pengantar

1. Ketentuan umum dan keteraturan katalisis

2. Katalisis homogen

3. Katalisis asam dan basa

4. Reaksi katalitik homogen yang dikatalisis oleh senyawa kompleks

5. Katalisis enzimatik

6. Katalisis heterogen

Kesimpulan

Daftar sumber yang digunakan

pengantar

Katalisis adalah fenomena perubahan laju reaksi dengan adanya katalis. Reaksi yang melibatkan katalis disebut katalitik. Zat yang meningkatkan laju reaksi kimia, sementara tetap tidak berubah sebagai akibat dari reaksi keseluruhan, disebut katalis.

Ada banyak jenis katalis dan banyak mekanisme aksi yang berbeda. Katalis melewati siklus di mana ia pertama kali terikat, kemudian diregenerasi, diikat lagi, dan seterusnya berkali-kali. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung dengan cara yang berbeda, dan pada laju yang lebih cepat daripada tanpa katalis. Kecepatan dapat ditingkatkan dengan menurunkan energi aktivasi, meningkatkan faktor pra-eksponensial, atau keduanya.

Katalis secara simultan mempercepat reaksi maju dan reaksi balik, sehingga konstanta kesetimbangan reaksi keseluruhan tetap tidak berubah. Jika tidak demikian, maka adalah mungkin untuk membangun mesin gerak abadi menggunakan katalis untuk meregenerasi materi.

1. Ketentuan umum dan keteraturan katalisis

Katalis dibagi menjadi homogen dan heterogen. Katalis homogen berada dalam fase yang sama dengan reaktan, katalis heterogen membentuk fase independen yang dipisahkan oleh antarmuka dari fase di mana reaktan berada. Katalis homogen yang khas adalah asam dan basa. Logam, oksida dan sulfidanya digunakan sebagai katalis heterogen.

Reaksi dari jenis yang sama dapat berlangsung dengan katalis homogen dan heterogen. Jadi, bersama dengan larutan asam, padatan Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , aluminosilikat, dan zeolit ​​dengan sifat asam digunakan. Katalis heterogen dengan sifat dasar : CaO, BaO, MgO.

Katalis heterogen, sebagai suatu peraturan, memiliki permukaan yang sangat berkembang, yang didistribusikan pada pembawa inert (gel silika, alumina, karbon aktif, dll.).

Untuk setiap jenis reaksi, hanya katalis tertentu yang efektif. Selain asam-basa yang telah disebutkan, ada katalis oksidasi-reduksi; mereka dicirikan oleh adanya logam transisi atau senyawanya (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). Dalam hal ini, katalisis dilakukan dengan mengubah keadaan oksidasi logam transisi.

Banyak reaksi yang dilakukan dengan bantuan katalis yang bekerja melalui koordinasi reaktan pada atom atau ion logam transisi (Ti, Rh, Ni). Katalisis semacam itu disebut katalisis koordinasi.

Jika katalis memiliki sifat kiral, maka produk yang aktif secara optik diperoleh dari substrat yang tidak aktif secara optik.

Dalam ilmu pengetahuan dan teknologi modern, sistem beberapa katalis sering digunakan, yang masing-masing mempercepat tahapan reaksi yang berbeda. Katalis juga dapat meningkatkan kecepatan salah satu tahapan siklus katalitik yang dilakukan oleh katalis lain. Di sinilah "katalisis katalisis" atau katalisis tingkat kedua berlangsung.

Enzim memainkan peran katalis dalam reaksi biokimia.

Katalis harus dibedakan dari inisiator. Misalnya, peroksida terurai menjadi radikal bebas yang dapat memulai reaksi berantai radikal. Inisiator dikonsumsi selama reaksi, sehingga tidak dapat dianggap sebagai katalis.

Inhibitor kadang-kadang keliru dianggap sebagai katalis negatif. Tetapi inhibitor, seperti reaksi berantai radikal, bereaksi dengan radikal bebas dan, tidak seperti katalis, tidak terawetkan. Inhibitor lain (racun katalitik) mengikat katalis dan menonaktifkannya, yang merupakan penekanan katalisis daripada katalisis negatif. Katalisis negatif pada prinsipnya tidak mungkin: itu akan memberikan jalur yang lebih lambat untuk reaksi, tetapi reaksi, tentu saja, akan berjalan lebih cepat, dalam hal ini, tidak dikatalisis, jalur.

Katalis dapat menjadi salah satu produk reaksi. Dalam hal ini, reaksinya disebut autocatalytic, dan fenomena itu sendiri disebut autocatalysis. Misalnya, selama oksidasi Fe 2+ dengan Mn0 4

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ \u003d 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0

ion Mn 2+ yang dihasilkan mengkatalisis jalannya reaksi.

Reaksi katalitik sangat umum di alam. Yang paling mengejutkan adalah reaksi dengan enzim, yang mengkatalisis banyak reaksi dalam organisme hidup. Katalis banyak digunakan dalam industri. Produksi asam nitrat dan sulfat, amonia, produksi karet sintetis, dll. tidak mungkin tanpa reaksi katalitik. Katalis digunakan dalam produksi bahan obat: phenacetin, guaiacol, turunan halogen dari senyawa aromatik, dll. Mn(IV), Ni, Co, Fe, AlC1 3 , TeC1 3 oksida digunakan sebagai katalis.

Ada katalisis homogen dan heterogen, tetapi untuk salah satu dari mereka, keteraturan utamanya adalah sebagai berikut:

1. Katalis berperan aktif dalam aksi dasar reaksi, membentuk senyawa antara dengan salah satu partisipan dalam reaksi, atau kompleks teraktivasi dengan semua reaktan. Setelah setiap tindakan dasar, ia diregenerasi dan dapat berinteraksi dengan molekul baru dari zat yang bereaksi.

2. Laju reaksi katalitik sebanding dengan jumlah katalis.

3. Katalis memiliki selektivitas aksi. Itu dapat mengubah laju satu reaksi dan tidak mempengaruhi laju reaksi lainnya.

4. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung dengan cara yang berbeda, dan pada laju yang lebih cepat daripada tanpa katalis.

Kecepatan dapat ditingkatkan dengan menurunkan energi aktivasi, meningkatkan faktor pra-eksponensial, atau keduanya. Misalnya, dekomposisi termal asetaldehida CH 3 CHO CH 4 + CO dikatalisis oleh uap yodium, yang menyebabkan penurunan energi aktivasi sebesar ~55 kJ/mol. Penurunan ini menyebabkan kenaikan konstanta laju dengan faktor sekitar 10.000.

5. Katalis tidak mempengaruhi posisi kesetimbangan termodinamika. Ini sama-sama mengubah laju reaksi maju dan mundur.

6. Ketika zat tertentu, yang disebut promotor, ditambahkan, aktivitas katalis meningkat; penambahan inhibitor menurunkan laju reaksi.

2. Katalisis homogen

Dalam katalisis homogen, katalis adalah molekul atau ion dalam larutan homogen. Dalam kasus katalisis homogen, katalis dan semua reaktan membentuk satu fasa yang sama.

Asumsi utama teori katalisis homogen adalah gagasan bahwa selama reaksi, senyawa antara yang tidak stabil dari katalis dengan reaktan terbentuk, yang kemudian terurai dengan regenerasi katalis:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Laju reaksi ini

v=k nc Ac Bc K

sebanding dengan konsentrasi katalis, dan konstanta laju mengikuti persamaan Arrhenius. Reaksi ini dapat berlangsung dalam dua tahap:

katalisis asam homogen enzimatik heterogen

Dalam hal ini, dua kasus dimungkinkan. Pada tahap pertama, laju dekomposisi kompleks menjadi katalis dan produk awal jauh lebih tinggi daripada laju tahap kedua, di mana produk akhir terbentuk. Oleh karena itu, konsentrasi kompleks, yang disebut kompleks Arrhenius dalam jenis katalisis ini, rendah. Dalam kasus kedua, laju dekomposisi kompleks sepadan dengan laju tahap kedua. Konsentrasi kompleks antara adalah signifikan dan stasioner. Kompleks jenis ini disebut kompleks van't Hoff.

Kasus kedua, karena lebih khas, akan dipertimbangkan secara lebih rinci. Karena senyawa antara AA berada dalam kesetimbangan dengan bahan awal, laju reaksi langsung (v 1) dan reaksi balik (v 2) (1) harus sama. Mengkompilasi persamaan kinetik untuk mereka, kami memperoleh:

di mana (dengan ke"-- dengan AK") adalah konsentrasi katalis yang tidak bereaksi; dengan TETAPI,dengan AK"-- konsentrasi kesetimbangan zat A dan senyawa antara AA, masing-masing.

Dari (2) kami menemukan konsentrasi senyawa antara:

Tingkat keseluruhan dari seluruh proses (v) ditentukan oleh tingkat tahap paling lambat, dalam hal ini yang kedua. Kemudian

Mengganti dalam (4) konsentrasi senyawa antara (3), kita memperoleh:

Persamaan (5) menunjukkan kemungkinan adanya dua rezim pembatas:

Dalam kedua kasus, laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi katalis, tetapi orde reaksi untuk bahan awal berbeda. Dalam kasus pertama, itu sama dengan dua, dan yang kedua - satu. Di luar rezim pembatas, orde reaksi akan menjadi pecahan.

Contoh katalisis homogen adalah reaksi dekomposisi termal asetaldehida CH 3 CH 4 + CO, dikatalisis oleh uap yodium. Dengan tidak adanya uap yodium E sebuah=191,0 kJ/mol, dengan adanya mereka E sebuah= 136,0 kJ/mol. Konstanta laju meningkat dengan faktor 10.000. Ini karena reaksi berlangsung dalam dua tahap:

CH 3 ANAK + I 2 \u003d CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI \u003d CH 4 + I 2

Energi aktivasi setiap langkah lebih kecil dari energi aktivasi reaksi non-katalitik.

Katalisis homogen mencakup banyak reaksi asam-basa, reaksi kompleksasi, reaksi redoks, banyak hidrogenasi, reaksi sulfasi, dll.

3. Katalisis asam dan basa

Asam dan basa dalam banyak reaksi bertindak sebagai katalis, yaitu, berpartisipasi dalam reaksi, mereka sendiri tidak dikonsumsi (reaksi hidrolisis, alkilasi, esterifikasi, dll. Ada tiga jenis katalisis asam-basa:

1) katalisis asam (basa) spesifik, di mana ion H + atau OH masing-masing berfungsi sebagai katalis;

2) katalisis total asam (basa), yang dilakukan oleh donor proton (akseptor);

3) katalisis elektrofilik (nukleofilik) yang dilakukan oleh asam dan basa Lewis.

Konstanta laju orde pertama k untuk reaksi dalam larutan buffer dapat berupa fungsi linier dari [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], yaitu:

k \u003d k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH -] + k 3 [ON] + k 4 [A -]

Dalam ekspresi ini k 0 -- konstanta laju orde pertama tanpa adanya semua ion katalitik: [H + ], [OH - ], [NA], [A - ], a k t -- koefisien katalitik.

Jika hanya istilah k 1 [H + ] yang memainkan peran penting, maka mereka mengatakan bahwa reaksi memanifestasikan dirinya dalam katalisis spesifik oleh ion hidrogen. Jika anggota mendominasi k 3 [HA], reaksi dikatakan tunduk pada katalisis asam umum. Jika anggota mendominasi k 4 [A - ], maka reaksi dikatakan tunduk pada aksi katalisis basa umum.

Untuk katalisis asam-basa spesifik ketika laju reaksi non-katalitik rendah (k 0 = 0) dapat direpresentasikan dalam bentuk logaritma:

Untuk larutan asam:

Untuk larutan alkali:

Persamaan menunjukkan bahwa, dalam kasus katalisis asam-basa spesifik, logaritma dari konstanta laju tergantung secara linier pada pH medium.

Mekanisme aksi katalitik ion hidrogen adalah bahwa senyawa antara proton dan molekul zat asli terbentuk. Karena proses ini, ikatan kimia yang ada dalam zat awal dilonggarkan, energi aktivasi berkurang, dan kemudian bentuk BH + terprotonasi terurai menjadi produk reaksi dan katalis.

4. Reaksi katalitik homogen yang dikatalisis oleh senyawa kompleks

Reaksi reduksi, hidrogenasi, oksidasi, isomerisasi, polimerisasi dalam kondisi industri dilakukan dengan adanya katalis - senyawa kompleks (ion logam golongan VIII dari tabel periodik Fe, Co, Ni, Ru, serta Cu, Fg , Hg, Cr, Mn). Inti dari tindakan katalitik terletak pada kenyataan bahwa ion logam bertindak sebagai donor atau akseptor elektron. Interaksi kimia antara molekul yang bereaksi terkoordinasi di sekitar ion logam pusat difasilitasi oleh polarisasi molekul dan penurunan energi ikatan individu. Ion logam pusat adalah jembatan yang memfasilitasi transisi elektronik antara molekul yang bereaksi.

Aktivitas katalitik ion logam tergantung pada energi ikat ion dengan peserta dalam reaksi. Jika energi ikat tinggi atau rendah, ion logam menunjukkan aktivitas katalitik yang lemah. Dalam kasus pertama, ion logam terikat sangat kuat pada molekul yang bereaksi sehingga mereka dikeluarkan dari reaksi. Dalam kasus kedua, molekul yang bereaksi tidak dapat menggantikan ligan lain yang ada dalam larutan. Kompleks koordinasi-jenuh diperoleh, yang bukan katalis aktif.

Karena kemungkinan yang luas dalam mengatur komposisi katalis kompleks, menjadi mungkin untuk mensimulasikan sejumlah reaksi yang melibatkan enzim yang mengandung ion unsur golongan VIII.

5. Katalisis enzimatik

Enzim adalah katalis yang paling menakjubkan. Banyak reaksi dalam organisme hidup yang terkait dengan mereka, dan karena itu mereka sering disebut katalis biologis. Katalisis enzimatik adalah fenomena yang lebih kompleks daripada katalisis konvensional. Organisasi yang tinggi dari proses katalisis enzimatik ditentukan oleh kekhasan interaksi dalam organisme hidup, yang terkait dengan kombinasi khusus dari struktur molekul enzim dan substrat, yang disebut reaktan dalam reaksi enzimatik.

Enzim adalah protein, yaitu tersusun atas asam-asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida. Molekul enzim memiliki gugus polar bolak-balik COOH, NH 2 , NH, OH, SH, dll., serta gugus hidrofobik. Struktur primer suatu enzim ditentukan oleh urutan pergantian berbagai asam amino. Sebagai akibat dari gerakan kacau termal, makromolekul enzim membengkok dan menggulung menjadi bola-bola lepas. Interaksi antarmolekul terjadi antara bagian individu dari rantai polipeptida, yang mengarah pada pembentukan ikatan hidrogen. Struktur sekunder enzim muncul dalam bentuk medium longgar. Untuk setiap enzim, struktur sekundernya cukup pasti. Pusat katalitik aktif enzim termasuk kelompok yang mengarahkan molekul substrat pada posisi tertentu. Pusat aktif seperti matriks, yang hanya dapat mencakup molekul dengan struktur tertentu. Mekanisme katalisis enzimatik terdiri dari interaksi situs aktif enzim dengan substrat untuk membentuk kompleks enzim-substrat, yang kemudian mengalami beberapa transformasi, yang menghasilkan produk reaksi. Setiap langkah antara ditandai dengan energi aktivasi yang lebih rendah, yang berkontribusi pada kemajuan cepat reaksi. Ini menjelaskan aktivitas enzim yang tinggi.

Enzim dibagi menjadi beberapa kelas tergantung pada jenis reaksi yang dikatalisisnya: oksidoreduktase (mengkatalisis reaksi redoks), transferase (mengkatalisis pemindahan gugus kimia dari satu senyawa ke senyawa lain), hidrolase (mengkatalisis reaksi hidrolisis), liase (memecah berbagai ikatan) , isomerase (melakukan transformasi isomer), ligase (mengkatalisis reaksi sintesis). Seperti dapat dilihat, enzim berbeda dalam spesifisitas dan selektivitas. Beberapa mengkatalisis seluruh kelas reaksi dari jenis tertentu, beberapa mengkatalisis hanya satu reaksi.

Banyak enzim mengandung ion logam (metal enzyme). Dalam metaloenzim, ion logam membentuk kompleks kelat yang menyediakan struktur aktif enzim. Logam dengan tingkat oksidasi variabel (Fe, Mn, Cu) berpartisipasi dalam reaksi redoks, melakukan transfer elektron ke zat pengoksidasi. Beberapa lusinan senyawa organik diketahui melakukan fungsi hidrogen dan transfer elektron. Mereka mengandung turunan vitamin.

Ion logam berat (Ag + , Hg + , Pb 2+) dapat memblokir gugus aktif enzim.

Untuk menilai aksi berbagai enzim, konsep aktivitas molekuler diperkenalkan, yang ditentukan oleh jumlah molekul substrat yang diubah di bawah aksi satu molekul enzim per menit. Yang paling aktif dari enzim yang diketahui adalah karbonat anhidrase, yang aktivitas molekulnya ~36 juta molekul per menit.

Laju reaksi yang dikatalisis oleh enzim berbanding lurus dengan konsentrasi enzim. Pada konsentrasi substrat yang rendah, reaksi adalah orde pertama terhadap substrat. Pada konsentrasi tinggi, laju reaksi tetap konstan dan orde reaksi menjadi nol (enzim benar-benar jenuh dengan substrat). Laju reaksi tergantung pada suhu dan keasaman medium.

Katalisis enzimatik memainkan peran besar dalam semua manifestasi kehidupan, di mana kita berbicara tentang makhluk hidup. Untuk meningkatkan aktivitas vital tubuh dan meningkatkan metabolisme, telah banyak dibuat sediaan enzim yang digunakan sebagai obat. Sediaan enzim banyak digunakan untuk pelanggaran fungsi saluran pencernaan yang terkait dengan produksi enzim pencernaan yang tidak mencukupi. Jadi, dalam beberapa bentuk gastritis, persiapan pepsin atau pankreatin digunakan. Enzim juga berhasil digunakan dalam kasus di mana perlu untuk menghancurkan sejumlah besar formasi protein (untuk luka bakar, luka bernanah, penyakit radang bernanah pada paru-paru, dll.). Dalam kasus ini, enzim protolitik digunakan, yang mengarah pada hidrolisis protein yang cepat dan memfasilitasi resorpsi akumulasi purulen. Untuk pengobatan sejumlah penyakit menular, preparat lisozim digunakan, yang menghancurkan membran beberapa bakteri patogen. Enzim yang melarutkan bekuan darah (bekuan darah di dalam pembuluh darah) sangat penting. Ini adalah plasmin yang ditemukan dalam darah; enzim pankreas - tripsin dan kimotripsin. Atas dasar mereka, dengan berbagai aditif, sediaan enzim obat telah dibuat - streptokinase, streptase, dan lainnya yang digunakan dalam pengobatan.

6. Katalisis heterogen

Katalisis heterogen dilakukan pada antarmuka. Reaksi katalitik heterogen pertama yang diamati dilakukan oleh Priestley (1778) dehidrasi etil alkohol pada tanah liat aktif:

C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O

Pada paruh pertama abad ke-19, sejumlah besar karya dikhususkan untuk katalisis heterogen. Banyak karya telah dikhususkan untuk penjelasan teoretis tentang aksi katalitik padatan. Di masa depan, pengembangan doktrin berjalan baik di sepanjang jalur pengumpulan data eksperimen, mengembangkan metode untuk menyiapkan katalis, menemukan dan mempelajari proses katalitik baru, memperkenalkan katalisis ke dalam industri kimia, dan di sepanjang jalur pengembangan teori katalisis heterogen. . Namun, keberhasilan para ahli teori jauh lebih sederhana daripada keberhasilan para peneliti. Dan ini bukan kebetulan.

Meskipun tidak ada perbedaan mendasar antara proses katalitik dan non-katalitik, keduanya mematuhi hukum kinetika kimia, dalam kedua kasus sistem zat yang bereaksi melewati beberapa keadaan aktif khusus, fitur spesifik diamati dalam reaksi katalitik heterogen. Pertama-tama, benda padat muncul, pada sifat-sifat yang pada dasarnya bergantung pada semua fenomena secara keseluruhan. Oleh karena itu, bukan kebetulan bahwa kemajuan dalam teori katalisis heterogen terkait erat dengan perkembangan teori zat padat. Karena proses berlangsung di permukaan, pengetahuan tentang struktur permukaan katalis sangat menentukan untuk pengembangan teori katalisis. Dari sini berikut hubungan erat antara pengembangan teori katalisis dan pengembangan studi eksperimental dan teoritis fenomena adsorpsi. Kompleksitas proses heterogen dan kekhususan yang melekat pada mereka menyebabkan fakta bahwa penelitian teoretis di bidang ini belum selesai. Sejauh ini, kita dapat berbicara tentang keberadaan beberapa konsep teoretis yang, dalam pendekatan pertama, menggeneralisasi fakta eksperimental tertentu.

Dalam praktiknya, dua jenis katalisis heterogen paling sering ditemui:

1) proses, yang katalisnya dalam fase padat, dan reaktannya dalam fase cair;

2) proses, katalis yang berada dalam fase padat, dan reaktan dalam fase gas. Reaksi, sebagai suatu peraturan, terjadi (dan dalam beberapa proses multitahap dimulai) pada batas fase, yaitu. pada permukaan benda padat - katalis.

Proses heterogen dapat dibagi menjadi lima tahap:

1) pengangkutan reaktan ke permukaan katalis (difusi);

2) adsorpsi reaktan pada permukaan katalis;

3) reaksi di permukaan;

4) desorpsi produk reaksi dengan pelepasan permukaan katalis;

5) pengangkutan produk reaksi ke dalam volume (difusi).

Tergantung pada kondisi proses dan karakteristiknya, salah satu dari lima tahap dapat menjadi yang paling lambat, dan, akibatnya, laju proses katalitik dapat dibatasi oleh salah satu dari mereka. Untuk penilaian komparatif aktivitas katalis, faktor penentunya adalah laju reaksi di permukaan. Oleh karena itu, dalam kasus di mana penting untuk memperoleh nilai aktivitas katalis, mereka mencoba melakukan proses sedemikian rupa sehingga laju ditentukan oleh tahap kedua, yang disebut tahap kinetik.

Adsorpsi dan desorpsi memiliki hukumnya masing-masing.Adsorpsi adalah proses perubahan spontan konsentrasi suatu zat pada antarmuka. Zat yang terjadi adsorpsi permukaannya disebut penyerap. Penyerap disebut adsorbat. Dalam katalisis heterogen, adsorben adalah katalis, dan adsorbat adalah molekul reaktan (substrat). Adsorpsi substrat pada katalis dapat dilakukan karena adanya gaya interaksi yang timbul antara molekul (atom) katalis yang terletak dipermukaan dengan molekul substrat (adsorpsi fisik). Interaksi kimia (adsorpsi kimia atau kemisorpsi) dapat terjadi antara molekul (atom) katalis dan molekul reaktan. Akibat adsorpsi, urutan sistem meningkat, energi sistem berkurang, dan energi aktivasi reaksi berkurang.

Untuk proses heterogen, pergerakan suatu zat dari volume internal cairan atau gas ke permukaan padat sangat penting. Proses perpindahan massa mematuhi hukum difusi.

Kesimpulan

Pentingnya katalis dan proses katalitik dalam penyulingan minyak dan petrokimia tidak dapat ditaksir terlalu tinggi. Bagaimanapun, mereka adalah dasar dari kemajuan teknis di bidang terpenting dalam memenuhi kebutuhan masyarakat manusia modern. Intinya adalah, pertama-tama, minyak dari berbagai ladang biasanya hanya mengandung 5 hingga 20% fraksi titik didih ringan yang sesuai dengan bensin. Kebutuhan bensin dengan perkembangan modern transportasi mobil dan udara sangat besar. Pada saat yang sama, bahan bakar motor yang disuling langsung dari oli biasanya memiliki kualitas yang buruk. Penggunaan perengkahan katalitik dan reformasi dalam kombinasi dengan metode pemrosesan modern lainnya memungkinkan untuk meningkatkan hasil bensin yang sangat aktif hingga 75% dari berat minyak. Bahan bakar motor juga diperoleh dengan hidrogenasi katalitik batubara menggunakan katalis logam.

Pemrosesan katalitik lebih lanjut dari hidrokarbon pada katalis logam dan oksida memungkinkan untuk memperoleh produk antara yang diperlukan dalam produksi barang konsumsi. Kebanyakan monomer dan polimer turunannya adalah produk proses katalitik untuk pemrosesan hidrokarbon dan turunannya yang diperoleh dari minyak, batu bara, serpih, dan gas alam. Proses katalitik memainkan peran penting dalam produksi deterjen, pewarna untuk zat obat.

Sintesis organik utama yang memberikan zat antara (dan produk teknologi organik) terutama didasarkan pada reaksi katalitik. Yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat modern adalah produk-produk industri kimia seperti asam sulfat, amonia, dan asam nitrat. Hampir semua cabang ekonomi nasional mengkonsumsi zat ini atau senyawa kimia lain yang diperoleh dengan bantuan mereka. Atas dasar mereka, puluhan juta ton pupuk mineral diproduksi, yang tanpanya tidak mungkin untuk meningkatkan atau bahkan mempertahankan hasil ladang. Ratusan industri kimia, petrokimia, makanan, cahaya dan industri lainnya menggunakan asam sulfat, asam nitrat, amonia dan turunannya. Senyawa ini juga digunakan dalam industri metalurgi dan pengerjaan logam.

Sementara itu, produksi asam sulfat, amonia, dan asam nitrat dalam skala besar dari amonia menjadi mungkin hanya berkat penemuan katalis yang tepat dan pengembangan metode penggunaannya.

Daftar sumber yang digunakan

1) A.P. Belyaev. kimia fisika dan koloid. M.: GOETAR-Media, 2008

2) I.P. Mukhlenov. Teknologi katalis. M.: Bookinist, 2007

3) Ensiklopedia kimia. -- M.: Ensiklopedia Soviet, 1990.

4) Imyanitov N.S. Sistem beberapa katalis dalam katalisis kompleks logam. // Kimia koordinasi. 1984.

Dokumen serupa

Esensi dan fitur dari proses katalisis kompleks logam. Sifat kompleks logam yang menentukan aktivitas katalitik. Pemodelan katalisis enzimatik. Aplikasi, kelebihan dan kekurangan katalisis kompleks logam.

laporan, ditambahkan 16/03/2015


Teori umum katalisis homogen. Tahapan proses katalisis dan laju reaksi. Kinetika reaksi katalitik disproporsionasi hidrogen peroksida dengan adanya berbagai jumlah katalis Fe2+, pengaruh pH pada laju reaksi.

tes, ditambahkan 18/09/2012


Penentuan laju reaksi kimia. Sejarah penemuan, konsep dan jenis reaksi katalitik. Pendapat tokoh-tokoh kimia terkemuka tentang fenomena katalisis, aspek fisik dan kimianya. Mekanisme katalisis heterogen. Katalisis enzimatik dalam biokimia.

abstrak, ditambahkan 14/11/2010


Konsep katalisis, katalis dan proses katalitik, berbagai definisinya. Mekanisme percepatan reaksi dengan katalis. Katalisis kimia (non-biologis). Sintesis dietil eter dari alkohol dengan partisipasi asam sulfat. Teori katalisis.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Katalis logam, katalis campuran dan polifungsi dari katalisis heterogen. Persyaratan katalis. Teori katalisis heterogen. Multipleks dan teori elektronik. Teori ansambel aktif. Katalisis dalam pemrosesan gas alam.

makalah, ditambahkan 05/06/2014


Pengertian katalisis dan perannya dalam industri. Selektivitas dan gagasan umum tentang konsep "mekanisme reaksi kimia". Klasifikasi sistem katalitik berdasarkan fase dan jenis reaksi. Adsorpsi dan persyaratan dasar untuk katalis industri.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Metode untuk merebus garam arenadiazonium. Analisis keasaman termodinamika fenol. Karakterisasi asilasi fenol, katalisis asam dan asam fenoksiasetat. Fitur reaksi Kolbe-Schmitt, metode untuk memperoleh asam fenoksiasetat.

tes, ditambahkan 28/03/2012


Subjek termokimia, studi tentang efek termal dari reaksi kimia. Jenis proses kinetika kimia dan katalisis. Entalpi (efek termal) reaksi. Laju reaksi, hukum aksi massa. Konstanta kesetimbangan kimia, efek katalis.

presentasi, ditambahkan 19/10/2014


Enzim (enzim) adalah katalis biologis yang digunakan dalam produksi produk asam laktat. Aturan internasional untuk nomenklatur enzim. Enzim hanya dapat berupa protein globular. Tingkat struktur protein. Kinetika katalisis enzimatik.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Konsep katalis biologis, aksi enzim dalam sistem kehidupan dan klasifikasinya. Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas katalis biologis. Zat yang disebut koenzim. Kinetika katalisis enzimatik, persamaan Michaelis-Menten.

S.I. LEVCHENKOV

KIMIA FISIKA DAN KOLOID

Abstrak kuliah untuk mahasiswa Fakultas Biologi Universitas Federal Selatan (RSU)

2.3 PROSES KATALITIK

Laju reaksi kimia pada suhu tertentu ditentukan oleh laju pembentukan kompleks teraktivasi, yang bergantung pada nilai energi aktivasi. Dalam banyak reaksi kimia, struktur kompleks teraktivasi dapat mencakup zat yang secara stoikiometri bukan reaktan; Jelas, dalam hal ini, nilai energi aktivasi proses juga berubah. Dalam kasus adanya beberapa keadaan transisi, reaksi akan berlangsung terutama di sepanjang jalur dengan penghalang aktivasi terendah.

Katalisis adalah fenomena perubahan laju reaksi kimia dengan adanya zat yang keadaan dan kuantitasnya tetap tidak berubah setelah reaksi.

Membedakan positif dan negatif katalisis (masing-masing, peningkatan dan penurunan laju reaksi), meskipun seringkali istilah "katalisis" hanya berarti katalisis positif; katalisis negatif disebut inhibisi.

Suatu zat yang merupakan bagian dari struktur kompleks teraktivasi, tetapi secara stoikiometri bukan merupakan reaktan, disebut katalis. Semua katalis dicirikan oleh sifat umum seperti spesifisitas dan selektivitas aksi.

Kekhususan Katalis terletak pada kemampuannya untuk mempercepat hanya satu reaksi atau sekelompok reaksi yang sejenis dan tidak mempengaruhi laju reaksi lainnya. Misalnya, banyak logam transisi (platinum, tembaga, nikel, besi, dll.) merupakan katalis untuk proses hidrogenasi; aluminium oksida mengkatalisis reaksi hidrasi, dll.

Selektivitas katalis - kemampuan untuk mempercepat salah satu reaksi paralel yang mungkin terjadi dalam kondisi tertentu. Karena itu, dimungkinkan, dengan menggunakan katalis yang berbeda, untuk mendapatkan produk yang berbeda dari bahan awal yang sama:

: CO + H2 ––> CH3OH	: C 2 H 5 OH --> C 2 H 4 + H 2 O
: CO + H 2 --> CH 4 + H 2 O	: C 2 H 5 OH --> CH 3 CHO + H 2

Alasan peningkatan laju reaksi dengan katalisis positif adalah penurunan energi aktivasi ketika reaksi berlangsung melalui kompleks teraktivasi dengan partisipasi katalis (Gbr. 2.8).

Karena, menurut persamaan Arrhenius, konstanta laju reaksi kimia bergantung secara eksponensial pada energi aktivasi, penurunan energi aktivasi menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam konstanta laju. Memang, jika kita mengasumsikan bahwa faktor pra-eksponensial dalam persamaan Arrhenius (II.32) untuk reaksi katalitik dan non-katalitik adalah dekat, maka untuk rasio konstanta laju kita dapat menulis:

Jika E A = –50 kJ/mol, maka rasio konstanta laju akan menjadi 2,7·10 6 kali (memang, dalam praktiknya, penurunan E A seperti itu meningkatkan laju reaksi sekitar 105 kali).

Perlu dicatat bahwa keberadaan katalis tidak mempengaruhi besarnya perubahan potensial termodinamika sebagai akibat dari proses dan, oleh karena itu, tidak ada katalis yang dapat membuat proses yang tidak mungkin secara termodinamika menjadi spontan (dari proses yang G (ΔF) lebih besar dari nol). Katalis tidak mengubah nilai konstanta kesetimbangan untuk reaksi reversibel; efek katalis dalam hal ini hanya terdiri dari percepatan pencapaian keadaan setimbang.

Tergantung pada keadaan fase reaktan dan katalis, katalisis homogen dan heterogen dibedakan.

Beras. 2.8 Diagram energi reaksi kimia tanpa katalis (1)
dan dengan adanya katalis (2).

2.3.1 Katalisis homogen.

Katalisis homogen adalah reaksi katalitik di mana reaktan dan katalis berada dalam fase yang sama. Dalam kasus proses katalitik homogen, katalis membentuk produk reaktif antara dengan reagen. Pertimbangkan beberapa reaksi

A + B ––> C

Dengan adanya katalis, dua langkah cepat dilakukan, menghasilkan pembentukan partikel senyawa antara AA dan kemudian (melalui kompleks teraktivasi AVK #) produk reaksi akhir dengan regenerasi katalis:

A + K ––> AK

AK + V --> C + K

Contoh dari proses tersebut adalah penguraian asetaldehida, yang energi aktivasinya adalah E A = 190 kJ/mol:

CH 3 CHO --> CH 4 + CO

Dengan adanya uap yodium, proses ini berlangsung dalam dua tahap:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI --> CH 4 + I 2

Penurunan energi aktivasi reaksi ini dengan adanya katalis adalah 54 kJ/mol; dalam hal ini, konstanta laju reaksi meningkat kira-kira dengan faktor 105. Jenis katalisis homogen yang paling umum adalah katalisis asam, di mana ion hidrogen H + bertindak sebagai katalis.

2.3.2 Autokatalisis.

Autokatalisis- proses percepatan katalitik reaksi kimia oleh salah satu produknya. Contohnya adalah hidrolisis ester yang dikatalisis oleh ion hidrogen. Asam yang terbentuk selama hidrolisis berdisosiasi dengan pembentukan proton, yang mempercepat reaksi hidrolisis. Ciri reaksi autokatalitik adalah bahwa reaksi ini berlangsung dengan peningkatan konstan dalam konsentrasi katalis. Oleh karena itu, pada periode awal reaksi, lajunya meningkat, dan pada tahap selanjutnya, sebagai akibat dari penurunan konsentrasi reagen, laju mulai menurun; kurva kinetik dari produk reaksi autokatalitik memiliki karakteristik berbentuk S (Gbr. 2.9).

Beras. 2.9 Kurva kinetik produk reaksi autokatalitik

2.3.3 Katalisis heterogen.

katalisis heterogen - reaksi katalitik yang terjadi pada antarmuka antara fase yang dibentuk oleh katalis dan reaktan. Mekanisme proses katalitik heterogen jauh lebih rumit daripada dalam kasus katalisis homogen. Dalam setiap reaksi katalitik heterogen, setidaknya enam tahap dapat dibedakan:

1. Difusi bahan awal ke permukaan katalis.

2. Adsorpsi bahan awal pada permukaan dengan pembentukan beberapa senyawa antara:

A + B + K --> AVK

3. Aktivasi keadaan teradsorpsi (energi yang dibutuhkan untuk ini adalah energi aktivasi sebenarnya dari proses):

AVK ––> AVK#

4. Dekomposisi kompleks teraktivasi dengan pembentukan produk reaksi teradsorpsi:

ABK# ––> CDK

5. Desorpsi produk reaksi dari permukaan katalis.

DК ––> + D +

6. Difusi produk reaksi dari permukaan katalis.

Fitur khusus dari proses heterokatalitik adalah kemampuan katalis untuk dipromosikan dan diracuni.

Promosi– peningkatan aktivitas katalis dengan adanya zat yang bukan katalis dari proses ini (promotor). Misalnya, untuk reaksi yang dikatalisis oleh logam nikel

CO + H2 --> CH4 + H2O

pengenalan sedikit pengotor serium ke dalam katalis nikel menyebabkan peningkatan tajam dalam aktivitas katalis.

Peracunan- penurunan tajam dalam aktivitas katalis dengan adanya zat tertentu (disebut racun katalitik). Misalnya, untuk reaksi sintesis amonia (katalis - besi spons), adanya senyawa oksigen atau belerang dalam campuran reaksi menyebabkan penurunan tajam aktivitas katalis besi; pada saat yang sama, kemampuan katalis untuk mengadsorbsi zat awal menurun sangat sedikit.

Untuk menjelaskan fitur-fitur proses katalitik heterogen ini, G. Taylor membuat asumsi berikut: tidak seluruh permukaan katalis aktif secara katalitik, tetapi hanya beberapa bagiannya - yang disebut. pusat aktif , yang dapat berupa berbagai cacat pada struktur kristal katalis (misalnya, tonjolan atau lekukan pada permukaan katalis). Saat ini, tidak ada teori terpadu tentang katalisis heterogen. Untuk katalis logam, a teori multiplet . Ketentuan utama dari teori multiplet adalah sebagai berikut:

1. Pusat aktif katalis adalah himpunan sejumlah pusat adsorpsi yang terletak pada permukaan katalis secara geometrik sesuai dengan struktur molekul yang mengalami transformasi.

2. Ketika molekul yang bereaksi diadsorpsi di situs aktif, kompleks multiplet terbentuk, akibatnya ikatan didistribusikan kembali, yang mengarah pada pembentukan produk reaksi.

Teori kelipatan kadang-kadang disebut teori kesamaan geometris antara pusat aktif dan molekul yang bereaksi. Untuk reaksi yang berbeda, jumlah pusat adsorpsi (masing-masing diidentifikasi dengan atom logam) di pusat aktif berbeda - 2, 3, 4, dll. Pusat aktif semacam itu disebut masing-masing doublet, triplet, quadruplet, dll. (dalam kasus umum, sebuah multiplet, yang teori berutang namanya).

Misalnya, menurut teori kelipatan, dehidrogenasi alkohol monohidrat jenuh terjadi pada doublet, dan dehidrogenasi sikloheksana - pada sextet (Gbr. 2.10 - 2.11); Teori multiplet memungkinkan untuk menghubungkan aktivitas katalitik logam dengan jari-jari atomnya.

Beras. 2.10 Dehidrogenasi alkohol pada doublet

Beras. 2.11 Dehidrogenasi sikloheksana pada sextet

2.3.4 Katalisis enzimatik.

Katalisis enzimatik - reaksi katalitik yang terjadi dengan partisipasi enzim - katalis biologis dari sifat protein. Katalisis enzimatik memiliki dua fitur karakteristik:

1. aktivitas tinggi , yang beberapa kali lipat lebih tinggi daripada aktivitas katalis anorganik, yang dijelaskan oleh penurunan yang sangat signifikan dalam energi aktivasi proses oleh enzim. Jadi, konstanta laju reaksi penguraian hidrogen peroksida yang dikatalisis oleh ion Fe 2+ adalah 56 s -1 ; konstanta laju reaksi yang sama yang dikatalisis oleh enzim katalase adalah 3,5·10 7 , yaitu reaksi dengan adanya enzim berlangsung satu juta kali lebih cepat (energi aktivasi proses masing-masing adalah 42 dan 7,1 kJ/mol). Konstanta laju hidrolisis urea dengan adanya asam dan urease berbeda tiga belas kali lipat, sebesar 7,4·10 -7 dan 5·10 6 s -1 (energi aktivasi masing-masing adalah 103 dan 28 kJ/mol).

2. Spesifisitas tinggi . Misalnya, amilase mengkatalisis pemecahan pati, yang merupakan rantai unit glukosa yang identik, tetapi tidak mengkatalisis hidrolisis sukrosa, molekul yang terdiri dari fragmen glukosa dan fruktosa.

Menurut gagasan yang diterima secara umum tentang mekanisme katalisis enzimatik, substrat S dan enzim F berada dalam kesetimbangan dengan kompleks enzim-substrat FS yang terbentuk sangat cepat, yang terurai relatif lambat menjadi produk reaksi P dengan pelepasan enzim bebas; dengan demikian, tahap penguraian kompleks enzim-substrat menjadi produk reaksi adalah penentu laju (limiting).

F+S<––>FS ––> F+P

Studi tentang ketergantungan laju reaksi enzimatik pada konsentrasi substrat pada konsentrasi konstan enzim menunjukkan bahwa dengan peningkatan konsentrasi substrat, laju reaksi pertama meningkat dan kemudian berhenti berubah (Gbr. 1). 2.12) dan ketergantungan laju reaksi pada konsentrasi substrat dijelaskan oleh persamaan berikut:

(II.45)

percepatan reaksi kimia di bawah aksi sejumlah kecil zat (katalis), yang dengan sendirinya tidak berubah selama reaksi. Proses katalitik memainkan peran besar dalam kehidupan kita. Katalis biologis yang disebut enzim terlibat dalam pengaturan proses biokimia. Banyak proses industri tidak akan mungkin terjadi tanpa katalis.

Sifat yang paling penting dari katalis adalah selektivitas, yaitu kemampuan untuk meningkatkan laju hanya reaksi kimia tertentu dari banyak kemungkinan. Hal ini memungkinkan reaksi yang terlalu lambat dalam kondisi normal untuk digunakan secara praktis, dan memastikan pembentukan produk yang diinginkan.

Penggunaan katalis berkontribusi pada perkembangan pesat industri kimia. Mereka banyak digunakan dalam penyulingan minyak, memperoleh berbagai produk, membuat bahan baru (misalnya, plastik), seringkali lebih murah daripada yang digunakan sebelumnya. Sekitar 90% dari produksi kimia modern didasarkan pada proses katalitik. Proses katalitik memainkan peran khusus dalam perlindungan lingkungan.

Pada tahun 1835, ahli kimia Swedia J. Berzelius menemukan bahwa dengan adanya zat tertentu, laju reaksi kimia tertentu meningkat secara signifikan. Untuk zat semacam itu, ia memperkenalkan istilah "katalis" (dari bahasa Yunani.

katalisis- relaksasi). Menurut Berzelius, katalis memiliki kemampuan khusus untuk melemahkan ikatan antar atom dalam molekul yang terlibat dalam reaksi, sehingga memudahkan interaksinya. Kontribusi besar untuk pengembangan ide tentang kerja katalis dibuat oleh fisikokimia Jerman W. Ostwald, yang pada tahun 1880 mendefinisikan katalis sebagai zat yang mengubah laju reaksi.

Menurut konsep modern, katalis membentuk kompleks dengan molekul yang bereaksi, yang distabilkan oleh ikatan kimia. Setelah penataan ulang, kompleks ini berdisosiasi untuk melepaskan produk dan katalis. Untuk reaksi monomolekuler dari transformasi molekul

X ke Y Seluruh proses dapat direpresentasikan sebagai X + Kucing. ® X -Kucing. ® Y -Kucing. ® Y + Kucing. Katalis yang dibebaskan berikatan kembali dengan X , dan seluruh siklus diulang berkali-kali, memberikan pembentukan sejumlah besar produk - zat Y . Banyak zat dalam kondisi normal tidak masuk ke dalam reaksi kimia satu sama lain. Jadi, hidrogen dan karbon monoksida pada suhu kamar tidak berinteraksi satu sama lain, karena ikatan antara atom dalam suatu molekul H2 cukup kuat dan tidak pecah ketika diserang oleh molekul BERSAMA . Katalis Membawa Molekul Bersama H2 dan CO dengan membentuk hubungan dengan mereka. Setelah penataan ulang, kompleks katalis-reaktan berdisosiasi untuk membentuk produk yang mengandung atom C, H, dan O Seringkali, ketika zat yang sama berinteraksi, produk yang berbeda terbentuk. Katalis dapat mengarahkan proses sepanjang jalur yang paling menguntungkan untuk pembentukan produk tertentu. Perhatikan reaksi antara CO dan H2 . Dengan adanya katalis yang mengandung tembaga, metanol secara praktis merupakan satu-satunya produk reaksi:Mula-mula, molekul CO dan H 2 teradsorpsi pada permukaan katalis. Kemudian molekul CO membentuk ikatan kimia dengan katalis (terjadi chemisorption), tetap dalam bentuk tak terdisosiasi. Molekul hidrogen juga diserap secara kimia pada permukaan katalis, tetapi terdisosiasi pada saat yang sama. Sebagai hasil dari penataan ulang, kompleks transisi H-Cat.- CH2OH . Setelah menambahkan atom H kompleks rusak untuk melepaskan CH3OH dan katalis. Dengan adanya katalis nikel, baik CO dan H 2 diserap secara kimia di permukaan dalam bentuk terdisosiasi, dan kompleks Cat.-CH terbentuk 3 . Produk akhir reaksi adalah CH 4 dan H2O:
Sebagian besar reaksi katalitik dilakukan pada tekanan dan suhu tertentu dengan melewatkan campuran reaksi, yang dalam keadaan gas atau cair, melalui reaktor yang diisi dengan partikel katalis. Konsep berikut digunakan untuk menggambarkan kondisi reaksi dan mengkarakterisasi produk. Kecepatan ruang - volume gas atau cairan yang melewati satuan volume katalis per satuan waktu. Aktivitas katalitik - jumlah reaktan yang diubah oleh katalis menjadi produk per unit waktu. Konversi adalah proporsi zat yang diubah dalam reaksi tertentu. Selektivitas adalah rasio jumlah produk tertentu dengan jumlah total produk (biasanya dinyatakan dalam persentase). Hasil - rasio jumlah produk yang diberikan dengan jumlah bahan awal (biasanya dinyatakan dalam persentase). Produktivitas - jumlah produk reaksi yang terbentuk per satuan volume per satuan waktu. JENIS-JENIS KATALIS Katalis diklasifikasikan menurut sifat reaksi yang mereka lakukan, komposisi kimianya, atau sifat fisiknya. Hampir semua unsur dan zat kimia memiliki sifat katalitik sampai tingkat tertentu - dengan sendirinya atau, lebih sering, dalam berbagai kombinasi. Menurut sifat fisiknya, katalis dibagi menjadi homogen dan heterogen. Katalis heterogen adalah padatan yang homogen dan terdispersi dalam medium gas atau cair yang sama dengan reaktan.

Banyak katalis heterogen mengandung logam. Beberapa logam, terutama yang terkait dengan

VIII kelompok sistem periodik unsur, memiliki aktivitas katalitik sendiri; contoh tipikal adalah platinum. Tetapi sebagian besar logam menunjukkan sifat katalitik, berada dalam komposisi senyawa; contoh - alumina (aluminium oksida Al2O3). Sifat yang tidak biasa dari banyak katalis heterogen adalah luas permukaannya yang besar. Mereka ditembus oleh banyak pori-pori, yang luas totalnya terkadang mencapai 500 m 2 per 1 gram katalis. Dalam banyak kasus, oksida dengan luas permukaan yang besar berfungsi sebagai substrat di mana partikel katalis logam diendapkan dalam bentuk kelompok kecil. Ini memastikan interaksi yang efisien dari reagen dalam fase gas atau cair dengan logam yang aktif secara katalitik. Kelas khusus katalis heterogen adalah zeolit ​​​​ - mineral kristal dari kelompok aluminosilikat (senyawa silikon dan aluminium). Meskipun banyak katalis heterogen memiliki luas permukaan yang besar, mereka biasanya hanya memiliki sejumlah kecil situs aktif, yang merupakan bagian kecil dari total luas permukaan. Katalis dapat kehilangan aktivitasnya dengan adanya sejumlah kecil senyawa kimia yang disebut racun katalis. Zat-zat ini mengikat pusat aktif, menghalangi mereka. Menentukan struktur pusat aktif adalah subjek penelitian intensif.

Katalis homogen memiliki sifat kimia yang berbeda - asam (H

2 SO 4 atau H 3 RO 4 ), basa (NaOH ), amina organik, logam, paling sering transisi ( Fe atau Rh ), dalam bentuk garam, senyawa organologam atau karbonil. Katalis juga termasuk enzim – molekul protein yang mengatur reaksi biokimia. Sisi aktif beberapa enzim mengandung atom logam ( Zn, Cu, Fe atau Mo). Enzim yang mengandung logam mengkatalisis reaksi yang melibatkan molekul kecil ( O 2 , CO 2 atau N 2 ). Enzim memiliki aktivitas dan selektivitas yang sangat tinggi, tetapi mereka bekerja hanya dalam kondisi tertentu, seperti di mana reaksi terjadi pada organisme hidup. Industri sering menggunakan apa yang disebut. enzim imobilisasi. BAGAIMANA KATALIS BEKERJA Energi. Setiap reaksi kimia dapat berlangsung hanya jika reaktan mengatasi penghalang energi, dan untuk ini mereka harus memperoleh energi tertentu. Seperti yang telah kami katakan, reaksi katalitik X ® Y terdiri dari serangkaian tahapan yang berurutan. Masing-masing membutuhkan energi untuk berlari.E disebut energi aktivasi. Perubahan energi sepanjang koordinat reaksi ditunjukkan pada gambar. satu.

Pertimbangkan terlebih dahulu jalur "termal" non-katalitik. Agar reaksi dapat berlangsung, energi potensial molekul

X harus melebihi penghalang energiE t . Reaksi katalitik terdiri dari tiga tahap. Yang pertama adalah pembentukan kompleks X-Cat. (chemisorption), energi aktivasinya adalahE iklan . Tahap kedua adalah penataan ulang X-Cat.®Y -Kucing. dengan energi aktivasiE kucing , dan akhirnya, yang ketiga - desorpsi dengan energi aktivasiE des; E iklan, E kat dan E des jauh lebih kecil E t . Karena laju reaksi bergantung secara eksponensial pada energi aktivasi, reaksi katalitik berlangsung jauh lebih cepat daripada reaksi termal pada suhu tertentu.

Katalis dapat disamakan dengan instruktur-panduan yang memandu pendaki (molekul bereaksi) melalui pegunungan. Dia memimpin satu kelompok melewati celah dan kemudian kembali untuk yang berikutnya. Jalur melalui celah terletak jauh lebih rendah daripada yang melalui bagian atas (saluran termal reaksi), dan grup membuat transisi lebih cepat daripada tanpa konduktor (katalis). Bahkan mungkin kelompok mereka sendiri tidak akan mampu mengatasi punggung bukit sama sekali.

Teori Katalisis. Tiga kelompok teori telah diajukan untuk menjelaskan mekanisme reaksi katalitik: geometris, elektronik, dan kimia. Dalam teori geometri, perhatian utama diberikan pada korespondensi antara konfigurasi geometris atom dari pusat aktif katalis dan atom dari bagian molekul yang bereaksi yang bertanggung jawab untuk mengikat katalis. Teori elektronik didasarkan pada gagasan bahwa chemisorption disebabkan interaksi elektronik yang terkait dengan transfer muatan, yaitu. teori-teori ini menghubungkan aktivitas katalitik dengan sifat elektronik katalis. Teori kimia menganggap katalis sebagai senyawa kimia dengan sifat khas yang membentuk ikatan kimia dengan reaktan, sehingga menghasilkan pembentukan kompleks transisi yang tidak stabil. Setelah dekomposisi kompleks dengan pelepasan produk, katalis kembali ke keadaan semula. Teori terakhir sekarang dianggap paling memadai.

Pada tingkat molekuler, reaksi fase gas katalitik dapat direpresentasikan sebagai berikut. Satu molekul yang bereaksi mengikat ke situs aktif katalis, sementara yang lain berinteraksi dengannya saat berada langsung dalam fase gas. Mekanisme alternatif juga dimungkinkan: molekul-molekul yang bereaksi diadsorpsi pada sisi aktif katalis yang berdekatan dan kemudian berinteraksi satu sama lain. Rupanya, ini adalah bagaimana sebagian besar reaksi katalitik berlangsung.

Konsep lain menunjukkan bahwa ada hubungan antara susunan spasial atom pada permukaan katalis dan aktivitas katalitiknya. Laju beberapa proses katalitik, termasuk banyak reaksi hidrogenasi, tidak bergantung pada pengaturan timbal balik dari atom-atom aktif katalitik pada permukaan; kecepatan orang lain, sebaliknya, berubah secara signifikan dengan perubahan konfigurasi spasial atom permukaan. Contohnya adalah isomerisasi neopentana menjadi isopentana dan perengkahan simultan yang terakhir menjadi isobutana dan metana pada permukaan katalis.

Pt-Al 2 O 3 . APLIKASI KATALISIS DALAM INDUSTRI Pertumbuhan industri yang pesat yang sekarang kita alami tidak akan mungkin terjadi tanpa perkembangan teknologi kimia baru. Untuk sebagian besar, kemajuan ini ditentukan oleh meluasnya penggunaan katalis, dengan bantuan bahan baku bermutu rendah diubah menjadi produk bernilai tinggi. Secara kiasan, katalis adalah batu filsuf dari alkemis modern, hanya saja tidak mengubah timah menjadi emas, tetapi bahan mentah menjadi obat-obatan, plastik, reagen kimia, bahan bakar, pupuk, dan produk bermanfaat lainnya.

Mungkin proses katalitik pertama yang dipelajari manusia adalah fermentasi. Resep untuk persiapan minuman beralkohol diketahui orang Sumeria sejak 3500 SM.

cm. ANGGUR; BIR.

Tonggak penting dalam aplikasi praktis katalisis adalah produksi margarin dengan hidrogenasi katalitik minyak nabati. Untuk pertama kalinya, reaksi dalam skala industri ini dilakukan sekitar tahun 1900. Dan mulai tahun 1920-an, satu demi satu, metode katalitik dikembangkan untuk produksi bahan organik baru, terutama plastik. Poin kuncinya adalah produksi katalitik olefin, nitril, ester, asam, dll. - "batu bata" untuk "konstruksi" kimia plastik.

Gelombang ketiga penggunaan industri proses katalitik terjadi pada 1930-an dan dikaitkan dengan penyulingan minyak. Dalam hal volume, produksi ini segera meninggalkan semua yang lain jauh di belakang. Penyulingan minyak terdiri dari beberapa proses katalitik: perengkahan, reformasi, hidrosulfonasi, perengkahan air, isomerisasi, polimerisasi dan alkilasi.

Dan akhirnya, gelombang keempat dalam penggunaan katalisis terkait dengan perlindungan lingkungan. Pencapaian paling terkenal di bidang ini adalah penciptaan catalytic converter untuk gas buang mobil. Konverter katalitik, yang telah dipasang di mobil sejak tahun 1975, telah memainkan peran besar dalam meningkatkan kualitas udara dan telah menyelamatkan banyak nyawa dengan cara ini.

Sekitar selusin Hadiah Nobel telah diberikan untuk pekerjaan di bidang katalisis dan bidang terkait.

Signifikansi praktis dari proses katalitik dibuktikan oleh fakta bahwa bagian nitrogen, yang merupakan bagian dari senyawa yang mengandung nitrogen yang diperoleh secara industri, menyumbang sekitar setengah dari semua nitrogen yang merupakan bagian dari produk makanan. Jumlah senyawa nitrogen yang diproduksi secara alami terbatas, sehingga produksi protein pakan tergantung pada jumlah nitrogen yang diberikan ke tanah dengan pupuk. Mustahil untuk memberi makan bahkan setengah dari umat manusia tanpa amonia sintetis, yang diproduksi hampir secara eksklusif oleh proses katalitik Haber-Bosch.

Cakupan katalis terus berkembang. Penting juga bahwa katalisis dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi teknologi yang dikembangkan sebelumnya. Contohnya adalah peningkatan perengkahan katalitik melalui penggunaan zeolit.

Hidrogenasi. Sejumlah besar reaksi katalitik dikaitkan dengan aktivasi atom hidrogen dan beberapa molekul lain, yang mengarah ke interaksi kimianya. Proses ini disebut hidrogenasi dan mendasari banyak tahapan penyulingan minyak dan produksi bahan bakar cair dari batu bara (proses Bergius).

Produksi bensin penerbangan dan bahan bakar motor dari batu bara dikembangkan di Jerman selama Perang Dunia II, karena tidak ada ladang minyak di negara ini. Proses Bergius adalah penambahan langsung hidrogen ke karbon. Batubara dipanaskan di bawah tekanan dengan adanya hidrogen dan produk cair diperoleh, yang kemudian diproses menjadi bensin penerbangan dan bahan bakar motor. Oksida besi digunakan sebagai katalis, serta katalis berdasarkan timah dan molibdenum. Selama perang, sekitar 1.400 ton bahan bakar cair per hari diperoleh di 12 pabrik Jerman menggunakan proses Bergius.

Proses lain, Fischer - Tropsch, terdiri dari dua tahap. Pertama, batubara digasifikasi, yaitu melakukan reaksinya dengan uap air dan oksigen dan mendapatkan campuran hidrogen dan karbon oksida. Campuran ini diubah menjadi bahan bakar cair menggunakan katalis yang mengandung besi atau kobalt. Dengan berakhirnya perang, produksi bahan bakar sintetis dari batu bara di Jerman dihentikan.

Sebagai akibat dari kenaikan harga minyak yang mengikuti embargo minyak pada tahun 1973-1974, upaya keras dilakukan untuk mengembangkan metode yang ekonomis untuk memproduksi bensin dari batu bara. Dengan demikian, pencairan langsung batubara dapat dilakukan dengan lebih efisien dengan menggunakan proses dua tahap dimana batubara pertama-tama dikontakkan dengan katalis alumina-kobalt-molibdenum pada suhu yang relatif rendah dan kemudian pada suhu yang lebih tinggi. Biaya bensin sintetis tersebut lebih tinggi daripada yang diperoleh dari minyak.

Amonia. Salah satu proses hidrogenasi yang paling sederhana dari sudut pandang kimia adalah sintesis amonia dari hidrogen dan nitrogen. Nitrogen adalah zat yang sangat inert. Untuk memutuskan N-T molekulnya membutuhkan energi orde 200 kkal/ mol Namun, nitrogen mengikat permukaan katalis besi dalam keadaan atom, dan ini hanya membutuhkan 20 kkal./ mol Ikatan hidrogen dengan besi bahkan lebih mudah. Sintesis amonia berlangsung sebagai berikut:
Contoh ini menggambarkan kemampuan katalis untuk mempercepat reaksi maju dan reaksi balik secara merata, yaitu fakta bahwa katalis tidak mengubah posisi kesetimbangan reaksi kimia.Hidrogenasi minyak nabati. Salah satu reaksi hidrogenasi yang paling penting dalam praktiknya adalah hidrogenasi tidak sempurna minyak nabati menjadi margarin, minyak goreng, dan produk makanan lainnya. Minyak nabati diperoleh dari kedelai, biji kapas dan tanaman lainnya. Diantaranya adalah ester, yaitu trigliserida dari asam lemak dengan derajat ketidakjenuhan yang bervariasi. Asam oleat CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH memiliki satu ikatan rangkap C=C, asam linoleat memiliki dua, dan asam linolenat memiliki tiga. Penambahan hidrogen untuk memutuskan ikatan ini mencegah minyak mengoksidasi (tengik). Ini meningkatkan titik leleh mereka. Kekerasan sebagian besar produk yang diperoleh tergantung pada tingkat hidrogenasi. Hidrogenasi dilakukan dengan adanya serbuk halus nikel yang diendapkan pada substrat atau katalis nikel Raney dalam atmosfer hidrogen yang sangat murni.Dehidrogenasi. Dehidrogenasi juga merupakan reaksi katalitik yang penting dalam industri, meskipun skala penerapannya jauh lebih kecil. Dengan bantuannya, misalnya, styrene, monomer penting, diperoleh. Untuk melakukan ini, dehidrogenat etilbenzena dengan adanya katalis yang mengandung oksida besi; kalium dan beberapa stabilisator struktural juga berkontribusi pada reaksi. Pada skala industri, propana, butana, dan alkana lainnya didehidrogenasi. Dehidrogenasi butana dengan adanya katalis alumina-kromium menghasilkan butena dan butadiena.katalisis asam. Aktivitas katalitik dari kelas besar katalis disebabkan oleh sifat asamnya. Menurut I. Bronsted dan T. Lowry, asam adalah senyawa yang mampu menyumbangkan proton. Asam kuat dengan mudah menyumbangkan protonnya ke basa. Konsep keasaman dikembangkan lebih lanjut dalam karya G. Lewis, yang mendefinisikan asam sebagai zat yang mampu menerima pasangan elektron dari zat donor dengan pembentukan ikatan kovalen karena sosialisasi pasangan elektron ini. Gagasan ini, bersama dengan gagasan tentang reaksi yang membentuk ion karbenium, membantu memahami mekanisme berbagai reaksi katalitik, terutama yang melibatkan hidrokarbon.

Kekuatan asam dapat ditentukan dengan menggunakan seperangkat basa yang berubah warna ketika proton ditambahkan. Ternyata beberapa katalis industri penting berperilaku seperti asam yang sangat kuat. Ini termasuk katalis Friedel-Crafts seperti:

HCl-AlCl 2 O 3 (atau HAlCl 4 ), dan aluminosilikat. Kekuatan asam merupakan karakteristik yang sangat penting, karena menentukan laju protonasi, langkah kunci dalam proses katalisis asam.

Aktivitas katalis seperti aluminosilikat yang digunakan dalam perengkahan minyak ditentukan oleh adanya asam Bronsted dan Lewis pada permukaannya. Strukturnya mirip dengan struktur silika (silikon dioksida), di mana beberapa atom

Si 4+ digantikan oleh atom Al3+. Muatan negatif berlebih yang muncul dalam hal ini dapat dinetralkan oleh kation yang sesuai. Jika kation adalah proton, maka aluminosilikat berperilaku seperti asam Brønsted:
Aktivitas katalis asam ditentukan oleh kemampuannya untuk bereaksi dengan hidrokarbon dengan pembentukan ion karbenium sebagai produk antara. Ion alkilkarbenium mengandung atom karbon bermuatan positif yang terikat pada tiga gugus alkil dan/ atau atom hidrogen. Mereka memainkan peran penting sebagai zat antara yang terbentuk dalam banyak reaksi yang melibatkan senyawa organik. Mekanisme kerja katalis asam dapat diilustrasikan dengan contoh reaksi isomerisasin -butana menjadi isobutana dengan adanya HCl - AlCl 3 atau Pt - Cl - Al 2 O 3 . Pertama, sejumlah kecil olefin C 4 J 8 mengikat ion hidrogen bermuatan positif ke katalis asam untuk membentuk m ion karbenium tersier. Kemudian ion hidrida bermuatan negatif H - berpisah dari n -butana untuk membentuk isobutana dan butilkarb sekunder e tidak ada ion-d. Terakhir sebagai hasil dari penataan ulang menjadi ion karbohidrat tersier. Rantai ini dapat berlanjut dengan eliminasi ion hidrida dari molekul berikutnyan- butana, dll .:
penting o bahwa ion karbenium tersier lebih stabil daripada ion primer atau sekunder. Akibatnya, mereka terutama ada pada permukaan katalis, dan oleh karena itu produk utama dari isomerisasi butana adalah isobutana.

Katalis asam banyak digunakan dalam penyulingan minyak - perengkahan, alkilasi, polimerisasi dan isomerisasi hidrokarbon

(Lihat juga KIMIA DAN METODE PENYALURAN MINYAK). Mekanisme kerja ion karbenium, yang berperan sebagai katalis dalam proses ini, telah ditetapkan. Pada saat yang sama, mereka berpartisipasi dalam sejumlah reaksi, termasuk pembentukan molekul kecil dengan memisahkan yang besar, kombinasi molekul (olefin dengan olefin atau olefin dengan isoparafin), penataan ulang struktural dengan isomerisasi, pembentukan parafin dan hidrokarbon aromatik. dengan transfer hidrogen.

Salah satu aplikasi industri terbaru dari katalisis asam adalah produksi bahan bakar bertimbal dengan penambahan alkohol ke isobutilena atau isoamilena. Penambahan senyawa teroksigenasi ke bensin mengurangi konsentrasi karbon monoksida dalam gas buang. metil-

tert -butil eter (MTBE) dengan campuran bilangan oktan 109 juga memungkinkan untuk memperoleh bahan bakar beroktan tinggi yang diperlukan untuk pengoperasian mesin mobil dengan rasio kompresi tinggi tanpa menggunakan pengenalan timbal tetraetil ke dalam bensin. Produksi bahan bakar dengan angka oktan 102 dan 111 juga diatur.Katalisis dasar. Aktivitas katalis ditentukan oleh sifat dasarnya. Contoh lama dan terkenal dari katalis tersebut adalah natrium hidroksida yang digunakan untuk menghidrolisis atau menyabunkan lemak dalam pembuatan sabun, dan contoh terbaru adalah katalis yang digunakan dalam produksi plastik poliuretan dan busa. Uretan dibentuk oleh interaksi alkohol dengan isosianat, dan reaksi ini dipercepat dengan adanya basaamina. Selama reaksi, basa melekat pada atom karbon dalam molekul isosianat, sebagai akibatnya muatan negatif muncul pada atom nitrogen dan aktivitasnya sehubungan dengan alkohol meningkat. Katalis yang sangat efektif adalah trietilendiamin. Plastik poliuretan diperoleh dengan mereaksikan diisosianat dengan poliol (polialkohol). Ketika isosianat bereaksi dengan air, uretan yang terbentuk sebelumnya terurai melepaskan CO2 . Ketika campuran polialkohol dan air berinteraksi dengan diisosianat, busa poliuretan yang dihasilkan berbusa dengan gas CO2. Katalis aksi ganda. Katalis ini mempercepat dua jenis reaksi dan memberikan hasil yang lebih baik daripada melewatkan reaktan secara seri melalui dua reaktor yang masing-masing hanya berisi satu jenis katalis. Ini disebabkan oleh fakta bahwa situs aktif dari katalis kerja ganda sangat dekat satu sama lain, dan produk antara yang terbentuk di salah satunya segera berubah menjadi produk akhir di sisi lain.

Penggabungan katalis pengaktif hidrogen dengan katalis pemacu isomerisasi hidrokarbon memberikan hasil yang baik. Aktivasi hidrogen dilakukan oleh beberapa logam, dan isomerisasi hidrokarbon oleh asam. Katalis kerja ganda yang efektif yang digunakan dalam penyulingan minyak untuk mengubah nafta menjadi bensin adalah platinum yang terdispersi halus yang disimpan pada alumina asam. Konversi komponen nafta seperti methylcyclopentane (MCP) menjadi benzena meningkatkan angka oktan bensin. Pertama, MCP didehidrogenasi pada bagian platina dari katalis menjadi olefin dengan tulang punggung karbon yang sama; kemudian olefin lolos ke bagian asam dari katalis, di mana ia isomerisasi menjadi sikloheksena. Yang terakhir lolos ke bagian platinum dan terdehidrogenasi menjadi benzena dan hidrogen.

Katalis aksi ganda secara signifikan mempercepat reformasi minyak. Mereka digunakan untuk isomerisasi parafin normal menjadi isoparafin. Yang terakhir, mendidih pada suhu yang sama dengan fraksi bensin, berharga karena memiliki angka oktan yang lebih tinggi dibandingkan dengan hidrokarbon lurus. Selain itu, transformasi

n -butana menjadi isobutana disertai dengan dehidrogenasi, berkontribusi pada produksi MTBE.Polimerisasi stereospesifik. Sebuah tonggak penting dalam sejarah katalisis terjadi penemuan polimerisasi katalitiksebuah-olefin dengan formasi stereoreguler x polimer Untuk katalis stereospesifik polimerisasi ditemukan oleh K. Ziegler ketika ia mencoba menjelaskan sifat-sifat yang tidak biasa dari polimer yang diperolehnya. Ahli kimia lain, J. Natta, menyarankan bahwa keunikan polimer Ziegler ditentukan oleh stereoregularitasnya. Eksperimen difraksi sinar-X telah menunjukkan bahwa polimer yang dibuat dari propilena dengan adanya katalis Ziegler sangat kristalin dan memang memiliki struktur stereoreguler. Untuk menggambarkan struktur yang teratur seperti itu, Natta memperkenalkan istilah " isotaktik ' dan 'sindiotaktik'. Dalam kasus di mana tidak ada urutan, istilah "ataksis" digunakan:Reaksi stereospesifik berlangsung pada permukaan katalis padat yang mengandung logam transisi dari gugus IVA - VIII (seperti Ti, V, Cr, Zr ), yang berada dalam keadaan teroksidasi tidak sempurna, dan setiap senyawa yang mengandung karbon atau hidrogen, yang berasosiasi dengan logam dari golongan AKU AKU AKU AKU . Contoh klasik dari katalis semacam itu adalah endapan yang terbentuk selama interaksi TiCl 4 dan Al(C 2 H 5 ) 3 dalam heptana, di mana titanium direduksi ke keadaan trivalen. Inisangat aktifsistem mengkatalisis polimerisasi propilena pada suhu dan tekanan normal.oksidasi katalitik. Penggunaan katalis untuk mengontrol kimia proses oksidasi sangat penting secara ilmiah dan praktis. Dalam beberapa kasus, oksidasi harus sempurna, misalnya ketika menetralkan CO dan kontaminan hidrokarbon dalam gas buang mobil.Lebih sering, bagaimanapun, diinginkan bahwa oksidasi tidak lengkap, misalnya dalam banyak proses yang banyak digunakan dalam industri untuk konversi hidrokarbon menjadi zat antara yang mengandung gugus fungsi seperti -CHO, -COOH, -C-CO, - CN. Dalam hal ini, katalis homogen dan heterogen digunakan. Contoh katalis homogen adalah kompleks logam transisi yang digunakan untuk mengoksidasipasangan -xylene menjadi asam tereftalat, yang esternya berfungsi sebagai dasar untuk produksi serat poliester.Katalis oksidasi heterogen. Katalis ini biasanya berupa oksida padat kompleks. Oksidasi katalitik berlangsung dalam dua tahap. Pertama, oksida oksigen ditangkap oleh molekul hidrokarbon yang teradsorpsi pada permukaan oksida. Hidrokarbon dioksidasi dan oksida direduksi. Oksida tereduksi bereaksi dengan oksigen dan kembali ke keadaan semula. Menggunakan katalis vanadium, ftalat anhidrida diperoleh dengan oksidasi parsial naftalena atau butana.Produksi etilen dengan dehidrodimerisasi metana. Sintesis etilen melalui dehidrodimerisasi memungkinkan gas alam diubah menjadi hidrokarbon yang lebih mudah diangkut. reaksi 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O dilakukan pada 850 ° Dengan menggunakan berbagai katalis; hasil terbaik diperoleh dengan katalis Li - MgO . Agaknya, reaksi berlangsung melalui pembentukan radikal metil dengan memisahkan atom hidrogen dari molekul metana. Pembelahan dilakukan oleh oksigen tereduksi tidak lengkap, misalnya, O 2 2- . Radikal metil dalam fase gas bergabung kembali untuk membentuk molekul etana dan diubah menjadi etilen selama dehidrogenasi berikutnya. Contoh lain dari oksidasi tidak sempurna adalah konversi metanol menjadi formaldehida dengan adanya katalis perak atau besi-molibdenum.Zeolit. Zeolit ​​merupakan kelas khusus dari katalis heterogen. Ini adalah aluminosilikat dengan struktur sarang lebah yang teratur, ukuran sel yang sebanding dengan ukuran banyak molekul organik. Mereka juga disebut saringan molekuler. Yang paling menarik adalah zeolit, pori-porinya dibentuk oleh cincin yang terdiri dari 8-12 ion oksigen (Gbr. 2). Kadang-kadang pori-pori tumpang tindih, seperti pada zeolit ​​ZSM-5 (Gbr. 3), yang digunakan untuk konversi metanol menjadi hidrokarbon dalam fraksi bensin yang sangat spesifik. Bensin mengandung sejumlah besar hidrokarbon aromatik dan karena itu memiliki angka oktan yang tinggi. Di Selandia Baru, misalnya, sepertiga dari semua bensin yang dikonsumsi diperoleh dengan menggunakan teknologi ini. Metanol diperoleh dari metana impor. Katalis yang membentuk kelompok Y-zeolit ​​secara signifikan meningkatkan efisiensi perengkahan katalitik terutama karena sifat asamnya yang tidak biasa. Mengganti aluminosilikat dengan zeolit ​​memungkinkan untuk meningkatkan hasil bensin lebih dari 20%.

Selain itu, zeolit ​​bersifat selektif terhadap ukuran molekul yang bereaksi. Selektivitasnya disebabkan oleh ukuran pori-pori yang dapat dilalui oleh molekul-molekul dengan ukuran dan bentuk tertentu saja. Ini berlaku untuk bahan awal dan produk reaksi. Misalnya, karena pembatasan sterik

pasangan -xylene terbentuk lebih mudah daripada lebih tebalorto- dan meta -isomer. Yang terakhir ini "terkunci" di pori-pori zeolit ​​(Gbr. 4).

Penggunaan zeolit ​​telah membuat revolusi nyata dalam beberapa teknologi industri - dewaxing minyak gas dan oli mesin, memperoleh zat antara kimia untuk produksi plastik dengan alkilasi senyawa aromatik, isomerisasi xilena, disproporsionasi toluena dan perengkahan katalitik minyak. Zeolit ​​sangat efektif di sini

ZSM-5. Katalis dan perlindungan lingkungan. Penggunaan katalis untuk mengurangi polusi udara dimulai pada akhir 19 40-an. Pada tahun 1952, A. Hagen-Smith menemukan bahwa hidrokarbon dan nitrogen oksida, yang merupakan bagian dari gas buang, bereaksi terhadap cahaya untuk membentuk oksidan (khususnya, ozon), yang mengiritasi mata dan memberikan efek lain yang tidak diinginkan. Sekitar waktu yang sama, Y. Houdry mengembangkan metode untuk pemurnian katalitik gas buang dengan mengoksidasi BERSAMA dan hidrokarbon hingga CO2 dan H2 A. Pada tahun 1970, Deklarasi Udara Bersih (direvisi 1977, diperluas 1990) dirumuskan yang mewajibkan semua kendaraan baru dari model 1975 dilengkapi dengan catalytic converter. Norma telah ditetapkan untuk komposisi gas buang. Sejak senyawa timbal ditambahkan ke katalis racun bensin, program penghentian telah diadopsi. Perhatian juga diberikan pada kebutuhan untuk mengurangi kandungan nitrogen oksida.

Katalis telah dibuat khusus untuk konverter otomotif, di mana komponen aktif disimpan pada substrat keramik dengan struktur sarang lebah, melalui sel-sel yang dilewati gas buang. Substrat dilapisi dengan lapisan tipis oksida logam, misalnya

Al2O3 di mana katalis diterapkan - platinum, paladium atau rhodium. Kandungan nitrogen oksida yang terbentuk selama pembakaran bahan bakar alami di pembangkit listrik termal dapat dikurangi dengan menambahkan sejumlah kecil amonia ke dalam gas buang dan melewatkannya melalui katalis titanium-vanadium.Enzim. Enzim adalah katalis alami yang mengatur proses biokimia dalam sel hidup. Mereka berpartisipasi dalam proses pertukaran energi, pemecahan nutrisi, reaksi biosintesis. Banyak reaksi organik kompleks tidak dapat berlangsung tanpa mereka. Enzim berfungsi pada suhu dan tekanan biasa, memiliki selektivitas yang sangat tinggi dan mampu meningkatkan laju reaksi hingga delapan kali lipat. Terlepas dari kelebihan ini, hanya sekitar. Dari 15.000 enzim yang diketahui, 20 digunakan dalam skala besar.

Manusia telah menggunakan enzim selama ribuan tahun untuk memanggang roti, menghasilkan minuman beralkohol, keju, dan cuka. Sekarang enzim juga digunakan dalam industri: dalam pengolahan gula, dalam produksi antibiotik sintetis, asam amino dan protein. Enzim proteolitik yang mempercepat proses hidrolisis ditambahkan ke deterjen.

Dengan bantuan bakteri

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann melakukan konversi enzimatik pati menjadi aseton dan butil alkohol. Metode memperoleh aseton ini banyak digunakan di Inggris selama Perang Dunia Pertama, dan selama Perang Dunia Kedua, karet butadiena dibuat dengan bantuannya di Uni Soviet.

Peran yang sangat besar dimainkan oleh penggunaan enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme untuk sintesis penisilin, serta streptomisin dan vitamin.

B12. Etil alkohol yang diproduksi secara enzimatis banyak digunakan sebagai bahan bakar otomotif. Di Brasil, lebih dari sepertiga dari sekitar 10 juta mobil menggunakan 96% etil alkohol yang berasal dari tebu, dan sisanya menggunakan campuran bensin dan etil alkohol (20%). Teknologi produksi bahan bakar, yang merupakan campuran bensin dan alkohol, berkembang dengan baik di Amerika Serikat. Pada tahun 1987, sekitar 4 miliar liter alkohol, di mana sekitar 3,2 miliar liter digunakan sebagai bahan bakar. Berbagai aplikasi juga ditemukan dalam apa yang disebut. enzim imobilisasi. Enzim-enzim ini dikaitkan dengan pembawa padat, seperti gel silika, di mana reagen dilewatkan. Keuntungan dari metode ini adalah memastikan kontak yang efisien antara substrat dengan enzim, pemisahan produk, dan pengawetan enzim. Salah satu contoh penggunaan industri enzim amobil adalah isomerisasi D -glukosa menjadi fruktosa. ASPEK TEKNOLOGI Teknologi modern tidak dapat dibayangkan tanpa menggunakan katalis. Reaksi katalitik dapat berlangsung pada suhu hingga 650° C dan tekanan 100 atm atau lebih. Ini membuatnya perlu untuk memecahkan masalah yang terkait dengan kontak antara zat gas dan zat padat dan dengan transfer partikel katalis dengan cara baru. Agar proses menjadi efektif, pemodelannya harus mempertimbangkan aspek kinetik, termodinamika dan hidrodinamika. Pemodelan komputer banyak digunakan di sini, serta instrumen dan metode baru untuk mengendalikan proses teknologi.

Pada tahun 1960-an kemajuan yang signifikan telah dibuat dalam produksi amonia. Penggunaan katalis yang lebih aktif memungkinkan untuk menurunkan suhu produksi hidrogen selama dekomposisi uap air, karena itu dimungkinkan untuk menurunkan tekanan dan, akibatnya, mengurangi biaya produksi, misalnya, melalui penggunaan yang lebih murah. kompresor sentrifugal. Akibatnya, biaya amonia turun lebih dari setengahnya, ada peningkatan besar dalam produksinya, dan sehubungan dengan ini, peningkatan produksi pangan, karena amonia adalah pupuk yang berharga.

Metode. Penelitian di bidang katalisis dilakukan dengan menggunakan metode tradisional dan khusus. Label radioaktif, sinar-X, inframerah dan spektroskopi Raman (Raman), metode mikroskop elektron digunakan; pengukuran kinetik dilakukan, pengaruh metode memperoleh katalis pada aktivitasnya dipelajari. Yang sangat penting adalah penentuan luas permukaan katalis dengan metode Brunauer-Emmett-Teller (metode BET), berdasarkan pengukuran adsorpsi fisik nitrogen pada tekanan yang berbeda. Untuk melakukan ini, tentukan jumlah nitrogen yang diperlukan untuk pembentukan lapisan tunggal pada permukaan katalis, dan, dengan mengetahui diameter molekul. N 2 , hitung luas totalnya. Selain menentukan luas permukaan total, kemisorpsi berbagai molekul dilakukan, yang memungkinkan untuk memperkirakan jumlah pusat aktif dan memperoleh informasi tentang sifat-sifatnya.

Para peneliti memiliki berbagai metode untuk mempelajari struktur permukaan katalis pada tingkat atom. Informasi unik memungkinkan Anda mendapatkan metode

EXAFS . Di antara metode spektroskopi, spektroskopi fotoelektron UV, sinar-X, dan Auger semakin banyak digunakan. Yang sangat menarik adalah spektrometri massa ion sekunder dan spektroskopi hamburan ion. Pengukuran NMR digunakan untuk mempelajari sifat kompleks katalitik. Mikroskop tunneling pemindaian memungkinkan Anda untuk melihat susunan atom pada permukaan katalis. PERSPEKTIF Skala proses katalitik dalam industri meningkat setiap tahun. Katalis semakin banyak digunakan untuk menetralisir polutan lingkungan. Peran katalis dalam produksi hidrokarbon dan bahan bakar sintetis yang mengandung oksigen dari gas dan batubara semakin meningkat. Tampaknya sangat menjanjikan untuk membuat sel bahan bakar untuk konversi energi bahan bakar menjadi energi listrik yang ekonomis.

Konsep katalisis baru akan memungkinkan untuk memperoleh bahan polimer dan produk lain dengan banyak sifat berharga, meningkatkan metode produksi energi, meningkatkan produksi makanan, khususnya melalui sintesis protein dari alkana dan amonia dengan bantuan mikroorganisme. Dimungkinkan untuk mengembangkan metode rekayasa genetika untuk produksi enzim dan senyawa organologam yang mendekati katalis biologis alami dalam aktivitas katalitik dan selektivitasnya.

LITERATUR Gates B.K. Kimia proses katalitik . M., 1981
Boreskov G.K. Katalisis. Soal teori dan praktek . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Teori umum baru katalisis . L., 1991
Tokabe K. Katalis dan proses katalitik . M., 1993

Sebagian besar proses yang mendasari teknologi kimia adalah reaksi katalitik. Ini disebabkan oleh fakta bahwa dengan pengenalan katalis, laju interaksi zat meningkat secara signifikan. Dalam hal ini, produsen dapat mengurangi biaya atau memperoleh lebih banyak produk reaksi dalam periode waktu yang sama. Itulah sebabnya banyak perhatian diberikan pada studi katalisis dalam pelatihan teknologi. Namun, fenomena ini juga memainkan peran penting di alam. Jadi, zat khusus mengatur jalannya reaksi biokimia pada organisme hidup, sehingga mempengaruhi metabolisme.

Konsep katalisis

Inti dari fenomena kimia ini adalah untuk mengatur laju transformasi zat menggunakan reagen khusus yang dapat memperlambat atau mempercepat proses ini. Dalam hal ini, seseorang berbicara tentang katalisis positif atau negatif. Ada juga fenomena autocatalysis, ketika salah satu produk antara reaksi kimia mempengaruhi laju reaksi. Proses katalitik beragam, mereka berbeda dalam mekanisme, keadaan agregasi senyawa dan arah.

Zat yang memperlambat interaksi kimia disebut inhibitor, dan zat yang mempercepat reaksi katalitik disebut katalis. Baik itu maupun yang lain mengubah laju reaksi melalui interaksi perantara yang berulang dengan satu atau lebih partisipannya. Pada saat yang sama, mereka tidak termasuk dalam komposisi produk dan dipulihkan setelah akhir siklus transformasi zat. Oleh karena itu, partisipasi katalis tidak tercermin dalam persamaan reaksi secara stoikiometri, tetapi hanya diindikasikan sebagai syarat terjadinya interaksi zat.

Jenis-jenis reaksi katalitik

Menurut keadaan agregasi zat yang mengambil bagian dalam reaksi kimia, ada:

• reaksi homogen - reaktan, produk dan katalis berada dalam keadaan agregasi (fase) yang sama, sedangkan molekul zat didistribusikan secara merata di seluruh volume;
• reaksi katalitik antarmuka - terjadi pada antarmuka cairan yang tidak dapat bercampur, dan peran katalis dikurangi menjadi transfer reagen melaluinya;
• reaksi katalitik heterogen - di dalamnya, katalis memiliki keadaan agregasi yang berbeda dari reaktan, dan itu sendiri dilakukan pada antarmuka;
• reaksi heterogen-homogen - dimulai pada antarmuka dengan katalis, dan berlanjut dalam volume reaksi;
• reaksi mikroheterogen - partikel kecil dari katalis padat membentuk misel di seluruh volume fase cair.

Ada juga katalisis redoks, disertai dengan perubahan keadaan oksidasi katalis pada interaksi dengan reagen. Transformasi semacam itu disebut reaksi oksidasi dan reduksi katalitik. Yang paling umum dalam produksi kimia adalah oksidasi sulfur dioksida menjadi trioksida dalam produksi asam sulfat.

Jenis katalis

Menurut keadaan agregasi, katalis adalah cair (H 2 SO 4, H 3 RO 4), padat (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) dan gas (BF 3).

Menurut jenis zat, katalis diklasifikasikan menjadi:

• logam - bisa murni, paduan, padat atau diendapkan pada dasar berpori (Fe, Pt, Ni, Cu);
• senyawa logam tipe M m E n - oksida yang paling umum adalah MgO, Al 2 O 3, MoO 3, dll.;
• asam dan basa - digunakan untuk reaksi katalitik asam-basa, ini bisa berupa asam Lewis, Bronsted, dll.;
• kompleks logam - kelompok ini juga mencakup garam dari logam transisi, seperti PdCl 2 , Ni(CO) 4 ;
• enzim (mereka juga enzim) adalah biokatalis yang mempercepat reaksi yang terjadi pada organisme hidup.

Menurut spesifikasi struktur elektronik, katalis d dibedakan, memiliki elektron d dan orbital d, serta katalis s, p, yang pusatnya adalah elemen dengan valensi s dan elektron p.

Sifat katalis

Agar dapat digunakan secara efektif, daftar persyaratan yang cukup luas diterapkan padanya, yang bervariasi untuk proses tertentu. Tetapi yang paling signifikan adalah dua sifat katalis berikut:

• Spesifisitas terletak pada kemampuan katalis untuk mempengaruhi hanya satu reaksi atau serangkaian transformasi serupa dan tidak mempengaruhi laju reaksi lainnya. Jadi, platinum paling sering digunakan dalam reaksi hidrogenasi organik.
• Selektivitas dicirikan oleh kemampuan untuk mempercepat salah satu dari beberapa kemungkinan reaksi paralel, sehingga meningkatkan hasil produk yang paling penting.

Laju reaksi katalitik

Alasan percepatan interaksi zat adalah pembentukan kompleks aktif dengan katalis, yang menyebabkan penurunan energi aktivasi.

Menurut postulat dasar kinetika kimia, laju reaksi kimia apa pun berbanding lurus dengan produk konsentrasi zat awal, yang diambil dalam pangkat yang sesuai dengan koefisien stoikiometrinya:

v = k C A x C B y C D z ,

di mana k adalah konstanta laju reaksi kimia, yang secara numerik sama dengan laju reaksi yang sama, asalkan konsentrasi senyawa awal adalah 1 mol/L.

Menurut persamaan Arrhenius, k tergantung pada energi aktivasi:

k \u003d A exp ^ (-E A / RT).

Keteraturan ini juga berlaku untuk reaksi katalitik. Ini dikonfirmasi oleh persamaan untuk rasio konstanta laju:

k K / k = A K /A exp^((E A -E AK)/RT),

di mana variabel dengan indeks K mengacu pada reaksi katalitik.

Tahapan reaksi katalitik

Untuk reaksi katalitik homogen, dua langkah utama sudah cukup:

1. Pembentukan kompleks teraktivasi: A + K -> AA.
2. Interaksi kompleks teraktivasi dengan zat awal lainnya: AA + B > C + K.

Dalam bentuk umum, persamaan bentuk A + B -> C ditulis.

Mekanisme reaksi katalitik heterogen sangat kompleks. Enam tahap berikut dibedakan:

1. Membawa senyawa awal ke permukaan katalis.
2. Adsorpsi reagen awal oleh permukaan katalis dan pembentukan kompleks antara: A + B + K > AVK.
3. Aktivasi kompleks yang dihasilkan: VC > VC * .
4. Penguraian senyawa kompleks, sedangkan produk yang terbentuk diadsorpsi oleh katalis: * > CDK.
5. Desorpsi produk yang dihasilkan oleh permukaan katalis: CDK > C + D + K.
6. Penghapusan produk dari katalis.

Contoh reaksi katalitik

Katalis digunakan tidak hanya dalam industri kimia. Setiap orang dalam kehidupan sehari-harinya dihadapkan pada berbagai reaksi katalitik. Ini, misalnya, penggunaan hidrogen peroksida dalam perawatan luka. Hidrogen peroksida, ketika berinteraksi dengan darah, mulai terurai di bawah pengaruh:

2H2O2 -> O2 + 2H2O.

Di mobil modern, dilengkapi dengan ruang katalitik khusus yang berkontribusi pada penguraian zat gas berbahaya. Misalnya, platinum atau rhodium membantu mengurangi polusi nitrogen oksida, yang terurai menjadi O 2 dan N 2 yang tidak berbahaya.

Beberapa pasta gigi mengandung enzim yang memecah plak dan sisa makanan.

Laju reaksi kimia dapat meningkat secara dramatis dengan adanya berbagai zat yang bukan reaktan dan bukan bagian dari produk reaksi. Fenomena luar biasa ini disebut katalisis(dari bahasa Yunani "katalisis" - penghancuran). Zat yang mempercepat laju reaksi dalam campuran disebut katalisator. Jumlahnya sebelum dan sesudah reaksi tetap tidak berubah. Katalis tidak mewakili kelas khusus zat apa pun. Dalam berbagai reaksi, logam, oksida, asam, garam, dan senyawa kompleks dapat menunjukkan efek katalitik. Reaksi kimia dalam sel hidup berlangsung di bawah kendali protein katalitik yang disebut enzim. Katalisis harus dianggap sebagai faktor kimia sejati dalam meningkatkan laju reaksi kimia, karena katalis terlibat langsung dalam reaksi. Katalisis seringkali lebih kuat dan kurang berisiko dalam mempercepat reaksi daripada menaikkan suhu. Ini jelas dimanifestasikan dalam contoh reaksi kimia pada organisme hidup. Reaksi-reaksi, seperti hidrolisis protein, yang di laboratorium harus dilakukan dengan pemanasan berkepanjangan sampai titik didih, dalam proses pencernaan berlangsung tanpa pemanasan pada suhu tubuh.

Untuk pertama kalinya, fenomena katalisis diamati oleh ahli kimia Prancis L. J. Tenard (1777-1857) pada tahun 1818. Ia menemukan bahwa oksida logam tertentu, ketika hidrogen peroksida ditambahkan ke larutan, menyebabkan dekomposisi. Pengalaman seperti itu mudah direproduksi dengan menambahkan kristal kalium permanganat ke dalam larutan hidrogen peroksida 3%. Garam KMp0 4 berubah menjadi Mn0 2, dan oksigen dengan cepat dilepaskan dari larutan di bawah aksi oksida:

Efek langsung katalis pada laju reaksi dikaitkan dengan penurunan energi aktivasi. Pada penurunan suhu normal? dan sebesar 20 kJ/mol meningkatkan konstanta laju sekitar 3000 kali. menurunkan E L mungkin jauh lebih kuat. Namun, penurunan energi aktivasi merupakan manifestasi eksternal dari aksi katalis. Reaksi ditandai dengan nilai tertentu E. v yang hanya dapat berubah jika reaksi itu sendiri berubah. Memberikan produk yang sama, reaksi dengan partisipasi zat yang ditambahkan berlangsung di sepanjang jalur yang berbeda, melalui tahap yang berbeda dan dengan energi aktivasi yang berbeda. Jika pada jalur baru ini energi aktivasi lebih rendah dan reaksi lebih cepat, maka kita mengatakan bahwa zat ini adalah katalis.

Katalis berinteraksi dengan salah satu reaktan, membentuk beberapa senyawa antara. Pada salah satu tahap reaksi selanjutnya, katalis diregenerasi - ia meninggalkan reaksi dalam bentuk aslinya. Reagen, berpartisipasi dalam reaksi katalitik, terus berinteraksi satu sama lain dan sepanjang jalur lambat tanpa partisipasi katalis. Oleh karena itu, reaksi katalitik termasuk dalam berbagai reaksi kompleks yang disebut seri-paralel. pada gambar. 11.8 menunjukkan ketergantungan konstanta laju pada konsentrasi katalis. Grafik ketergantungan tidak melewati nol, karena tanpa adanya katalis, reaksi tidak berhenti.

Beras. 11.8.

konstanta yang dapat diamati k dinyatakan sebagai jumlah k u+ & k c(k)

Contoh 11.5. Pada suhu -500 °C, reaksi oksidasi sulfur oksida (IV)

yang merupakan salah satu tahapan produksi industri asam sulfat, sangat lambat. Peningkatan suhu lebih lanjut tidak dapat diterima, karena kesetimbangan bergeser ke kiri (reaksi eksotermik) dan hasil produk turun terlalu banyak. Tetapi reaksi ini dipercepat oleh berbagai katalis, salah satunya mungkin nitrat oksida (II). Pertama, katalis bereaksi dengan oksigen:

dan kemudian mentransfer atom oksigen ke sulfur oksida (IV):

Dengan demikian, produk akhir reaksi terbentuk dan katalis diregenerasi. Untuk reaksi, kemungkinan mengalir di sepanjang jalur baru dibuka, di mana konstanta laju meningkat secara signifikan:

Diagram di bawah menunjukkan kedua jalur proses oksidasi S0 2. Dengan tidak adanya katalis, reaksi hanya berlangsung sepanjang jalur lambat, dan dengan adanya katalis, di sepanjang keduanya.

Ada dua jenis katalisis - homogen dan heterogen. Dalam kasus pertama, katalis dan reagen membentuk sistem homogen dalam bentuk campuran gas atau larutan. Contoh oksidasi sulfur oksida adalah katalisis homogen. Laju reaksi katalitik homogen bergantung pada konsentrasi reaktan dan konsentrasi katalis.

Dalam katalisis heterogen, katalis adalah padatan dalam bentuk murni atau didukung pada pembawa. Misalnya, platinum sebagai katalis dapat diperbaiki pada asbes, alumina, dll. Molekul reagen diadsorpsi (diserap) dari gas atau larutan pada titik-titik tertentu pada permukaan katalis - pusat aktif dan diaktifkan pada saat yang bersamaan. Setelah transformasi kimia, molekul produk yang dihasilkan didesorbsi dari permukaan katalis. Tindakan transformasi partikel diulang di pusat aktif. Di antara faktor-faktor lain, laju reaksi katalitik heterogen tergantung pada luas permukaan bahan katalitik.

Katalisis heterogen sangat banyak digunakan dalam industri. Hal ini disebabkan kemudahan melakukan proses katalitik kontinyu dengan melewatkan campuran reagen melalui alat kontak dengan katalis.

Katalis bertindak secara selektif, mempercepat jenis reaksi yang sangat spesifik atau bahkan satu reaksi tanpa mempengaruhi yang lain. Hal ini memungkinkan penggunaan katalis tidak hanya untuk mempercepat reaksi, tetapi juga untuk secara sengaja mengubah bahan awal menjadi produk yang diinginkan. Metana dan air pada 450 ° C pada katalis Fe 2 0 3 diubah menjadi karbon dioksida dan hidrogen:

Zat yang sama pada 850 °C bereaksi pada permukaan nikel untuk membentuk karbon monoksida (II) dan hidrogen:

Katalisis termasuk dalam bidang kimia yang belum memungkinkan untuk membuat prediksi teoretis yang akurat. Semua katalis industri untuk pemrosesan produk minyak bumi, gas alam, produksi amonia dan banyak lainnya telah dikembangkan berdasarkan studi eksperimental yang melelahkan dan panjang.

Kemampuan untuk mengontrol kecepatan proses kimia sangat penting dalam kegiatan ekonomi manusia. Dalam produksi industri produk kimia, biasanya diperlukan untuk meningkatkan laju proses kimia teknologi, dan dalam penyimpanan produk, diperlukan untuk mengurangi laju dekomposisi atau paparan oksigen, air, dll. Diketahui zat yang dapat memperlambat reaksi kimia. Mereka disebut penghambat, atau katalis negatif. Inhibitor berbeda secara mendasar dari katalis nyata dalam hal mereka bereaksi dengan spesies aktif (radikal bebas) yang, karena satu dan lain alasan, muncul dalam suatu zat atau lingkungannya dan menyebabkan dekomposisi dan reaksi oksidasi yang berharga. Inhibitor dikonsumsi secara bertahap, mengakhiri tindakan perlindungannya. Jenis inhibitor yang paling penting adalah antioksidan, yang melindungi berbagai bahan dari efek oksigen.

Itu juga harus diingatkan tentang apa yang tidak dapat dicapai dengan bantuan katalis. Mereka hanya mampu mempercepat reaksi spontan. Jika reaksi tidak berlangsung secara spontan, maka katalis tidak akan dapat mempercepatnya. Misalnya, tidak ada katalis yang dapat menyebabkan air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Proses ini hanya dapat dilakukan dengan elektrolisis, sambil menghabiskan pekerjaan listrik.

Katalis juga dapat mengaktifkan proses yang tidak diinginkan. Dalam beberapa dekade terakhir, telah terjadi perusakan lapisan ozon atmosfer secara bertahap pada ketinggian 20-25 km. Diasumsikan bahwa beberapa zat terlibat dalam peluruhan ozon, misalnya, hidrokarbon terhalogenasi yang dipancarkan ke atmosfer oleh perusahaan industri, serta digunakan untuk keperluan rumah tangga.