Catalizează reacțiile chimice. Cataliză. Lista surselor utilizate

Una dintre cele cu cea mai rapidă creștere anul trecut regiuni Chimie organica- reacţii catalizate de metale tranziţionale. Astfel de procedee sunt utilizate pe scară largă atât pentru sinteza compușilor heterociclici, cât și pentru funcționalizarea acestora. Utilizarea proceselor catalizate de metale de tranziție a contribuit nu numai la dezvoltarea unor metode complet noi, dar a făcut posibilă și îmbunătățirea celor binecunoscute, creșterea selectivității și ușurinței de implementare a multor procese. Paladiul este unul dintre cei mai importanți și mai utilizați catalizatori în diferite tipuri de reacții. Nichelul este, de asemenea, folosit ca catalizator, dar gama de reacții catalizate de nichel este mult mai restrânsă.

În general, compușii heterociclici intră în reacții catalizate de paladiu similar celor carbociclici. Ciclul atomilor de sulf și azot interferează rar cu astfel de procese (omogene) catalizate cu paladiu, deși moleculele care conțin sulf și azot sunt bine cunoscute ca fiind otrăvitoare pentru catalizatorii de hidrogenare heterogeni (paladiu metalic pe cărbune).

Procesele catalizate de paladiu sunt de obicei efectuate folosind 1-5 moli. % catalizator și intermediari activi de paladiu se formează în concentrație scăzută. Astfel de procese sunt o secvență de etape, fiecare dintre acestea fiind asociată cu participarea unui compus organopaladiu. Mecanismul proceselor cu participarea intermediarilor organopaladiu este mai coordonat decât ionic și este inacceptabil să se compare astfel de reacții cu procese care sunt apropiate, la prima vedere, de chimia organică „clasică”. Săgețile curbate pot fi folosite pentru a ajuta la amintirea unor astfel de procese, într-o manieră similară cu cea utilizată atunci când se iau în considerare reacțiile de cicloadiție, iar această „explicație” a reacțiilor catalizate de paladiu va fi folosită în discuția lor ulterioară.

2012-2019. Chimia compușilor heterociclici. Chimie heterociclică.
Reguli pentru determinarea heterociclului principal: Dacă ciclurile au heteroatomi diferiți, atunci ciclul cu un număr de serie mai mare de heteroatomi este cel principal.

Publicația educațională, scrisă de renumiti oameni de știință englezi, conturează ideile teoretice de bază despre reactivitatea și metodele de sinteză a diferitelor clase de compuși heterociclici și reprezentanții lor individuali; este prezentat rolul compușilor heterociclici în chimia stării solide, procesele biologice și chimia polimerilor semiconductori. O atenție deosebită este acordată acoperirii celor mai recente realizări în acest domeniu important al chimiei organice, care este de mare importanță în chimia medicinală, farmacologie și biochimie. În funcție de completitatea și amploarea materialului prezentat, acesta poate fi folosit ca referință și publicație enciclopedică.

Majoritatea proceselor care stau la baza tehnologiei chimice sunt reacții catalitice. Acest lucru se datorează faptului că, odată cu introducerea unui catalizator, viteza de interacțiune a substanțelor crește semnificativ. În acest caz, producătorii pot reduce costurile sau pot obține mai multe produse de reacție în aceeași perioadă de timp. De aceea, se acordă multă atenție studiului catalizei în pregătirea tehnologilor. Cu toate acestea, acest fenomen joacă, de asemenea, un rol important în natură. Deci, substanțele speciale reglează cursul reacțiilor biochimice în organismele vii, afectând astfel metabolismul.

Conceptul de cataliză

Esența acestui fenomen chimic este reglarea vitezei de transformare a substanțelor folosind reactivi speciali care pot încetini sau accelera acest proces. În acest caz, se vorbește de cataliză pozitivă sau negativă. Există și fenomenul de autocataliză, când unul dintre produșii intermediari ai unei reacții chimice afectează viteza de reacție. Procesele catalitice sunt diverse, diferă prin mecanisme, starea de agregare a compușilor și direcție.

Substanțele care încetinesc interacțiunile chimice sunt numite inhibitori, iar cele care accelerează reacțiile catalitice sunt numite catalizatori. Atât aceștia, cât și alții modifică viteza de reacție prin interacțiuni intermediare repetate cu unul sau mai mulți dintre participanții săi. În același timp, acestea nu sunt incluse în compoziția produselor și sunt restaurate după încheierea ciclului de transformare a substanțelor. Prin urmare, participarea catalizatorului nu este reflectată în ecuația reacției stoichiometric, ci este indicată doar ca o condiție pentru interacțiunea substanțelor.

Tipuri de reacții catalitice

În funcție de starea de agregare a substanțelor care participă la o reacție chimică, există:

• reacții omogene - reactanții, produșii și catalizatorul sunt în aceeași stare de agregare (fază), în timp ce moleculele substanțelor sunt distribuite uniform în volum;
• reactii catalitice interfaciale - apar la interfata lichidelor nemiscibile, iar rolul catalizatorului se reduce la transferul de reactivi prin acesta;
• reacții catalitice eterogene - în ele, catalizatorul are o stare de agregare diferită de reactanți și el însuși se desfășoară pe interfață;
• reacții heterogene-omogene - sunt inițiate la interfața cu catalizatorul și continuă în volumul de reacție;
• reacții microeterogene - particulele mici ale unui catalizator solid formează micelii pe întregul volum al fazei lichide.

Există, de asemenea, cataliză redox, însoțită de o schimbare a stării de oxidare a catalizatorului la interacțiunea cu reactivii. Astfel de transformări se numesc reacții catalitice de oxidare și reducere. Cea mai comună în producția chimică este oxidarea dioxidului de sulf în trioxid în producerea acidului sulfuric.

Tipuri de catalizatori

După starea de agregare, catalizatorii sunt lichizi (H 2 SO 4, H 3 RO 4), solizi (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) și gazoși (BF 3).

În funcție de tipul de substanță, catalizatorii sunt clasificați în:

• metale - pot fi pure, aliaje, solide sau depuse pe o bază poroasă (Fe, Pt, Ni, Cu);
• compuși metalici de tip M m E n - cei mai des întâlniți oxizi sunt MgO, Al 2 O 3, MoO 3 etc.;
• acizi și baze - utilizate pentru reacții catalitice acido-bazice, acestea pot fi acizi Lewis, Bronsted etc.;
• complecși metalici - acest grup include, de asemenea, săruri ale metalelor de tranziție, cum ar fi PdCl2, Ni(CO)4;
• enzimele (sunt și enzime) sunt biocatalizatori care accelerează reacțiile care au loc în organismele vii.

După specific structura electronica există d-catalizatori, având d-electroni și d-orbitali, precum și s, p-catalizatori, al căror centru este un element cu valență s și p-electroni.

Proprietățile catalizatorilor

Pentru utilizare eficientă li se aplică o listă destul de extinsă de cerințe, schimbându-se pentru un anumit proces. Dar cele mai semnificative sunt următoarele două proprietăți ale catalizatorilor:

• Specificitatea constă în capacitatea catalizatorilor de a influența doar o reacție sau o serie de transformări similare și de a nu afecta viteza altora. Astfel, platina este cel mai des folosită în reacțiile de hidrogenare organică.
• Selectivitatea este caracterizată prin capacitatea de a accelera una dintre mai multe reacții paralele posibile, crescând astfel randamentul celui mai important produs.

Viteza de reacție catalitică

Motivul pentru accelerarea interacțiunii substanțelor este formarea unui complex activ cu un catalizator, ceea ce duce la o scădere a energiei de activare.

Conform postulatului de bază al cineticii chimice, viteza oricărei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor substanțelor inițiale, care sunt luate în puteri corespunzătoare coeficienților lor stoichiometrici:

v = k ∙ C A x ∙ C B y ∙ C D z ,

unde k este constanta de viteză a unei reacții chimice, numeric egală cu viteza aceleiași reacții, cu condiția ca concentrațiile compușilor inițiali să fie de 1 mol/L.

Conform ecuației lui Arrhenius, k depinde de energia de activare:

k \u003d A ∙ exp ^ (-E A / RT).

Aceste regularități sunt valabile și pentru reacțiile catalitice. Acest lucru este confirmat de ecuația pentru raportul constantelor de viteză:

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

unde variabilele cu indicele K se referă la reacții catalitice.

Etapele reacțiilor catalitice

Pentru reacțiile catalitice omogene, sunt suficiente două etape principale:

1. Formarea unui complex activat: A + K -> AA.
2. Interacțiunea complexului activat cu alte substanțe inițiale: AA + B ―> C + K.

În formă generală, se scrie o ecuație de forma A + B -> C.

Mecanismul reacțiilor catalitice eterogene este complex. Se disting următoarele șase etape:

1. Aducerea compușilor de pornire la suprafața catalizatorului.
2. Adsorbția reactanților inițiali de către suprafața catalizatorului și formarea unui complex intermediar: A + B + K ―> AVK.
3. Activarea complexului rezultat: ΑVC ―> ΑVC * .
4. Descompunerea compusului complex, în timp ce produsele formate sunt adsorbite de catalizator: ΑВК * ―> CDK.
5. Desorbția produselor rezultate de către suprafața catalizatorului: CDK ―> C + D + K.
6. Îndepărtarea produselor din catalizator.

Exemple de reacții catalitice

Catalizatorii sunt utilizați nu numai în industria chimică. Orice persoană din a lui Viata de zi cu ziîntâlnește diverse reacții catalitice. Aceasta este, de exemplu, utilizarea peroxidului de hidrogen în tratamentul rănilor. Peroxidul de hidrogen, atunci când interacționează cu sângele, începe să se descompună sub influența:

2H2O2 -> O2 + 2H2O.

În mașinile moderne, este echipat cu camere catalitice speciale care contribuie la descompunerea substanțelor gazoase nocive. De exemplu, platina sau rodiul ajută la reducerea poluării cu oxid de azot, care se descompune pentru a forma O 2 și N 2 inofensivi.

Unele paste de dinți conțin enzime care descompun placa și resturile alimentare.

Una dintre cele mai comune metode de control al vitezei de reacție este utilizarea catalizatorilor.

Catalizatori- acestea sunt substanțe care participă activ la etapele intermediare ale reacției, modifică viteza procesului general, dar se găsesc în produsele de reacție într-o stare neschimbată.

Se numește modificarea vitezei de reacție în prezența catalizatorilor cataliză, și reacțiile în sine reacții catalitice.

Există două abordări ale clasificării reacțiilor catalitice.

1. Prin prezența limitei de fază, există:

– cataliză omogenă când reactanții, catalizatorul și produșii de reacție sunt în volumul unei faze;

– cataliză eterogenă când catalizatorul și reactanții cu produși de reacție sunt în faze diferite; adesea catalizatorul formează o fază solidă, în timp ce reactanții și produșii sunt în fază lichidă sau în fază gazoasă.

2. După natura modificării vitezei de reacție, se întâmplă:

– cataliză pozitivă, la care catalizatorul crește viteza de reacție;

– cataliză negativă (inhibare), la care catalizatorul ( inhibitor) încetinește viteza de reacție;

– autocataliză când produsul de reacție joacă rolul de catalizator; de exemplu, în hidroliza unui ester

CH3COOSH3 + H2O CH3COOH + CH3OH

acidul acetic format ca urmare a reacției desprinde un ion de hidrogen, care începe să joace rolul de catalizator pentru reacția de hidroliză. Prin urmare, la început, o reacție care se desfășoară încet are o rată tot mai mare în timp.

Pentru a explica mecanismul reacțiilor catalitice, a fost propus teoria intermediară. Conform acestei teorii, cu cataliza pozitivă, catalizatorul ( La) formează un compus intermediar cu unul dintre reactivi la o rată mare, care interacționează rapid și cu al doilea reactiv:

A + B D(încet)

1) A + K AK(rapid)

2) AK + B D + K(rapid)

Figura 4a arată că energia de activare a procesului necatalitic este mult mai mare decât energiile de activare din prima și a doua etapă a conversiei catalitice. Astfel, cu cataliză pozitivă rolul catalizatorului este de a reduce energia de activare a reacţiei.

cale de reacție a)

Calea de reacție b) cale de reacție a)

Figura 4 Diagramele energetice ale reacției catalitice (a) și

reacție inhibată (b)

În reacțiile de inhibiție, inhibitorul ( eu) formează un compus intermediar puternic la viteză mare ( AI), care se transformă foarte încet într-un produs de reacție:

A + B D(încet)

1) A + I AI(foarte rapid)

2) AI + B D + I(Atât de lent)

Figura 4b arată că prima etapă de inhibiție, în comparație cu procesul dezinhibat, are o energie de activare mai mică și se desfășoară foarte repede. În același timp, energia de activare a celei de-a doua etape de inhibiție este mult mai mare decât cea a reacției dezinhibate. Astfel, în reacțiile inhibate rolul inhibitorului este de a crește energia de activare a reacției.

CARACTERISTICILE ENZIMATICE

CATALIZĂ

Enzime(din lat. fermentul- starter) - catalizatori biologici prezenți în toate sistemele biologice. Ei efectuează transformarea substanțelor din organism, direcționând și reglând astfel metabolismul în acesta. Enzimele sunt utilizate pe scară largă în industria alimentară și în industria ușoară. Prin natura chimică, enzimele sunt o moleculă proteică globulară.

Cataliza enzimatica (biocataliza)- aceasta este accelerarea reacțiilor chimice în sistemele biologice de către proteine ​​speciale - enzime. Cataliza enzimatică se bazează pe aceleași legi chimice ca baza catalizei chimice convenționale utilizate în producția chimică. Cu toate acestea, cataliza enzimatică are propriile sale caracteristici:

1. Activitate superioarăîn comparaţie cu catalizatorii chimici (creşterea vitezei de 10 10 - 10 13 ori). Acest lucru se datorează faptului că reacțiile enzimatice în toate etapele au energii de activare foarte scăzute (Figura 5).

2. Majoritatea enzimelor sunt diferite specificitatea actiunii, astfel încât aproape fiecare reacție de transformare a reactantului ( substrat) în produs este efectuată de o enzimă specială. Există două teorii privind specificitatea acțiunii enzimelor:

1) Teoria lui Fisher(teoria „key-lock”): enzima și substratul ar trebui să se apropie unul de celălalt din punct de vedere al structurii spațiale ca o cheie a blocării sale;

2) teoria lui Koshland(teoria „mâinilor și mănușilor”): enzima și substratul separat pot să nu aibă forme spațiale corespunzătoare una cu cealaltă, dar atunci când sunt abordate, configurațiile lor se schimbă în așa fel încât să devină posibilă o corespondență spațială strictă.

3. Enzimele tind să fenomen de inactivare- distrugerea moleculei enzimatice după interacţiunea cu un anumit număr de molecule substrat. Cu cât activitatea enzimei este mai mare, cu atât este distrusă mai repede. Fenomenul de inactivare este explicat de teoria lui Koshland. Într-adevăr, cu cât enzima este mai activă, cu atât interacționează mai intens cu substratul, la care molecula de enzimă suferă o deformare spațială semnificativă. O astfel de deformare repetată duce la ruperea celor mai slabe legături chimice, adică la distrugerea moleculei de enzimă.

4. Fiecare enzimă conține o moleculă de proteină. Monocomponent sunt alcătuite doar dintr-o moleculă de proteină bicomponent- dintr-o moleculă proteică și o componentă neproteică asociată acesteia (un ion anorganic sau o moleculă a unui compus organic - cel mai adesea o moleculă a unei vitamine sau un produs al transformării acesteia) - cofactor. Complexul molecular al unei proteine ​​și al unui cofactor se numește holoenzima, care are cea mai mare activitate catalitică. În compoziția holoenzimei, se numește partea proteică feron, și partea non-proteică agon. Se numește o componentă proteică lipsită de cofactor apoenzima, iar cofactorul separat de molecula de proteină - coenzima. În afară de cofactor, molecula proteică are activitate foarte scăzută, iar coenzima ca catalizator este în general inactivă.

5. Majoritatea enzimelor sunt reglate, adică sunt capabili să treacă de la o stare de activitate scăzută la o stare de activitate ridicată și invers. Mecanismul de reglementare este sistem complex prin care organismul își controlează toate funcțiile.

6. Enzimele sunt foarte sensibile la influența condițiilor externe. Sunt active într-un interval relativ îngust de temperaturi și valori ale pH-ului.

Mecanismul reacțiilor enzimatice este similar cu mecanismul reacțiilor catalizate de catalizatori chimici:

S + E ES P + E,

adică la început se formează foarte repede complex enzimă-substrat ES, care se poate disocia înapoi în substrat S si enzima E, dar și se transformă lent în produsul de reacție P. La o concentrație constantă a enzimei, dependența ratei inițiale de conversie a substratului v0 din concentraţia sa iniţială este descrisă Ecuația cinetică a lui Michaelis-Menten:

v0 = ,

Unde Kmși Vmax– parametri cinetici care reflectă mecanismul de acţiune a enzimelor.

Tehnica de determinare a acestor parametri se bazează pe utilizare Ecuații Lineweaver–Burke, care se obține prin transformarea ecuației Michaelis-Menten:

= +

Figura 6 prezintă metodologia de determinare a parametrilor Kmși Vmax. Vmax - este viteza maximă de reacție inițială la o anumită concentrație de enzimă [ E] (Figura 7). Activitatea molară a enzimei(a E) este determinată de relația:

care arată numărul de molecule de substrat convertite de o moleculă de enzimă pe unitatea de timp. De exemplu, pentru reacție CO2 + H20H2CO3, catalizat de enzima sanguină carbonat deshidratază și E \u003d 36 10 6 mol CO2/ (min ∙ mol E), adică 1 moleculă de enzimă într-un minut catalizează transformarea a 36 de milioane de molecule CO2.

Figura 7 Dependența vitezei inițiale a reacției enzimatice de concentrația inițială a substratului

Parametru Km are semnificația cantității de substrat necesară pentru a lega jumătate din enzima disponibilă într-un complex enzimă-substrat și pentru a atinge jumătate din rata maximă (Figura 7). Asa de Km poate fi folosit pentru a evalua specificitatea acțiunii unei anumite enzime în raport cu un substrat dat. De exemplu, pentru reacție

monozaharidă + ATP fosfat de zahăr + ADP,

catalizata de enzima hexokinaza, pentru glucoza obtinuta K m= 8∙10 –6 mol/l, iar pentru aloză K m= 8∙10 –3 mol/l. În consecință, enzima interacționează mai preferabil cu glucoza, deoarece necesită de 1000 de ori mai puțin decât aloze pentru a obține același rezultat.

4. ECHILIBRUL CHIMIC

Când se atinge o stare de echilibru chimic, numărul de molecule de substanțe încetează să se schimbe și rămâne constant în timp în condiții externe neschimbate. Pentru echilibru chimic sunt caracteristice următoarele caracteristici:

1) egalitatea ratelor reacțiilor directe și inverse;

2) constanța concentrațiilor (presiunilor parțiale) ale componentelor în condiții externe constante;

3) mobilitate, adică capacitatea de a se recupera spontan cu deplasări mici;

4) echilibrul este atins atât prin reacții directe, cât și prin reacții inverse.

Luați în considerare diagrama energetică a unei reacții chimice

A + B D(Figura 8). Pentru aceasta reactie:

Figura 8 Diagrama energetică a unei reacții chimice reversibile

În consecință, la o temperatură dată, reacțiile direct și invers au constante de viteză bine definite. Prin urmare, în reacțiile reversibile, curbele cinetice au forma prezentată în Figura 9 A. Din figură se vede că după ce a ajuns la timp t p concentraţiile componentelor rămân neschimbate.

conform legii la acțiune în masă

Din figura 9 b se poate observa că după atingerea timpului de echilibru tp se realizează egalitatea vitezei. Apoi

Unde K c= - constanta de echilibru chimic determinata din concentratiile de echilibru ale componentelor.

Figura 9 Curbele cinetice (a) și dependențe ale ratelor reacțiilor directe și inverse în timp (b) pentru o reacție reversibilă

În general, pentru reacție

mA +nB qD +fE

constanta de echilibru este dată de

Prin urmare, K c este un parametru caracteristic sistemului de reacție la o temperatură dată, care determină raportul dintre concentrațiile componentelor în stare de echilibru chimic.

Dacă reacția se desfășoară în fază gazoasă, atunci se folosesc presiunile parțiale ale componentelor sistemului în loc de concentrații. Pentru reacția de echilibru de mai sus, constanta de echilibru, determinată din presiunile parțiale ale componentelor în starea de echilibru, se găsește ca

Pentru gaze ideale p i =C i RT. Asa de

unde - este modificarea numărului de moli ai componentelor în timpul reacției.

Valori K cși Kp depind de temperatura si de natura componentelor sistemelor de reactie.

Din ecuațiile lui Arrhenius pentru reacțiile directe și inverse rezultă:

ln k pr=ln Un prși ln k arr=ln A arr

De atunci

ln K p=ln

Unde ΔН pr este efectul termic al reacției directe.

Din ecuația rezultată rezultă că dependența Kp are forma unei linii drepte și pentru aceasta (Figura 10), de unde urmează .

Pentru determinare ΔH pr metoda analitica găsi sens Kp la două temperaturi diferite și efectuați calcule după formula

ΔH pr

Figura 10 Determinarea efectului termic al unei reacții endoterme directe ( ΔН pr >0)

Ultima expresie se numește ecuație integrală izobarele unei reacții chimice. Relaționează constantele de echilibru la două temperaturi diferite și descrie sisteme de echilibru în care presiunea totală rămâne constantă pe măsură ce temperatura se schimbă.

Dacă volumul sistemului rămâne constant atunci când temperatura se schimbă, ca, de exemplu, în reacțiile în soluții, atunci relația dintre parametri este exprimată prin izocorul unei reacții chimice

ΔU pr .

Discutând direcția reacțiilor chimice din punctul de vedere al termodinamicii chimice, s-a remarcat că sistemul se află într-o stare de echilibru chimic în condiția ∆G= 0. Pe baza acestei poziții, ecuația izoterme ale reacțiilor chimice, care vă permite să determinați semnul ∆Gși, în consecință, direcția reacției chimice în condiția amestecării componentelor sistemului de reacție în rapoarte arbitrare:

ΔG= RT(ln-ln Kp)

Unde p Ași p B- presiuni parţiale arbitrare ale componentelor obţinute prin amestecarea acestora.

O relație similară a fost propusă și pentru un sistem ale cărui componente sunt în soluție.

De exemplu, pentru reacție

mA+nB qD+fE,

al cărui echilibru se stabilește în fază lichidă, ecuația izotermei reacției chimice are următoarea formă:

ΔG= RT(ln-ln K c)

unde sunt fracțiile molare ale componentelor din soluție, care se obține prin amestecarea unei cantități arbitrare de substanțe A, B, Dși E.

Schimbarea echilibrului. O modificare a temperaturii, concentrației, presiunii unui sistem care se află într-o stare de echilibru, îl dezechilibrează. Dar după un anumit timp, o nouă stare de echilibru este din nou stabilită în sistem, ai cărei parametri diferă deja de starea inițială. O astfel de tranziție a unui sistem de la o stare de echilibru la o altă stare de echilibru în condiții de schimbare se numește o schimbare a echilibrului. Este folosit pentru a crește randamentul produsului țintă pentru acele sisteme care au constante de echilibru mici. În plus, metoda deplasării echilibrului poate suprima procesele paralele nedorite.

Dar, în același timp, este necesar să se țină cont de doi factori care nu afectează starea de echilibru. În primul rând, introducerea unui catalizator într-un sistem de echilibru nu duce la o schimbare a echilibrului. Catalizatorul scade simultan energia de activare a reacțiilor directe și inverse, ceea ce duce la o creștere a vitezei ambelor reacții în aceeași măsură. Ca urmare a utilizării catalizatorului, starea de echilibru este atinsă într-o perioadă mai scurtă de timp. În al doilea rând, în sistemele de echilibru eterogene, concentrațiile și presiunile parțiale ale solidelor insolubile și nevolatile nu sunt incluse în exprimarea constantei de echilibru. De exemplu, pentru reacție FeO + CO Fe + CO2 constanta de echilibru este definită ca Kp= .

Efectul temperaturii. Ecuații izocoriși izobare fac posibilă prezicerea direcției de schimbare a echilibrului cu schimbarea temperaturii. De exemplu, dacă sistemul este în echilibru și reacția directă este exotermă (DH pr <0), то при повышении температуры (T2 >T1) inegalitatea K p ,2 K p ,1. Acest lucru sugerează că în noua stare de echilibru, presiunea parțială a produselor de reacție va fi mai mică, adică reacția se va deplasa spre stânga.

O creștere a temperaturii schimbă echilibrul în direcția unei reacții endoterme, iar o scădere a temperaturii - în direcția unei reacții exoterme.

Astfel, se obține cel mai mare randament de produse:

Pentru reacții exoterme la temperaturi scăzute;

Pentru reacții endoterme la temperaturi ridicate.

Influența concentrației (presiune parțială). Ecuația izoterme permite prezicerea direcției deplasării echilibrului atunci când se modifică concentrația oricărei componente a sistemului de echilibru. Lăsați sistemul să fie în echilibru. Apoi ΔG=0 și concentrațiile componentelor din ecuația izotermei corespund valorilor de echilibru și = K c. Dacă o parte a produselor de reacție este îndepărtată din sistem, atunci apare o stare de neechilibru cu raportul parametrilor K cși în mod corespunzător, ΔG< 0. Ultima inegalitate este o condiție termodinamică pentru apariția spontană a unei reacții directe. În consecință, o nouă stare de echilibru este atinsă prin conversia unei părți din reactivii inițiali în produși de reacție - prin deplasarea echilibrului la dreapta.

O creștere a concentrației (presiune parțială) a reactivilor inițiali deplasează echilibrul spre formarea produselor, iar o scădere a concentrației acestora (presiunea parțială) - spre transformarea inversă a produselor în cele originale. O creștere a concentrației (presiunea parțială) a produselor deplasează echilibrul în direcția reacției inverse, iar o scădere a concentrației lor (presiunea parțială) în direcția reacției directe.

Prin urmare, pentru a crește randamentul produsului de reacție, este necesar să se mărească concentrațiile (presiunile parțiale) reactivilor inițiali sau să se reducă concentrația (presiunile parțiale) produselor prin retragerea treptată a acestora din sistemul de reacție.

Influența presiunii totale a sistemului. Să fie dat un sistem de echilibru în fază gazoasă mA nB, pentru care n m, adică reacția directă are loc cu o creștere a numărului de molecule.

Conform legii lui Dalton, p A = p∙y Ași pB = p∙y B, Unde R- presiunea totala in sistem; r A, r B sunt presiunile parțiale ale componentelor; y A , y B sunt fracțiile molare ale componentelor în faza gazoasă. Atunci ecuația izotermei ia următoarea formă

Dacă la presiune p 1 atunci sistemul este în echilibru

.

Creșterea presiunii la p 2 scoate sistemul din echilibru. La fel de ( p-t) 0, atunci apare următoarea relație a parametrilor sistemului

și ∆G> 0.

Aceasta este stare termodinamică reacția inversă. În consecință, odată cu creșterea presiunii, va apărea o nouă stare de echilibru ca urmare a transformării inverse a produsului. LA la conexiunea originală DAR, rezultând o scădere a numărului total de molecule din sistem.

Rezumând rezultatele obținute se pot trage următoarele concluzii:

O creștere a presiunii totale a sistemului deplasează echilibrul în direcția reacției care are loc cu scăderea numărului de molecule;

O scădere a presiunii totale a sistemului duce la o deplasare a echilibrului către reacția care are loc cu creșterea numărului de molecule.

Generalizarea tiparelor de influență a tuturor factorilor asupra direcției deplasării echilibrului conduce la o regulă numită Principiul lui Le Chatelier:

dacă asupra unui sistem de echilibru se exercită o influență externă (modificarea temperaturii, concentrației sau presiunilor parțiale ale componentelor, presiunea totală), atunci acesta va reacționa în așa fel încât efectul acestei influențe să fie slăbit.

REACȚII FOTOCHIMICE

Reacțiile chimice care au loc sub influența luminii se numesc reacții fotochimice. Cele mai importante reacții fotochimice includ formarea ozonului din oxigen molecular sub acțiunea radiației ultraviolete de la Soare:

O2 + h O

O + O 2 O 3 + O

Ozonul rezultat Cam 3 absoarbe razele ultraviolete în intervalul 250-260 mmk, care au un efect dăunător asupra organismelor vii. O altă reacție fotochimică importantă este fotosinteza, care are ca rezultat absorbția dioxidului de carbon din atmosferă de către plante și eliberarea de oxigen. Descompunerea fotochimică a bromurii de argint se află în centrul procesului fotografic.

Energie fotonică (cuantică de radiație) ( E) este determinată de relația

E = h

Unde h- constanta lui Planck (h 6,626 10 J∙s); - frecvența radiațiilor, s. Lungimea de undă a razelor vizibile, infraroșii și ultraviolete se află în intervalul de la 100 nm la 1000 nm, iar energia lor este de la 120 kJ / mol până la 1200 kJ / mol. Un cuantum de radiație este absorbit de un singur electron al unui atom dintr-o moleculă, drept urmare acest electron trece la un nivel de energie mai înalt. Ca rezultat, există trei consecințe diferite ale absorbției de energie sub formă de radiație:

1. Un atom sau o moleculă intră într-o stare excitată:

A + h A *

M + h M *

2. Disocierea unei molecule cu formarea atomilor sau radicali liberi:

AB + h A + B

3. Educație simplu sau ionii moleculari prin eliminarea unui electron:

A + h A + +

AB + h AB + +

Toate aceste procese sunt supuse următoarelor legi.

1. Fotografie reacții chimice poate fi cauzată numai de acea parte a radiației incidente care este absorbită de sistemul de reacție ( legea lui Grotthuss-Dreper).

2. Fiecare cuantă de radiație absorbită determină transformarea unei singure molecule ( Legea Einstein-Stark).

3. Cantitatea de produs formată în urma unei reacții fotochimice este proporțională cu intensitatea radiației absorbite și cu timpul de expunere ( legea lui Van't Hoff).

Ultima lege poate fi reprezentată în formă matematică:

m = kt,

Unde m este masa substanței convertite fotochimic, g; este puterea radiației absorbite, adică cantitatea de energie care transferă fluxul luminos printr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp, J/s; t– timpul de iradiere, s.; k– constanta vitezei de reacție, g/J.

În timpul verificării experimentale a legii 1 și 2, se observă uneori o discrepanță aparentă. În primul rând, numărul de quante absorbite nu este egal cu numărul de molecule reacţionate ale substanţei, adică. de parcă legea Einstein-Stark ar fi încălcată. Prin urmare, pentru a caracteriza procesele fotochimice, conceptul randament cuantic, care este egal cu raportul dintre numărul de molecule care au reacţionat efectiv și numărul de cuante absorbite. Valoarea variază în intervalul de la 10 -3 la 10 6 . La<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 scurgeri în sistem reacție în lanț. În acest caz, cuantumul de radiație absorbit provoacă apariția unei particule active, care ulterior creează un lanț de transformări secundare.

În al doilea rând, unele substanțe nu absorb lumina în regiunea vizibilă sau ultravioletă, cu toate acestea, ele sunt capabile să sufere transformare atunci când sunt iradiate. Astfel, parcă, legea lui Grotgus este încălcată. S-a dovedit că, în acest caz, cuantumul radiației este absorbit de substanțe speciale - fotosensibilizatori, care transferă energia absorbită către o altă substanță, care suferă ca urmare o transformare chimică. Prin urmare, încălcarea legii Grotthuss este doar aparentă. De exemplu, hidrogenul molecular nu absoarbe lumina cu o lungime de undă de 253,7 nm. Cu toate acestea, atunci când un amestec de vapori de mercur și hidrogen este iradiat, se observă procesul de disociere a moleculelor de hidrogen în atomi:

Hg + h Hg *

Hg * + H 2 Hg + H + H

Un proces fotosensibilizat similar este fotosinteză- sinteza carbohidratilor din monoxid de carbon (IV) si apa, insotita de eliberarea de oxigen. Molecula de clorofilă acționează ca un sensibilizant pentru această reacție fotochimică. În plus, clorofilă b captează și colectează energia radiației luminoase. După fotoexcitare, transferă excesul de energie către molecula de clorofilă A, care apoi participă direct la procesul de fotosinteză.

Procesul total de fotosinteză este exprimat prin reacția:

6C02 + 6H2O C6H12O6 + 6H20, G 0 \u003d 2861,9 kJ / mol

Fotosinteza este un proces redox complex care combină reacțiile fotochimice cu cele enzimatice. În mecanismul fotosintezei, se disting două etape - ușoarăși albastru inchis. Etapa luminii include reacțiile fotochimice în sine și reacțiile enzimatice cuplate cu acestea, care completează oxidarea apei și formează fosfat dinucleotidic redus de nicotinamidă adenină ( NADPH 2) și acid adenozin trifosforic ( ATP). În stadiul întunecat NADPH 2și ATP reface molecula CO2 inainte de CH2Oși apoi se formează o monozaharidă într-un ciclu de reacții enzimatice cuplate care au loc fără participarea unui cuantum de radiație.

PROPRIETĂȚI SOLUȚIE

INFORMATII GENERALE

Soluții numit omogen sisteme (monofazate) constând din solvenți, soluți și produși ai interacțiunii lor, ale căror concentrații pot varia într-un interval larg.

Ele pot fi solide, lichide și gazoase. Procese în obiecte biologice și procese tehnologice din industria prelucrătoare Agricultură curgerea în soluții apoase. Prin urmare, în viitor, ne limităm la luarea în considerare numai a soluțiilor apoase de diferite substanțe.

În timpul dizolvării, are loc o distribuție uniformă a moleculelor sau ionilor substanței dizolvate în volumul solventului. Cu toate acestea, dizolvarea nu poate fi privită ca un proces pur fizic de difuzie a unei substanțe în alta. Acest lucru este evidențiat de eliberarea unei cantități semnificative de căldură atunci când anumite substanțe sunt dizolvate în apă ( H2S04, NaOH alte). S-a stabilit că sunt posibile interacțiuni chimice între moleculele de solvent și moleculele sau ionii substanței dizolvate, însoțite de ruperea unora și formarea altor legături chimice. Acest lucru duce la formarea de produși ai interacțiunii solventului cu solutul, care se numesc solvați,și în soluții apoase hidratează. Procesul de interacțiune în sine se numește solvatarea sau hidratare.

În prezent sunt luate în considerare soluții fizic-sisteme chimice Ocupă în proprietățile lor o poziție intermediară între amestecurile mecanice și compușii chimici și au modelele lor fizice și chimice caracteristice.

Caracteristica principală a oricărei soluții este ea concentraţie. De regulă, solventul este componenta soluției care este conținută într-o cantitate relativ mare și determină starea de fază. Proprietățile fizico-chimice ale soluțiilor depind de concentrația lor. Există multe astfel de dependențe. Toate au fost obținute din ipoteza că soluția este perfect. perfect se numeste o solutie in care:

1) concentrația substanței dizolvate este foarte scăzută - fracția molară este mai mică de 0,005;

2) substanța dizolvată este nevolatilă, adică moleculele sale nu pot părăsi faza lichidă în faza gazoasă;

3) nu există forțe de interacțiune între particulele soluției, adică căldura de amestecare este zero ( H p= 0) și nu există nicio modificare a volumului sistemului ( Vp = 0);

Introducere

1. Dispoziții generaleși modele de cataliză

2. Cataliza omogenă

3. Cataliza acidă și bazică

4. Reacții catalitice omogene catalizate de compuși complecși

5. Cataliza enzimatică

6. Cataliza eterogenă

Concluzie

Lista surselor utilizate

Introducere

Cataliza este fenomenul de modificare a vitezei unei reacții în prezența catalizatorilor. Reacțiile care implică catalizatori sunt numite catalitice. Substanțele care măresc viteza unei reacții chimice, rămânând neschimbate ca urmare a reacției generale, se numesc catalizatori.

Există multe tipuri variate catalizatori și nu numai diverse mecanisme acțiunile lor. Catalizatorul trece prin cicluri în care este mai întâi legat, apoi regenerat, legat din nou și așa mai departe de multe ori. Catalizatorul permite reacției să se desfășoare într-un mod diferit și cu o viteză mai rapidă decât o face în absența unui catalizator. Viteza poate fi mărită prin scăderea energiei de activare, creșterea factorului pre-exponențial sau ambele.

Catalizatorul accelerează simultan atât reacțiile directe, cât și cele inverse, astfel încât constanta de echilibru a reacției globale rămâne neschimbată. Dacă nu ar fi așa, atunci ar fi posibil să se construiască o mașină cu mișcare perpetuă folosind un catalizator pentru a regenera materia.

1. Prevederi generale și regularități ale catalizei

Catalizatorii sunt împărțiți în omogene și eterogene. Un catalizator omogen se află în aceeași fază cu reactanții, unul eterogen formează o fază independentă separată printr-o interfață de faza în care se află reactanții. Catalizatorii omogene tipici sunt acizii și bazele. Metalele, oxizii și sulfurile lor sunt utilizate ca catalizatori eterogene.

Reacțiile de același tip pot avea loc atât cu catalizatori omogene, cât și cu catalizatori eterogene. Astfel, împreună cu soluțiile acide, sunt utilizați Al2O3, TiO2, ThO2, aluminosilicați și zeoliți cu proprietăți acide. Catalizatori eterogene cu proprietăți de bază: CaO, BaO, MgO.

Catalizatorii eterogene, de regulă, au o suprafață foarte dezvoltată, pentru care sunt distribuiți pe un purtător inert (silicagel, alumină, cărbune activ etc.).

Pentru fiecare tip de reacție, doar anumiți catalizatori sunt eficienți. Pe lângă cei acido-bazici deja amintiți, există catalizatori de oxido-reducere; se caracterizează prin prezența unui metal tranzițional sau a compusului acestuia (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). În acest caz, cataliza se realizează prin schimbarea stării de oxidare a metalului de tranziție.

Multe reacții sunt efectuate cu ajutorul catalizatorilor care acționează prin coordonarea reactanților la atomul sau ionul metalului de tranziție (Ti, Rh, Ni). O astfel de cataliză se numește cataliză de coordonare.

Dacă catalizatorul are proprietăți chirale, atunci se obține un produs optic activ dintr-un substrat optic inactiv.

LA stiinta moderna iar tehnologia folosește adesea sisteme de mai mulți catalizatori, fiecare accelerând diferite etape ale reacției. Catalizatorul poate de asemenea să mărească viteza uneia dintre etapele ciclului catalitic efectuat de un alt catalizator. Aici are loc „cataliza catalizei” sau cataliza de al doilea nivel.

Enzimele joacă rolul de catalizatori în reacțiile biochimice.

Catalizatorii trebuie să fie distinși de inițiatori. De exemplu, peroxizii se descompun în radicali liberi care pot iniția reacții radicalice în lanț. Inițiatorii sunt consumați în timpul reacției, deci nu pot fi considerați catalizatori.

Inhibitorii sunt uneori considerați în mod eronat catalizatori negativi. Dar inhibitorii, cum ar fi reacțiile radicale în lanț, reacționează cu radicalii liberi și, spre deosebire de catalizatori, nu sunt conservați. Alți inhibitori (otrăvuri catalitice) se leagă de catalizator și îl dezactivează, ceea ce reprezintă mai degrabă suprimarea catalizei decât cataliză negativă. Cataliza negativă este imposibilă în principiu: ar oferi o cale mai lentă pentru reacție, dar reacția, desigur, va merge pe o cale mai rapidă, în acest caz, nu catalizată.

Catalizatorul poate fi unul dintre produșii de reacție. În acest caz, reacția se numește autocatalitică, iar fenomenul în sine se numește autocataliză. De exemplu, în timpul oxidării Fe 2+ cu Mn0 4

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ \u003d 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 0

ionii Mn 2+ rezultați catalizează cursul reacției.

Reacțiile catalitice sunt extrem de frecvente în natură. Cele mai surprinzătoare dintre acestea sunt reacțiile cu enzime, care catalizează multe reacții în organismele vii. Catalizatorii sunt utilizați pe scară largă în industrie. Producția de acizi azotic și sulfuric, amoniac, producția de cauciuc sintetic etc. imposibil fără reacții catalitice. Catalizatorii sunt utilizați în producție substante medicinale: fenacetină, guaiacol, derivaţi de halogen ai compuşilor aromatici etc. Ca catalizatori se folosesc oxizii de Mn(IV), Ni, Co, Fe, A1C1 3 , TeC1 3 .

Există catalize omogene și eterogene, dar pentru oricare dintre ele principalele regularități sunt următoarele:

1. Catalizatorul participă activ la actul elementar al reacției, formând fie compuși intermediari cu unul dintre participanții la reacție, fie un complex activat cu toți reactanții. După fiecare act elementar, se regenerează și poate interacționa cu noi molecule de substanțe care reacţionează.

2. Viteza unei reacții catalitice este proporțională cu cantitatea de catalizator.

3. Catalizatorul are selectivitate de acțiune. Poate modifica viteza unei reacții și nu poate afecta viteza alteia.

4. Catalizatorul permite reacției să se desfășoare într-un mod diferit și cu o viteză mai rapidă decât o face în absența unui catalizator.

Viteza poate fi mărită prin scăderea energiei de activare, creșterea factorului pre-exponențial sau ambele. De exemplu, descompunerea termică a acetaldehidei CH 3 CHO CH 4 + CO este catalizată de vaporii de iod, ceea ce determină o scădere a energiei de activare cu ~55 kJ/mol. Această scădere determină o creștere a constantei de viteză cu un factor de aproximativ 10.000.

5. Catalizatorul nu afectează poziția de echilibru termodinamic. Schimbă în mod egal rata reacțiilor directe și inverse.

6. Cand se adauga anumite substante, numite promotori, activitatea catalizatorului creste; adăugarea de inhibitori reduce viteza reacției.

2. Cataliza omogenă

În cataliza omogenă, catalizatorul este o moleculă sau un ion într-o soluție omogenă. În cazul catalizei omogene, catalizatorul și toți reactanții formează o fază comună.

Principala ipoteză a teoriei catalizei omogene este ideea că în cursul reacției se formează compuși intermediari instabili ai catalizatorului cu reactanții, care apoi se descompun odată cu regenerarea catalizatorului:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Viteza acestei reacții

v=k nc Ac Bc K

este proporțională cu concentrația catalizatorului, iar constanta de viteză respectă ecuația Arrhenius. Această reacție poate avea loc în două etape:

cataliză omogen acid enzimatic heterogen

În acest caz, două cazuri sunt posibile. În prima etapă, viteza de descompunere a complexului în catalizator și produsul inițial este mult mai mare decât viteza celei de-a doua etape, în care se formează produsul final. Prin urmare, concentrația de complexe, care se numesc complexe Arrhenius în acest tip de cataliză, este scăzută. În al doilea caz, viteza de descompunere a complexului este proporțională cu viteza celei de-a doua etape. Concentrația complexului intermediar este semnificativă și staționară. Complexele de acest tip se numesc complexe van't Hoff.

Al doilea caz, ca mai tipic, va fi luat în considerare mai detaliat. Deoarece compusul intermediar AA este în echilibru cu materiile prime, vitezele reacțiilor directe (v 1) și inverse (v 2) (1) trebuie să fie egale. Compilând ecuații cinetice pentru ele, obținem:

Unde (cu la"-- cu AK") este concentrația catalizatorului care nu a reacționat; cu DAR,cu AK"-- concentrațiile de echilibru ale substanței A și respectiv compusului intermediar AA.

Din (2) găsim concentrația compusului intermediar:

Rata totală a întregului proces (v) este determinată de rata celei mai lente etape, în acest caz a doua. Apoi

Înlocuind în (4) concentrația compusului intermediar (3), obținem:

Ecuația (5) indică posibilitatea existenței a două regimuri limitative:

În ambele cazuri, viteza de reacție este direct proporțională cu concentrația catalizatorului, dar ordinea de reacție pentru materiile prime este diferită. În primul caz, este egal cu doi, iar în al doilea - cu unu. În afara regimurilor limitative, ordinea reacției va fi fracționată.

Un exemplu de cataliză omogenă este reacția de descompunere termică a acetaldehidei CH 3 CH 4 + CO, catalizată de vapori de iod. În absenţa vaporilor de iod E A=191,0 kJ/mol, în prezența lor E A= 136,0 kJ/mol. Constanta de viteză crește cu un factor de 10.000. Acest lucru se datorează faptului că reacția se desfășoară în două etape:

CH 3 SON + I 2 \u003d CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI \u003d CH 4 + I 2

Energia de activare a fiecărei etape este mai mică decât energia de activare a reacției necatalitice.

Cataliza omogenă include multe reacții acido-bazice, reacții de complexare, reacții redox, numeroase reacții de hidrogenare, sulfatare etc.

3. Cataliza acidă și bazică

Acizii și bazele în multe reacții acționează ca un catalizator, adică participând la reacție, ele înșiși nu sunt consumate (reacții de hidroliză, alchilare, esterificare etc. Există trei tipuri de cataliză acido-bazică:

1) cataliză acidă specifică (bazică), în care ionii H + sau OH servesc ca catalizator, respectiv;

2) cataliză totală a acidului (bazic), care este efectuată de orice donor (acceptor) de protoni;

3) cataliză electrofilă (nucleofilă) efectuată de acizi și baze Lewis.

Constantă de rată a primului ordin k pentru reacția în soluție tampon poate funcție liniară[H + ], [OH - ], [ON], [A - ], adică:

k \u003d k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH -] + k 3 [ON] + k 4 [A -]

În această expresie k 0 -- constanta de viteză de ordinul întâi în absența tuturor ionilor catalitici: [H + ], [OH - ], [NA], [A - ], a k t -- coeficienții catalitici.

Dacă doar termenul k 1 [H + ] joacă un rol semnificativ, atunci ei spun că reacția se manifestă prin cataliză specifică prin ioni de hidrogen. Dacă un membru predomină k 3 [HA], se spune că reacția este supusă catalizei acide generale. Dacă membrul predomină k 4 [A - ], atunci se spune că reacția este supusă acțiunii unei catalize de bază comune.

Pentru cataliză specifică acido-bazică când viteza reacției necatalitice este scăzută (k 0 = 0) poate fi reprezentat în formă logaritmică:

Pentru soluții acide:

Pentru soluții alcaline:

Ecuațiile indică faptul că, în cazul catalizei acido-bazice specifice, logaritmul constantei de viteză depinde liniar de pH-ul mediului.

Mecanismul acțiunii catalitice a ionilor de hidrogen este acela că se formează un compus intermediar al unui proton și o moleculă a substanței inițiale. Datorită acestui proces, legăturile chimice prezente în substanța inițială sunt slăbite, energia de activare este redusă, iar apoi forma protonată a BH + se descompune într-un produs de reacție și un catalizator.

4. Reacții catalitice omogene catalizate de compuși complecși

Reacțiile de reducere, hidrogenare, oxidare, izomerizare, polimerizare în condiții industriale se desfășoară în prezența catalizatorilor - compuși complecși (ioni metalici din grupa VIII a tabelului periodic Fe, Co, Ni, Ru, precum și Cu, Fg , Hg, Cr, Mn). Esența acțiunii catalitice este aceea că ionii metalici acționează ca donatori sau acceptori de electroni. Interacțiunea chimică dintre moleculele de reacție coordonate în jurul ionului metalic central este facilitată de polarizarea moleculelor și de o scădere a energiei legăturilor individuale. Ionul metalic central este o punte care facilitează tranzițiile electronice între moleculele care reacţionează.

Activitatea catalitică a unui ion metalic depinde de energia de legare a ionului cu participanții la reacție. Dacă energia de legare este mare sau scăzută, ionul metalic prezintă o activitate catalitică slabă. În primul caz, ionii metalici sunt legați atât de puternic de moleculele de reacție încât sunt îndepărtați din reacție. În al doilea caz, moleculele care reacţionează nu pot înlocui alţi liganzi prezenţi în soluţie. Se obțin complecși saturati de coordonare, care nu sunt catalizatori activi.

Datorită posibilităților largi de reglare a compoziției catalizatorilor complecși, a devenit posibilă simularea unui număr de reacții care implică enzime care conțin ioni de elemente din grupa VIII.

5. Cataliza enzimatică

Enzimele sunt cei mai uimitori catalizatori. Multe reacții în organismele vii sunt asociate cu acestea și, prin urmare, sunt adesea numite catalizatori biologici. Cataliza enzimatică este un fenomen mai complex decât cataliza convențională. Organizarea ridicată a proceselor de cataliză enzimatică este determinată de particularitatea interacțiunii într-un organism viu, asociată cu o combinație specială a structurii moleculare a enzimelor și substraturilor, care sunt numiți reactanți în reacțiile enzimatice.

Enzimele sunt proteine, adică sunt formate din aminoacizi legați prin legături peptidice. Molecula de enzimă are grupări polare alternante COOH, NH2, NH, OH, SH etc., precum și grupări hidrofobe. Structura primară a unei enzime este determinată de ordinea alternanței diferiților aminoacizi. Ca rezultat al mișcării haotice termice, macromolecula enzimei se îndoaie și se înfășoară în spirale libere. Interacțiunea intermoleculară are loc între secțiuni individuale ale lanțului polipeptidic, ducând la formarea legăturilor de hidrogen. Structura secundară a enzimei apare sub forma unui mediu liber. Pentru fiecare enzimă, structura secundară este destul de definită. Centrul catalitic activ al enzimei include grupuri care orientează moleculele substratului într-o anumită poziție. Centrul activ este ca o matrice, care poate include doar o moleculă cu o anumită structură. Mecanismul catalizei enzimatice constă în interacțiunea situsurilor active ale enzimei cu substratul pentru a forma un complex enzimă-substrat, care suferă apoi mai multe transformări, în urma cărora apare un produs de reacție. Fiecare dintre etapele intermediare se caracterizează printr-o energie de activare mai mică, ceea ce contribuie la progresul rapid al reacției. Aceasta explică activitatea ridicată a enzimelor.

Enzimele sunt împărțite în clase în funcție de tipul de reacție pe care le catalizează: oxidoreductaze (catalizează reacțiile redox), transferaze (catalizează transferul grupelor chimice de la un compus la altul), hidrolaze (catalizează reacțiile de hidroliză), liazele (rup diverse legături) , izomeraze (realizează transformări izomerice), ligaze (catalizează reacțiile de sinteză). După cum se poate observa, enzimele diferă ca specificitate și selectivitate. Unele catalizează o întreagă clasă de reacții de un anumit tip, altele catalizează o singură reacție.

Multe enzime conțin ioni de metal (enzime metalice). În metaloenzime, ionii metalici formează complecși chelați care asigură structura activă a enzimei. Metalele cu grad variabil de oxidare (Fe, Mn, Cu) participă la reacțiile redox, efectuând transferul de electroni către agentul de oxidare. Sunt cunoscute zeci compusi organici, care îndeplinesc funcțiile de transport de hidrogen și electroni. Conțin derivați de vitamine.

Ionii de metale grele (Ag + , Hg + , Pb 2+) pot bloca grupele active de enzime.

Pentru a evalua acțiunea diferitelor enzime, a fost introdus conceptul de activitate moleculară, care este determinat de numărul de molecule de substrat care sunt convertite sub acțiunea unei molecule de enzimă pe minut. Cea mai activă dintre enzimele cunoscute este anhidraza carbonică, a cărei activitate moleculară este de ~36 milioane de molecule pe minut.

Viteza unei reacții catalizate de o enzimă este direct proporțională cu concentrația enzimei. La o concentrație scăzută de substrat, reacția este de ordinul întâi în raport cu substratul. La concentrații mari, viteza de reacție rămâne constantă și ordinea de reacție devine zero (enzima este complet saturată cu substratul). Viteza de reacție depinde de temperatura și aciditatea mediului.

Cataliza enzimatică joacă un rol uriaș în toate manifestările vieții, unde vorbim despre ființe vii. Pentru a crește activitatea vitală a organismului și a îmbunătăți metabolismul, au fost create multe preparate enzimatice care sunt folosite ca medicamente. Preparatele enzimatice sunt utilizate pe scară largă pentru încălcări ale funcției tractului gastrointestinal asociate cu producția insuficientă de enzime digestive. Deci, în unele forme de gastrită, se folosesc preparate cu pepsină sau pancreatină. Enzimele sunt utilizate cu succes și în cazurile în care este necesară distrugerea unor cantități mari de formațiuni proteice (pentru arsuri, răni purulente, boli purulent-inflamatorii ale plămânilor etc.). În aceste cazuri, se folosesc enzime protolitice, ducând la hidroliza rapidă a proteinelor și favorizând resorbția acumulărilor purulente. Pentru tratamentul bucuriei boli infecțioase se folosesc preparate de lizozimă, care distrug învelișul unor bacterii patogene. Enzimele care dizolvă cheaguri de sânge (cheaguri de sânge în interiorul vaselor de sânge) sunt foarte importante. Aceasta este plasmina găsită în sânge; enzime pancreatice - tripsina si chimotripsina. Pe baza lor, cu diverși aditivi, au fost create preparate enzimatice medicinale - streptokinaza, streptaza și altele utilizate în medicină.

6. Cataliza eterogenă

Cataliza heterogenă se efectuează la interfață. Prima reacție catalitică heterogenă observată a fost efectuată prin deshidratare Priestley (1778). Alcool etilic pe argila activa:

C2H5OH - C2H4 + H2O

În prima jumătate a secolului al XIX-lea, un număr mare de lucrări au fost dedicate catalizei eterogene. Multe lucrări au fost dedicate explicației teoretice a acțiunii catalitice a unui solid. În viitor, dezvoltarea doctrinei a mers atât pe calea acumulării de date experimentale, a dezvoltării metodelor de preparare a catalizatorilor, a descoperirii și studierii de noi procese catalitice, a introducerii catalizei în industria chimică, cât și pe calea dezvoltării teoriei catalizei eterogene. . Cu toate acestea, succesul teoreticienilor a fost mult mai modest decât succesul experimentatorilor. Și asta nu este o coincidență.

Deși nu există o diferență fundamentală între procesele catalitice și cele necatalitice, ambele respectând legile cineticii chimice, în ambele cazuri sistemul de substanțe care reacţionează trece printr-o stare activă specială, caracteristicile specifice sunt observate în reacțiile catalitice eterogene. În primul rând, apare un corp solid, de ale cărui proprietăți depind în mod esențial toate fenomenele în ansamblu. Prin urmare, nu este întâmplător faptul că progresele în teoria catalizei eterogene sunt indisolubil legate de dezvoltarea teoriei solidelor. Deoarece procesul se desfășoară la suprafață, cunoașterea structurii suprafeței catalizatorului este decisivă pentru dezvoltarea teoriei catalizei. De aici rezultă o strânsă legătură între dezvoltarea teoriei catalizei și dezvoltarea studiului experimental și teoretic al fenomenelor de adsorbție. Complexitatea proceselor eterogene și specificul lor inerent duc la faptul că cercetările teoretice în acest domeniu nu au fost încă finalizate. Până acum, putem vorbi despre existența mai multor concepte teoretice care, într-o primă aproximare, generalizează anumite fapte experimentale.

În practică, două tipuri de cataliză eterogenă sunt cel mai des întâlnite:

1) procese, al căror catalizator se află în fază solidă, iar reactanții sunt în fază lichidă;

2) procese, al căror catalizator se află în fază solidă, iar reactanții sunt în fază gazoasă. Reacția, de regulă, are loc (și în unele procese în mai multe etape începe) la limita de fază, adică. pe suprafața unui corp solid - un catalizator.

Procesul eterogen poate fi împărțit în cinci etape:

1) transportul reactanților la suprafața catalizatorului (difuzie);

2) adsorbția reactanților pe suprafața catalizatorului;

3) reacție la suprafață;

4) desorbția produșilor de reacție cu eliberarea suprafeței catalizatorului;

5) transportul produselor de reacție în volum (difuzie).

În funcție de condițiile procesului și de caracteristicile acestuia, oricare dintre cele cinci etape poate fi cea mai lentă și, în consecință, viteza procesului catalitic poate fi limitată de oricare dintre ele. Pentru o evaluare comparativă a activității catalizatorilor, factorul determinant este viteza de reacție la suprafață. Prin urmare, în cazurile în care este important să se obțină valoarea activității catalizatorului, aceștia încearcă să conducă procesul în așa fel încât viteza să fie determinată de a doua, așa-numita etapă cinetică.

Adsorbția și desorbția au propriile legi.Adsorbția este procesul de modificare spontană a concentrației unei substanțe pe interfață. Substanța pe a cărei suprafață are loc adsorbția se numește adsorbant. Adsorbantul se numește adsorbat. În cataliza heterogenă, adsorbantul este catalizatorul, iar adsorbatul este molecula reactantului (substratului). Adsorbția substratului pe catalizator poate fi realizată datorită forțelor de interacțiune care apar între moleculele (atomii) catalizatorului situate la suprafață și moleculele substratului (adsorbție fizică). O interacțiune chimică (adsorbție chimică sau chemisorbție) poate avea loc între moleculele (atomii) catalizatorului și moleculele reactantului. Ca urmare a adsorbției, ordonarea sistemului crește, energia sistemului scade, iar energia de activare a reacției scade.

Pentru procesele eterogene, mișcarea unei substanțe din volumul intern al unui lichid sau gaz la o suprafață solidă este de o importanță deosebită. Procesele de transfer de masă respectă legile difuziei.

Concluzie

Importanța catalizatorilor și a proceselor catalitice în rafinarea petrolului și petrochimie nu poate fi supraestimată. La urma urmei, ele sunt baza progresului tehnic în cele mai importante domenii ale satisfacerii nevoilor societății umane moderne. Ideea este, în primul rând, că petrolul din diferite câmpuri conține, de obicei, doar 5 până la 20% din fracțiile cu fierbere ușoară corespunzătoare benzinei. Cererea de benzină dezvoltare modernă transportul rutier și aerian este uriaș. În același timp, carburanții de motor distilați direct din ulei se dovedesc, de obicei, a fi de proastă calitate. Utilizarea cracarei catalitice și a reformării în combinație cu altele metode moderne prelucrarea face posibilă creșterea randamentului de benzine foarte active până la 75% în greutate ulei. Combustibilii pentru motoare se obțin și prin hidrogenarea catalitică a cărbunelui folosind catalizatori metalici.

Prelucrarea catalitică ulterioară a hidrocarburilor pe catalizatori de metal și oxizi face posibilă obținerea de produse intermediare necesare în producția de bunuri de larg consum. Majoritatea monomerilor și polimerilor derivați din aceștia sunt produse ale proceselor catalitice de prelucrare a hidrocarburilor și a derivaților acestora obținuți din petrol, cărbune, șist și gaze naturale. Procesele catalitice joacă un rol important în producerea detergenților, coloranților pentru substanțe medicinale.

Principala sinteză organică care dă intermediari (și produse ale tehnologiei organice) se bazează în principal pe reacții catalitice. Mare valoare în viață societate modernă au produse din industria chimică precum acidul sulfuric, amoniacul și acidul azotic. Aproape toate ramurile economiei nationale consuma aceste substante sau alti compusi chimici obtinuti cu ajutorul lor. Pe baza lor, se produc zeci de milioane de tone de îngrășăminte minerale, fără de care este imposibil să se mărească sau chiar să se mențină randamentul câmpurilor. Sute de industrii chimice, petrochimice, alimentare, ușoare și alte industrii folosesc acizi sulfuric, azotic, amoniac și derivații acestora. Acești compuși sunt utilizați și în industria metalurgică și prelucrarea metalelor.

Între timp, producția pe scară largă de acid sulfuric, amoniac și acid azotic din amoniac a devenit posibilă numai datorită descoperirii catalizatorilor corespunzători și dezvoltării metodelor de utilizare a acestora.

Lista surselor utilizate

1) A.P. Belyaev. Chimie fizică și coloidală. M.: GOETAR-Media, 2008

2) I.P. Muhlenov. Tehnologia catalizatorului. M.: Bookinist, 2007

3) Enciclopedie chimică. -- M.: Enciclopedia Sovietică, 1990.

4) Imyanitov N.S. Sisteme de mai mulți catalizatori în cataliză complexă de metale. // Chimia coordonării. 1984.

Documente similare

Esența și caracteristicile procesului de cataliză a complexului metalic. Proprietățile complexelor metalice care determină activitatea catalitică. Modelarea catalizei enzimatice. Aplicații, avantaje și dezavantaje ale catalizei complexe metalice.

raport, adaugat 16.03.2015


Teorii generale ale catalizei omogene. Etapele procesului de cataliză și viteza de reacție. Cinetica reacției catalitice de disproporție a peroxidului de hidrogen în prezența diferitelor cantități de catalizator Fe2+, efectul pH-ului asupra vitezei de reacție.

test, adaugat 18.09.2012


Determinarea vitezei unei reacții chimice. Istoria descoperirii, conceptul și tipurile de reacții catalitice. Opinii ale unor personalități marcante ale chimiei asupra fenomenului catalizei, aspectele sale fizice și chimice. Mecanismul catalizei eterogene. Cataliza enzimatică în biochimie.

rezumat, adăugat 14.11.2010


Conceptele de cataliză, catalizator și proces catalitic, lor diverse definiții. Mecanisme de accelerare a reacțiilor prin catalizatori. Cataliza chimică (nebiologică). Sinteza dietil eterului din alcool cu ​​participarea acidului sulfuric. Teorii ale catalizei.

rezumat, adăugat 26.01.2009


Catalizatori metalici, catalizatori mixti si polifunctionali de cataliza heterogena. Cerințe de catalizator. Teorii ale catalizei eterogene. Multiplex și teoria electronică. Teoria ansamblurilor active. Cataliza în prelucrarea gazelor naturale.

lucrare de termen, adăugată 05.06.2014


Definiția catalizei și rolul acesteia în industrie. Selectivitate și idei generale despre conceptul de „mecanism al unei reacții chimice”. Clasificarea sistemelor catalitice pe faze și tipuri de reacții. Adsorbția și cerințele de bază pentru catalizatorii industriali.

rezumat, adăugat 26.01.2009


Metode de fierbere a sărurilor de arenediazoniu. Analiza acidității termodinamice a fenolilor. Caracterizarea acilării fenolului, a catalizei acide și a acidului fenoxiacetic. Caracteristicile reacției Kolbe-Schmitt, o metodă de obținere a acidului fenoxiacetic.

test, adaugat 28.03.2012


Tema termochimiei, studiul efectelor termice ale reacțiilor chimice. Tipuri de procese de cinetică chimică și cataliză. Entalpia (efectul termic) a reacției. Viteza de reacție, legea acțiunii masei. Constanta de echilibru chimic, efect catalizator.

prezentare, adaugat 19.10.2014


Enzimele (enzimele) sunt catalizatori biologici utilizați în producerea de produse de acid lactic. Reguli internaționale pentru nomenclatura enzimelor. Enzimele pot fi doar proteine ​​globulare. Nivelurile structurii proteinelor. Cinetica catalizei enzimatice.

rezumat, adăugat 26.01.2009


Conceptul de catalizatori biologici, acțiunea enzimelor în sistemele vii și clasificarea lor. Factorii care afectează activitatea catalizatorilor biologici. Substanțe numite coenzime. Cinetica catalizei enzimatice, ecuația Michaelis-Menten.

accelerarea reacțiilor chimice sub acțiunea unor cantități mici de substanțe (catalizatori), care ele însele nu se modifică în timpul reacției. Procesele catalitice joacă un rol important în viața noastră. Catalizatorii biologici numiți enzime sunt implicați în reglarea proceselor biochimice. Multe procese industriale nu ar fi posibile fără catalizatori.

Cea mai importantă proprietate a catalizatorilor este selectivitatea, adică. capacitatea de a crește viteza doar a anumitor reacții chimice dintre multe posibile. Acest lucru permite reacțiilor care sunt prea lente în condiții normale să fie de utilizare practică și asigură formarea produselor dorite.

Utilizarea catalizatorilor a contribuit la dezvoltarea rapidă a industriei chimice. Sunt utilizate pe scară largă în rafinarea petrolului, obținând diverse produse, creând noi materiale (de exemplu, materiale plastice), adesea mai ieftine decât cele folosite înainte. Aproximativ 90% din producția chimică modernă se bazează pe procese catalitice. Procesele catalitice joacă un rol deosebit în protecția mediului.

În 1835, chimistul suedez J. Berzelius a constatat că în prezența anumitor substanțe, viteza anumitor reacții chimice crește semnificativ. Pentru astfel de substanțe, el a introdus termenul „catalizator” (din greacă.

cataliză- relaxare). Potrivit lui Berzelius, catalizatorii au o capacitate deosebită de a slăbi legăturile dintre atomi din moleculele implicate în reacție, facilitând astfel interacțiunea acestora. O mare contribuție la dezvoltarea ideilor despre activitatea catalizatorilor a avut-o fizicochimistul german W. Ostwald, care în 1880 a definit un catalizator ca o substanță care modifică viteza de reacție.

Conform conceptelor moderne, un catalizator formează un complex cu moleculele care reacţionează, care este stabilizat prin legături chimice. După rearanjare, acest complex se disociază pentru a elibera produse și catalizator. Pentru o reacție monomoleculară de transformare a unei molecule

X la Y Întregul proces poate fi reprezentat ca X + Cat. ® X -Cat. ® Y -Cat. ® Y + Cat. Catalizatorul eliberat se leagă din nou cu X , iar întregul ciclu se repetă de mai multe ori, asigurând formarea unor cantități mari de produs - substanță Y . Multe substanțe în condiții normale nu intră într-o reacție chimică între ele. Deci, hidrogenul și monoxidul de carbon la temperatura camerei nu interacționează unul cu celălalt, deoarece legătura dintre atomi dintr-o moleculă H2 suficient de puternic și nu se rupe atunci când este atacat de o moleculă CO . Catalizatorul reunește moleculele H2 și CO prin formarea de legături cu acestea. După rearanjare, complexul catalizator-reactiv se disociază pentru a forma un produs care conține atomi C, H și O. Adesea, atunci când aceleași substanțe interacționează, se formează produse diferite. Catalizatorul poate direcționa procesul pe calea cea mai favorabilă pentru formarea unui anumit produs. Luați în considerare reacția dintre CO și H2 . În prezența unui catalizator care conține cupru, metanolul este practic singurul produs de reacție:La început, moleculele de CO și H 2 adsorbit pe suprafața catalizatorului. Apoi moleculele de CO formează legături chimice cu catalizatorul (se produce chimisorbția), rămânând în formă nedisociată. Moleculele de hidrogen sunt, de asemenea, chemisorbite pe suprafața catalizatorului, dar se disociază în același timp. Ca urmare a rearanjarii, complexul de tranziție H-Cat.- CH2OH . După adăugarea unui atom H complexul se descompune pentru a elibera CH3OH și catalizator. În prezența unui catalizator de nichel, atât CO cât și H 2 sunt chemisorbite la suprafață în formă disociată și se formează complexul Cat.-CH 3 . Produșii finali ai reacției sunt CH 4 și H2O:
Majoritatea reacțiilor catalitice sunt efectuate la anumite presiuni și temperaturi prin trecerea amestecului de reacție, care este în stare gazoasă sau lichidă, printr-un reactor umplut cu particule de catalizator. Următoarele concepte sunt utilizate pentru a descrie condițiile de reacție și a caracteriza produsele. Viteza spațială - volumul de gaz sau lichid care trece printr-o unitate de volum a catalizatorului pe unitatea de timp. Activitate catalitică - cantitatea de reactanți transformată de catalizator în produse pe unitatea de timp. Conversia este proporția dintr-o substanță transformată într-o reacție dată. Selectivitatea este raportul dintre cantitatea unui anumit produs și cantitatea totală de produse (exprimată de obicei ca procent). Randament - raportul dintre cantitatea unui produs dat și cantitatea de materie primă (exprimată de obicei ca procent). Productivitate - cantitatea de produse de reacție formată pe unitate de volum pe unitate de timp. TIPURI DE CATALIZITORI Catalizatorii sunt clasificați în funcție de natura reacției pe care o accelerează, a lor compoziție chimică sau proprietăți fizice. Aproape tot elemente chimiceși substanțe - singure sau, mai des, în diverse combinații. Prin propriile lor proprietăți fizice Catalizatorii sunt împărțiți în omogene și eterogene. Catalizatorii eterogene sunt solide care sunt omogene și dispersate în același mediu gazos sau lichid ca și reactanții.

Mulți catalizatori eterogene conțin metale. Unele metale, în special cele legate de

VIII grup sistem periodic elemente care au activitate catalitică pe cont propriu; un exemplu tipic este platina. Dar majoritatea metalelor prezintă proprietăți catalitice, aflându-se în compoziția compușilor; exemplu - alumină (oxid de aluminiu Al203). O proprietate neobișnuită a multor catalizatori eterogene este suprafața lor mare. Sunt pătrunși de numeroși pori, a căror suprafață totală ajunge uneori la 500 m 2 la 1 g de catalizator. În multe cazuri, oxizii cu o suprafață mare servesc ca substrat pe care particulele de catalizator metalic sunt depuse sub formă de grupuri mici. Acest lucru asigură o interacțiune eficientă a reactanților din fază gazoasă sau lichidă cu metalul activ catalitic. O clasă specială de catalizatori eterogene sunt zeoliții - minerale cristaline din grupul aluminosilicaților (compuși ai siliciului și aluminiului). Deși mulți catalizatori eterogene au o suprafață mare, de obicei au doar un număr mic de situsuri active, care reprezintă o mică parte din suprafața totală. Catalizatorii își pot pierde activitatea în prezența unor cantități mici de compuși chimici numiți otrăvuri de catalizator. Aceste substanțe se leagă de centrii activi, blocându-i. Determinarea structurii centrelor active face obiectul unor cercetări intense.

Catalizatorii omogene au diferiți natura chimica- acizi (H

2SO4 sau H3RO4), baze (NaOH ), amine organice, metale, cel mai adesea tranzitorii ( Fe sau Rh ), sub formă de săruri, compuși organometalici sau carbonili. Catalizatorii includ și enzime - molecule proteice care reglează reacțiile biochimice. Locul activ al unor enzime conține un atom de metal ( Zn, Cu, Fe sau Mo). Enzimele care conțin metal catalizează reacțiile care implică molecule mici ( O2, CO2 sau N2 ). Enzimele au activitate și selectivitate foarte ridicate, dar funcționează numai în anumite condiții, cum ar fi cele în care au loc reacții în organismele vii. Industria folosește adesea așa-numitul. enzime imobilizate. CUM FUNcționează catalizatorii Energie. Orice reacție chimică poate avea loc numai dacă reactanții depășesc bariera energetică, iar pentru aceasta trebuie să dobândească o anumită energie. După cum am spus deja, reacția catalitică X® Y constă dintr-o serie de etape succesive. Fiecare are nevoie de energie pentru a alerga.E numită energie de activare. Modificarea energiei de-a lungul coordonatei de reacție este prezentată în fig. unu.

Luați în considerare mai întâi calea necatalitică, „termică”. Pentru ca o reacție să aibă loc, energia potențială a moleculelor

X trebuie să depășească bariera energeticăE t . Reacția catalitică constă din trei etape. Prima este formarea complexului X-Cat. (chimisorbția), a cărei energie de activare esteE reclame . A doua etapă este rearanjarea X-Cat.®Y -Pisică. cu energie de activareE pisică , și în sfârșit, a treia - desorbția cu energie de activareE des; E reclame, E kat și E des mult mai mic E t . Deoarece viteza de reacție depinde exponențial de energia de activare, o reacție catalitică are loc mult mai repede decât o reacție termică la o anumită temperatură.

Un catalizator poate fi asemănat cu un instructor-ghid care ghidează alpiniștii (molecule care reacţionează) printr-un lanț muntos. El conduce un grup prin trecere și apoi se întoarce pentru următorul. Calea prin trecere se află mult mai jos decât cea care se află prin vârf (canalul termic al reacției), iar grupul face tranziția mai rapid decât fără conductor (catalizator). Este chiar posibil ca singuri grupul să nu fi putut depăși deloc creasta.

Teorii ale catalizei. Au fost propuse trei grupuri de teorii pentru a explica mecanismul reacțiilor catalitice: geometrice, electronice și chimice. În teoriile geometrice, atenția principală este acordată corespondenței dintre configurația geometrică a atomilor centrilor activi ai catalizatorului și atomii acelei părți a moleculelor de reacție care este responsabilă de legarea de catalizator. Teoriile electronice se bazează pe ideea că chimisorbția se datorează interacțiunii electronice asociate cu transferul de sarcină, adică. aceste teorii leagă activitatea catalitică de proprietățile electronice ale catalizatorului. teoria chimică priveste catalizatorul ca component chimic cu proprietăți caracteristice, care formează legături chimice cu reactivii, rezultând formarea unui complex de tranziție instabil. După descompunerea complexului cu eliberarea de produse, catalizatorul revine la starea inițială. Această din urmă teorie este acum considerată cea mai adecvată.

La nivel molecular, o reacție catalitică în fază gazoasă poate fi reprezentată după cum urmează. O moleculă care reacționează se leagă de locul activ al catalizatorului, în timp ce cealaltă interacționează cu acesta în timp ce se află direct în fază gazoasă. Un mecanism alternativ este, de asemenea, posibil: moleculele care reacţionează sunt adsorbite pe locurile active învecinate ale catalizatorului şi apoi interacţionează unele cu altele. Aparent, așa au loc majoritatea reacțiilor catalitice.

Un alt concept sugerează că există o relație între aranjarea spațială a atomilor de pe suprafața catalizatorului și activitatea sa catalitică. Viteza unor procese catalitice, inclusiv multe reacții de hidrogenare, nu depinde de poziție relativă atomi activi catalitic la suprafață; viteza celorlalți, dimpotrivă, se modifică semnificativ odată cu modificarea configurației spațiale a atomilor de suprafață. Un exemplu este izomerizarea neopentanului la izopentan și cracarea simultană a acestuia din urmă la izobutan și metan pe suprafața catalizatorului.

Pt-Al203. APLICAREA CATALIZEI ÎN INDUSTRIE Creșterea industrială rapidă pe care o experimentăm acum nu ar fi fost posibilă fără dezvoltarea de noi tehnologii chimice. În mare măsură, acest progres este determinat de utilizarea pe scară largă a catalizatorilor, cu ajutorul cărora materiile prime de calitate scăzută sunt transformate în produse de mare valoare. Figurat vorbind, catalizatorul este piatra filosofală a alchimistului modern, doar că nu transformă plumbul în aur, ci materiile prime în medicamente, materiale plastice, reactivi chimici, combustibil, îngrășăminte și alte produse utile.

Poate că primul proces catalitic pe care omul a învățat să-l folosească este fermentația. Rețetele pentru prepararea băuturilor alcoolice erau cunoscute de sumerieni încă din anul 3500 î.Hr.

Cm. VIN; BERE.

O etapă semnificativă în aplicarea practică a catalizei a fost producția de margarină prin hidrogenarea catalitică a uleiului vegetal. Pentru prima dată, această reacție la scară industrială s-a desfășurat în jurul anului 1900. Și începând cu anii 1920, una după alta, s-au dezvoltat metode catalitice pentru producerea de noi materiale organice, în primul rând materiale plastice. Punctul cheie a fost producerea catalitică de olefine, nitrili, esteri, acizi etc. - „cărămizi” pentru „construcția” chimică a materialelor plastice.

Al treilea val de utilizare industrială a proceselor catalitice are loc în anii 1930 și este asociat cu rafinarea petrolului. În ceea ce privește volumul, această producție a lăsat curând pe toate celelalte cu mult în urmă. Rafinarea petrolului constă în mai multe procese catalitice: cracare, reformare, hidrosulfonare, hidrocracare, izomerizare, polimerizare și alchilare.

Și, în sfârșit, al patrulea val în utilizarea catalizei este legat de protecția mediului. Cea mai cunoscută realizare în acest domeniu este crearea unui convertor catalitic pentru gazele de eșapament ale automobilelor. Convertizoarele catalitice, care sunt instalate în mașini din 1975, au jucat un rol important în îmbunătățirea calității aerului și au salvat multe vieți în acest fel.

Aproximativ o duzină de premii Nobel au fost acordate pentru munca în domeniul catalizei și domenii conexe.

Semnificația practică a proceselor catalitice este evidențiată de faptul că ponderea azotului, care face parte din compușii care conțin azot obținuți industrial, reprezintă aproximativ jumătate din tot azotul, care face parte din Produse alimentare. Cantitatea de compuși de azot produși în mod natural este limitată, astfel încât producția de proteine ​​alimentare depinde de cantitatea de azot aplicată solului cu îngrășăminte. Ar fi imposibil să hrănești chiar și jumătate din umanitate fără amoniac sintetic, care este produs aproape exclusiv prin procesul catalitic Haber-Bosch.

Domeniul de aplicare al catalizatorilor este în continuă extindere. De asemenea, este important ca cataliza să poată crește semnificativ eficiența tehnologiilor dezvoltate anterior. Un exemplu este îmbunătățirea cracarei catalitice prin utilizarea zeoliților.

Hidrogenarea. Un număr mare de reacții catalitice sunt asociate cu activarea unui atom de hidrogen și a unei alte molecule, ducând la interacțiunea lor chimică. Acest proces se numește hidrogenare și stă la baza multor etape ale rafinării petrolului și producției de combustibili lichizi din cărbune (procesul Bergius).

Producția de benzină pentru aviație și combustibil pentru motor din cărbune a fost dezvoltată în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, deoarece în această țară nu există câmpuri petroliere. Procesul Bergius este adăugarea directă de hidrogen la carbon. Cărbunele este încălzit sub presiune în prezența hidrogenului și se obține un produs lichid, care este apoi procesat în benzină de aviație și combustibil pentru motor. Oxidul de fier este utilizat ca catalizator, precum și catalizatori pe bază de staniu și molibden. În timpul războiului, aproximativ 1.400 de tone de combustibil lichid pe zi au fost obținute la 12 fabrici germane folosind procesul Bergius.

Un alt proces, Fischer - Tropsch, constă din două etape. În primul rând, cărbunele este gazeificat, adică. își desfășoară reacția cu vapori de apă și oxigen și obține un amestec de hidrogen și oxizi de carbon. Acest amestec este transformat în combustibil lichid folosind catalizatori care conțin fier sau cobalt. Odată cu sfârșitul războiului, producția de combustibil sintetic din cărbune în Germania a fost întreruptă.

Ca urmare a creșterii prețului petrolului care a urmat embargoului petrolului din 1973-1974, au fost depuse eforturi puternice pentru a dezvolta o metodă viabilă din punct de vedere economic de producere a benzinei din cărbune. Astfel, lichefierea directă a cărbunelui poate fi efectuată mai eficient utilizând un proces în două etape în care cărbunele este mai întâi contactat cu un catalizator de alumină-cobalt-molibden la o temperatură relativ scăzută și apoi la o temperatură mai ridicată. Costul unei astfel de benzine sintetice este mai mare decât cel obținut din petrol.

Amoniac. Unul dintre cele mai simple procese de hidrogenare din punct de vedere chimic este sinteza amoniacului din hidrogen și azot. Azotul este o substanță foarte inertă. Pentru a deconecta N-N molecula sa necesită o energie de ordinul a 200 kcal/ mol. Cu toate acestea, azotul se leagă de suprafața catalizatorului de fier în stare atomică, iar acest lucru necesită doar 20 kcal./ mol. Hidrogenul se leagă de fier și mai ușor. Sinteza amoniacului se desfășoară după cum urmează:
Acest exemplu ilustrează capacitatea unui catalizator de a accelera în mod egal atât reacțiile directe, cât și cele inverse, de exemplu. faptul că catalizatorul nu modifică poziția de echilibru a reacției chimice.Hidrogenarea uleiului vegetal. Una dintre cele mai importante reacții de hidrogenare în practică este hidrogenarea incompletă a uleiurilor vegetale la margarină, ulei de gătit și alte produse alimentare. Uleiurile vegetale sunt obținute din boabe de soia, semințe de bumbac și alte culturi. Acestea includ esteri, și anume trigliceridele acizilor grași cu diferite grade de nesaturare. Acid oleic CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH are o legătură dublă C=C, acidul linoleic are două și acidul linolenic trei. Adăugarea de hidrogen pentru a rupe această legătură previne oxidarea (râncezirea) uleiurilor. Acest lucru le ridică punctul de topire. Duritatea majorității produselor obținute depinde de gradul de hidrogenare. Hidrogenarea se realizează în prezența unei pulberi fine de nichel depuse pe un substrat sau a unui catalizator de nichel Raney într-o atmosferă de hidrogen înalt purificată.Dehidrogenare. Dehidrogenarea este, de asemenea, o reacție catalitică importantă din punct de vedere industrial, deși amploarea aplicării sale este incomparabil mai mică. Cu ajutorul lui, de exemplu, se obține stirenul, un monomer important. Pentru a face acest lucru, dehidrogenați etilbenzenul în prezența unui catalizator care conține oxid de fier; potasiul și un anumit stabilizator structural contribuie, de asemenea, la reacție. La scară industrială, propanul, butanul și alcani sunt dehidrogenați. Dehidrogenarea butanului în prezența unui catalizator de alumină-crom produce butene și butadienă.cataliză acidă. Activitatea catalitică a unei clase mari de catalizatori se datorează proprietăților lor acide. Potrivit lui I. Bronsted și T. Lowry, un acid este un compus capabil să doneze un proton. Acizii puternici își donează cu ușurință protonii bazelor. Conceptul de aciditate a fost dezvoltat în continuare în lucrările lui G. Lewis, care a definit un acid ca o substanță capabilă să accepte o pereche de electroni dintr-o substanță donatoare cu formarea legătură covalentă prin partajarea acestei perechi de electroni. Aceste idei, împreună cu ideile despre reacțiile care formează ioni de carbeniu, au ajutat la înțelegerea mecanismului diferitelor reacții catalitice, în special a celor care implică hidrocarburi.

Puterea unui acid poate fi determinată folosind un set de baze care își schimbă culoarea atunci când se adaugă un proton. Se pare că unii catalizatori importanți din punct de vedere industrial se comportă ca niște acizi foarte puternici. Acestea includ un catalizator Friedel-Crafts, cum ar fi

HCI-AlCI2O3 (sau HACI4 ), și aluminosilicați. Puterea unui acid este o caracteristică foarte importantă, deoarece determină viteza de protonare, o etapă cheie în procesul de cataliză a acidului.

Activitatea catalizatorilor precum aluminosilicații utilizați în cracarea petrolului este determinată de prezența acizilor Bronsted și Lewis pe suprafața lor. Structura lor este similară cu structura silicei (dioxid de siliciu), în care unii dintre atomi

Si 4+ înlocuite cu atomi Al3+. Excesul de sarcină negativă care apare în acest caz poate fi neutralizat de cationii corespunzători. Dacă cationii sunt protoni, atunci aluminosilicatul se comportă ca un acid Brønsted:
Activitatea catalizatorilor acizi este determinată de capacitatea lor de a reacționa cu hidrocarburile cu formarea unui ion carbeniu ca produs intermediar. Ionii de alchilcarbeniu conțin un atom de carbon încărcat pozitiv legat de trei grupări alchil și/ sau atomi de hidrogen. Ele joacă un rol important ca intermediari formați în multe reacții care implică compuși organici. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor acizi poate fi ilustrat prin exemplul reacției de izomerizaren -butan la izobutan în prezenţa de HCI - AlCI3 sau Pt - CI - Al203 . În primul rând, o cantitate mică de olefină C 4 H 8 atașează un ion de hidrogen încărcat pozitiv la un catalizator acid pentru a se forma m ion carbeniu terțiar. Apoi ion hidrură încărcat negativ H - desprins din n -butanul pentru a forma izobutan și butilcarb secundar e nu d-ion. Ultimul ca urmare a rearanjarii devine carb e ni ion terțiar. Acest lanț poate continua cu eliminarea unui ion hidrură din molecula următoaren- butan, etc.:
esenţial o că ionii terțiari de carbeniu sunt mai stabili decât cei primari sau secundari. Ca rezultat, sunt prezenți în principal pe suprafața catalizatorului și, prin urmare, principalul produs al izomerizării butanului este izobutanul.

Catalizatorii acizi sunt utilizați pe scară largă în rafinarea petrolului - cracare, alchilare, polimerizare și izomerizare a hidrocarburilor

(Vezi si CHIMIE ȘI METODE DE RAFINAREA ȚEIULUI). A fost stabilit mecanismul de acțiune al ionilor de carbeniu, care joacă rolul de catalizatori în aceste procese. În același timp, ei participă la o serie de reacții, inclusiv formarea de molecule mici prin scindarea celor mari, combinarea de molecule (olefină cu olefină sau olefină cu izoparafină), rearanjarea structurală prin izomerizare, formarea de parafine și hidrocarburi aromatice. prin transfer de hidrogen.

Una dintre cele mai recente aplicații industriale ale catalizei acide este producerea de combustibili cu plumb prin adăugarea de alcooli la izobutilenă sau izoamilen. Adăugarea de compuși oxigenați la benzină reduce concentrația de monoxid de carbon din gazele de eșapament. Metil-

tert -butil eter (MTBE) cu un număr octanic de amestec de 109 vă permite, de asemenea, să obțineți combustibil cu octan mare necesar pentru funcționarea unui motor de automobile cu un grad înalt compresie, fără a se recurge la introducerea plumbului tetraetil în benzină. Se organizează și producția de combustibili cu cifre octanice 102 și 111.Cataliza de bază. Activitatea catalizatorilor este determinată de proprietățile lor de bază. Lung și bun exemplu celebru astfel de catalizatori sunt hidroxidul de sodiu, care este utilizat pentru hidroliza sau saponificarea grăsimilor în fabricarea săpunului, iar un exemplu recent îl reprezintă catalizatorii utilizați la fabricarea materialelor plastice și spumei poliuretanice. Uretanul se formează prin interacțiunea alcoolului cu izocianatul, iar această reacție este accelerată în prezența substanțelor bazice.amine. În timpul reacției, baza este atașată la atomul de carbon din molecula de izocianat, în urma căreia apare o sarcină negativă asupra atomului de azot și crește activitatea acestuia față de alcool. Un catalizator deosebit de eficient este trietilendiamina. Materialele plastice poliuretanice se obțin prin reacția diizocianaților cu polioli (polialcooli). Când izocianatul reacţionează cu apa, uretanul format anterior se descompune eliberând CO2 . Când un amestec de polialcooli și apă interacționează cu diizocianații, spuma poliuretanică rezultată formează spumă cu gaze. CO2. Catalizatori cu acțiune dublă. Acești catalizatori accelerează două tipuri de reacții și dau rezultate mai bune decât trecerea reactanților în serie prin două reactoare care conțin fiecare un singur tip de catalizator. Acest lucru se datorează faptului că situsurile active ale catalizatorului cu dublă acțiune sunt foarte apropiate unele de altele, iar produsul intermediar format pe unul dintre ele se transformă imediat în produsul final pe celălalt.

Combinarea unui catalizator de activare a hidrogenului cu un catalizator de promovare a izomerizării hidrocarburilor dă un rezultat bun. Activarea hidrogenului este realizată de unele metale, iar izomerizarea hidrocarburilor de către acizi. Un catalizator eficient cu dublă acțiune utilizat în rafinarea petrolului pentru a transforma nafta în benzină este platina fin dispersată depusă pe alumina acidă. Conversia componentelor nafta, cum ar fi metilciclopentanul (MCP) în benzen, crește numărul octanic al benzinei. În primul rând, MCP este dehidrogenat pe partea de platină a catalizatorului într-o olefină cu același schelet de carbon; apoi olefina trece în partea acidă a catalizatorului, unde izomerizează la ciclohexenă. Acesta din urmă trece în partea de platină și se dehidrogenează în benzen și hidrogen.

Catalizatorii cu acțiune dublă accelerează semnificativ reformarea uleiului. Ele sunt utilizate pentru izomerizarea parafinelor normale în izoparafine. Acestea din urmă, care fierb la aceleași temperaturi ca și fracțiunile de benzină, sunt valoroase deoarece au un număr octanic mai mare în comparație cu hidrocarburile simple. În plus, transformarea

n -butanul la izobutan este însoțit de dehidrogenare, contribuind la producerea de MTBE.Polimerizare stereospecifică. O piatră de hotar importantă în istorie a apărut cataliza descoperirea polimerizării cataliticeA-olefine cu formarea stereoregulat x polimer ov. La catalizatori stereospecific polimerizare au fost descoperite de K. Ziegler când a încercat să explice proprietățile neobișnuite ale polimerilor pe care i-a obținut. Un alt chimist, J. Natta, a sugerat că unicitatea polimerilor Ziegler este determinată de stereoregularitatea lor. Experimentele de difracție cu raze X au arătat că polimerii preparați din propilenă în prezența catalizatorilor Ziegler sunt foarte cristalini și au într-adevăr o structură stereoregulată. Pentru a descrie astfel de structuri ordonate, Natta a introdus termenii " izotactic „și „sindiotactic”. În cazul în care nu există ordine, se folosește termenul „atactic”:O reacție stereospecifică are loc pe suprafața catalizatorilor solizi care conțin metale de tranziție ale grupărilor IVA - VIII (cum ar fi Ti, V, Cr, Zr ), care sunt într-o stare incomplet oxidată și orice compus care conține carbon sau hidrogen, care este asociat cu un metal din grupele I-III . Un exemplu clasic de astfel de catalizator este precipitatul format în timpul interacțiunii TiCl4 și Al(C2H5)3 în heptan, unde titanul este redus la starea trivalentă. Acestexcepțional de activsistemul catalizează polimerizarea propilenei la temperatură și presiune normale.oxidare catalitică. Utilizarea catalizatorilor pentru controlul chimiei proceselor de oxidare are o mare importanță științifică și practică. În unele cazuri, oxidarea trebuie să fie completă, de exemplu, la neutralizarea contaminanților cu CO și hidrocarburi din gazele de eșapament ale mașinii.Mai des, totuși, este de dorit ca oxidarea să fie incompletă, de exemplu, în multe dintre procesele utilizate pe scară largă în industrie pentru transformarea hidrocarburilor în produse intermediare valoroase care conțin astfel de grup functional ca -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. În acest caz, se folosesc atât catalizatori omogene, cât și eterogene. Un exemplu de catalizator omogen este un complex de metal de tranziție care este utilizat pentru oxidarepereche -xilen până la acid tereftalic, ai cărui esteri servesc ca bază pentru producerea fibrelor de poliester.catalizatori de oxidare eterogene. Acești catalizatori sunt de obicei oxizi solizi complecși. Oxidarea catalitică are loc în două etape. În primul rând, oxidul de oxigen este captat de o moleculă de hidrocarbură adsorbită pe suprafața oxidului. Hidrocarbura este oxidată și oxidul este redus. Oxidul redus reacționează cu oxigenul și revine la starea inițială. Folosind un catalizator de vanadiu, anhidrida ftalică se obține prin oxidarea parțială a naftalinei sau butanului.Producția de etilenă prin dehidrodimerizarea metanului. Sinteza etilenei prin dehidrodimerizare permite ca gazele naturale să fie transformate în hidrocarburi mai ușor transportabile. reacţie 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O se efectuează la 850 ° Cu utilizarea diverși catalizatori; cele mai bune rezultate obținute cu catalizator Li - MgO . Probabil, reacția are loc prin formarea unui radical metil prin separarea unui atom de hidrogen dintr-o moleculă de metan. Scindarea este efectuată cu oxigen incomplet redus, de exemplu, O 2 2- . Radicalii metil din faza gazoasă se recombină pentru a forma o moleculă de etan și sunt transformați în etilenă în timpul dehidrogenării ulterioare. Un alt exemplu de oxidare incompletă este conversia metanolului în formaldehidă în prezența unui catalizator de argint sau fier-molibden.Zeoliți. Zeoliții constituie o clasă specială de catalizatori eterogene. Acestea sunt aluminosilicați cu o structură de fagure ordonată, a căror dimensiune a celulei este comparabilă cu dimensiunea multor molecule organice. Se mai numesc si site moleculare. De cel mai mare interes sunt zeoliții, ai căror pori sunt formați din inele formate din 8–12 ioni de oxigen (Fig. 2). Uneori, porii se suprapun, ca în zeolitul ZSM-5 (Fig. 3), care este utilizat pentru conversia foarte specifică a metanolului în hidrocarburi din fracția de benzină. Benzina conține cantități semnificative de hidrocarburi aromatice și, prin urmare, are un număr octanic ridicat. În Noua Zeelandă, de exemplu, o treime din toată benzina consumată este obținută folosind această tehnologie. Metanolul se obține din metanul importat. Catalizatorii care alcătuiesc grupul de zeoliți Y măresc semnificativ eficiența cracarei catalitice datorită în primul rând proprietăților lor acide neobișnuite. Înlocuirea aluminosilicaților cu zeoliți face posibilă creșterea randamentului benzinei cu mai mult de 20%.

În plus, zeoliții sunt selectivi în ceea ce privește dimensiunea moleculelor care reacţionează. Selectivitatea lor se datorează mărimii porilor prin care pot trece molecule de numai anumite dimensiuni și forme. Acest lucru se aplică atât materiilor prime, cât și produselor de reacție. De exemplu, din cauza restricțiilor sterice

pereche -xilenul se formeaza mai usor decat mai voluminosorto- și meta -izomeri. Acestea din urmă sunt „blocate” în porii zeolitului (Fig. 4).

Utilizarea zeoliților a făcut o adevărată revoluție în unele tehnologii industriale - deparafinarea motorinei și a uleiului de mașini, obținerea intermediarilor chimici pentru producerea materialelor plastice prin alchilarea compușilor aromatici, izomerizarea xilenului, disproporționarea toluenului și cracarea catalitică a uleiului. Zeolitul este deosebit de eficient aici

ZSM-5. Catalizatori și protecția mediului. Utilizarea catalizatorilor pentru reducerea poluării aerului a început la sfârșit 19 ani 40. În 1952, A. Hagen-Smith a descoperit că hidrocarburile și oxizii de azot, care fac parte din gazele de eșapament, reacționează la lumină pentru a forma oxidanți (în special, ozonul), care irită ochii și dau alte efecte nedorite. Aproximativ în aceeași perioadă, Y. Houdry a dezvoltat o metodă de purificare catalitică a gazelor de eșapament prin oxidare CO şi hidrocarburi până la CO2 și H2 A. În 1970, a fost formulată Declarația pentru aer curat (revizuită în 1977, extinsă în 1990) care impune ca toate vehiculele noi din modelele din 1975 să fie echipate cu convertoare catalitice. Au fost stabilite norme pentru compoziția gazelor de eșapament. Deoarece compușii de plumb s-au adăugat la catalizatorii otrăvitori de benzină, a fost adoptat un program de eliminare treptată. S-a atras atenția și asupra necesității reducerii conținutului de oxizi de azot.

Catalizatorii au fost creati special pentru convertoarele auto, in care componentele active sunt depuse pe un substrat ceramic cu structura de fagure, prin celulele carora trec gazele de evacuare. Substratul este acoperit cu un strat subțire de oxid metalic, de exemplu

Al2O3 pe care se aplică un catalizator - platină, paladiu sau rodiu. Conținutul de oxizi de azot formați în timpul arderii combustibililor naturali la centralele termice poate fi redus prin adăugarea unor cantități mici de amoniac în gazele de ardere și trecerea acestora printr-un catalizator de titan-vanadiu.Enzime. Enzimele sunt catalizatori naturali care reglează procesele biochimice dintr-o celulă vie. Ei participă la procesele de schimb de energie, defalcarea nutrienților, reacțiile de biosinteză. Multe reacții organice complexe nu pot avea loc fără ele. Enzimele funcționează la temperatură și presiune obișnuită, au o selectivitate foarte mare și sunt capabile să mărească viteza reacțiilor cu opt ordine de mărime. În ciuda acestor avantaje, doar cca. Din cele 15.000 de enzime cunoscute, 20 sunt folosite pe scară largă.

Omul folosește enzime de mii de ani pentru a coace pâine, a produce băuturi alcoolice, brânză și oțet. Acum enzimele sunt folosite și în industrie: în prelucrarea zahărului, în producția de antibiotice sintetice, aminoacizi și proteine. La detergenți se adaugă enzime proteolitice care accelerează procesele de hidroliză.

Cu ajutorul bacteriilor

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann a efectuat conversia enzimatică a amidonului în acetonă și alcool butilic. Această metodă de obținere a acetonei a fost utilizată pe scară largă în Anglia în timpul Primului Război Mondial, iar în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, cauciucul butadienic a fost fabricat cu ajutorul său în URSS.

Un rol excepțional de mare l-a jucat utilizarea enzimelor produse de microorganisme pentru sinteza penicilinei, precum și a streptomicinei și a vitaminei.

B12. Alcoolul etilic produs enzimatic este utilizat pe scară largă ca combustibil pentru automobile. În Brazilia, mai mult de o treime din cele aproximativ 10 milioane de mașini funcționează cu 96% alcool etilic derivat din trestie de zahăr, iar restul cu un amestec de benzină și alcool etilic (20%). Tehnologia de producere a combustibilului, care este un amestec de benzină și alcool, este bine dezvoltată în Statele Unite. În 1987, cca. 4 miliarde de litri de alcool, din care aproximativ 3,2 miliarde de litri au fost folosiți drept combustibil. Diverse aplicații se găsesc și în așa-numitul. enzime imobilizate. Aceste enzime sunt asociate cu un purtător solid, cum ar fi silicagel, peste care trec reactivii. Avantajul acestei metode este că asigură contactul eficient al substraturilor cu enzima, separarea produselor și conservarea enzimei. Un exemplu de utilizare industrială a enzimelor imobilizate este izomerizarea D -glucoza la fructoza. ASPECTE TEHNOLOGICE Tehnologii moderne imposibil de imaginat fără utilizarea catalizatorilor. Reacțiile catalitice pot avea loc la temperaturi de până la 650°C° C și presiuni de 100 atm sau mai mult. Acest lucru face necesară rezolvarea problemelor asociate cu contactul dintre substanțele gazoase și solide și cu transferul particulelor de catalizator într-un mod nou. Pentru ca procesul să fie eficient, modelarea acestuia trebuie să țină cont de aspectele cinetice, termodinamice și hidrodinamice. Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă aici, precum și noi instrumente și metode de control al proceselor tehnologice.

În anii 1960 s-au înregistrat progrese semnificative în producția de amoniac. Utilizarea unui catalizator mai activ a făcut posibilă scăderea temperaturii producției de hidrogen în timpul descompunerii vaporilor de apă, datorită căreia a fost posibilă scăderea presiunii și, în consecință, reducerea costurilor de producție, de exemplu, prin utilizarea unor produse mai ieftine. compresoare centrifugale. Ca urmare, costul amoniacului a scăzut cu mai mult de jumătate, a existat o creștere uriașă a producției sale și, în legătură cu aceasta, o creștere a producției de alimente, deoarece amoniacul este un îngrășământ valoros.

Metode. Cercetările în domeniul catalizei se desfășoară atât prin metode tradiționale, cât și prin metode speciale. Se folosesc etichete radioactive, spectroscopie cu raze X, infraroșu și Raman (Raman), metode de microscopie electronică; se efectuează măsurători cinetice, se studiază influența metodelor de obținere a catalizatorilor asupra activității acestora. De mare importanță este determinarea suprafeței catalizatorului prin metoda Brunauer-Emmett-Teller (metoda BET), bazată pe măsurarea adsorbției fizice a azotului la diferite presiuni. Pentru a face acest lucru, determinați cantitatea de azot necesară pentru formarea unui monostrat pe suprafața catalizatorului și, cunoscând diametrul moleculei N 2 , calculați suprafața totală. Pe lângă determinarea suprafeței totale, se efectuează chimisorbția diferitelor molecule, ceea ce face posibilă estimarea numărului de centre activi și obținerea de informații despre proprietățile acestora.

Cercetătorii au la dispoziție diverse metode de studiere a structurii de suprafață a catalizatorilor la nivel atomic. Informațiile unice vă permit să obțineți o metodă

EXAFS . Printre metodele spectroscopice, sunt din ce în ce mai utilizate spectroscopia fotoelectronilor UV, cu raze X și Auger. De mare interes este spectrometria de masă ionică secundară și spectroscopia de împrăștiere a ionilor. Măsurătorile RMN sunt utilizate pentru a studia natura complecșilor catalitici. Microscopul de scanare cu tunel vă permite să vedeți aranjamentul atomilor pe suprafața catalizatorului. PERSPECTIVE Amploarea proceselor catalitice din industrie crește în fiecare an. Catalizatorii sunt din ce în ce mai folosiți pentru a neutraliza poluanții mediului. Rolul catalizatorilor în producerea de hidrocarburi și combustibili sintetici care conțin oxigen din gaz și cărbune este în creștere. Pare foarte promițător să se creeze pile de combustie pentru conversia economică a energiei combustibilului în energie electrică.

Noile concepte de cataliză vor face posibilă obținerea de materiale polimerice și alte produse cu multe proprietăți valoroase, îmbunătățirea metodelor de producere a energiei, creșterea producției de alimente, în special prin sinteza proteinelor din alcani și amoniac cu ajutorul microorganismelor. Este posibil să se dezvolte metode modificate genetic pentru producerea de enzime și compuși organometalici care abordează catalizatorii biologici naturali în activitatea lor catalitică și selectivitatea.

LITERATURĂ Gates B.K. Chimia proceselor catalitice . M., 1981
Boreskov G.K. Cataliză. Întrebări de teorie și practică . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Nou teorie generală cataliză . L., 1991
Tokabe K. Catalizatori și procese catalitice . M., 1993