Брзината на хемиските реакции може нагло да се зголемат во присуство на различни супстанции кои не се реагенси и не се дел од производите на реакцијата. Овој извонреден феномен се нарекува катализа(од грчкиот „катализа“ - уништување). Супстанцата чие присуство во смесата ја зголемува брзината на реакција се нарекува катализатор.Неговата количина пред и по реакцијата останува непроменета. Катализаторите не претставуваат некоја посебна класа на супстанции. Во различни реакции, металите, оксидите, киселините, солите и сложените соединенија можат да покажат каталитички ефект. Хемиските реакции во живите клетки се случуваат под контрола на каталитичките протеини наречени ензими.Катализата треба да се смета како вистински хемиски фактор во зголемувањето на брзината на хемиските реакции, бидејќи катализаторот е директно вклучен во реакцијата. Катализата е често помоќно и помалку ризично средство за забрзување на реакцијата отколку покачувањето на температурата. Ова јасно се докажува со примерот на хемиски реакции кај живите организми. Реакциите, како што е хидролизата на протеините, кои во лабораториите треба да се изведуваат со продолжено загревање до температура на вриење, се јавуваат за време на процесот на варење без загревање на телесна температура.
Феноменот на катализа првпат бил забележан од францускиот хемичар L. J. Tenard (1777-1857) во 1818 година. Тој открил дека оксидите на одредени метали, кога се додаваат во раствор од водород пероксид, предизвикуваат негово распаѓање. Овој експеримент може лесно да се репродуцира со додавање на кристали на калиум перманганат во 3% раствор на водород пероксид. Солта KMn0 4 се претвора во Mn0 2, а кислородот брзо се ослободува од растворот под дејство на оксидот:
Директниот ефект на катализаторот врз брзината на реакцијата е поврзан со намалување на енергијата на активирање. На нормални температури има намалување? а за 20 kJ/mol ја зголемува константата на брзина приближно 3000 пати. Понижување Е Лможе да биде многу посилна. Сепак, намалувањето на енергијата за активирање е надворешна манифестација на дејството на катализаторот. Реакцијата се карактеризира со одредена вредност E. vшто може да се промени само ако се промени самата реакција. При давањето на истите производи, реакцијата со учество на додадената супстанција оди по друг пат, низ други фази и со различна енергија на активирање. Ако на оваа нова патека енергијата на активирање е помала и реакцијата е соодветно побрза, тогаш велиме дека оваа супстанца е катализатор.
Катализаторот е во интеракција со еден од реагенсите, формирајќи некое средно соединение. Во една од следните фази на реакцијата, катализаторот се регенерира - ја остава реакцијата во првобитната форма. Реагенсите, кои учествуваат во каталитичката реакција, продолжуваат да комуницираат едни со други на бавен начин без учество на катализатор. Затоа, каталитичките реакции припаѓаат на еден вид сложени реакции наречени сериско-паралелни реакции. На сл. Слика 11.8 ја покажува зависноста на константата на брзината од концентрацијата на катализаторот. Графикот на зависност не поминува низ нула, бидејќи во отсуство на катализатор реакцијата не запира.
Ориз. 11.8.
забележана константа кизразена со збирот k u+ & k c(K)
Пример 11.5. На температура од -500 °C, реакцијата на оксидација на сулфур оксид (1U)
која е една од фазите на индустриското производство на сулфурна киселина, се одвива многу бавно. Понатамошното зголемување на температурата е неприфатливо, бидејќи рамнотежата се поместува налево (реакцијата е егзотермна) и приносот на производот се намалува премногу. Но, оваа реакција се забрзува со различни катализатори, од кои еден може да биде азотен оксид (N). Прво, катализаторот реагира со кислород: 
а потоа го пренесува атомот на кислород во сулфур оксид (1U):
Ова го формира финалниот производ на реакцијата и го регенерира катализаторот. Реакцијата сега има можност да тече по нова патека, во која константите на брзина значително се зголемија:
Дијаграмот подолу ги прикажува двете патеки на процесот на оксидација S0 2. Во отсуство на катализатор, реакцијата се одвива само по бавниот пат, а во присуство на катализатор, низ двете.
Постојат два вида на катализа - хомогенаИ хетерогени.Во првиот случај, катализаторот и реагенсите формираат хомоген систем во форма на гасна смеса или раствор. Пример за оксидација на сулфур оксид е хомогена катализа. Брзината на хомогена каталитичка реакција зависи и од концентрациите на реактантите и од концентрацијата на катализаторот.
Во хетерогена катализа, катализаторот е цврста супстанција во чиста форма или поддржана носител.На пример, платината како катализатор може да се фиксира на азбест, алуминиум оксид итн. Молекулите на реактантот се адсорбираат (апсорбираат) од гас или раствор на посебни точки на површината на катализаторот - активни центри и се активираат во исто време. По хемиската трансформација, добиените молекули на производот се десорбираат од површината на катализаторот. Актите на трансформација на честички се повторуваат во активните центри. Меѓу другите фактори, брзината на хетерогена каталитичка реакција зависи од површината на каталитичкиот материјал.
Хетерогената катализа е особено широко користена во индустријата. Ова се објаснува со леснотијата на спроведување на континуиран каталитички процес кога мешавина од реагенси поминува низ апарат за контакт со катализатор.
Катализаторите дејствуваат селективно, забрзувајќи многу специфичен тип на реакција или дури и посебна реакција и без да влијаат на другите. Ова овозможува употреба на катализатори не само за забрзување на реакциите, туку и за насочена конверзија на почетните супстанции во посакуваните производи. Метанот и водата на 450 °C на катализаторот Fe 2 0 3 се претвораат во јаглерод диоксид и водород:
Истите супстанции на 850 °C реагираат на површината на никелот за да формираат јаглерод моноксид (II) и водород:
Катализата е една од оние области на хемијата во која сè уште не е можно да се направат точни теоретски предвидувања. Сите индустриски катализатори за преработка на нафтени деривати, природен гас, производство на амонијак и многу други се развиени врз основа на трудоинтензивни и одземаат многу време експериментални истражувања.
Способноста да се контролира брзината на хемиските процеси е непроценлива во економската активност на човекот. При индустриски производство на хемиски производи, обично е потребно да се зголеми брзината на технолошките хемиски процеси, а при складирањето на производите потребно е да се намали стапката на распаѓање или изложеност на кислород, вода итн. Постојат познати супстанции кои можат да ги забават хемиските реакции. Тие се повикани инхибитори, или негативни катализатори.Инхибиторите се фундаментално различни од вистинските катализатори по тоа што тие реагираат со активни видови (слободни радикали), кои поради една или друга причина се појавуваат во супстанцијата или нејзината околина и предизвикуваат вредни реакции на распаѓање и оксидација. Инхибиторите постепено се консумираат, прекинувајќи го нивниот заштитен ефект. Најважниот тип на инхибитори се антиоксидансите, кои штитат различни материјали од изложување на кислород.
Исто така, вреди да се потсетиме што не може да се постигне со помош на катализатори. Тие се способни да ги забрзаат само спонтани реакции. Ако реакцијата не се случи спонтано, тогаш катализаторот нема да може да ја забрза. На пример, ниту еден катализатор не може да предизвика распаѓање на водата на водород и кислород. Овој процес може да се постигне само со електролиза, што бара електрична работа.
Катализаторите можат да активираат и непожелни процеси. Во последните децении, се забележува постепено уништување на озонската обвивка на атмосферата на надморска височина од 20-25 km. Се претпоставува дека одредени супстанции се вклучени во разградувањето на озонот, како што се халогенираните јаглеводороди што се испуштаат во атмосферата од индустриските претпријатија и оние што се користат за домашни цели.
Катамлиз-селективно забрзување на еден од можните термодинамички дозволени насоки на хемиска реакција под дејство на катализатор(и), кој постојано влегува во средни хемиски интеракции со учесниците во реакцијата и го обновува неговиот хемиски состав по секој циклус на средни хемиски интеракции. Терминот „катализа“ е воведен во 1835 година од шведскиот научник Јонс Јакоб Берзелиус.
Феноменот на катализа е широко распространет во природата (повеќето процеси што се случуваат во живите организми се каталитички) и е широко користен во технологијата (во рафинирање на нафта и петрохемија, во производството на сулфурна киселина, амонијак, азотна киселина итн.). Повеќето од сите индустриски реакции се каталитички.
Катализаторисе нарекуваат супстанциите кои ја менуваат брзината на хемиските реакции.
Некои катализатори во голема мера ја забрзуваат реакцијата - позитивна катализа, или едноставно катализа, додека други ја забавуваат - негативна катализа. Примери за позитивна катализа вклучуваат производство на сулфурна киселина, оксидација на амонијак во азотна киселина со помош на платина катализатор итн.
Врз основа на нивниот ефект врз брзината на реакцијата, многу извори на катализа се поделени на позитивни (стапката на реакцијата се зголемува) и негативни (стапката на реакцијата се намалува). Во вториот случај, се јавува процес на инхибиција, кој не може да се смета за „негативна катализа“, бидејќи инхибиторот се троши за време на реакцијата.
Катализата може да биде хомогена и хетерогена (контакт). При хомогена катализа, катализаторот е во иста фаза како и реагенсите за реакција, додека хетерогените катализатори се разликуваат по фаза.
Хомогена катализа.
Примерхомогена катализа е распаѓање на водород пероксид во присуство на јони на јод. Реакцијата се јавува во две фази:
H 2 О2+ Јас > H2O+ИО, H2O2+IO> H2O + О2+Јас
Во хомогена катализа, дејството на катализаторот се должи на фактот дека тој комуницира со супстанциите што реагираат за да формира меѓусоединенија, што доведува до намалување на енергијата за активирање.
Хетерогена катализа.
Во хетерогена катализа, забрзувањето на процесот обично се случува на површината на цврсто тело - катализаторот; затоа, активноста на катализаторот зависи од големината и својствата на неговата површина. Во пракса, катализаторот обично се потпира на цврста порозна поддршка.
Механизмот на хетерогена катализа е покомплексен од оној на хомогена катализа. Механизмот на хетерогена катализа вклучува пет фази, од кои сите се реверзибилни.
- 1. Дифузија на реактантите на површината на цврсто тело
- 2. Физичка адсорпција на активните центри на површината на цврста супстанција на молекули кои реагираат и потоа нивна хемисорпција
- 3. Хемиска реакција помеѓу молекули кои реагираат
- 4. Десорпција на производи од површината на катализаторот
- 5. Дифузија на производот од површината на катализаторот во општиот проток
Пример за хетерогена катализа е оксидацијата на SO 2 во SO 3 на V 2 O 5 катализатор при производство на сулфурна киселина (контакт метод).
Повеќето каталитички реакции се изведуваат на порозни катализатори, чија внатрешна површина се состои од пори и канали со различни големини и должини. Овие пори можат да бидат изолирани или поврзани едни со други. Главниот фактор што ја одредува брзината и природата на движењето на гасовите во порите на катализаторот е големината на порите. Брзината на слободното движење на молекулите може да достигне 1000 m/s, а инхибицијата на движењето во порите е поврзана со судири помеѓу молекулите на гасот и со ѕидовите на порите.
Повеќето каталитички реакции се неселективни, што наметнува одредени ограничувања на методите на кинетичка анализа.
Повеќето каталитички реакции вклучуваат неколку различни типови на атоми и молекули. Определувањето на механизмот на реакција и природата на силите што дејствуваат помеѓу овие атоми и молекули и помеѓу нив и површината е природно сложен проблем, но може да се поедностави со проучување на адсорпциското однесување на еден тип на атом или молекула. Ваквите студии покажаа дека кога одредени молекули се адсорбираат на одредени адсорбенти, врската во молекулата се прекинува и се формираат две врски со адсорбентот; во овој случај, адсорбираната молекула се трансформира во два адсорбирани атоми. Овој процес е површинска хемиска реакција, а добиените адсорбирани атоми обично се нарекуваат хемисорбирани атоми. Ако при доволно ниски температури не дојде до таква реакција и адсорбираните молекули не се распаднат на два адсорбирани атома, тогаш таквите молекули се нарекуваат физички адсорбирани.
забрзување на хемиските реакции под влијание на мали количества супстанции (катализатори), кои самите не се менуваат во текот на реакцијата. Каталитичките процеси играат огромна улога во нашите животи. Биолошките катализатори, наречени ензими, се вклучени во регулирањето на биохемиските процеси. Без катализатори, многу индустриски процеси не би можеле да се случат.Најважното својство на катализаторите е селективноста, т.е. способноста да се зголеми брзината на само одредени хемиски реакции од многуте можни. Ова им овозможува на реакциите кои се премногу бавни за да бидат практични во нормални услови и обезбедува формирање на саканите производи.
Употребата на катализатори придонесе за брзиот развој на хемиската индустрија. Тие се широко користени во рафинирање на нафта, добивање различни производи и создавање нови материјали (на пример, пластика), често поевтини од оние што се користеле порано. Приближно 90% од современото хемиско производство се заснова на каталитички процеси. Каталитичките процеси играат посебна улога во заштитата на животната средина.
Во 1835 година, шведскиот хемичар J. Berzelius открил дека во присуство на одредени супстанции, стапката на некои хемиски реакции значително се зголемува. За такви супстанции, тој го воведе терминот „катализатор“ (од грчки.
катализа - релаксација). Според Берзелиус, катализаторите имаат посебна способност да ги ослабат врските помеѓу атомите во молекулите вклучени во реакцијата, со што ја олеснуваат нивната интеракција. Голем придонес во развојот на идеите за работата на катализаторите дал германскиот физичко хемичар В. Оствалд, кој во 1880 година го дефинирал катализаторот како супстанца која ја менува брзината на реакцијата.Според современите концепти, катализаторот формира комплекс со молекули кои реагираат, стабилизирани со хемиски врски. По преуредувањето, овој комплекс се дисоцира, ослободувајќи ги производите и катализаторот. За мономолекуларна реакција на трансформација на молекула
X до Y Целиот овој процес може да се претстави во форма X + Мачка. ® X -Кат. ® Y -Кат. ® Y + Кат. Ослободениот катализатор повторно се поврзува со X , а целиот циклус се повторува многу пати, обезбедувајќи формирање на големи количини на производот - супстанцијата Y. Многу супстанции во нормални услови не реагираат хемиски едни со други. Така, водородот и јаглерод моноксидот на собна температура не комуницираат едни со други, бидејќи врската помеѓу атомите во молекулата H 2 доволно силен и не се скрши кога е нападнат од молекула CO . Катализаторот ги спојува молекулите H2 и CO , формирајќи врски со нив. По преуредувањето, комплексот катализатор-реагенс се дисоцира и формира производ што содржи атоми C, H и O. Често, кога исти супстанции комуницираат, се формираат различни производи. Катализаторот може да насочи процес по патеката најповолна за формирање на одреден производ. Размислете за реакцијата помеѓу CO и H2 . Во присуство на катализатор што содржи бакар, практично единствениот производ на реакција е метанол:Прво, молекулите CO и H 2 се адсорбира на површината на катализаторот. Тогаш молекулите на CO формираат хемиски врски со катализаторот (се јавува хемисорпција), останувајќи во недисоцирана форма. Молекулите на водородот исто така се хемисорбираат на површината на катализаторот, но во исто време се дисоцираат. Како резултат на преуредувањето, се формира преодниот комплекс H-Cat.-. CH2OH . По додавањето на атомХ комплексот се распаѓа ослободувајќи CH 3 OH и катализатор. Во присуство на никел катализатор, и CO и H 2 хемисорб на површината во дисоцирана форма и се формира комплексот Cat.-CH 3 . Крајните производи на реакцијата се CH 4 и H 2 O:
Повеќето каталитички реакции се изведуваат на одреден притисок и температура со минување на реакционата смеса, која е во гасовита или течна состојба, низ реактор исполнет со честички на катализаторот. Следниве концепти се користат за да се опишат условите за реакција и карактеристиките на производот. Вселенската брзина е волуменот на гас или течност што минува низ единица волумен на катализатор по единица време. Каталитичката активност е количината на реактанти кои катализаторот ги конвертира во производи по единица време. Конверзија е дел од супстанција претворена во дадена реакција. Селективноста е односот на количината на одреден производ со вкупната количина на производи (обично изразена како процент). Приносот е односот на количината на даден производ со количината на почетниот материјал (обично изразена во проценти). Продуктивноста е бројот на производи од реакцијата формирани по единица волумен по единица време. ВИДОВИ КАТАЛИЗАТОРИ
Катализаторите се класифицираат врз основа на природата на реакцијата што ја забрзуваат, нивниот хемиски состав или нивните физички својства. Речиси сите хемиски елементи и супстанции имаат каталитички својства до еден или друг степен - сами по себе или, почесто, во различни комбинации. Врз основа на нивните физички својства, катализаторите се делат на хомогени и хетерогени. Хетерогени катализатори се цврсти материи кои се хомогени дисперзирани во истиот гас или течен медиум како и супстанциите што реагираат. Многу хетерогени катализатори содржат метали. Некои метали, особено оние поврзани со
VIII група од периодниот систем на елементи, имаат каталитичка активност самостојно; типичен пример е платината. Но, повеќето метали покажуваат каталитички својства кога се присутни во соединенија; пример - алуминиум (алуминиум оксид Al 2 O 3). Необично својство на многу хетерогени катализатори е нивната голема површина. Во нив продираат бројни пори, чија вкупна површина понекогаш достигнува 500 m 2 на 1 g катализатор. Во многу случаи, оксидите со голема површина служат како подлога на која се таложат металните катализатори во форма на мали кластери. Ова обезбедува ефективна интеракција на реагенсите во гасната или течната фаза со каталитички активниот метал. Посебна класа на хетерогени катализатори се зеолитите - кристални минерали од групата алумосиликати (соединенија на силициум и алуминиум). Иако многу хетерогени катализатори имаат голема површина, тие обично имаат само мал број активни места, кои претставуваат мал дел од вкупната површина. Катализаторите може да ја изгубат својата активност во присуство на мали количини на хемиски соединенија наречени отрови на катализаторите. Овие супстанции се врзуваат за активните центри, блокирајќи ги. Определувањето на структурата на активните локации е предмет на интензивно истражување.Хомогените катализатори имаат различни хемиски природи - киселини (H
2 SO 4 или H 3 PO 4 ), база (NaOH ), органски амини, метали, најчесто транзиција ( Fe или Rh ), во форма на соли, органометални соединенија или карбонили. Катализаторите вклучуваат и ензими - протеински молекули кои ги регулираат биохемиските реакции. Активното место на некои ензими содржи метален атом ( Zn, Cu, Fe или Mo). Ензимите кои содржат метал ги катализираат реакциите кои вклучуваат мали молекули ( O 2, CO 2 или N 2 ). Ензимите имаат многу висока активност и селективност, но тие работат само под одредени услови, како оние под кои се јавуваат реакции кај живите организми. Во индустријата често се користи т.н. имобилизирани ензими. КАКО РАБОТАТ КАТАЛИЗИТЕ Енергија. Секоја хемиска реакција може да се случи само ако реактантите ја надминат енергетската бариера, а за тоа мора да добијат одредена енергија. Како што веќе рековме, каталитичката реакција X ® Y се состои од голем број последователни фази. Секој од нив бара енергија за да се одржи.Е , наречена енергија за активирање. Промената на енергијата долж координатата на реакцијата е прикажана на сл. 1.Прво да ја разгледаме некаталитичката, „термичка“ патека. За да се случи реакција, потенцијалната енергија на молекулите
X мора да ја надмине енергетската бариераЕТ . Каталитичката реакција се состои од три фази. Првиот е формирањето на комплексот X-Cat. (хемисорпција), чија енергија на активирање е еднаква наЕреклами . Втората фаза е прегрупирање на X-Cat.® Y - Мачка. со енергија за активирањеЕмачка , и конечно, третата - десорпција со енергија на активирањеЕ des ; Ереклами, Емачка и Емногу помалку ЕТ . Бидејќи брзината на реакцијата експоненцијално зависи од енергијата на активирање, каталитичката реакција се одвива многу побрзо од термичката реакција на дадена температура.Катализаторот може да се спореди со водич кој ги води планинарите (молекули кои реагираат) низ планинскиот венец. Тој ја води едната група преку преминот, а потоа се враќа за следната. Патот низ преминот лежи значително понизок од оној низ врвот (топлински канал на реакцијата), а групата го прави преминот побрзо отколку без проводник (катализатор). Дури е можно групата да не можела сама да го надмине гребенот.
Теории на катализа. За да се објасни механизмот на каталитичките реакции, предложени се три групи теории: геометриски, електронски и хемиски. Во геометриските теории, главното внимание се посветува на кореспонденцијата помеѓу геометриската конфигурација на атомите на активните центри на катализаторот и атомите на тој дел од молекулите кои реагираат што е одговорен за врзување со катализаторот. Електронските теории се засноваат на идејата дека хемисорпцијата е предизвикана од електронска интеракција поврзана со пренос на полнеж, т.е. овие теории ја поврзуваат каталитичката активност со електронските својства на катализаторот. Хемиската теорија го гледа катализаторот како хемиско соединение со карактеристични својства што формира хемиски врски со реагенси, што резултира со формирање на нестабилен преоден комплекс. По распаѓањето на комплексот со ослободување на производи, катализаторот се враќа во првобитната состојба. Последната теорија сега се смета за најадекватна.На молекуларно ниво, каталитичката реакција на гас-фаза може да се претстави на следниов начин. Едната молекула што реагира се врзува за активното место на катализаторот, а другата е во интеракција со него, директно во гасната фаза. Можен е и алтернативен механизам: молекулите кои реагираат се адсорбираат на соседните активни центри на катализаторот и потоа комуницираат едни со други. Очигледно, вака се одвиваат повеќето каталитички реакции.
Друг концепт сугерира дека постои врска помеѓу просторниот распоред на атомите на површината на катализаторот и неговата каталитичка активност. Брзината на некои каталитички процеси, вклучително и многу реакции на хидрогенизација, не зависи од релативната положба на каталитички активните атоми на површината; брзината на другите, напротив, значително се менува со промените во просторната конфигурација на површинските атоми. Пример е изомеризацијата на неопентан во изопентан и симултаното пукање на вториот во изобутан и метан на површината на катализаторот
Pt-Al 2 O 3. ПРИМЕНА НА КАТАЛИЗАТА ВО ИНДУСТРИЈАТА Брзиот индустриски раст што го доживуваме сега немаше да биде возможен без развој на нови хемиски технологии. Во голема мера, овој напредок е детерминиран од широката употреба на катализатори, со помош на кои суровини од ниска класа се претвораат во производи со висока вредност. Фигуративно кажано, катализаторот е филозофскиот камен на современиот алхемичар, само што не го претвора олово во злато, туку суровини во лекови, пластика, хемикалии, гориво, ѓубрива и други корисни производи.Можеби првиот каталитички процес што човекот научил да го користи е ферментацијата. Рецептите за подготовка на алкохолни пијалоци им биле познати на Сумерите уште во 3500 година п.н.е.
Цм. ВИНО; ПИВО.Значајна пресвртница во практичната примена на катализата беше производството на маргарин со каталитичка хидрогенизација на растително масло. Оваа реакција за прв пат беше спроведена на индустриско ниво околу 1900 година. А од 1920-тите, каталитичките методи за производство на нови органски материјали, првенствено пластика, се развиваат еден по друг. Клучната точка беше каталитичкото производство на олефини, нитрили, естри, киселини итн. - „тули“ за хемиска „изградба“ на пластика.
Третиот бран на индустриска употреба на каталитички процеси се случи во 1930-тите и беше поврзан со рафинирање на нафта. Во однос на обемот, оваа продукција наскоро ги остави сите други далеку зад себе. Рафинирањето на нафтата се состои од неколку каталитички процеси: пукање, реформирање, хидросулфонација, хидрокрекирање, изомеризација, полимеризација и алкилација.
Конечно, четвртиот бран во употребата на катализа е поврзан со заштитата на животната средина. Најпознатото достигнување во оваа област е создавањето на катализатор за автомобилски издувни гасови. Катализаторите, кои се инсталирани во автомобилите од 1975 година, одиграа голема улога во подобрување на квалитетот на воздухот и со тоа спасување на многу животи.
Доделени се десетина Нобелови награди за работа во катализа и сродни области.
Практичната важност на каталитичките процеси се докажува со фактот дека уделот на азот вклучен во индустриски произведените соединенија што содржат азот претставува околу половина од целиот азот вклучен во прехранбените производи. Количината на азотни соединенија произведени по природен пат е ограничена, така што производството на протеини во исхраната зависи од количината на азот додаден во почвата преку вештачките ѓубрива. Би било невозможно да се нахрани половина од човештвото без синтетички амонијак, кој се произведува речиси исклучиво преку каталитичкиот процес Хабер-Бош.
Опсегот на примена на катализаторите постојано се проширува. Исто така, важно е дека катализата може значително да ја зголеми ефикасноста на претходно развиените технологии. Пример е подобрувањето на каталитичкото пукање преку употреба на зеолити.
Хидрогенизација. Голем број на каталитички реакции се поврзани со активирање на атом на водород и некоја друга молекула, што доведува до нивна хемиска интеракција. Овој процес се нарекува хидрогенизација и лежи во основата на многу фази на рафинирање на нафта и производство на течни горива од јаглен (процес Бергиус).Производството на авијациски бензин и моторно гориво од јаглен беше развиено во Германија за време на Втората светска војна, бидејќи земјата немаше нафтени полиња. Процесот Бергиус вклучува директно додавање на водород на јагленот. Јагленот се загрева под притисок во присуство на водород за да се добие течен производ, кој потоа се преработува во авијациски бензин и моторно гориво. Железниот оксид се користи како катализатор, како и катализатори на база на калај и молибден. За време на војната, 12 фабрики во Германија произведуваа приближно 1.400 тони течно гориво дневно користејќи го процесот Бергиус.
Друг процес, Фишер-Тропш, се состои од две фази. Прво се гасифицира јагленот т.е. Тие реагираат со водена пареа и кислород и добиваат мешавина од водород и јаглеродни оксиди. Оваа смеса се претвора во течно гориво со помош на катализатори кои содржат железо или кобалт. Со крајот на војната, производството на синтетичко гориво од јаглен во Германија беше прекинато.
Како резултат на порастот на цените на нафтата што следеше по ембаргото за нафта од 1973-1974 година, беа направени енергични напори да се развие рентабилен метод за производство на бензин од јаглен. Така, директното втечнување на јагленот може да се изврши поефикасно со користење на двостепен процес во кој јагленот најпрво се контактира со катализатор од алуминиум-кобалт-молибден на релативно ниска температура, а потоа на повисока температура. Цената на таквиот синтетички бензин е повисока од онаа што се добива од нафта.
Амонијак. Еден од наједноставните процеси на хидрогенизација од хемиска гледна точка е синтезата на амонијак од водород и азот. Азотот е многу инертна супстанција. Да се прекине врската N-N неговата молекула бара енергија од околу 200 kcal/ крт. Меѓутоа, азотот се врзува за површината на железниот катализатор во атомска состојба, а за тоа се потребни само 20 kcal/ крт. Водородот уште полесно се врзува за железото. Синтезата на амонијак се одвива на следниов начин:
Овој пример ја илустрира способноста на катализаторот подеднакво да ги забрзува и напредните и обратните реакции, т.е. фактот дека катализаторот не ја менува рамнотежната положба на хемиската реакција.Хидрогенизација на растително масло.
Една од најважните реакции на хидрогенизација во практична смисла е нецелосната хидрогенизација на растителните масла во маргарин, масло за јадење и други прехранбени производи. Растителните масла се добиваат од соја, семки од памук и други култури. Тие содржат естри, имено триглицериди на масни киселини со различен степен на незаситеност. Олеинска киселина CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH (CH 2 ) 7 COOH има една C=C двојна врска, линолеинската киселина има две, а линоленската киселина има три. Додавањето на водород за да се прекине оваа врска го спречува оксидирањето на маслата (ранцидност). Ова ја зголемува нивната точка на топење. Цврстината на повеќето добиени производи зависи од степенот на хидрогенизација. Хидрогенизацијата се изведува во присуство на фин никел во прав депониран на подлога или катализатор на никел од Рани во атмосфера на високо прочистен водород.Дехидрогенизација. Дехидрогенизацијата е исто така индустриски важна каталитичка реакција, иако обемот на нејзината примена е неспоредливо помал. Со негова помош, на пример, се добива стирен, важен мономер. За да го направите ова, етилбензенот се дехидрогенизира во присуство на катализатор кој содржи железен оксид; Реакцијата ја олеснува и калиумот и некој вид структурен стабилизатор. Дехидрогенизацијата на пропан, бутан и други алкани се врши на индустриско ниво. Дехидрогенизацијата на бутанот во присуство на хром-алуминиумски катализатор произведува бутени и бутадиен.Киселина катализа.
Каталитичката активност на голема класа на катализатори се одредува според нивните кисели својства. Според I. Brønsted и T. Lowry, киселината е соединение способно да донира протон. Силните киселини лесно ги донираат своите протони на базите. Концептот на киселост беше дополнително развиен во делата на Г. Луис, кој ја дефинира киселината како супстанца способна да прифати електронски пар од супстанција донор со формирање на ковалентна врска поради социјализацијата на овој електронски пар. Овие идеи, заедно со идеите за реакции кои произведуваат јони на карбениум, помогнаа да се разбере механизмот на различни каталитички реакции, особено оние кои вклучуваат јаглеводороди. Јачината на киселината може да се одреди со користење на збир на бази кои ја менуваат бојата кога се додава протон. Излегува дека некои индустриски важни катализатори се однесуваат како многу силни киселини. Тука спаѓаат катализаторот на процесот Friedel-Crafts, како на пр
HCl-AlCl 2 O 3 (или HAlCl 4 ), и алумосиликати. Јачината на киселината е многу важна карактеристика бидејќи ја одредува брзината на протонација, клучен чекор во процесот на киселинска катализа.Активноста на катализаторите како што се алумосиликатите, кои се користат во пукањето на маслото, се одредува со присуството на Бронстед и Луис киселините на нивната површина. Нивната структура е слична на структурата на силициум диоксид (силициум диоксид), во која некои од атомите
Си 4+ заменет со атомиАл 3+. Вишокот негативен полнеж што се појавува во овој случај може да се неутрализира со соодветните катјони. Ако катјоните се протони, тогаш алумосиликатот се однесува како Бронстедова киселина:
Активноста на киселинските катализатори е одредена од нивната способност да реагираат со јаглеводороди за да формираат карбениум јон како среден производ. Јоните на алкилкарбениум содржат позитивно наелектризиран јаглероден атом поврзан со три алкилни групи и/
или атоми на водород. Тие играат важна улога како посредници формирани во многу реакции кои вклучуваат органски соединенија. Механизмот на дејство на киселинските катализатори може да се илустрира користејќи го примерот на реакција на изомеризацијаn
-бутан до изобутан во присуство HCl - AlCl 3 или Pt - Cl - Al 2 O 3 . Прво, мала количина на олефин Ц 4 N 8 прикачува позитивно наелектризиран водороден јон на киселински катализатор за да се формирам терциерен карбениум јон. Потоа негативно наелектризиран хидрид јон N - се одвојува од n
-бутан со формирање на изобутан и секундарен бутилкарбе ниту т- јон. Последно како резултат на прегрупирање се претвора вотерцијарен јаглехидрат и ни јон. Овој ланец може да продолжи со елиминација на хидридниот јон од следната молекулаn-бутан, итн.: 
Суштински o дека терциерните карбениумови јони се постабилни од примарните или секундарните. Како резултат на тоа, тие се главно присутни на површината на катализаторот, и затоа главниот производ на изомеризацијата на бутанот е изобутан. Киселинските катализатори се широко користени во рафинирање на нафта - пукање, алкилирање, полимеризација и изомеризација на јаглеводороди
(исто така види ХЕМИЈА И МЕТОДИ НА ОБРАБОТКА НА МАСЛА). Воспоставен е механизмот на дејство на јоните на карбениум, кои играат улога на катализатори во овие процеси. Притоа, тие учествуваат во голем број реакции, вклучително и формирање на мали молекули со расцепување на големи молекули, комбинација на молекули (олефин во олефин или олефин во изопарафин), структурно преуредување со изомеризација и формирање на парафини и ароматични јаглеводороди со пренос на водород.Една од најновите примени на киселинската катализа во индустријата е производството на оловни горива со додавање алкохоли во изобутилен или изоамилен. Додавањето соединенија што содржат кислород во бензинот ја намалува концентрацијата на јаглерод моноксид во издувните гасови. метил-
трие -бутил етер (MTBE) со октански број за мешање од 109, исто така, овозможува да се добие високооктанско гориво неопходно за работа на автомобилски мотор со висок сооднос на компресија, без воведување на тетраетил олово во бензинот. Организирано е и производство на горива со октански броеви 102 и 111.Основна катализа. Активноста на катализаторите се одредува според нивните основни својства. Долгогодишен и добро познат пример за такви катализатори е натриум хидроксид, кој се користи за хидролизирање или сапонификација на мастите за да се направи сапун, а еден неодамнешен пример се катализаторите што се користат во производството на полиуретанска пластика и пени. Уретан се формира со реакција на алкохол со изоцијанат, а оваа реакција се забрзува во присуство на основниочигледни амини. За време на реакцијата, базата се прицврстува на јаглеродниот атом во молекулата на изоцијанат, како резултат на што на атомот на азот се појавува негативен полнеж и неговата активност кон алкохолот се зголемува. Триетилендиаминот е особено ефикасен катализатор. Полиуретанската пластика се произведува со реакција на диизоцијанати со полиоли (полиалкохоли). Кога изоцијанатот реагира со вода, претходно формираниот уретан се распаѓа, ослободувајќи CO2 . Кога мешавина од полиалкохоли и вода е во интеракција со диизоцијанати, добиената полиуретанска пена се пени како гас CO2. Катализатори со двојно дејство. Овие катализатори забрзуваат два типа на реакции и даваат подобри резултати отколку поминување на реактантите во серија низ два реактори, од кои секој содржи само еден вид катализатор. Ова се должи на фактот дека активните места на катализаторот со двојно дејство се многу блиску еден до друг, а меѓупроизводот формиран кај еден од нив веднаш се претвора во финален производ кај другиот.Добар резултат се добива со комбинирање на катализатор кој го активира водородот со катализатор кој промовира изомеризација на јаглеводородите. Активирањето на водородот го вршат некои метали, а изомеризацијата на јаглеводородите се врши со киселини. Ефективниот катализатор со двојно дејство што се користи во рафинирањето на нафтата за претворање на нафтата во бензин е фино поделена платина поддржана на кисела алумина. Конвертирањето на состојките на нафтата како што е метилциклопентан (MCP) во бензен го зголемува октанскиот број на бензинот. Прво, MCP се дехидрогенизира на платинскиот дел од катализаторот во олефин со ист јаглероден скелет; олефинот потоа преминува во киселинскиот дел од катализаторот, каде што се изомеризира до циклохексен. Вториот преминува во платинскиот дел и се дехидрогенизира до бензен и водород.
Катализаторите со двојно дејство значително ја забрзуваат реформата на нафтата. Тие се користат за изомеризација на нормалните парафини во изопарафини. Вторите, кои се варат на исти температури како и фракциите на бензинот, се вредни бидејќи имаат поголем октански број во споредба со директните јаглеводороди. Покрај тоа, трансформацијата
n -бутанот до изобутан е придружен со дехидрогенизација, што го олеснува производството на МТБЕ.Стереоспецифична полимеризација. Важна пресвртница во историјатадојде до катализа откривање на каталитичка полимеризацијаа-олефини со формирање стереорегуларен x полимери. На катализаторите стереоспецифиченполимеризација биле откриени од K. Ziegler кога се обидел да ги објасни необичните својства на полимерите што ги добил. Друг хемичар, Џ. Експериментите со дифракција на Х-зраци покажаа дека полимерите подготвени од пропилен во присуство на катализатори на Циглер се високо кристални и навистина имаат стереогуларна структура. За да ги опише таквите наредени структури, Ната ги воведе термините „изотактички " и "синдиотактички". Во случај кога нема ред, се користи терминот „атактика“:
Стереоспецифична реакција се јавува на површината на цврстите катализатори кои содржат групи на преодни метали IVA - VIII (како Ti, V, Cr, Zr ), се во нецелосно оксидирана состојба и секое соединение што содржи јаглерод или водород што е поврзано со метал од групите I - III . Класичен пример за таков катализатор е талогот формиран кога TiCl 4 и Al(C 2 H 5 ) 3 во хептан, каде што титаниумот е редуциран до тривалентна состојба. Оваисклучително активниСистемот ја катализира полимеризацијата на пропилен при нормална температура и притисок.Каталитичка оксидација.
Употребата на катализатори за контрола на хемијата на процесите на оксидација е од големо научно и практично значење. Во некои случаи, оксидацијата мора да биде целосна, на пример кога се неутрализираат загадувачите на CO и јаглеводороди во автомобилските издувни гасови.Меѓутоа, почесто е неопходно оксидацијата да биде нецелосна, на пример, во многу широко користени индустриски процеси за претворање на јаглеводороди во вредни меѓупроизводи кои содржат функционални групи како што се -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. Во овој случај, се користат и хомогени и хетерогени катализатори. Пример за хомоген катализатор е комплекс на преоден метал, кој се користи за оксидацијапар
-ксилен до терефтална киселина, чии естри служат како основа за производство на полиестерски влакна.Катализатори за хетерогена оксидација.
Овие катализатори се обично сложени цврсти оксиди. Каталитичката оксидација се јавува во две фази. Прво, кислородот во оксидот е заробен од јаглеводородна молекула адсорбирана на површината на оксидот. Во овој случај, јаглеводородот се оксидира, а оксидот се намалува. Редуцираниот оксид реагира со кислород и се враќа во првобитната состојба. Со користење на ванадиумски катализатор, фтален анхидрид се добива со нецелосна оксидација на нафталин или бутан.Производство на етилен со дехидродимеризација на метан.
Синтезата на етилен преку дехидродимеризација го претвора природниот гас во полесно преносливи јаглеводороди. Реакција 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O се изведува на 850 ° C со користење на различни катализатори; најдобри резултати се добиваат со катализатор Li-MgO . Веројатно реакцијата се одвива преку формирање на метил радикал со апстракција на атом на водород од молекула на метан. Елиминацијата се врши со нецелосно намален кислород, на пример О 2
2-
. Метил радикалите во гасната фаза се рекомбинираат за да формираат молекула на етан и, за време на последователната дехидрогенизација, се претвораат во етилен. Друг пример за нецелосна оксидација е конверзија на метанол во формалдехид во присуство на сребро или железо-молибден катализатор.Зеолити. Зеолитите сочинуваат посебна класа на хетерогени катализатори. Станува збор за алумосиликати со уредена структура на саќе, чија големина на клетката е споредлива со големината на многу органски молекули. Тие се нарекуваат и молекуларни сита. Од најголем интерес се зеолитите, чии пори се формирани од прстени кои се состојат од 8-12 кислородни јони (сл. 2). Понекогаш порите се преклопуваат, како кај зеолитот ZSM-5 (сл. 3), кој се користи за високо специфична конверзија на метанол во јаглеводороди со фракција на бензин. Бензинот содржи значителни количини на ароматични јаглеводороди и затоа има висок октански број. На пример, во Нов Зеланд, една третина од потрошениот бензин се произведува со оваа технологија. Метанолот се произведува од увезен метан.
Катализаторите кои ја сочинуваат групата Y-зеолити значително ја зголемуваат ефикасноста на каталитичкото пукање пред се поради нивните необични киселински својства. Замената на алумосиликатите со зеолити овозможува да се зголеми приносот на бензинот за повеќе од 20%. Покрај тоа, зеолитите имаат селективност во однос на големината на молекулите кои реагираат. Нивната селективност се одредува според големината на порите низ кои можат да поминат молекули само со одредени големини и форми. Ова се однесува и на почетните материјали и на реакционите производи. На пример, поради стерични ограничувања
пар -ксиленот се формира полесно од пообемнитеорто- И мета -изомери. Последните се наоѓаат „заклучени“ во порите на зеолитот (сл. 4).Употребата на зеолити направи вистинска револуција во некои индустриски технологии - депилација на гасно масло и моторно масло, добивање хемиски меѓупроизводи за производство на пластика со алкилација на ароматични соединенија, изомеризација на ксилен, диспропорција на толуен и каталитичко пукање на маслото. Зеолитот е особено ефикасен овде
ЗСМ-5. Катализатори и заштита на животната средина. Употребата на катализатори за намалување на загадувањето на воздухот започна на крајот на 19 40-ти. Во 1952 година, А. Хаген-Смит открил дека јаглеводородите и азотните оксиди содржани во издувните гасови реагираат на светлина за да формираат оксиданти (особено озон), кои ги иритираат очите и даваат други несакани ефекти. Отприлика во исто време, Y. Khoudri разви метод за каталитичко прочистување на издувните гасови со оксидација CO и јаглеводороди до CO 2 и H 2 А. Во 1970 година беше формулирана Декларацијата за чист воздух (рафинирана во 1977 година, проширена во 1990 година), според која сите нови автомобили, почнувајќи од моделите од 1975 година, мора да бидат опремени со катализатори. Утврдени се стандарди за составот на издувните гасови. Бидејќи оловните соединенија се додаваат во катализаторите за отров на бензинот, усвоена е програма за постепено исклучување. Внимание беше привлечено и на потребата да се намали содржината на азотни оксиди.Катализаторите се создадени специјално за автомобилски неутрализатори, во кои активните компоненти се нанесуваат на керамичка подлога со структура на саќе, низ чии ќелии минуваат издувните гасови. Подлогата се премачкува со тенок слој од метален оксид, на пр.
Al2O3 , на кој се нанесува катализатор - платина, паладиум или родиум. Содржината на азотни оксиди формирани при согорувањето на природните горива во термоелектраните може да се намали со додавање на мали количини на амонијак во димните гасови и нивно поминување низ катализатор на титаниум ванадиум.Ензими. Ензимите се природни катализатори кои ги регулираат биохемиските процеси во живата клетка. Тие учествуваат во процесите на размена на енергија, распаѓањето на хранливите материи и реакциите на биосинтезата. Без нив, многу сложени органски реакции не можат да се случат. Ензимите функционираат на обични температури и притисоци, имаат многу висока селективност и се способни да ги зголемат стапките на реакција за осум реда по големина. И покрај овие предности, само прибл. 20 од 15.000 познати ензими се користат во голем обем.Човекот користел ензими илјадници години за печење леб, производство на алкохолни пијалоци, сирење и оцет. Сега ензимите се користат и во индустријата: во преработка на шеќер, во производство на синтетички антибиотици, амино киселини и протеини. Во детергентите се додаваат протеолитички ензими кои ги забрзуваат процесите на хидролиза.
Со помош на бактерии
Clostridium acetobutylicum H. Weizmann извршил ензимска конверзија на скроб во ацетон и бутил алкохол. Овој метод на производство на ацетон беше широко користен во Англија за време на Првата светска војна, а за време на Втората светска војна се користеше за производство на бутадиенска гума во СССР.Исклучително важна улога играше употребата на ензими произведени од микроорганизми за синтеза на пеницилин, како и стрептомицин и витамин
Б12. Етил алкохолот, произведен со ензимски процеси, широко се користи како гориво за автомобили. Во Бразил, повеќе од една третина од околу 10 милиони автомобили работат на 96% етил алкохол добиен од шеќерна трска, додека останатите работат на мешавина од бензин и етил алкохол (20%). Технологијата за производство на гориво, која е мешавина од бензин и алкохол, е добро развиена во САД. Во 1987 година, прибл. 4 милијарди литри алкохол, од кои приближно 3,2 милијарди литри се користеле како гориво. Таканаречените, исто така, наоѓаат различни апликации. имобилизирани ензими. Овие ензими се врзуваат за цврста потпора, како што е силика гел, преку која се пренесуваат реагенсите. Предноста на овој метод е што обезбедува ефикасен контакт на супстратите со ензимот, одвојување на производите и зачувување на ензимот. Еден пример за индустриска употреба на имобилизирани ензими е изомеризацијатаД - гликоза во фруктоза. ТЕХНОЛОШКИ АСПЕКТИ Современите технологии не можат да се замислат без употреба на катализатори. Каталитичките реакции можат да се случат на температури до 650 степени° C и притисоци од 100 atm или повеќе. Ова принудува нови решенија за проблемите поврзани со контакт помеѓу гасовити и цврсти материи и со пренос на честички на катализаторот. За процесот да биде ефективен, неговото моделирање мора да ги земе предвид кинетичките, термодинамичките и хидродинамичките аспекти. Овде широко се користи компјутерското моделирање, како и нови инструменти и методи за следење на технолошките процеси.Во 1960 година беше постигнат значителен напредок во производството на амонијак. Употребата на поактивен катализатор овозможи да се намали температурата на производството на водород за време на распаѓањето на водената пареа, што овозможи да се намали притисокот и, според тоа, да се намалат трошоците за производство, на пример, преку употреба на поевтини центрифугални компресори . Како резултат на тоа, цената на амонијакот падна за повеќе од половина, имаше колосално зголемување на неговото производство, а во врска со ова, зголемување на производството на храна, бидејќи амонијакот е вредно ѓубриво.
Методи. Истражувањата во областа на катализата се вршат со користење на традиционални и специјални методи. Се користат радиоактивни трагачи, Х-зраци, инфрацрвена и Раман (Раман) спектроскопија, електронски микроскопски методи; Се вршат кинетички мерења, се проучува влијанието на методите за подготовка на катализатори врз нивната активност. Од големо значење е определувањето на површината на катализаторот со помош на методот Brunauer-Emmett-Teller (BET метод), врз основа на мерење на физичката адсорпција на азот при различни притисоци. За да го направите ова, определете ја количината на азот потребна за формирање на еднослоен слој на површината на катализаторот и, знаејќи го дијаметарот на молекулата N 2 , пресметајте ја вкупната површина. Покрај одредувањето на вкупната површина, се врши хемисорпција на различни молекули, што овозможува да се процени бројот на активни центри и да се добијат информации за нивните својства.Истражувачите имаат на располагање различни методи за проучување на површинската структура на катализаторите на атомско ниво. Методот ви овозможува да добиете единствени информации
EXAFS . Меѓу спектроскопските методи, се повеќе се користат УВ, Х-зраци и фотоелектронска спектроскопија на Огер. Од голем интерес се секундарната јонска масена спектрометрија и јонска спектроскопија на расејување. Мерењата на NMR се користат за проучување на природата на каталитичките комплекси. Микроскопот за скенирање тунели ви овозможува да го видите распоредот на атомите на површината на катализаторот. ИСПИТУВАЊА Обемот на каталитичките процеси во индустријата се зголемува секоја година. Катализаторите се повеќе се користат за неутрализирање на супстанции кои ја загадуваат животната средина. Се зголемува улогата на катализаторите во производството на јаглеводороди и синтетички горива што содржат кислород од гас и јаглен. Создавањето горивни ќелии за економична конверзија на горивната енергија во електрична енергија изгледа многу ветувачко.Новите концепти за катализа ќе овозможат да се добијат полимерни материјали и други производи со многу вредни својства, да се подобрат методите за добивање енергија и да се зголеми производството на храна, особено со синтетизирање на протеини од алкани и амонијак со помош на микроорганизми. Можеби е возможно да се развијат генетски инженерски методи за производство на ензими и органометални соединенија кои се приближуваат до природните биолошки катализатори во нивната каталитичка активност и селективност.
ЛИТЕРАТУРАГејтс Б.К. Хемија на каталитички процеси . М., 1981 годинаБорешков Г.К. Катализа. Прашања за теорија и пракса . Новосибирск, 1987 година
Ганкин В.Ју., Ганкин Ју.В.Нова општа теорија на катализа . Л., 1991 година
Токабе К. Катализатори и каталитички процеси . М., 1993 година
С. И. ЛЕВЧЕНКОВ
ФИЗИЧКА И КОЛОИДНА ХЕМИЈА
Белешки за предавање за студенти на Биолошкиот факултет на Јужниот федерален универзитет (РСУ)
2.3 КАТАЛИТИЧКИ ПРОЦЕСИ
Брзината на хемиска реакција на дадена температура се определува со брзината на формирање на активираниот комплекс, што, пак, зависи од вредноста на енергијата на активирање. Во многу хемиски реакции, структурата на активираниот комплекс може да вклучува супстанции кои не се стехиометриски реагенси; Очигледно е дека во овој случај се менува и енергијата на активирање на процесот. Во случај на присуство на неколку преодни состојби, реакцијата ќе продолжи главно по патеката со најниската бариера за активирање.
Катализа е феномен на промена на брзината на хемиската реакција во присуство на супстанции, чија состојба и количина остануваат непроменети по реакцијата.
Разликувајте позитивенИ негативенкатализа (соодветно, зголемување и намалување на брзината на реакција), иако терминот „катализа“ често значи само позитивна катализа; се нарекува негативна катализа инхибиција.
Супстанцијата која е дел од структурата на активираниот комплекс, но стехиометриски не е реагенс, се нарекува катализатор. Сите катализатори се карактеризираат со такви заеднички својства како специфичност и селективност на дејството.
СпецифичностКатализаторот лежи во неговата способност да забрза само една реакција или група слични реакции и да не влијае на брзината на другите реакции. На пример, многу преодни метали (платина, бакар, никел, железо, итн.) се катализатори за процесите на хидрогенизација; алуминиум оксидот ги катализира реакциите на хидратација итн.
Селективносткатализатор - способност да се забрза една од паралелните реакции можни во дадени услови. Благодарение на ова, можно е, користејќи различни катализатори, да се добијат различни производи од истите почетни материјали:
|
: CO + H 2 ––> CH 3 OH |
: C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O |
|
: CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O |
: C 2 H 5 OH ––> CH 3 CHO + H 2 |
Причината за зголемувањето на брзината на реакцијата со позитивна катализа е намалувањето на енергијата на активирање кога реакцијата се одвива низ активиран комплекс со учество на катализатор (сл. 2.8).
Бидејќи, според равенката Арениус, константата на брзината на хемиската реакција е експоненцијално зависна од енергијата на активирање, намалувањето на последната предизвикува значително зголемување на константата на брзината. Навистина, ако претпоставиме дека предекспоненцијалните фактори во равенката Арениус (II.32) за каталитички и некаталитички реакции се блиски, тогаш за односот на константите на брзината можеме да напишеме:
Ако ΔE A = –50 kJ/mol, тогаш односот на константите на брзината ќе биде 2,7 10 6 пати (навистина, во пракса таквото намалување на E A ја зголемува брзината на реакцијата за приближно 10 5 пати).
Треба да се забележи дека присуството на катализатор не влијае на големината на промената на термодинамичкиот потенцијал како резултат на процесот и, според тоа, ниту еден катализатор не може да го овозможи спонтано појавување на термодинамички невозможен процес (процес чиј ΔG (ΔF) е поголем од нула). Катализаторот не ја менува вредноста на константата на рамнотежа за реверзибилни реакции; влијанието на катализаторот во овој случај е само да го забрза постигнувањето на рамнотежна состојба.
Во зависност од фазната состојба на реагенсите и катализаторот, се разликува хомогена и хетерогена катализа.
Ориз. 2.8Енергетски дијаграм на хемиска реакција без катализатор (1)
а во присуство на катализатор (2).
2.3.1 Хомогена катализа.
Хомогена катализа - каталитички реакции во кои реактантите и катализаторот се во иста фаза. Во случај на хомогени каталитички процеси, катализаторот формира средно реактивни производи со реагенсите. Ајде да разгледаме некоја реакција
A + B ––> C
Во присуство на катализатор, се изведуваат две фази кои брзо се појавуваат, како резултат на кои се формираат честички од средното соединение АА, а потоа (преку активираниот ABC комплекс #) финалниот производ на реакција со регенерација на катализаторот:
А + К ––> АК
AK + B ––> C + K
Пример за таков процес е реакцијата на распаѓање на ацеталдехид, чија енергија на активирање е E A = 190 kJ/mol:
CH 3 CHO ––> CH 4 + CO
Во присуство на јодна пареа, овој процес се јавува во две фази:
CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI ––> CH 4 + I 2
Намалувањето на енергијата на активирање на оваа реакција во присуство на катализатор е 54 kJ/mol; константата на брзината на реакцијата се зголемува приближно 105 пати. Најчестиот тип на хомогена катализа е киселинската катализа, во која водородните јони H + дејствуваат како катализатор.
2.3.2 Автокатализа.
Автокатализа– процес на каталитичко забрзување на хемиска реакција од еден од нејзините производи. Пример е хидролиза на естери катализирани од водородни јони. Киселината формирана за време на хидролизата се дисоцира и формира протони, кои ја забрзуваат реакцијата на хидролиза. Особеноста на автокаталитичката реакција е тоа што оваа реакција се одвива со постојано зголемување на концентрацијата на катализаторот. Затоа, во почетниот период на реакцијата, нејзината брзина се зголемува, а во следните фази, како резултат на намалување на концентрацијата на реагенси, брзината почнува да се намалува; кинетичката крива на производот од автокаталитичка реакција има карактеристичен изглед во форма на S (сл. 2.9).
Ориз. 2.9Кинетичка крива на производот од автокаталитичка реакција
2.3.3 Хетерогена катализа.
Хетерогена катализа – каталитички реакции кои се случуваат на интерфејсот помеѓу фазите формирани од катализаторот и реактантите. Механизмот на хетерогени каталитички процеси е многу покомплексен отколку во случај на хомогена катализа. Во секоја хетерогена каталитичка реакција, може да се разликуваат најмалку шест фази:
1. Дифузија на почетните материи до површината на катализаторот.
2. Адсорпција на почетни материи на површината со формирање на некое средно соединение:
A + B + K ––> АВК
3. Активирање на адсорбираната состојба (енергијата потребна за ова е вистинската енергија за активирање на процесот):
AVK ––> AVK #
4. Распаѓање на активираниот комплекс со формирање на адсорбирани реакциони производи:
АВК # ––> СДК
5. Десорпција на реакционите продукти од површината на катализаторот.
СДК ––> С + Д + К
6. Дифузија на реакционите производи од површината на катализаторот.
Специфична карактеристика на хетерокаталитичките процеси е способноста на катализаторот да промовира и труе.
Промоција– зголемување на активноста на катализаторот во присуство на супстанции кои самите не се катализатори за овој процес (промотори). На пример, за катализирана реакција на никел метал
CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O
воведувањето на мала нечистотија на цериум во никелскиот катализатор доведува до нагло зголемување на активноста на катализаторот.
Труење– нагло намалување на активноста на катализаторот во присуство на одредени супстанции (т.н. каталитички отрови). На пример, за реакција на синтеза на амонијак (катализатор е сунѓересто железо), присуството на кислород или сулфурни соединенија во реакционата смеса предизвикува нагло намалување на активноста на железниот катализатор; во исто време, способноста на катализаторот да ги адсорбира почетните материјали многу малку се намалува.
За да ги објасни овие карактеристики на хетерогени каталитички процеси, Г. Тејлор ја направи следнава претпоставка: не целата површина на катализаторот е каталитички активна, туку само некои од неговите области - т.н. активни центри , што може да бидат различни дефекти во кристалната структура на катализаторот (на пример, испакнатини или вдлабнатини на површината на катализаторот). Во моментов, не постои обединета теорија за хетерогена катализа. За метални катализатори беше развиен мултиплет теорија . Главните одредби на мултиплетната теорија се како што следува:
1. Активниот центар на катализаторот е збир од одреден број центри за адсорпција лоцирани на површината на катализаторот во геометриска согласност со структурата на молекулата што е подложена на трансформацијата.
2. За време на адсорпцијата на молекулите кои реагираат на активниот центар, се формира мултиплатен комплекс, што резултира со прераспределба на врските, што доведува до формирање на реакциони производи.
Теоријата на мултипти понекогаш се нарекува теорија на геометриска сличност на активниот центар и молекули кои реагираат. За различни реакции, бројот на центри за адсорпција (од кои секој е идентификуван со метален атом) во активниот центар е различен - 2, 3, 4 итн. Ваквите активни центри се нарекуваат дублет, тројка, четворка итн., Соодветно. (во општ случај, мултиплет, на што теоријата го должи своето име).
На пример, според теоријата на мултипти, дехидрогенизацијата на заситените монохидрични алкохоли се случува на дублет, а дехидрогенизацијата на циклохексан се случува на секстет (сл. 2.10 - 2.11); Теоријата на мултипти овозможи да се поврзе каталитичката активност на металите со вредноста на нивниот атомски радиус.
Ориз. 2.10Дехидрогенизација на алкохоли на дублет
Ориз. 2.11Дехидрогенизација на циклохексан на секстет
2.3.4 Ензимска катализа.
Ензимска катализа - каталитички реакции кои се случуваат со учество на ензими - биолошки катализатори од протеинска природа. Ензимската катализа има две карактеристични карактеристики:
1. Висока активност , е за неколку реда на големина поголема од активноста на неорганските катализатори, што се објаснува со многу значително намалување на енергијата на активирање на процесот од ензимите. Така, константата на брзина за реакцијата на распаѓање на водород пероксид катализирана од јоните на Fe 2+ е 56 s -1; константата на брзината на истата реакција катализирана од ензимот каталаза е 3,5·107, т.е. реакцијата во присуство на ензимот се одвива милион пати побрзо (енергиите на активација на процесите се 42 и 7,1 kJ/mol, соодветно). Константите на брзината за хидролиза на уреа во присуство на киселина и уреаза се разликуваат за тринаесет реда на големина, во износ од 7,4·10 -7 и 5·10 6 s-1 (енергијата на активирање е 103 и 28 kJ/mol, соодветно).
2. Висока специфичност . На пример, амилазата го катализира разградувањето на скробот, кој е синџир на идентични гликозни единици, но не ја катализира хидролизата на сахарозата, чија молекула е составена од фрагменти од гликоза и фруктоза.
Според општо прифатените идеи за механизмот на ензимска катализа, супстратот S и ензимот F се во рамнотежа со многу брзо формираниот комплекс ензим-супстрат FS, кој релативно бавно се распаѓа во реакциониот производ P со ослободување на слободен ензим; Така, фазата на распаѓање на комплексот ензим-супстрат во реакциони продукти ја одредува брзината (ограничувачка).
F+S<––>FS ––> F + P
Студијата за зависноста на брзината на ензимската реакција од концентрацијата на супстратот при константна концентрација на ензимот покажа дека со зголемување на концентрацијата на супстратот, брзината на реакција прво се зголемува, а потоа престанува да се менува (сл. 2.12) и зависноста на брзината на реакцијата од концентрацијата на подлогата е опишана со следнава равенка:
(II.45)
Вовед
1. Општи одредби и принципи на катализа
2. Хомогена катализа
3. Киселина и базна катализа
4. Хомогени каталитички реакции катализирани од сложени соединенија
5. Ензимска катализа
6. Хетерогена катализа
Заклучок
Список на користени извори
Вовед
Катализа е феномен на промена на брзината на реакцијата во присуство на катализатори. Реакциите што се случуваат со учество на катализатори се нарекуваат каталитички. Супстанциите кои ја зголемуваат брзината на хемиската реакција, додека остануваат непроменети како резултат на целокупната реакција, се нарекуваат катализатори.
Постојат многу различни видови на катализатори и многу различни механизми на нивното дејство. Катализаторот поминува низ циклуси во кои прво се врзува, потоа се регенерира, повторно се врзува и така натаму многу пати. Катализаторот дозволува реакцијата да продолжи по различен пат, и со поголема брзина отколку што би се случила во отсуство на катализатор. Брзината може да се зголеми со намалување на енергијата за активирање, зголемување на предекспоненцијалниот фактор или и двете.
Катализаторот истовремено ги забрзува и напредните и обратните реакции, поради што константата на рамнотежа на вкупната реакција останува непроменета. Да не беше така, тогаш би било можно да се конструира машина за постојано движење со помош на катализатор за регенерирање на материјата
1. Општи одредби и принципи на катализа
Катализаторите се поделени на хомогени и хетерогени. Хомоген катализатор е во иста фаза со супстанциите што реагираат, додека хетерогениот катализатор формира независна фаза, одделена со интерфејс од фазата во која се наоѓаат супстанциите што реагираат. Типични хомогени катализатори се киселините и базите. Металите, нивните оксиди и сулфиди се користат како хетерогени катализатори.
Реакции од ист тип може да се појават и со хомогени и со хетерогени катализатори. Така, заедно со киселинските раствори, се користат цврсти Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, алумосиликати и зеолити со киселински својства. Хетерогени катализатори со основни својства: CaO, BaO, MgO.
Хетерогените катализатори, по правило, имаат високо развиена површина, за која се распределуваат на инертен носач (силика гел, алуминиум оксид, активен јаглен итн.).
За секој тип на реакција, само одредени катализатори се ефикасни. Покрај веќе споменатите киселинско-базни катализатори, постојат катализатори за редукција на оксидација; тие се карактеризираат со присуство на преоден метал или негово соединение (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). Во овој случај, катализата се врши со промена на состојбата на оксидација на преодниот метал.
Многу реакции се изведуваат со користење на катализатори кои дејствуваат преку координација на реактантите во атом или јон на преодниот метал (Ti, Rh, Ni). Овој тип на катализа се нарекува координативна катализа.
Ако катализаторот има хирални својства, тогаш оптички активен производ се добива од оптички неактивен супстрат.
Во современата наука и технологија, често се користат системи од неколку катализатори, од кои секој ги забрзува различните фази на реакцијата. Катализаторот, исто така, може да ја зголеми брзината на една фаза од каталитичкиот циклус спроведен од друг катализатор. Овде се одвива „катализа на катализа“ или катализа на второ ниво.
Во биохемиските реакции, ензимите играат улога на катализатори.
Катализаторите мора да се разликуваат од иницијаторите. На пример, пероксидите се распаѓаат на слободни радикали, кои можат да иницираат радикални верижни реакции. Иницијаторите се трошат за време на реакцијата, така што тие не можат да се сметаат за катализатори.
Инхибиторите понекогаш погрешно се сметаат за негативни катализатори. Но, инхибиторите, на пример, на радикалните верижни реакции, реагираат со слободните радикали и, за разлика од катализаторите, не се складираат. Други инхибитори (каталитички отрови) се врзуваат за катализаторот и го деактивираат; тука има потиснување на катализата, а не негативна катализа. Негативната катализа во принцип е невозможна: таа би обезбедила побавен пат за реакцијата, но реакцијата, природно, ќе следи побрз, во овој случај, некатализиран пат.
Катализаторот може да биде еден од производите на реакцијата. Во овој случај, реакцијата се нарекува автокатализа, а самиот феномен се нарекува автокатализа. На пример, при оксидација на Fe 2+ со Mn0 4
5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 0
добиените Mn 2+ јони ја катализираат реакцијата.
Каталитичките реакции се исклучително чести по природа. Најизненадувачки од нив се реакциите со ензими, кои катализираат многу реакции кај живите организми. Катализаторите се широко користени во индустријата. Производство на азотни и сулфурни киселини, амонијак, производство на синтетичка гума итн. невозможно без каталитички реакции. Во производството на лековити материи се користат катализатори: фенацетин, гвајакол, халогени деривати на ароматични соединенија итн. Како катализатори се користат Mn(IV) оксид, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3.
Постојат хомогена и хетерогена катализа, но за која било од нив главните принципи се сведуваат на следново:
1. Катализаторот активно учествува во елементарниот чин на реакцијата, формирајќи или посредни соединенија со еден од учесниците во реакцијата или активиран комплекс со сите супстанции што реагираат. По секој елементарен чин, тој се обновува и може да комуницира со нови молекули на супстанции кои реагираат.
2. Брзината на каталитичката реакција е пропорционална на количината на катализаторот.
3. Катализаторот има селективност на дејство. Може да ја промени брзината на една реакција и да не влијае на брзината на друга.
4. Катализаторот дозволува реакцијата да продолжи по различен пат, и со поголема брзина отколку во отсуство на катализатор.
Брзината може да се зголеми со намалување на енергијата за активирање, зголемување на предекспоненцијалниот фактор или и двете. На пример, термичкото распаѓање на ацеталдехидот CH 3 CHO CH 4 + CO се катализира со јодна пареа, што предизвикува намалување на енергијата на активирање за ~ 55 kJ/mol. Ова намалување предизвикува константата на брзина да се зголеми за приближно 10.000 пати.
5. Катализаторот не влијае на положбата на термодинамичката рамнотежа. Ја менува брзината и на напредните и на обратните реакции во иста мера.
6. Со додавање на одредени супстанции наречени промотери се зголемува активноста на катализаторот; додавањето инхибитори ја намалува брзината на реакцијата.
2. Хомогена катализа
Во хомогена катализа, катализаторот е молекула или јон во хомоген раствор. Во случај на хомогена катализа, катализаторот и сите реактанти формираат една заедничка фаза.
Главната претпоставка на теоријата за хомогена катализа е идејата дека за време на реакцијата се формираат нестабилни меѓусоединенија на катализаторот со реактантите, кои потоа се распаѓаат со регенерација на катализаторот:
А + Б + К = (А-Б-К)* Д + К
Брзината на оваа реакција
v=k nв Ав Бв К
е пропорционална со концентрацијата на катализаторот, а константата на брзина ја почитува Арениусовата равенка. Оваа реакција може да се случи во две фази:
катализа хомогена кисела ензимска хетерогена
Во овој случај, можни се два случаи. Во првата, брзината на распаѓање на комплексот во катализаторот и почетниот производ е значително повисока од стапката на втората фаза, во која се формира финалниот производ. Затоа, концентрацијата на комплекси, наречени Arrhenius комплекси во овој тип на катализа, е мала. Во вториот случај, стапката на распаѓање на комплексот е споредлива со стапката на втората фаза. Концентрацијата на меѓукомплексот е значајна и стационарна. Комплексите од овој тип се нарекуваат van't Hoff комплекси.
Вториот случај, како потипичен, ќе биде разгледан подетално. Бидејќи средното соединение АА е во рамнотежа со почетните супстанции, стапките на напредната (v 1) и обратната (v 2) реакција (1) треба да бидат еднакви. Составувајќи ги кинетичките равенки за нив, добиваме:
Каде (Со До"-- Со АК") -- концентрација на катализатор што не реагирал; Со А,Со А.К."-- рамнотежни концентрации на супстанцијата А и средно АА, соодветно.
Од (2) ја наоѓаме концентрацијата на меѓусоединението:
Вкупната брзина на целиот процес (v) се одредува со брзината на најбавната фаза, во овој случај втората. Потоа
Заменувајќи ја концентрацијата на средното соединение (3) во (4), добиваме:
Равенката (5) укажува на можноста за постоење на два ограничувачки режими:
Во двата случаи, брзината на реакцијата е директно пропорционална со концентрацијата на катализаторот, но редоследот на реакцијата во однос на почетните материјали е различен. Во првиот случај тоа е еднакво на два, а во вториот - еден. Надвор од ограничувачките режими, редоследот на реакцијата ќе биде фракционо.
Пример за хомогена катализа е реакцијата на термичко распаѓање на ацеталдехид CH 3 SON CH 4 + CO, катализиран со јодна пареа. Во отсуство на јодна пареа Е А=191,0 kJ/mol, во нивно присуство Е А= 136,0 kJ/mol. Константата на стапката се зголемува 10.000 пати. Ова се случува затоа што реакцијата се јавува во две фази:
CH 3 SON + I 2 = CH 3 I + HI + CO
CH 3 I + HI = CH 4 + I 2
Енергијата на активирање на секоја фаза е помала од енергијата на активирање на некаталитичката реакција.
Хомогена катализа вклучува многу киселинско-базни реакции, реакции на сложеност, реакции на редокс, бројни реакции на хидрогенизација, реакции на сулфедација итн.
3. Киселина и базна катализа
Киселините и базите во многу реакции вршат функции на катализатор, т.е. додека учествуваат во реакцијата, тие самите не се трошат (реакции на хидролиза, алкилација, естерификација итн. Постојат три типа на киселинско-базна катализа:
1) специфична киселинска (базна) катализа, во која јоните H + или OH - служат како катализатори, соодветно;
2) општа киселинска (базна) катализа, која ја врши кој било донатор на протон (акцептор);
3) електрофилна (нуклеофилна) катализа, спроведена од киселини и луис бази.
Константа на стапка од прв ред кза реакција во пуфер раствор може да биде линеарна функција од [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], т.е.:
k = k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH - ] + k 3 [HA] + k 4 [A - ]
Во овој израз к 0 -- Константа на брзина од прв ред во отсуство на сите каталитички јони: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- каталитички коефициенти.
Ако само терминот k 1 [H + ] игра значајна улога, тогаш тие велат дека реакцијата покажува специфична катализа од водородни јони. Доколку некој член преовладува к 3 [HA], тогаш се вели дека реакцијата е предмет на општа киселинска катализа. Доколку членот преовладува к 4 [A - ], тогаш се вели дека реакцијата е предмет на општа основна катализа.
За специфична киселинско-базна катализа, кога брзината на некаталитичката реакција е мала (к 0 = 0), може да се претстави во логаритамска форма:
За кисели раствори:
За алкални раствори:
Равенките покажуваат дека при специфична киселинско-базна катализа, логаритамот на константата на брзината линеарно зависи од pH на медиумот.
Механизмот на каталитичкото дејство на водородните јони се состои во тоа што се формира средно соединение на протон и молекула на почетната супстанција. Поради овој процес, хемиските врски присутни во почетната супстанција се олабавуваат, енергијата на активирање се намалува, а потоа протонираната форма на BH + се распаѓа во реакциониот производ и катализатор.
4. Хомогени каталитички реакции катализирани од сложени соединенија
Реакциите на редукција, хидрогенизација, оксидација, изомеризација, полимеризација во индустриски услови се вршат во присуство на катализатори - сложени соединенија (метални јони од групата VIII од периодниот систем Fe, Co, Ni, Ru, како и Cu, Fg, Hg , Cr, Mn). Суштината на каталитичкото дејство е дека металните јони дејствуваат како донатори или акцептори на електрони. Хемиските интеракции помеѓу молекулите кои реагираат координирани околу централниот метален јон се олеснети со поларизација на молекулите и намалување на енергијата на поединечните врски. Централниот метален јон делува како мост, што ги олеснува електронските транзиции помеѓу молекулите кои реагираат.
Каталитичката активност на металниот јон зависи од енергијата на врзувањето на јонот со учесниците во реакцијата. Ако енергијата на врзување е висока или мала, металниот јон покажува слаба каталитичка активност. Во првиот случај, металните јони се врзуваат толку цврсто за молекулите што реагираат што тие се отстранети од реакцијата. Во вториот случај, молекулите кои реагираат не можат да ги поместат другите лиганди присутни во растворот. Резултатот се комплекси заситени со координација кои не се активни катализатори.
Благодарение на широките можности за регулирање на составот на сложените катализатори, стана возможно да се симулираат голем број реакции кои вклучуваат ензими кои содржат јони од елементите од групата VIII.
5. Ензимска катализа
Ензимите се најневеројатните катализатори. Тие се поврзани со многу реакции во живите организми и затоа често се нарекуваат биолошки катализатори. Ензимската катализа е посложена појава од конвенционалната катализа. Високата организација на процесите на ензимска катализа е одредена од особеноста на интеракцијата во жив организам, поврзана со посебна комбинација на молекуларната структура на ензимите и супстратите, кои се нарекуваат реактанти во ензимските реакции.
Ензимите се протеини, т.е. се состои од амино киселини поврзани со пептидни врски. Молекулата на ензимот има наизменични поларни групи COOH, NH 2, NH, OH, SH итн., како и хидрофобни групи. Примарната структура на ензимот се одредува според редоследот на алтернација на различни амино киселини. Како резултат на термичко хаотично движење, ензимската макромолекула се наведнува и витка во лабави топчиња. Интермолекуларната интеракција се јавува помеѓу одделни делови од полипептидниот синџир, што доведува до формирање на водородни врски. Секундарната структура на ензимот се појавува во форма на лабава средина. За секој ензим, секундарната структура е добро дефинирана. Активниот каталитички центар на ензимот вклучува групи кои ги ориентираат молекулите на подлогата во одредена положба. Активниот центар е како матрица во која може да влезе само молекула со одредена структура. Механизмот на ензимска катализа се состои во интеракција на активните центри на ензимот со супстратот со формирање на комплекс ензим-супстрат, кој потоа се подложува на неколку трансформации, како резултат на што се појавува производот на реакцијата. Секоја од средните фази се карактеризира со помала енергија на активирање, што придонесува за брзо појавување на реакцијата. Ова ја објаснува високата активност на ензимите.
Ензимите се поделени во класи во зависност од тоа каков тип на реакција катализираат: оксидоредуктази (ги катализираат редокс реакциите), трансферази (го катализираат преносот на хемиски групи од едно во друго соединение), хидролази (ги катализираат реакциите на хидролиза), лиази (раскинуваат различни врски) , изомерази (врши изомерни трансформации), лигази (ги катализираат реакциите на синтезата). Како што може да се види, ензимите се разликуваат по специфичност и селективност. Некои катализираат цела класа на реакции од одреден тип, некои катализираат само една реакција.
Многу ензими содржат метални јони (металоензими). Во металоензимите, металните јони формираат хелатни комплекси кои ја обезбедуваат активната структура на ензимот. Металите со променливи состојби на оксидација (Fe, Mn, Cu) учествуваат во реакциите на редокс, пренесувајќи електрони на оксидирачкиот агенс. Познати се неколку десетици органски соединенија кои вршат функции на пренос на водород и електрони. Тие содржат витамински деривати.
Јоните на тешките метали (Ag +, Hg +, Pb 2+) можат да ги блокираат активните групи на ензими.
За да се процени дејството на различни ензими, беше воведен концептот на молекуларна активност, кој се одредува според бројот на молекули на супстратот конвертирани под дејство на една ензимска молекула во минута. Најактивен познат ензим е јаглеродната анхидраза, чија молекуларна активност е ~ 36 милиони молекули во минута.
Брзината на реакцијата катализирана од ензимот е директно пропорционална со концентрацијата на ензимот. При ниски концентрации на супстратот, реакцијата е од прв ред во однос на подлогата. При високи концентрации, брзината на реакцијата останува константна и редоследот на реакцијата станува нула (ензимот е целосно заситен со супстратот). Брзината на реакција зависи од температурата и киселоста на медиумот.
Ензимската катализа игра огромна улога во сите манифестации на животот, каде што зборуваме за живи суштества. За да се зголеми виталната активност на телото и да се подобри метаболизмот, создадени се многу ензимски препарати кои се користат како лекови. Ензимските препарати станаа широко распространети за нарушувања на гастроинтестиналниот тракт поврзани со недоволно производство на дигестивни ензими. Значи, за некои форми на гастритис се користат лековите пепсин или панкреатин. Ензимите успешно се користат и во случаи кога е неопходно да се уништат протеинските формации акумулирани во големи количини (за изгореници, гнојни рани, гнојно-воспалителни заболувања на белите дробови итн.). Во овие случаи, се користат протолитички ензими, што доведува до брза хидролиза на протеините и промовирање на ресорпција на гнојни акумулации. За лекување на голем број заразни болести се користат препарати на лизозим, кои ја уништуваат мембраната на некои патогени бактерии. Ензимите кои ги раствораат згрутчувањето на крвта (згрутчување на крвта во крвните садови) се многу важни. Ова е плазмин кој се наоѓа во крвта; ензими на панкреасот - трипсин и химотрипсин. Врз нивна основа, со различни адитиви, создадени се лековити ензимски препарати - стрептокиназа, стрептаза и др., кои се користат во медицината.
6. Хетерогена катализа
На интерфејсот се јавува хетерогена катализа. Првата забележана хетерогена каталитичка реакција беше дехидрација на етил алкохол на активна глина спроведена од Пристли (1778):
C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O
Во првата половина на 19 век, голем број дела биле посветени на хетерогена катализа. Многу работа е посветена на теоретското објаснување на каталитичкото дејство на цврстите материи. Последователно, развојот на доктрината следеше и акумулација на експериментални податоци, развој на методи за подготовка на катализатори, откривање и проучување на нови каталитички процеси, воведување на катализа во хемиската индустрија и развој на теоријата за хетерогена катализа. . Сепак, успесите на теоретичарите беа многу поскромни од успесите на експериментаторите. И ова не е случајно.
Иако не постои фундаментална разлика помеѓу каталитичките и некаталитичките процеси, и двата ги почитуваат законите на хемиската кинетика, и во двата случаи системот на супстанции кои реагираат поминува низ некоја посебна активна состојба, а специфичните карактеристики се забележани во хетерогени каталитички реакции. Пред сè, се појавува цврсто тело, од чии својства значително зависат сите феномени во целина. Затоа, не е случајно што успесите на теоријата за хетерогена катализа се нераскинливо поврзани со развојот на теоријата на цврсти состојби. Бидејќи процесот се случува на површината, знаењето за структурата на површината на катализаторот е одлучувачко за развојот на теоријата на катализа. Ова подразбира тесна врска помеѓу развојот на теоријата на катализа и развојот на експериментални и теоретски студии на феномените на адсорпција. Комплексноста на хетерогените процеси и нивната вродена специфичност доведува до фактот дека теоретските истражувања во оваа област сè уште не се завршени. Засега, можеме да зборуваме за постоење на неколку теоретски концепти кои, на прво приближување, генерализираат одредени експериментални факти.
Во пракса, најчесто се среќаваат два типа на хетерогена катализа:
1) процеси во кои катализаторот е во цврста фаза, а реактантите се во течна фаза;
2) процеси во кои катализаторот е во цврста фаза, а реактантите се во гасна фаза. Реакцијата, по правило, се јавува (а во некои процеси во повеќе фази започнува) на фазната граница, т.е. на површината на цврсто тело - катализатор.
Хетерогениот процес може да се подели во пет фази:
1) транспорт на реактантите до површината на катализаторот (дифузија);
2) адсорпција на реактантите на површината на катализаторот;
3) реакција на површината;
4) десорпција на реакционите продукти со ослободување на површината на катализаторот;
5) транспорт на производи од реакцијата во волумен (дифузија).
Во зависност од условите на процесот и неговите карактеристики, која било од петте фази може да биде најбавна, и затоа брзината на каталитичкиот процес може да биде ограничена со која било од нив. За компаративна проценка на активноста на катализаторите, одлучувачка е брзината на реакција на површината. Затоа, во случаите кога е важно да се добие вредноста на активноста на катализаторот, тие се обидуваат да го спроведат процесот на таков начин што брзината се одредува со втората, таканаречена кинетичка фаза.
Адсорпцијата и десорпцијата имаат свои закони Адсорпцијата е процес на спонтани промени во концентрацијата на супстанцијата на интерфејсот. Супстанцијата на чија површина се случува процесот на адсорпција се нарекува адсорбент. Адсорбираната супстанција се нарекува адсорбираат. При хетерогена катализа, адсорбентот е катализатор, а адсорбатот е молекулата на реактантот (супстратот). Адсорпцијата на супстратот на катализатор може да се изврши поради силите на интеракција што се јавуваат помеѓу молекулите (атомите) на катализаторот лоцирани на површината и молекулите на подлогата (физичка адсорпција). Хемиска интеракција (хемиска адсорпција или хемисорпција) може да се случи помеѓу молекулите (атомите) на катализаторот и молекулите на реактантот. Како резултат на адсорпција, редоследот на системот се зголемува и енергијата на системот се намалува и енергијата на активирање на реакцијата се намалува.
За хетерогени процеси, движењето на супстанцијата од внатрешниот волумен на течност или гас до цврста површина е од особено значење. Процесите на пренос на маса ги почитуваат законите на дифузија.
Заклучок
Важноста на катализаторите и каталитичките процеси во рафинирањето на нафта и петрохемикалиите не може да се прецени. Впрочем, тие се основата на техничкиот напредок во најважните области на задоволување на потребите на современото човечко општество. Поентата е, пред сè, дека нафтата од различни полиња обично содржи само од 5 до 20% фракции со ниска вриење што одговараат на бензинот. Со современиот развој на автомобилскиот и воздушниот транспорт, потребата од бензин е огромна. Во исто време, моторните горива дестилирани директно од масло обично се со низок квалитет. Употребата на каталитичко пукање и реформирање во комбинација со други современи методи на обработка овозможува да се зголеми приносот на високо ниво на бензин до 75% од тежината на нафтата. Моторните горива се произведуваат и со каталитичка хидрогенизација на јагленот со помош на метални катализатори.
Понатамошната каталитичка обработка на јаглеводороди на метални и оксидни катализатори овозможува да се добијат меѓупроизводи неопходни за производство на стоки за широка потрошувачка. Повеќето од мономерите и полимерите добиени од нив се производи од каталитичките процеси на преработка на јаглеводороди и нивните деривати добиени од нафта, јаглен, шкрилци и природен гас. Каталитичките процеси играат важна улога во производството на детергенти и бои за лековити супстанции.
Основната органска синтеза, која произведува посредници (и производи од органска технологија) се базира главно на каталитички реакции. Хемиските производи како сулфурна киселина, амонијак и азотна киселина се од големо значење во животот на современото општество. Речиси сите сектори на националната економија ги консумираат овие супстанции или други хемиски соединенија добиени со нивна помош. Тие се користат за производство на десетици милиони тони минерални ѓубрива, без кои е невозможно да се зголеми, па дури и да се одржи продуктивноста на теренот. Стотици хемиски, петрохемиски, прехранбени, лесни и други индустрии користат сулфурна, азотна киселина, амонијак и нивни деривати. Овие соединенија се користат и во металуршката и металопреработувачката индустрија.
Во меѓувреме, големото производство на сулфурна киселина, амонијак и азотна киселина од амонијак стана можно само благодарение на откривањето на соодветни катализатори и развојот на методи за нивна употреба.
Список на користени извори
1) А.П. Бељаева. Физичка и колоидна хемија. М.: ГОЕТАР-Медиа, 2008 година
2) И.П. Мухленов. Технологија на катализатор. М.: Букинист, 2007 година
3) Хемиска енциклопедија. - М.: Советска енциклопедија, 1990 година.
4) Имјанитов Н.С. Системи од неколку катализатори во катализа на метални комплекси. // Координативна хемија. 1984 година.
Слични документи
Суштина и карактеристики на процесот на катализа на метални комплекси. Својства на метални комплекси кои ја одредуваат каталитичката активност. Моделирање на ензимска катализа. Области на примена, предности и недостатоци на катализа на метални комплекси.
извештај, додаден на 16.03.2015 година
Општи теории за хомогена катализа. Фази на процесот на катализа и брзина на реакција. Кинетика на каталитичка реакција на диспропорционалност на водород пероксид во присуство на различни количини на Fe2+ катализатор, ефектот на pH на брзината на реакцијата.
тест, додаден на 18.09.2012 година
Одредување на брзината на хемиска реакција. Историја на откривање, концепт и видови на каталитички реакции. Мислења на истакнати личности во хемијата за феноменот на катализа, неговите физички и хемиски аспекти. Механизмот на хетерогена катализа. Ензимска катализа во биохемијата.
апстракт, додаден на 14.11.2010
Концептите на катализа, катализатор и каталитички процес, нивните различни дефиниции. Механизми за забрзување на реакциите со катализатори. Хемиска (небиолошка) катализа. Синтеза на диетил етер од алкохол со учество на сулфурна киселина. Теории на катализа.
апстракт, додаден на 26.01.2009 година
Метални катализатори, мешани и мултифункционални катализатори за хетерогена катализа. Барања за катализаторот. Теории за хетерогена катализа. Теории на мултиплекс и електрони. Теорија на активни ансамбли. Катализа во преработка на природен гас.
работа на курсот, додаде 05/06/2014
Дефиниција на катализа и нејзината улога во индустријата. Селективност и општи идеи за концептот на „механизам на хемиска реакција“. Класификација на каталитичките системи по фази и видови реакции. Адсорпција и основни барања за индустриски катализатори.
апстракт, додаден на 26.01.2009 година
Методи за варење соли на арендиазониум. Анализа на термодинамичка киселост на фенолите. Карактеристики на ацилација на феноли, киселинска катализа и феноксиоцетна киселина. Карактеристики на реакцијата Колбе-Шмит, методи за добивање на феноксиоцетна киселина.
тест, додаден на 28.03.2012 година
Предмет термохемија, проучување на топлинските ефекти на хемиските реакции. Видови хемиски кинетика и процеси на катализа. Енталпија (топлински ефект) на реакцијата. Стапка на реакција, закон за масовно дејство. Константа на хемиска рамнотежа, влијание на катализаторот.
презентација, додадена на 19.10.2014 година
Ензимите (ензими) се биолошки катализатори кои се користат во производството на производи од млечна киселина. Меѓународни правила за ензимска номенклатура. Само глобуларни протеини можат да бидат ензими. Нивоа на структура на протеини. Кинетика на ензимска катализа.
апстракт, додаден на 26.01.2009 година
Концептот на биолошки катализатори, дејството на ензимите во живите системи и нивната класификација. Фактори кои влијаат на активноста на биолошките катализатори. Супстанции наречени коензими. Кинетика на ензимска катализа, равенка Михаелис-Ментен.
Се вчитува...
