Katalýza

Katalýza – co to je a jak se klasifikuje?

Katalýza je definována jako jev zvýšení rychlosti chemické reakce pomocí látky, která není ani substrátem ani produktem této transformace. Taková látka se nazývá katalyzátor. Základní typy katalýzy jsou následující:

• Homogenní katalýza – u tohoto typu katalýzy jsou substráty i katalyzátor ve stejném fyzikálním stavu. Nejčastěji se jedná o kapalnou nebo plynnou fázi. V tomto případě katalyzátor reaguje s jedním ze substrátů za vzniku nestabilního meziproduktového komplexu, který zase reaguje s druhým reaktantem. Výsledkem je tvorba reakčních produktů a regenerace katalyzátoru. Je třeba poznamenat, že ne všechny reakce probíhají tímto způsobem. Ve skutečnosti jsou nejběžnějším druhem vícestupňové procesy. Příkladem homogenní (nebo jednofázové) reakce je oxidace oxidu sírového (IV) na oxid sírový (VI). Všechny složky, tj. substráty, katalyzátor a produkty, jsou přítomny v plynné fázi.
• Heterogenní katalýza – jedná se o nejběžněji používaný typ katalýzy, např. v procesech chemického průmyslu . Zde je katalyzátor v jiném fyzikálním skupenství hmoty než ostatní reaktanty. Obvykle se jedná o pevný, nebo takzvaný ‘kontakt’. Substráty se adsorbují na jeho povrchu. Poté s nimi katalyzátor reaguje. Výsledné produkty se desorbují a opouštějí kontaktní povrch, čímž uvolňují prostor pro další substráty. Použití tohoto typu katalýzy umožňuje provádět například reakce mezi plynnými látkami, které spolu běžně nereagují. Vzhledem k tomu, že heterogenní katalýza je z průmyslového hlediska velmi důležitá, je jedním z hlavních problémů katalýzy vývoj katalyzátorů vyrobených z různých materiálů a majících tvary, které poskytují co největší kontaktní plochu.
• Enzymová katalýza – enzymy jsou vedle fermentů skupinou proteinů, které se podílejí na biokatalýze biosyntézních a rozkladných reakcí. Tyto procesy probíhají v buňkách živých organismů a tělesných tekutinách. Enzymy, stejně jako „klasické“ katalyzátory, snižují aktivační energii biologické reakce. Na svém povrchu mají tzv. aktivní centra. Díky svému tvaru a struktuře jsou tato centra kompatibilní pouze se specifickými substráty. Selektivita enzymů jako katalyzátorů je tedy 100 %. Dále je taková katalýza označována jako model klíče a zámku. Po vytvoření komplexu enzym-substrát se některé vazby uvolní a vytvoří se produkty. Enzym se poté uvolní a vrátí se do své původní formy.

Autokatalýza je zajímavý fenomén. Nastává, když se výsledný produkt reakce stane jejím katalyzátorem. Postupem času tedy reakce probíhá rychleji a rychleji. Příkladem autokatalytického procesu je reakce KMnO ₄ s peroxidem vodíku v kyselém prostředí. Vzniklé ionty (tj. Mn ²⁺ ) působí jako katalyzátor původní reakce.

Katalyzátory

Katalyzátory jsou chemické látky, které po zavedení do reakčního systému urychlují chemickou reakci. Důležité je, že během reakce neprocházejí chemickými přeměnami a po dokončení reakce se obnoví ve své původní formě. Katalyzátor přidaný do reakčního systému tvoří nestabilní přechodnou vazbu se substrátem. To umožňuje snížit aktivační energii. Co je důležité, katalyzátor není zahrnut ve stechiometrické rovnici celkového procesu. Navíc ani s katalyzátorem není možné zahájit reakci, která není termodynamicky proveditelná. Aby k dané chemické reakci za určitých podmínek došlo, je nutné poskytnout energii větší, než je potřebná aktivační energie. V tomto případě je úlohou katalyzátoru snížit množství potřebné energie, aby reakce mohla začít rychleji. Je třeba si uvědomit, že katalyzátor neovlivňuje posun v rovnovážném stavu. Pouze urychluje okamžik jeho dosažení. Čím rychleji to dělá, tím je považován za aktivnější. Aktivita katalyzátoru je tedy definována jako rozdíl v rychlosti, kterou reakce dosáhne rovnováhy v přítomnosti a nepřítomnosti katalyzátoru. Dalším kritériem charakterizujícím katalyzátory je jejich selektivita. Je definován jako poměr množství vytvořeného produktu k celkovému množství všech produktů vytvořených během reakce. Látky používané jako katalyzátory v průmyslových procesech obvykle dosahují selektivity 70 %až 90 %. V tomto ohledu jsou enzymy jedinečné. Úroveň selektivity, kterou dosahují v biochemických reakcích, dosahuje až 100 %.

Význam katalýzy v průmyslových procesech

V současné době hraje katalýza klíčovou roli v mnoha procesech, zejména v chemickém průmyslu. Katalyzátory přispívají k efektivnější výrobě chemikálií, které se zase využívají například při výrobě hnojiv. Níže jsou uvedeny tři příklady procesů chemického průmyslu, které využívají katalýzu. Tyto katalyzátory patří mezi nejpoužívanější. Je však třeba pamatovat na to, že na trh jsou neustále uváděna nová nebo upravená řešení a daří se jim postupně nahrazovat dříve používané látky.

Výroba kyseliny dusičné (V).

Výroba kyseliny dusičné (V) se skládá z několika po sobě jdoucích fází. Za prvé je to spalování amoniaku v kyslíku na oxid dusnatý (II) a vodu. Pro zvýšení účinnosti procesu se provádí pomocí katalyzátoru, kterým je slitina platiny a rhodia (93 %Pt a 7 %Rh). Tato slitina se používá k výrobě drátů, ze kterých se pletou speciální oka. V reaktoru jsou umístěny dvě nebo tři síta, kolmo k proudu reakčních plynů. Tato metoda má však určitá omezení. Pohybující se plyny způsobují tření o sítě, což má za následek jejich degradaci a ztrátu platiny. Tyto ztráty jsou patrné zejména v oxidační části, kde je zvýšený tlak a vysoká teplota. Platinové síťky jsou navíc poměrně citlivé na otravu způsobenou nedostatečným čištěním reagujících plynů od rušivých látek, např. síry. Při katalytické oxidaci amoniaku vzniká jako vedlejší produkt oxid dusný. V současné době jsou na trhu dostupná řešení snižující jeho emise. K tomuto účelu se v blízkosti sít ze slitiny Pt-Rh používá oxidový katalyzátor na bázi hlinitanů pro vysokoteplotní rozklad oxidu dusného v nitrózních plynech. Charakteristickým znakem tohoto katalyzátoru je jeho vysoká selektivita rozkladu ve vztahu k N ₂ O.

Oxidace SO ₂ na SO ₃

Jedním z nejdůležitějších kroků v průmyslové výrobě kyseliny sírové (VI) je oxidace oxidu sírového (IV) na oxid sírový (VI). Tento proces se provádí kontaktní metodou. Mnoho látek může v této oxidační reakci působit jako katalyzátor. V různé míře urychlují reakce. Experimentálně bylo prokázáno, že nejvyšší účinnosti je dosaženo použitím vanadových katalyzátorů. Skládají se z oxidu vanadičného (V), který je uložen na nosiči (obvykle oxid křemičitý). Kromě toho obsahuje také aktivátory (oxid sodný nebo oxid draselný) a další přísady ovlivňující mimo jiné jeho pevnost při vysokých teplotách. Množství oxidu vanadičného (V) v katalyzátoru se pohybuje od 5 do 7 %hmotnostních. Největší účinnosti dosahuje při relativně vysokých teplotách. Vanadový katalyzátor má na svém povrchu aktivní místa, kde jsou adsorbovány molekuly O ₂ a SO ₂ . Tam probíhají jejich reakce s následnou desorpcí výsledných produktů. Nedostatečná čistota substrátů přiváděných do reaktoru může mít za následek otravu katalyzátoru, tj. deaktivaci jeho aktivních míst. Mezi jedy v tomto případě patří chlór, fluor a arsen.

Výroba amoniaku

Dalším katalytickým procesem v chemickém průmyslu je syntéza čpavku . Samotný proces je tak pomalý, že je nutné použít vhodné kontakty. V tomto případě je nejvýhodnějším katalyzátorem železo aktivované malým množstvím oxidu hlinitého a oxidu draselného. Vzniká pálením železa za přítomnosti kyslíku a následným tavením vzniklého Fe ₃ O ₄ s Al ₂ O ₃ a K ₂ O. Slitina (nejčastěji) ve formě granulí je hotovým katalyzátorem. Stejně jako v jiných procesech během procesu syntézy amoniaku železný katalyzátor způsobuje absorpci vodíku a dusíku na svých aktivních místech a desorpci výsledných produktů. Sloučeniny odpovědné za degradaci železného kontaktu jsou zejména síra, oxid uhličitý a vodní pára.