У цій статті будуть розглянуті каталітичні реакції. Читача ознайомлять із загальним уявленням про каталізаторів та їх вплив на систему, а також будуть описані види реакцій, особливості їх протікання та багато іншого.
Введення до теки
Перш ніж ознайомитися з каталітичними реакціями, варто дізнатися, що ж таке - каталіз.
Це вибірковий процес прискорення, визначеного термодинамічно дозволеного напрямку реакції, що піддається впливу каталізатора. Він багаторазово включається у взаємодію хімічної природи, а вплив чинить на учасників реакції. Наприкінці будь-якого циклу проміжного характеру каталізатор відновлює свою початкову форму. Введено в обіг поняття каталізатора було Я.Барцеліусом і Йенсом в 1835.
Загальна інформація
Каталізація широко поширюється в природі і повсюдно використовується людиною в технологічній промисловості. Переважна кількість всіх використовуваних у промисловості реакцій каталітичні. Існує поняття про автокаталізу - явище, при якому прискорювач виступає в якості продукту реакції або входить до складу вихідних з 'єднань.
Всі види хімічної взаємодії реагуючих речовин поділяються на каталітичні та некаталітичні реакції. Прискорення реакцій за участю каталізаторів називається позитивним каталізом. Уповільнення швидкості взаємодії протікає за участю інгібіторів. Реакції носять негативно-каталітичний характер.
Каталітична реакція - це не тільки спосіб збільшення продуктивної потужності, але і можливість, що підвищує якість одержуваного продукту. Це обумовлено здатністю спеціально підібраної речовини прискорити основну реакцію і уповільнити швидкість паралельно тих, хто йде.
Каталітичні реакції також знижують витрати енергії, що витрачає апаратура. Це пов 'язано з тим, що прискорення дозволяє протікати процесу в умовах нижчої температури, яка була б потрібна без його наявності.
Прикладом каталітичної реакції може служити отримання на виробництві таких цінних речей, як: азотна кислота, водень, аміак тощо. Найбільше застосування ці процеси знаходять у виробництві альдегідів, фенолу, різних пластмас, смол і каучуків тощо.
Різноманітність реакцій
Суть каталізу лежить у переведенні механізму протікання реакції на найвигідніший варіант. Це стає можливим завдяки зниженню енергії активації.
Каталізатор утворює слабкий хімічний зв 'язок з певним реагентом молекули. Це дозволяє полегшити протікання реакції з іншим реагентом. Речовини, які належать до каталітичних, не впливають на зміщення хімічної рівноваги, оскільки діють звернено в обох напрямках.
Каталіз ділиться на два основних типи: гомогенний і гетерогенний. Спільною рисою всіх взаємодій першого типу є знаходження каталізатора в загальній фазі з реактивом самої реакції. Другий тип має відмінність у цьому пункті.
Гомогенні каталітичні реакції показують нам, що прискорювач, вступаючи у взаємодію з певною речовиною, утворює проміжне з 'єднання. Це надалі призведе до зниження кількості енергії, необхідної для активації.
Гетерогенний каталіз прискорює процес. Як правило, протікає на поверхні твердих тел. Внаслідок цього, можливості каталізатора і його активність визначаються величиною поверхні та індивідуальних властивостей. Гетерогенно-каталітична реакція має більш складний механізм роботи, ніж гомогенна. У його механізм включено 5 стадій, кожна з яких може бути зворотною.
На першій стадії починається дифузія взаємодіючих реагентів до площі твердої речовини, далі відбувається адсорбція фізичного характеру і слідом хемосорбція. Внаслідок цього настає третя стадія, при якій реакція починає протікати між молекулами реагуючих речовин. На четвертій стадії спостерігається десорбція продукту. На п 'ятій стадії відбувається дифузія кінцевої речовини в загальні потоки з площини каталізатора.
Каталітичні матеріали
Існує поняття про носія каталізатора. Він являє собою матеріал інертного або малоактивного типу, необхідний для приведення частинки, що бере участь у фазі каталізу, в стабільний стан.
Гетерогенне прискорення необхідне для запобігання процесів спікання та агломерації активних компонентів. У переважаючому ряді випадків кількість носіїв перевищує наявність нанесеного компонента активного типу. До головного списку вимог, якими повинен володіти носій, можна віднести велику площу і пористість поверхні, стабільність термічної природи, інертність і стійкість до механічного впливу.
Хімічна основа. Хімія прискорення протікання взаємодії між речовинами дозволяє нам виділити два види речовин, а саме каталізатори та інгібітори. Останні, в свою чергу, уповільнюють швидкість реакції. Одним з різновидів каталізаторів є ферменти.
Каталізатори стехіометрично не вступають у відносини з продуктом самої реакції і в кінцевому підсумку завжди регенеруються. У сучасності існує безліч способів впливу на процес молекулярної активації. Однак каталіз служить основою хімічного виробництва.
Природа каталізаторів дозволяє їх розділити на гомогенні, гетерогенні, міжфазові, ферментативні та міцелярні. Хімічна реакція за участю каталізатора дозволить знизити витрати енергії, необхідної для її активації. Наприклад, некаталітичне розкладання NH3 до азоту і водню вимагає близько 320 кДж/моль. Ця ж реакція, але під впливом платини, дозволить знизити це число до 150 кДж/моль.
Процес гідрування
Переважаюча кількість реакцій за участю каталізаторів базується на активації водневого атома і певної молекули, що в подальшому призводить до взаємодії хімічної природи. Дане явище називають гідруванням. Воно лежить в основі більшості етапів нафтопереробки і створення рідкого пального з вугілля. Виробництво останнього було відкрито в Німеччині, що обумовлено відсутністю родовищ нафти на території країни. Створення такого палива називається процесом Бергіуса. Полягає він у прямому з 'єднанні водню і вугілля. Вугілля піддають нагріванню в умовах певного тиску і наявності водню. Внаслідок цього утворюється продукт рідкого типу. Каталізаторами виступають оксиди заліза. Але іноді використовують і речовини на основі таких металів, як молібден і олово.
Існує й інший спосіб отримання такого ж палива, який називають процесом Фішера-Тропша. Він складається з двох стадій. На першому етапі вугілля піддають газифікації, обробляючи його взаємодією парів води і О2. Ця реакція призводить до утворення водневої суміші та оксиду вуглецю. Далі за допомогою каталізаторів отриману суміш переводять у стан рідкого палива.
Взаємозв 'язок кислоти і каталітичних можливостей
Каталітична реакція - це явище, залежне від кислотних властивостей самого каталізатора. Згідно з визначенням по Й. Бренстеду, кислота - це речовина, що вміє віддавати протони. Сильна кислота легко віддасть свій протон у користування основі. Г.Люїс визначав кислоту як речовину, здатну приймати на себе електронні пари від речовин-донорів і утворювати внаслідок цього ковалентний зв 'язок. Дві ці ідеї дозволили людині визначити суть механізму каталізу.
Сила кислоти визначається за допомогою наборів підстав, здатних змінювати свій колір внаслідок приєднання протона. Деякі каталітичні речовини, які використовуються в промисловості, можуть поводитися як надзвичайно сильні кислоти. Їхня сила визначає темп протонування, а тому є дуже важливою характеристикою.
Кислотна активність каталізатора обумовлена його здібностями вступати в реакції з вуглеводнями, утворюючи при цьому проміжний продукт - карбінь іону.
Процес дегідування
Каталітичною реакцією є також і дегідування. Воно нерідко використовується в різних промислових галузях. Незважаючи на те що каталітичні процеси, засновані на дегідруванні, використовуються рідше, ніж реакції гідрування, тим не менш вони займають важливе місце в людській діяльності. Прикладом каталітичної реакції такого типу може послужити отримання стиролу - важливого мономеру. Для початку відбувається дегідування етилбензолу за участю речовин, що містять оксид заліза. Людина часто використовує дане явище для дегідрування багатьох алканів.
Подвійна дія
Існують каталізатори подвійної дії, здатні прискорювати реакцію відразу двох типів. Внаслідок чого призводять до кращих результатів, у порівнянні з пропусканням реагентів по черзі крізь 2 реактори, що містять тільки по одному типу каталізаторів. Це обумовлено тим, що активний центр прискорювача з подвійною дією перебуває в близькому становищі з іншим таким же центром, а також з проміжним продуктом. До хорошого результату призводить, наприклад, об 'єднання каталізаторів, що активують водень, з речовиною, що дозволяє протікати процесу ізомеризації вуглеводню. Активація часто здійснюється металами, а ізомеризація протікає за участю кислот.
Специфіка основних каталітичних реакцій
Здібності та ефективність каталізатора обумовлені також його основними властивостями. Яскравим прикладом може служити гідроксид натрію, який застосовують в ході гідролізу жирів для отримання мила. Такі типи каталізаторів також використовуються в ході виробництва пінопласту і платівок з поліуретану. Уретан отримують під час взаємодії спирту та ізоціанату. Прискорення реакції відбувається при впливі певного основного аміна. Основа приєднується до атома вуглецю, що міститься в ізоціанатовій молекулі. Внаслідок цього атом азоту стає негативно зарядженим. Це призводить до підвищення активності у ставленні до спирту.
Полімерізація стереоспецифічного характеру
Важливе історичне значення в історії вивчення каталізу має відкриття полімеризації олефіну з подальшим отриманням стереорегулярних полімерних речовин. Відкриття каталізаторів, для яких характерна стереоспецифічна полімерізація, належить К. Циглеру. Роботи з отримання полімерів, проведені Циглером, зацікавили Дж.Натта, який висунув припущення про те, що полімерна унікальність повинна визначатися його стереорегулярністю. Велика кількість експериментів за участю рентгенівських променів, що піддаються дифракції, довели, що полімер, отриманий з пропілену під впливом каталізатора Циглера, є висококристалічним. Ефект дії носить стереорегулярний характер.
Реакції подібного типу проходять на площині твердого каталізатора, що містить в собі метали перехідного типу, наприклад Ti, Cr, V, Zr. Вони повинні перебувати в неповному окисленні. Рівняння каталітичної реакції між взаємодіючими TiCl4 і Al (C2H5) 3, в ході якої утворюється осад, служить яскравим тому прикладом. Тут титан відновлено до 3-хвалентного стану. Такий вид активної системи дає можливість полімеризувати пропілен у звичайних умовах температури і тиску.
Окислення в каталітичних реакція
Каталітичні реакції окислення широко використовуються людиною, що обумовлено здатністю певних речовин регулювати швидкість протікання самої реакції. Деякі випадки потребують повного окислення, наприклад нейтралізація CO і забруднень, що містять вуглеводні. Однак переважна кількість реакцій вимагає неповного окислення. Це необхідно для отримання в промисловості цінних, але проміжних продуктів, що можуть містити певну і важливу проміжну групу: COOH, CN, CHO, C-CO. При цьому людина використовує як гетерогенні, так і моногенні види каталізаторів.
Серед усіх речовин, здатних прискорювати протікання хімічних реакцій, важливе місце відведено оксидам. Переважно в твердому стані. Протікання окислення ділиться на 2 етапи. На першій стадії оксид кисню захоплюється вуглеводневою молекулою адсорбованого оксиду. Внаслідок цього відбувається відновлення оксиду та окислення вуглеводню. Відновлений оксид вступає у взаємодію з О2 і повертається до початкового стану.