Каталитичке реакције: дефиниција, опис, примери
Овај чланак ће говорити о каталитичким реакцијама. Читалац ће се упознати са општом идејом катализатора и њиховим утицајем на систем, а биће описане и врсте реакција, карактеристике њиховог тока и још много тога.
Увод у катализу
Пре него што се упознате са каталитичким реакцијама, вреди знати шта је катализа.
Ово је селективни процес убрзања, специфичан термодинамички дозвољен смер реакције која је изложена катализатору. Он је више пута укључен у интеракцију хемијске природе и утицај на учеснике реакције. На крају сваког средњег циклуса, катализатор наставља свој првобитни облик. Концепт катализатора уведен је у промет од Ј. Барцелиус и Јенс 1835. године.
Опште информације
Катализа је широко распрострањена у природи и универзално користи човек у технолошкој индустрији. Велика већина свих реакција које се користе у индустрији су каталитички. Постоји концепт аутокатализе - појава у којој акцелератор делује као производ реакције или је део полазних једињења.
Све врсте хемијских интеракција реактаната се деле на каталитичке и не-каталитичке реакције. Убрзање реакција које укључују катализаторе називају се позитивном катализом. Успоравање стопе интеракције одвија се уз учешће инхибитора. Реакције су негативно каталитичке природе.
Каталитичка реакција није само начин повећања производне снаге, већ и прилика која побољшава квалитет производа. То је због способности специјално одабране супстанце да убрза главну реакцију и успорава брзину паралелно.
Каталитичке реакције такође смањују трошкове енергије, што троши опрему. То је због чињенице да убрзање омогућава да се процес настави у условима ниже температуре, што би било потребно без његовог присуства.
Пример каталитичке реакције је производња вредних предмета као што су: азотна киселина, водоник, амонијак, итд. Ови процеси се најчешће користе у производњи алдехида, фенола, разних пластика, смола и гума итд.
Разне реакције
Суштина катализе је у превођењу механизма реакције на најпрофитабилнију опцију. То је омогућено смањењем енергије активације.
Катализатор је слаб хемијска веза са специфичним молекулом реагенса. Ово вам омогућава да олакшате реакцију са другим реагенсом. Супстанце које су каталитичке не утичу на померање хемијске равнотеже, јер оне делују реверзибилно у оба смера.
Катализа је подељена на два главна типа: хомогена и хетерогена. Заједничка карактеристика свих интеракција првог типа је да је катализатор у заједничкој фази са реактантом саме реакције. Други тип има разлику у овом тренутку.
Хомогене каталитичке реакције показују да акцелератор, у интеракцији са одређеном супстанцом, формира интермедијерно једињење. То ће додатно смањити количину енергије потребне за активирање.
Хетерогена катализа убрзава процес. По правилу тече на површину чврстих материја. Као резултат, способности катализатора и његове активности се одређују величином површине и појединачним својствима. Хетерогена каталитичка реакција има сложенији механизам рада од хомогеног. Његов механизам обухвата 5 фаза, од којих свака може бити реверзибилна.
У првој фази започиње дифузија реагирајућих реагенса на чврсто подручје, након чега долази до адсорпције физичке природе, праћене хемисорпцијом. Као резултат тога, почиње трећа фаза, на којој реакција почиње да се одвија између молекула реагујућих супстанци. У четвртој фази посматра се десорпција производа. У петом стадијуму, коначна супстанца дифундира у заједничке токове из равни катализатора.
Каталитички материјали
Постоји концепт носача катализатора. То је материјал инертног или ниско-активног типа, неопходан за довођење честице укључене у фазу катализе у стабилно стање.
Хетерогено убрзање је неопходно да би се спречили процеси синтеровања и агломерације активних компоненти. У претежном броју случајева, број носилаца прелази присуство примењене компоненте активног типа. Главна листа захтева које носилац треба да поседује обухвата велику површину и површинску порозност, термичку стабилност, инертност и отпорност на механичка напрезања.
Хемијска основа. Хемија убрзавања интеракције између супстанци омогућава нам да разликујемо две врсте супстанци, наиме катализаторе и инхибиторе. Ово последње успорава брзину реакције. Један од типова катализатора су ензими.
Катализатори не улазе у стехиометријски однос са производом саме реакције и на крају се увек регенеришу. У модерним временима постоји много начина да се утиче на процес молекуларне активације. Међутим, катализа је основа хемијске производње.
Природа катализатора омогућава им да се поделе на хомогене, хетерогене, интерфазне, ензимске и мицеларне. Хемијска реакција уз учешће катализатора ће смањити трошкове енергије потребне за његову активацију. На пример, не-каталитичка разградња НХ3 на азот и водоник ће захтевати око 320 кЈ / мол. Иста реакција, али под утицајем платине, смањит ће овај број на 150 кЈ / мол.
Процес хидрогенације
Преовлађујући број реакција које укључују катализаторе заснива се на активацији атома водоника и специфичног молекула, што даље доводи до интеракције хемијске природе. Овај феномен се назива хидрогенација. Она је основа већине фаза прераде и стварања течног горива из угља. Производња потоње је отворена у Немачкој, због недостатка нафтних лежишта у земљи. Стварање таквог горива назива се Бергиусов процес. Састоји се од директне комбинације водоника и угља. Угаљ се загрева под одређеним условима притиска и водоника. Као последица тога, формира се течни производ. Катализатори су оксиди гвожђа. Али понекад користе супстанце на бази метала као што су молибден и коситар.
Постоји још један начин да се произведе исто гориво, које се назива Фисцхер-Тропсцх процес. Састоји се од двије фазе. У првој фази угаљ се подвргава гасификацији, третирајући га интеракцијом водене паре и О 2 . Ова реакција доводи до стварања смеше водоника и угљен моноксид. Затим, користећи катализаторе, смеша се преноси у стање течног горива.
Однос киселости и каталитичких способности
Каталитичка реакција је феномен који зависи од киселих особина самог катализатора. У складу са дефиницијом Ј. Брøнстед, киселина је супстанца која може дати протоне. Јака киселина лако ће одустати од свог протона у бази. Г. Левис је дефинисао киселину као супстанцу која је способна да преузме електронске парове из донорних супстанци и као резултат тога формира ковалентна веза. Ове две идеје омогућиле су човеку да одреди суштину механизма катализе.
Чврстоћа киселине се одређује коришћењем сетова база које могу да промене боју због додавања протона. Неке каталитичке супстанце које се користе у индустрији могу се понашати изузетно јаке киселине. Њихова снага одређује брзину протонације и стога је веома важна карактеристика.
Киселинска активност катализатора је последица његове способности да реагује са угљоводоницима, формирајући тако међупроизвод - карбионијумски јон.
Процес дехидрације
Дехидрогенација је такође каталитичка реакција. Често се користи у различитим индустријским секторима. Иако се каталитички процеси базирани на дехидрогенацији рјеђе користе од реакција хидрогенације, они ипак заузимају важно мјесто у људској активности. Пример ове врсте каталитичке реакције је производња стирена, важног мономера. За почетак, дехидрогенација етилбензена се одвија уз учешће супстанци које садрже оксид гвожђа. Човек често користи овај феномен да дехидрира многе алкане.
Доубле ацтион
Постоје катализатори двоструког дејства који могу да убрзају реакцију два типа одједном. Као резултат тога, долази до бољих резултата, у поређењу са преносом реагенаса наизменично кроз 2 реактора који садрже само један тип катализатора. Ово је због чињенице да је активни центар акцелератора са двоструким дејством у блиској позицији са другим сличним центром, као и са међупроизводом. Добар резултат је, на пример, комбиновање катализатора који активирају водоник са супстанцом која омогућава наставак процеса изомеризације угљоводоника. Активација се често изводи од метала, а изомеризација се одвија уз учешће киселина.
Специфичност главних каталитичких реакција
Способност и дјелотворност катализатора је такођер посљедица његових основних својстава. Упечатљив пример је натријум хидроксид, који се користи током хидролизе масти да се направи сапун. Ови типови катализатора се такође користе у производњи пене и полиуретанских плоча. Уретан се добија током интеракције алкохола и изоцијаната. Убрзање реакције се дешава када се изложи специфичном базном амину. База је везана за атом угљеника који се налази у молекулу изоцијаната. Као резултат, атом азота постаје негативно набијен. То доводи до повећане активности у односу на алкохол.
Стереоспецифична полимеризација
Откриће полимеризације олефина са накнадном производњом стереорегуларних полимерних супстанци је од велике историјске важности у историји истраживања катализе. Откриће катализатора карактеризирано стереоспецифичном полимеризацијом припада К. Зиеглеру. Зиеглеров рад на производњи полимера заинтересовао је Ј. Натту, који је сугерисао да јединственост полимера треба да буде одређена његовом стереорегуларношћу. Велики број експеримената који су укључивали дифракционе рендгенске зраке показали су да је полимер добијен из пропилена под утицајем Зиеглер-овог катализатора високо кристални. Ефекат акције је стереорегуларан.
Реакције овог типа одвијају се у равни чврстог катализатора који садржи прелазне метале као што су Ти, Цр, В, Зр. Морају бити у непотпуној оксидацији. Једнаџба каталитичке реакције између интеракције ТиЦл 4 и Ал (Ц 2 Х 5 ) 3 , током којих се формира талог, служи као живописан пример. Овде, титан се враћа у 3-усаглашено стање. Овај тип активног система омогућава полимеризацију пропилена у нормалним условима температуре и притиска.
Оксидација у каталитичкој реакцији
Каталитичке оксидационе реакције су широко коришћене код људи, због способности одређених супстанци да регулишу брзину саме реакције. Неки случајеви захтевају потпуну оксидацију, на пример, неутрализацију ЦО и загађење које садржи угљоводонике. Међутим, велика већина реакција захтева непотпуно оксидацију. Неопходан је за индустријску производњу вриједних, али међупроизвода, који могу садржати одређену и важну интермедијарну групу: ЦООХ, ЦН, ЦХО, Ц-ЦО. Истовремено, особа користи и хетерогене и моногене типове катализатора.
Међу свим супстанцама које могу убрзати ток хемијских реакција, важно мјесто заузимају оксиди. Углавном у чврстом стању. Ток оксидације је подељен у 2 фазе. У првој фази, оксид кисеоника је ухваћен молекулом угљоводоника адсорбованог оксида. Као резултат, оксид се редукује и угљоводоник се оксидира. Обновљени оксид ступа у интеракцију са О2 и враћа се у првобитно стање.