Što je katalitička reakcija? Osnovni principi i vrste

Većina procesa na kojima se temelji kemijska tehnologija su katalitičke reakcije. To je zbog činjenice da kada se uvede katalizator, stopa interakcije tvari se značajno povećava. Istodobno, proizvođači mogu smanjiti troškove ili dobiti više reakcijskih proizvoda u istom vremenskom razdoblju. Zato je studija katalizatora posvećena velika pažnja kod tehničara obuke. Međutim, ova pojava igra važnu ulogu u prirodi. Dakle, posebne tvari reguliraju tijek biokemijskih reakcija u živim organizmima, čime utječu na metabolizam.

Koncept katalize

Bit ovog kemijskog fenomena je reguliranje brzine transformacije tvari pomoću posebnih reagensa koji mogu usporiti ili ubrzati taj proces. U ovom slučaju govore o pozitivnoj ili negativnoj katalizi. Tu je i fenomen autokatalize, kada reakcijsku brzinu utječe jedan od intermedijarnih proizvoda kemijske reakcije. Katalitički procesi su različiti, razlikuju se po mehanizmima, agregatnom stanju spojeva i smjeru.

Tvari koje usporavaju kemijske interakcije nazivaju se inhibitorima, a ubrzavanje katalitičkih reakcija naziva se katalizatorom. Oba ova i druga promijene brzinu reakcije putem višestrukih međudjelovanja s jednim ili više sudionika. Istodobno, one nisu uključene u sastav proizvoda i vraćaju se nakon završetka ciklusa konverzije tvari. Stoga, sudjelovanje katalizatora nije stehiometrijski odraženo u reakcijskoj jednadžbi, već je samo označeno kao uvjet za interakciju tih tvari.

Vrste katalitičkih reakcija

Prema agregatnom stanju tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji razlikuju se:

• homogene reakcije - reaktanti, produkti i katalizator su u istom agregatnom stanju (fazi), dok su molekule tvari ravnomjerno raspoređene po volumenu;
• međufazne katalitičke reakcije - pojavljuju se na sučelju neživećih tekućina, a uloga katalizatora se svodi na prijenos reagensa kroz njega;
• heterogene katalitičke reakcije - u njima katalizator ima agregatno stanje koje se razlikuje od reagensa, a sama se provodi na fazi sučelja;
• heterogeno homogene reakcije - iniciraju se na sučelju s katalizatorom, ali nastaju u volumenu reakcije;
• mikroheterogene reakcije - male čestice krutog katalizatora tvore micele tijekom volumena tekuće faze.

Tu je i kataliza oksidacijske redukcije praćena promjenom oksidacijskog stanja katalizatora kada reagira s reagensima. Takve transformacije se nazivaju katalitička oksidacija i reakcije redukcije. Najčešće u kemijskoj proizvodnji je oksidacija sumpornog dioksida u trioksid u proizvodnji sumporne kiseline.

Vrste katalizatora

Prema agregatnom stanju, katalizatori su tekući (H₂SO₄, H₃RO₄), krutina (Pt, V₂oh₅, al₂oh₃) i plinoviti (BF₃).

Prema vrsti tvari, katalizatori se razvrstavaju u:

• metali - mogu biti čisti, legure, cjeline ili obložene na poroznom supstratu (Fe, Pt, Ni, Cu);
• spojevi tipa M metala_mE_n - Najčešći oksidi MgO, Al₂oh₃, mukati₃ i drugima;
• kiseline i baze - koriste se za kiselinske baze katalitičke reakcije, to mogu biti Lewis kiseline, Bronsted kiseline, itd.;
• metalne komplekse - ova skupina također uključuje soli prijelaznih metala, na primjer PdCl₂, Ni (CO)₄;
• Enzimi (oni su enzimi) - biokatalizatori, ubrzavajuće reakcije koje se javljaju u živim organizmima.

O specifičnosti elektronske strukture razlikuju d-katalizatore koji imaju elektron-d i d-orbitale i S, p-katalizatora, čiji centar je element s valencijom s i p elektrona.

Svojstva katalizatora

Za učinkovitu uporabu primjenjuje se prilično opsežan popis zahtjeva koji variraju za određeni proces. Ali najvažnije su sljedeća dva svojstva katalizatora:

• Specifičnost se sastoji u sposobnosti katalizatora da utječu samo na jednu reakciju ili niz sličnih transformacija i ne utječu na brzinu drugih. Dakle, platina se najčešće koristi u reakcijama organske hidrogenacije.
• Selektivnost karakterizira sposobnost ubrzavanja jedne od nekoliko mogućih paralelnih reakcija, čime se povećava prinos najvažnijeg proizvoda.

Postotak katalitičke reakcije

Razlog za ubrzavanje interakcije tvari je formiranje aktivnog kompleksa s katalizatorom, što dovodi do smanjenja energije aktivacije.

Prema osnovnim postulat kemijske kinetike, postotak bilo kojeg kemijske reakcije izravno proporcionalno produkta koncentracija polaznih materijala, koji se uzimaju u stupnjevima odgovaraju njihovim stehiometrijskim omjerima:

v = k ∙ C^x ∙ C_U^u ∙ C_D^z,

gdje je k konstanta brzine kemijske reakcije, numerički jednaka brzini iste reakcije, pod uvjetom da su koncentracije polaznih spojeva 1 mol / l.

Prema Arrheniusovoj jednadžbi, k ovisi o energiji aktivacije:

k = A ∙ exp ^ (- E / RT).

Ove pravilnosti vrijede i za katalitičke reakcije. To potvrđuje i jednadžba za omjer konstante brzine:

k_K / k = A_K/ A ∙ exp ^ ((E-E_AK) / RT),

gdje se varijable s indeksom K odnose na katalitičke reakcije.

Faze katalitičkih reakcija

Za homogene katalitičke reakcije dovoljne su dvije osnovne faze:

1. Formiranje aktiviranog kompleksa: A + K -> AK.
2. Interakcija aktiviranog kompleksa s drugim polaznim materijalima: AK + B -> C + K.

U općem obliku, napisana je jednadžba oblika A + B -> C.

Mehanizam heterogenih katalitičkih reakcija je kompliciran. Postoje sljedeće šest faza:

1. Uvođenje polaznih spojeva na površinu katalizatora.
2. Adsorpcija inicijalnih reagensa na površini katalizatora i stvaranje međuproizvoda: A + B + K -> AVK.
3. Aktivacija formiranog kompleksa: Alfa-VC -> Alfa-VC^*.
4. Razgradnja kompleksnog spoja, s dobivenim produktima adsorbiranim katalizatorom: Alfa-VC^* -> CDK.
5. Desorpcija dobivenih produkata s površinom katalizatora: CDK -> C + D + K.
6. Povlačenje proizvoda iz katalizatora.

Primjeri katalitičkih reakcija

Katalizatori se koriste ne samo u kemijskoj industriji. Svaka osoba u svom svakodnevnom životu suočava se s različitim katalitičkim reakcijama. To, na primjer, upotreba vodikovog peroksida u liječenju rana. Vodikov peroksid, u interakciji s krvlju, počinje se raspadati pod utjecajem enzim katalaze:

2H₂oh₂ -> O₂ + 2H₂O.

U modernim automobilima ispušni sustav je opremljen posebnim katalitičkim komorama koje potiču raspad štetnih plinovitih tvari. Na primjer, platina ili rodij pomaže smanjiti razinu onečišćenja okoliša dušikovim oksidima, koji se uništavaju stvaranjem bezopasne O₂ i N₂.

Neke zubne paste sadrže enzime koji iniciraju raspad plaka i ostataka hrane.