Катализ и катализаторы. Катализ

Инициирующие химические реакции за счёт промежуточных химических взаимодействий с участниками реакции и восстановления своего химического состава после каждого цикла таких промежуточных взаимодействий (смотри в статье Катализ). По способу организации и фазовому составу реакционной системы принято различать гетерогенные и гомогенные катализаторы, а также катализаторы биологического происхождения - ферменты. В гетерогенном катализе катализаторы иногда называют контактами.

В общем случае носителем каталитической активности катализаторов (смотри в статьях Гетерогенный катализ, Гомогенный катализ) обычно является вещество, непосредственно вступающее в химическое взаимодействие, по крайней мере, с одним из исходных реагентов с образованием нестойких (в условиях проведения каталитической реакции) химических соединений, - активный компонент катализатора (для твёрдых гетерогенных катализаторов часто каталитическая активная фаза). Механизмы действия катализаторов достаточно разнообразны и зависят от типа осуществляемой каталитической реакции и природы вещества активного компонента катализатора; химическая природа активного компонента катализаторов также может быть самой разнообразной. Массовая доля активного компонента в катализаторах может варьировать от 100% до весьма малых величин (десятые доли процента).

Основными характеристиками катализаторов являются каталитическая активность, селективность по отношению к целевым продуктам каталитических превращений, специфичность по отношению к реагентам каталитических реакций, стабильность, устойчивость к действию каталитических ядов; для промышленных катализаторов ещё и производительность (количество целевого продукта, полученного за единицу времени на единицу объёма или массы катализатора).

Обычно катализаторы подразделяют по типам каталитических процессов: глубокого и парциального (селективного) окисления, гидрирования, полимеризации, процессов нефтепереработки, органического синтеза и др. Типичными катализаторами окислительно-восстановительных реакций (окисления, гидрирования и пр.) являются переходные элементы в металлическом виде, а также их соли, комплексные соединения, оксиды и сульфиды. Типичными катализаторами кислотно-основных реакций (гидратации, дегидратации, алкилирования, полимеризации, крекинга и пр.) являются жидкие и твёрдые минеральные и органические кислоты и основания, кислые соли, алюмосиликаты, цеолиты и др.

В промышленности предпочитают использовать твёрдые гетерогенные катализаторы вследствие лёгкости их отделения от реакционной среды и возможности работы при повышенных температурах. Активный компонент (каталитически активная фаза) многих промышленных гетерогенных катализаторов является высокодисперсным и нередко нанесённым на прочный пористый носитель (обычно высокопористый углерод, оксид непереходного элемента, например, кремния, алюминия, титана, циркония, и др.). Для увеличения каталитической активности, селективности, химической устойчивости и термостабильности в катализаторы иногда вводят небольшое количество промотора (или активатора) - вещества, которое может не обладать самостоятельной каталитической активностью.

Твёрдые промышленные катализаторы должны обладать высокими каталитической активностью, специфичностью по отношению к заданной реакции, селективностью по отношению к целевому продукту, механической прочностью, термостойкостью, определённой теплопроводностью. Промышленные катализаторы должны быть также стойкими по отношению к дезактивации - снижению или полному подавлению их каталитической активности. Дезактивация катализаторов может происходить за счёт спекания или механического разрушения (например, истирания) активного компонента и/или вещества носителя, блокировки активных центров побочными продуктами процесса - плотными углеродными отложениями (коксом), смолистыми веществами и пр., отравления каталитическими ядами. Действие каталитических ядов обычно обусловлено блокировкой наиболее активных участков активного компонента катализаторов за счёт прочной хемосорбции и поэтому проявляется даже при наличии малых количеств ядов. Типичными каталитическими ядами являются соединения серы, азота, фосфора, мышьяка, свинца, ртути, цианистые соединения, кислород, монооксид углерода, производные ацетилена, иногда вода и др. В промышленности для предотвращения отравления катализаторов производят глубокую предварительную очистку реагирующих веществ от каталитических ядов. В промышленных каталитических процессах для восстановления каталитической активности катализаторы после их дезактивации регенерируют. Регенерацию катализаторов осуществляют, например, выжиганием кокса и смолистых веществ, промыванием водой или специально подобранными растворителями.

Каталитическая активность твёрдого катализатора зависит от величины и состояния доступной для реагентов поверхности катализатора, формы, размера и профиля пор катализатора (то есть его текстуры), что определяется способом приготовления катализатора и его предварительной обработкой. В условиях отсутствия диффузионных ограничений активность твёрдого катализатора прямо пропорциональна такой поверхности. Поэтому большинство промышленных гетерогенных катализаторов имеет развитую удельную поверхность, вплоть до нескольких сотен м 2 на 1 г катализатора. Наиболее распространёнными методами получения активных твёрдых катализаторов являются осаждение гидроксидов и карбонатов металлов из растворов солей или комплексных соединений с последующим термическим разложением осадка до оксидов, разложение иных соединений на воздухе до оксидов, сплавление нескольких веществ с последующим выщелачиванием одного из них (так называемые сплавные, или «скелетные», катализаторы), а также нанесение активного компонента катализатора на носитель методом пропитки или из газовой фазы с последующей активацией катализатора. Типичными процедурами активации катализаторов являются их восстановление водородом, сульфидирование с помощью различных серосодержащих соединений и т.п.; для некоторых типов катализаторов используется термоактивация, осуществляемая с помощью прогрева катализатора до температуры формирования активной фазы. Механически прочные катализаторы изготавливают в виде прессованных таблеток, а также полученных специальными методами гранул, шариков, сплошных и полых цилиндров (колец Рашига), различного рода экструдатов и пр. В ряде случаев для снижения аэро- или гидродинамического сопротивления слоя катализаторов им придают и более специфические формы. Например, каталитические нейтрализаторы автомобильных выхлопов обычно изготавливают в виде керамических или металлических «сотовых» блоков со множеством параллельных каналов вдоль потока очищаемого газа. В промышленности применяют также суспензии катализаторов в жидкой фазе (суспензионный процесс) и пылевидные катализаторы, которые в ходе реакции оказываются взвешенными в парах компонентов реакции (так называемый флюид-процесс).

Стоимость катализатора зависит от его химического состава, способа приготовления и варьирует от 0,5 до нескольких тысяч долларов США за 1 кг катализатора. Тем не менее, в стоимости готовой продукции, полученной с помощью промышленных катализаторов, стоимость катализатора обычно составляет не более 0,1-1%.

Промышленные гетерогенные катализаторы являются мало- или среднетоннажной продукцией. Общий объём их годового потребления в России около 100 тысяч тонн.

Литературу смотри при статье Катализ.

При попытке поджечь сахар он будет плавиться и обугливаться Положите на сахар горку пепла, который будет служить катализатором С пеплом сахар загорится! Сахар горит, если на него посыпать пеплом! При отсутствии пепла (катализатора) - сахар только обугливается Окисление спирта в присутствии медного катализатора

Вы когда-нибудь пробовали поджечь сахар? Казалось бы, сильно экзотермическая реакция С 12 Н 22 О 11 +12О 2 →12СО 2 +11Н 2 О должна идти легко. Не тут-то было - при сильном нагреве сахар плавится, приобретает коричневую окраску и запах карамели, но не загорается. И всё же сжечь сахар можно. Для этого надо посыпать его табачным пеплом и внести в пламя - тогда сахар загорится. Такое же воздействие на эту реакцию оказывают и некоторые другие вещества, например соли лития или оксид хрома (III).

Химические реакции, которые «не желают» протекать сами по себе или идут с очень малой скоростью и требуют дополнительного «стимула» - присутствия веществ, которые в результате реакции остаются неизменными, - происходят повсеместно. Это, во-первых, абсолютно все химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток. Они протекают только в присутствии ферментов , а отсутствие в организме хотя бы одного из них нарушает обмен веществ и чревато тяжёлой болезнью или же просто несовместимо с жизнью.

Кроме того, к таким реакциям относится большинство крупнотоннажных процессов, используемых в химической промышленности. Получение серной кислоты , переработка нефти , синтез аммиака немыслимы без участия «посторонних веществ», называемых катализаторами . Как выглядел бы наш мир без катализаторов? Он был бы гораздо статичнее, ведь многие химические реакции просто не происходили бы. Впрочем, изучать химию всё равно было бы некому: жизнь в таком мире появиться не может.

Катализаторы позволяют проводить химические процессы при гораздо более мягких условиях. А кроме того, в присутствии катализаторов идут реакции, которые вообще невозможны без их участия ни в каких условиях.

При этом количество катализатора, необходимое для превращения огромной массы реагентов в продукты реакции, несоизмеримо мало. Одна молекула фермента катализирует разложение 5 млн. молекул сахара за 1 с!

Катализ и его секреты

Но в чём скрыта тайна веществ - катализаторов ? Давайте разберёмся, почему сахар и другие органические вещества самопроизвольно не превращаются в углекислый газ и воду - гораздо более энергетически выгодные (говорят ещё «термодинамически устойчивые») соединения. Разве это не удивительно? Ведь если положить, скажем, шарик на вершину горки, он тут же займёт более энергетически выгодное положение - скатится вниз. Если же его оградить барьером, он скатиться не сможет. Чтобы оказаться внизу и тем самым уменьшить свою потенциальную энергию, шарику нужно преодолеть барьер, а для этого ему нужно подвести дополнительную энергию.

Все существующие химические вещества, даже весьма термодинамически неустойчивые, окружены на своих энергетических «вершинах» подобными барьерами. Порой энергия, необходимая для их преодоления, сравнима с кинетической энергией теплового движения молекул. Тогда достаточно простого смешения реагентов - и реакция происходит при комнатной температуре. Нагревая реакционную смесь, можно преодолеть барьер чуть повыше. Но иногда он слишком высок, и в этом случае придётся или искать способы доставки необходимой энергии молекулам реагентов, или попытаться обойти энергетический барьер.

Как это сделать? Оказывается, катализатор может, подобно опытному проводнику, хорошо знающему местность, повести реакцию по совершенно иному пути. При этом её механизм претерпевает сильные изменения. Существует масса способов обойти энергетическую «гору». Каждый катализатор , работающий в конкретной реакции, выбирает для процесса свой путь. При этом новый маршрут может быть гораздо длиннее изначального: число промежуточных стадий и продуктов реакции иногда возрастает в несколько раз. Но зато количество энергии, требуемое на каждой стадии, оказывается существенно меньше, чем в отсутствие «проводника». В итоге, пройдя более длинный путь при помощи катализатора, реакция даёт желаемый результат значительно быстрее.

Однако «постороннее вещество» может воздействовать на ход реакции и противоположным образом: привести её к труднопреодолимому энергетическому барьеру. Тогда процесс замедляется. Такой «отрицательный» катализ называется ингибированием (от лат. inhibeo - «останавливаю», «сдерживаю»), а «катализаторы, действующие наоборот» - ингибиторами .

Зачем нужно замедлять скорость реакции? Существуют процессы, которые необходимы человеку, а также существуют такие процессы, проведение которых может пагубно сказаться как на человека, так и на предметах его обихода и окружающей среде. например появление ржавчины - коррозия металлов , гниение продуктов питания. Такими реакциями могут быть взрывы различных химических веществ, которые чувствительны к движению или сотрясению. Нужно учитывать, что химические реакции, в результате которых образуется лишь одно вещество - достаточно редкие. В основном при реакциях образуется более одного вещества. Особенно ярко такое явление наблюдается в органической химии.

В организмах живых существ и множестве других процессах, протекающих в нашей среде обитания часто необходимо, чтобы в процессе реакции получалось только одно нужное нам вещество или продукт реакции. Именно в этом случае применяется катализ . Грамотный подбор катализатора позволяет проводить химические процессы только в нужном для нас направлении и с получением требуемого нам вещества, при этом исключая выход других побочных эффектов реакции.

Химия - наука о веществах и их превращениях, а также способах их получения. Даже в обычной школьной программе рассматривается такой важный вопрос, как типы реакций. Классификация, с которой знакомят школьников на базовом уровне, учитывает изменение степени окисления, фазу протекания, механизм процесса и т. д. Кроме того, все химические процессы подразделяют на некаталитические и каталитические реакции. Примеры превращений, протекающих с участием катализатора, встречаются человеку в обычной жизни: брожение, гниение. Некаталитические превращения нам встречаются гораздо реже.

Что такое катализатор

Это химическое вещество, которое способно менять скорость взаимодействия, но само в ней не участвует. В том случае, когда с помощью катализатора происходит ускорение процесса, идет речь о положительном катализе. В том случае, если добавляемое в процесс вещество снижает его называют ингибитором.

Виды катализа

Гомогенный и гетерогенный катализ отличаются по фазе, в которой находятся исходные вещества. Если исходные компоненты, взятые для взаимодействий, включая и катализатор, находятся в одном агрегатном состоянии, протекает гомогенный катализ. В том случае, когда в реакции принимают участие разные по фазе вещества, идет гетерогенный катализ.

Селективность действия

Катализ представляет собой не просто средство повышения производительности аппаратуры, он положительно влияет на качество получаемых продуктов. Объяснить подобное явление можно тем, что благодаря избирательному (селективному) действию большинства катализаторов, ускоряется прямая реакция, снижаются побочные процессы. В конечном итоге получаемые продукты имеют большую чистоту, нет необходимости дополнительно очищать вещества. Селективность действия катализатора дает реальное снижение непроизводственных затрат сырья, неплохую экономическую выгоду.

Преимущества применения катализатора в производстве

Чем еще характеризуются каталитические реакции? Примеры, рассматриваемые в обычной средней школе, свидетельствуют о том, что использование катализатора позволяет проводить процесс при более низких температурах. Эксперименты подтверждают, что с его помощью можно рассчитывать на существенное снижение энергетических затрат. Это особенно важно в современных условиях, когда в мире наблюдается недостаток энергетических ресурсов.

Примеры каталитических производств

В какой промышленности используют каталитические реакции? Примеры таких производств: изготовление азотной и серной кислот, водорода, аммиака, полимеров, Широко применяют катализ в получении органических кислот, одноатомных и фенола, синтетических смол, красителей, лекарственных средств.

Что является катализатором

В качестве катализаторов могут выступать многие вещества, находящиеся в периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, а также их соединения. Среди самых распространенных ускорителей выделяют: никель, железо, платину, кобальт, алюмосиликаты, оксиды марганца.

Особенности катализаторов

Помимо избирательного действия, у катализаторов отличная механическая прочность, они способны противостоять каталитическим ядам, легко регенерируются (восстанавливаются).

По фазовому состоянию каталитические подразделяют на газофазные и жидкофазные.

Подробнее рассмотрим такие типы реакций. В растворах ускорителем химического превращения выступают катионы водорода Н+, гидроксид ионы основания ОН-, катионы металлов М+ и вещества, которые способствуют образованию свободных радикалов.

Суть катализа

Механизм катализа при взаимодействии кислот и оснований состоит в том, что происходит обмен между взаимодействующими веществами и катализатором положительными ионами (протонами). При этом происходят внутримолекулярные превращения. По данному типу идут реакции:

• дегидратации (отцепления воды);
• гидратации (присоединения молекул воды);
• этерификации (образования сложного эфира из спиртов и карбоновых кислот);
• поликонденсации (образования полимера с отщеплением воды).

Теория катализа объясняет не только сам процесс, но и возможные побочные превращения. В случае гетерогенного катализа ускоритель процесса образует самостоятельную фазу, каталитическими свойствами обладают некоторые центры на поверхности реагирующих веществ либо задействуется вся поверхность.

Существует и микрогетерогенный процесс, который предполагает нахождение катализатора в коллоидном состоянии. Данный вариант является переходным состоянием от гомогенного к гетерогенному виду катализа. Большая часть таких процессов протекает между газообразными веществами с применением твердых катализаторов. Они могут быть в форме гранул, таблеток, зерен.

Распространение катализа в природе

Ферментативный катализ достаточно широко распространён в природе. Именно с помощью биокатализаторов протекает синтез белковых молекул, осуществляется обмен веществ в живых организмах. Ни один биологический процесс, протекающий с участием живых организмов, не обходит стороной каталитические реакции. Примеры жизненно важных процессов: синтез из аминокислот белков, специфичных для организма; расщепление жиров, белков, углеводов.

Алгоритм катализа

Рассмотрим механизм катализа. Данный процесс, протекающий на пористых твердых ускорителях химического взаимодействия, включает в себя несколько элементарных стадий:

• диффузия взаимодействующих веществ к поверхности крупинок катализатора из ядра потока;
• диффузия реагентов в порах катализатора;
• хемосорбция (активированная адсорбция) на поверхности ускорителя химической реакции с появлением химических поверхностных веществ - активированных комплексов «катализатор-реагенты»;
• перегруппировка атомов с возникновением поверхностных комбинаций «катализатор-продукт»;
• диффузия в порах ускорителя реакции продукта;
• диффузия продукта от поверхности зерна ускорителя реакции в ядро потока.

Каталитические и некаталитические реакции настолько важны, что ученые на протяжении многих лет продолжают исследования в данной сфере.

При гомогенном катализе нет необходимости сооружать специальные конструкции. Ферментативный катализ при гетерогенном варианте предполагает использование разнообразной и специфичной аппаратуры. Для его протекания разработаны специальные контактные аппараты, подразделяемые по поверхности контакта (в трубках, на стенках, катализаторных сетках); с фильтрующим слоем; взвешенным слоем; с движущимся пылевидным катализатором.

Теплообмен в аппаратах реализуется разными способами:

• путем применения выносных (внешних) теплообменников;
• с помощью теплообменников, встроенных в контактный аппарат.

Анализируя формулы по химии, можно найти и такие реакции, в которых катализатором выступает один из конечных продуктов, который образуется в ходе химического взаимодействия исходных компонентов.

Подобные процессы принято называть автокаталитическими, само явление в химии именуется автокатализом.

Скорость многих взаимодействий связана с присутствием в реакционной смеси определенных веществ. Их формулы в химии чаще всего упускаются, заменяются словом «катализатор» либо его сокращенным вариантом. Их не включают в итоговое стереохимическое уравнение, так как они после завершения взаимодействия не меняются с количественной точки зрения. В некоторых случаях достаточно незначительных количеств веществ, чтобы существенно повлиять на скорость осуществляемого процесса. Вполне допустимы и такие ситуации, когда в качестве ускорителя химического взаимодействия выступает сам реакционный сосуд.

Суть влияния катализатора на изменение скорости химического процесса в том, что данное вещество включено в состав активного комплекса, а потому изменяет химического взаимодействия.

При распаде данного комплекса наблюдается регенерация катализатора. Суть в том, что он не будет расходоваться, останется в неизменном количестве после окончания взаимодействия. Именно по этой причине вполне достаточно незначительного количества активного вещества для осуществления реакции с субстратом (реагирующим веществом). В реальности незначительные количества катализаторов при проведении все-таки расходуются, так как возможны различные побочные процессы: его отравление, технологические потери, смена состояния поверхности твёрдого катализатора. Формулы по химии не предполагают учет катализатора.

Заключение

Реакции, в которых принимает участие активное вещество (катализатор), окружают человека, к тому же они протекают и в его организме. Гомогенные реакции встречаются гораздо реже, чем гетерогенные взаимодействия. В любом случае сначала происходит образование промежуточных комплексов, которые являются нестабильными, постепенно разрушаются и наблюдается регенерация (восстановление) ускорителя химического процесса. К примеру, при взаимодействии метафосфорной кислоты с персульфатом калия в качестве катализатора выступает йодоводородная кислота. При ее добавлении к реагирующим веществам образуется раствор желтого цвета. По мере приближения к окончанию процесса окраска постепенно исчезает. В качестве промежуточного продукта в данном случае выступает йод, а процесс происходит в две стадии. Но как только метафосфорная кислота будет синтезирована, катализатор возвращается в свое первоначальное состояние. Катализаторы незаменимы в промышленности, они помогают ускорять превращения, получать качественные продукты реакции. Невозможны без их участия и биохимические процессы в нашем организме.

Скорость химических реакций может существенно возрасти под действием веществ, которые называют катализаторами .

Явление изменения скорости реакции при наличии катализаторов называют катализом, а реакции с их участием – каталитическими.

Катализатор – это простое или сложное вещество, которое принимает участие в химической реакции и изменяет ее скорость, но в конце остается в химически неизменном состоянии. Если скорость химической реакции под действием катализатора возрастает, то такой катализ называют позитивным, а если уменьшается – то негативным.

Каталитические свойства проявляют переходные металлы и их соединения – оксиды, гидроксиды, сульфиды, амины, аминокислоты и др. Они способны не только значительно ускорять реакции, но и изменять их механизм. Например, при взаимодействии оксида углерода (П) и водорода, в зависимости от природы катализатора, образуются разные продукты – метан или метанол.

В процессе окисления метана кислородом воздуха при наличии разных катализаторов можно получить метанол, формальдегид или муравьиную кислоту.

Катализаторы широко используют в производстве аммиака, серной, азотной, уксусной кислот, каучука, в процессах крекинга нефти, синтеза некоторых лекарственных препаратов и тому подобное. Реакции полимеризации, гидрирования и дегидрирования, получение спиртов, альдегидов, карбоновых кислот с достаточной для технических потребностей скоростью происходят только при наличии катализаторов.

Вещества, которые замедляют скорость химических реакций, называют ингибиторами .

Ингибиторы также широко используют в технике. Их название связано с тем химическим или биохимическим процессом, который они замедляют. В частности, вещества, которые уменьшают скорость коррозии металла, называют ингибиторами коррозии , а вещества, которые тормозят любые процессы окисления разных субстратов молекулярным кислородом, - антиоксидантами.

Катализаторы оценивают по определенным критериям, среди которых к наиболее важным принадлежат: активность, специфичность, стойкость к старению и отравлениям.

Активность определяют по отношению скоростей каталитической и некаталитической реакций. Катализатор тем активнее, чем больше он снижает величину энергии активации реакции.

Специфичность (выборочность) заключается в способности катализатора увеличивать скорость только одной реакции.

На активность катализаторов значительно влияют примеси. Одни из них могут усиливать, а другие – замедлять действие катализаторов. Вещества, которые сами не имеют каталитических свойств, но усиливают действие катализаторов, называют промоторами, или активаторами.

Известно также негативное действие некоторых химических веществ на активность катализаторов, так называемых каталитических ядов. Эти соединения частично, или полностью снижают активность катализаторов.

Одним из важных видов каталитических процессов является ферментный катализ , который происходит под действием катализаторов белковой природы: так называемых ферментов, или энзимов.

Ферменты как биологические катализаторы

Все химические процессы в условиях физиологичной среды организма (гидролиз, протолиз, фосфорелирование, комплексообразование, окислительно-восстановительные реакции) могут происходить только при участии катализаторов, которые называют ферментами, или энзимами.

Ферменты – это вещества белковой природы, которые производятся клетками живых организмов и значительно увеличивают скорость биохимических процессов.

Сейчас известно более 1800 ферментов, из которых много выделено в чистом кристаллическом виде. Считают, что в клетке содержится около 10 тыс. молекул разных ферментов, которые ускоряют свыше 2 тыс. реакций. Четвертая часть изученных в настоящее время ферментов содержат ионы разных металлов и поэтому их называют металлоферментами.

И ферменты, и неорганические катализаторы подчиняются общим законам катализа и характеризуются рядом общих признаков, то есть они:

катализируют только те реакции, которые являются энергетически возможными;

не изменяют направления хода реакций;

уменьшают энергию активации реакций, тем самым ускоряя их;

не расходуются в процессе реакции.

Однако ферменты характеризуются и особенными признаками, которые дают возможность отличить их от обычных неорганических катализаторов. Эти отличия связаны с особенностями строения ферментов, которые являются сложными макромолекулами белковой природы.