Kaj je katalitična reakcija? Osnovna načela in vrste

Večina procesov, na katerih temelji kemična tehnologija, so katalitične reakcije. To je posledica dejstva, da se ob uvedbi katalizatorja stopnja interakcije snovi bistveno poveča. Hkrati proizvajalci lahko v istem časovnem obdobju zmanjšajo stroške ali prejmejo več reakcijskih produktov. Zato pri študiju katalize veliko pozornosti namenimo tehnologom za usposabljanje. Vendar pa ta pojav igra pomembno vlogo v naravi. Torej, posebne snovi uravnavajo potek biokemičnih reakcij v živih organizmih in s tem vplivajo na presnovo.

Koncept katalize

Bistvo tega kemijskega pojava je regulacija hitrosti preobrazbe snovi s posebnimi reagenti, ki lahko upočasnijo ali pospešijo ta proces. V tem primeru govorijo o pozitivni ali negativni katalizi. Obstaja tudi pojav avtokatalize, ko na stopnjo reakcije vpliva en vmesni produkt kemijske reakcije. Katalitični procesi so raznoliki, se razlikujejo po mehanizmih, agregatnem stanju spojin in smeri.

Snovi, ki upočasnjujejo kemične interakcije, imenujemo inhibitorje, pospeševalne katalitične reakcije pa imenujemo katalizatorje. Obe in drugi spremenita hitrost reakcije z več vmesnimi interakcijami z enim ali več udeleženci. Hkrati niso vključeni v sestavo izdelkov in se ob koncu cikla pretvorbe snovi obnovijo. Zato udeležba katalizatorja ni stehiometrično odsevana v reakcijski enačbi, temveč le kot pogoj za interakcijo s snovmi.

Vrste katalitskih reakcij

Glede na agregatno stanje snovi, ki sodelujejo v kemični reakciji, razlikujemo:

• homogene reakcije - reaktanti, produkti in katalizatorji so v istem agregatnem stanju (faza), medtem ko so molekule snovi enakomerno porazdeljene po celotni prostornini;
• vmesne katalitične reakcije - se pojavijo na vmesniku tekočin, ki se ne mešajo, in vloga katalizatorja se zmanjša na prenos reagentov skozi njo;
• heterogene katalitske reakcije - v njih ima katalizator agregatno stanje, ki se razlikuje od reagentov, in se sam izvaja na faznem vmesniku;
• heterogeno homogene reakcije - se začnejo na vmesniku z katalizatorjem, vendar nadaljujemo v reakcijskem volumnu;
• mikroheterogene reakcije - majhni delci trdnega katalizatorja tvorijo micele v celotnem volumnu tekoče faze.

Obstaja tudi kataliza oksidacijsko redukcijo, ki jo spremlja sprememba oksidacijskega stanja katalizatorja, ko se reagira z reagenti. Takšne transformacije imenujemo reakcije katalitične oksidacije in redukcije. Najpogostejši pri kemični proizvodnji je oksidacija žveplovega dioksida v trioksid pri proizvodnji žveplove kisline.

Vrste katalizatorjev

V agregatnem stanju so katalizatorji tekoči (H₂Tako₄, H₃RO₄), trdno (Pt, V₂O podjetju₅, Al₂O podjetju₃) in plinasto (BF₃).

Po vrsti snovi se katalizatorji razvrstijo v:

• kovine - lahko so čiste, zlitine, cele ali prevlečene na poroznem substratu (Fe, Pt, Ni, Cu);
• spojine kovin tipa M_mE_n - Najpogostejši oksidi MgO, Al₂O podjetju₃, MO₃ in drugi;
• kisline in baze - se uporabljajo za kislinske bazične katalitske reakcije, to so lahko Lewisove kisline, Bronsted kisline itd .;
• kovinski kompleksi - ta skupina vključuje tudi soli prehodnih kovin, na primer PdCl₂, Ni (CO)₄;
• Encimi (so encimi) - biokatalizatorji, pospeševalni reakciji, ki se pojavljajo v živih organizmih.

Glede na specifike elektronske strukture so d-katalizatorji, ki imajo d-elektrone in d-orbitale, kot tudi s, p-katalizatorje, katerih središče je element s valenco s in p-elektroni.

Lastnosti katalizatorjev

Za učinkovito uporabo se z njimi uporablja precej obširen seznam zahtev, ki se razlikujejo za določen postopek. Najpomembnejše pa sta naslednji dve lastnosti katalizatorjev:

• Posebnost sestoji iz sposobnosti katalizatorjev, da vplivajo le na eno reakcijo ali na vrsto podobnih transformacij in ne vplivajo na hitrost drugih. Tako se platina najpogosteje uporablja pri reakcijah organskega hidrogeniranja.
• Za selektivnost je značilna sposobnost pospešiti eno od možnih vzporednih reakcij, s čimer se poveča donos najpomembnejšega proizvoda.

Stopnja katalitične reakcije

Razlog za pospešitev medsebojnega delovanja snovi je nastanek aktivnega kompleksa s katalizatorjem, kar vodi k zmanjšanju energije aktiviranja.

Glede na osnovni postulat kemične kinetike je hitrost kakršne koli kemične reakcije neposredno sorazmerna produktu koncentracij začetnih snovi, ki jih vzamemo v stopinjah, ki ustrezajo njihovim stehiometričnim koeficientom:

v = k ∙ C_A^x ∙ C_{V Ljubljani}^na ∙ C_D^z,

kjer je k konstanta hitrosti kemijske reakcije, ki je številčno enaka hitrosti iste reakcije, pod pogojem, da so koncentracije izhodnih spojin 1 mol / l.

Glede na enačbo Arrhenius je k odvisna od energije aktivacije:

k = A ∙ exp ^ (- E_A / RT).

Te pravilnosti veljajo tudi za katalitske reakcije. To potrjuje tudi enačba za razmerje med konstantami hitrosti:

k_K / k = A_Da/ A ∙ exp ^ ((E_A-E_AK) / RT),

kjer se spremenljivke z indeksom K nanašajo na katalitske reakcije.

Faze katalitskih reakcij

Za homogene katalitske reakcije zadostujejo dve osnovni stopnji:

1. Oblikovanje aktiviranega kompleksa: A + K -> AK.
2. Interakcija aktiviranega kompleksa z drugimi izhodnimi materiali: AK + B -> C + K.

V splošnem je zapisana enačba oblike A + B -> C.

Mehanizem heterogenih katalitskih reakcij je zapleten. Obstajajo naslednjih šest stopenj:

1. Uvedba izhodnih spojin na površino katalizatorja.
2. Adsorpcija začetnih reagentov s površino katalizatorja in tvorba vmesnega kompleksa: A + B + K -> AVK.
3. Aktiviranje nastalega kompleksa: Alpha-VC -> Alfa-VC^*.
4. Razkroj kompleksne spojine s produkti, ki jih adsorbira katalizator: Alfa-VC^* -> CDK.
5. Desorpcija dobljenih proizvodov s površino katalizatorja: CDK -> C + D + K.
6. Umik proizvodov iz katalizatorja.

Primeri katalitskih reakcij

Katalizatorji se ne uporabljajo le v kemični industriji. Vsaka oseba v vsakdanjem življenju se sooča z različnimi katalitičnimi reakcijami. To, na primer, je uporaba vodikovega peroksida pri zdravljenju ran. Vodikov peroksid se pri interakciji s krvjo začenja razgraditi pod vplivom encimska katalaza:

2H₂O podjetju₂ -> O₂ + 2H₂O.

V sodobnih avtomobilih je izpušni sistem opremljen s posebnimi katalitskimi komorami, ki spodbujajo razpad škodljivih plinastih snovi. Platina ali rodij na primer pomaga zmanjšati onesnaženost okolja z dušikovimi oksidi, ki se uničijo z nastankom neškodljivega O₂ in N₂.

Nekatere zobne paste vsebujejo encime, ki sproži razgradnjo plošče in ostankov hrane.