A kémia az anyagok és átalakulásaik tudománya, valamint a megszerzésük módszerei. Még egy normál iskolai tantervben is szóba kerül egy olyan fontos kérdés, mint a reakciótípusok. Az osztályozás, amellyel az iskolásokat alapszinten megismertetik, figyelembe veszi az oxidáció mértékének változását, a folyamat fázisát, a folyamat mechanizmusát stb. Ezen kívül minden kémiai folyamat fel van osztva nem katalitikusra és katalitikusra. reakciók. A katalizátor részvételével végbemenő átalakulások példáival az ember a hétköznapi életben találkozik: fermentáció, bomlás. A nem katalitikus átalakulások nálunk sokkal ritkábbak.
Mi a katalizátor
Ez egy kémiai anyag, amely képes megváltoztatni a kölcsönhatás sebességét, de magában nem vesz részt. Abban az esetben, ha a folyamatot katalizátor segítségével gyorsítják, akkor pozitív katalízisről beszélünk. Abban az esetben, ha a folyamathoz adott anyag csökkenti a reakció sebességét, azt inhibitornak nevezik.
Katalízis típusai
A homogén és heterogén katalízis fázisban különbözikahol a kiindulási anyagok találhatók. Ha a kölcsönhatásokhoz vett kezdeti komponensek, beleértve a katalizátort is, azonos aggregációs állapotban vannak, akkor homogén katalízis megy végbe. Abban az esetben, ha a reakcióban különböző fázisú anyagok vesznek részt, heterogén katalízis megy végbe.
Műveletek szelektivitása
A katalízis nemcsak a berendezések termelékenységének növelésének eszköze, hanem pozitív hatással van a keletkező termékek minőségére is. Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a legtöbb katalizátor szelektív (szelektív) hatása miatt a közvetlen reakció felgyorsul, a mellékfolyamatok csökkennek. Végül a keletkező termékek nagy tisztaságúak, nincs szükség az anyagok további tisztítására. A katalizátor hatásának szelektivitása a nyersanyagok nem termelési költségeinek valódi csökkenését eredményezi, ami jó gazdasági hasznot jelent.
A katalizátor gyártásban történő használatának előnyei
Mi jellemzi még a katalitikus reakciókat? Egy tipikus középiskola példái azt mutatják, hogy a katalizátor használata lehetővé teszi az eljárás alacsonyabb hőmérsékleten történő végrehajtását. Kísérletek igazolják, hogy segítségével jelentősen csökkenthetők az energiaköltségek. Ez különösen fontos a modern körülmények között, amikor energiaforráshiány van a világon.
Példák katalizátorgyártásra
Melyik iparág használ katalitikus reakciókat? Példák az ilyen produkciókra:salétromsav és kénsav, hidrogén, ammónia, polimerek előállítása, olajfinomítás. A katalízist széles körben használják szerves savak, egy- és többértékű alkoholok, fenol, műgyanták, színezékek és gyógyszerek előállításában.
Mi a katalizátor
Sok olyan anyag, amely Dmitrij Ivanovics Mengyelejev kémiai elemeinek periódusos rendszerében szerepel, valamint ezek vegyületei katalizátorként működhetnek. A leggyakoribb gyorsítók közé tartoznak a következők: nikkel, vas, platina, kob alt, alumínium-szilikátok, mangán-oxidok.
Katalizátorok jellemzői
A katalizátorok a szelektív hatás mellett kiváló mechanikai szilárdsággal rendelkeznek, ellenállnak a katalitikus mérgeknek, könnyen regenerálódnak (visszanyerhetők).
A fázisállapot szerint a katalitikus homogén reakciókat gázfázisúra és folyadékfázisra osztják.
Nézzük meg közelebbről az ilyen típusú reakciókat. Az oldatokban a H+ hidrogénkationok, az OH- hidroxidbázis-ionok, az M+ fémkationok és a szabad gyökök képződését elősegítő anyagok a kémiai átalakulás gyorsítójaként működnek.
A katalízis lényege
A savak és bázisok kölcsönhatásában a katalízis mechanizmusa az, hogy a kölcsönhatásba lépő anyagok és a katalizátor pozitív ionjai (protonok) között csere zajlik. Ebben az esetben intramolekuláris átalakulások mennek végbe. Ennek megfelelőena reakciók így mennek:
- kiszáradás (vízleválás);
- hidratálás (vízmolekulák kötődése);
- észterezés (észterképzés alkoholokból és karbonsavakból);
- polikondenzáció (polimer képződése a víz eltávolításával).
A katalízis elmélete nemcsak magát a folyamatot magyarázza meg, hanem a lehetséges melléktranszformációkat is. Heterogén katalízis esetén a folyamat gyorsítója önálló fázist képez, a reaktánsok felületén néhány centrum katalitikus tulajdonságokkal rendelkezik, vagy a teljes felület érintett.
Létezik egy mikroheterogén folyamat is, amely magában foglalja a katalizátor jelenlétét kolloid állapotban. Ez a változat egy átmeneti állapot a homogénből a heterogén típusú katalízisbe. A legtöbb ilyen folyamat gáznemű anyagok között megy végbe szilárd katalizátorok felhasználásával. Lehetnek granulátumok, tabletták, szemek formájában.
A katalízis eloszlása a természetben
Az enzimatikus katalízis meglehetősen elterjedt a természetben. A biokatalizátorok segítségével megy végbe a fehérjemolekulák szintézise, az élő szervezetekben zajlik az anyagcsere. Egyetlen biológiai folyamat sem kerüli meg a katalitikus reakciókat, amelyek élő szervezetek részvételével zajlanak. Példák létfontosságú folyamatokra: a szervezetre jellemző fehérjék szintézise aminosavakból; zsírok, fehérjék, szénhidrátok lebontása.
Katalízis algoritmus
Vegyük fontolóra a katalízis mechanizmusát. Ez a folyamat, amely porózus szilárd kémiai kölcsönhatás-gyorsítókon megy végbe, magában foglaljanéhány alapvető szakasz:
- kölcsönhatásba lépő anyagok diffúziója a katalizátorszemcsék felületére az áramlás magjából;
- reagensek diffúziója a katalizátor pórusaiban;
- kemiszorpció (aktivált adszorpció) kémiai reakciógyorsító felületén kémiai felületi anyagok - aktivált katalizátor-reagens komplexek - megjelenésével;
- atomok átrendeződése felületi kombinációk megjelenésével "katalizátor-termék";
- diffúzió a termék reakciógyorsítójának pórusaiban;
- a termék diffúziója a reakciógyorsító szemcsefelületéről a magáramba.
A katalitikus és nem katalitikus reakciók annyira fontosak, hogy a tudósok évek óta folytatják a kutatást ezen a területen.
A homogén katalízissel nincs szükség speciális szerkezetek építésére. Az enzimatikus katalízis a heterogén változatban különféle és specifikus berendezések használatát foglalja magában. Áramlására speciális érintkező berendezéseket fejlesztettek ki, amelyek az érintkezési felület szerint vannak felosztva (csövekben, falakon, katalizátorrácsokban); szűrőréteggel; lemért réteg; mozgó porított katalizátorral.
A készülékekben a hőcsere többféleképpen valósul meg:
- távoli (külső) hőcserélők használatával;
- az érintkezőberendezésbe épített hőcserélők segítségével.
A kémiában képletek elemzésével olyan reakciókat is találhatunk, amelyekben a katalizátor a kémiai kölcsönhatás során keletkező egyik végtermékeredeti alkatrészek.
Az ilyen folyamatokat általában autokatalitikusnak nevezik, magát a jelenséget a kémiában autokatalízisnek.
Sok kölcsönhatás sebessége bizonyos anyagok jelenlétével függ össze a reakcióelegyben. A kémiában leggyakrabban képleteik hiányoznak, helyükre a „katalizátor” szó vagy annak rövidített változata kerül. Nem szerepelnek a végső sztereokémiai egyenletben, mivel a kölcsönhatás befejeződése után mennyiségi szempontból nem változnak. Bizonyos esetekben kis mennyiségű anyag elegendő ahhoz, hogy jelentősen befolyásolja a folyamat sebességét. Azok a helyzetek is teljesen elfogadhatóak, amikor a reakcióedény maga a kémiai kölcsönhatás gyorsítójaként működik.
A katalizátor hatásának a kémiai folyamat sebességének megváltoztatására az a lényege, hogy ez az anyag bekerül az aktív komplex összetételébe, és ezáltal megváltoztatja a kémiai kölcsönhatás aktiválási energiáját.
Amikor ez a komplex lebomlik, a katalizátor regenerálódik. A lényeg az, hogy nem költik el, az interakció befejezése után is ugyanannyi marad. Ez az oka annak, hogy kis mennyiségű hatóanyag teljesen elegendő a szubsztrátummal (reagálódó anyaggal) való reakció végrehajtásához. Valójában a kémiai folyamatok során még mindig jelentéktelen mennyiségű katalizátor fogy, hiszen különböző mellékfolyamatok lehetségesek: mérgezése, technológiai veszteségei, a szilárd katalizátor felületi állapotának megváltozása. A kémiai képletek nem tartalmaznak katalizátort.
Következtetés
A hatóanyag (katalizátor) részvételével zajló reakciók veszik körül az embert, ráadásul a szervezetében is előfordulnak. A homogén reakciók sokkal ritkábban fordulnak elő, mint a heterogén kölcsönhatások. Mindenesetre először köztes komplexek képződnek, amelyek instabilak, fokozatosan elpusztulnak, és megfigyelhető a kémiai folyamat gyorsítójának regenerációja (helyreállítása). Például, amikor a metafoszforsav reagál kálium-perszulfáttal, a hidrogén-jodid katalizátorként működik. Amikor a reagensekhez adjuk, sárga oldat képződik. A folyamat végéhez közeledve a szín fokozatosan eltűnik. Ebben az esetben a jód köztes termékként működik, és a folyamat két szakaszban megy végbe. De amint a metafoszforsavat szintetizálják, a katalizátor visszatér eredeti állapotába. A katalizátorok nélkülözhetetlenek az iparban, elősegítik az átalakulások felgyorsítását és kiváló minőségű reakciótermékek előállítását. A testünkben zajló biokémiai folyamatok szintén lehetetlenek részvételük nélkül.
