Katalitske reakcije: definicija, opis, primeri

V tem članku bomo razpravljali o katalitičnih reakcijah. Bralec se bo seznanil s splošno idejo o katalizatorjih in njihovem vplivu na sistem, opisane pa bodo tudi vrste reakcij, značilnosti njihovega poteka in še veliko več.

Uvod v katalizo

Preden se seznanite s katalitičnimi reakcijami, je vredno vedeti, kaj je kataliza.

To je selektivni proces pospeševanja, specifična termodinamsko dovoljena smer reakcije, ki je izpostavljena katalizatorju. To je večkrat vključeno v interakcijo kemijske narave in učinka na udeležence reakcije. Na koncu katerega koli vmesnega cikla katalizator nadaljuje svojo prvotno obliko. Koncept katalizatorja sta v promet uvedla J. Barcelius in Jens leta 1835.

Splošne informacije

Kataliza je v naravi široko porazdeljena in jo človek univerzalno uporablja v tehnološki industriji. Velika večina vseh reakcij, ki se uporabljajo v industriji, je katalitična. Obstaja koncept avtokatalize - pojav, pri katerem pospeševalnik deluje kot reakcijski produkt ali je del izhodnih spojin.

Vse vrste kemijskih interakcij reaktantov so razdeljene na katalitične in nekatalitske reakcije. Pospešitev reakcij, ki vključujejo katalizatorje, se imenuje pozitivna kataliza. Upočasnitev stopnje interakcije se pojavi s sodelovanjem inhibitorjev. Reakcije so negativno katalitične narave.

Katalitična reakcija ni le način za povečanje proizvodne moči, ampak tudi priložnost, ki izboljšuje kakovost izdelka. To je posledica sposobnosti posebej izbrane snovi, da pospeši glavno reakcijo in vzporedno upočasni hitrost.

Katalitske reakcije prav tako zmanjšujejo stroške energije, ki porabijo opremo. To je posledica dejstva, da pospešek omogoča, da se postopek nadaljuje v pogojih nižje temperature, kar bi bilo potrebno brez njegove prisotnosti.

Primer katalitične reakcije je proizvodnja dragocenih predmetov, kot so: dušikova kislina, vodik, amoniak itd. Ti postopki se najpogosteje uporabljajo pri proizvodnji aldehidov, fenola, različnih plastičnih mas, smol in gume itd.

Različne reakcije

Bistvo katalize je v prenosu mehanizma reakcije na najbolj donosno možnost. To je mogoče z zmanjšanjem aktivacijske energije.

Katalizator tvori šibko kemično vez s posebno molekulo reagenta. To vam omogoča, da pospešite reakcijo z drugim reagentom. Snovi, ki so katalitične, ne vplivajo na premik kemijskega ravnovesja, saj delujejo reverzibilno v obeh smereh.

Kataliza je razdeljena na dva glavna tipa: homogena in heterogena. Skupna značilnost vseh interakcij prvega tipa je, da je katalizator v običajni fazi z reaktantom same reakcije. Druga vrsta ima na tej točki razliko.

Homogene katalitske reakcije kažejo, da pospeševalnik, ki je v interakciji z določeno snovjo, tvori vmesno spojino. To bo dodatno zmanjšalo količino energije, ki je potrebna za aktiviranje.

Heterogena kataliza pospešuje proces. Praviloma teče na površino trdnih snovi. Posledično so zmogljivosti katalizatorja in njegove aktivnosti določene glede na velikost površine in posamezne lastnosti. Heterogena katalitska reakcija ima bolj zapleten mehanizem delovanja kot homogen. Mehanizem vključuje 5 stopenj, od katerih je vsak lahko reverzibilen.

V prvi fazi se začne difuzija reagirajočih reagentov na trdno področje, nato pa fizikalna adsorpcija, ki ji sledi kemosorpcija. Zato se začne tretja stopnja, na kateri se začne reakcija med molekulami reagirajočih snovi. V četrti fazi opazimo desorpcijo produkta. V peti fazi končna snov difundira v skupne tokove iz ravnine katalizatorja.

Katalitični materiali

Obstaja koncept nosilca katalizatorja. Je material inertnega ali nizko aktivnega tipa, ki je potreben za dovajanje delca, vključenega v katalizno fazo, v stabilno stanje.

Heterogeno pospeševanje je potrebno, da se prepreči proces sintranja in aglomeracije aktivnih sestavin. V prevladujočem številu primerov število nosilcev presega prisotnost aktivne komponente. Glavni seznam zahtev, ki jih mora imeti nosilec, vključuje veliko površinsko in površinsko poroznost, toplotno stabilnost, inertnost in odpornost na mehanske obremenitve.

Kemična osnova. Kemija pospeševanja interakcije med snovmi nam omogoča, da ločimo dve vrsti snovi, in sicer katalizatorje in inhibitorje. Slednje pa po drugi strani upočasnijo hitrost reakcije. Ena od vrst katalizatorjev so encimi.

Katalizatorji ne stopijo stehiometrično v razmerje s produktom same reakcije in se na koncu vedno regenerirajo. V sodobnem času obstaja veliko načinov za vplivanje na proces molekularne aktivacije. Vendar pa je kataliza osnova kemijske proizvodnje.

Narava katalizatorjev omogoča njihovo delitev na homogene, heterogene, interfazne, encimske in micelarne. Kemična reakcija s sodelovanjem katalizatorja bo zmanjšala energijo, potrebno za njeno aktivacijo. Na primer, nekatalitska razgradnja NH3 na dušik in vodik bo zahtevala približno 320 kJ / mol. Ista reakcija, vendar pod vplivom platine, bo to število zmanjšala na 150 kJ / mol.

Postopek hidrogeniranja

Prevladujoče število reakcij, ki vključujejo katalizatorje, temelji na aktivaciji vodikovega atoma in specifične molekule, kar nadalje vodi v interakcijo kemijske narave. Ta pojav imenujemo hidrogenacija. Je osnova za večino faz rafiniranja in ustvarjanja tekočega goriva iz premoga. Proizvodnja slednjega je bila odprta v Nemčiji zaradi odsotnosti naftnih nahajališč v državi. Ustvarjanje takšnega goriva se imenuje Bergiusov proces. Sestoji iz neposredne kombinacije vodika in premoga. Premog se segreva pri določenih pogojih tlaka in vodika. Posledično se tvori produkt tekočega tipa. Katalizatorji so železovi oksidi. Včasih pa uporabljajo snovi na osnovi kovin, kot so molibden in kositer.

Obstaja še en način za proizvodnjo istega goriva, ki se imenuje Fischer-Tropschov proces. Sestavljen je iz dveh stopenj. Na prvi stopnji je premog izpostavljen uplinjanju, ki ga obdeluje z medsebojnim delovanjem vodne pare in O ₂ . Ta reakcija vodi do tvorbe vodikove zmesi in ogljikov monoksid. Nato z uporabo katalizatorjev mešanico prenesemo v tekoče gorivo.

Razmerje kislosti in katalitičnih zmogljivosti

Katalitična reakcija je pojav, ki je odvisen od kislih lastnosti samega katalizatorja. V skladu z definicijo J. Brønsteda je kislina snov, ki lahko da protone. Močna kislina z lahkoto preda svoj proton na bazo. G. Lewis je kislino opredelil kot snov, ki je sposobna prevzeti elektronske pare iz donornih snovi in ​​posledično tvoriti kovalentna vez. Ti dve ideji sta človeku omogočili, da določi bistvo mehanizma katalize.

Jakost kisline določimo z uporabo nizov baz, ki lahko spremenijo barvo zaradi dodatka protona. Nekatere katalitične snovi, ki se uporabljajo v industriji, se lahko obnašajo kot izjemno močne kisline. Njihova moč določa hitrost protoniranja in je zato zelo pomembna značilnost.

Kisla aktivnost katalizatorja je posledica njene sposobnosti, da reagira z ogljikovodiki in tako tvori vmesni produkt - karbenijinski ion.

Dehidracijski proces

Dehidrogenacija je tudi katalitska reakcija. Pogosto se uporablja v različnih industrijskih sektorjih. Čeprav se katalitski procesi, ki temeljijo na dehidrogenaciji, uporabljajo manj pogosto kot reakcije hidrogeniranja, pa kljub temu zavzemajo pomembno mesto v človeški dejavnosti. Primer te vrste katalitične reakcije je proizvodnja stirena, pomembnega monomera. Za začetek, dehidrogeniranje etilbenzena poteka s sodelovanjem snovi, ki vsebujejo železov oksid. Človek pogosto uporablja ta pojav, da dehidrira veliko alkanov.

Dvojno delovanje

Obstajajo katalizatorji z dvojnim delovanjem, ki lahko pospešijo reakcijo dveh vrst naenkrat. Posledica tega so boljši rezultati v primerjavi s prenosom reagentov izmenično skozi dva reaktorja, ki vsebujejo samo eno vrsto katalizatorjev. To je posledica dejstva, da je aktivno središče pospeševalnika z dvojnim delovanjem v tesnem položaju z drugim podobnim središčem, kot tudi z vmesnim izdelkom. Dober rezultat je npr. Združevanje katalizatorjev, ki aktivirajo vodik s snovjo, ki omogoča nadaljevanje procesa izomerizacije ogljikovodikov. Aktiviranje se pogosto izvaja s kovinami, izomerizacija pa poteka s sodelovanjem kislin.

Specifičnost glavnih katalitičnih reakcij

Sposobnost in učinkovitost katalizatorja je tudi posledica njegovih osnovnih lastnosti. Osupljiv primer je natrijev hidroksid, ki se uporablja med hidrolizo maščob za izdelavo mila. Te vrste katalizatorjev se uporabljajo tudi v proizvodnji pene in poliuretanskih plošč. Uretan dobimo med interakcijo alkohola in izocianata. Pospešek reakcije se pojavi, kadar je izpostavljen specifičnemu bazičnemu aminu. Baza je vezana na ogljikov atom, ki je vsebovan v izocianatni molekuli. Posledično postane atom dušika negativno nabit. To vodi do povečane aktivnosti v zvezi z alkoholom.

Stereospecifična polimerizacija

Odkritje polimerizacije olefina s kasnejšo proizvodnjo stereoregularnih polimernih snovi je v zgodovini študije katalize velik zgodovinski pomen. Odkritje katalizatorjev, za katere je značilna stereospecifična polimerizacija, pripada K. Zieglerju. Zieglerjevo delo o proizvodnji polimerov je zanimalo J. Natta, ki je predlagal, da je treba zaradi svoje stereoregularnosti določiti edinstvenost polimera. Veliko število eksperimentov z difrakcijskimi rentgenskimi žarki je pokazalo, da je polimer, dobljen iz propilena pod vplivom Zieglerjevega katalizatorja, zelo kristaliničen. Učinek dejanja je stereoregularen.

Takšne reakcije potekajo na ravnini trdnega katalizatorja, ki vsebuje prehodne kovine, kot so Ti, Cr, V, Zr. Biti morajo v nepopolni oksidaciji. Živahni primer je enačba katalitične reakcije med medsebojnim delovanjem TiCl ₄ in Al (C ₂ H ₅ ) ₃ , v katerem nastane oborina. Tukaj se titan vrne v stanje, ki je skladno s tremi. Ta vrsta aktivnega sistema omogoča polimerizacijo propilena v normalnih pogojih temperature in tlaka.

Oksidacija v katalitični reakciji

Katalitske oksidacijske reakcije se pogosto uporabljajo pri ljudeh zaradi sposobnosti določenih snovi, da uravnavajo hitrost same reakcije. V nekaterih primerih je potrebna popolna oksidacija, na primer nevtralizacija CO in onesnaževanje z ogljikovodiki. Vendar pa velika večina reakcij zahteva nepopolno oksidacijo. To je potrebno za industrijsko proizvodnjo dragocenih, vendar vmesnih proizvodov, ki lahko vsebujejo določeno in pomembno vmesno skupino: COOH, CN, CHO, C-CO. Hkrati pa oseba uporablja heterogene in monogene vrste katalizatorjev.

Med vsemi snovmi, ki lahko pospešijo potek kemijskih reakcij, imajo pomembno mesto oksidi. Večinoma v trdnem stanju. Potek oksidacije je razdeljen na 2 stopnji. V prvi fazi se kisikov oksid ujame z ogljikovodikovo molekulo adsorbiranega oksida. Posledično se oksid zmanjša in ogljikovodik oksidira. Obnovljeni oksid vzajemno deluje z O ₂ in se vrne v prvotno stanje.