Каталитични реакции: определение, описание, примери
Тази статия ще обсъди каталитичните реакции. Читателят ще се запознае с общата идея на катализаторите и тяхното въздействие върху системата, а също така ще бъдат описани типове реакции, особености на техния курс и много други.
Въведение в катализа
Преди да се запознаете с каталитичните реакции, си струва да знаете какво е катализа.
Това е селективен процес на ускорение, специфична термодинамично позволена посока на реакцията, която е изложена на катализатор. Той е включен многократно във взаимодействието на химическата природа и ефекта върху участниците в реакцията. В края на всеки междинен цикъл катализаторът възобновява първоначалната си форма. Концепцията за катализатор е въведена в обращение от J. Barcelius и Jens през 1835 г.
Обща информация
Катализата е широко разпространена в природата и се използва универсално от човека в технологичната индустрия. Огромното мнозинство от всички реакции, използвани в промишлеността, са каталитични. Има концепция за автокатализа - явление, при което ускорителят действа като реакционен продукт или е част от изходните съединения.
Всички видове химични взаимодействия на реагентите се разделят на каталитични и некаталитични реакции. Ускоряването на реакциите, включващи катализатори, се нарича положителна катализа. Забавянето на скоростта на взаимодействие се осъществява с участието на инхибитори. Реакциите са отрицателно каталитични по природа.
Каталитичната реакция е не само начин за увеличаване на производителната мощност, но и възможност, която подобрява качеството на продукта. Това се дължи на способността на специално подбрано вещество да ускори основната реакция и да забави скоростта паралелно.
Каталитичните реакции също намаляват енергийните разходи, които консумират оборудване. Това се дължи на факта, че ускорението позволява процесът да продължи при условия на по-ниска температура, което би било необходимо без неговото присъствие.
Пример за каталитична реакция е производството на ценни предмети като: азотна киселина, Тези процеси са най-широко използвани в производството на алдехиди, феноли, различни пластмаси, смоли и каучуци и др.
Разнообразие от реакции
Същността на катализа е в превръщането на механизма на реакцията в най-печелившия вариант. Това става възможно чрез намаляване на енергията на активиране.
Катализаторът образува слаб химическа връзка със специфична молекула реагент. Това ви позволява да улесните реакцията с друг реагент. Веществата, които са каталитични, не влияят върху изместването на химичното равновесие, тъй като те действат обратимо в двете посоки.
Катализа се разделя на два основни типа: хомогенни и хетерогенни. Обща характеристика на всички взаимодействия от първия тип е, че катализаторът е в обща фаза с реагента на самата реакция. Вторият тип има разлика в този момент.
Хомогенните каталитични реакции показват, че ускорителят, взаимодействащ с конкретно вещество, образува междинно съединение. Това допълнително ще намали количеството енергия, необходимо за активиране.
Хетерогенната катализа ускорява процеса. По правило тече по повърхността на твърдите вещества. В резултат на това способностите на катализатора и неговата активност се определят от размера на повърхността и индивидуалните свойства. Хетерогенната каталитична реакция има по-сложен механизъм на работа, отколкото хомогенна. Механизмът му включва 5 етапа, всеки от които може да бъде обратим.
На първия етап започва дифузията на взаимодействащите реагенти с твърдата област, след което се извършва адсорбция с физическа природа, последвана от хемосорбция. В резултат на това започва третият етап, при който реакцията започва да се осъществява между молекулите на реагиращите вещества. На четвъртия етап се наблюдава десорбция на продукта. На петия етап крайното вещество дифундира в общите потоци от равнината на катализатора.
Каталитични материали
Има концепция за носител на катализатор. Това е материал от инертен или нискоактивен тип, необходим за привеждане на частицата, участваща в катализната фаза, до стабилно състояние.
Необходимо е хетерогенно ускорение, за да се предотвратят процесите на синтероване и агломерация на активните компоненти. В преобладаващия брой случаи броят на носителите надвишава наличието на прилагания компонент от активен тип. Основният списък от изисквания, които носителят трябва да притежава, включва голяма площ и порьозност на повърхността, термична стабилност, инертност и устойчивост на механични напрежения.
Химическа основа. Химията на ускоряване на взаимодействието между веществата ни позволява да разграничим два вида вещества, а именно катализатори и инхибитори. Последният от своя страна забавя скоростта на реакцията. Един от видовете катализатори са ензими.
Катализаторите не влизат в стехиометрично отношение с продукта на самата реакция и в крайна сметка винаги се регенерират. В днешно време има много начини да се повлияе на процеса на молекулярна активация. Въпреки това, катализа е основата на химическото производство.
Естеството на катализаторите им позволява да се разделят на хомогенни, хетерогенни, интерфазни, ензимни и мицеларни. Химическата реакция с участието на катализатора ще намали разходите за енергия, необходима за нейното активиране. Например, некаталитичното разлагане на NH3 до азот и водород ще изисква около 320 kJ / mol. Същата реакция, но под влиянието на платина, ще намали този брой до 150 kJ / mol.
Процес на хидрогениране
Преобладаващият брой реакции, включващи катализатори, се основава на активирането на водородния атом и на специфична молекула, което допълнително води до взаимодействие на химичната природа. Това явление се нарича хидрогениране. Тя е в основата на повечето етапи на рафиниране и създаване на течно гориво от въглища. Производството на последната бе открито в Германия поради липсата на петролни залежи в страната. Създаването на такова гориво се нарича процес на Bergius. Състои се от директна комбинация от водород и въглища. Въглищата се нагряват при определени условия на налягане и водород. В резултат се получава течен продукт тип. Катализаторите са железни оксиди. Но понякога те използват вещества, базирани на метали като молибден и калай.
Има и друг начин да се произведе същото гориво, което се нарича процес Фишер-Тропш. Той се състои от два етапа. На първия етап въглищата се подлагат на газификация, като се обработват с взаимодействие на водни пари и О2. Тази реакция води до образуването на водородна смес и въглероден оксид. След това, като се използват катализатори, сместа се прехвърля в течно гориво.
Връзката между киселинността и каталитичните способности
Каталитичната реакция е явление в зависимост от киселинните свойства на самия катализатор. В съответствие с определението на J. Brønsted, киселина е вещество, което може да даде протони. Силна киселина лесно ще се откаже от своя протон към основата. G. Lewis определя киселината като вещество, способно да приема електронни двойки от донорните вещества и в резултат на това да образува ковалентна връзка. Тези две идеи позволяват на човека да определи същността на механизма на катализа.
Силата на киселина се определя, като се използват комплекти бази, които могат да променят цвета си, поради добавянето на протон. Някои каталитични вещества, използвани в промишлеността, могат да се държат изключително силни киселини. Тяхната сила определя скоростта на протониране и затова е много важна характеристика.
Киселинната активност на катализатора се дължи на способността му да реагира с въглеводороди, образувайки по този начин междинен продукт - карбениев йон.
Процес на дехидратация
Дехидрогенирането също е каталитична реакция. Често се използва в различни индустриални сектори. Въпреки че каталитичните процеси, основани на дехидрогениране, се използват по-рядко от реакциите на хидрогениране, те все пак заемат важно място в човешката дейност. Пример за този тип каталитична реакция е производството на стирен, важен мономер. Първо, дехидрогенирането на етилбензола става с участието на вещества, съдържащи железен оксид. Човек често използва това явление, за да дехидратира много алкани.
Двойно действие
Има катализатори с двойно действие, способни да ускорят реакцията на два вида едновременно. В резултат на това се получават по-добри резултати, в сравнение с предаването на реагентите последователно през 2 реактора, съдържащи само един вид катализатори. Това се дължи на факта, че активният център на ускорителя с двойно действие е в близко положение с друг подобен център, както и с междинен продукт. Добър резултат е например комбинирането на катализатори, които активират водород с вещество, което позволява процесът на изомеризация на въглеводороди да продължи. Активирането често се извършва от метали, а изомеризацията продължава с участието на киселини.
Специфичност на основните каталитични реакции
Способността и ефективността на катализатора се дължи и на неговите основни свойства. Ярък пример е натриевият хидроксид, който се използва по време на хидролизата на мазнините за получаване на сапун. Тези типове катализатори се използват и при производството на пенопласти и полиуретанови плочи. Уретана се получава при взаимодействието на алкохол и изоцианат. Ускоряването на реакцията протича при излагане на специфичен базичен амин. Основата е прикрепена към въглеродния атом, съдържащ се в изоцианатната молекула. В резултат на това азотният атом става отрицателно зареден. Това води до повишена активност по отношение на алкохола.
Стереоспецифична полимеризация
Откриването на полимеризация на олефин с последващо производство на стереорегуларни полимерни вещества е от голямо историческо значение в историята на изследването на катализа. Откритието на катализатори, характеризиращи се със стереоспецифична полимеризация, принадлежи на К. Ziegler. Работата на Циглер върху производството на полимери интересува Дж. Ната, който предполага, че уникалността на полимера трябва да се определя от стереорегуларността му. Голям брой експерименти, включващи дифракционни рентгенови лъчи, показаха, че полимерът, получен от пропилена под влиянието на катализатор на Циглер е силно кристален. Ефектът от действието е стереорегулиран.
Реакции от този тип се извършват в равнината на твърд катализатор, съдържащ преходни метали като Ti, Cr, V, Zr. Те трябва да са в непълно окисление. Ярък пример е уравнението на каталитичната реакция между взаимодействащите TiCl4 и Al (C2H5) 3 , при които се образува утайка. Тук титанът се възстановява до 3-съвместимо състояние. Този тип активна система прави възможно полимеризацията на пропилена при нормални условия на температура и налягане.
Окисляване в каталитична реакция
Каталитичните окислителни реакции се използват широко от хората, поради способността на определени вещества да регулират скоростта на самата реакция. Някои случаи изискват пълно окисление, например неутрализиране на СО и замърсяване, съдържащо въглеводороди. Обаче по-голямата част от реакциите изискват непълно окисление. Това е необходимо за промишленото производство на ценни, но междинни продукти, които могат да съдържат определена и важна междинна група: СООН, CN, СНО, С-СО. В същото време човек използва и хетерогенни и моногенни типове катализатори.
Сред всички вещества, способни да ускорят хода на химичните реакции, важно място се дава на оксидите. Предимно в твърдо състояние. Курсът на окисление се разделя на 2 етапа. В първия етап кислородният оксид се улавя от въглеводородната молекула на адсорбирания оксид. В резултат на това оксидът се редуцира и въглеводородът се окислява. Обновеният оксид взаимодейства с О2 и се връща в първоначалното си състояние.