Що таке каталізатор і для чого він потрібен?

Каталізатори – це речовини, які прискорюють хімічну реакцію, але згодом не входять до складу продуктів реакції. Кількісний і якісний склад каталізаторів залишається незмінним у процесі каталізу.

Види каталізаторів

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

Каталізатори бувають гетерогенними і гомогенними. Гетерогенні каталізатори в ході хімічної реакції утворюють самостійну фазу, яка відокремлена розділяє кордоном від фази вихідних реагентів. Гомогенні каталізатори, навпаки, є частиною однієї і тієї ж фази з вихідними реагентами.

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

Вимоги до речовин каталізаторів

Каталізатори, які широко застосовуються в промисловому виробництві, повинні мати цілу низку властивостей, необхідних для успішного завершення реакції. Каталізатори повинні бути високоактивними, селективними, механічно міцними і термостійкими. Вони повинні володіти тривалою дією, легкою регенерацією, стійкістю до каталітичних отрут, гідродинамічними властивостями, а також невеликою ціною.

Сучасне застосування промислових каталізаторів

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

Визначення каталізаторів і принцип їх роботи

Каталізатор — це хімічна речовина, яка впливає на швидкість хімічної реакції шляхом зміни енергії активації, необхідної для протікання реакції. Цей процес називається каталізом. Каталізатор не витрачається під час реакції, і він може брати участь у кількох реакціях одночасно. Єдина відмінність між каталізованою та некаталізованою реакцією полягає в тому, що енергія активації різна. Немає впливу на енергію реагентів або продуктів. ΔH для реакцій однаковий

Як працюють каталізатори

Каталізатори дозволяють використовувати альтернативний механізм для перетворення реагентів у продукти з меншою енергією активації та іншим перехідним станом. Каталізатор може дозволити реакції протікати при нижчій температурі або збільшити швидкість або селективність реакції. Каталізатори часто реагують з реагентами з утворенням проміжних продуктів, які зрештою дають ті самі продукти реакції та регенерують каталізатор. Зауважте, що каталізатор може бути використаний під час одного з проміжних етапів, але він буде створений знову до завершення реакції.

Позитивні та негативні каталізатори (інгібітори)

Зазвичай, коли хтось говорить про каталізатор, вони мають на увазі позитивний каталізатор , тобто каталізатор, який прискорює швидкість хімічної реакції, знижуючи її енергію активації. Існують також негативні каталізатори або інгібітори, які сповільнюють швидкість хімічної реакції або зменшують її ймовірність.

Промотори та каталітичні отрути

Промотор – це речовина, яка підвищує активність каталізатора. Каталітична отрута — речовина, яка інактивує каталізатор.

Каталізатори в дії

• Ферменти є специфічними для реакції біологічними каталізаторами. Вони реагують із субстратом, утворюючи нестабільну проміжну сполуку. Наприклад, карбоангідраза каталізує реакцію:
  H ₂ CO ₃ (aq) ⇆ H ₂ O(l) + CO ₂ (aq)
  Фермент дозволяє реакції швидше досягти рівноваги. У разі цієї реакції фермент дає змогу вуглекислому газу дифундувати з крові в легені, щоб його можна було видихнути.
• Перманганат калію є каталізатором розкладання пероксиду водню на кисень і воду. Додавання перманганату калію підвищує температуру реакції та її швидкість.
• Кілька перехідних металів можуть діяти як каталізатори. Хороший приклад платини в каталітичному нейтралізаторі автомобіля. Каталізатор дозволяє перетворювати токсичний оксид вуглецю в менш токсичний вуглекислий газ. Це приклад гетерогенного каталізу.
• Класичним прикладом реакції, яка не протікає з помітною швидкістю, доки не буде додано каталізатор, є реакція між газоподібним воднем і киснем. Якщо змішати два гази разом, нічого особливого не станеться. Однак якщо ви додаєте тепло від запаленого сірника або іскри, ви подолаєте енергію активації, щоб почати реакцію. У цій реакції два гази реагують з утворенням води (вибухом).
  H ₂ + O ₂ ↔ H ₂ O
• Реакція горіння аналогічна. Наприклад, коли ви запалюєте свічку, ви долаєте енергію активації шляхом застосування тепла. Коли реакція починається, тепло, що виділяється в результаті реакції, перевищує енергію активації, необхідну для її протікання.

Визначення каталізу в хімії

Каталіз визначається як збільшення швидкості хімічної реакції шляхом введення каталізатора . Каталізатор, у свою чергу, — це речовина, яка не витрачається під час хімічної реакції , але знижує енергію її активації . Іншими словами, каталізатор є одночасно реагентом і продуктом хімічної реакції. Як правило, для каталізації реакції потрібна дуже невелика кількість каталізатора .

Одиницею СІ для каталізу є катал. Це похідна одиниця — моль за секунду. Коли ферменти каталізують реакцію, кращою одиницею є ферментна одиниця. Ефективність каталізатора можна виразити за допомогою числа оборотів (TON) або частоти оборотів (TOF), яка становить TON за одиницю часу.

Каталіз є життєво важливим процесом у хімічній промисловості. За оцінками, 90% промислово вироблених хімічних речовин синтезуються за допомогою каталітичного процесу.

Іноді термін «каталіз» використовується для позначення реакції, під час якої речовина витрачається (наприклад, гідроліз ефіру, що каталізується основами). Відповідно до IUPAC , це неправильне використання терміну. У цій ситуації речовину, додану в реакцію, слід називати активатором , а не каталізатором.

Ключові висновки: що таке каталіз?

• Каталіз – це процес збільшення швидкості хімічної реакції шляхом додавання до неї каталізатора.
• Каталізатор є і реагентом, і продуктом реакції, тому він не витрачається.
• Каталіз працює шляхом зниження енергії активації реакції, що робить її більш термодинамічно сприятливою.
• Каталіз важливий! Близько 90% промислових хімікатів отримують з використанням каталізаторів.

Як працює каталіз

Каталізатор пропонує інший перехідний стан для хімічної реакції з меншою енергією активації. Зіткнення між молекулами реагентів, швидше за все, досягнуть енергії, необхідної для утворення продуктів, ніж без присутності каталізатора. У деяких випадках одним з ефектів каталізу є зниження температури, при якій відбувається реакція.

Каталіз не змінює хімічну рівновагу, оскільки він впливає як на пряму, так і на зворотну швидкість реакції. Це не змінює константу рівноваги. Так само це не впливає на теоретичний вихід реакції.

Приклади каталізаторів

В якості каталізаторів можна використовувати різноманітні хімічні речовини. Для хімічних реакцій із залученням води, таких як гідроліз і дегідратація, зазвичай використовуються протонні кислоти. Тверді речовини, що використовуються як каталізатори, включають цеоліти, оксид алюмінію, графітовий вуглець і наночастинки. Для каталізації окисно-відновних реакцій найчастіше використовують перехідні метали (наприклад, нікель). Реакції органічного синтезу можуть каталізуватися за допомогою благородних металів або «пізніх перехідних металів», таких як платина, золото, паладій, іридій, рутеній або родій.

Види каталізаторів

Дві основні категорії каталізаторів – це гетерогенні каталізатори та гомогенні каталізатори. Ферменти або біокаталізатори можна розглядати як окрему групу або як належать до однієї з двох основних груп.

Гетерогенні каталізатори – це ті, які існують у фазі, відмінній від реакції, що каталізується. Наприклад, тверді каталізатори, які каталізують реакцію в суміші рідин і/або газів, є гетерогенними каталізаторами. Площа поверхні має вирішальне значення для функціонування цього типу каталізатора.

Гомогенні каталізатори існують у тій самій фазі, що й реагенти в хімічній реакції. Металоорганічні каталізатори є одним із типів гомогенних каталізаторів.

Ферменти є білковими каталізаторами. Вони є одним із видів біокаталізаторів . Розчинні ферменти є гомогенними каталізаторами, тоді як мембранозв’язані ферменти є гетерогенними каталізаторами. Біокаталіз використовується для промислового синтезу акриламіду та кукурудзяного сиропу з високим вмістом фруктози.

Пов’язані терміни

Прекаталізатори – це речовини, які під час хімічної реакції перетворюються на каталізатори. Може бути індукційний період, поки прекаталізатори активуються, щоб стати каталізаторами.

Кокаталізатори та промотори — це назви хімічних речовин, які сприяють каталітичній активності. Коли використовуються ці речовини, процес називається кооперативним каталізом .

Джерела

• IUPAC (1997). Компендіум хімічної термінології (2-е вид.) («Золота книга»). doi: 10.1351/goldbook.C00876
• Кнозінгер, Гельмут і Кохлофль, Карл (2002). «Гетерогенний каталіз і тверді каталізатори» в Енциклопедії промислової хімії Ульмана . Wiley-VCH, Weinheim. doi: 10.1002/14356007.a05_313
• Laidler, KJ і Meiser, JH (1982). Фізична хімія . Бенджамін/Каммінгс. ISBN 0-618-12341-5.
• Мазел, Річард І. (2001). Хімічна кінетика та каталіз . Wiley-Interscience, Нью-Йорк. ISBN 0-471-24197-0.
• Matthiesen J, Wendt S, Hansen JØ, Madsen GK, Lira E, Galliker P, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard E, Hammer B, Besenbacher F (2009). “Спостереження всіх проміжних етапів хімічної реакції на поверхні оксиду за допомогою скануючої тунельної мікроскопії”. ACS Nano . 3 (3): 517–26. doi: 10.1021/nn8008245