Что делает катализатор в химии
Каталитические реакции весьма распространены в химии и некоторые из них можно провести даже в домашних условиях. Например, 3%-ный раствор перекиси водорода (именно такой продают в аптеках) вполне устойчив в отсутствие примесей. Но при добавлении очень небольшого количества (нескольких крупинок) твердого диоксида марганца MnO2 начинается реакция разложения Н2О2 с выделением газообразного кислорода:
В качестве катализаторов часто выступают обычные кислоты, основания, оксиды металлов или сами металлы. Но бывают и сложные катализаторы, поиск и приготовление которых требуют большого труда.
Катализаторами называются вещества, способные ускорять химические реакции, сами оставаясь при этом неизменными.
Еще одно важное свойство катализаторов заключается в способности повышать избирательность протекания реакций. Если какие-то реагенты могут реагировать между собой по разным направлениям (то есть давать несколько различных продуктов), то с участием катализаторов во многих случаях образуется только какой-то один продукт реакции. Избирательное протекание реакции называется селективностью. Таким образом, главные полезные свойства катализаторов заключаются в повышении скорости и селективности химических реакций.
Рис. 9-12. В присутствии катализатора Al2O3 реакция разложения этанола протекает по пути с меньшей энергией активации Еа, чем без катализатора. Тепловой эффект реакции при этом не меняется. Подобная закономерность характерна не только для эндотермических, но и для экзотермических реакций.
Как же работают катализаторы? Ответ на этот вопрос известен далеко не всегда. Однако в ряде случаев каталитические превращения изучены хорошо и химикам понятен механизм этих реакций. Термин «механизм реакции» раньше нам не встречался, поэтому необходимо объяснить его значение. Выяснение механизма реакции – это установление строения короткоживущих промежуточных частиц, возникающих на пути от реагентов к продуктам реакции. Такие неустойчивые промежуточные вещества часто невозможно выделить, но они могут быть изучены косвенными методами. Именно от строения и устойчивости (или неустойчивости) промежуточных частиц зависит скорость любой реакции и выбор того или иного её направления.
Например, использование серной кислоты H2SO4 в качестве гомогенного катализатора позволяет получать этилен из этанола уже при 170 о С. Это говорит о еще более значительном снижении энергии активации и ускорении реакции:
Реакцию проводят в растворе. Катализатором здесь является даже не сама серная кислота, а образующиеся при ее диссоциации ионы водорода Н + (первая строчка в приведенной ниже схеме):
Разрыв связи С-О в этаноле происходит с образованием двух частиц, из которых неустойчива только одна (карбокатион), а вторая (Н2О), напротив, очень устойчива. Это приводит к общему снижению энергии активации по сравнению с реакцией без катализатора, где разрыв связи С-О происходит, вероятно, с образованием гораздо более неустойчивых частиц.
Вы можете посмотреть видеозапись этого опыта из Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов на school-collection.edu.ru: ПОСМОТРЕТЬ информацию о ресурсе и перейти к видеоопыту (файл 23 Мб).
** Эта реакция называется реакцией дегидрирования (отщепления водорода). Она такая же эндотермическая, как и реакция дегидратации (отщепления воды). Однако при каталитическом дегидрировании, по сравнению с реакцией без катализатора, возникает новый, весьма важный фактор: выделяющийся в реакции водород тут же окисляется на меди кислородом воздуха с выделением большого количества теплоты. Это приводит к тому, что суммарный тепловой эффект всей последовательности реакций оказывается экзотермическим. Избыточной теплоты выделяется так много, что медная спираль (катализатор) в ходе реакции раскаляется.
Вы можете посмотреть видеозапись этого опыта из Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов на school-collection.edu.ru: ПОСМОТРЕТЬ информацию о ресурсе и перейти к видеоопыту (файл 16 Мб).
Если механизмы многих гомогенных каталитических реакций с участием кислот (кислотный катализ) или оснований (основной катализ) хорошо изучены, то о гетерогенном катализе этого сказать нельзя. Однако некоторые его закономерности все же известны.
Во-первых, в гетерогенном катализе большую роль играет адсорбция, то есть концентрирование веществ на поверхности раздела между ними. Например, адсорбция молекул газа происходит на поверхности твердого пористого катализатора. Благодаря адсорбции на поверхности катализатора растет концентрация реагирующих частиц, что уже само по себе может приводить к ускорению реакции. Поэтому важным фактором в гетерогенном катализе является площадь поверхности катализатора, его пористость. Чем больше поверхность, тем выше каталитическая активность твердого катализатора. Количество взятого катализатора тоже влияет на скорость реакции.
В этих реакциях образуются цис-алкены. Геометрическое строение продуктов реакции позволяет предположить, что молекула водорода присоединяется к алкину с поверхности катализатора. Если бы это было не так, то образовывался бы более устойчивый транс-алкен:
Еще одна особенность гетерогенного катализа заключается в том, что около поверхности работающего катализатора всегда концентрируются как исходные вещества, так и продукты реакции. Если продукты адсорбируются на катализаторе слишком прочно, то они плохо вытесняются с поверхности и катализатор постепенно теряет активность. В этом случае говорят, что катализатор отравляется продуктами реакции. Однако во многих случаях каталитическими ядами являются даже не продукты реакции, а различные примеси в исходных веществах. Например, для платиновых катализаторов такими каталитическими ядами являются примеси HCN, H2S, соединений As, Se, Te.
Наибольшее применение гетерогенный катализ находит в промышленном производстве органических веществ. Однако не менее необходим он и при получении таких важных неорганических продуктов, как аммиак NH3 и оксид серы SO3 (последний нужен для производства серной кислоты).
В синтезе аммиака применяется не чисто железный катализатор, а с добавками оксидов Al2O3 и K2O. Эти оксиды служат промоторами.
В производстве серной кислоты для получения SO3 раньше в качестве катализатора использовали металлическую платину. На современных сернокислотных заводах работают значительно более дешевые ванадиевые катализаторы (V2O5) с добавками SiO2 и K2О.
В более короткой форме реакцию получения полиэтилена можно выразить уравнением:
Индекс n в формуле полимера называется степенью полимеризации (значение n может достигать десятков тысяч). В результате происходящей сшивки молекул этилена образуются длинные макромолекулы полиэтилена с молекулярной массой от 30000 до 800000 в зависимости от условий реакции. На конце каждой такой гигантской молекулы имеется «пришитый» к ней инициатор, однако его содержание в общей массе полиэтилена ничтожно мало.
В одном параграфе невозможно рассмотреть все многообразие каталитических реакций, известных в неорганической и органической химии, в биохимии (ферментативный катализ), в технике (автомобильные катализаторы дожигания выхлопных газов) и т.д. Здесь мы ставили задачу разобраться лишь в некоторых ключевых вопросах, а именно:
Рекомендуем читателю еще раз вернуться к этим вопросам и ответить на них самостоятельно для закрепления пройденного материала.
Виды и особенности катализаторов химических реакций
Химическая реакция – это процесс превращения реагентов в продукты реакции. Многие превращения в химии имеют очень долгий срок протекания, что абсолютно недопустимо для промышленности или для организма человека. Колоссальное ускорение превращений как в промышленности, так и в живых организмах, обеспечивают катализаторы химических реакций. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Что такое катализатор реакции?
Речь идет о веществе, которое способно ускорять протекание превращения многократно. Процесс в химии, протекающий в присутствии ускорителей превращений, называется катализом. Катализ характеризуется тем, что вещество, ускоряющее химический процесс, не расходует в ходе протекания последнего, а также не входит в состав конечных продуктов.
Катализ по своему результату может быть двух видов: положительный и отрицательный. Положительный катализ приводит к увеличению скорости превращения. Отрицательный катализ приводит к замедлению или прекращению протекания химического превращения. Вещества, реализующие, отрицательный катализ называются ингибиторами.
Разновидности веществ, ускоряющих химические реакции
Существуют две общепризнанных классификации веществ, которые ускоряют протекания превращений в химии. Первая основывается на агрегатном состоянии катализатора, вторая – на происхождении.
Классификация по агрегатному состоянию
По агрегатному состоянию вещества каталитические соединения можно подразделить на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные вещества, ускоряющие химическую реакцию, находятся в одной фазе с реагентами. Гетерогенные вещества, ускоряющие химическое превращение, находятся в разных фаза с реагентами (например, катализатор представлен жидкость, а реагенты – газами).
Свойства гомогенных ускорителей реакции
К данной группе соединений относятся кислоты и основания. Например, серная кислота ускоряет протекание превращение органических субстратов. Основными свойствами гомогенных соединений являются:
Свойства гетерогенных ускорителей реакции
К данной группе соединений относятся оксиды большинства металлов (Al2O3, CaO, BaO, MgO, TiO2), а также алюмосиликаты и цеолиты. Обозначим основные свойства гетерогенных каталитических веществ:
Классификация по происхождению
По происхождению вещества, ускоряющие процесс протекания превращений в химии, подразделяются на органические и неорганические. Неорганические соединения в основном представлены тяжелыми металлами (свинец, палладий), спектр органический соединений намного шире. Основными представителями органических ускорителей превращений являются энзимы (соединения биологического происхождения). Энзимы – это катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в живых организмах. Ферменты (энзимы) имеют следующие особенности:
Свойства катализаторов
Каталитические вещества, ускоряющие протекание реакций в химии, имеют определенные свойства. Обозначим их:
Другие свойства каталитические соединений связаны с их строением и физическими параметрами:
Каталитические системы на основе катализаторов
Современные промышленные каталитические смеси состоят из нескольких компонентов:
Промотор
Добавление промоторов к каталитическому соединению улучшает следующие свойства последних: активность, избирательность и стабильность в системе. Сам по себе промотор может являться соединением, которое не участвует в протекающем процессе. По своему назначению активаторы подразделяются на две большие группы:
Также промоторы подразделены на две большие группы структурообразующие (инертные соединения, предотвращающие слипание частиц) и активирующие (изменяют электронную конфигурацию каталитического соединения в активную фазу катализа).
Носитель
Носитель представляет собой материю, на которую различными методами укладывают катализатор. При использовании носителя увеличивается площадь поверхности действия каталитического соединения, повышается его термостойкость. Благодаря использованию носителей возможна экономия в промышленных условиях достаточно дорогих каталитических элементов (палладий, никель, платина, серебро). Однако стоит отметь, что носитель также может положительно влиять на активность каталитического соединения, поэтому нельзя провести четкую границу между этими двумя понятиями. Носителями могут быть оксид алюминия, силикагель, пемза, каолин, асбест, алюмосиликаты и другие вещества.
Катализатор, их виды и свойства
Катализатор, их виды и свойства.
Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).
Катализатор (понятие и сущность):
Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).
Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав их конечных продуктов.
Катализаторы – это вещества, ускоряющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.
Термин катализатор (от греч. katalysis – «ослабление», «разрушение») впервые ввел в 1835 г. шведский химик И. Берцелиус, который установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.
Соответственно химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, именуются каталитическими реакциями. А процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами, именуется катализом.
Различают положительный катализ и отрицательный катализ. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает.
Вещества, замедляющие химическую реакцию, именуются ингибиторами. Однако ингибиторы в отличие от катализаторов могут расходоваться в процессе химической реакции.
Все химические реакции в прису тствии катализатора протекают быстрее, поскольку катализатор снижает энергию активации реакции.
В некоторых химических реакциях катализатор реагирует с одним или несколькими реагентами с образованием временного промежуточного продукта, который затем регенерирует исходный катализатор в циклическом процессе. Химическая реакция в таких случаях состоит из нескольких стадий:
X + K → XK,
Y + XK → XYK,
XYK → KZ,
KZ → K + Z,
Z – конечный продукт химической реакции X и Y,
При этом общее уравнение реакции записывается как:
В современном химическом производстве часто применяют каталитические системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии химической реакции.
Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.
В настоящее время многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов. Согласно оценкам, для производства 90 % всех коммерчески производимых химических продуктов на той или иной стадии процесса их изготовления использовались катализаторы.
Типы и виды катализаторов:
Катализаторы, как правило, подразделяются на гомогенные и гетерогенные.
Гомогенный катализатор – это катализатор, молекулы которого диспергированы (т.е. находятся) в одной и той же фазе (обычно в газообразной или жидкой), что и молекулы реагента.
Гетерогенный катализатор – это катализатор, молекулы которого находятся не в той же фазе, что и реагенты (которые обычно представляют собой газы или жидкости, адсорбированные на поверхности твердого катализатора). Гетерогенный катализатор образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества – реагенты.
Действие гомогенного катализатора, как правило, связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, что приводит к снижению энергии активации химической реакции. Впоследствии промежуточные вещества регенерируют исходный катализатор.
Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую твердую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.). Их действие основано на ускорении химической реакции на своей твердой поверхности (либо на плоской открытой поверхности, либо на краях кристалла, либо вследствие сочетания этих двух факторов). Поэтому активность гетерогенного катализатора зависит от величины и свойств его поверхности.
Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.
Одни и те же химические реакции могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Для определенных химических реакций эффективны только определённые катализаторы.
В биохимических реакциях роль катализаторов выполняют ферменты, которые часто рассматриваются как третья – отдельная категория.
Соответственно классификации катализаторов положительный катализ подразделяют на три типа:
а) гомогенный катализ, когда реакционная смесь и катализатор находятся или в жидком или в газообразном состоянии;
в) ферментативный катализ, когда катализатором служат сложные белковые образования, ускоряющие течение биологически важных реакций в организмах растительного и животного мира. Ферментативный катализ может быть как гомогенным, так и гетерогенным, но из-за специфических особенностей действия ферментов целесообразно выделение этого вида катализа в самостоятельную область.
Свойства катализаторов:
Катализаторы как вещества, ускоряющие химические реакции, обладают следующими свойствами:
– каталитической активностью. Каталитическая активность – это свойство катализатора ускорять химическую реакцию. Формально каталитическую активность можно определить как скорость каталитической реакции в данных условиях за вычетом скорости той же реакции в отсутствие катализатора или как соотношение скоростей каталитической и некаталитической реакций;
– селективностью. Селективность – это способность протекания химической реакции в определённом направлении, то есть свойство получать те продукты реакции, на которые направлена химическая реакция;
– неизменностью. Неизменность означает, что после участия в химической реакции они (катализаторы) остаются химически неизменными;
– активностью. Активность катализатора в процессе реакции может понижаться вследствие воздействия на катализатор вредных примесей. К последним относятся каталитические яды и ингибиторы. Каталитические яды – это вещества, вызывающие «отравление» катализатора, т. е. снижающие его каталитическую активность или полностью прекращающие каталитическое действие. Поэтому важно в процессе реакции исключить воздействие на катализатор вредных факторов.
Другими немаловажными свойствами катализаторов являются твердость, механическая прочность, устойчивость к истиранию и дроблению, срок службы, устойчивость к отравлению каталитическими ядами, размер и форма, масса единицы объема, пористость, удельная поверхность, термостойкость и стабильность.
Каталитические системы на основе катализаторов:
Современные промышленные твердые катализаторы обычно представляют собой сложные смеси, называемые контактными массами. В состав контактных масс входят прежде всего вещества, являющиеся собственно катализаторами, а также носители и активаторы.
Активаторы (промоторы) – это вещества, добавляемые к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность, которые сами по себе могут быть неактивными для данной реакции, но значительно улучшают свойства катализатора. Поэтому деление на сложные и активированные катализаторы носит лишь ориентировочный характер.
Улучшение свойств катализатора при добавлении промотора (активатора) значительно превосходит тот эффект, который можно было бы получить в результате независимого действия самого промотора, т.к. сам промотор может и не обладать каталитической активностью.
В общем случае по своему целевому назначению промоторы могут быть разделены на две группы:
– способствующие протеканию целевой реакции, т. е. увеличивающие активность катализатора;
– подавляющие нежелательные процессы, т. е. увеличивающие селективность катализатора.
Среди промоторов первой группы различают структурообразующие и активирующие. Структурообразующие промоторы, как правило, представляют собой инертные вещества, присутствующие в катализаторе в виде мелких частиц, препятствующих спеканию частиц активной каталитической фазы, что предотвращает уменьшение активной поверхности во время работы катализатора. Активирующие промоторы могут создавать дополнительные активные центры, воздействовать на электронную структуру активной фазы и т.п.
