Uma das influências mais eficazes nas reações químicas é o uso de um catalisador. Catalisadores são substâncias que aceleram reações químicas. A presença de catalisadores altera a taxa de reação em milhares e até milhões de vezes. Os catalisadores participam ativamente de uma reação química, mas, ao contrário dos reagentes, eles permanecem inalterados no final dela.

- São substâncias que alteram a velocidade da reação, mas não são consumidas durante a reação e não fazem parte dos produtos finais.

Uma característica importante de uma reação catalítica (catálise) é a homogeneidade ou heterogeneidade do catalisador e dos reagentes. Existem processos catalíticos homogêneos e heterogêneos. Na catálise homogênea (homogênea), não há interface entre os reagentes e o catalisador. Neste caso, a catálise é realizada através da formação de produtos intermediários instáveis.

Por exemplo, a substância A deve reagir com a substância B. No entanto, é necessário um forte aquecimento para iniciar a reação, e a reação prossegue lentamente. Em seguida, o catalisador é selecionado de forma a formar um composto intermediário ativo com a substância A, que é então capaz de reagir vigorosamente com a substância B:

A + Gato. = A ∙ Gato.
A ∙ Gato. + B = AB ∙ Cat.
Gato.
A+B=AB

Processos nos quais o catalisador e as substâncias catalisadas estão em diferentes estados de agregação são chamados de catálise heterogênea (não homogênea). Quando reagentes gasosos ou líquidos são adsorvidos na superfície do catalisador, as ligações químicas são enfraquecidas e a capacidade dessas substâncias de interagir aumenta.

O efeito acelerador do catalisador é diminuir a energia de ativação da reação principal. Cada um dos processos intermediários envolvendo um catalisador prossegue com uma energia de ativação menor do que a reação não catalisada. A catálise abre outro caminho para uma reação química prosseguir dos materiais de partida para os produtos da reação.

A experiência mostra que os catalisadores são estritamente específicos para reações específicas. Por exemplo, em reagir:

N 2 + 3H 2 \u003d Fe 2NH 3

O catalisador é o ferro metálico, e na oxidação do óxido de enxofre (IV) a óxido de enxofre (VI), o catalisador é o óxido de vanádio (V) V 2 O 5. Platina, níquel, paládio e alumina são frequentemente usados ​​como catalisadores. Para acelerar a decomposição do peróxido de hidrogênio, o óxido de manganês(IV) é usado como catalisador. Se um pouco de óxido de manganês (IV) for adicionado a um copo com uma solução de peróxido de hidrogênio, uma rápida formação de espuma do líquido ocorre imediatamente como resultado da liberação de oxigênio.

O catalisador para a reação entre alumínio e iodo é a água comum. Se a água for adicionada a uma mistura de alumínio e iodo, as substâncias da mistura reagem violentamente.

Existem substâncias que podem retardar uma reação química - para realizar a chamada catálise negativa. Eles são chamados de inibidores. Tais substâncias são usadas, se necessário, para retardar alguns processos, por exemplo, corrosão de metais, oxidação de sulfetos durante o armazenamento, etc.

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Catalisadores fornecem um resultado mais rápido de qualquer reação química. Reagindo com as substâncias iniciais da reação, o catalisador forma com elas um composto intermediário, após o qual este composto sofre uma transformação e eventualmente se decompõe no produto final da reação necessário, bem como em um catalisador inalterado. Após a decomposição e formação do produto desejado, o catalisador reage novamente com os reagentes iniciais, formando uma quantidade crescente do material de partida. Esse ciclo pode ser repetido milhões de vezes, e se você remover o catalisador do grupo de reagentes, a reação pode durar centenas e milhares de vezes mais devagar.

Catalisadores heterogêneos e homogêneos. No decorrer de uma reação química, catalisadores heterogêneos formam uma fase independente, que é separada por um limite de separação da fase dos reagentes iniciais. Os catalisadores homogêneos, por outro lado, fazem parte da mesma fase que os reagentes iniciais.

Existem catalisadores de origem orgânica que estão envolvidos na fermentação e maturação, são chamados de enzimas. Sem a sua participação direta, a humanidade não seria capaz de receber a maior parte das bebidas alcoólicas, produtos lácticos, produtos de massa, bem como mel e. Sem a participação de enzimas, o metabolismo dos organismos vivos seria impossível.

Requisitos para substâncias catalisadoras

Catalisadores, que são amplamente utilizados na produção industrial, devem ter uma série de propriedades necessárias para a conclusão bem-sucedida da reação. Os catalisadores devem ser altamente ativos, seletivos, mecanicamente fortes e termicamente estáveis. Eles devem ter um efeito duradouro, fácil regeneração, resistência a venenos catalíticos, propriedades hidrodinâmicas e também um preço baixo.

Aplicações modernas de catalisadores industriais

Na produção de alta tecnologia atual, os catalisadores são usados ​​no craqueamento de produtos petrolíferos, na produção de hidrocarbonetos aromáticos e hidrocarbonetos de alta octanagem, na produção de hidrogênio puro, oxigênio ou gases inertes, na síntese de amônia e na produção de sulfúrico ácido sem custo adicional. Catalisadores também são amplamente utilizados para produzir ácido nítrico, anidrido ftálico, álcool metílico e acetaldeído. Os catalisadores mais utilizados são a platina, o vanádio, o níquel, o cromo, o ferro, o zinco, a prata, o alumínio e o paládio. Alguns sais desses metais também são usados ​​com bastante frequência.

Os catalisadores são classificados em homogêneo e heterogêneo. Um catalisador homogêneo está na mesma fase com os reagentes, um catalisador heterogêneo forma uma fase independente separada por uma interface da fase em que os reagentes estão localizados. Catalisadores homogêneos típicos são ácidos e bases. Metais, seus óxidos e sulfetos são usados ​​como catalisadores heterogêneos.

Reações do mesmo tipo podem ocorrer com catalisadores homogêneos e heterogêneos. Assim, juntamente com soluções ácidas, são utilizados Al 2 O 3 sólidos, TiO 2 , ThO 2 , aluminossilicatos e zeólitos com propriedades ácidas. Catalisadores heterogêneos com propriedades básicas: CaO, BaO, MgO.

Catalisadores heterogêneos, via de regra, possuem uma superfície altamente desenvolvida, para a qual são distribuídos em um suporte inerte (gel de sílica, alumina, carvão ativado, etc.).

Para cada tipo de reação, apenas determinados catalisadores são eficazes. Além dos já mencionados base ácida, existem catalisadores redox; eles são caracterizados pela presença de um metal de transição ou seu composto (Co +3, V 2 O 5 + MoO 3). Neste caso, a catálise é realizada alterando o estado de oxidação do metal de transição.

Muitas reações são realizadas com a ajuda de catalisadores que atuam através da coordenação de reagentes no átomo ou íon do metal de transição (Ti, Rh, Ni). Essa catálise é chamada coordenando.

Se o catalisador tiver propriedades quirais, então um produto opticamente ativo é obtido a partir de um substrato opticamente inativo.

Na ciência e tecnologia modernas, é frequentemente usado sistemas multicatalisadores, cada um dos quais acelera uma etapa diferente na reação. O catalisador também pode aumentar a velocidade de uma das etapas do ciclo catalítico realizado por outro catalisador. É aqui que ocorre a "catálise da catálise", ou catálise de segundo nível.

As enzimas desempenham o papel de catalisadores em reações bioquímicas.

Catalisadores devem ser diferenciados de iniciadores. Por exemplo, os peróxidos se decompõem em radicais livres que podem iniciar reações em cadeia de radicais. Iniciadores são consumidos durante a reação, então eles não podem ser considerados catalisadores.

mecanismo de catálise: 1) peles. encenado (mudança no caminho da reação) 2) associativo 3) enzimático 4) microheterogêneo

Especificidade da catálise reside no fato de que, na presença de um catalisador, o caminho ao longo do qual a reação global ocorre muda, outros estados de transição são formados com diferentes energias de ativação e, portanto, a velocidade da reação química também muda. reações.

o processamento da madeira é caro na produção, por isso, são utilizados catalisadores que aceleram o processo de transformação química, aumentam o rendimento do produto e reduzem a emissão de substâncias nocivas. vantagem do izp. catalisadores na medida em que não requerem grandes gastos.

28. Soluções. Processos na formação de soluções. Soluções ideais e reais. Hidrata e solvata.

Soluções- sistemas homogêneos (homogêneos), ou seja, cada um dos componentes é distribuído na massa do outro na forma de moléculas, átomos ou íons

O processo de interação entre um solvente e um soluto é chamado de solvatação(se o solvente for água - hidratação).

A energia característica da dissolução é calor de formação solução, considerado como a soma algébrica dos efeitos térmicos de todas as etapas endo e exotérmicas do processo. Os mais significativos entre eles são: - processos de absorção de calor- destruição da rede cristalina, quebra de ligações químicas nas moléculas; - processos de geração de calor- formação de produtos de interação de uma substância dissolvida com um solvente (hidratos), etc.

SOLVATOS, produtos da adição de um solvente a solutos. Normalmente, os solvatos são formados em solução, mas muitas vezes (quando a solução é resfriada, o solvente evapora, etc.) obtido na forma de cristalino. fases solvatadas cristalinas.

Hidratos - produtos da adição de água a substâncias inorgânicas e orgânicas

Catáliseé o processo de alterar a velocidade de uma reação química por catalisadores- que participam de uma reação química, mas não são incluídos na composição dos produtos finais e não são consumidos como resultado da reação.

Alguns catalisadores aceleram a reação ( catálise positiva ), outros desaceleram ( catálise negativa ). A catálise negativa é chamada inibição, e catalisadores que diminuem a velocidade de uma reação química inibidores.

Distinguir entre catálise homogênea e heterogênea.

catálise homogênea.

Na catálise homogênea (homogênea), os reagentes e o catalisador estão no mesmo local e não há interface entre eles. Um exemplo de catálise homogênea é uma reação de oxidação SO2 e SO 3 na presença de um catalisador NÃO(os reagentes e o catalisador são gases).

catálise heterogênea.

No caso de catálise heterogênea (não homogênea), os reagentes e o catalisador estão em diferentes estados de agregação e existe uma interface (fronteira) entre eles. Normalmente, o catalisador é um sólido e os reagentes são líquidos ou gases. Um exemplo de catálise heterogênea é a oxidação NN 3 antes da NÃO na presença PT(catalisador é um sólido).

O mecanismo de ação dos catalisadores

A ação de catalisadores positivos é reduzida a uma diminuição na energia de ativação da reação E a(ref), a ação dos inibidores é o oposto.

Então para a reação 2 AL=H2+eu 2 E a (ref) \u003d 184 kJ / mol. Quando esta reação ocorre na presença de um catalisador Au ou PT, então E a (ref) \u003d 104 kJ / mol, respectivamente.

O mecanismo de ação de um catalisador em catálise homogênea é explicado pela formação de compostos intermediários entre o catalisador e um dos reagentes. Em seguida, o composto intermediário reage com o segundo material de partida, resultando na formação do produto da reação e do catalisador em sua forma original. Como a velocidade de ambos os processos intermediários é muito maior que a velocidade do processo direto, a reação com a participação de um catalisador ocorre muito mais rapidamente do que sem ele.

Por exemplo, a reação:

SO 2 +1/2O2 =SO 3 procede muito lentamente, e se você usar um catalisador NÃO

então as reações NÃO + 1 / 2O 2 \u003dNÃO 2 e NO2+SO2 =SO3+NÃO fluir rapidamente.

O mecanismo de ação do catalisador em catálise heterogênea é diferente. Neste caso, a reação ocorre devido a adsorção moléculas de substâncias reagentes pela superfície do catalisador (a superfície do catalisador não é uniforme: tem o chamado centros ativos , em que partículas das substâncias reagentes são adsorvidas.). Um aumento na velocidade de uma reação química é alcançado principalmente devido a uma diminuição na energia de ativação das moléculas adsorvidas e também, em parte, devido a um aumento na concentração de reagentes nos locais onde ocorreu a adsorção.

Venenos e promotores catalíticos.

Algumas substâncias reduzem ou destroem completamente a atividade do catalisador, tais substâncias são chamadas de venenos catalíticos. Por exemplo, pequenas impurezas de enxofre (0,1%) interrompem completamente a ação catalítica do catalisador metálico (ferro esponja) usado na síntese de amônia. Substâncias que aumentam a atividade de um catalisador são chamadas de promotores. Por exemplo, a atividade catalítica do ferro esponjoso aumenta significativamente com a adição de cerca de 2% de metaaluminato de potássio. KALO 2.

Aplicação de catalisadores

A ação do catalisador é seletiva e específica. Isso significa que diferentes produtos podem ser obtidos a partir das mesmas substâncias usando diferentes catalisadores. Isto é especialmente verdadeiro para as reações de substâncias orgânicas. Por exemplo, na presença de um catalisador AlO3 ocorre desidratação do álcool etílico, na presença de Cu– desidrogenação:

Catalisadores biológicos que participam de transformações químicas complexas que ocorrem no corpo são chamados de enzimas.

Catalisadores são amplamente utilizados na produção de ácido sulfúrico, amônia, borracha, plásticos e outras substâncias.

As taxas de reações químicas podem aumentar drasticamente na presença de várias substâncias que não são reagentes e não fazem parte dos produtos da reação. Esse fenômeno notável é chamado catálise(do grego "katalysis" - destruição). Uma substância que aumenta a velocidade de uma reação em uma mistura é chamada catalisador. Sua quantidade antes e depois da reação permanece inalterada. Catalisadores não representam nenhuma classe especial de substâncias. Em várias reações, metais, óxidos, ácidos, sais e compostos complexos podem exibir um efeito catalítico. As reações químicas nas células vivas ocorrem sob o controle de proteínas catalíticas chamadas enzimas. A catálise deve ser considerada como um verdadeiro fator químico no aumento das velocidades das reações químicas, uma vez que o catalisador está diretamente envolvido na reação. A catálise é muitas vezes mais poderosa e menos arriscada para acelerar uma reação do que aumentar a temperatura. Isso se manifesta claramente no exemplo de reações químicas em organismos vivos. Reações, como a hidrólise de proteínas, que em laboratórios devem ser realizadas com aquecimento prolongado até o ponto de ebulição, no processo de digestão ocorrem sem aquecimento à temperatura corporal.

Pela primeira vez, o fenômeno da catálise foi observado pelo químico francês L. J. Tenard (1777-1857) em 1818. Ele descobriu que óxidos de certos metais, quando o peróxido de hidrogênio é adicionado a uma solução, causam sua decomposição. Essa experiência é fácil de reproduzir pela adição de cristais de permanganato de potássio a uma solução de peróxido de hidrogênio a 3%. O sal KMp0 4 se transforma em Mn0 2 e o oxigênio é rapidamente liberado da solução sob a ação do óxido:

O efeito direto do catalisador na velocidade da reação está associado a uma diminuição na energia de ativação. Na diminuição normal da temperatura? e em 20 kJ/mol aumenta a constante de velocidade em aproximadamente 3.000 vezes. rebaixar EL pode ser muito mais forte. No entanto, a diminuição da energia de ativação é uma manifestação externa da ação do catalisador. A reação é caracterizada por um certo valor E. v que só pode mudar se a própria reação mudar. Dando os mesmos produtos, a reação com a participação da substância adicionada segue um caminho diferente, passando por diferentes estágios e com uma energia de ativação diferente. Se neste novo caminho a energia de ativação é menor e a reação é correspondentemente mais rápida, então dizemos que esta substância é um catalisador.

O catalisador interage com um dos reagentes, formando algum composto intermediário. Em um dos estágios subsequentes da reação, o catalisador é regenerado - ele deixa a reação em sua forma original. Os reagentes, participando de uma reação catalítica, continuam interagindo entre si e ao longo de um caminho lento sem a participação de um catalisador. Portanto, as reações catalíticas pertencem a uma variedade de reações complexas chamadas séries-paralelas. Na fig. 11.8 mostra a dependência da constante de velocidade da concentração do catalisador. O gráfico de dependência não passa por zero, pois na ausência de um catalisador a reação não para.

Arroz. 11.8.

constante observável k expresso como uma soma você+ & k c(k)

Exemplo 11.5. A uma temperatura de -500 °C, a reação de oxidação do óxido de enxofre (IV)

que é uma das etapas da produção industrial de ácido sulfúrico, é muito lenta. Um aumento adicional na temperatura é inaceitável, uma vez que o equilíbrio se desloca para a esquerda (reação exotérmica) e o rendimento do produto cai muito. Mas esta reação é acelerada por vários catalisadores, um dos quais pode ser o óxido nítrico (II). Primeiro, o catalisador reage com o oxigênio:

e então transfere um átomo de oxigênio para óxido de enxofre (IV):

Assim, o produto final da reação é formado e o catalisador é regenerado. Para a reação, abriu-se a possibilidade de fluir ao longo de um novo caminho, no qual as constantes de velocidade aumentaram significativamente:

O diagrama abaixo mostra ambas as vias do processo de oxidação do S0 2 . Na ausência de um catalisador, a reação ocorre apenas ao longo do caminho lento e, na presença de um catalisador, ao longo de ambos.

Existem dois tipos de catálise - homogêneo e heterogêneo. No primeiro caso, o catalisador e os reagentes formam um sistema homogêneo na forma de uma mistura ou solução gasosa. Um exemplo de oxidação de óxido de enxofre é a catálise homogênea. A velocidade de uma reação catalítica homogênea depende tanto das concentrações dos reagentes quanto da concentração do catalisador.

Na catálise heterogênea, o catalisador é um sólido na forma pura ou suportado em operadora. Por exemplo, a platina como catalisador pode ser fixada em amianto, alumina, etc. Moléculas reagentes são adsorvidas (absorvidas) de um gás ou solução em pontos específicos na superfície do catalisador - centros ativos e são ativados ao mesmo tempo. Após a transformação química, as moléculas do produto resultante são dessorvidas da superfície do catalisador. Atos de transformação de partículas são repetidos em centros ativos. Entre outros fatores, a taxa de uma reação catalítica heterogênea depende da área de superfície do material catalítico.

A catálise heterogênea é especialmente amplamente utilizada na indústria. Isso se deve à facilidade de realizar um processo catalítico contínuo com a passagem de uma mistura de reagentes através de um aparelho de contato com um catalisador.

Os catalisadores atuam de forma seletiva, acelerando um tipo muito específico de reação ou mesmo uma única reação sem afetar as demais. Isso possibilita o uso de catalisadores não apenas para acelerar as reações, mas também para converter propositalmente materiais de partida em produtos desejados. Metano e água a 450 ° C no catalisador Fe 2 0 3 são convertidos em dióxido de carbono e hidrogênio:

As mesmas substâncias a 850°C reagem na superfície do níquel para formar monóxido de carbono (II) e hidrogênio:

A catálise pertence às áreas da química em que ainda não é possível fazer previsões teóricas precisas. Todos os catalisadores industriais para o processamento de derivados de petróleo, gás natural, produção de amônia e muitos outros foram desenvolvidos com base em trabalhosos e demorados estudos experimentais.

A capacidade de controlar a velocidade dos processos químicos é de importância inestimável na atividade econômica humana. Na produção industrial de produtos químicos, geralmente é necessário aumentar as taxas de processos químicos tecnológicos, e no armazenamento de produtos, é necessário reduzir a taxa de decomposição ou exposição ao oxigênio, água, etc. Substâncias conhecidas que podem retardar reações químicas. Eles são chamados inibidores, ou catalisadores negativos. Os inibidores diferem fundamentalmente dos catalisadores reais, pois reagem com espécies ativas (radicais livres) que, por uma razão ou outra, surgem em uma substância ou em seu ambiente e causam reações valiosas de decomposição e oxidação. Os inibidores são consumidos gradualmente, terminando sua ação protetora. O tipo mais importante de inibidores são os antioxidantes, que protegem vários materiais dos efeitos do oxigênio.

Também deve ser lembrado do que não pode ser alcançado com a ajuda de catalisadores. Eles são capazes de acelerar apenas reações espontâneas. Se a reação não ocorrer espontaneamente, o catalisador não poderá acelerá-la. Por exemplo, nenhum catalisador pode fazer com que a água se decomponha em hidrogênio e oxigênio. Este processo pode ser realizado apenas por eletrólise, enquanto gasta trabalho elétrico.

Catalisadores também podem ativar processos indesejados. Nas últimas décadas, houve uma destruição gradual da camada de ozônio da atmosfera a uma altitude de 20 a 25 km. Supõe-se que algumas substâncias estejam envolvidas na decomposição do ozônio, por exemplo, hidrocarbonetos halogenados emitidos para a atmosfera por empresas industriais, bem como utilizados para fins domésticos.