Una dintre cele mai eficiente influențe asupra reacțiilor chimice este utilizarea unui catalizator. Catalizatorii sunt substanțe care accelerează reacțiile chimice. Prezența catalizatorilor modifică viteza de reacție de mii și chiar milioane de ori. Catalizatorii participă activ la o reacție chimică, dar spre deosebire de reactanți, ei rămân neschimbați la sfârșitul acesteia.

- Acestea sunt substanțe care modifică viteza reacției, dar nu sunt ele însele consumate în timpul reacției și nu fac parte din produsele finale.

O caracteristică importantă a unei reacții catalitice (cataliza) este omogenitatea sau eterogenitatea catalizatorului și reactanților. Există procese catalitice omogene și eterogene. În cataliza omogenă (omogenă), nu există nicio interfață între reactanți și catalizator. În acest caz, cataliza se realizează prin formarea de produși intermediari instabili.

De exemplu, substanța A trebuie să reacționeze cu substanța B. Cu toate acestea, este necesară o încălzire puternică pentru a începe reacția, iar reacția continuă apoi lent. Apoi catalizatorul este selectat în așa fel încât să formeze un compus intermediar activ cu substanța A, care este apoi capabil să reacționeze energic cu substanța B:

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

Procesele în care catalizatorul și substanțele catalizate sunt în diferite stări de agregare sunt denumite cataliză eterogenă (neuniformă). Atunci când reactivii gazoși sau lichizi sunt adsorbiți pe suprafața catalizatorului, legăturile chimice sunt slăbite, iar capacitatea acestor substanțe de a interacționa crește.

Efectul de accelerare al catalizatorului este de a reduce energia de activare a reacției principale. Fiecare dintre procesele intermediare care implică un catalizator se desfășoară cu o energie de activare mai mică decât reacția necatalizată. Cataliza deschide o altă cale pentru ca o reacție chimică să treacă de la materiile prime la produsele de reacție.

Experiența arată că catalizatorii sunt strict specifici pentru reacții specifice. De exemplu, în reacție:

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

Catalizatorul este fier metalic, iar în oxidarea oxidului de sulf (IV) la oxid de sulf (VI), catalizatorul este oxidul de vanadiu (V) V 2 O 5. Platina, nichelul, paladiul și alumina sunt adesea folosite ca catalizatori. Pentru a accelera descompunerea peroxidului de hidrogen, oxidul de mangan (IV) este utilizat ca catalizator. Dacă se adaugă puțin oxid de mangan (IV) într-un pahar cu o soluție de peroxid de hidrogen, apare imediat o spumare rapidă a lichidului ca urmare a eliberării de oxigen.

Catalizatorul pentru reacția dintre aluminiu și iod este apa obișnuită. Dacă la un amestec de aluminiu și iod se adaugă apă, substanțele din amestec reacţionează violent.

Există substanțe care pot încetini o reacție chimică - pentru a efectua așa-numita cataliză negativă. Se numesc inhibitori. Astfel de substanțe sunt folosite, dacă este necesar, pentru a încetini unele procese, de exemplu, coroziunea metalelor, oxidarea sulfurilor în timpul depozitării etc.

Aveți nevoie de JavaScript activat pentru a vota

Catalizatorii oferă un rezultat mai rapid al oricărei reacții chimice. Reacționând cu substanțele inițiale ale reacției, catalizatorul formează cu acestea un compus intermediar, după care acest compus suferă o transformare și în cele din urmă se descompune în produsul final de reacție necesar, precum și într-un catalizator nealterat. După descompunerea și formarea produsului dorit, catalizatorul reacționează din nou cu reactivii inițiali, formând o cantitate din ce în ce mai mare de materie primă. Acest ciclu poate fi repetat de milioane de ori, iar dacă eliminați catalizatorul din grupul de reactanți, reacția poate dura de sute și de mii de ori mai încet.

Catalizatori eterogene și omogene. În cursul unei reacții chimice, catalizatorii eterogene formează o fază independentă, care este separată printr-o limită de separare de faza reactivilor inițiali. Catalizatorii omogene, pe de altă parte, fac parte din aceeași fază ca reactanții de pornire.

Există catalizatori de origine organică care sunt implicați în fermentație și maturare, se numesc enzime. Fără participarea lor directă, omenirea nu ar putea primi majoritatea băuturilor alcoolice, produse cu acid lactic, produse din aluat, precum și miere și. Fără participarea enzimelor, metabolismul organismelor vii ar fi imposibil.

Cerințe pentru substanțele catalizatoare

Catalizatorii, care sunt utilizați pe scară largă în producția industrială, trebuie să aibă o serie de proprietăți necesare pentru finalizarea cu succes a reacției. Catalizatorii trebuie să fie foarte activi, selectivi, puternici mecanic și stabili termic. Acestea ar trebui să aibă un efect de lungă durată, o regenerare ușoară, rezistență la otrăvuri catalitice, proprietăți hidrodinamice și, de asemenea, un preț scăzut.

Aplicații moderne ale catalizatorilor industriali

În producția actuală de înaltă tehnologie, catalizatorii sunt utilizați în cracarea produselor petroliere, producerea de hidrocarburi aromatice și hidrocarburi cu octan ridicat, producerea de hidrogen pur, oxigen sau gaze inerte, sinteza amoniacului și producerea de sulfuric. acid fără costuri suplimentare. Catalizatorii sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă pentru a produce acid azotic, anhidridă ftalică, alcool metilic și acetaldehidă. Cei mai folosiți catalizatori sunt metalul de platină, vanadiu, nichel, crom, fier, zinc, argint, aluminiu și paladiu. Unele săruri ale acestor metale sunt, de asemenea, destul de des folosite.

Catalizatorii sunt clasificați în omogenși eterogen. Un catalizator omogen se află în aceeași fază cu reactanții, un catalizator eterogen formează o fază independentă separată printr-o interfață de faza în care se află reactanții. Catalizatorii omogene tipici sunt acizii și bazele. Metalele, oxizii și sulfurile lor sunt utilizate ca catalizatori eterogene.

Reacțiile de același tip pot avea loc atât cu catalizatori omogene, cât și cu catalizatori eterogene. Astfel, împreună cu soluțiile acide, sunt utilizați Al2O3, TiO2, ThO2, aluminosilicați și zeoliți cu proprietăți acide. Catalizatori eterogene cu proprietăți de bază: CaO, BaO, MgO.

Catalizatorii eterogene, de regulă, au o suprafață foarte dezvoltată, pentru care sunt distribuiți pe un purtător inert (silicagel, alumină, cărbune activ etc.).

Pentru fiecare tip de reacție, doar anumiți catalizatori sunt eficienți. Pe lângă cele deja menționate bază acidă, există catalizatori redox; se caracterizează prin prezența unui metal tranzițional sau a compusului acestuia (Co +3, V 2 O 5 + MoO 3). În acest caz, cataliza se realizează prin schimbarea stării de oxidare a metalului de tranziție.

Multe reacții sunt efectuate cu ajutorul catalizatorilor care acționează prin coordonarea reactanților la atomul sau ionul metalului de tranziție (Ti, Rh, Ni). Această cataliza se numește coordonarea.

Dacă catalizatorul are proprietăți chirale, atunci se obține un produs optic activ dintr-un substrat optic inactiv.

În știința și tehnologia modernă, este adesea folosit sisteme multi-catalizator, fiecare dintre acestea accelerând o etapă diferită în reacție. Catalizatorul poate de asemenea să mărească viteza uneia dintre etapele ciclului catalitic efectuat de un alt catalizator. Aici are loc „cataliza catalizei” sau cataliză de al doilea nivel.

Enzimele joacă rolul de catalizatori în reacțiile biochimice.

Catalizatorii trebuie să fie distinși de inițiatori. De exemplu, peroxizii se descompun în radicali liberi care pot iniția reacții radicalice în lanț. Inițiatorii sunt consumați în timpul reacției, deci nu pot fi considerați catalizatori.

mecanism de cataliză: 1) blană. etape (modificarea căii de reacție) 2) asociativă 3) enzimatică 4) microeterogene

Specificitatea catalizei constă în faptul că, în prezența unui catalizator, calea pe care are loc reacția globală se modifică, se formează alte stări de tranziție cu energii de activare diferite și, prin urmare, se modifică și viteza reacției chimice. reactii.

prelucrarea lemnului este costisitoare în producție, prin urmare, se folosesc catalizatori care accelerează procesul de transformare chimică, cresc randamentul produsului și reduc emisiile de substanțe nocive. avantajul izp. catalizatori prin faptul că nu necesită cheltuieli mari.

28. Soluții. Procese în formarea soluțiilor. Soluții ideale și reale. Hidratează și solvați.

Soluții- sisteme omogene (omogene), adică fiecare dintre componente este distribuit în masa celuilalt sub formă de molecule, atomi sau ioni

Procesul de interacțiune dintre un solvent și o substanță dizolvată se numește solvatarea(daca solventul este apa - hidratare).

Caracteristica energetică a dizolvării este căldură de formare soluţie, considerată ca suma algebrică a efectelor termice ale tuturor etapelor endo- și exoterme ale procesului. Cele mai semnificative dintre ele sunt: ​​- procese de absorbție a căldurii- distrugerea rețelei cristaline, ruperea legăturilor chimice în molecule; - procese de generare a căldurii- formarea produselor de interacțiune a unei substanțe dizolvate cu un solvent (hidrați) etc.

SOLVAȚI, produse ale adăugării unui solvent la substanțe dizolvate. De obicei, solvații se formează în soluție, dar adesea (când soluția este răcită, solventul se evaporă etc.) obţinută sub formă de cristalin. fazele de solvat cristalin.

Hidrați - produse din adăugarea apei la substanțe anorganice și organice

Catalizăeste procesul de modificare a vitezei unei reacții chimice prin catalizatori- care participă la o reacție chimică, dar nu sunt incluse în compoziția produselor finite și nu sunt consumate ca urmare a reacției.

Unii catalizatori accelerează reacția ( cataliză pozitivă ), alții încetinesc ( cataliză negativă ). Se numește cataliză negativă inhibitieși catalizatori care scad viteza unei reacții chimice inhibitori.

Distingeți între cataliza omogenă și eterogenă.

cataliză omogenă.

În cataliza omogenă (omogenă), reactanții și catalizatorul sunt în același loc și nu există nicio interfață între ei. Un exemplu de cataliză omogenă este o reacție de oxidare SO2și SO 3în prezenţa unui catalizator NU(reactanții și catalizatorul sunt gaze).

cataliză eterogenă.

În cazul catalizei eterogene (neomogene), reactanții și catalizatorul sunt în stări diferite de agregare și există o interfață (limită) între ei. De obicei, catalizatorul este un solid, iar reactanții sunt lichide sau gaze. Un exemplu de cataliza heterogenă este oxidarea NN 3 inainte de NU in prezenta Pt(catalizatorul este un solid).

Mecanismul de acțiune al catalizatorilor

Acțiunea catalizatorilor pozitivi se reduce la o scădere a energiei de activare a reacției E a(ref), acţiunea inhibitorilor este inversă.

Deci pentru reacție 2 HI=H2+eu 2 E a (ref) \u003d 184 kJ / mol. Când această reacție are loc în prezența unui catalizator Au sau Pt, apoi E a (ref) \u003d 104 kJ / mol, respectiv.

Mecanismul de acțiune al unui catalizator în cataliză omogenă se explică prin formarea de compuși intermediari între catalizator și unul dintre reactanți. Apoi, compusul intermediar reacționează cu a doua materie primă, rezultând formarea produsului de reacție și a catalizatorului în forma sa originală. Deoarece viteza ambelor procese intermediare este mult mai mare decât viteza procesului direct, reacția cu participarea unui catalizator se desfășoară mult mai rapid decât fără acesta.

De exemplu, reacția:

SO 2 +1/2O 2 =SO 3 procedează foarte lent, iar dacă utilizați un catalizator NU

apoi reactiile NU + 1 / 2O 2 \u003dNU 2și NO2+SO2 =SO3+NU curge rapid.

Mecanismul de acțiune a catalizatorului în cataliza heterogenă este diferit. În acest caz, reacția continuă datorită adsorbţie molecule de substanțe care reacţionează de către suprafața catalizatorului (suprafața catalizatorului nu este uniformă: are așa-numita centre active , pe care sunt adsorbite particule din substanțele care reacţionează.). O creștere a vitezei unei reacții chimice se realizează în principal datorită scăderii energiei de activare a moleculelor adsorbite și, de asemenea, parțial, datorită creșterii concentrației de reactanți în locurile în care a avut loc adsorbția.

Otrăvuri catalitice și promotori.

Unele substanțe reduc sau distrug complet activitatea catalizatorului, astfel de substanțe se numesc otravuri catalitice. De exemplu, impuritățile mici de sulf (0,1%) opresc complet acțiunea catalitică a catalizatorului metalic (fier-burete) utilizat în sinteza amoniacului. Substanțele care măresc activitatea unui catalizator se numesc promotori. De exemplu, activitatea catalitică a fierului burete crește semnificativ cu adăugarea a aproximativ 2% metaaluminat de potasiu. CALO 2.

Aplicarea catalizatorilor

Actiunea catalizatorului este selectiva si specifica. Aceasta înseamnă că pot fi obținute produse diferite din aceleași substanțe folosind catalizatori diferiți. Acest lucru este valabil mai ales pentru reacțiile substanțelor organice. De exemplu, în prezența unui catalizator AlO 3 are loc deshidratarea alcoolului etilic, în prezenţa de Cu- dehidrogenare:

Catalizatorii biologici care iau parte la transformările chimice complexe care au loc în organism se numesc enzime.

Catalizatorii sunt utilizați pe scară largă în producția de acid sulfuric, amoniac, cauciuc, materiale plastice și alte substanțe.

Viteza reacțiilor chimice poate crește dramatic în prezența diferitelor substanțe care nu sunt reactanți și nu fac parte din produșii de reacție. Acest fenomen remarcabil se numește cataliză(din grecescul „katalysis” – distrugere). O substanță care crește viteza unei reacții într-un amestec se numește catalizator. Cantitatea sa înainte și după reacție rămâne neschimbată. Catalizatorii nu reprezintă nicio clasă specială de substanțe. În diferite reacții, metalele, oxizii, acizii, sărurile și compușii complecși pot prezenta un efect catalitic. Reacțiile chimice din celulele vii au loc sub controlul proteinelor catalitice numite enzime. Cataliza trebuie considerată ca un adevărat factor chimic în creșterea vitezei reacțiilor chimice, deoarece catalizatorul este direct implicat în reacție. Cataliza este adesea mai puternică și mai puțin riscantă în accelerarea unei reacții decât creșterea temperaturii. Acest lucru se manifestă în mod clar în exemplul reacțiilor chimice din organismele vii. Reacțiile, cum ar fi hidroliza proteinelor, care în laboratoare trebuie efectuate cu încălzire prelungită până la punctul de fierbere, în procesul de digestie se desfășoară fără încălzire la temperatura corpului.

Pentru prima dată, fenomenul de cataliză a fost observat de chimistul francez L. J. Tenard (1777-1857) în 1818. El a descoperit că oxizii anumitor metale, atunci când se adaugă peroxid de hidrogen într-o soluție, provoacă descompunerea acesteia. O astfel de experiență este ușor de reprodus prin adăugarea de cristale de permanganat de potasiu la o soluție de peroxid de hidrogen de 3%. Sarea KMp0 4 se transformă în Mn0 2, iar oxigenul este eliberat rapid din soluție sub acțiunea oxidului:

Efectul direct al catalizatorului asupra vitezei de reacție este asociat cu o scădere a energiei de activare. La scaderea normala a temperaturii? iar cu 20 kJ/mol crește constanta de viteză de aproximativ 3000 de ori. downgrade E L poate fi mult mai puternic. Cu toate acestea, scăderea energiei de activare este o manifestare externă a acțiunii catalizatorului. Reacția este caracterizată de o anumită valoare E. v care se poate schimba numai dacă reacția în sine se modifică. Oferind aceleași produse, reacția cu participarea substanței adăugate se desfășoară pe o cale diferită, prin diferite etape și cu o energie de activare diferită. Dacă pe această nouă cale energia de activare este mai mică și reacția este în mod corespunzător mai rapidă, atunci spunem că această substanță este un catalizator.

Catalizatorul interacționează cu unul dintre reactanți, formând un compus intermediar. La una dintre etapele ulterioare ale reacției, catalizatorul este regenerat - lasă reacția în forma sa originală. Reactivii, care participă la o reacție catalitică, continuă să interacționeze între ei și pe o cale lentă, fără participarea unui catalizator. Prin urmare, reacțiile catalitice aparțin unei varietăți de reacții complexe numite serie-paralel. Pe fig. 11.8 arată dependența constantei de viteză de concentrația catalizatorului. Graficul de dependență nu trece prin zero, deoarece în absența unui catalizator, reacția nu se oprește.

Orez. 11.8.

constanta observabila k exprimată ca sumă k u+ & k c(k)

Exemplul 11.5. La o temperatură de -500 °C, reacția de oxidare a oxidului de sulf (IV)

care este una dintre etapele producției industriale de acid sulfuric, este foarte lent. O creștere suplimentară a temperaturii este inacceptabilă, deoarece echilibrul se deplasează la stânga (reacție exotermă) și randamentul produsului scade prea mult. Dar această reacție este accelerată de diverși catalizatori, dintre care unul poate fi oxidul de azot (II). În primul rând, catalizatorul reacţionează cu oxigenul:

și apoi transferă un atom de oxigen la oxid de sulf (IV):

Astfel, se formează produsul final al reacției și se regenerează catalizatorul. Pentru reacție, a fost deschisă posibilitatea de a curge pe o nouă cale, în care constantele vitezei au crescut semnificativ:

Diagrama de mai jos prezintă ambele căi ale procesului de oxidare a S02. În absența unui catalizator, reacția se desfășoară numai pe calea lentă și, în prezența unui catalizator, de-a lungul ambelor.

Există două tipuri de cataliză - omogenși eterogen.În primul caz, catalizatorul și reactivii formează un sistem omogen sub formă de amestec sau soluție de gaze. Un exemplu de oxidare a oxidului de sulf este cataliza omogenă. Viteza unei reacții catalitice omogene depinde atât de concentrația reactanților, cât și de concentrația catalizatorului.

În cataliza eterogenă, catalizatorul este un solid în formă pură sau pe suport purtător. De exemplu, platina ca catalizator poate fi fixată pe azbest, alumină etc. Moleculele de reactiv sunt adsorbite (absorbite) dintr-un gaz sau soluție în puncte specifice de pe suprafața catalizatorului - centri activi și sunt activate în același timp. După transformarea chimică, moleculele de produs rezultate sunt desorbite de pe suprafața catalizatorului. Actele de transformare a particulelor se repetă la centrele active. Printre alți factori, viteza unei reacții catalitice eterogene depinde de suprafața materialului catalitic.

Cataliza heterogenă este utilizată în special în industrie. Acest lucru se datorează ușurinței efectuării unui proces catalitic continuu cu trecerea unui amestec de reactivi printr-un aparat de contact cu un catalizator.

Catalizatorii acționează selectiv, accelerând un tip foarte specific de reacție, sau chiar o singură reacție, fără a-i afecta pe alții. Acest lucru face posibilă utilizarea catalizatorilor nu numai pentru a accelera reacțiile, ci și pentru a transforma intenționat materiile prime în produsele dorite. Metanul și apa la 450 ° C pe catalizatorul Fe 2 0 3 sunt transformate în dioxid de carbon și hidrogen:

Aceleași substanțe la 850 °C reacționează pe suprafața nichelului formând monoxid de carbon (II) și hidrogen:

Cataliza aparține acelor domenii ale chimiei în care nu este încă posibil să se facă predicții teoretice precise. Toți catalizatorii industriali pentru prelucrarea produselor petroliere, a gazelor naturale, a producției de amoniac și mulți alții au fost dezvoltați pe baza unor studii experimentale laborioase și îndelungate.

Capacitatea de a controla viteza proceselor chimice este de o importanță inestimabilă în activitatea economică umană. În producția industrială de produse chimice, este de obicei necesară creșterea ratelor proceselor chimice tehnologice, iar în depozitarea produselor este necesară reducerea ratei de descompunere sau expunere la oxigen, apă etc. Substanțe cunoscute care pot încetini reacțiile chimice. Sunt chemați inhibitori, sau catalizatori negativi. Inhibitorii diferă fundamental de catalizatorii reali prin faptul că reacționează cu specii active (radicali liberi) care, dintr-un motiv sau altul, apar într-o substanță sau în mediul acesteia și provoacă reacții valoroase de descompunere și oxidare. Inhibitorii se consumă treptat, punând capăt acțiunii lor protectoare. Cel mai important tip de inhibitori sunt antioxidanții, care protejează diferite materiale de efectele oxigenului.

De asemenea, trebuie amintit ceea ce nu se poate realiza cu ajutorul catalizatorilor. Sunt capabili să accelereze doar reacții spontane. Dacă reacția nu are loc spontan, atunci catalizatorul nu o va putea accelera. De exemplu, niciun catalizator nu poate determina descompunerea apei în hidrogen și oxigen. Acest proces poate fi efectuat numai prin electroliză, în timp ce cheltuiește lucrări electrice.

Catalizatorii pot activa, de asemenea, procese nedorite. În ultimele decenii, a avut loc o distrugere treptată a stratului de ozon al atmosferei la o altitudine de 20-25 km. Se presupune că unele substanțe sunt implicate în degradarea ozonului, de exemplu, hidrocarburile halogenate emise în atmosferă de întreprinderile industriale, precum și utilizate în scopuri casnice.