화학의 촉매. 그들은 무엇인가? 그들의 유형은 무엇입니까?

어떤 물질이 촉매가 될 수 있나요?

촉매되는 화학적 과정과 반응은 촉매라고 불리는 특정한 특정 물질이 존재할 때 발생합니다. 시스템에서 이들의 주요 임무는 활성화 에너지를 줄이는 것이며, 이는 프로세스 속도를 직접적으로 증가시킵니다. 촉매의 선택은 예를 들어 공정 효율성이 좌우되는 핵심 문제입니다. 코어-쉘 유형의 특정 화학 화합물 또는 시스템이 일반적으로 촉매로 사용됩니다. 촉매의 기본 특징과 시스템에서의 기능:

• 반응에서 촉매의 존재는 기질이나 생성물 과 반응하지 않기 때문에 화학 반응 의 분자 방정식에 포함되지 않습니다.
• 반응이 끝나면 촉매가 회수됩니다. 따라서 촉매반응은 순환적인 것으로 설명될 수 있다.
• 촉매는 화학 반응으로 얻은 생성물로부터 쉽게 분리될 수 있어야 합니다.
• 촉매는 어떤 식으로든 반응의 평형 상태에 영향을 미치지 않으므로 열역학을 변경하지 않습니다.
• 촉매는 높은 활성, 높은 선택성, 시간 경과에 따른 안정성이라는 세 가지 기본 특성을 갖추어야 합니다.
• 촉매는 올바른 기공 크기, 결정상, 분쇄 강도, 감소 정도, 유동화 특성, 마모성, 평균 화학 조성, 유효 표면적, 입자 크기 등을 포함하여 구성에 대한 여러 가지 기본 가정을 충족해야 합니다.

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촉매의 예

궤조

금속은 산업에서 쉽게 사용되는 매우 우수한 촉매입니다. 전이금속은 두 가지 이상의 산화 상태(예: 산화철(II) 또는 산화철(III)의 철)로 존재할 수 있기 때문에 특별한 관심을 끌고 있습니다. 이들 금속은 d 오비탈이 불완전하게 채워져 있어 다른 분자에 쉽게 전자를 주고받을 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 금속 나노입자를 기반으로 형성된 촉매는 고유한 특성으로 인해 점점 더 중요해지고 있습니다. 백금 – 예를 들어 유기 합성의 작용기 수소화 또는 탈수소화 공정에 사용되는 금속입니다. 이 물질은 산화 환경에서 화학적으로 불활성이고 안정적이며 수분 함량이 높습니다. 450 ᵒC 이상의 온도에서는 표면에 이산화백금 막이 형성됩니다 . 화합물의 백금은 여러 산화 상태로 발생하지만 일반적으로 촉매로서 II 또는 IV의 값을 취합니다. 백금은 화학 기술에 사용되는 것 외에도 자동차 촉매 변환기에도 사용됩니다. 이는 차량 배기가스의 독성 탄소(II) 산화물에 산소 원자를 결합시키는 능력을 가지고 있습니다. 이는 훨씬 덜 유해한 이산화탄소를 생성합니다. 팔라듐 – 팔라듐 촉매는 고리화, 수소화, 산화, 이성체화, 라디칼 반응 등과 같은 다양한 유기 반응에 관여합니다. 이들은 다양한 작용기에 대한 높은 내성을 나타내며 우수한 입체선택성을 제공할 수 있어 특정 보호 그룹이 필요하지 않습니다 . 또한, 팔라듐 촉매는 특히 선택적 수소화에 효과적이어서 단일 반응 사이클에서 원하는 생성물을 얻을 수 있습니다. 니켈 – 촉매로서 니켈은 산화, 환원, 고리화, 탄소-헤테로원자 결합 형성 등과 같은 많은 유기 변형에서 중요한 역할을 합니다. 이는 화합물 II, III 및 IV에서 여러 산화 상태로 발생합니다. 니켈은 비교적 반응성이 강한 원소이면서도 높은 화학적 안정성을 나타냅니다. 이 금속은 다른 전이금속 촉매보다 가격이 저렴하다는 큰 장점이 있는데, 이것이 바로 커플링 반응 등에서 팔라듐 촉매의 대안으로 자주 사용되는 이유입니다. 금 – 일부 촉매 반응은 금 존재 하에서 수행됩니다. 촉매 활성은 결정의 크기와 구조에 크게 의존합니다. 그 효과는 또한 준비 방법에 따라 다릅니다. 금 촉매는 일반적으로 적합한 담체와 함께 이 원소의 집합체입니다. 예를 들어 금의 활성을 더욱 증가시키기에 충분한 산소를 공급합니다. 이 금속 착물은 예를 들어 탄소 사슬에서 이중 및 삼중 결합을 쉽게 활성화할 수 있기 때문에 탄소-탄소, 탄소-질소 또는 탄소-산소 결합 형성 반응에 매우 우수한 촉매입니다. 금에 의해 촉매되는 반응의 예로는 산화탄소(II)의 산화, 알코올 과 알데히드 의 산화, 에폭시화 반응, 알데히드의 수소화 등이 있습니다.

무기화합물

무기 화합물, 특히 금속 및 비금속 산화물 , 선택된 염 및 산이 무기 촉매의 예입니다. 일반적으로 이러한 물질은 촉매 특성을 지원하는 다공성 물질(예: 탄소, 실리카 또는 알루미나)인 특수 담체 위에 증착됩니다(담체 표면적이 클수록 반응물 사이의 접촉 면적도 커집니다). 촉매로서 무기 화합물을 선택할 때 중요한 측면은 그것이 갖고 있는 활성 센터의 수에 따라 결정됩니다. 촉매 반응에 관여하는 반응물이 결합하는 다수의 활성 센터가 존재하면 반응 수율이 증가합니다. 바나듐(V) 산화물 – V ₂ O ₅ 를 주성분으로 하는 촉매는 거의 모든 산화 반응에 효과적입니다. 그들은 오늘날의 화학 산업 에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 촉매의 가장 중요한 용도 중 하나는 황산 생산입니다. 산화바나듐(V)은 산화황(IV)이 산화황(VI)으로 산화되어 황산으로 흡수되는 반응을 촉매합니다. 이러한 공정에서 바나듐 촉매는 다른 반응물과 다른 상에 있기 때문에 소위 접촉이라고 합니다. 산업계에서는 일반적으로 표면에 활성상이 적용된 캐리어 형태로 사용됩니다. 주요 장점으로는 낮은 인화점, 공정 중 안정성 또는 높은 먼지 흡수 계수가 있습니다. 황산 생산 외에도 산화바나듐(V)은 고무 생산, 오일 분해 및 일부 고분자량 화합물 합성의 촉매제로도 사용됩니다. 염화알루미늄 – 유기 합성에서 촉매로 염화알루미늄을 사용하는 가장 일반적인 방법은 Friedel-Crafts 알킬화 반응입니다. AlCl _{3 는} 다른 반응물과 다른 응집 상태(고체상)에 있으므로 이 경우 불균일 촉매작용입니다. 촉매 특성은 주로 화학 구조 및 특성과 관련하여 소위 루이스산이라는 사실에 기초합니다. 주요 특징은 루이스 염기로부터 전자쌍을 받아들이는 능력입니다. 촉매 및 루이스산인 염화알루미늄은 선택된 분자 또는 그 단편과 결합한 후 전이 복합체가 형성되고 탄수화물 양이온으로 분해됩니다. 황산 – 황산은 선택된 화학 반응에 대해 소량으로도 촉매 특성을 나타냅니다. 이러한 변환의 예로는 아세트산 과 에탄올의 에스테르화 반응 또는 방향족 화합물의 니트로화 반응이 있습니다. 그러면 산은 균일한 촉매로 작용하므로 시스템 내에서 다른 반응물과 동일한 상으로 존재하게 됩니다. 매우 강한 산으로서 반응 환경에 도입되면 공정을 추진하는 수소 이온을 방출합니다. 또한 황산의 또 다른 특성은 흡습성입니다. 에스테르화 과정에서 형성된 물 분자는 산에 의해 결합되고 이로 인해 평형이 이동되어 더 많은 제품이 형성됩니다. 그러나 이는 반응을 촉매함으로써 발생하는 것이 아니라 평형 상태의 변화로 인해 발생한다는 점을 기억하십시오.

생체촉매

생체촉매는 인체 내에서 발생하고 발생하는 반응을 촉매하는 화합물입니다. 이는 모든 생화학적 변형에서 중요한 요소입니다. 그들은 그러한 변환을 가속화할 뿐만 아니라 선택된 반응을 촉매하는 데 있어 특정 선택성을 나타냅니다. 지금까지 가장 큰 생체촉매 그룹은 비단백질 촉매, 즉 리보자임을 포함한 효소입니다. 이들의 구체적인 품질은 자가촉매 능력입니다. 효소 – 이는 대사 반응의 속도와 선택성을 크게 증가시키는 선택성이 높은 촉매입니다. 그들은 유기체의 모든 화학 반응에 관여합니다. 유기 촉매(또는 생체촉매)로서 효소는 세포에서 생산됩니다. 이는 단순한 단백질일 수도 있고 복잡한 단백질일 수도 있습니다. 그들은 보철 그룹과 발효 그룹이라는 두 그룹의 존재가 특징입니다. 효소는 복잡한 유기 화합물의 산화 및 환원 반응, 작용기의 전달, 다양한 유형의 결합의 가수분해, 화학 결합의 파괴, 분자의 이성질체화의 변화 또는 새로운 공유 결합의 형성을 촉매합니다. 인체에서 그들의 역할은 과대평가될 수 없습니다. 그들은 동화작용과 이화작용 모두에서 거의 모든 중요한 과정에 참여합니다. 선택된 반응을 촉매함으로써 신체의 대사 경로 방향에 큰 영향을 미칩니다.