КАТАЛІЗ І КАТАЛІЗАТОРИ

Швидкість хімічної реакції змінюється за наявності деяких речовин. У багатьох випадках скерувати реакцією в бажаному напрямку, а також різко збільшити її швидкість вдається за допомогою каталізаторів.

Каталізатори – це речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції, але самі при цьому не витрачаються і не входять до складу кінцевих продуктів реакції.

Каталітичні реакції дуже різноманітні. Вони відіграють винятково важливу роль у живій природі і мають широке промислове застосування.

Каталіз – явище зміни швидкості реакції під дією каталізаторів.

Прикладом позитивного каталізу є наявність нікелю в реакціях гідрування жирів, ферментів у біохімічних процесах.

Інгібітори – каталізатори, що сповільнюють швидкість хімічної реакції.

До інгібіторів належать антиокисники, антистарителі. Їх застосовують для затримки старіння каучуків, пластмас, а антиокисники сповільнюють окиснення органічних речовин. Наприклад, згіркненню жирів перешкоджає лимонна та аскорбінова кислоти.

Речовини, які запобігають псуванню харчових продуктів, називають консервантами.

Особливим випадком каталізу є автокаталіз.

Автокаталіз – явище прискорення хімічної реакції одним із її продуктів.

Характерною особливістю автокаталітичної реакції є збільшення її швидкості з накопиченням продукту реакції. Далі у зв’язку зі зниженням концентрації вихідних речовин швидкість реакції зменшується.

Розрізняють два види каталізу: гомогенний і гетерогенний.

Гомогенним називається каталіз, при якому і каталізатор і реагенти знаходяться в одному агрегатному стані.

Для пояснення механізму гомогенного каталізу була запропонована теорія проміжних сполук. Вона була викладена в працях Оствальда в 1884-1911рр. Згідно з цією теорією, каталізатор утворює з однією із реагуючих речовин нестійку проміжну сполуку – комплекс, яка далі взаємодіє з іншими реагентами; при цьому каталізатор вивільнюється у незмінному вигляді. Наприклад, якщо реакція типу:

А + В = АВ

відбувається повільно, то підбирають каталізатор К, який з однією із вихідних речовин реагує з більшою швидкістю, тобто отримують –

А + К = АК

Далі речовина АК з більшою швидкістю реагує з речовиною В і, таким чином, отримують: АК + В = АВ + К

Уцих рівняннях АК –проміжна сполука.

Збільшення швидкості реакції при гомогенному каталізі пояснюється тим, що кожна із стадій характеризується низькою енергією активації і, відповідно, відбувається з більшою швидкістю.

Існують такі типи гомогенного каталізу: кислотно-основний, окисно-відновний, координаційний, гомогенний газофазний, ферментативний.

Приклад гомогенного каталізу – каталітичний розклад гідроген пероксиду в присутності розчину солей (рідка фаза). При гомогенному каталізі швидкість хімічної реакції пропорційна концентрації каталізатора.

Гетерогенний каталіз – це вид каталізу, в якому каталізатор знаходиться в іншій фазі ніж реагенти.

Найчастіше каталізатор перебуває в твердому стані, а реагенти і продукти реакції – в рідкому або газоподібному.

Швидкість гетерогенної каталітичної реакції залежить від реагуючої поверхні каталізатора, бо усі реакції за гетерогенного каталізу протікають на його поверхні. Встановлено, що каталітичну активність має не вся поверхня каталізатора, а тільки її певні ділянки – активні центри. Активними центрами можуть бути фізичні неоднорідності на поверхні каталізатора. Можуть бути також атоми, що мають ненасичені валентності і, завдяки чому, вони можуть утворювати нестійкі поверхневі проміжні сполуки з речовинами рідкої або газоподібної фази.

Наявність активних центрів на поверхні каталізатора підтверджується високою чутливістю каталізатору до дії каталітичних отрут.

Каталітичні отрути – речовини, що знижують каталітичну активність каталізатора.

Дія каталітичних отрут пояснюється тим, що молекули цієї речовини накопичуються на активних центрах, блокують їх і виводять їх із участі в реакції. Так як активні центри займають невелику частину поверхні, то для їх «отруєння» достатньо невеликої кількості каталітичної отрути.

При збільшенні неоднорідності поверхні збільшується активність каталізатору. Це досягається збільшенням дисперсності або введенням в каталізатор деяких речовин, які самі не є каталізаторами, але змінюють структуру поверхні, збільшуючи активність каталізаторів. Такі речовини називають промоторами.

На активність і селективність каталізатору впливає природа матеріалу, на який він нанесений (носія). Один і той самий каталізатор, нанесений на різні носії, каталізує реакції різних типів. Це пояснюється різною будовою активних центрів каталізатора, в залежності від природи носія, і будовою його поверхні.

Весь каталітичний процес, що відбувається на твердому каталізаторі, можна розбити на п’ять послідовно протікаючих стадій:

¨ Дифузія молекул вихідних речовин до поверхні каталізатора.

¨ Адсорбція вихідних речовин на активних центрах за рахунок хімічних і електричних сил.

¨ Хімічна взаємодія адсорбованих речовин з утворенням продуктів реакцій.

¨ Десорбція продуктів з поверхні каталізатора.

¨ Дифузія продуктів у глибину фази.

Перша і остання стадії називаються дифузійними, решта – кінетичними. Всі ці стадії можуть відбуватися з різними швидкостями і швидкість всього каталітичного процесу визначається (лімітується) його найбільш повільною стадією. Слід зазначити, що каталізатори мають специфічну дію, тобто кожний хімічний процес може прискорюватись або сповільнюватись тільки певним каталізатором.

Наприклад, при пропусканні парів етанолу при 300-400⁰С над мідним каталізатором відбувається дегідрування спирту з утворенням етаналю:

_Cu

С₂Н₅ОН → СН₃СОН + Н₂

Якщо каталізатором є алюміній оксид, то відбувається дегідратація спирту з утворенням етилену:

Al₂O₃

С₂Н₅ОН → С₂Н₄ + Н₂О

Взагалі, слід відзначити, що в практиці рідко застосовуються каталізатори, до складу яких входить лише одна речовина. У переважній більшості промислових процесів доводиться застосовувати складні багатокомпонентні системи, які мають достатню активністю і селективність. Компоненти таких складних каталізаторів можуть утворювати хімічні сполуки, тверді розчини чи знаходитись у вигляді суміші окремих фаз.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
СКЛАДНІ РЕАКЦІЇ. ЛАНЦЮГОВІ РЕАКЦІЇ	\|	ФЕРМЕНТАТИВНИЙ КАТАЛІЗ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.017 сек.