Katalitičke reakcije: definicija, opis, primjeri

Ovaj će članak raspravljati o katalitičkim reakcijama. Čitatelj će se upoznati s općom idejom o katalizatorima i njihovom utjecaju na sustav, te će biti opisane vrste reakcija, obilježja njihovog tijeka i još mnogo toga.

Uvod u katalizu

Prije nego što se upoznate s katalitičkim reakcijama, vrijedi znati što je kataliza.

To je selektivni proces ubrzanja, specifičan termodinamički dopušten smjer reakcije koji je izložen katalizatoru. On je opetovano uključen u međudjelovanje kemijske prirode i učinak na sudionike reakcije. Na kraju bilo kojeg srednjeg ciklusa, katalizator nastavlja svoj izvorni oblik. Koncept katalizatora uveden je u promet od J. Barceliusa i Jensa 1835. godine.

Opće informacije

Kataliza je široko rasprostranjena u prirodi i univerzalno ga koristi čovjek u tehnološkoj industriji. Velika većina svih reakcija koje se koriste u industriji su katalitički. Postoji koncept autokatalize - pojava u kojoj akcelerator djeluje kao produkt reakcije ili je dio polaznih spojeva.

Sve vrste kemijskih interakcija reaktanata dijele se na katalitičke i ne-katalitičke reakcije. Ubrzanje reakcija koje uključuju katalizatore nazivaju se pozitivnom katalizom. Usporavanje stope interakcije događa se uz sudjelovanje inhibitora. Reakcije su negativno katalitičke prirode.

Katalitička reakcija nije samo način povećanja proizvodne snage, nego i prilika koja poboljšava kvalitetu proizvoda. To je zbog sposobnosti posebno odabrane tvari da ubrza glavnu reakciju i usporava brzinu paralelno.

Katalitičke reakcije također smanjuju troškove energije, što troši opremu. To je zbog činjenice da ubrzanje omogućuje da se proces nastavi u uvjetima niže temperature, što bi bilo potrebno bez njegove prisutnosti.

Primjer katalitičke reakcije je proizvodnja vrijednih predmeta kao što su: dušična kiselina, vodik, amonijak, itd. Ovi procesi se najčešće koriste u proizvodnji aldehida, fenola, raznih plastika, smola i guma itd.

Razne reakcije

Bit katalize je u prevođenju mehanizma reakcije na najprofitabilniju opciju. To je omogućeno smanjenjem energije aktivacije.

Katalizator je slab kemijska veza sa specifičnom molekulom reagensa. To vam omogućuje da olakšate reakciju s drugim reagensom. Tvari koje su katalitičke ne utječu na pomak kemijske ravnoteže, jer djeluju reverzibilno u oba smjera.

Kataliza je podijeljena u dva glavna tipa: homogena i heterogena. Zajednička značajka svih interakcija prvog tipa je da je katalizator u zajedničkoj fazi s reaktantom same reakcije. Drugi tip ima razliku u ovom trenutku.

Homogene katalitičke reakcije pokazuju da akcelerator, u interakciji s određenom tvari, tvori međuprodukt. To će dodatno smanjiti količinu energije potrebne za aktivaciju.

Heterogena kataliza ubrzava proces. U pravilu teče na površinu krutina. Kao rezultat, sposobnosti katalizatora i njegove aktivnosti određuju se veličinom površine i pojedinačnim svojstvima. Heterogena katalitička reakcija ima složeniji mehanizam djelovanja od homogenog. Njegov mehanizam obuhvaća 5 faza, od kojih svaka može biti reverzibilna.

U prvoj fazi započinje difuzija reagirajućih reagensa na kruto područje, nakon čega slijedi adsorpcija fizikalne prirode nakon čega slijedi kemisorpcija. Kao rezultat toga, počinje treća faza, na kojoj se reakcija počinje odvijati između molekula reagirajućih tvari. U četvrtoj fazi opažena je desorpcija proizvoda. U petom stupnju, konačna supstanca difundira u zajedničke tokove iz ravnine katalizatora.

Katalitički materijali

Postoji koncept nosača katalizatora. To je materijal inertnog ili slabo aktivnog tipa, potreban za dovođenje čestice uključene u fazu katalize u stabilno stanje.

Heterogeno ubrzanje je potrebno kako bi se spriječili procesi sinteriranja i aglomeracije aktivnih komponenti. U prevladavajućem broju slučajeva, broj nositelja prelazi prisutnost aktivne komponente aktivne vrste. Glavni popis zahtjeva koji nosač treba imati uključuje veliku površinu i površinsku poroznost, termičku stabilnost, inertnost i otpornost na mehanička naprezanja.

Kemijska osnova. Kemija ubrzavanja interakcije između tvari omogućuje nam razlikovanje dvaju vrsta tvari, odnosno katalizatora i inhibitora. Potonji usporavaju brzinu reakcije. Jedan od tipova katalizatora su enzimi.

Katalizatori ne ulaze stehiometrijski u odnos s produktom same reakcije i na kraju se uvijek regeneriraju. U modernim vremenima postoji mnogo načina za utjecanje na proces molekularne aktivacije. Međutim, kataliza je temelj kemijske proizvodnje.

Priroda katalizatora omogućuje im da se podijele na homogene, heterogene, interfazne, enzimske i micelarne. Kemijska reakcija uz sudjelovanje katalizatora smanjit će troškove energije potrebne za njegovu aktivaciju. Na primjer, ne-katalitička razgradnja NH3 na dušik i vodik zahtijevat će oko 320 kJ / mol. Ista reakcija, ali pod utjecajem platine, smanjit će taj broj na 150 kJ / mol.

Postupak hidrogenacije

Prevladavajući broj reakcija koje uključuju katalizatore temelji se na aktivaciji vodikovog atoma i specifične molekule, što dalje dovodi do interakcije kemijske prirode. Ovaj fenomen naziva se hidrogenacija. To je temelj većine faza rafiniranja i stvaranja tekućeg goriva iz ugljena. Proizvodnja je potonja otvorena u Njemačkoj zbog nedostatka naftnih ležišta u zemlji. Stvaranje takvog goriva naziva se Bergiusov proces. Sastoji se od izravne kombinacije vodika i ugljena. Ugljen se zagrijava pod određenim uvjetima tlaka i vodika. Kao posljedica toga, stvara se tekući tip proizvoda. Katalizatori su željezni oksidi. Ali ponekad koriste tvari na bazi metala kao što su molibden i kositar.

Postoji još jedan način proizvodnje istog goriva, koji se naziva Fischer-Tropsch proces. Sastoji se od dvije faze. U prvoj fazi ugljen se podvrgava rasplinjavanju, tretirajući ga interakcijom vodene pare i O2. Ova reakcija dovodi do stvaranja smjese vodika i ugljikov monoksid. Zatim, korištenjem katalizatora, smjesa se prenosi u stanje tekućeg goriva.

Odnos kiselosti i katalitičkih sposobnosti

Katalitička reakcija je fenomen koji ovisi o kiselim svojstvima samog katalizatora. U skladu s definicijom J. Brønsteda, kiselina je tvar koja može dati protone. Jaka kiselina lako će odustati od svog protona u bazi. G. Lewis definirao je kiselinu kao tvar sposobnu za uzimanje elektronskih parova iz donornih tvari i kao rezultat toga formiranje kovalentnu vezu. Te dvije ideje omogućile su čovjeku da odredi suštinu mehanizma katalize.

Čvrstoća kiseline određuje se pomoću setova baza koje mogu promijeniti boju zbog dodavanja protona. Neke katalitičke tvari koje se koriste u industriji mogu se ponašati izuzetno jake kiseline. Njihova snaga određuje brzinu protonacije i stoga je vrlo važna karakteristika.

Kisela aktivnost katalizatora je zbog njegove sposobnosti da reagira s ugljikovodicima, tvoreći tako međuproizvod - karbenijum.

Proces dehidracije

Dehidrogenacija je također katalitička reakcija. Često se koristi u različitim industrijskim sektorima. Iako se katalitički procesi temeljeni na dehidrogenaciji rjeđe koriste od reakcija hidriranja, ipak zauzimaju važno mjesto u ljudskoj aktivnosti. Primjer ove vrste katalitičke reakcije je proizvodnja stirena, važnog monomera. Za početak, dehidrogenacija etilbenzena odvija se uz sudjelovanje tvari koje sadrže željezni oksid. Čovjek često koristi ovaj fenomen da dehidrira mnoge alkane.

Dvostruko djelovanje

Postoje katalizatori dvostrukog djelovanja koji mogu ubrzati reakciju dva tipa odjednom. Kao rezultat toga, postižu se bolji rezultati, u usporedbi s prijenosom reagensa naizmjenično kroz 2 reaktora koji sadrže samo jednu vrstu katalizatora. To je zbog činjenice da je aktivno središte akceleratora s dvostrukim djelovanjem u bliskom položaju s drugim sličnim centrom, kao i sa međuproizvodom. Dobar rezultat je, na primjer, kombiniranje katalizatora koji aktiviraju vodik s tvari koja omogućuje nastavak procesa izomerizacije ugljikovodika. Aktivacija se često provodi pomoću metala, a izomerizacija se odvija uz sudjelovanje kiselina.

Specifičnost glavnih katalitičkih reakcija

Sposobnost i djelotvornost katalizatora je također zbog njegovih osnovnih svojstava. Izvanredan primjer je natrijev hidroksid, koji se upotrebljava tijekom hidrolize masti za izradu sapuna. Ovi tipovi katalizatora također se koriste u proizvodnji pjenastih i poliuretanskih ploča. Uretan se dobiva tijekom interakcije alkohola i izocijanata. Ubrzanje reakcije se događa kada se izloži specifičnom bazičnom aminu. Baza je vezana na ugljikov atom sadržan u molekuli izocijanata. Kao rezultat, atom dušika postaje negativno nabijen. To dovodi do povećane aktivnosti u odnosu na alkohol.

Stereospecifična polimerizacija

Otkriće polimerizacije olefina s naknadnom proizvodnjom stereoregularnih polimernih tvari od velike je povijesne važnosti u povijesti proučavanja katalize. Otkriće katalizatora karakteriziranih stereospecifičnom polimerizacijom pripada K. Ziegleru. Zieglerov rad na proizvodnji polimera zainteresirao je J. Nattu, koji je sugerirao da jedinstvenost polimera treba odrediti njegovom stereoregularnošću. Veliki broj eksperimenata koji su uključivali difrakcijske rendgenske zrake pokazali su da je polimer dobiven iz propilena pod utjecajem Zieglerovog katalizatora vrlo kristaliničan. Učinak akcije je stereoregularan.

Reakcije ovog tipa odvijaju se u ravnini krutog katalizatora koji sadrži prijelazne metale kao što su Ti, Cr, V, Zr. Moraju biti u nepotpunoj oksidaciji. Jednadžba katalitičke reakcije između interakcije TiCl4 i Al (C2H5) ₃ , tijekom kojih se formira talog, služi kao živ primjer. Ovdje je titan vraćen u stanje koje odgovara 3-u. Ovaj tip aktivnog sustava omogućuje polimerizaciju propilena u normalnim uvjetima temperature i tlaka.

Oksidacija u katalitičkoj reakciji

Reakcije katalitičke oksidacije široko se primjenjuju kod ljudi, zbog sposobnosti određenih tvari da reguliraju brzinu same reakcije. Neki slučajevi zahtijevaju potpunu oksidaciju, primjerice neutralizaciju CO i onečišćenje koje sadrži ugljikovodike. Međutim, velika većina reakcija zahtijeva nepotpunu oksidaciju. To je potrebno za industrijsku proizvodnju vrijednih, ali međuproizvoda, koji mogu sadržavati određenu i važnu intermedijarnu skupinu: COOH, CN, CHO, C-CO. Istodobno, osoba koristi i heterogene i monogene tipove katalizatora.

Među svim tvarima koje mogu ubrzati tijek kemijskih reakcija važno mjesto zauzimaju oksidi. Uglavnom u čvrstom stanju. Tijek oksidacije podijeljen je u 2 stupnja. U prvom stupnju, kisikov oksid je uhvaćen od strane molekule ugljikovodika adsorbiranog oksida. Kao rezultat, oksid se reducira i ugljikovodik se oksidira. Obnovljeni oksid stupa u interakciju s O2 i vraća se u svoje izvorno stanje.