Um catalisador acelera uma reação química devido a. Reacções catalíticas: exemplos. Catálise homogênea e heterogênea

Iniciar reações químicas devido a interações químicas intermediárias com os participantes da reação e restaurar suas próprias composição química após cada ciclo dessas interações intermediárias (veja o artigo Catálise). De acordo com o método de organização e composição de fases do sistema de reação, é costume distinguir entre catalisadores heterogêneos e homogêneos, bem como catalisadores origem biológica- enzimas. Na catálise heterogênea, os catalisadores às vezes são chamados de contatos.

No caso geral, o portador da atividade catalítica de catalisadores (ver os artigos Catálise heterogênea, Catálise homogênea) geralmente é uma substância que entra diretamente em interação química com pelo menos um dos reagentes iniciais com a formação de catalisadores instáveis ​​(nas condições da reação catalítica) compostos químicos, é o componente ativo do catalisador (para catalisadores heterogêneos sólidos, geralmente a fase ativa catalítica). Os mecanismos de ação dos catalisadores são bastante diversos e dependem do tipo de reação catalítica realizada e da natureza da substância do componente ativo do catalisador; Natureza química o componente ativo dos catalisadores também pode ser muito diversificado. A fração de massa do componente ativo nos catalisadores pode variar de 100% a valores muito pequenos (décimos por cento).

As principais características dos catalisadores são atividade catalítica, seletividade em relação aos produtos alvo de transformações catalíticas, especificidade em relação aos reagentes de reações catalíticas, estabilidade, resistência à ação de venenos catalíticos; para catalisadores industriais, há também produtividade (a quantidade do produto alvo obtido por unidade de tempo por unidade de volume ou massa do catalisador).

Os catalisadores são geralmente divididos de acordo com os tipos de processos catalíticos: oxidação profunda e parcial (seletiva), hidrogenação, polimerização, processos de refino de petróleo, síntese orgânica, etc. forma metálica, bem como seus sais, compostos complexos, óxidos e sulfetos. Catalisadores típicos para reações ácido-base (hidratação, desidratação, alquilação, polimerização, craqueamento, etc.) são ácidos e bases minerais e orgânicos líquidos e sólidos, sais ácidos, aluminossilicatos, zeólitos e outros.

Na indústria, é preferível usar catalisadores sólidos heterogêneos devido à facilidade de separação do meio reacional e à capacidade de trabalhar em temperaturas elevadas. O componente ativo (fase cataliticamente ativa) de muitos catalisadores heterogêneos industriais é altamente disperso e muitas vezes suportado em um transportador poroso forte (geralmente carbono altamente poroso, óxido de um elemento não transicional, por exemplo, silício, alumínio, titânio, zircônio, etc.). .). Para aumentar a atividade catalítica, a seletividade, a estabilidade química e a estabilidade térmica, às vezes uma pequena quantidade de um promotor (ou ativador) é introduzida nos catalisadores - uma substância que pode não ter atividade catalítica independente.

Catalisadores industriais sólidos devem ter alta atividade catalítica, especificidade em relação a uma determinada reação, seletividade em relação ao produto alvo, resistência mecânica, estabilidade térmica e certa condutividade térmica. Os catalisadores industriais também devem ser resistentes à desativação - redução ou supressão completa de sua atividade catalítica. A desativação do catalisador pode ocorrer devido à sinterização ou destruição mecânica (por exemplo, abrasão) do componente ativo e/ou substância transportadora, bloqueio de sítios ativos por subprodutos do processo - depósitos densos de carbono (coque), substâncias alcatroadas, etc., envenenamento com venenos catalíticos. A ação dos venenos catalíticos geralmente se deve ao bloqueio dos sítios mais ativos do componente ativo dos catalisadores devido à forte quimissorção e, portanto, manifesta-se mesmo na presença de pequenas quantidades de venenos. Venenos catalíticos típicos são compostos de enxofre, nitrogênio, fósforo, arsênio, chumbo, mercúrio, compostos de cianeto, oxigênio, monóxido de carbono, derivados de acetileno, às vezes água, etc. venenos é realizado. Nos processos catalíticos industriais, os catalisadores são regenerados após sua desativação para restaurar sua atividade catalítica. Os catalisadores são regenerados, por exemplo, queimando coque e substâncias resinosas, lavando com água ou solventes especialmente selecionados.

A atividade catalítica de um catalisador sólido depende do tamanho e condição da superfície do catalisador acessível aos reagentes, da forma, tamanho e perfil dos poros do catalisador (ou seja, sua textura), que é determinada pelo método de preparação do catalisador e seu pré-tratamento. Na ausência de restrições de difusão, a atividade de um catalisador sólido é diretamente proporcional a tal superfície. Portanto, a maioria dos catalisadores heterogêneos industriais tem uma superfície específica desenvolvida, até várias centenas de m2 por 1 g de catalisador. Os métodos mais comuns para a obtenção de catalisadores sólidos ativos são a precipitação de hidróxidos e carbonatos metálicos a partir de soluções de sais ou compostos complexos, seguida de decomposição térmica do precipitado em óxidos, decomposição de outros compostos no ar em óxidos, fusão de várias substâncias , seguido de lixiviação de um deles (os chamados catalisadores ligados, ou "esqueléticos", bem como aplicação do componente ativo do catalisador ao carreador por impregnação ou da fase gasosa, seguido de ativação do catalisador . Os procedimentos típicos para a ativação de catalisadores são sua redução com hidrogênio, sulfetação com vários compostos contendo enxofre, etc.; para alguns tipos de catalisadores, é utilizada a ativação térmica, que é realizada aquecendo o catalisador até a temperatura de formação da fase ativa. Catalisadores mecanicamente fortes são feitos na forma de comprimidos prensados, assim como grânulos, esferas, cilindros sólidos e ocos (anéis de Raschig), vários tipos de extrudados, etc. obtidos por métodos especiais. resistência hidrodinâmica do leito catalítico, também recebem formas mais específicas. Por exemplo, conversores catalíticos de escapamento automotivo são geralmente feitos na forma de blocos de cerâmica ou metal "favo de mel" com muitos canais paralelos ao longo do fluxo de gás a ser tratado. Na indústria, também são utilizadas suspensões de catalisadores na fase líquida (processo de suspensão) e catalisadores em pó, que durante a reação são suspensos nos vapores dos componentes da reação (o chamado processo fluido).

O custo de um catalisador depende de sua composição química, método de preparação e varia de 0,5 a vários milhares de dólares americanos por 1 kg de catalisador. No entanto, no custo dos produtos acabados obtidos usando catalisadores industriais, o custo do catalisador geralmente não é superior a 0,1-1%.

Catalisadores heterogêneos industriais são produtos de baixa ou média tonelagem. O volume total de seu consumo anual na Rússia é de cerca de 100 mil toneladas.

Veja a literatura no artigo Catálise.

Os catalisadores são classificados em homogêneo e heterogêneo. Um catalisador homogêneo está na mesma fase com os reagentes, um heterogêneo forma uma fase independente separada por uma interface da fase em que os reagentes estão localizados. Catalisadores homogêneos típicos são ácidos e bases. Metais, seus óxidos e sulfetos são usados ​​como catalisadores heterogêneos.

Reações do mesmo tipo podem ocorrer com catalisadores homogêneos e heterogêneos. Assim, juntamente com soluções ácidas, são utilizados Al 2 O 3 sólidos, TiO 2 , ThO 2 , aluminossilicatos e zeólitos com propriedades ácidas. Catalisadores heterogêneos com propriedades básicas: CaO, BaO, MgO.

Catalisadores heterogêneos, via de regra, possuem uma superfície altamente desenvolvida, para a qual são distribuídos em um suporte inerte (gel de sílica, alumina, carvão ativado, etc.).

Para cada tipo de reação, apenas determinados catalisadores são eficazes. Além dos já mencionados base ácida, existem catalisadores redox; eles são caracterizados pela presença de um metal de transição ou seu composto (Co +3, V 2 O 5 + MoO 3). Neste caso, a catálise é realizada alterando o estado de oxidação do metal de transição.

Muitas reações são realizadas com a ajuda de catalisadores que atuam através da coordenação de reagentes no átomo ou íon do metal de transição (Ti, Rh, Ni). Essa catálise é chamada coordenando.

Se o catalisador tiver propriedades quirais, então um produto opticamente ativo é obtido a partir de um substrato opticamente inativo.

Na ciência e tecnologia modernas, é frequentemente usado sistemas multicatalisadores, cada um dos quais acelera uma etapa diferente na reação. O catalisador também pode aumentar a velocidade de uma das etapas do ciclo catalítico realizado por outro catalisador. É aqui que ocorre a "catálise da catálise", ou catálise de segundo nível.

As enzimas desempenham o papel de catalisadores em reações bioquímicas.

Catalisadores devem ser diferenciados de iniciadores. Por exemplo, os peróxidos se decompõem em radicais livres que podem iniciar reações em cadeia de radicais. Iniciadores são consumidos durante a reação, então eles não podem ser considerados catalisadores.

mecanismo de catálise: 1) peles. encenado (mudança no caminho da reação) 2) associativo 3) enzimático 4) microheterogêneo

Especificidade da catálise reside no fato de que, na presença de um catalisador, o caminho ao longo do qual a reação global ocorre muda, outros estados de transição são formados com diferentes energias de ativação e, portanto, a velocidade da reação química também muda. reações.

o processamento da madeira é caro na produção, por isso, são utilizados catalisadores que aceleram o processo de transformação química, aumentam o rendimento do produto e reduzem a emissão de substâncias nocivas. vantagem do izp. catalisadores na medida em que não requerem grandes gastos.

28. Soluções. Processos na formação de soluções. Soluções ideais e reais. Hidrata e solvata.

Soluções- sistemas homogêneos (homogêneos), ou seja, cada um dos componentes é distribuído na massa do outro na forma de moléculas, átomos ou íons

O processo de interação entre um solvente e um soluto é chamado de solvatação(se o solvente for água - hidratação).

A energia característica da dissolução é calor de formação solução, considerado como a soma algébrica dos efeitos térmicos de todas as etapas endo e exotérmicas do processo. Os mais significativos entre eles são: - processos de absorção de calor- destruição da rede cristalina, quebra de ligações químicas nas moléculas; - processos de geração de calor- formação de produtos de interação de uma substância dissolvida com um solvente (hidratos), etc.

SOLVATOS, produtos da adição de um solvente a solutos. Normalmente, os solvatos são formados em solução, mas muitas vezes (quando a solução é resfriada, o solvente evapora, etc.) obtido na forma de cristalino. fases solvatadas cristalinas.

Hidratos - produtos da adição de água a substâncias inorgânicas e orgânicas

1. Catalisadores em química

Tipos catalisadores

Mecanismo de ação catalisadores

Requisitos para catalisadores

2. Catalisadores em carros

conversor catalítico

Emissões de poluentes

Como os catalisadores reduzem emissões nocivas nos gases de escape

www.parsa.com.ua Autopeças online

www.mpg.kiev.ua MPG-CAPSbiocatalisador de combustível

www.bmwclub.ua BMW clube

www.himhelp.ru Servidor químico

elementy.ru A natureza da ciência

www.xumuk.ru Site sobre química

oval.ru Grande Enciclopédia Soviética

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Sinônimos:

CATALISADOR- CATALISADOR, catalisador, macho. (ver catálise) (quim.). Substância que acelera ou desacelera reação química, que por si só não muda. Dicionário Ushakov. D.N. Ushakov. 1935 1940... Dicionário explicativo de Ushakov

CATALISADOR- CATALISADOR, marido. (especialista.). Substância que altera a velocidade de uma reação química. | adj. catalítico, oh, oh. Dicionário explicativo de Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992... Dicionário explicativo de Ozhegov

catalisador Uma substância que acelera ou retarda uma reação, mas permanece inalterada. Biol. K. são enzimas. (

Catalisadores fornecem um resultado mais rápido de qualquer reação química. Reagindo com as substâncias iniciais da reação, o catalisador forma com elas um composto intermediário, após o qual este composto sofre uma transformação e eventualmente se decompõe no produto final da reação necessário, bem como em um catalisador inalterado. Após a decomposição e formação do produto desejado, o catalisador reage novamente com os reagentes iniciais, formando uma quantidade crescente do material de partida. Esse ciclo pode ser repetido milhões de vezes, e se você remover o catalisador do grupo de reagentes, a reação pode durar centenas e milhares de vezes mais devagar.

Catalisadores heterogêneos e homogêneos. No decorrer de uma reação química, catalisadores heterogêneos formam uma fase independente, que é separada por um limite de separação da fase dos reagentes iniciais. Os catalisadores homogêneos, por outro lado, fazem parte da mesma fase que os reagentes iniciais.

Existem catalisadores de origem orgânica que estão envolvidos na fermentação e maturação, são chamados de enzimas. Sem sua participação direta, a humanidade não seria capaz de receber a maioria bebidas alcoólicas, produtos de ácido láctico, produtos de massa, bem como mel e. Sem a participação de enzimas, o metabolismo dos organismos vivos seria impossível.

Requisitos para substâncias catalisadoras

Catalisadores, que são amplamente utilizados em produção industrial, deve ter um número de propriedades necessárias para a conclusão bem sucedida da reação. Os catalisadores devem ser altamente ativos, seletivos, mecanicamente fortes e termicamente estáveis. Eles devem ter um efeito duradouro, fácil regeneração, resistência a venenos catalíticos, propriedades hidrodinâmicas e também um preço baixo.

Aplicações modernas de catalisadores industriais

Na atual produção de alta tecnologia, os catalisadores são usados ​​no craqueamento de produtos petrolíferos, na produção de hidrocarbonetos aromáticos e hidrocarbonetos de alta octanagem, na produção de hidrogênio puro, oxigênio ou gases inertes, na síntese de amônia e na produção de sulfúrico ácido sem custo adicional. Catalisadores também são amplamente utilizados para produzir ácido nítrico, anidrido ftálico, álcool metílico e acetaldeído. Os catalisadores mais utilizados são a platina, o vanádio, o níquel, o cromo, o ferro, o zinco, a prata, o alumínio e o paládio. Alguns sais desses metais também são usados ​​com bastante frequência.

aceleração de reações químicas sob a ação de pequenas quantidades de substâncias (catalisadores), que não mudam durante a reação. Os processos catalíticos desempenham um papel enorme em nossa vida. Catalisadores biológicos chamados enzimas estão envolvidos na regulação de processos bioquímicos. Muitos processos industriais não seriam possíveis sem catalisadores.

A propriedade mais importante selectividade dos catalisadores, i.e. a capacidade de aumentar a taxa de apenas certas reações químicas entre muitas possíveis. Isso torna possível realizar reações que ocorrem em condições normais muito lentamente para serem encontradas. uso pratico, e proporciona a formação dos produtos desejados.

O uso de catalisadores contribuiu para o rápido desenvolvimento da indústria química. São amplamente utilizados no refino de petróleo, obtendo diversos produtos, criando novos materiais (por exemplo, plásticos), muitas vezes mais baratos do que os usados ​​anteriormente. Aproximadamente 90% da produção química moderna é baseada em processos catalíticos. Os processos catalíticos desempenham um papel especial na proteção ambiental.

Em 1835, o químico sueco J. Berzelius descobriu que na presença de certas substâncias, a velocidade de certas reações químicas aumenta significativamente. Para tais substâncias, ele introduziu o termo "catalisador" (do grego, relaxamento katalysis). Segundo Berzelius, os catalisadores têm uma capacidade especial de enfraquecer as ligações entre os átomos das moléculas envolvidas na reação, facilitando assim sua interação. Uma grande contribuição para o desenvolvimento das idéias sobre o funcionamento dos catalisadores foi feita pelo físico-químico alemão W. Ostwald, que em 1880 definiu catalisador como uma substância que altera a velocidade da reação.

De acordo com conceitos modernos, um catalisador forma um complexo com moléculas reagentes, que é estabilizado por ligações químicas. Após o rearranjo, esse complexo se dissocia para liberar produtos e catalisadores. Para uma reação monomolecular de transformação de uma molécula X em Y, todo esse processo pode ser representado como

X + Gato. ® X-Cat. ® Y-Cat. ® Y + Cat.

O catalisador liberado se liga novamente com X, e todo o ciclo se repete muitas vezes, proporcionando a formação grandes quantidades substância do produto Y.

Muitas substâncias em condições normais não entram em reação química entre si. Assim, hidrogênio e monóxido de carbono à temperatura ambiente não interagem entre si, pois a ligação entre os átomos na molécula de H 2 é forte o suficiente e não se rompe quando atacada por uma molécula de CO. O catalisador une as moléculas de H 2 e CO, formando ligações com elas. Após o rearranjo, o complexo catalisador-reagente dissocia-se para formar um produto contendo átomos de C, H e O.

Muitas vezes, quando as mesmas substâncias interagem, formam-se produtos diferentes. O catalisador pode direcionar o processo ao longo do caminho mais favorável para a formação de um determinado produto. Considere a reação entre CO e H 2 . Na presença de um catalisador contendo cobre, o metanol é praticamente o único produto da reação:

Primeiro, as moléculas de CO e H2 são adsorvidas na superfície do catalisador. Em seguida, as moléculas de CO formam ligações químicas com o catalisador (ocorre quimissorção), permanecendo na forma não dissociada. As moléculas de hidrogênio também são quimicamente absorvidas na superfície do catalisador, mas se dissociam ao mesmo tempo. Como resultado do rearranjo, forma-se um complexo de transição H-Cat.-CH 2 OH. Após a adição do átomo de H, o complexo se decompõe com a liberação de CH 3 OH e um catalisador.

Na presença de um catalisador de níquel, CO e H 2 são quimicamente adsorvidos na superfície de forma dissociada, e um complexo Cat-CH 3 é formado. Os produtos finais da reação são CH 4 e H 2 O:

A maioria das reações catalíticas são realizadas a certas pressões e temperaturas passando a mistura de reação em gases ou Estado líquido, através de um reator preenchido com partículas de catalisador. Os seguintes conceitos são usados ​​para descrever as condições de reação e caracterizar os produtos. Velocidade espacial volume de gás ou líquido que passa por uma unidade de volume de um catalisador por unidade de tempo. Atividade catalítica a quantidade de reagentes convertidos em produtos pelo catalisador por unidade de tempo. Conversão A proporção de uma substância convertida em uma determinada reação. Seletividade A relação entre a quantidade de um determinado produto e a quantidade total de produtos (geralmente expressa em porcentagem). Rendimento A razão entre a quantidade de um determinado produto e a quantidade de material de partida (geralmente expressa em porcentagem). Produtividade a quantidade de produtos de reação formados por unidade de volume por unidade de tempo.

Gates B. K. Química dos processos catalíticos. M., 1981
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