Katalytické reakce: definice, popis, příklady

Tento článek bude diskutovat o katalytických reakcích. Čtenář se seznámí s obecnou představou o katalyzátorech a jejich vlivem na systém a také o typech reakcí, charakteristikách jejich průběhu a mnohem více.

Úvod do katalýzy

Než se seznámíte s katalytickými reakcemi, stojí za to vědět, co je katalýza.

Jedná se o selektivní proces akcelerace, specifický termodynamicky povolený směr reakce, který je vystaven působení katalyzátoru. Je opakovaně zahrnut do interakce chemické povahy a vlivu na účastníky reakce. Na konci jakéhokoli meziprocesu se katalyzátor obnoví svou původní podobu. Koncept katalyzátoru byl uveden do oběhu J. Barceliusem a Jensem v roce 1835.

Obecné informace

Katalýza je široce rozšířena v přírodě a je všeobecně používána člověkem v technologickém průmyslu. Převážná většina všech reakcí používaných v průmyslu je katalytická. Existuje koncepce autokatalýzy - fenomén, v němž je urychlovač účinný jako reakční produkt nebo je součástí výchozích sloučenin.

Všechny typy chemické interakce reaktantů jsou rozděleny na katalytické a nekatalytické reakce. Zrychlení reakcí s katalyzátory se nazývá pozitivní katalýza. Zpomalení rychlosti interakce nastává za účasti inhibitorů. Reakce mají negativní katalytickou povahu.

Katalytická reakce je nejen způsob, jak zvýšit produktivní výkon, ale také příležitost, která zlepšuje kvalitu výrobku. To je způsobeno schopností speciálně vybrané látky urychlit hlavní reakci a současně zpomalit rychlost.

Katalytické reakce rovněž snižují náklady na energii, které spotřebovávají zařízení. To je způsobeno skutečností, že zrychlení umožňuje, aby proces pokračoval v podmínkách nižší teploty, což by bylo nutné bez jeho přítomnosti.

Příklad katalytické reakce je výroba cenných předmětů, jako jsou: kyselina dusičná, vodík, amoniak apod. Tyto procesy se nejčastěji používají při výrobě aldehydů, fenolu, různých plastů, pryskyřic a kaučuků atd.

Rozmanitost reakcí

Podstata katalýzy spočívá v překladu mechanismu reakce na nejvýhodnější variantu. To je možné díky snížení aktivační energie.

Katalyzátor je slabý chemická vazba se specifickou molekulou činidla. To vám umožní usnadnit reakci s jiným činidlem. Látky, které jsou katalytické, neovlivňují posun chemické rovnováhy, protože působí reverzibilně v obou směrech.

Katalýza je rozdělena do dvou hlavních typů: homogenní a heterogenní. Společným znakem všech interakcí prvního typu je to, že katalyzátor je ve společné fázi s reaktanty samotné reakce. Druhý typ má rozdíl v tomto bodě.

Homogenní katalytické reakce nám ukazují, že urychlovač, který interaguje s určitou látkou, tvoří meziprodukt. Tím se dále sníží množství energie potřebné pro aktivaci.

Heterogenní katalýza urychluje proces. Obvykle proudí na povrchu pevných látek. V důsledku toho jsou schopnost katalyzátoru a jeho aktivita určována velikostí povrchových a individuálních vlastností. Heterogenní katalytická reakce má složitější mechanismus operace než homogenní. Jeho mechanismus zahrnuje 5 fází, z nichž každá může být reverzibilní.

V první fázi začíná difúze interakčních činidel na pevnou plochu, pak dochází k adsorpci fyzické povahy a chemisorpce. Výsledkem je začátek třetí fáze, při které začíná reakce mezi molekulami reagujících látek. Ve čtvrté fázi se pozoruje desorpce produktu. V pátém stupni se konečná látka difunduje do společných toků z roviny katalyzátoru.

Katalytické materiály

Existuje koncept nosiče katalyzátoru. Je to materiál inertního nebo nízkoaktivního typu, který je nezbytný k tomu, aby se částice podílející se na katalýze dostaly do stabilního stavu.

Heterogenní zrychlení je nezbytné k zabránění procesu slinování a aglomerace aktivních složek. V převažujícím počtu případů počet nosičů překračuje přítomnost použitého komponentu aktivního typu. Hlavní seznam požadavků, které by nosič měl mít, zahrnuje velkou plochu a povrchovou pórovitost, tepelnou stabilitu, inertnost a odolnost proti mechanickému namáhání.

Chemická báze. Chemie urychlující interakce mezi látkami nám umožňuje rozlišit dva typy látek, jmenovitě katalyzátory a inhibitory. Ta druhá zase zpomaluje reakční rychlost. Jedním z typů katalyzátorů jsou enzymy.

Katalyzátory nejsou stechiometricky propojeny s produktem samotné reakce a nakonec se vždy regenerují. V moderní době existuje mnoho způsobů, jak ovlivnit proces molekulární aktivace. Katalýza je však základem chemické výroby.

Povaha katalyzátorů umožňuje jejich rozdělení na homogenní, heterogenní, mezifázové, enzymatické a micelární. Chemická reakce za účasti katalyzátoru sníží náklady na energii potřebnou pro jeho aktivaci. Například nekatalytický rozklad NH3 na dusík a vodík bude vyžadovat asi 320 kJ / mol. Stejná reakce, ale pod vlivem platiny, sníží toto číslo na 150 kJ / mol.

Hydrogenační proces

Převládající počet reakcí zahrnujících katalyzátory je založen na aktivaci atomu vodíku a specifické molekuly, což dále vede k interakci chemické povahy. Tento jev se nazývá hydrogenace. Je základem většiny fází rafinace a výroby kapalných paliv z uhlí. Jeho výroba byla zahájena v Německu kvůli absenci ropných ložisek v zemi. Vytvoření takového paliva se nazývá Bergiusův proces. Skládá se z přímé kombinace vodíku a uhlí. Uhlí se zahřívá za určitých podmínek tlaku a vodíku. V důsledku toho se vytváří kapalný produkt. Katalyzátory jsou oxidy železa. Někdy však používají látky na bázi kovů, jako je molybden a cín.

Existuje další způsob, jak vyrobit stejné palivo, které se nazývá proces Fischer-Tropsch. Skládá se ze dvou etap. V prvním stupni se uhlí ukládá zplyňováním a zpracovává se s ním s interakcí vodní páry a O2. Tato reakce vede k tvorbě vodíkové směsi a oxid uhelnatý. Dále, za použití katalyzátorů, se směs přenese do stavu kapalného paliva.

Vztah kyselosti a katalytických schopností

Katalytická reakce je fenomén, který závisí na kyselých vlastnostech samotného katalyzátoru. V souladu s definicí J. Bronstede je kyselina látka, která může dát protóny. Silná kyselina snadno dá svůj protón do základny. G. Lewis definoval kyselinu jako látku schopnou převzít elektronové páry od dárcovských látek a v důsledku toho formovat kovalentní vazbu. Tyto dvě myšlenky dovolily člověku určit podstatu mechanismu katalýzy.

Pevnost kyseliny se stanoví pomocí sad základen, které mohou změnit barvu díky přidání protonu. Některé katalytické látky používané v průmyslu se mohou chovat extrémně silné kyseliny. Jejich síla určuje rychlost protonace, a proto je velmi důležitou vlastností.

Kyselá aktivita katalyzátoru je způsobena jeho schopností reagovat s uhlovodíky, čímž vzniká meziprodukt - karbenový ion.

Proces dehydratace

Dehydrogenace je také katalytickou reakcí. Často se používá v různých průmyslových odvětvích. Ačkoli katalytické procesy založené na dehydrogenaci se používají méně často než hydrogenační reakce, přesto zaujímají důležitou pozici v lidské činnosti. Příkladem tohoto typu katalytické reakce je výroba styrenu, důležitého monomeru. Za prvé, dehydrogenace ethylbenzenu probíhá za účasti látek obsahujících oxid železa. Člověk často používá tento jev k dehydrataci mnoha alkánů.

Dvojitá akce

Existují katalyzátory s dvojím účinkem, které dokáží urychlit reakci dvou typů najednou. Výsledkem je lepší výsledek v porovnání s přenosem činidel střídavě prostřednictvím 2 reaktorů obsahujících pouze jeden typ katalyzátoru. To je způsobeno skutečností, že aktivní střed urychlovače s dvojitým účinkem je v těsné poloze s jiným podobným středem, stejně jako s meziproduktem. Dobrým výsledkem je například kombinace katalyzátorů, které aktivují vodík, s látkou, která umožňuje proces izomerace uhlovodíků pokračovat. Aktivace se často provádí pomocí kovů a izomerace probíhá za účasti kyselin.

Specifičnost hlavních katalytických reakcí

Schopnost a účinnost katalyzátoru je také způsobena jeho základními vlastnostmi. Výrazným příkladem je hydroxid sodný, který se během hydrolýzy tuků používá k přípravě mýdla. Tyto typy katalyzátorů se také používají při výrobě pěnových a polyuretanových desek. Uretan se získává během interakce alkoholu a isokyanátu. Zrychlení reakce nastává při vystavení specifickému bazickému aminu. Báze je připojena k atomu uhlíku obsaženému v molekule isokyanátu. V důsledku toho se atom dusíku stává negativně nabitý. To vede k vyšší aktivitě ve vztahu k alkoholu.

Stereospecifická polymerizace

Objev polymerizace olefinů s následnou produkcí stereoregulárních polymerních látek má velký historický význam v historii studia katalýzy. Objev katalyzátorů charakterizovaných stereospecifickou polymerací patří K. Zieglerovi. Zieglerova práce na výrobě polymery, která se zajímala o J. Nattu, který navrhl, že jedinečnost polymeru by měla být určena jeho stereoregularitou. Velké množství experimentů zahrnujících difrakční rentgenové záření ukázalo, že polymer získaný z propylenu pod vlivem Zieglerova katalyzátoru je vysoce krystalický. Účinek akce je stereoregulární.

Reakce tohoto typu probíhají v rovině pevného katalyzátoru obsahujícího přechodné kovy, jako jsou Ti, Cr, V, Zr. Musí být v neúplné oxidaci. Rovnice katalytické reakce mezi interagujícími TiCl4 a Al (C2H5) ₃ , během kterých se tvoří sraženina, slouží jako živý příklad. Zde je titan obnoven do 3-kompatibilního stavu. Tento typ aktivního systému umožňuje polymerizaci propylenu za normálních podmínek teploty a tlaku.

Oxidace v katalytické reakci

Katalytické oxidační reakce jsou široce používány lidmi kvůli schopnosti některých látek regulovat rychlost samotné reakce. Některé případy vyžadují úplnou oxidaci, například neutralizaci CO a znečištění obsahující uhlovodíky. Převážná většina reakcí však vyžaduje neúplnou oxidaci. Je nezbytné pro průmyslovou výrobu cenných, ale meziproduktů, které mohou obsahovat určitou a důležitou meziprodukt: COOH, CN, CHO, C-CO. Současně používá člověk jak heterogenní, tak monogenní typy katalyzátorů.

Ze všech látek schopných urychlit průběh chemických reakcí je důležité místo oxidů. Většinou v tuhém stavu. Průběh oxidace je rozdělen na 2 etapy. V prvním stupni je oxid kyslíku zachycen uhlovodíkovou molekulou adsorbovaného oxidu. V důsledku toho se oxid redukuje a uhlovodík se oxiduje. Obnovený oxid interaguje s O ₂ a vrací se do původního stavu.