Chemia to nauka o substancjach i ich przemianach oraz metodach ich pozyskiwania. Nawet w normalnym programie szkolnym uwzględnia się tak ważną kwestię, jak rodzaje reakcji. Klasyfikacja, do której wprowadza się dzieci w wieku szkolnym na poziomie podstawowym, uwzględnia zmianę stopnia utlenienia, fazę kursu, mechanizm procesu itp. Ponadto wszystkie procesy chemiczne dzieli się na niekatalityczne i katalityczne reakcje. Przykłady przemian zachodzących przy udziale katalizatora napotyka człowiek w zwykłym życiu: fermentacja, rozkład. Transformacje niekatalityczne są dla nas znacznie rzadsze.
Co to jest katalizator
Jest to substancja chemiczna, która może zmieniać szybkość interakcji, ale sama w niej nie uczestniczy. W przypadku, gdy proces jest przyspieszany za pomocą katalizatora, mówimy o katalizie dodatniej. W przypadku, gdy substancja dodana do procesu zmniejsza szybkość reakcji, nazywa się ją inhibitorem.
Rodzaje katalizy
Jednorodna i heterogeniczna kataliza różnią się fazą, ww którym znajdują się materiały wyjściowe. Jeżeli początkowe składniki pobrane do oddziaływań, w tym katalizator, są w tym samym stanie agregacji, zachodzi kataliza homogeniczna. W przypadku, gdy w reakcji biorą udział substancje różnych faz, zachodzi kataliza heterogeniczna.
Selektywność działania
Kataliza to nie tylko sposób na zwiększenie produktywności sprzętu, ma ona pozytywny wpływ na jakość powstających produktów. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że ze względu na selektywne (selektywne) działanie większości katalizatorów reakcja bezpośrednia ulega przyspieszeniu, procesy uboczne ulegają ograniczeniu. W efekcie powstałe produkty charakteryzują się wysoką czystością, nie ma potrzeby dalszego oczyszczania substancji. Selektywność działania katalizatora daje realną redukcję kosztów pozaprodukcyjnych surowców, co jest dobrą korzyścią ekonomiczną.
Korzyści z zastosowania katalizatora w produkcji
Co jeszcze charakteryzuje reakcje katalityczne? Przykłady z typowego liceum pokazują, że zastosowanie katalizatora pozwala na prowadzenie procesu w niższych temperaturach. Eksperymenty potwierdzają, że można go wykorzystać do znacznego obniżenia kosztów energii. Jest to szczególnie ważne w nowoczesnych warunkach, kiedy na świecie brakuje zasobów energetycznych.
Przykłady produkcji katalitycznej
Jaka branża wykorzystuje reakcje katalityczne? Przykłady takich produkcji:produkcja kwasu azotowego i siarkowego, wodoru, amoniaku, polimerów, rafinacja ropy naftowej. Kataliza jest szeroko stosowana w produkcji kwasów organicznych, alkoholi jedno- i wielowodorotlenowych, fenolu, żywic syntetycznych, barwników i leków.
Co to jest katalizator
Wiele substancji znajdujących się w układzie okresowym pierwiastków chemicznych Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa, a także ich związki, mogą działać jako katalizatory. Do najpopularniejszych akceleratorów należą: nikiel, żelazo, platyna, kob alt, glinokrzemiany, tlenki manganu.
Cechy katalizatorów
Oprócz selektywnego działania, katalizatory mają doskonałą wytrzymałość mechaniczną, są w stanie wytrzymać trucizny katalityczne i są łatwo regenerowane (odzyskiwane).
Zgodnie ze stanem fazowym, katalityczne reakcje jednorodne dzielą się na fazę gazową i fazę ciekłą.
Przyjrzyjmy się bliżej tego typu reakcjom. W roztworach kationy wodorowe H+, jony zasad wodorotlenowych OH-, kationy metali M+ oraz substancje przyczyniające się do powstawania wolnych rodników działają jak przyspieszacze przemian chemicznych.
Esencja katalizy
Mechanizm katalizy w interakcji kwasów i zasad polega na wymianie między oddziałującymi substancjami a dodatnimi jonami katalizatora (protonami). W tym przypadku zachodzą przemiany wewnątrzcząsteczkowe. Według tegoreakcje wyglądają tak:
- odwodnienie (oddzielenie wody);
- nawodnienie (przyłączanie się cząsteczek wody);
- estryfikacja (tworzenie estrów z alkoholi i kwasów karboksylowych);
- polikondensacja (tworzenie polimeru z eliminacją wody).
Teoria katalizy wyjaśnia nie tylko sam proces, ale także możliwe przemiany uboczne. W przypadku katalizy heterogenicznej akcelerator procesu tworzy niezależną fazę, niektóre centra na powierzchni reagentów mają właściwości katalityczne lub bierze udział cała powierzchnia.
Istnieje również proces mikroheterogeniczny, który obejmuje obecność katalizatora w stanie koloidalnym. Ten wariant jest stanem przejściowym od jednorodnego do heterogenicznego typu katalizy. Większość z tych procesów zachodzi między substancjami gazowymi przy użyciu katalizatorów stałych. Mogą mieć postać granulek, tabletek, ziaren.
Rozmieszczenie katalizy w przyrodzie
Kataliza enzymatyczna jest dość rozpowszechniona w przyrodzie. To za pomocą biokatalizatorów przebiega synteza cząsteczek białka, zachodzi metabolizm w żywych organizmach. Ani jeden proces biologiczny zachodzący z udziałem organizmów żywych nie omija reakcji katalitycznych. Przykłady procesów życiowych: synteza białek specyficznych dla organizmu z aminokwasów; rozkład tłuszczów, białek, węglowodanów.
Algorytm katalizy
Rozważmy mechanizm katalizy. Proces ten, który zachodzi na porowatych, stałych akceleratorach oddziaływań chemicznych, obejmuje:sobie kilka podstawowych etapów:
- dyfuzja substancji oddziałujących na powierzchnię ziaren katalizatora z rdzenia przepływu;
- dyfuzja odczynników w porach katalizatora;
- chemisorpcja (adsorpcja aktywowana) na powierzchni akceleratora reakcji chemicznych z pojawieniem się chemicznych substancji powierzchniowych - aktywowanych kompleksów katalizator-odczynnik;
- przegrupowanie atomów z pojawieniem się kombinacji powierzchniowych „katalizator-produkt”;
- dyfuzja w porach produktu przyspieszacza reakcji;
- dyfuzja produktu z powierzchni ziarna przyspieszacza reakcji do przepływu rdzenia.
Reakcje katalityczne i niekatalityczne są tak ważne, że naukowcy kontynuują badania w tej dziedzinie od wielu lat.
Dzięki katalizie homogenicznej nie ma potrzeby budowania specjalnych konstrukcji. Kataliza enzymatyczna w wersji heterogenicznej wiąże się z zastosowaniem różnego i specyficznego sprzętu. Do jego przepływu opracowano specjalne aparaty kontaktowe, podzielone według powierzchni styku (w rurkach, na ścianach, siatkach katalizatora); z warstwą filtracyjną; ważona warstwa; z ruchomym katalizatorem proszkowym.
Wymiana ciepła w urządzeniach jest realizowana na różne sposoby:
- poprzez zastosowanie zdalnych (zewnętrznych) wymienników ciepła;
- za pomocą wymienników ciepła wbudowanych w aparat kontaktowy.
Analizując wzory w chemii można również znaleźć takie reakcje, w których katalizator jest jednym z produktów końcowych powstających podczas interakcji chemicznejoryginalne komponenty.
Takie procesy są zwykle nazywane autokatalitycznymi, samo zjawisko w chemii nazywa się autokatalizą.
Szybkość wielu interakcji jest związana z obecnością pewnych substancji w mieszaninie reakcyjnej. Ich formuły w chemii są najczęściej pomijane, zastępowane słowem „katalizator” lub jego skróconą wersją. Nie są one uwzględnione w końcowym równaniu stereochemicznym, ponieważ nie zmieniają się z ilościowego punktu widzenia po zakończeniu oddziaływania. W niektórych przypadkach wystarczy niewielka ilość substancji, aby znacząco wpłynąć na szybkość procesu. Sytuacje są również całkiem akceptowalne, gdy samo naczynie reakcyjne działa jako przyspieszacz interakcji chemicznych.
Istotą wpływu katalizatora na zmianę szybkości procesu chemicznego jest to, że substancja ta wchodzi w skład aktywnego kompleksu, a zatem zmienia energię aktywacji interakcji chemicznej.
Kiedy ten kompleks się rozkłada, katalizator jest regenerowany. Najważniejsze jest to, że nie zostanie wydana, pozostanie w tej samej wysokości po zakończeniu interakcji. Z tego powodu niewielka ilość substancji czynnej wystarcza do przeprowadzenia reakcji z substratem (substancją reagującą). W rzeczywistości w procesach chemicznych nadal zużywane są niewielkie ilości katalizatorów, ponieważ możliwe są różne procesy uboczne: jego zatrucie, straty technologiczne, zmiana stanu powierzchni katalizatora stałego. Formuły chemiczne nie zawierają katalizatora.
Wniosek
Reakcje, w których bierze udział substancja czynna (katalizator) otaczają człowieka, poza tym zachodzą również w jego ciele. Reakcje jednorodne są znacznie rzadsze niż interakcje heterogeniczne. W każdym razie najpierw powstają kompleksy pośrednie, które są niestabilne, ulegają stopniowemu zniszczeniu i obserwuje się regenerację (odzysk) przyspieszacza procesu chemicznego. Na przykład, gdy kwas metafosforowy reaguje z nadsiarczanem potasu, kwas jodowodorowy działa jako katalizator. Po dodaniu do reagentów powstaje żółty roztwór. Gdy zbliżasz się do końca procesu, kolor stopniowo znika. W tym przypadku jod pełni rolę produktu pośredniego, a proces przebiega dwuetapowo. Ale gdy tylko zsyntetyzuje się kwas metafosforowy, katalizator powraca do swojego pierwotnego stanu. Katalizatory są niezbędne w przemyśle, pomagają przyspieszyć przemiany i uzyskać wysokiej jakości produkty reakcji. Procesy biochemiczne w naszym organizmie są również niemożliwe bez ich udziału.
