспечивают эффективное производство широкого спектра химикатов, пластмасс и других материалов. продукты, включая современные аккумуляторные материалы.

Подразделение катализаторов BASF является лидером на мировом рынке катодных активных материалов с высокой плотностью энергии для автомобильной промышленности.

Мы разрабатываем и производим мобильные катализаторы выбросов, а также технологические катализаторы и технологии для широкого круга клиентов по всему миру.Подразделение катализаторов также предоставляет услуги по закупке и продаже драгоценных металлов и сопутствующие услуги. Мы продолжаем расширять нашу ведущую роль в технологии катализаторов за счет непрерывных инноваций в процессах и продуктах. BASF также является ведущим поставщиком активных катодных материалов (CAM) для производителей аккумуляторов для электрифицированных транспортных средств по всему миру. Ознакомьтесь с информационным бюллетенем Catalysts для получения дополнительной информации.

Непосредственная близость к нашим клиентам

По всему миру: Ищете список наших производственных площадок, научно-исследовательских и технологических центров, главных офисов и штаб-квартир?

.

Определение катализатора | Chegg.com


Катализаторы - это химические соединения, способные изменять скорость химической реакции. Это указывает на то, что катализаторы могут увеличивать или уменьшать скорость химической реакции. Катализаторы, используемые в реакции, не должны претерпевать никаких химических изменений во время химической реакции. Чаще всего скорость химической реакции увеличивается за счет уменьшения энергии активации реакции катализатором.
Существуют различные типы катализаторов в зависимости от фазы частиц, участвующих в реакции, и фазы катализаторов, влияния на скорость химической реакции и так далее.
Примеры катализаторов:
  • Все биологические реакции имеют меньшую энергию активации, поскольку ферменты действуют как катализаторы.
  • Процесс Габера, в котором аммиак производят из газообразного азота и газообразного водорода в присутствии железа в качестве катализатора

Положительные катализаторы:
Катализаторы, которые увеличивают скорость химической реакции, известны как положительные катализаторы. Эти катализаторы увеличивают скорость химической реакции за счет уменьшения энергии активации реакции.Например:
  • В качестве примера взята реакция превращения диоксида серы в триоксид серы в присутствии платины в качестве катализатора. В этой реакции добавление платины в качестве катализатора увеличивает скорость реакции.


Отрицательные катализаторы:
Катализаторы, снижающие скорость химической реакции, известны как отрицательные катализаторы. Эти катализаторы снижают скорость химической реакции за счет увеличения энергии активации реакции.Отрицательные катализаторы также известны как ингибиторы. Например:
  • Разложение перекиси водорода в присутствии ацетанилида.

Автокатализаторы:
В некоторых реакциях любой из продуктов, образующихся в реакции, будет действовать как катализатор. Эти катализаторы известны как автокатализаторы. Первоначально эти реакции будут медленными, а по мере протекания реакции будут ускоряться.
  • Перманганатное окисление щавелевой кислоты - это автокатализируемая реакция, в которой ион действует как автокатализатор.


Индуцированные катализаторы:
Соединения, которые могут изменять скорость химической реакции в необычных условиях, являются индуцированными катализаторами.
  • Арсенит натрия плохо окисляется на воздухе, в отличие от раствора сульфита натрия. Смешивание обоих растворов приведет к окислению растворов.

Какие бывают типы катализаторов?
Существуют разные типы катализаторов в зависимости от фазы частиц, участвующих в реакции, и фазы катализаторов.Они приведены ниже:
Это тип катализатора, в котором он находится в одной фазе с реакционной смесью. Высокая гомогенность реакционной смеси и катализатора приводит к селективности и высокой реакционной способности реакции даже в мягких условиях. Примеры этого класса катализаторов включают металлоорганические комплексы, переходные металлы, органокатализаторы и так далее. Реакции, протекающие в присутствии гомогенных катализаторов, известны как гомогенный катализ. Некоторые из реакций гомогенного катализа - это метатезис, карбонилирование, гидрирование и так далее.
Это тип катализатора, в котором он находится в другой фазе с реакционной смесью. Реакции, протекающие в присутствии гетерогенных катализаторов, известны как реакции гетерогенного катализа. Примеры этого класса катализаторов включают процесс Фишера – Тропша, процесс Габера и так далее. Извлечение фермента и легкое отделение образующихся продуктов делают гетерогенные катализаторы для использования в промышленности. Гетерогенный катализ - это в основном поверхностное явление, поэтому твердый гетерогенный катализатор следует использовать в порошковой форме.
  • Гетерогенизированный гомогенный катализатор:

Гетерогенные катализаторы не эффективны по реакционной способности и селективности во всех реакциях. Поэтому гомогенные катализаторы включают в твердые вещества, чтобы получить их гетерогенные аналоги. Это делается для того, чтобы получить доминирующие свойства обоих катализаторов.
Это катализаторы, которые могут катализировать определенные реакции, происходящие вне живой клетки. Биокатализаторы получают из живых клеток, и обычно используемые биокатализаторы представляют собой ферменты, нуклеиновые кислоты и так далее.Например, в хлебопекарной промышленности (в хлебопекарной промышленности размягчение хлеба можно производить с помощью амилазы), в текстильной промышленности (в текстильной и бумажной промышленности крахмал можно удалить с помощью амилазы) и так далее.
Почему катализаторы понижают энергию активации?
Катализаторы - это химические соединения, способные изменять скорость химической реакции. Это указывает на то, что катализаторы могут увеличивать или уменьшать скорость химической реакции. Катализаторы, используемые в реакции, не должны претерпевать никаких химических изменений во время химической реакции.
Энергия активации может быть определена как возможное количество энергии, необходимое для начала реакции, или как энергия, доступная для протекания химической реакции. Энергию активации реакции можно рассчитать, если известны энергия реагентов и переходное состояние. Переходное состояние также известно как активированный комплекс, образующийся в результате реакции. Активированный комплекс или переходное состояние - это наивысшее энергетическое состояние системы. Разница в энергии реагентов и достигнутого переходного состояния и есть энергия активации реакции.
Катализаторы чаще всего используются для увеличения скорости реакции за счет уменьшения энергии активации реакции. Существуют различные механизмы, с помощью которых катализаторы снижают энергию активации. Катализаторы ориентируют молекулы реагента таким образом, чтобы выполнять более эффективные столкновения. Во время столкновений молекулы реагента сталкиваются быстрее с высокой энергией. В дополнение к этому, катализатор образует промежуточное соединение с сформированным переходным состоянием, которое имеет более низкую энергию, чем переходное состояние, не затронутое катализатором.Это помогает молекулам реагентов превращаться в продукты за счет меньшего количества энергии активации в присутствии катализаторов.
Что такое положительный катализатор; привести примеры?
Катализаторы - это химические соединения, способные изменять скорость химической реакции. Это указывает на то, что катализаторы могут увеличивать или уменьшать скорость химической реакции. Катализаторы, используемые в реакции, не должны претерпевать никаких химических изменений во время химической реакции.
Катализаторы, увеличивающие скорость химической реакции, известны как положительные катализаторы.Эти катализаторы увеличивают скорость химической реакции за счет уменьшения энергии активации реакции. Энергия активации может быть определена как возможное количество энергии, необходимое для начала реакции, или это энергия, доступная для протекания химической реакции. Энергию активации реакции можно рассчитать, если известны энергия реагентов и переходное состояние.
Примеры, в которых действует положительный катализатор, приведены ниже:
  • В качестве примера взята реакция превращения диоксида серы в триоксид серы в присутствии платины в качестве катализатора.В этой реакции добавление платины в качестве катализатора увеличивает скорость реакции.

  • Другой пример - разложение хлората калия с образованием хлорида калия и кислорода. Здесь действует как положительный катализатор.

  • Процесс Габера, в котором аммиак производят из газообразного азота и газообразного водорода в присутствии железа в качестве катализатора. Здесь железо действует как положительный катализатор, увеличивая скорость реакции.

  • Каталитическое гидрирование этена с образованием этана в присутствии никеля в качестве катализатора.В этой реакции никель действует как положительный катализатор, который увеличивает скорость реакции.

.

Смотрите также