Hvilke stoffer katalyserer reaksjoner? Katalytiske reaksjoner: definisjon, beskrivelse, eksempler. Stadier av katalytiske reaksjoner

De fleste prosessene som ligger til grunn for kjemisk teknologi er katalytiske reaksjoner. Dette skyldes det faktum at med introduksjonen av en katalysator øker hastigheten på interaksjonen mellom stoffer betydelig. Samtidig kan produsentene redusere kostnadene eller skaffe flere reaksjonsprodukter i samme tidsrom. Det er derfor mye oppmerksomhet vies til studiet av katalyse i opplæringen av teknologer. Dette fenomenet spiller imidlertid også en viktig rolle i naturen. Dermed regulerer spesielle stoffer forekomsten av biokjemiske reaksjoner i levende organismer, og påvirker dermed metabolismen.

Katalysekonsept

Essensen av dette kjemiske fenomenet er å regulere hastigheten på transformasjon av stoffer ved hjelp av spesielle reagenser som kan bremse eller fremskynde denne prosessen. I dette tilfellet snakker de om positiv eller negativ katalyse. Det er også fenomenet autokatalyse, hvor hastigheten på en reaksjon påvirkes av et av mellomproduktene til en kjemisk reaksjon. Katalytiske prosesser er forskjellige; de er forskjellige i mekanismer, aggregeringstilstand av forbindelser og retning.

Stoffer som bremser kjemiske interaksjoner kalles inhibitorer, og stoffer som akselererer katalytiske reaksjoner kalles katalysatorer. Begge endrer reaksjonshastigheten gjennom gjentatte mellomliggende interaksjoner med en eller flere av deltakerne. Imidlertid er de ikke inkludert i sammensetningen av produktene og gjenopprettes etter slutten av stoffomdanningssyklusen. Derfor reflekteres ikke katalysatorens deltagelse støkiometrisk i reaksjonsligningen, men er kun angitt som en betingelse for stoffers interaksjon.

Typer katalytiske reaksjoner

I henhold til tilstanden til aggregering av stoffer som deltar i en kjemisk reaksjon, skilles de ut:

homogene reaksjoner - reaktantene, produktene og katalysatoren er i samme aggregeringstilstand (fase), mens molekylene til stoffene er jevnt fordelt over hele volumet;
katalytiske grensesnittreaksjoner - forekommer ved grensesnittet av ublandbare væsker, og rollen til katalysatoren reduseres til overføring av reagenser gjennom den;
heterogene katalytiske reaksjoner - i dem har katalysatoren en annen aggregeringstilstand enn reagensene, og selve reaksjonen utføres ved fasegrensesnittet;
heterogen-homogene reaksjoner - initiert ved grensesnittet med katalysatoren, og fortsetter i reaksjonsvolumet;
mikroheterogene reaksjoner - små partikler av en fast katalysator danner miceller gjennom hele volumet av væskefasen.

Det er også redokskatalyse, som er ledsaget av en endring i oksidasjonstilstanden til katalysatoren når den interagerer med reagenser. Slike transformasjoner kalles katalytiske oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner. Den vanligste prosessen i kjemisk produksjon er oksidasjon av svoveldioksid til trioksid for å produsere svovelsyre.

Typer katalysatorer

I henhold til deres aggregeringstilstand er katalysatorer flytende (H 2 SO 4, H 3 PO 4), faste (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) og gassformige (BF 3).

Basert på typen stoff, er katalysatorer klassifisert i:

metaller - kan være rene, legeringer, faste eller avsatt på en porøs base (Fe, Pt, Ni, Cu);
metallforbindelser av typen M m E n - de vanligste oksidene er MgO, Al 2 O 3, MoO 3, etc.;
syrer og baser - brukes til syre-base katalytiske reaksjoner, disse kan være Lewis-syrer, Bronsted-syrer, etc.;
metallkomplekser - denne gruppen inkluderer også overgangsmetallsalter, for eksempel PdCl 2, Ni(CO) 4;
enzymer (alias enzymer) er biokatalysatorer som akselererer reaksjoner som oppstår i levende organismer.

I henhold til spesifikasjonene til den elektroniske strukturen, skilles d-katalysatorer, som har d-elektroner og d-orbitaler, ut, så vel som s,p-katalysatorer, hvis sentrum er et element med valens s og p-elektroner.

Egenskaper til katalysatorer

For å kunne brukes effektivt er de underlagt en ganske omfattende liste over krav som varierer for en spesifikk prosess. Men de viktigste er de følgende to egenskapene til katalysatorer:

Spesifisitet ligger i evnen til katalysatorer til å påvirke bare én reaksjon eller en rekke lignende transformasjoner og ikke påvirke hastigheten til andre. Derfor brukes platina oftest i organiske hydrogeneringsreaksjoner.
Selektivitet er preget av evnen til å akselerere en av flere mulige parallelle reaksjoner, og dermed øke utbyttet av det viktigste produktet.

Katalytisk reaksjonshastighet

Årsaken til akselerasjonen av interaksjonen mellom stoffer er dannelsen av et aktivt kompleks med katalysatoren, noe som fører til en reduksjon i aktiveringsenergien.

I følge det grunnleggende postulatet for kjemisk kinetikk er hastigheten på enhver kjemisk reaksjon direkte proporsjonal med produktet av konsentrasjonene av utgangsstoffene, som er tatt i potenser som tilsvarer deres støkiometriske koeffisienter:

v = k ∙ С А x ∙ С В у ∙ С D z ,

hvor k er hastighetskonstanten for en kjemisk reaksjon, numerisk lik hastigheten til samme reaksjon, forutsatt at konsentrasjonene av utgangsforbindelsene er 1 mol/l.

I følge Arrhenius-ligningen avhenger k av aktiveringsenergien:

k = A ∙ exp^(-E A / RT).

De angitte mønstrene er også gyldige for katalytiske reaksjoner. Dette bekreftes også av ligningen for forholdet mellom hastighetskonstanter:

k K / k = A K /A ∙ exp^((E A -E AK)/RT),

hvor variabler med indeks K refererer til katalytiske reaksjoner.

Stadier av katalytiske reaksjoner

For homogene katalytiske reaksjoner er to hovedtrinn tilstrekkelig:

Dannelse av et aktivert kompleks: A + K ―> AK.
Interaksjon av det aktiverte komplekset med andre utgangsstoffer: AK + B ―> C + K.

På generell form skrives en ligning av formen A + B ―> C.

Mekanismen for heterogene katalytiske reaksjoner er kompleks. Følgende seks stadier skilles ut:

Å bringe utgangsforbindelser til katalysatoroverflaten.
Adsorpsjon av startreagensene ved overflaten av katalysatoren og dannelsen av et mellomkompleks: A + B + K ―> AVK.
Aktivering av det resulterende komplekset: ΑВК ―> ΑВК * .
Dekomponering av en kompleks forbindelse, mens de resulterende produktene adsorberes av katalysatoren: ΑВК * ―> CDK.
Desorpsjon av de resulterende produktene av katalysatoroverflaten: CDK ―> C + D + K.
Fjerning av produkter fra katalysatoren.

Eksempler på katalytiske reaksjoner

Katalysatorer brukes ikke bare i kjemisk industri. Enhver person i sitt daglige liv møter forskjellige katalytiske reaksjoner. Dette er for eksempel bruk av hydrogenperoksid ved behandling av sår. Hydrogenperoksid, når det samhandler med blod, begynner å brytes ned under påvirkning av:

2H 2 O 2 -> O 2 + 2 H 2 O.

I moderne biler er den utstyrt med spesielle katalytiske kamre som fremmer nedbrytning av skadelige gassformige stoffer. For eksempel bidrar platina eller rhodium til å redusere miljøforurensning fra nitrogenoksider, som brytes ned og danner ufarlig O 2 og N 2 .

Noen tannkremer inneholder enzymer som setter i gang nedbrytningen av plakk og matrester.

Denne artikkelen vil diskutere katalytiske reaksjoner. Leseren vil bli introdusert for en generell idé om katalysatorer og deres effekt på systemet, og typene reaksjoner, trekk ved deres forekomst og mye mer vil bli beskrevet.

Introduksjon til katalyse

Før du blir kjent med katalytiske reaksjoner, er det verdt å vite hva katalyse er.

Dette er en selektiv prosess for akselerasjon av en viss termodynamisk tillatt reaksjonsretning som er utsatt for katalysatoren. Det er gjentatte ganger involvert i interaksjon av kjemisk natur, og påvirker deltakerne i reaksjonen. På slutten av en mellomsyklus gjenopptar katalysatoren sin opprinnelige form. Konseptet med en katalysator ble introdusert av J. Barzelius og Jens i 1835.

Generell informasjon

Katalyse er utbredt i naturen og er mye brukt av mennesker i den teknologiske industrien. Det overveiende antallet av alle reaksjoner som brukes i industrien er katalytiske. Det er et konsept med autokatalyse - et fenomen der en akselerator fungerer som et reaksjonsprodukt eller er en del av utgangsforbindelsene.

Alle typer kjemiske interaksjoner av reagerende stoffer er delt inn i katalytiske og ikke-katalytiske reaksjoner. Akselerasjonen av reaksjoner som involverer katalysatorer kalles positiv katalyse. Interaksjonshastigheten avtar med deltakelse av inhibitorer. Reaksjonene er negativt katalytiske.

Den katalytiske reaksjonen er ikke bare en måte å øke produksjonskraften på, men også en mulighet til å forbedre kvaliteten på det resulterende produktet. Dette skyldes evnen til et spesielt utvalgt stoff til å akselerere hovedreaksjonen og redusere hastigheten til parallelle.

Katalytiske reaksjoner reduserer også mengden energi som forbrukes av utstyr. Dette skyldes det faktum at akselerasjon lar prosessen fortsette ved en lavere temperatur som ville være nødvendig uten dens tilstedeværelse.

Et eksempel på en katalytisk reaksjon er produksjon av slike verdifulle ting som: salpetersyre, hydrogen, ammoniakk osv. Disse prosessene er mest brukt i produksjon av aldehyder, fenol, ulike plaster, harpikser og gummier, etc.

Ulike reaksjoner

Essensen av katalyse ligger i å oversette reaksjonsmekanismen til det mest fordelaktige alternativet. Dette blir mulig på grunn av en reduksjon i aktiveringsenergi.

En katalysator danner en svak kjemisk binding med et spesifikt reaktantmolekyl. Dette gjør det lettere for reaksjonen å fortsette med et annet reagens. Stoffer som er klassifisert som katalytiske påvirker ikke skiftet i kjemisk likevekt, siden de virker reversibelt i begge retninger.

Katalyse er delt inn i to hovedtyper: homogen og heterogen. Et fellestrekk ved alle interaksjoner av den første typen er tilstedeværelsen av katalysatoren i en felles fase med reagenset til selve reaksjonen. Den andre typen er forskjellig på dette punktet.

Homogene katalytiske reaksjoner viser oss at en akselerator, når den interagerer med et bestemt stoff, danner en mellomforbindelse. Dette vil ytterligere redusere mengden energi som kreves for aktivering.

Heterogen katalyse fremskynder prosessen. Som regel forekommer det på overflaten av faste stoffer. Som et resultat bestemmes egenskapene til katalysatoren og dens aktivitet av størrelsen på overflaten og individuelle egenskaper. En heterogen katalytisk reaksjon har en mer kompleks operasjonsmekanisme enn en homogen. Mekanismen inkluderer 5 trinn, som hver kan reverseres.

I det første trinnet begynner diffusjonen av interagerende reagenser til området av det faste stoffet, deretter skjer fysisk adsorpsjon, etterfulgt av kjemisorpsjon. Som et resultat begynner det tredje stadiet, der reaksjonen begynner å skje mellom molekylene til de reagerende stoffene. På det fjerde trinnet observeres desorpsjon av produktet. På det femte trinnet diffunderer det endelige stoffet inn i generelle strømmer fra katalysatorplanet.

Katalytiske materialer

Det er et konsept om en katalysatorbærer. Det er et inert eller lavaktivt type materiale som er nødvendig for å bringe partikkelen involvert i katalysefasen i en stabil tilstand.

Heterogen akselerasjon er nødvendig for å forhindre prosessene med sintring og agglomerering av aktive komponenter. I det rådende antall tilfeller overstiger antallet bærere tilstedeværelsen av den påførte aktive komponenten. Hovedlisten over krav som bæreren må ha inkluderer et stort overflateareal og porøsitet, termisk stabilitet, treghet og motstand mot mekanisk påkjenning.

Kjemisk grunnlag. Kjemien med å akselerere interaksjoner mellom stoffer lar oss skille mellom to typer stoffer, nemlig katalysatorer og inhibitorer. Sistnevnte senker på sin side reaksjonshastigheten. En type katalysator er enzymer.

Katalysatorer interagerer ikke støkiometrisk med produktet av selve reaksjonen og blir til slutt alltid regenerert. I moderne tid er det mange måter å påvirke prosessen med molekylær aktivering på. Imidlertid tjener katalyse som grunnlaget for kjemisk produksjon.

Naturen til katalysatorer gjør at de kan deles inn i homogene, heterogene, interfase, enzymatiske og micellære. En kjemisk reaksjon med deltakelse av en katalysator vil redusere energien som kreves for aktiveringen. For eksempel vil ikke-katalytisk dekomponering av NH3 til nitrogen og hydrogen kreve ca. 320 kJ/mol. Den samme reaksjonen, men under påvirkning av platina, vil redusere dette tallet til 150 kJ/mol.

Hydrogeneringsprosess

Det overveiende antallet reaksjoner som involverer katalysatorer er basert på aktivering av et hydrogenatom og et bestemt molekyl, som deretter fører til en interaksjon av kjemisk natur. Dette fenomenet kalles hydrogenering. Det ligger til grunn for de fleste stadier av oljeraffinering og dannelsen av flytende brensel fra kull. Produksjonen av sistnevnte ble åpnet i Tyskland, på grunn av mangel på oljefelt i landet. Opprettelsen av slikt drivstoff kalles Bergius-prosessen. Den består av en direkte kombinasjon av hydrogen og kull. Kull varmes opp under forhold med et visst trykk og tilstedeværelse av hydrogen. Som et resultat dannes et flytende produkt. Katalysatorene er jernoksider. Men noen ganger brukes også stoffer basert på metaller som molybden og tinn.

Det er en annen måte å skaffe det samme drivstoffet på, som kalles Fischer-Tropsch-prosessen. Den består av to stadier. I det første trinnet forgasses kull ved å behandle det med vekselvirkning av vanndamp og O 2 . Denne reaksjonen fører til dannelse av en hydrogenblanding og karbonmonoksid. Deretter, ved hjelp av katalysatorer, omdannes den resulterende blandingen til en flytende drivstofftilstand.

Forholdet mellom surhet og katalytiske evner

En katalytisk reaksjon er et fenomen som avhenger av de sure egenskapene til selve katalysatoren. I henhold til definisjonen ifølge J. Brønsted er en syre et stoff som kan donere protoner. En sterk syre vil lett gi fra seg protonet sitt til basen. G. Lewis definerte en syre som et stoff som er i stand til å akseptere elektronpar fra donorstoffer og som et resultat danne en kovalent binding. Disse to ideene tillot mennesket å bestemme essensen av katalysemekanismen.

Styrken til en syre bestemmes av sett med baser som kan endre farge på grunn av tilsetning av et proton. Noen katalysatorer som brukes i industrien kan oppføre seg som ekstremt sterke syrer. Styrken deres bestemmer protonasjonshastigheten og er derfor en svært viktig egenskap.

Syreaktiviteten til katalysatoren skyldes dens evne til å reagere med hydrokarboner, og derved danne et mellomprodukt - karbeniumion.

Dehydrogeneringsprosess

Dehydrogenering er også en katalytisk reaksjon. Det brukes ofte i ulike industrisektorer. Til tross for at katalytiske prosesser basert på dehydrogenering brukes sjeldnere enn hydrogeneringsreaksjoner, inntar de likevel en viktig plass i menneskelig aktivitet. Et eksempel på denne typen katalytiske reaksjoner er produksjonen av styren, en viktig monomer. Først dehydrogeneres etylbenzen med deltakelse av stoffer som inneholder jernoksid. Mennesket bruker ofte dette fenomenet til å dehydrogenere mange alkaner.

Dobbel handling

Det er dobbeltvirkende katalysatorer som kan akselerere to typer reaksjoner samtidig. Som et resultat fører de til bedre resultater sammenlignet med å føre reagensene vekselvis gjennom 2 reaktorer som inneholder kun én type katalysator. Dette skyldes det faktum at det aktive senteret til en dobbeltvirkende akselerator er i en nær posisjon med et annet lignende senter, så vel som med et mellomprodukt. Et godt resultat oppnås for eksempel ved å kombinere katalysatorer som aktiverer hydrogen med et stoff som gjør at hykan skje. Aktivering utføres ofte av metaller, og isomerisering skjer med deltagelse av syrer.

Spesifikasjoner for de viktigste katalytiske reaksjonene

Evnen og effektiviteten til katalysatoren bestemmes også av dens grunnleggende egenskaper. Et slående eksempel er natriumhydroksid, som brukes under hydrolyse av fett for å produsere såpe. Disse typer katalysatorer brukes også under produksjon av polystyrenskum og polyuretanplater. Uretan produseres ved å reagere alkohol og isocyanat. Akselerasjon av reaksjonen skjer når den utsettes for et spesifikt basisk amin. En base fester seg til et karbonatom inneholdt i et isocyanatmolekyl. Som et resultat blir nitrogenatomet negativt ladet. Dette fører til økt aktivitet mot alkohol.

Stereospesifikk polymerisering

Oppdagelsen av olefinpolymerisasjon med påfølgende produksjon av stereoregulære polymerstoffer har en viktig historisk betydning i historien til studiet av katalyse. Oppdagelsen av katalysatorer karakterisert ved stereospesifikk polymerisasjon tilhører K. Ziegler. Arbeidet med produksjon av polymerer utført av Ziegler interesserte J. Nutt, som la frem antagelsen om at polymerens unikhet skulle bestemmes av dens stereoregularitet. Et stort antall eksperimenter som involverer røntgendiffraksjon har vist at polymeren oppnådd fra propylen under påvirkning av Ziegler-katalysatoren er svært krystallinsk. Handlingseffekten er stereoregulær i naturen.

Reaksjoner av denne typen finner sted på planet til en fast katalysator som inneholder overgangsmetaller, for eksempel Ti, Cr, V, Zr. De må være ufullstendig oksidert. Ligningen for den katalytiske reaksjonen mellom interagerende TiCl 4 og Al(C 2 H 5) 3, hvor det dannes et bunnfall, fungerer som et tydelig eksempel på dette. Her reduseres titanet til 3-grads tilstand. Denne typen aktivt system gjør det mulig å polymerisere propylen under normale temperatur- og trykkforhold.

Oksidasjon i katalytisk reaksjon

Katalytiske oksidasjonsreaksjoner er mye brukt av mennesker, på grunn av visse stoffers evne til å regulere selve reaksjonshastigheten. Noen applikasjoner krever fullstendig oksidasjon, for eksempel nøytralisering av CO og hydrokarbonholdige forurensninger. Imidlertid krever de aller fleste reaksjoner ufullstendig oksidasjon. Dette er nødvendig for å få i industrien verdifulle men mellomprodukter som kan inneholde en viss og viktig mellomgruppe: COOH, CN, CHO, C-CO. I dette tilfellet bruker en person både heterogene og monogene typer katalysatorer.

Blant alle stoffene som kan akselerere kjemiske reaksjoner, inntar oksider en viktig plass. For det meste i fast tilstand. Oksydasjonsforløpet er delt inn i 2 stadier. I det første trinnet fanges oksygenoksidet opp av hydrokarbonmolekylet til det adsorberte oksidet. Som et resultat reduseres oksidet og hydrokarbonet oksideres. Det fornyede oksidet samhandler med O2 og går tilbake til sin opprinnelige tilstand.

Hastighetene for kjemiske reaksjoner kan øke kraftig i nærvær av ulike stoffer som ikke er reagenser og ikke er en del av reaksjonsproduktene. Dette bemerkelsesverdige fenomenet kalles katalyse(fra gresk "katalyse" - ødeleggelse). Et stoff hvis tilstedeværelse i en blanding øker reaksjonshastigheten kalles katalysator. Mengden før og etter reaksjonen forblir uendret. Katalysatorer representerer ingen spesiell klasse av stoffer. I ulike reaksjoner kan metaller, oksider, syrer, salter og komplekse forbindelser utvise en katalytisk effekt. Kjemiske reaksjoner i levende celler forekommer under kontroll av katalytiske proteiner kalt enzymer. Katalyse bør betraktes som en virkelig kjemisk faktor for å øke hastigheten på kjemiske reaksjoner, siden katalysatoren er direkte involvert i reaksjonen. Katalyse er ofte et kraftigere og mindre risikabelt middel for å fremskynde en reaksjon enn å øke temperaturen. Dette er tydelig demonstrert av eksemplet med kjemiske reaksjoner i levende organismer. Reaksjoner, som hydrolyse av proteiner, som i laboratorier må utføres med langvarig oppvarming til koketemperatur, oppstår under fordøyelsesprosessen uten oppvarming til kroppstemperatur.

Fenomenet katalyse ble først observert av den franske kjemikeren L. J. Tenard (1777-1857) i 1818. Han oppdaget at oksidene av visse metaller, når de tilsettes en løsning av hydrogenperoksid, forårsaker nedbrytningen. Dette eksperimentet kan enkelt reproduseres ved å tilsette kaliumpermanganatkrystaller til en 3% løsning av hydrogenperoksid. Saltet KMn0 4 blir til Mn0 2, og oksygen frigjøres raskt fra løsningen under påvirkning av oksidet:

Den direkte effekten av katalysatoren på reaksjonshastigheten er assosiert med en reduksjon i aktiveringsenergi. Ved normale temperaturer er det en nedgang? og med 20 kJ/mol øker hastighetskonstanten omtrent 3000 ganger. Degradering E L kan være mye sterkere. Imidlertid er en reduksjon i aktiveringsenergi en ytre manifestasjon av virkningen av katalysatoren. Reaksjonen er preget av en viss verdi E. v som bare kan endres hvis selve reaksjonen endres. Mens den gir de samme produktene, følger reaksjonen med deltagelse av det tilsatte stoffet en annen vei, gjennom andre stadier og med en annen aktiveringsenergi. Hvis aktiveringsenergien på denne nye banen er lavere og reaksjonen følgelig er raskere, så sier vi at dette stoffet er en katalysator.

Katalysatoren interagerer med en av reagensene, og danner en mellomliggende forbindelse. På et av de påfølgende stadiene av reaksjonen regenereres katalysatoren - den forlater reaksjonen i sin opprinnelige form. Reagensene, som deltar i den katalytiske reaksjonen, fortsetter å samhandle med hverandre på en langsom måte uten deltakelse av en katalysator. Derfor tilhører katalytiske reaksjoner en type komplekse reaksjoner som kalles serie-parallelle reaksjoner. I fig. Figur 11.8 viser hastighetskonstantens avhengighet av katalysatorkonsentrasjonen. Avhengighetsgrafen går ikke gjennom null, siden reaksjonen ikke stopper i fravær av en katalysator.

Ris. 11.8.

observert konstant k uttrykt ved summen k u+ & k c(K)

Eksempel 11.5. Ved en temperatur på -500 °C, oksidasjonsreaksjonen av svoveloksid (1U)

som er et av stadiene i industriell produksjon av svovelsyre, går veldig sakte. En ytterligere økning i temperatur er uakseptabel, siden likevekten skifter til venstre (reaksjonen er eksoterm) og produktutbyttet synker for mye. Men denne reaksjonen akselereres av forskjellige katalysatorer, hvorav en kan være nitrogenoksid (N). Først reagerer katalysatoren med oksygen:

og overfører deretter oksygenatomet til svoveloksid (1U):

Dette danner det endelige reaksjonsproduktet og regenererer katalysatoren. Reaksjonen har nå muligheten til å flyte langs en ny bane, der hastighetskonstantene har økt betydelig:

Diagrammet nedenfor viser begge banene til S0 2 oksidasjonsprosessen. I fravær av en katalysator, fortsetter reaksjonen bare langs den langsomme banen, og i nærvær av en katalysator, gjennom begge.

Det er to typer katalyse - homogen Og heterogen. I det første tilfellet danner katalysatoren og reagensene et homogent system i form av en gassblanding eller løsning. Et eksempel på svoveloksidoksidasjon er homogen katalyse. Hastigheten til en homogen katalytisk reaksjon avhenger av både konsentrasjonene av reaktantene og konsentrasjonen av katalysatoren.

Ved heterogen katalyse er katalysatoren et fast stoff i ren form eller båret på transportør. For eksempel kan platina som katalysator festes på asbest, aluminiumoksid, etc. Reaktantmolekyler adsorberes (absorberes) fra en gass eller løsning på spesielle punkter på overflaten av katalysatoren - aktive sentre og aktiveres samtidig. Etter den kjemiske transformasjonen desorberes de resulterende produktmolekylene fra overflaten av katalysatoren. Handlinger av partikkeltransformasjon gjentas ved aktive sentre. Blant andre faktorer avhenger hastigheten på en heterogen katalytisk reaksjon av overflatearealet til det katalytiske materialet.

Heterogen katalyse er spesielt mye brukt i industrien. Dette forklares ved at det er enkelt å utføre en kontinuerlig katalytisk prosess når en blanding av reagenser passerer gjennom et kontaktapparat med en katalysator.

Katalysatorer virker selektivt, akselererer en veldig spesifikk type reaksjon eller til og med en separat reaksjon og uten å påvirke andre. Dette tillater bruk av katalysatorer ikke bare for å fremskynde reaksjoner, men også for målrettet omdannelse av utgangsstoffer til de ønskede produktene. Metan og vann ved 450 °C på Fe 2 0 3-katalysatoren omdannes til karbondioksid og hydrogen:

De samme stoffene ved 850 °C reagerer på nikkeloverflaten og danner karbonmonoksid (II) og hydrogen:

Katalyse er et av de områdene innen kjemi der det ennå ikke er mulig å lage nøyaktige teoretiske spådommer. Alle industrielle katalysatorer for prosessering av petroleumsprodukter, naturgass, ammoniakkproduksjon og mange andre er utviklet på grunnlag av arbeidskrevende og tidkrevende eksperimentell forskning.

Evnen til å kontrollere hastigheten til kjemiske prosesser er uvurderlig i menneskelig økonomisk aktivitet. Ved industriell produksjon av kjemiske produkter er det vanligvis nødvendig å øke hastigheten på teknologiske kjemiske prosesser, og ved lagring av produkter er det nødvendig å redusere nedbrytningshastigheten eller eksponeringen for oksygen, vann, etc. Det er kjente stoffer som kan bremse kjemiske reaksjoner. De heter inhibitorer, eller negative katalysatorer. Inhibitorer er fundamentalt forskjellige fra ekte katalysatorer ved at de reagerer med aktive stoffer (frie radikaler), som av en eller annen grunn oppstår i stoffet eller dets miljø og forårsaker verdifulle nedbrytnings- og oksidasjonsreaksjoner. Inhibitorer konsumeres gradvis, og opphører deres beskyttende effekt. Den viktigste typen hemmere er antioksidanter, som beskytter ulike materialer mot eksponering for oksygen.

Det er også verdt å minne om hva som ikke kan oppnås ved hjelp av katalysatorer. De er i stand til å akselerere bare spontane reaksjoner. Hvis reaksjonen ikke skjer spontant, vil ikke katalysatoren kunne fremskynde den. For eksempel kan ingen katalysator forårsake nedbrytning av vann til hydrogen og oksygen. Denne prosessen kan bare oppnås ved elektrolyse, som krever elektrisk arbeid.

Katalysatorer kan også aktivere uønskede prosesser. De siste tiårene har det skjedd en gradvis ødeleggelse av ozonlaget i atmosfæren i en høyde på 20-25 km. Det antas at visse stoffer er involvert i nedbrytningen av ozon, for eksempel halogenerte hydrokarboner som slippes ut i atmosfæren av industribedrifter og de som brukes til husholdningsformål.

S. I. LEVCHENKOV

FYSISK OG KOLLOIDAL KJEMI

Forelesningsnotater for studenter ved Fakultet for biologi ved Southern Federal University (RSU)

2.3 KATALYTISKE PROSESSER

Hastigheten til en kjemisk reaksjon ved en gitt temperatur bestemmes av dannelseshastigheten til det aktiverte komplekset, som igjen avhenger av verdien av aktiveringsenergien. I mange kjemiske reaksjoner kan strukturen til det aktiverte komplekset inkludere stoffer som ikke er støkiometrisk reagenser; Det er åpenbart at i dette tilfellet endres også aktiveringsenergien til prosessen. Ved tilstedeværelse av flere overgangstilstander vil reaksjonen hovedsakelig forløpe langs banen med den laveste aktiveringsbarrieren.

Katalyse er fenomenet med å endre hastigheten på en kjemisk reaksjon i nærvær av stoffer, hvis tilstand og mengde forblir uendret etter reaksjonen.

Skille positivt Og negativ katalyse (henholdsvis en økning og reduksjon i hastigheten på en reaksjon), selv om begrepet "katalyse" ofte betyr bare positiv katalyse; negativ katalyse kalles hemming.

Et stoff som er en del av strukturen til det aktiverte komplekset, men som ikke er støkiometrisk et reagens, kalles en katalysator. Alle katalysatorer er preget av slike vanlige egenskaper som spesifisitet og virkningsselektivitet.

Spesifisitet En katalysator ligger i dens evne til å akselerere bare én reaksjon eller en gruppe lignende reaksjoner og ikke påvirke hastigheten på andre reaksjoner. For eksempel er mange overgangsmetaller (platina, kobber, nikkel, jern, etc.) katalysatorer for hydrogeneringsprosesser; aluminiumoksid katalyserer hydreringsreaksjoner, etc.

Selektivitet katalysator - evnen til å akselerere en av de parallelle reaksjonene som er mulig under gitte forhold. Takket være dette er det mulig, ved å bruke forskjellige katalysatorer, å oppnå forskjellige produkter fra de samme utgangsmaterialene:

: CO + H 2 ––> CH 3 OH	: C 2 H 5 OH ––> C 2 H 4 + H 2 O
: CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O	: C 2 H 5 OH ––> CH 3 CHO + H 2

Årsaken til økningen i reaksjonshastigheten med positiv katalyse er reduksjonen i aktiveringsenergi når reaksjonen fortsetter gjennom et aktivert kompleks med deltakelse av en katalysator (fig. 2.8).

Siden, ifølge Arrhenius-ligningen, er hastighetskonstanten til en kjemisk reaksjon eksponentielt avhengig av aktiveringsenergien, forårsaker en reduksjon i sistnevnte en betydelig økning i hastighetskonstanten. Faktisk, hvis vi antar at de pre-eksponensielle faktorene i Arrhenius-ligningen (II.32) for katalytiske og ikke-katalytiske reaksjoner er nære, så kan vi skrive for forholdet mellom hastighetskonstanter:

Hvis ΔE A = –50 kJ/mol, vil forholdet mellom hastighetskonstantene være 2,7 10 6 ganger (i praksis øker en slik reduksjon i E A reaksjonshastigheten med omtrent 10 5 ganger).

Det skal bemerkes at tilstedeværelsen av en katalysator ikke påvirker størrelsen på endringen i termodynamisk potensial som et resultat av prosessen, og derfor, ingen katalysator kan muliggjøre den spontane forekomsten av en termodynamisk umulig prosess (en prosess hvis ΔG (ΔF) er større enn null). Katalysatoren endrer ikke verdien av likevektskonstanten for reversible reaksjoner; påvirkningen av katalysatoren i dette tilfellet er bare å akselerere oppnåelsen av en likevektstilstand.

Avhengig av fasetilstanden til reagensene og katalysatoren, skilles homogen og heterogen katalyse.

Ris. 2.8 Energidiagram av en kjemisk reaksjon uten katalysator (1)
og i nærvær av en katalysator (2).

2.3.1 Homogen katalyse.

Homogen katalyse - katalytiske reaksjoner der reaktantene og katalysatoren er i samme fase. Ved homogene katalytiske prosesser danner katalysatoren reaktive mellomprodukter med reagensene. La oss vurdere noen reaksjoner

A + B ––> C

I nærvær av en katalysator utføres to raskt forekommende trinn, som et resultat av hvilke partikler av mellomproduktet AA dannes og deretter (gjennom det aktiverte ABC-komplekset #) det endelige reaksjonsproduktet med katalysatorregenerering:

A + K ––> AK

AK + B ––> C + K

Et eksempel på en slik prosess er dekomponeringsreaksjonen av acetaldehyd, hvis aktiveringsenergi er E A = 190 kJ/mol:

CH 3 CHO ––> CH 4 + CO

I nærvær av joddamp skjer denne prosessen i to trinn:

CH 3 CHO + I 2 ––> CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI ––> CH 4 + I 2

Reduksjonen i aktiveringsenergi for denne reaksjonen i nærvær av en katalysator er 54 kJ/mol; reaksjonshastighetskonstanten øker omtrent 105 ganger. Den vanligste typen homogen katalyse er syrekatalyse, der hydrogenioner H + fungerer som en katalysator.

2.3.2 Autokatalyse.

Autokatalyse– prosessen med katalytisk akselerasjon av en kjemisk reaksjon av et av produktene. Et eksempel er hydrolyse av estere katalysert av hydrogenioner. Syren som dannes under hydrolyse dissosieres for å danne protoner, som akselererer hydrolysereaksjonen. Det særegne ved en autokatalytisk reaksjon er at denne reaksjonen fortsetter med en konstant økning i konsentrasjonen av katalysatoren. Derfor, i den innledende perioden av reaksjonen, øker hastigheten, og i påfølgende stadier, som et resultat av en reduksjon i konsentrasjonen av reagenser, begynner hastigheten å synke; den kinetiske kurven til produktet av en autokatalytisk reaksjon har et karakteristisk S-formet utseende (fig. 2.9).

Ris. 2.9 Kinetisk kurve for produktet av en autokatalytisk reaksjon

2.3.3 Heterogen katalyse.

Heterogen katalyse - katalytiske reaksjoner som skjer i grensesnittet mellom fasene som dannes av katalysatoren og reaktantene. Mekanismen for heterogene katalytiske prosesser er mye mer kompleks enn ved homogen katalyse. I hver heterogen katalytisk reaksjon kan minst seks stadier skilles:

1. Diffusjon av utgangsstoffer til katalysatoroverflaten.

2. Adsorpsjon av utgangsstoffer på overflaten med dannelse av en eller annen mellomforbindelse:

A + B + K ––> АВК

3. Aktivering av den adsorberte tilstanden (energien som kreves for dette er prosessens sanne aktiveringsenergi):

AVK ––> AVK #

4. Dekomponering av det aktiverte komplekset med dannelse av adsorberte reaksjonsprodukter:

АВК # ––> СДК

5. Desorpsjon av reaksjonsprodukter fra katalysatoroverflaten.

СDК ––> С + D + К

6. Diffusjon av reaksjonsprodukter fra katalysatoroverflaten.

Et spesifikt trekk ved heterokatalytiske prosesser er katalysatorens evne til å fremme og forgifte.

Forfremmelse– en økning i aktiviteten til katalysatoren i nærvær av stoffer som ikke i seg selv er katalysatorer for denne prosessen (promotere). For eksempel for den nikkelmetallkatalyserte reaksjonen

CO + H 2 ––> CH 4 + H 2 O

innføringen av en liten ceriumurenhet i en nikkelkatalysator fører til en kraftig økning i aktiviteten til katalysatoren.

Forgiftning– en kraftig reduksjon i katalysatoraktivitet i nærvær av visse stoffer (såkalte katalytiske giftstoffer). For eksempel, for reaksjonen av ammoniakksyntese (katalysatoren er jernsvamp), forårsaker tilstedeværelsen av oksygen eller svovelforbindelser i reaksjonsblandingen en kraftig reduksjon i aktiviteten til jernkatalysatoren; samtidig avtar evnen til katalysatoren til å adsorbere utgangsmaterialer svært lite.

For å forklare disse trekkene ved heterogene katalytiske prosesser, gjorde G. Taylor følgende antakelse: ikke hele overflaten av katalysatoren er katalytisk aktiv, men bare noen av dens områder - de såkalte. aktive sentre , som kan være forskjellige defekter i krystallstrukturen til katalysatoren (for eksempel fremspring eller fordypninger på overflaten av katalysatoren). Foreløpig er det ingen enhetlig teori om heterogen katalyse. For metallkatalysatorer ble den utviklet multiplett-teori . Hovedbestemmelsene til multiplettteorien er som følger:

1. Det aktive senteret til en katalysator er et sett av et visst antall adsorpsjonssentre plassert på overflaten av katalysatoren i geometrisk samsvar med strukturen til molekylet som gjennomgår transformasjonen.

2. Under adsorpsjonen av reagerende molekyler på det aktive senteret dannes et multiplettkompleks, noe som resulterer i en omfordeling av bindinger, som fører til dannelse av reaksjonsprodukter.

Teorien om multipletter kalles noen ganger teorien om geometrisk likhet mellom det aktive senteret og reagerende molekyler. For forskjellige reaksjoner er antallet adsorpsjonssentre (som hver er identifisert med et metallatom) i det aktive senteret forskjellig - 2, 3, 4, etc. Slike aktive sentre kalles henholdsvis dublett, triplett, firling osv. (i det generelle tilfellet, en multiplett, som er det teorien skylder navnet sitt til).

For eksempel, i henhold til teorien om multipletter, skjer dehydrogeneringen av mettede monohydriske alkoholer på en dublett, og dehydrogeneringen av cykloheksan skjer på en sekstett (fig. 2.10 - 2.11); Teorien om multipletter gjorde det mulig å relatere den katalytiske aktiviteten til metaller til verdien av deres atomradius.

Ris. 2.10 Dehydrogenering av alkoholer på en dublett

Ris. 2.11 Dehydrogenering av cykloheksan på en sekstett

2.3.4 Enzymatisk katalyse.

Enzymkatalyse – katalytiske reaksjoner som oppstår med deltakelse av enzymer – biologiske katalysatorer av proteinnatur. Enzymkatalyse har to karakteristiske trekk:

1. Høy aktivitet , er flere størrelsesordener høyere enn aktiviteten til uorganiske katalysatorer, noe som forklares av en meget betydelig reduksjon i aktiveringsenergien til prosessen med enzymer. Hastighetskonstanten for dekomponeringsreaksjonen av hydrogenperoksyd katalysert av Fe 2+ -ioner er således 56 s -1; hastighetskonstanten for den samme reaksjonen katalysert av enzymet katalase er 3,5·10 7, dvs. reaksjonen i nærvær av enzymet går en million ganger raskere (aktiveringsenergiene til prosessene er henholdsvis 42 og 7,1 kJ/mol). Hastighetskonstantene for ureahydrolyse i nærvær av syre og urease varierer med tretten størrelsesordener, og utgjør 7,4·10 -7 og 5·10 6 s -1 (aktiveringsenergien er henholdsvis 103 og 28 kJ/mol).

2. Høy spesifisitet . For eksempel katalyserer amylase nedbrytningen av stivelse, som er en kjede av identiske glukoseenheter, men katalyserer ikke hydrolysen av sukrose, hvis molekyl er sammensatt av glukose- og fruktosefragmenter.

I henhold til allment aksepterte ideer om mekanismen for enzymatisk katalyse, er substratet S og enzym F i likevekt med det meget raskt dannede enzym-substratkomplekset FS, som relativt sakte brytes ned til reaksjonsproduktet P med frigjøring av fritt enzym; Således er trinnet for dekomponering av enzym-substratkomplekset til reaksjonsprodukter hastighetsbestemmende (begrensende).

F+S<––>FS ––> F + P

En studie av avhengigheten av hastigheten til en enzymatisk reaksjon på konsentrasjonen av substratet ved en konstant konsentrasjon av enzymet viste at med økende konsentrasjon av substratet, øker reaksjonshastigheten først og deretter slutter å endre seg (fig. 2.12) og avhengighet av reaksjonshastigheten på konsentrasjonen av substratet er beskrevet av følgende ligning:

(II.45)

akselerasjon av kjemiske reaksjoner under påvirkning av små mengder stoffer (katalysatorer), som i seg selv ikke endres under reaksjonen. Katalytiske prosesser spiller en stor rolle i livene våre. Biologiske katalysatorer, kalt enzymer, er involvert i reguleringen av biokjemiske prosesser. Uten katalysatorer kunne mange industrielle prosesser ikke finne sted.

Den viktigste egenskapen til katalysatorer er selektivitet, dvs. evnen til å øke hastigheten på bare visse kjemiske reaksjoner av mange mulige. Dette gjør at reaksjoner som er for langsomme til å være praktiske under normale forhold og sikrer dannelsen av de ønskede produktene.

Bruken av katalysatorer bidro til den raske utviklingen av den kjemiske industrien. De er mye brukt i oljeraffinering, innhenting av ulike produkter og til å lage nye materialer (for eksempel plast), ofte billigere enn de som ble brukt før. Omtrent 90 % av moderne kjemisk produksjon er basert på katalytiske prosesser. Katalytiske prosesser spiller en spesiell rolle i miljøvern.

I 1835 oppdaget den svenske kjemikeren J. Berzelius at i nærvær av visse stoffer øker frekvensen av noen kjemiske reaksjoner betydelig. For slike stoffer introduserte han begrepet "katalysator" (fra gresk.

katalyse- avslapning). I følge Berzelius har katalysatorer en spesiell evne til å svekke bindingene mellom atomer i molekylene som er involvert i reaksjonen, og dermed lette deres interaksjon. Et stort bidrag til utviklingen av ideer om arbeidet med katalysatorer ble gitt av den tyske fysikalske kjemikeren W. Ostwald, som i 1880 definerte en katalysator som et stoff som endrer reaksjonshastigheten.

I følge moderne konsepter danner katalysatoren et kompleks med reagerende molekyler, stabilisert av kjemiske bindinger. Etter omorganisering dissosieres dette komplekset, og frigjør produktene og katalysatoren. For en monomolekylær reaksjon av transformasjon av et molekyl

X til Y Hele denne prosessen kan representeres i skjemaet X + Kat. ® X -Kat. ® Y -Kat. ® Y + Kat. Den frigjorte katalysatoren kobles til igjen X , og hele syklusen gjentas mange ganger, noe som sikrer dannelsen av store mengder av produktet - stoffet Y. Mange stoffer under normale forhold reagerer ikke kjemisk med hverandre. Dermed interagerer ikke hydrogen og karbonmonoksid ved romtemperatur med hverandre, siden bindingen mellom atomene i molekylet H 2 sterk nok og brytes ikke når den blir angrepet av et molekyl CO . En katalysator bringer molekyler sammen H2 og CO , danner forbindelser med dem. Etter omorganisering dissosieres katalysator-reagenskomplekset for å danne et produkt som inneholder atomer C, H og O. Ofte, når de samme stoffene interagerer, dannes det forskjellige produkter. En katalysator kan lede en prosess langs veien som er mest gunstig for dannelsen av et bestemt produkt. Vurder reaksjonen mellom CO og H2 . I nærvær av en kobberholdig katalysator er praktisk talt det eneste reaksjonsproduktet metanol:Først molekylene CO og H 2 adsorbert på overflaten av katalysatoren. Deretter danner CO-molekyler kjemiske bindinger med katalysatoren (kjemisorpsjon oppstår), og forblir i en udissosiert form. Hydrogenmolekyler kjemisorberes også på overflaten av katalysatoren, men dissosieres samtidig. Som et resultat av omorganiseringen dannes overgangskomplekset H-Cat.-. CH2OH . Etter å ha lagt til et atom H komplekset går i oppløsning og slipper CH3OH og katalysator. I nærvær av en nikkelkatalysator, både CO og H 2 kjemisorber på overflaten i dissosiert form, og Cat.-CH-komplekset dannes 3 . Sluttproduktene av reaksjonen er CH 4 og H20:

De fleste katalytiske reaksjoner utføres ved et visst trykk og temperatur ved å føre reaksjonsblandingen, som er i gassform eller flytende tilstand, gjennom en reaktor fylt med katalysatorpartikler. Følgende konsepter brukes for å beskrive reaksjonsbetingelser og produktegenskaper. Romhastighet er volumet av gass eller væske som passerer gjennom en enhetsvolum av katalysator per tidsenhet. Katalytisk aktivitet er mengden reaktanter omdannet av en katalysator til produkter per tidsenhet. Konvertering er brøkdelen av et stoff omdannet i en gitt reaksjon. Selektivitet er forholdet mellom mengden av et bestemt produkt og den totale mengden produkter (vanligvis uttrykt i prosent). Utbytte er forholdet mellom mengden av et gitt produkt og mengden utgangsmateriale (vanligvis uttrykt i prosent). Produktivitet er antall reaksjonsprodukter som dannes per volumenhet per tidsenhet. TYPER KATALYSATOR Katalysatorer er klassifisert basert på arten av reaksjonen de akselererer, deres kjemiske sammensetning eller deres fysiske egenskaper. Nesten alle kjemiske elementer og stoffer har katalytiske egenskaper i en eller annen grad - alene eller, oftere, i forskjellige kombinasjoner. Basert på deres fysiske egenskaper er katalysatorer delt inn i homogene og heterogene. Heterogene katalysatorer er faste stoffer som er homogent dispergert i samme gass eller flytende medium som de reagerende stoffene.

Mange heterogene katalysatorer inneholder metaller. Noen metaller, spesielt de som er relatert til

VIII gruppe av det periodiske system av elementer, har katalytisk aktivitet på egen hånd; et typisk eksempel er platina. Men de fleste metaller viser katalytiske egenskaper når de er tilstede i forbindelser; eksempel - alumina (aluminiumoksid Al203). En uvanlig egenskap ved mange heterogene katalysatorer er deres store overflateareal. De penetreres av mange porer, hvis totale areal noen ganger når 500 m 2 per 1 g katalysator. I mange tilfeller tjener oksider med et stort overflateareal som et substrat hvor metallkatalysatorpartikler avsettes i form av små klynger. Dette sikrer effektiv interaksjon av reagenser i gass- eller væskefasen med det katalytisk aktive metallet. En spesiell klasse av heterogene katalysatorer er zeolitter - krystallinske mineraler fra gruppen av aluminosilikater (forbindelser av silisium og aluminium). Selv om mange heterogene katalysatorer har et stort overflateareal, har de vanligvis bare et lite antall aktive steder, som utgjør en liten del av det totale overflatearealet. Katalysatorer kan miste sin aktivitet i nærvær av små mengder kjemiske forbindelser kalt katalysatorgifter. Disse stoffene binder seg til aktive sentre og blokkerer dem. Å bestemme strukturen til aktive steder er gjenstand for intensiv forskning.

Homogene katalysatorer har forskjellig kjemisk natur - syrer (H

2SO4 eller H3P04), base (NaOH ), organiske aminer, metaller, oftest overgang ( Fe eller Rh ), i form av salter, organometalliske forbindelser eller karbonyler. Katalysatorer inkluderer også enzymer - proteinmolekyler som regulerer biokjemiske reaksjoner. Det aktive stedet til noen enzymer inneholder et metallatom ( Zn, Cu, Fe eller Mo). Metallholdige enzymer katalyserer reaksjoner som involverer små molekyler ( O 2, CO 2 eller N 2 ). Enzymer har svært høy aktivitet og selektivitet, men de virker bare under visse forhold, for eksempel de der reaksjoner oppstår i levende organismer. I industrien brukes ofte den såkalte. immobiliserte enzymer. HVORDAN KATALYSATORER FUNGERER Energi. Enhver kjemisk reaksjon kan bare oppstå hvis reaktantene overvinner energibarrieren, og for dette må de tilegne seg en viss energi. Som vi allerede har sagt, den katalytiske reaksjonen X ® Y består av en rekke påfølgende stadier. Hver av dem krever energi for å finne sted.E , kalt aktiveringsenergi. Endringen i energi langs reaksjonskoordinaten er vist i fig. 1.

La oss først vurdere den ikke-katalytiske, "termiske" banen. For at en reaksjon skal finne sted, er den potensielle energien til molekylene

X må overskride energibarrierenE T . Den katalytiske reaksjonen består av tre stadier. Den første er dannelsen av X-Cat-komplekset. (kjemisorpsjon), hvis aktiveringsenergi er likE annonser . Den andre fasen er omgrupperingen av X-Cat.® Y -Katt. med aktiveringsenergiE katt , og til slutt, den tredje - desorpsjon med aktiveringsenergiE des ; E annonser, E katt og E des mye mindre E T . Siden reaksjonshastigheten avhenger eksponentielt av aktiveringsenergien, fortsetter den katalytiske reaksjonen mye raskere enn den termiske reaksjonen ved en gitt temperatur.

En katalysator kan sammenlignes med en guide som leder klatrere (reagerende molekyler) over en fjellkjede. Han leder en gruppe gjennom passet og returnerer deretter til neste. Veien gjennom passet ligger betydelig lavere enn den gjennom toppen (reaksjonens termiske kanal), og gruppen gjør overgangen raskere enn uten en leder (katalysator). Det er til og med mulig at gruppen ikke hadde klart å overvinne ryggen på egenhånd.

Teorier om katalyse. For å forklare mekanismen for katalytiske reaksjoner har tre grupper av teorier blitt foreslått: geometriske, elektroniske og kjemiske. I geometriske teorier er hovedoppmerksomheten gitt til samsvaret mellom den geometriske konfigurasjonen av atomene til de aktive sentrene til katalysatoren og atomene til den delen av de reagerende molekylene som er ansvarlig for binding til katalysatoren. Elektroniske teorier er basert på ideen om at kjemisorpsjon er forårsaket av elektronisk interaksjon knyttet til ladningsoverføring, dvs. disse teoriene relaterer katalytisk aktivitet til de elektroniske egenskapene til katalysatoren. Kjemisk teori ser på en katalysator som en kjemisk forbindelse med karakteristiske egenskaper som danner kjemiske bindinger med reagenser, noe som resulterer i dannelsen av et ustabilt overgangskompleks. Etter dekomponering av komplekset med frigjøring av produkter, går katalysatoren tilbake til sin opprinnelige tilstand. Sistnevnte teori anses nå som den mest dekkende.

På molekylært nivå kan en katalytisk gassfasereaksjon representeres som følger. Ett reagerende molekyl binder seg til det aktive stedet for katalysatoren, og det andre interagerer med det, og er direkte i gassfasen. En alternativ mekanisme er også mulig: de reagerende molekylene adsorberes på nærliggende aktive sentre av katalysatoren og samhandler deretter med hverandre. Det er tilsynelatende slik de fleste katalytiske reaksjoner foregår.

Et annet konsept antyder at det er et forhold mellom det romlige arrangementet av atomer på overflaten av en katalysator og dens katalytiske aktivitet. Hastigheten til noen katalytiske prosesser, inkludert mange hydrogeneringsreaksjoner, avhenger ikke av den relative posisjonen til de katalytisk aktive atomene på overflaten; hastigheten til andre, tvert imot, endres betydelig med endringer i den romlige konfigurasjonen av overflateatomer. Et eksempel er isomerisering av neopentan til isopentan og samtidig krakking av sistnevnte til isobutan og metan på overflaten av katalysatoren

Pt-Al203. ANVENDELSE AV KATALYSE I INDUSTRIEN Den raske industrielle veksten som vi nå opplever, ville ikke vært mulig uten utviklingen av nye kjemiske teknologier. I stor grad bestemmes denne fremgangen av den utbredte bruken av katalysatorer, ved hjelp av hvilke lavverdige råvarer omdannes til høyverdige produkter. Figurativt sett er en katalysator filosofens stein til en moderne alkymist, bare den forvandler ikke bly til gull, men råvarer til medisiner, plast, kjemikalier, drivstoff, gjødsel og andre nyttige produkter.

Kanskje den aller første katalytiske prosessen som mennesket lærte å bruke var gjæring. Oppskrifter for å tilberede alkoholholdige drikker var kjent for sumererne så tidlig som 3500 f.Kr.

Cm. VIN; ØL.

En betydelig milepæl i den praktiske anvendelsen av katalyse var produksjonen av margarin ved katalytisk hydrogenering av vegetabilsk olje. Denne reaksjonen ble først utført i industriell skala rundt 1900. Og siden 1920-tallet har katalytiske metoder for å produsere nye organiske materialer, først og fremst plast, blitt utviklet etter hverandre. Nøkkelpunktet var den katalytiske produksjonen av olefiner, nitriler, estere, syrer, etc. - "murstein" for kjemisk "konstruksjon" av plast.

Den tredje bølgen av industriell bruk av katalytiske prosesser skjedde på 1930-tallet og var assosiert med petroleumsraffinering. Når det gjelder volum, la denne produksjonen snart alle andre langt bak. Petroleumsraffinering består av flere katalytiske prosesser: krakking, reformering, hydrosulfonering, hydrokrakking, isomerisering, polymerisering og alkylering.

Til slutt er den fjerde bølgen i bruken av katalyse relatert til miljøvern. Den mest kjente prestasjonen på dette området er etableringen av en katalysator for bileksosgasser. Katalysatorer, som har vært installert i biler siden 1975, har spilt en stor rolle i å forbedre luftkvaliteten og dermed redde mange liv.

Omtrent et dusin nobelpriser har blitt delt ut for arbeid innen katalyse og relaterte felt.

Den praktiske betydningen av katalytiske prosesser er bevist av det faktum at andelen nitrogen som inngår i industrielt produserte nitrogenholdige forbindelser utgjør omtrent halvparten av alt nitrogen som inngår i matvarer. Mengden nitrogenforbindelser som produseres naturlig er begrenset, så produksjonen av diettprotein avhenger av mengden nitrogen som tilføres jorda gjennom gjødsel. Det ville være umulig å mate halvparten av menneskeheten uten syntetisk ammoniakk, som nesten utelukkende produseres gjennom Haber-Bosch katalytiske prosess.

Anvendelsesområdet for katalysatorer utvides stadig. Det er også viktig at katalyse kan øke effektiviteten til tidligere utviklede teknologier betydelig. Et eksempel er forbedringen i katalytisk cracking ved bruk av zeolitter.

Hydrogenering. Et stort antall katalytiske reaksjoner er assosiert med aktivering av et hydrogenatom og et annet molekyl, noe som fører til deres kjemiske interaksjon. Denne prosessen kalles hydrogenering og ligger til grunn for mange stadier av oljeraffinering og produksjon av flytende brensel fra kull (Bergius-prosessen).

Produksjonen av flybensin og motordrivstoff fra kull ble utviklet i Tyskland under andre verdenskrig fordi landet ikke hadde noen oljefelt. Bergius-prosessen innebærer direkte tilsetning av hydrogen til kull. Kull varmes opp under trykk i nærvær av hydrogen for å produsere et flytende produkt, som deretter behandles til flybensin og motordrivstoff. Jernoksid brukes som katalysator, samt katalysatorer basert på tinn og molybden. Under krigen produserte 12 fabrikker i Tyskland omtrent 1400 tonn flytende drivstoff per dag ved bruk av Bergius-prosessen.

En annen prosess, Fischer-Tropsch, består av to trinn. Først forgasses kullet, d.v.s. De reagerer det med vanndamp og oksygen og får en blanding av hydrogen og karbonoksider. Denne blandingen omdannes til flytende drivstoff ved hjelp av katalysatorer som inneholder jern eller kobolt. Med slutten av krigen ble produksjonen av syntetisk brensel fra kull i Tyskland avviklet.

Som et resultat av økningen i oljeprisen som fulgte etter oljeembargoen 1973–1974, ble det gjort kraftige anstrengelser for å utvikle en kostnadseffektiv metode for å produsere bensin fra kull. Direkte flytendegjøring av kull kan således utføres mer effektivt ved å bruke en totrinnsprosess der kullet først bringes i kontakt med en aluminium-kobolt-molybden-katalysator ved en relativt lav temperatur og deretter ved en høyere temperatur. Kostnaden for slik syntetisk bensin er høyere enn den som oppnås fra olje.

Ammoniakk. En av de enkleste hydrogeneringsprosessene fra et kjemisk synspunkt er syntesen av ammoniakk fra hydrogen og nitrogen. Nitrogen er et veldig inert stoff. For å bryte forbindelsen N-N molekylet krever energi på omtrent 200 kcal/ muldvarp. Imidlertid binder nitrogen seg til overflaten av jernkatalysatoren i atomtilstand, og dette krever bare 20 kcal/ muldvarp. Hydrogen binder seg enda lettere til jern. Ammoniakksyntese fortsetter som følger:

Dette eksemplet illustrerer evnen til en katalysator til å akselerere både forover- og bakoverreaksjoner likt, dvs. det faktum at katalysatoren ikke endrer likevektsposisjonen til en kjemisk reaksjon.Hydrogenering av vegetabilsk olje. En av de viktigste hydrogeneringsreaksjonene i praksis er ufullstendig hydrogenering av vegetabilske oljer til margarin, matolje og andre matprodukter. Vegetabilske oljer er hentet fra soyabønner, bomullsfrø og andre avlinger. De inneholder estere, nemlig triglyserider av fettsyrer med varierende grad av umettethet. Oljesyre CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH (CH 2 ) 7 COOH har en C=C dobbeltbinding, linolsyre har to, og linolensyre har tre. Tilsetning av hydrogen for å bryte denne bindingen hindrer oljer i å oksidere (harskning). Dette øker deres smeltepunkt. Hardheten til de fleste resulterende produkter avhenger av graden av hydrogenering. Hydrogenering utføres i nærvær av fint nikkelpulver avsatt på et substrat eller en Raney-nikkelkatalysator i en atmosfære av høyt renset hydrogen.Dehydrogenering. Dehydrogenering er også en industrielt viktig katalytisk reaksjon, selv om omfanget av dens anvendelse er uforlignelig mindre. Med dens hjelp oppnås for eksempel styren, en viktig monomer. For å gjøre dette dehydrogeneres etylbenzen i nærvær av en katalysator som inneholder jernoksid; Reaksjonen lettes også av kalium og en form for strukturstabilisator. Dehydrogeneringen av propan, butan og andre alkaner utføres i industriell skala. Dehydrogenering av butan i nærvær av en krom-aluminiumoksyd-katalysator produserer butener og butadien.Syrekatalyse. Den katalytiske aktiviteten til en stor klasse katalysatorer bestemmes av deres sure egenskaper. Ifølge I. Brønsted og T. Lowry er en syre en forbindelse som er i stand til å donere et proton. Sterke syrer donerer enkelt protonene sine til baser. Begrepet surhet ble videreutviklet i verkene til G. Lewis, som definerte syre som et stoff som er i stand til å akseptere et elektronpar fra et donorstoff med dannelse av en kovalent binding på grunn av sosialiseringen av dette elektronparet. Disse ideene, sammen med ideer om reaksjoner som produserer karbeniumioner, bidro til å forstå mekanismen til en rekke katalytiske reaksjoner, spesielt de som involverer hydrokarboner.

Styrken til en syre kan bestemmes ved å bruke et sett med baser som endrer farge når et proton tilsettes. Det viser seg at noen industrielt viktige katalysatorer oppfører seg som veldig sterke syrer. Disse inkluderer Friedel-Crafts prosesskatalysator, som f.eks

HCl-AlCl 2 O 3 (eller HAlCl 4 ), og aluminosilikater. Syrestyrke er en svært viktig egenskap fordi den bestemmer protoneringshastigheten, et nøkkeltrinn i syrekatalyseprosessen.

Aktiviteten til katalysatorer som aluminosilikater, brukt i oljekrakking, bestemmes av tilstedeværelsen av Brønsted- og Lewis-syrer på overflaten. Deres struktur er lik strukturen til silika (silisiumdioksid), hvor noen av atomene

Si 4+ erstattet av atomer Al 3+. Den overskytende negative ladningen som oppstår i dette tilfellet kan nøytraliseres av de tilsvarende kationene. Hvis kationene er protoner, oppfører aluminosilikatet seg som en Brønsted-syre:

Aktiviteten til sure katalysatorer bestemmes av deres evne til å reagere med hydrokarboner for å danne et karbeniumion som et mellomprodukt. Alkylkarbeniumioner inneholder et positivt ladet karbonatom bundet til tre alkylgrupper og/ eller hydrogenatomer. De spiller en viktig rolle som mellomprodukter dannet i mange reaksjoner som involverer organiske forbindelser. Virkningsmekanismen til sure katalysatorer kan illustreres ved å bruke eksemplet på en isomeriseringsreaksjonn -butan til isobutan i nærvær HCl - AlCl 3 eller Pt - Cl - Al 2 O 3 . Først en liten mengde olefin C 4 N 8 fester et positivt ladet hydrogenion til en sur katalysator for å danne m tertiært karbeniumion. Deretter negativt ladet hydridion N - deler seg fra n -butan med dannelse av isobutan og sekundær butylkarb e nor tion. Siste som et resultat av omgruppering blir det til tertiær karbon ion. Denne kjeden kan fortsette med eliminering av et hydridion fra neste molekyln-butan, etc.:

Viktig o at tertiære karbeniumioner er mer stabile enn primære eller sekundære. Som et resultat er de hovedsakelig tilstede på overflaten av katalysatoren, og derfor er hovedproduktet av butanisomerisering isobutan.

Syrekatalysatorer er mye brukt i oljeraffinering - krakking, alkylering, polymerisering og isomerisering av hydrokarboner

(se også KJEMI OG METODER FOR OLJEBEHANDLING). Virkningsmekanismen til karbeniumioner, som spiller rollen som katalysatorer i disse prosessene, er etablert. Ved å gjøre dette deltar de i en rekke reaksjoner, inkludert dannelsen av små molekyler ved spaltning av store molekyler, kombinasjonen av molekyler (olefin til olefin eller olefin til isopafin), strukturell omorganisering ved isomerisering, og dannelsen av parafiner og aromatiske stoffer. hydrokarboner ved hydrogenoverføring.

En av de siste bruksområdene for syrekatalyse i industrien er produksjon av blyholdig drivstoff ved å tilsette alkoholer til isobutylen eller isoamylen. Tilsetning av oksygenholdige forbindelser til bensin reduserer konsentrasjonen av karbonmonoksid i avgasser. Metyl-

gnir -butyleter (MTBE) med et oktantall på 109 gjør det også mulig å skaffe høyoktan drivstoff som er nødvendig for å drive en bilmotor med høyt kompresjonsforhold, uten å introdusere tetraetylbly i bensin. Det er også organisert produksjon av drivstoff med oktantall 102 og 111.Grunnleggende katalyse. Aktiviteten til katalysatorer bestemmes av deres grunnleggende egenskaper. Et mangeårig og velkjent eksempel på slike katalysatorer er natriumhydroksid, brukt til å hydrolysere eller forsåpe fett for å lage såpe, og et nylig eksempel er katalysatorer som brukes i produksjon av polyuretanplast og skum. Uretan dannes ved reaksjon av alkohol med isocyanat, og denne reaksjonen akselereres i nærvær av basiskåpenbare aminer. Under reaksjonen fester en base seg til karbonatomet i isocyanatmolekylet, som et resultat av at en negativ ladning vises på nitrogenatomet og dens aktivitet mot alkohol øker. Trietylendiamin er en spesielt effektiv katalysator. Polyuretanplast produseres ved å reagere diisocyanater med polyoler (polyalkoholer). Når isocyanat reagerer med vann, brytes det tidligere dannede uretanet ned og frigjøres CO2 . Når en blanding av polyalkoholer og vann interagerer med diisocyanater, skummer det resulterende polyuretanskum som en gass CO2. Dobbeltvirkende katalysatorer. Disse katalysatorene fremskynder to typer reaksjoner og gir bedre resultater enn å føre reaktantene i serie gjennom to reaktorer, som hver inneholder bare én type katalysator. Dette skyldes det faktum at de aktive stedene til en dobbeltvirkende katalysator er svært nær hverandre, og mellomproduktet som dannes ved en av dem, omdannes umiddelbart til sluttproduktet ved den andre.

Et godt resultat oppnås ved å kombinere en katalysator som aktiverer hydrogen med en katalysator som fremmer isomeriseringen av hydrokarboner. Aktiveringen av hydrogen utføres av noen metaller, og isomeriseringen av hydrokarboner utføres av syrer. En effektiv dobbeltvirkende katalysator som brukes i petroleumsraffinering for å omdanne nafta til bensin er finfordelt platina båret på surt aluminiumoksyd. Konvertering av naftabestanddeler som metylcyklopentan (MCP) til benzen øker oktantallet i bensin. Først dehydrogeneres MCP på platinadelen av katalysatoren til et olefin med samme karbonskjelett; olefinet passerer deretter til den sure delen av katalysatoren, hvor det isomeriserer til cykloheksen. Sistnevnte går over til platinadelen og dehydrogeneres til benzen og hydrogen.

Dobbeltvirkende katalysatorer akselererer oljereformeringen betydelig. De brukes til å isomerisere normale parafiner til isoparaffiner. Sistnevnte, som koker ved samme temperaturer som bensinfraksjoner, er verdifulle fordi de har et høyere oktantall sammenlignet med rene hydrokarboner. Dessuten transformasjonen

n -butan til isobutan er ledsaget av dehydrogenering, noe som letter produksjonen av MTBE.Stereospesifikk polymerisering. En viktig milepæl i historien katalyse kom i stand oppdagelsen av katalytisk polymerisasjonen-olefiner med formasjonen stereoregulær x polymerer. Til katalysatorer stereospesifikk polymerisasjon ble oppdaget av K. Ziegler da han prøvde å forklare de uvanlige egenskapene til polymerene han oppnådde. En annen kjemiker, J. Natta, antydet at det unike med Ziegler-polymerer bestemmes av deres stereoregularitet. Røntgendiffraksjonseksperimenter har vist at polymerer fremstilt fra propylen i nærvær av Ziegler-katalysatorer er svært krystallinske og faktisk har en stereoregulær struktur. For å beskrive slike ordnede strukturer introduserte Natta begrepene " isotaktisk " og "syndiotaktisk". I tilfelle der det ikke er noen ordre, brukes begrepet "ataktisk":

En stereospesifikk reaksjon oppstår på overflaten av faste katalysatorer som inneholder overgangsmetallgrupper IVA - VIII (som Ti, V, Cr, Zr ), som er i en ufullstendig oksidert tilstand, og enhver forbindelse som inneholder karbon eller hydrogen som er bundet til et metall fra gruppene I - III . Et klassisk eksempel på en slik katalysator er bunnfallet som dannes når TiCl 4 og Al(C 2 H 5 ) 3 i heptan, hvor titan reduseres til den trivalente tilstanden. Detteusedvanlig aktivSystemet katalyserer polymerisasjonen av propylen ved normal temperatur og trykk.Katalytisk oksidasjon. Bruken av katalysatorer for å kontrollere kjemien i oksidasjonsprosesser er av stor vitenskapelig og praktisk betydning. I noen tilfeller må oksidasjonen være fullstendig, for eksempel ved nøytralisering av CO og hydrokarbonforurensninger i bileksos.Imidlertid er det oftere nødvendig at oksidasjonen er ufullstendig, for eksempel i mange mye brukte industrielle prosesser for å omdanne hydrokarboner til verdifulle mellomprodukter som inneholder funksjonelle grupper som -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. I dette tilfellet brukes både homogene og heterogene katalysatorer. Et eksempel på en homogen katalysator er et overgangsmetallkompleks, som brukes til oksidasjonenpar -xylen til tereftalsyre, hvis estere tjener som grunnlag for produksjon av polyesterfibre.Katalysatorer for heterogen oksidasjon. Disse katalysatorene er vanligvis komplekse faste oksider. Katalytisk oksidasjon skjer i to trinn. Først blir oksygenet i oksidet fanget opp av et hydrokarbonmolekyl adsorbert på overflaten av oksidet. I dette tilfellet oksideres hydrokarbonet, og oksidet reduseres. Det reduserte oksidet reagerer med oksygen og går tilbake til sin opprinnelige tilstand. Ved å bruke en vanadiumkatalysator oppnås ftalsyreanhydrid ved ufullstendig oksidasjon av naftalen eller butan.Produksjon av etylen ved dehydrodimerisering av metan. Etylensyntese gjennom dehydrodimerisering omdanner naturgass til lettere transporterbare hydrokarboner. Reaksjon 2CH4 + 2O2® C2H4 + 2H2O utføres ved 850° C ved hjelp av ulike katalysatorer; de beste resultatene oppnås med en katalysator Li-MgO . Antagelig går reaksjonen gjennom dannelsen av et metylradikal ved abstraksjon av et hydrogenatom fra et metanmolekyl. Eliminering utføres av ufullstendig redusert oksygen, for eksempel O 2 2- . Metylradikaler i gassfasen rekombinerer for å danne et etanmolekyl og, under påfølgende dehydrogenering, omdannes til etylen. Et annet eksempel på ufullstendig oksidasjon er omdannelsen av metanol til formaldehyd i nærvær av en sølv- eller jern-molybdenkatalysator.Zeolitter. Zeolitter utgjør en spesiell klasse av heterogene katalysatorer. Dette er aluminosilikater med en ordnet bikakestruktur, hvis cellestørrelse er sammenlignbar med størrelsen på mange organiske molekyler. De kalles også molekylsikter. Av størst interesse er zeolitter, hvis porer er dannet av ringer bestående av 8-12 oksygenioner (fig. 2). Noen ganger overlapper porene, som i ZSM-5-zeolitten (fig. 3), som brukes til den svært spesifikke omdannelsen av metanol til bensinfraksjonshydrokarboner. Bensin inneholder betydelige mengder aromatiske hydrokarboner og har derfor et høyt oktantall. I New Zealand, for eksempel, produseres en tredjedel av all bensin som forbrukes ved hjelp av denne teknologien. Metanol produseres av importert metan. Katalysatorene som utgjør gruppen av Y-zeolitter øker effektiviteten av katalytisk cracking betydelig på grunn av deres uvanlige sure egenskaper. Å erstatte aluminosilikater med zeolitter gjør det mulig å øke bensinutbyttet med mer enn 20 %.

I tillegg har zeolitter selektivitet med hensyn til størrelsen på de reagerende molekylene. Selektiviteten deres bestemmes av størrelsen på porene som molekyler av bare visse størrelser og former kan passere gjennom. Dette gjelder både utgangsmaterialer og reaksjonsprodukter. For eksempel på grunn av steriske restriksjoner

par -xylen dannes lettere enn tykkereorto- Og meta -isomerer. Sistnevnte befinner seg "låst" i porene til zeolitten (fig. 4).

Bruken av zeolitter har gjort en reell revolusjon i noen industrielle teknologier - avvoksing av gassolje og motorolje, oppnåelse av kjemiske mellomprodukter for produksjon av plast ved alkylering av aromatiske forbindelser, isomerisering av xylen, disproporsjonering av toluen og katalytisk krakking av olje. Zeolitt er spesielt effektiv her

ZSM-5. Katalysatorer og miljøvern. Bruken av katalysatorer for å redusere luftforurensning begynte på slutten av 19 40-tallet. I 1952 fant A. Hagen-Smith at hydrokarboner og nitrogenoksider i avgasser reagerer i lys og danner oksidanter (spesielt ozon), som irriterer øynene og gir andre uønskede effekter. Omtrent samtidig utviklet Y. Khoudri en metode for katalytisk rensing av eksosgasser ved oksidasjon CO og hydrokarboner opp til CO 2 og H 2 A. I 1970 ble Clean Air Declaration formulert (raffinert i 1977, utvidet i 1990), ifølge hvilken alle nye biler, som starter med 1975-modeller, må utstyres med katalysatorer. Det ble etablert standarder for sammensetningen av eksosgasser. Fordi blyforbindelser tilsatt bensingiftkatalysatorer, har et utfasingsprogram blitt vedtatt. Det ble også gjort oppmerksom på behovet for å redusere innholdet av nitrogenoksider.

Katalysatorer er laget spesielt for bilnøytralisatorer, der aktive komponenter påføres et keramisk underlag med en bikakestruktur, gjennom cellene som eksosgasser passerer. Underlaget er belagt med et tynt lag metalloksid, f.eks.

Al2O3 , som en katalysator påføres på - platina, palladium eller rhodium. Innholdet av nitrogenoksider dannet ved forbrenning av naturlig brensel i termiske kraftverk kan reduseres ved å tilsette små mengder ammoniakk til røykgassene og lede dem gjennom en titanvanadiumkatalysator.Enzymer. Enzymer er naturlige katalysatorer som regulerer biokjemiske prosesser i en levende celle. De deltar i energiutvekslingsprosesser, nedbryting av næringsstoffer og biosyntesereaksjoner. Uten dem kan mange komplekse organiske reaksjoner ikke oppstå. Enzymer fungerer ved vanlige temperaturer og trykk, har svært høy selektivitet og er i stand til å øke reaksjonshastigheten med åtte størrelsesordener. Til tross for disse fordelene er det kun ca. 20 av de 15 000 kjente enzymene brukes i stor skala.

Mennesket har brukt enzymer i tusenvis av år til å bake brød, produsere alkoholholdige drikker, ost og eddik. Nå brukes enzymer også i industrien: i prosessering av sukker, i produksjon av syntetiske antibiotika, aminosyrer og proteiner. Proteolytiske enzymer som akselererer hydrolyseprosesser tilsettes vaskemidler.

Ved hjelp av bakterier

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann utførte den enzymatiske omdannelsen av stivelse til aceton og butylalkohol. Denne metoden for å produsere aceton ble mye brukt i England under første verdenskrig, og under andre verdenskrig ble den brukt til å produsere butadiengummi i USSR.

En ekstremt viktig rolle ble spilt av bruken av enzymer produsert av mikroorganismer for syntese av penicillin, samt streptomycin og vitamin

B12. Etylalkohol, produsert ved enzymatiske prosesser, er mye brukt som bildrivstoff. I Brasil kjører mer enn en tredjedel av rundt 10 millioner biler på 96 % etylalkohol avledet fra sukkerrør, mens resten kjører på en blanding av bensin og etylalkohol (20 %). Teknologien for å produsere drivstoff, som er en blanding av bensin og alkohol, er godt utviklet i USA. I 1987 ble ca. 4 milliarder liter alkohol, hvorav cirka 3,2 milliarder liter ble brukt som drivstoff. Den såkalte også finne ulike applikasjoner. immobiliserte enzymer. Disse enzymene er bundet til en fast bærer, slik som silikagel, som reagensene føres over. Fordelen med denne metoden er at den sikrer effektiv kontakt av substrater med enzymet, separering av produkter og konservering av enzymet. Et eksempel på industriell bruk av immobiliserte enzymer er isomerisering D -glukose til fruktose. TEKNOLOGISKE ASPEKTER Moderne teknologier kan ikke tenkes uten bruk av katalysatorer. Katalytiske reaksjoner kan forekomme ved temperaturer opp til 650° C og trykk på 100 atm eller mer. Dette tvinger fram nye løsninger på problemer knyttet til kontakt mellom gassformige og faste stoffer og med overføring av katalysatorpartikler. For at prosessen skal være effektiv, må modelleringen ta hensyn til kinetiske, termodynamiske og hydrodynamiske aspekter. Datamodellering er mye brukt her, samt nye instrumenter og metoder for overvåking av teknologiske prosesser.

I 1960 ble det gjort betydelige fremskritt i ammoniakkproduksjonen. Bruken av en mer aktiv katalysator gjorde det mulig å senke temperaturen på hydrogenproduksjonen under dekomponeringen av vanndamp, noe som gjorde det mulig å senke trykket og dermed redusere produksjonskostnadene, for eksempel ved bruk av billigere sentrifugalkompressorer . Som et resultat falt prisen på ammoniakk med mer enn halvparten, det var en kolossal økning i produksjonen, og i forbindelse med dette økte matproduksjonen, siden ammoniakk er en verdifull gjødsel.

Metoder. Forskning innen katalyse utføres ved bruk av både tradisjonelle og spesielle metoder. Radioaktive sporstoffer, røntgen, infrarød og Raman (Raman) spektroskopi, elektronmikroskopiske metoder brukes; Kinetiske målinger utføres, påvirkningen av metoder for fremstilling av katalysatorer på deres aktivitet studeres. Av stor betydning er bestemmelsen av overflatearealet til katalysatoren ved hjelp av Brunauer-Emmett-Teller-metoden (BET-metoden), basert på måling av fysisk adsorpsjon av nitrogen ved forskjellige trykk. For å gjøre dette, bestemme mengden nitrogen som kreves for å danne et monolag på overflaten av katalysatoren, og vite diameteren til molekylet N 2 , beregne det totale arealet. I tillegg til å bestemme det totale overflatearealet, utføres kjemisorpsjon av forskjellige molekyler, noe som gjør det mulig å estimere antall aktive sentre og få informasjon om deres egenskaper.

Forskere har ulike metoder til rådighet for å studere overflatestrukturen til katalysatorer på atomnivå. Metoden lar deg få unik informasjon

EXAFS . Blant spektroskopiske metoder brukes UV-, røntgen- og Auger-fotoelektronspektroskopi i økende grad. Sekundær ionemassespektrometri og ionespredningsspektroskopi er av stor interesse. NMR-målinger brukes til å studere naturen til katalytiske komplekser. Et skanningstunnelmikroskop lar deg se arrangementet av atomer på overflaten av katalysatoren. UTSIKTER Omfanget av katalytiske prosesser i industrien øker hvert år. Katalysatorer brukes i økende grad for å nøytralisere stoffer som forurenser miljøet. Katalysatorers rolle i produksjonen av hydrokarboner og oksygenholdig syntetisk brensel fra gass og kull øker. Opprettelsen av brenselceller for økonomisk konvertering av brenselenergi til elektrisk energi virker veldig lovende.

Nye konsepter for katalyse vil gjøre det mulig å skaffe polymere materialer og andre produkter med mange verdifulle egenskaper, forbedre metoder for å skaffe energi og øke matproduksjonen, spesielt ved å syntetisere proteiner fra alkaner og ammoniakk ved hjelp av mikroorganismer. Det kan være mulig å utvikle genetisk konstruerte metoder for å produsere enzymer og organometalliske forbindelser som nærmer seg naturlige biologiske katalysatorer i deres katalytiske aktivitet og selektivitet.

LITTERATUR Gates B.K. Kjemi av katalytiske prosesser . M., 1981
Boreskov G.K. Katalyse. Spørsmål om teori og praksis . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Ny generell teori om katalyse . L., 1991
Tokabe K. Katalysatorer og katalytiske prosesser . M., 1993