Καταλυτικές αντιδράσεις: παραδείγματα. Ομογενής και ετερογενής κατάλυση

Η χημεία είναι η επιστήμη των ουσιών και των μετασχηματισμών τους, καιεπίσης τρόπους απόκτησης αυτών. Ακόμη και στο κανονικό σχολικό πρόγραμμα, εξετάζεται ένα σημαντικό ερώτημα, όπως οι τύποι αντιδράσεων. Η ταξινόμηση, η οποία εισάγει τους μαθητές σε βασικό επίπεδο, λαμβάνει υπόψη την αλλαγή στον βαθμό οξείδωσης, τη φάση ροής, τον μηχανισμό της διαδικασίας κ.λπ. Επιπλέον, όλες οι χημικές διεργασίες χωρίζονται σε μη καταλυτικές και καταλυτικές αντιδράσεις. Παραδείγματα μετασχηματισμών που συμβαίνουν με τη συμμετοχή ενός καταλύτη εντοπίζονται στη συνηθισμένη ζωή: ζύμωση, αποσύνθεση. Οι μη καταλυτικοί μετασχηματισμοί είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένοι.

Τι είναι καταλύτης;

Είναι ένα χημικό που μπορεί να αλλάξειταχύτητα αλληλεπίδρασης, αλλά δεν συμμετέχει σε αυτήν. Στην περίπτωση που ο καταλύτης επιταχύνει τη διαδικασία, πρόκειται για θετική κατάλυση. Στην περίπτωση αυτή, αν η προστιθέμενη παράγοντα στη διαδικασία μειώνει τον ρυθμό αντίδρασης, αυτό ονομάζεται ένας αναστολέας.

Τύποι κατάλυσης

Η ομοιογενής και ετερογενής κατάλυση διαφέρειφάση στην οποία βρίσκονται τα αρχικά υλικά. Εάν τα αρχικά συστατικά που λαμβάνονται για αλληλεπιδράσεις, συμπεριλαμβανομένου του καταλύτη, είναι στην ίδια συνολική κατάσταση, προχωρά η ομοιογενής κατάλυση. Στην περίπτωση που συμμετέχουν στην αντίδραση διάφορες ουσίες φάσης, λαμβάνει χώρα ετερογενής κατάλυση.

Επιλεκτικότητα της δράσης

Η κατάλυση δεν είναι μόνο ένα μέσοαυξάνοντας την παραγωγικότητα του εξοπλισμού, επηρεάζει θετικά την ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Είναι δυνατόν να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο από το γεγονός ότι λόγω της επιλεκτικής δράσης των περισσότερων καταλυτών, επιταχύνεται η άμεση αντίδραση, μειώνονται οι πλευρικές διαδικασίες. Τελικά, τα προϊόντα που λαμβάνονται είναι υψηλής καθαρότητας, δεν υπάρχει ανάγκη περαιτέρω καθαρισμού των ουσιών. Η επιλεκτικότητα της δράσης του καταλύτη δίνει μια πραγματική μείωση του μη παραγωγικού κόστους των πρώτων υλών, ένα καλό οικονομικό όφελος.

Πλεονεκτήματα της χρήσης του καταλύτη στην παραγωγή

Τι άλλο είναι οι καταλυτικές αντιδράσεις; Τα παραδείγματα που εξετάζονται στο συνηθισμένο δευτεροβάθμιο σχολείο δείχνουν ότι η χρήση του καταλύτη επιτρέπει τη διεξαγωγή της διαδικασίας σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Τα πειράματα επιβεβαιώνουν ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σημαντική μείωση του ενεργειακού κόστους. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις σύγχρονες συνθήκες, όταν υπάρχει έλλειψη ενεργειακών πόρων στον κόσμο.

Παραδείγματα καταλυτικών παραγωγών

Ποια βιομηχανία χρησιμοποιεί καταλύτεςαντίδραση; Παραδείγματα τέτοιων παραγωγών: η παραγωγή νιτρικών και θειικών οξέων, υδρογόνου, αμμωνίας, πολυμερών, διύλισης πετρελαίου. Χρησιμοποιείται ευρέως κατάλυση στην παρασκευή οργανικών οξέων, μονοϋδρικών και πολυυδρικών αλκοολών, φαινόλης, συνθετικών ρητινών, βαφών, φαρμάκων.

Τι είναι ο καταλύτης;

Ως καταλύτες, πολλοίουσίες που υπάρχουν στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων Ντμίτρι Μεντελέγιεφ, και οι ενώσεις τους. Μεταξύ των πλέον κοινών επιταχυντές απομονωθεί: οξείδια του νικελίου, του σιδήρου, της πλατίνας, κοβάλτιο, alumosilicates, μαγγάνιο.

Χαρακτηριστικά καταλύτη

Εκτός από την επιλεκτική δράση, οι καταλύτες έχουν εξαιρετική μηχανική αντοχή, είναι σε θέση να αντέξουν καταλυτικά δηλητήρια, αναγεννάνονται εύκολα (ανακτώνται).

Στις καταστάσεις φάσης καταλυτικές ομοιογενείς αντιδράσεις χωρίζονται σε φάση αερίου και υγρή φάση.

Ας εξετάσουμε αυτές τις αντιδράσεις με περισσότερες λεπτομέρειες. Σε διαλύματα, τα ιόντα υδρογόνου Η +, τα ιόντα υδροξειδίου της ΟΗ-βάσης, τα μεταλλικά κατιόντα Μ + και οι ουσίες που προάγουν τον σχηματισμό ελεύθερων ριζών δρουν ως επιταχυντής του χημικού μετασχηματισμού.

Η ουσία της κατάλυσης

Ο μηχανισμός της κατάλυσης στην αλληλεπίδραση των οξέων καιβάσεων είναι ότι υπάρχει ανταλλαγή μεταξύ των αλληλεπιδρώντων ουσιών και του καταλύτη με θετικά ιόντα (πρωτόνια). Ενδομοριακοί μετασχηματισμοί λαμβάνουν χώρα. Αυτός ο τύπος αντίδρασης είναι:

• αφυδάτωση (αποσύνδεση του νερού) ·
• Ενυδάτωση (προσθήκη μορίων νερού).
• εστεροποίηση (σχηματισμός ενός εστέρα από αλκοόλες και καρβοξυλικά οξέα).
• πολυσυμπύκνωση (σχηματισμός πολυμερούς με απομάκρυνση του νερού).

Η θεωρία της κατάλυσης εξηγεί όχι μόνο την ίδια τη διαδικασία,αλλά και πιθανές πλευρικές μεταμορφώσεις. Σε περίπτωση ετερογενούς κατάλυσης, ο επιταχυντής διαδικασίας σχηματίζει μια ανεξάρτητη φάση, μερικά κέντρα στην επιφάνεια των αντιδρώντων ουσιών να έχουν καταλυτικές ιδιότητες ή να εμπλέκεται ολόκληρη η επιφάνεια.

Υπάρχει επίσης μια μικροετερογενής διαδικασίαυποθέτει την παρουσία καταλύτη σε κολλοειδή κατάσταση. Αυτή η παραλλαγή είναι μια μεταβατική κατάσταση από ομογενή σε ετερογενή κατάλυση. Οι περισσότερες από αυτές τις διεργασίες συμβαίνουν μεταξύ αερίων ουσιών που χρησιμοποιούν στερεούς καταλύτες. Μπορούν να έχουν τη μορφή κόκκων, δισκίων, κόκκων.

Η εξάπλωση της κατάλυσης στη φύση

Η ενζυματική κατάλυση είναι αρκετά ευρείαείναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση. Με τη βοήθεια των βιοκαταλυτών συντίθενται τα πρωτεϊνικά μόρια, ο μεταβολισμός πραγματοποιείται σε ζωντανούς οργανισμούς. Καμία βιολογική διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή ζωντανών οργανισμών, δεν παρακάμπτει τις καταλυτικές αντιδράσεις. Παραδείγματα ζωτικών διεργασιών: η σύνθεση αμινοξέων από πρωτεΐνες ειδικά για το σώμα. διάσπαση λίπους, πρωτεΐνες, υδατάνθρακες.

Ο Αλγόριθμος Κατάλυσης

Εξετάστε τον μηχανισμό της κατάλυσης. Αυτή η διαδικασία, η οποία λαμβάνει χώρα σε πορώδεις στερεούς επιταχυντές χημικής αλληλεπίδρασης, περιλαμβάνει αρκετά στοιχειώδη στάδια:

• διάχυση αλληλεπιδρώντων ουσιών στην επιφάνεια των κόκκων του καταλύτη από τον πυρήνα του ρεύματος.
• διάχυση αντιδραστηρίων στους πόρους του καταλύτη.
• χημειορόφηση (ενεργοποιημένης προσρόφησης) πάνω στην επιφάνεια του χημικού επιταχυντή αντιδρά με την έλευση των χημικών ουσιών επιφάνειας - ενεργοποιημένα συμπλέγματα «αντιδραστήρια καταλύτης»?
• την αναδιάταξη των ατόμων με την εμφάνιση επιφανειακών συνδυασμών καταλύτη-προϊόντος.
• διάχυση στους πόρους του επιταχυντή αντίδρασης του προϊόντος.
• διάχυση του προϊόντος από την επιφάνεια κόκκων του επιταχυντή αντίδρασης στον πυρήνα της ροής.

Οι καταλυτικές και μη καταλυτικές αντιδράσεις είναι τόσο σημαντικές ώστε οι επιστήμονες εδώ και πολλά χρόνια να συνεχίσουν την έρευνα στον τομέα αυτό.

Όταν δεν είναι απαραίτητη η ομοιογενής κατάλυσηκατασκευάσει ειδικές κατασκευές. Η ενζυματική κατάλυση στην ετερογενή εκδοχή συνεπάγεται τη χρήση ποικιλίας συγκεκριμένου εξοπλισμού. Για τη ροή του, αναπτύσσονται ειδικές διατάξεις επαφής, υποδιαιρούμενες πάνω στην επιφάνεια επαφής (στους σωλήνες, στους τοίχους, στα πλέγματα καταλύτη). με ένα στρώμα φίλτρου. ένα αιωρούμενο στρώμα. με κινούμενο καταλύτη κονιοποιημένου υλικού.

Η μεταφορά θερμότητας στις συσκευές πραγματοποιείται με διάφορους τρόπους:

• με εξωτερικούς (εξωτερικούς) εναλλάκτες θερμότητας ·
• με τη βοήθεια των εναλλάκτη θερμότητας ενσωματωμένη στη συσκευή επαφής.

Αναλύοντας τους τύπους χημείας, μπορούμε επίσης να βρούμε αντιδράσεις στις οποίες ένα από τα τελικά προϊόντα, το οποίο σχηματίζεται κατά την χημική αλληλεπίδραση των αρχικών συστατικών, δρα ως καταλύτης.

Τέτοιες διεργασίες ονομάζονται συνήθως αυτοκαταλυτικά, το φαινόμενο της χημείας ονομάζεται αυτοκατάλυση.

Η ταχύτητα πολλών αλληλεπιδράσεων σχετίζεται μετην παρουσία ορισμένων ουσιών στο μείγμα της αντίδρασης. Οι τύποι τους στη χημεία συχνά παραβλέπονται, αντικαθίστανται από τη λέξη "καταλύτης" ή την συντομευμένη εκδοχή του. Δεν περιλαμβάνονται στην τελική στερεοχημική εξίσωση, αφού δεν αλλάζουν από ποσοτική άποψη μετά την ολοκλήρωση της αλληλεπίδρασης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μικρές ποσότητες ουσιών αρκούν για να επηρεάσουν σημαντικά την ταχύτητα της διαδικασίας. Είναι απολύτως επιτρεπτό και τέτοιες καταστάσεις, όταν το ίδιο το δοχείο αντίδρασης δρα ως επιταχυντής της χημικής αλληλεπίδρασης.

Η ουσία της επίδρασης του καταλύτη στην αλλαγή της ταχύτητας της χημικής διεργασίας είναι ότι αυτή η ουσία περιλαμβάνεται στο ενεργό σύμπλοκο και επομένως αλλάζει την ενεργότητα ενεργοποίησης της χημικής αλληλεπίδρασης.

Στην αποσύνθεση αυτού του συγκροτήματος,αναγέννηση του καταλύτη. Η κατώτατη γραμμή είναι ότι δεν θα δαπανηθεί, θα παραμείνει στο ίδιο ποσό μετά το τέλος της αλληλεπίδρασης. Για το λόγο αυτό, μια ασήμαντη ποσότητα της δραστικής ουσίας είναι επαρκής για την αντίδραση με το υπόστρωμα (την αντιδρώσα ουσία). Στην πραγματικότητα, καταναλώνονται ακόμα ασήμαντες ποσότητες καταλυτών κατά τη διάρκεια χημικών διεργασιών, καθώς είναι δυνατές διάφορες πλευρικές διεργασίες: δηλητηρίαση, τεχνολογικές απώλειες, μεταβολή της κατάστασης της επιφάνειας ενός στερεού καταλύτη. Οι φόρμουλες για τη χημεία δεν υπολογίζουν για τον καταλύτη.

Συμπέρασμα

Οι αντιδράσεις στις οποίες είναι ενεργέςπαράγοντα (καταλύτης) περιβάλλουν ένα πρόσωπο, εκτός από αυτά ρέουν στο σώμα του. Ομογενή αντιδράσεις είναι πολύ λιγότερο κοινά από ετερογενή αλληλεπίδραση. Σε κάθε περίπτωση, πρώτα το σχηματισμό του ενδιάμεσου συμπλοκών, τα οποία είναι ασταθή, σταδιακά καταρρεύσει και εκεί αναγέννησης (αποκατάστασης) του επιταχυντή της χημικής διαδικασίας. Για παράδειγμα, η αλληλεπίδραση του μεταφωσφορικού οξέος με υπερθειικό κάλιο ως καταλύτης δρα υδροϊωδικό οξύ. Όταν προστίθεται στα αντιδρώντα σχηματίζεται ένα κίτρινο διάλυμα. Καθώς πλησιάζουμε στο τέλος των εξασθενίζει χρωματισμό διαδικασία. Ως ενδιάμεσο προϊόν στην περίπτωση αυτή είναι το ιώδιο, και η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια. Αλλά μόλις μεταφωσφορικό οξύ συντίθεται καταλύτης επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Καταλύτες είναι απαραίτητη στη βιομηχανία, θα συμβάλει στην επιτάχυνση του μετασχηματισμού για την απόκτηση υψηλής ποιότητας προϊόντα της αντίδρασης. δεν είναι δυνατή χωρίς τη συμμετοχή τους και βιοχημικές διεργασίες στο σώμα.