Участие катализатора в химической реакции. Катализ и катализаторы

Одно из наиболее эффективных воздействий на химические реакции – это применение катализатора. Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Присутствие катализаторов изменяет скорость реакции в тысячи и даже миллионы раз. Катализаторы активно участвуют в химической реакции, но в отличие от реагентов в конце ее остаются неизменными.

– это вещества, которые изменяют скорость протекания реакции, но сами не расходуются в ходе реакции и не входят в состав конечных продуктов.

Важной характеристикой каталитической реакции (катализа) является однородность или неоднородность катализатора и реагирующих веществ. Различают гомогенные и гетерогенные каталитические процессы. При гомогенном (однородном) катализе между реагирующими веществами и катализатором отсутствует поверхность раздела. В данном случае катализ осуществляется через образование неустойчивых промежуточных продуктов.

Например, вещество A должно вступить в реакцию с веществом B. Однако для начала реакции необходимо сильное нагревание, и реакция далее протекает медленно. Тогда подбирают катализатор с таким расчетом, чтобы он с веществом A образовал активное промежуточное соединение, способное потом энергично реагировать с веществом B:

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

Процессы, в которых катализатор и катализируемые вещества находятся в разных агрегатных состояниях, относятся к гетерогенному (неоднородному) катализу. При адсорбции на поверхности катализатора газообразных или жидких реагентов ослабляются химические связи, возрастает способность этих веществ к взаимодействию.

Ускоряющее действие катализатора заключается в понижении энергии активации основной реакции. Каждый из промежуточных процессов с участием катализатора протекает с меньшей энергией активации, чем некатализируемая реакция. Катализ открывает иной пут протекания химической реакции от исходных веществ к продуктам реакции.

Опыт показывает, что катализаторы строго специфичны для конкретных реакций. Например, в реакции:

N 2 +3H 2 = Fe 2NH 3

Катализатором является металлическое железо, а в реакции окисления оксида серы(IV) в оксид серы(VI) катализатор – оксид ванадия(V) V 2 O 5 . Часто в качестве катализаторов используют платину, никель, палладий, оксид алюминия. Для ускорения процесса разложения пероксида водорода в качестве катализатора применяют оксид марганца(IV). Если в стакан с раствором пероксида водорода добавить немного оксида марганца(IV), сразу происходит бурное вспенивание жидкости в результате выделения кислорода.

Катализатором реакции взаимодействия алюминия и йода является обычная вода. Если к смеси алюминия и йода прилить воду, то вещества в смеси бурно реагируют.

Существуют вещества, способные замедлять химическую реакцию – осуществлять так называемый отрицательный катализ. Их называют ингибиторами. Такие вещества применяют при необходимости замедлит некоторые процессы, например коррозию металлов, окисление сульфидов при хранении и др.

При попытке поджечь сахар он будет плавиться и обугливаться Положите на сахар горку пепла, который будет служить катализатором С пеплом сахар загорится! Сахар горит, если на него посыпать пеплом! При отсутствии пепла (катализатора) - сахар только обугливается Окисление спирта в присутствии медного катализатора

Вы когда-нибудь пробовали поджечь сахар? Казалось бы, сильно экзотермическая реакция С 12 Н 22 О 11 +12О 2 →12СО 2 +11Н 2 О должна идти легко. Не тут-то было - при сильном нагреве сахар плавится, приобретает коричневую окраску и запах карамели, но не загорается. И всё же сжечь сахар можно. Для этого надо посыпать его табачным пеплом и внести в пламя - тогда сахар загорится. Такое же воздействие на эту реакцию оказывают и некоторые другие вещества, например соли лития или оксид хрома (III).

Химические реакции, которые «не желают» протекать сами по себе или идут с очень малой скоростью и требуют дополнительного «стимула» - присутствия веществ, которые в результате реакции остаются неизменными, - происходят повсеместно. Это, во-первых, абсолютно все химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток. Они протекают только в присутствии ферментов , а отсутствие в организме хотя бы одного из них нарушает обмен веществ и чревато тяжёлой болезнью или же просто несовместимо с жизнью.

Кроме того, к таким реакциям относится большинство крупнотоннажных процессов, используемых в химической промышленности. Получение серной кислоты , переработка нефти , синтез аммиака немыслимы без участия «посторонних веществ», называемых катализаторами . Как выглядел бы наш мир без катализаторов? Он был бы гораздо статичнее, ведь многие химические реакции просто не происходили бы. Впрочем, изучать химию всё равно было бы некому: жизнь в таком мире появиться не может.

Катализаторы позволяют проводить химические процессы при гораздо более мягких условиях. А кроме того, в присутствии катализаторов идут реакции, которые вообще невозможны без их участия ни в каких условиях.

При этом количество катализатора, необходимое для превращения огромной массы реагентов в продукты реакции, несоизмеримо мало. Одна молекула фермента катализирует разложение 5 млн. молекул сахара за 1 с!

Катализ и его секреты

Но в чём скрыта тайна веществ - катализаторов ? Давайте разберёмся, почему сахар и другие органические вещества самопроизвольно не превращаются в углекислый газ и воду - гораздо более энергетически выгодные (говорят ещё «термодинамически устойчивые») соединения. Разве это не удивительно? Ведь если положить, скажем, шарик на вершину горки, он тут же займёт более энергетически выгодное положение - скатится вниз. Если же его оградить барьером, он скатиться не сможет. Чтобы оказаться внизу и тем самым уменьшить свою потенциальную энергию, шарику нужно преодолеть барьер, а для этого ему нужно подвести дополнительную энергию.

Все существующие химические вещества, даже весьма термодинамически неустойчивые, окружены на своих энергетических «вершинах» подобными барьерами. Порой энергия, необходимая для их преодоления, сравнима с кинетической энергией теплового движения молекул. Тогда достаточно простого смешения реагентов - и реакция происходит при комнатной температуре. Нагревая реакционную смесь, можно преодолеть барьер чуть повыше. Но иногда он слишком высок, и в этом случае придётся или искать способы доставки необходимой энергии молекулам реагентов, или попытаться обойти энергетический барьер.

Как это сделать? Оказывается, катализатор может, подобно опытному проводнику, хорошо знающему местность, повести реакцию по совершенно иному пути. При этом её механизм претерпевает сильные изменения. Существует масса способов обойти энергетическую «гору». Каждый катализатор , работающий в конкретной реакции, выбирает для процесса свой путь. При этом новый маршрут может быть гораздо длиннее изначального: число промежуточных стадий и продуктов реакции иногда возрастает в несколько раз. Но зато количество энергии, требуемое на каждой стадии, оказывается существенно меньше, чем в отсутствие «проводника». В итоге, пройдя более длинный путь при помощи катализатора, реакция даёт желаемый результат значительно быстрее.

Однако «постороннее вещество» может воздействовать на ход реакции и противоположным образом: привести её к труднопреодолимому энергетическому барьеру. Тогда процесс замедляется. Такой «отрицательный» катализ называется ингибированием (от лат. inhibeo - «останавливаю», «сдерживаю»), а «катализаторы, действующие наоборот» - ингибиторами .

Зачем нужно замедлять скорость реакции? Существуют процессы, которые необходимы человеку, а также существуют такие процессы, проведение которых может пагубно сказаться как на человека, так и на предметах его обихода и окружающей среде. например появление ржавчины - коррозия металлов , гниение продуктов питания. Такими реакциями могут быть взрывы различных химических веществ, которые чувствительны к движению или сотрясению. Нужно учитывать, что химические реакции, в результате которых образуется лишь одно вещество - достаточно редкие. В основном при реакциях образуется более одного вещества. Особенно ярко такое явление наблюдается в органической химии.

В организмах живых существ и множестве других процессах, протекающих в нашей среде обитания часто необходимо, чтобы в процессе реакции получалось только одно нужное нам вещество или продукт реакции. Именно в этом случае применяется катализ . Грамотный подбор катализатора позволяет проводить химические процессы только в нужном для нас направлении и с получением требуемого нам вещества, при этом исключая выход других побочных эффектов реакции.

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализаторов – , 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 и между ними отсутствует поверхность раздела. Пример гомогенного катализа – реакция окисления SO 2 и SO 3 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 NN 3 до NO в присутствии Pt (катализатор – твердое вещество).

Механизм действия катализаторов

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

Так, для реакции 2 HI = H 2 + I 2 Е а(исх) =184 кДж/моль. Когда же эта реакция протекает в присутствии катализатора Au или Pt , то Е а(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:

SO 2 +1/2 O 2 = SO 3 протекает очень медленно, а если использовать катализатор NO

то реакции NO +1/2О 2 = NO 2 и NO 2 + SO 2 = SO 3 + 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 KAlO 2 .

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 AlO 3 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.

Инициирующие химические реакции за счёт промежуточных химических взаимодействий с участниками реакции и восстановления своего химического состава после каждого цикла таких промежуточных взаимодействий (смотри в статье Катализ). По способу организации и фазовому составу реакционной системы принято различать гетерогенные и гомогенные катализаторы, а также катализаторы биологического происхождения - ферменты. В гетерогенном катализе катализаторы иногда называют контактами.

В общем случае носителем каталитической активности катализаторов (смотри в статьях Гетерогенный катализ, Гомогенный катализ) обычно является вещество, непосредственно вступающее в химическое взаимодействие, по крайней мере, с одним из исходных реагентов с образованием нестойких (в условиях проведения каталитической реакции) химических соединений, - активный компонент катализатора (для твёрдых гетерогенных катализаторов часто каталитическая активная фаза). Механизмы действия катализаторов достаточно разнообразны и зависят от типа осуществляемой каталитической реакции и природы вещества активного компонента катализатора; химическая природа активного компонента катализаторов также может быть самой разнообразной. Массовая доля активного компонента в катализаторах может варьировать от 100% до весьма малых величин (десятые доли процента).

Основными характеристиками катализаторов являются каталитическая активность, селективность по отношению к целевым продуктам каталитических превращений, специфичность по отношению к реагентам каталитических реакций, стабильность, устойчивость к действию каталитических ядов; для промышленных катализаторов ещё и производительность (количество целевого продукта, полученного за единицу времени на единицу объёма или массы катализатора).

Обычно катализаторы подразделяют по типам каталитических процессов: глубокого и парциального (селективного) окисления, гидрирования, полимеризации, процессов нефтепереработки, органического синтеза и др. Типичными катализаторами окислительно-восстановительных реакций (окисления, гидрирования и пр.) являются переходные элементы в металлическом виде, а также их соли, комплексные соединения, оксиды и сульфиды. Типичными катализаторами кислотно-основных реакций (гидратации, дегидратации, алкилирования, полимеризации, крекинга и пр.) являются жидкие и твёрдые минеральные и органические кислоты и основания, кислые соли, алюмосиликаты, цеолиты и др.

В промышленности предпочитают использовать твёрдые гетерогенные катализаторы вследствие лёгкости их отделения от реакционной среды и возможности работы при повышенных температурах. Активный компонент (каталитически активная фаза) многих промышленных гетерогенных катализаторов является высокодисперсным и нередко нанесённым на прочный пористый носитель (обычно высокопористый углерод, оксид непереходного элемента, например, кремния, алюминия, титана, циркония, и др.). Для увеличения каталитической активности, селективности, химической устойчивости и термостабильности в катализаторы иногда вводят небольшое количество промотора (или активатора) - вещества, которое может не обладать самостоятельной каталитической активностью.

Твёрдые промышленные катализаторы должны обладать высокими каталитической активностью, специфичностью по отношению к заданной реакции, селективностью по отношению к целевому продукту, механической прочностью, термостойкостью, определённой теплопроводностью. Промышленные катализаторы должны быть также стойкими по отношению к дезактивации - снижению или полному подавлению их каталитической активности. Дезактивация катализаторов может происходить за счёт спекания или механического разрушения (например, истирания) активного компонента и/или вещества носителя, блокировки активных центров побочными продуктами процесса - плотными углеродными отложениями (коксом), смолистыми веществами и пр., отравления каталитическими ядами. Действие каталитических ядов обычно обусловлено блокировкой наиболее активных участков активного компонента катализаторов за счёт прочной хемосорбции и поэтому проявляется даже при наличии малых количеств ядов. Типичными каталитическими ядами являются соединения серы, азота, фосфора, мышьяка, свинца, ртути, цианистые соединения, кислород, монооксид углерода, производные ацетилена, иногда вода и др. В промышленности для предотвращения отравления катализаторов производят глубокую предварительную очистку реагирующих веществ от каталитических ядов. В промышленных каталитических процессах для восстановления каталитической активности катализаторы после их дезактивации регенерируют. Регенерацию катализаторов осуществляют, например, выжиганием кокса и смолистых веществ, промыванием водой или специально подобранными растворителями.

Каталитическая активность твёрдого катализатора зависит от величины и состояния доступной для реагентов поверхности катализатора, формы, размера и профиля пор катализатора (то есть его текстуры), что определяется способом приготовления катализатора и его предварительной обработкой. В условиях отсутствия диффузионных ограничений активность твёрдого катализатора прямо пропорциональна такой поверхности. Поэтому большинство промышленных гетерогенных катализаторов имеет развитую удельную поверхность, вплоть до нескольких сотен м 2 на 1 г катализатора. Наиболее распространёнными методами получения активных твёрдых катализаторов являются осаждение гидроксидов и карбонатов металлов из растворов солей или комплексных соединений с последующим термическим разложением осадка до оксидов, разложение иных соединений на воздухе до оксидов, сплавление нескольких веществ с последующим выщелачиванием одного из них (так называемые сплавные, или «скелетные», катализаторы), а также нанесение активного компонента катализатора на носитель методом пропитки или из газовой фазы с последующей активацией катализатора. Типичными процедурами активации катализаторов являются их восстановление водородом, сульфидирование с помощью различных серосодержащих соединений и т.п.; для некоторых типов катализаторов используется термоактивация, осуществляемая с помощью прогрева катализатора до температуры формирования активной фазы. Механически прочные катализаторы изготавливают в виде прессованных таблеток, а также полученных специальными методами гранул, шариков, сплошных и полых цилиндров (колец Рашига), различного рода экструдатов и пр. В ряде случаев для снижения аэро- или гидродинамического сопротивления слоя катализаторов им придают и более специфические формы. Например, каталитические нейтрализаторы автомобильных выхлопов обычно изготавливают в виде керамических или металлических «сотовых» блоков со множеством параллельных каналов вдоль потока очищаемого газа. В промышленности применяют также суспензии катализаторов в жидкой фазе (суспензионный процесс) и пылевидные катализаторы, которые в ходе реакции оказываются взвешенными в парах компонентов реакции (так называемый флюид-процесс).

Стоимость катализатора зависит от его химического состава, способа приготовления и варьирует от 0,5 до нескольких тысяч долларов США за 1 кг катализатора. Тем не менее, в стоимости готовой продукции, полученной с помощью промышленных катализаторов, стоимость катализатора обычно составляет не более 0,1-1%.

Промышленные гетерогенные катализаторы являются мало- или среднетоннажной продукцией. Общий объём их годового потребления в России около 100 тысяч тонн.

Литературу смотри при статье Катализ.

Катализаторы обеспечивают более быстрый исход любой химической реакции. Реагируя с исходными веществами реакции, катализатор образует с ними промежуточное соединение, после чего это соединение подвергается преобразованию и в итоге распадается на необходимый конечный продукт реакции, а также на неподвергшийся изменениям катализатор. После распада и образования необходимого продукта катализатор снова вступает в реакцию с исходными реагентами, образуя все большее количество исходного вещества. Данный цикл может повторяться миллионы раз, и если извлечь катализатор из группы реагентов, реакция может длиться в сотни и тысячи раз медленнее.

Катализаторы гетерогенными и гомогенными. Гетерогенные катализаторы в ходе химической реакции образуют самостоятельную фазу, которая отделена разделяющей границей от фазы исходных реагентов. Гомогенные катализаторы, напротив, являются частью одной и той же фазы с исходными реагентами.

Существуют катализаторы органического происхождения, которые участвуют в брожении и созревании, они называются ферментами. Без их непосредственного участия человечество не смогло бы получать большую часть спиртных напитков, молочнокислых продуктов, продуктов из теста, а также мед и . Без участия ферментов был бы невозможен обмен веществ у живых организмов.

Требования к веществам катализаторам

Катализаторы, которые широко применяются в промышленном производстве, должны обладать целым рядом свойств, необходимых для успешного завершения реакции. Катализаторы должны быть высокоактивными, селективными, механически прочными и термоустойчивыми. Они должны обладать продолжительным действием, легкой регенерацией, устойчивостью к каталитическим ядам, гидродинамическими свойствами, а также небольшой ценой.

Современное применение промышленных катализаторов

В нынешнем высокотехнологическом производстве катализаторы применяются при крекинге нефтепродуктов, получении ароматических углеводородов и высокооктанового , получении чистого водорода, кислорода или инертных газов, синтезе аммиака, получении и серной кислоты без дополнительных затрат. Также катализаторы широко применяются для получения азотной кислоты, фталевого ангидрида, метилового и спирта и ацетальдегида. Наиболее широко применяемые катализаторы – это металлическая платина, ванадий, никель, хром, железо, цинк, серебро, алюминий и палладий. Также довольно часто применяются некоторые соли этих металлов.

Главная » Транскрипции » Участие катализатора в химической реакции. Катализ и катализаторы