Reacții catalitice: exemple. O cataliză omogenă și eterogenă

Chimia este știința substanțelor și transformările lor, precum și modalitățile de obținere a acestora. Chiar și în curriculumul școlar obișnuit, este luată în considerare o problemă importantă, cum ar fi tipurile de reacții. Clasificarea, care introduce elevii la un nivel de bază, ia în considerare schimbarea gradului de oxidare, faza de curgere, mecanismul procesului etc. În plus, toate procesele chimice sunt împărțite în reacții catalitice și catalitice. Exemple de transformări care apar cu participarea unui catalizator se găsesc în viața obișnuită: fermentația, dezintegrarea. Transformările non-catalitice sunt mult mai puțin frecvente.

Ce este un catalizator?

Este un produs chimic care poate schimba viteza interacțiunii, dar nu participă la aceasta. În cazul în care catalizatorul accelerează procesul, este vorba despre o cataliză pozitivă. În cazul în care substanța adăugată la proces se reduce rata de reacție, se numește inhibitor.

Tipuri de cataliză

Cataliza omogenă și heterogenă diferă în faza în care se găsesc materiile prime. Dacă componentele inițiale luate pentru interacțiuni, inclusiv catalizatorul, sunt în aceeași stare agregată, se efectuează o cataliză omogenă. În cazul în care diferite substanțe de fază participă la reacție, are loc o cataliză eterogenă.

Selectivitatea acțiunii

Cataliza nu este doar un mijloc de creștere a productivității echipamentelor, ci afectează în mod pozitiv calitatea produselor obținute. Este posibil să se explice acest fenomen prin faptul că, datorită acțiunii selective a majorității catalizatorilor, se accelerează o reacție directă, procesele laterale sunt reduse. În cele din urmă, produsele obținute sunt de înaltă puritate, nu este nevoie să se purifice în continuare substanțele. Selectivitatea acțiunii catalizatorului oferă o reducere reală a costurilor neproductive ale materiilor prime, un bun avantaj economic.

Avantajele utilizării catalizatorului în producție

Ce altceva sunt reacțiile catalitice? Exemplele considerate în școala secundară obișnuită indică faptul că utilizarea catalizatorului permite efectuarea procesului la temperaturi mai scăzute. Experimentele confirmă faptul că pot fi utilizate pentru a reduce semnificativ costurile cu energia. Acest lucru este deosebit de important în condițiile moderne, când există o lipsă de resurse energetice în lume.

Exemple de producții catalitice

Care industrie utilizează reacții catalitice? Exemple de astfel de producții: producția de acizi azotați și sulfurici, hidrogen, amoniac, polimeri, rafinarea petrolului. Cataliza este utilizată pe scară largă în producția de acizi organici, monohidrici și monohidrici alcooli polihidrici, fenol, rășini sintetice, coloranți, medicamente.

Care este catalizatorul?

Ca catalizatori, multe substanțe care se află în sistemul periodic de elemente chimice ale lui Dmitri Ivanovich Mendeleev pot acționa, precum și compușii lor. Printre acceleratoarele cele mai comune sunt: ​​nichel, fier, platină, cobalt, aluminosilicați, oxizi de mangan.

Catalizator Caracteristici

În plus față de acțiunea selectivă, catalizatorii au o rezistență mecanică excelentă, sunt capabili să reziste la otrăvurile catalitice, sunt ușor regenerați (recuperați).

Cu catalizatorul de stare de fază reacții omogene sunt împărțite în fază gazoasă și în fază lichidă.

Să analizăm mai detaliat aceste tipuri de reacții. În soluții, ionii de hidrogen H +, ionii de hidroxid de bază OH, cationii metalici M + și substanțele care favorizează formarea radicalilor liberi acționează ca accelerator al transformării chimice.

Esența catalizei

Mecanismul de cataliză în interacțiunea acizilor și a bazelor este acela că există un schimb între substanțele care interacționează și catalizatorul prin ioni pozitivi (protoni). Se produc transformări intramoleculare. Acest tip de reacție este:

• deshidratarea (decuplarea apei);
• hidratarea (adăugarea de molecule de apă);
• esterificarea (formarea unui ester din alcooli și acizi carboxilici);
• policondensare (formarea unui polimer cu eliminarea apei).

Teoria catalizei explică nu numai procesul propriu-zis, ci și posibile transformări laterale. In cazul unui proces de cataliză eterogenă formează un accelerator de fază separată, au unele proprietăți catalitice asupra punctelor de suprafață ale reactanți sau întreaga suprafață este implicat.

Există, de asemenea, un proces microheterogen, care implică găsirea catalizatorului într-o stare coloidală. Această variantă este o stare de tranziție de la o cataliză omogenă la eterogenă. Majoritatea acestor procese apar între substanțe gazoase care utilizează catalizatori solizi. Ele pot fi sub formă de granule, tablete, boabe.

Răspândirea catalizei în natură

Cataliza enzimatică este destul de larg răspândită în natură. Prin intermediul bio-catalizatorilor se sintetizează moleculele de proteine, metabolismul se desfășoară în organisme vii. Nici un proces biologic, care are loc cu participarea organismelor vii, nu ocolește reacțiile catalitice. Exemple de procese vitale: sinteza aminoacizilor din proteinele specifice organismului - scindarea grăsimilor, proteinelor, carbohidraților.

Algoritmul de cataliză

Luați în considerare mecanismul de cataliză. Acest proces, care are loc pe acceleratoarele solide poroase de interacțiune chimică, include mai multe etape elementare:

• difuzia substanțelor care interacționează cu suprafața granulelor de catalizator din miezul fluxului;
• difuzia reactivilor în porii catalizatorului;
• chemisorbția (adsorbția activată) pe suprafața acceleratorului de reacție chimică cu apariția substanțelor chimice de suprafață - complexe "catalizator-reactiv" activate;
• rearanjarea atomilor cu apariția combinațiilor de catalizator-produs de suprafață;
• difuzia în porii acceleratorului de reacție al produsului;
• difuzia produsului de pe suprafața granulei a acceleratorului de reacție în miezul fluxului.

Reacțiile catalitice și non-catalitice sunt atât de importante încât oamenii de știință de mulți ani continuă să facă cercetări în acest domeniu.

Cu o cataliză omogenă, nu este nevoie să se construiască structuri speciale. Cataliza enzimatică în versiunea eterogenă implică utilizarea unei varietăți de echipamente specifice. Pentru dezvoltarea sa, sunt dezvoltate dispozitive de contact speciale, subdivizate pe suprafața de contact (în tuburi, pe pereți, în grilele de catalizator) - cu un strat filtrant - un strat suspendat - cu un catalizator pulverizat în mișcare.

Transferul de căldură în dispozitive este realizat în diferite moduri:

• prin utilizarea schimbătoarelor de căldură externe (externe);
• cu ajutorul schimbătorilor de căldură încorporați în dispozitivul de contact.

Analizând formula chimiei, pot fi găsite astfel de reacții, în care un catalizator acționează ca unul dintre produsele finale, care se formează în timpul interacțiunii chimică a componentelor inițiale.

Astfel de procese sunt denumite de obicei autocatalitic, fenomenul chimiei se numește autocataliză.

Rata multor interacțiuni este legată de prezența anumitor substanțe în amestecul de reacție. Formulele lor în chimie sunt cel mai adesea trecute cu vederea, înlocuite de cuvântul "catalizator" sau versiunea ei prescurtată. Ele nu sunt incluse în ecuația stereochimică finală, deoarece nu se schimbă din punct de vedere cantitativ după finalizarea interacțiunii. În unele cazuri, cantități mici de substanțe sunt suficiente pentru a afecta semnificativ viteza procesului. Este permisă în totalitate și astfel de situații, când vasul de reacție acționează ca un accelerator al interacțiunii chimice.

Esența efectului catalizatorului asupra modificării ratei procesului chimic este că această substanță este inclusă în complexul activ și, prin urmare, se schimbă energia de activare chimice.

În timpul degradării acestui complex, se observă regenerarea catalizatorului. Linia de jos este că nu va fi cheltuită, va rămâne în aceeași sumă după încheierea interacțiunii. Din acest motiv, o cantitate nesemnificativă de substanță activă este suficientă pentru reacția cu substratul (substanța care reacționează). În realitate, cantități mici de catalizatori în desfășurare chimice toate acestea sunt cheltuite, deoarece sunt posibile diferite procese laterale: otrăvirea, pierderile tehnologice, schimbarea unei condiții a suprafeței unui catalizator solid. Formulele pentru chimie nu presupun contabilizarea catalizatorului.

concluzie

Reacțiile în care participă substanța activă (catalizatorul) înconjoară persoana, în plus, ele apar și în corpul său. Reacțiile omogene sunt mult mai puțin frecvente decât interacțiunile eterogene. În orice caz, se formează, în primul rând, complexe intermediare, care sunt instabile, sunt distruse treptat și se observă regenerarea (recuperarea) acceleratorului procesului chimic. De exemplu, în interacțiunea acidului metafosforic cu persulfatul de potasiu, acidul anhidru iodic acționează ca un catalizator. Când se adaugă la reactanți, se formează o soluție galbenă. Pe măsură ce vă apropiați de sfârșitul procesului, culoarea dispare treptat. Iodul acționează ca produs intermediar în acest caz, iar procesul are loc în două etape. Dar, de îndată ce se sintetizează acidul metafosforic, catalizatorul revine la starea inițială. Catalizatorii sunt indispensabili în industrie, ele ajută la accelerarea transformării, obținerea de produse de reacție de calitate. Imposibile fără participarea lor și procesele biochimice din corpul nostru.