Каталітичні реакції: приклади. Гомогенний і гетерогенний каталіз

Хімія - наука про речовини та їх перетворення, а також способи їх отримання. Навіть у звичайній шкільній програмі розглядається таке важливе питання, як типи реакцій. Класифікація, з якої знайомлять школярів на базовому рівні, враховує зміна ступеня окислення, фазу перебігу, механізм процесу і т. Д. Крім того, всі хімічні процеси поділяють на некаталітичні і каталітичні реакції. Приклади перетворень, що протікають за участю каталізатора, зустрічаються людині в звичайному житті: бродіння, гниття. Некаталітичні перетворення нам зустрічаються набагато рідше.

Що таке каталізатор

Це хімічна речовина, яка здатна міняти швидкість взаємодії, але саме в ній не бере участь. У тому випадку, коли за допомогою каталізатора відбувається прискорення процесу, йдеться про позитивний каталіз. У тому випадку, якщо додається в процес речовина знижує швидкість реакції, його називають інгібітором.

види каталізу

Гомогенний і гетерогенний каталіз відрізняються по фазі, в якій знаходяться вихідні речовини. Якщо вихідні компоненти, взяті для взаємодій, включаючи і каталізатор, знаходяться в одному агрегатному стані, протікає гомогенний каталіз. У тому випадку, коли в реакції беруть участь різні за фазі речовини, йде гетерогенний каталіз.

селективність дії

Каталозі представляє собою не просто засіб підвищення продуктивності апаратури, він позитивно впливає на якість одержуваних продуктів. Пояснити подібне явище можна тим, що завдяки виборчому (селективного) дії більшості каталізаторів, прискорюється пряма реакція, знижуються побічні процеси. В кінцевому підсумку одержувані продукти мають велику чистоту, немає необхідності додатково очищати речовини. Селективність дії каталізатора дає реальне зниження невиробничих витрат сировини, непогану економічну вигоду.

Переваги застосування каталізатора у виробництві

Чим ще характеризуються каталітичні реакції? Приклади, що розглядаються в звичайній середній школі, свідчать про те, що використання каталізатора дозволяє проводити процес при більш низьких температурах. Експерименти підтверджують, що з його допомогою можна розраховувати на істотне зниження енергетичних витрат. Це особливо важливо в сучасних умовах, коли в світі спостерігається брак енергетичних ресурсів.

Приклади каталітичних виробництв

В яку промисловість використовують каталітичні реакції? Приклади таких виробництв: виготовлення азотної та сірчаної кислот, водню, аміаку, полімерів, переробка нафти. Широко застосовують каталіз в отриманні органічних кислот, одноатомних і багатоатомних спиртів, фенолу, синтетичних смол, барвників, лікарських засобів.

Що є каталізатором

В якості каталізаторів можуть виступати багато речовин, що знаходяться в періодичній системі хімічних елементів Дмитра Івановича Менделєєва, а також їх з`єднання. Серед найпоширеніших прискорювачів виділяють: нікель, залізо, платину, кобальт, алюмосилікати, оксиди марганцю.

особливості каталізаторів

Крім вибіркової дії, у каталізаторів відмінна механічна міцність, вони здатні протистояти каталітичним отрут, легко регенеруються (відновлюються).

Відео: Гомогенне каталітичне розкладання пероксиду водню

За фазового стану каталітичні гомогенні реакції підрозділяють на газофазного і Рідкофазний.

Детальніше розглянемо такі типи реакцій. У розчинах прискорювачем хімічного перетворення виступають катіони водню Н +, гідроксид іони підстави ОН, катіони металів М + і речовини, які сприяють утворенню вільних радикалів.

суть каталізу

Механізм каталізу при взаємодії кислот і підстав полягає в тому, що відбувається обмін між взаємодіючими речовинами і каталізатором позитивними іонами (протонами). При цьому відбуваються внутрішньо-молекулярні перетворення. За даним типом йдуть реакції:

• дегідратації (відчеплення води);
• гідратації (приєднання молекул води);
• етерифікації (утворення складного ефіру з спиртів і карбонових кислот);
• поліконденсації (утворення полімеру з відщепленням води).

Теорія каталізу пояснює не тільки сам процес, а й можливі побічні перетворення. У разі гетерогенного каталізу прискорювач процесу утворює самостійну фазу, каталітичними властивостями володіють деякі центри на поверхні реагуючих речовин або задіюється вся поверхня.

Відео: BIC video 2012ru

Існує і мікрогетерогенний процес, який передбачає знаходження каталізатора в колоїдному стані. Даний варіант є перехідним станом від гомогенного до гетерогенного увазі каталізу. Велика частина таких процесів протікає між газоподібними речовинами із застосуванням твердих каталізаторів. Вони можуть бути в формі гранул, таблеток, зерен.

Поширення каталізу в природі

Ферментативний каталіз досить широко поширений в природі. Саме за допомогою біокаталізаторів протікає синтез білкових молекул, здійснюється обмін речовин в живих організмах. Жоден біологічний процес, що протікає за участю живих організмів, не обійшов стороною каталітичні реакції. Приклади життєво важливих процесів: синтез з амінокислот білків, специфічних для організму-розщеплення жирів, білків, вуглеводів.

алгоритм каталізу

Розглянемо механізм каталізу. Даний процес, що протікає на пористих твердих прискорювачах хімічної взаємодії, включає в себе кілька елементарних стадій:

• дифузія взаємодіючих речовин до поверхні крупинок каталізатора з ядра потоку;
• дифузія реагентів в порах каталізатора;
• хемосорбция (активована адсорбція) на поверхні прискорювача хімічної реакції з появою хімічних поверхневих речовин - активованих комплексів «каталізатор-реагенти»;
• перегрупування атомів з виникненням поверхневих комбінацій «каталізатор-продукт»;
• дифузія в порах прискорювача реакції продукту;
• дифузія продукту від поверхні зерна прискорювача реакції в ядро потоку.

Каталітичні і некаталітичні реакції настільки важливі, що вчені протягом багатьох років продовжують дослідження в даній сфері.

При гомогенному каталізі немає необхідності споруджувати спеціальні конструкції. Ферментативний каталіз при гетерогенному варіанті передбачає використання різноманітної і специфічною апаратури. Для його протікання розроблені спеціальні контактні апарати, що підрозділяються по поверхні контакту (в трубках, на стінках, каталізаторних сітках) - з фільтруючим слоем- зваженим слоем- з рухомим пилоподібним каталізатором.

Теплообмін в апаратах реалізується різними способами:

• шляхом застосування виносних (зовнішніх) теплообмінників;
• за допомогою теплообмінників, вбудованих в контактний апарат.

Аналізуючи формули з хімії, можна знайти і такі реакції, в яких каталізатором виступає один з кінцевих продуктів, який утворюється в ході хімічної взаємодії вихідних компонентів.

Подібні процеси прийнято називати автокаталитически, саме явище в хімії іменується автокаталіз.

Швидкість багатьох взаємодій пов`язана з присутністю в реакційній суміші певних речовин. Їх формули в хімії найчастіше упускаються, замінюються словом «каталізатор» або його скороченим варіантом. Їх не включають в підсумкове Стереохимические рівняння, так як вони після завершення взаємодії не змінюються з кількісної точки зору. У деяких випадках досить незначних кількостей речовин, щоб істотно вплинути на швидкість здійснюваного процесу. Цілком припустимі і такі ситуації, коли в якості прискорювача хімічної взаємодії виступає сам реакційний посудину.

Суть впливу каталізатора на зміну швидкості хімічного процесу в тому, що дана речовина включено до складу активного комплексу, а тому змінює енергію активації хімічної взаємодії.

При розпаді даного комплексу спостерігається регенерація каталізатора. Суть в тому, що він не буде витрачатися, залишиться в незмінній кількості після закінчення взаємодії. Саме з цієї причини цілком достатньо незначної кількості активної речовини для здійснення реакції з субстратом (реагує речовиною). У реальності незначні кількості каталізаторів при проведенні хімічних процесів все-таки витрачаються, так як можливі різні побічні процеси: його отруєння, технологічні втрати, зміна стану поверхні твердого каталізатора. Формули по хімії не передбачають врахування каталізатора.

Відео: Гомогенний каталіз розкладання пероксиду водню

висновок

Реакції, в яких бере участь активна речовина (каталізатор), оточують людину, до того ж вони протікають і в його організмі. Гомогенні реакції зустрічаються набагато рідше, ніж гетерогенні взаємодії. У будь-якому випадку спочатку відбувається утворення проміжних комплексів, які є нестабільними, поступово руйнуються і спостерігається регенерація (відновлення) прискорювача хімічного процесу. Наприклад, при взаємодії метафосфорной кислоти з персульфат калію в якості каталізатора виступає йодоводородная кислота. При її додаванні до реагує речовин утворюється розчин жовтого кольору. У міру наближення до закінчення процесу забарвлення поступово зникає. В як проміжний продукт у даному випадку виступає йод, а процес відбувається в дві стадії. Але як тільки метафосфорная кислота буде синтезована, каталізатор повертається до свого початкового стану. Каталізатори незамінні в промисловості, вони допомагають прискорювати перетворення, отримувати якісні продукти реакції. Неможливі без їх участі та біохімічні процеси в нашому організмі.