каталіз

Каталіз – що це таке і як він класифікується?

Каталіз визначається як явище збільшення швидкості хімічної реакції за допомогою речовини, яка не є ні субстратом, ні продуктом цього перетворення. Така речовина називається каталізатором. Основні типи каталізу такі:

• Гомогенний каталіз – у цьому типі каталізу як субстрати , так і каталізатор знаходяться в однаковому фізичному стані. Найчастіше це рідка або газоподібна фаза. У цьому випадку каталізатор реагує з одним із субстратів, утворюючи нестійкий проміжний комплекс, який у свою чергу реагує з іншим реагентом. В результаті утворюються продукти реакції, а каталізатор відновлюється. Слід зазначити, що не всі реакції протікають таким чином. Насправді багатостадійні процеси є найпоширенішим видом. Прикладом гомогенної (або однофазної) реакції є окислення сульфур (IV) оксиду до сульфур (VI) оксиду. Всі компоненти, тобто субстрати, каталізатор і продукти, присутні в газовій фазі.
• Гетерогенний каталіз – це найбільш часто використовуваний тип каталізу, наприклад, у процесах хімічної промисловості . Тут каталізатор знаходиться в іншому агрегатному стані, ніж інші реагенти. Зазвичай це суцільний, або так званий «контакт». Субстрати адсорбуються на його поверхні. Потім з ними реагує каталізатор. Отримані продукти десорбуються і залишають контактну поверхню, звільняючи місце для наступних субстратів. Застосування цього типу каталізу дозволяє здійснювати, наприклад, реакції між газоподібними речовинами, які зазвичай не реагують один з одним. Враховуючи те, що гетерогенний каталіз дуже важливий з промислової точки зору, одним із головних питань каталізу є розробка каталізаторів, виготовлених з різних матеріалів і мають форми, які забезпечують якомога більшу поверхню контакту.
• Ферментний каталіз – ферменти, окрім ферментів, є групою білків, які беруть участь у біокаталізі реакцій біосинтезу та розкладання. Ці процеси відбуваються в клітинах живих організмів і рідинах організму. Ферменти, як і «класичні» каталізатори, знижують енергію активації біологічної реакції. На своїй поверхні вони мають так звані активні центри. Завдяки своїй формі та структурі ці центри сумісні лише з певними субстратами. Отже, селективність ферментів як каталізаторів становить 100%. Крім того, такий каталіз називають моделлю ключа та замка. Після утворення фермент-субстратного комплексу частина зв’язків послаблюється й утворюються продукти. Потім фермент вивільняється і повертається до початкової форми.

Автокаталіз – цікаве явище. Це відбувається, коли продукт реакції стає її каталізатором. Тому з часом реакція протікає все швидше і швидше. Прикладом автокаталітичного процесу є реакція KMnO ₄ з пероксидом водню в кислому середовищі. Іони, що утворюються (тобто Mn ²⁺ ), діють як каталізатор початкової реакції.

Каталізатори

Каталізатори – це хімічні речовини, які при введенні в реакційну систему прискорюють хімічну реакцію. Що важливо, вони не зазнають хімічних перетворень під час реакції, і відновлюються в первісному вигляді після завершення реакції. Каталізатор, доданий до реакційної системи, утворює нестабільний тимчасовий зв’язок із субстратом. Це дозволяє знизити енергію активації. Що важливо, каталізатор не входить у стехіометричне рівняння загального процесу. Крім того, навіть з каталізатором неможливо ініціювати реакцію, яка не є термодинамічно можливою. Для того, щоб дана хімічна реакція відбулася за певних умов, необхідно забезпечити енергію, більшу за необхідну енергію активації. У цьому випадку роль каталізатора полягає в зменшенні кількості необхідної енергії, щоб реакція могла початися швидше. Варто пам’ятати, що каталізатор не впливає на зсув рівноважного стану. Це лише прискорює момент її досягнення. Чим швидше він це робить, тим активнішим він вважається. Таким чином, активність каталізатора визначається як різниця в швидкості, з якою реакція досягає рівноваги за присутності та відсутності каталізатора. Іншим критерієм, що характеризує каталізатори, є їх селективність. Він визначається як відношення кількості утвореного продукту до загальної кількості всіх продуктів, що утворюються під час реакції. Речовини, що використовуються як каталізатори в промислових процесах, зазвичай досягають селективності від 70%до 90%. У цьому відношенні ферменти унікальні. Селективність, яку вони досягають у біохімічних реакціях, досягає 100%.

Значення каталізу в промислових процесах

В даний час каталіз відіграє ключову роль у багатьох процесах, особливо в хімічній промисловості. Каталізатори сприяють більш ефективному виробництву хімічних речовин, які, в свою чергу, використовуються, наприклад, у виробництві добрив. Нижче наведено три приклади процесів хімічної промисловості, які покладаються на каталіз. Ці каталізатори є одними з найбільш часто використовуваних. Однак слід пам’ятати, що на ринок постійно з’являються нові або модифіковані розчини, які поступово витісняють раніше використовувані речовини.

Виробництво азотної (V) кислоти

Виробництво азотної (V) кислоти складається з кількох послідовних стадій. По-перше, відбувається згоряння аміаку в кисні з утворенням оксиду азоту (II) і води. Для підвищення ефективності процесу його проводять з використанням каталізатора, що представляє собою сплав платини і родію (93%Pt і 7%Rh). З цього сплаву виготовляють дроти, з яких плетуть спеціальні сітки. Дві або три сітки розміщують у реакторі перпендикулярно до потоку реагуючих газів. Однак цей метод має деякі обмеження. Рухомі гази викликають тертя об сітки, що призводить до їх деградації та втрати платини. Ці втрати особливо помітні в секції окислення, де є підвищений тиск і висока температура. Крім того, платинові сітки відносно чутливі до отруєння, спричиненого недостатнім очищенням реагуючих газів від заважаючих речовин, наприклад, сірки. Під час каталітичного окислення аміаку як побічний продукт утворюється закис азоту. В даний час на ринку доступні рішення, що знижують його викиди. Для цього використовується оксидний каталізатор на основі алюмінатів біля сіток зі сплаву Pt-Rh для високотемпературного розкладання закису азоту в нітрозних газах. Характерною особливістю цього каталізатора є його висока селективність розкладання по відношенню до N ₂ O.

Окислення SO ₂ до SO ₃

Одним із найважливіших етапів промислового виробництва сульфатної (VI) кислоти є окислення сульфур (IV) оксиду до сульфур (VI) оксиду. Цей процес виконується контактним методом. Багато речовин можуть виступати каталізаторами в цій реакції окислення. Вони різною мірою прискорюють реакції. Експериментально доведено, що найбільша ефективність досягається при використанні ванадієвих каталізаторів. Вони складаються з оксиду ванадію (V), який нанесений на основу (зазвичай кремнезем). Крім того, він також містить активатори (оксид натрію або оксид калію) та інші добавки, які впливають, в тому числі, на його міцність при високих температурах. Кількість оксиду ванадію (V) в каталізаторі коливається від 5 до 7 мас.%. Він досягає найбільшої ефективності при відносно високих температурах. На своїй поверхні ванадієвий каталізатор має активні центри, де адсорбуються молекули O ₂ і SO ₂ . Там відбуваються їх реакції з подальшою десорбцією отриманих продуктів. Недостатня чистота субстратів, що подаються в реактор, може призвести до отруєння каталізатора, тобто до дезактивації його активних центрів. У цьому випадку до складу отрут входять хлор, фтор і миш’як.

Виробництво аміаку

Іншим каталітичним процесом у хімічній промисловості є синтез аміаку . Сам процес настільки повільний, що необхідно використовувати відповідні контакти. У цьому випадку найбільш сприятливим каталізатором є залізо, активоване невеликою кількістю оксиду алюмінію і оксиду калію. Він утворюється шляхом спалювання заліза в присутності кисню і подальшого плавлення отриманого Fe ₃ O ₄ з Al ₂ O ₃ і K ₂ O. Сплав (найчастіше) у вигляді гранул є готовим каталізатором. Як і в інших процесах, під час процесу синтезу аміаку залізний каталізатор викликає поглинання водню та азоту в своїх активних центрах і десорбцію отриманих продуктів. Сполуками, відповідальними за деградацію контакту із залізом, є переважно сірка, вуглекислий газ і водяна пара.