Kataliza

Kataliza – czym jest i jakie są jej rodzaje

Kataliza definiowana jest, jako zjawisko polegające na zwiększeniu szybkości reakcji chemicznej, z wykorzystaniem substancji niebędącej substratem ani produktem tej przemiany. Substancja taka nazywana jest katalizatorem.

Wyróżnia się podstawowe rodzaje katalizy:

• Kataliza homogeniczna – ten rodzaj katalizy polega na tym, że zarówno substraty, jak i katalizator występują w tych samych stanach skupienia. Najczęściej jest to faza ciekła lub gazowa. W takim przypadku katalizator wchodzi w reakcje z jednym z substratów, tworzy z nim nietrwały kompleks przejściowy i taki kompleks reaguje z drugim z reagentów. W wyniku tego powstają produkty reakcji oraz odtwarzany jest katalizator. Należy pamiętać, że nie wszystkie reakcje będą zachodziły w taki sposób. W praktyce zazwyczaj spotykane są procesy wieloetapowe. Przykładem reakcji homogenicznej lub inaczej jednofazowej, jest utlenianie tlenku siarki (IV) do tlenku siarki (VI). Wszystkie składniki, tj. substraty, katalizator i produkty występują w fazie gazowej.
• Kataliza heterogeniczna – jest to najczęściej wykorzystywany rodzaj katalizy np. w procesach przemysłu chemicznego. Katalizator występuje tutaj w innym stanie skupienia niż reszta reagentów. Zazwyczaj jest to ciało stałe, czyli tak zwany kontakt. Na jego powierzchni zachodzi adsorpcja substratów. Katalizator wchodzi z nimi w reakcję. Powstałe produkty ulegają desorpcji i opuszczają powierzchnię kontaktu, robiąc miejsce następnym substratom. Zastosowanie tego rodzaju katalizy daje szansę na przeprowadzenie np. reakcji między substancjami gazowymi, które w normalnych warunkach ze sobą nie reagują. Biorąc pod uwagę to, że kataliza heterogeniczna jest bardzo istotna z przemysłowego punktu widzenia, jednym z głównych zagadnień katalizy jest opracowywanie katalizatorów z różnych materiałów i o kształcie będącym w stanie zapewnić możliwie jak największą powierzchnię kontaktu.
• Kataliza enzymatyczna – enzymy stanowią obok fermentów, grupę białek, które biorą udział w biokatalizie reakcji biosyntezy i rozkładu. Procesy te zachodzą w komórkach organizmów żywych i płynach ustrojowych. Enzymy, podobnie jak “klasyczne” katalizatory obniżają energię aktywacji reakcji biologicznej. Posiadają na swojej powierzchni tak zwane centra aktywne, które swoim kształtem i strukturą są kompatybilne tylko z określonymi substratami. Stąd też selektywność enzymów, jako katalizatorów wynosi 100%. Ponadto taka kataliza nazywana jest modelem klucza i zamka. Po utworzeniu kompleksu enzym-substrat następuje rozluźnienie części wiązań i powstają produkty. Następnie enzym uwalnia się i powraca do formy pierwotnej.

Ciekawym zjawiskiem jest autokataliza. Dzieje się tak w przypadku, gdy powstający produkt reakcji, staje się jej katalizatorem. Zatem w miarę upływu czasu reakcji, przebiega ona coraz szybciej. Przykładem takiego procesu autokatalitycznego jest reakcja KMnO₄ z wodą utlenioną w środowisku kwaśnym. Jony, które powstają (czyli Mn²⁺), działają jako katalizator pierwotnej reakcji.

Katalizatory

Katalizatory są to substancje chemiczne, które po wprowadzeniu do układu reakcyjnego, przyspieszają zachodzenie reakcji chemicznej. Co ważne nie podlegają one przemianom chemicznym w jej trakcie, a po zakończeniu reakcji ulegają odtworzeniu do pierwotnej postaci. Katalizator dodany do układu reakcyjnego, tworzy wraz z substratem nietrwałe połączenie przejściowe. To pozwala na obniżenie energii aktywacji. Co ważne, katalizatora nie uwzględnia się w równaniu stechiometrycznym całego procesu. Nie jest możliwe również zainicjowanie za pomocą katalizatora reakcji, która termodynamicznie nie jest do tego zdolna.

Aby dana reakcja chemiczna mogła zajść w określonych warunkach, potrzebne jest dostarczenie energii większej niż wymagana energia aktywacji. W takim przypadku zadaniem katalizatora jest obniżenie wymaganej ilości energii, dzięki czemu możliwe jest szybsze rozpoczęcie przebiegu reakcji. Warto pamiętać, że katalizator nie wpływa na przesunięcie stanu równowagi danej reakcji. Jedynie przyspiesza moment jego osiągnięcia przez układ. Im szybciej to czyni, tym jest uznawany za bardziej aktywny. Zatem aktywność katalizatora jest określana, jako różnica w szybkości osiągnięcia stanu równowagi reakcji w obecności katalizatora i przy jego braku. Innym kryterium charakteryzującym katalizatory jest ich selektywność. Definiuje się ją, jako stosunek ilości powstałego produktu, do całkowitej ilości wszystkich produktów powstałych w trakcie reakcji. Substancje stosowane w przemyśle, jako katalizatory, zwykle osiągają selektywność na poziomie od 70% do 90%. Pod tym względem wyjątkowe są enzymy. Poziom selektywności przez nie osiągany w reakcjach biochemicznych osiąga nawet 100%.

Znaczenie katalizy w procesach przemysłowych

Obecnie kataliza odgrywa kluczową rolę w wielu procesach, szczególnie przemysłu chemicznego. Katalizatory przyczyniają się do wydajniejszej produkcji substancji chemicznych, które z kolei są wykorzystywane np. do produkcji nawozów. Poniżej przedstawiono trzy, przykładowe procesy technologiczne przemysłu chemicznego, które opierają się na katalizie. Wymienione katalizatory należą do najczęściej wykorzystanych. Należy jednak pamiętać, że na rynek stale wprowadzane są nowe bądź zmodyfikowane rozwiązania, które stopniowo z powodzeniem zastępują dotychczas wykorzystywane substancje.

Produkcja kwasu azotowego (V)

Produkcja kwasu azotowego (V) składa się z kilku, następujących po sobie etapów. Pierwszym z nich jest spalanie amoniaku w tlenie do tlenku azotu (II) i wody. Celem zwiększenia wydajności tego procesu, jest on prowadzony przy współudziale katalizatora, jakim jest stop platyny z rodem (93% Pt i 7% Rh). Z tego stopu wykonuje się druty, z których plecie się specjalne siatki. Dwie lub trzy siatki są umieszczane w reaktorze, prostopadle do kierunku przepływu reagujących ze sobą gazów. Sposób ten ma jednak pewne ograniczenia. Poruszające się gazy, powodują tarcie o siarkę, a w konsekwencji ich degradację i unoszenie się platyny. Straty te są szczególnie zauważalne w obszarze utleniania, gdzie panuje podwyższone ciśnienie i wysoka temperatura. Ponadto siatki platynowe są stosunkowo wrażliwe na zatrucia, spowodowane niedostatecznym oczyszczeniem reagujących gazów z interferentów, takich jak np. siarka. W trakcie katalitycznego utleniania amoniaku, jako produkt uboczny, powstaje podtlenek azotu. Obecnie na rynku dostępne są rozwiązania umożliwiające redukcję jego emisji. W tym celu w pobliżu siatek ze stopu Pt-Rh, stosowany jest tlenkowy katalizator powstały na bazie glinianów, do wysokotemperaturowego rozkładu podtlenku azotu w gazach nitrozowych. Cechą charakterystyczną tego katalizatora jest wysoka selektywność rozkładu w stosunku do N₂O.

Utlenianie SO₂ do SO₃

Jednym z najważniejszych etapów przemysłowej produkcji kwasu siarkowego (VI) jest utlenianie tlenku siarki (IV) do tlenku siarki (VI). Proces ten prowadzony jest metodą kontaktową. Katalizatorem tej reakcji utleniania może być wiele substancji. W różnym stopniu przyspieszają one reakcje. Doświadczalnie udowodniono, że największą wydajność uzyskuje się wykorzystując do tego celu katalizatory wanadowe. Składają się one z tlenku wanadu (V), który jest osadzony na nośniku (najczęściej na krzemionce). Ponadto zawiera również aktywatory (tlenek sodu lub tlenek potasu) i inne dodatki wpływające m.in. na jego wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Ilość tlenku wanadu (V) w katalizatorze waha się od 5% do 7% masowych. Największą wydajność osiąga w stosunkowo wysokich temperaturach. Katalizator wanadowy na swojej powierzchni posiada miejsca aktywne, w których adsorbowane są cząsteczki O₂ i SO₂. Tam następują ich reakcje, a następnie desorpcja powstałych produktów. Niedostateczna czystość wprowadzanych do reaktora substratów, może powodować zatrucie katalizatora, czyli dezaktywacje jego miejsc aktywnych. Truciznami w tym przypadku są m.in. chlor, fluor i arsen.

Wytwarzanie amoniaku

Kolejnym procesem katalitycznym w przemyśle chemicznym jest synteza amoniaku. Sam proces zachodzi na tyle wolno, że konieczne jest zastosowanie odpowiednich kontaktów. W tym przypadku najkorzystniejszym katalizatorem jest żelazo aktywowane niewielką ilością tlenku glinu i tlenku potasu. Powstaje w wyniku spalenia żelaza w tlenie, a następnie stopienie powstałego Fe₃O₄ z Al₂O₃ i K₂O. Stop w postaci granulek (najczęściej) jest gotowym katalizatorem. Podobnie jak w innych procesach, działanie katalizatora żelazowego w procesie syntezy amoniaku, polega na absorpcji wodoru i azotu w miejscach aktywnych i desorpcji powstałych produktów. Związkami degradującymi kontakt żelazowy są głównie siarka, dwutlenek węgla i para wodna.