Каква е каталитичната реакция? Основни принципи и видове

Повечето от процесите, които стоят в основата на химическата технология, са каталитични реакции. Това се дължи на факта, че когато се въвежда катализаторът, степента на взаимодействие на веществата се увеличава значително. В същото време производителите са в състояние да намалят разходите или да получат повече реакционни продукти през същия период от време. Ето защо изследването на катализата се обръща много внимание в обучението на технолози. Този феномен обаче играе важна роля в природата. Така че, специалните вещества регулират хода на биохимичните реакции в живите организми, като по този начин влияят на метаболизма.

Понятието катализа

Същността на това химическо явление е регулирането на скоростта на трансформация на вещества, използващи специални реагенти, способни да забавят или ускорят този процес. В този случай те говорят за положителна или отрицателна катализа. Съществува и феноменът на автокатализа, когато скоростта на реакцията се влияе от един от междинните продукти на химическата реакция. Каталитичните процеси са разнообразни, те се различават от механизмите, агрегатното състояние на съединенията и посоката.

Веществата, които забавят химичните взаимодействия, се наричат ​​инхибитори, а ускоряващите каталитични реакции се наричат ​​катализатори. Тези и другите променят скоростта на реакцията чрез няколко междинни взаимодействия с един или повече от участниците. В същото време те не са включени в състава на продуктите и се възстановяват след края на цикъла на преобразуване на веществото. Следователно, участието на катализатора не е отразено стехиометрично в реакционното уравнение, а е показано само като условие за взаимодействие на веществата.

Видове каталитични реакции

Съгласно общото състояние на веществата, участващи в химическата реакция, се прави разграничение между:

• хомогенни реакции - реагентите, продуктите и катализаторите са в същата агрегатно състояние (фаза), докато молекулите на веществата са равномерно разпределени в целия обем;
• междуфазовите каталитични реакции - възникват на интерфейса на несмесващите се течности и ролята на катализатора се редуцира до пренасянето на реагенти през него;
• хетерогенни каталитични реакции - в тях катализаторът има агрегатно състояние, различно от реагентите, и самият той се извършва във фазовия интерфейс;
• хетерогенно хомогенни реакции - се инициират на интерфейса с катализатора, но продължават в реакционния обем;
• микрохетерогенни реакции - малки частици от твърд катализатор образуват мицели в целия обем на течната фаза.

Също така има катализация на окислително-редукционна съпровода, придружена от промяна в окислителното състояние на катализатора, когато реагира с реагенти. Такива трансформации се наричат ​​реакции на каталитично окисляване и редукция. Най-често срещаното химично производство е окисляването на серен диоксид до триоксид при производството на сярна киселина.

Видове катализатори

Съгласно агрегатното състояние, катализаторите са течни (Н.₂SO₄, Н₃RO₄), твърдо вещество (Pt, V₂ох₅, Al₂ох₃) и газообразен (BF₃).

По вид на веществото, катализаторите се класифицират в:

• метали - могат да бъдат чисти, сплави, цели или покрити върху порест субстрат (Fe, Pt, Ni, Cu);
• съединения на метали от тип М_mE_п - Най-често срещаните оксиди на MgO, Al₂ох₃, МоОз₃ и други;
• киселини и основи - се използват за киселинно-каталитични реакции, които могат да бъдат Lewis киселини, Bronsted киселини и др .;
• метални комплекси - тази група също включва соли на преходни метали, например PdCl₂, Ni (CO)₄;
• Ензими (те са ензими) - биокатализатори, ускоряващи реакции, които се срещат в живите организми.

На спецификата на електронната структура разграничи г-катализатори, имащи г-електрони, и г-орбитали, и S, Р-катализатори, в центъра на който е елемент с валентност S и п електрони.

Свойства на катализаторите

За ефективна употреба се прилага доста широк списък от изисквания, които варират за определен процес. Но най-важни са следните две свойства на катализаторите:

• Специфичността се състои в способността на катализаторите да влияят само на една реакция или серия от подобни трансформации и да не влияят на скоростта на другите. По този начин платината най-често се използва при реакции на органично хидрогениране.
• Селективността се характеризира със способността да ускорява една от няколко възможни паралелни реакции, като по този начин увеличава добива на най-важния продукт.

Каталитична реакционна скорост

Причината за ускоряване на взаимодействието на веществата е образуването на активен комплекс с катализатор, което води до намаляване на активационната енергия.

Съгласно основния постулат на химичната кинетика, скоростта на всяка химична реакция е пряка пропорционална на произведението на концентрациите на първоначалните вещества, които се вземат в степени, отговарящи на техните стехиометрични коефициенти:

v = k ∙ C_А^х ∙ C_В^при ∙ C_D^Z,

където k е процентната константа на химичната реакция, цифрово равна на скоростта на същата реакция, при условие, че концентрациите на изходните съединения са 1 mol / l.

Според уравнението на Arrhenius, k зависи от активационната енергия:

k = A ∙ exp ^ (- Е_А / RT).

Тези закономерности важат и за каталитичните реакции. Това се потвърждава и от уравнението за съотношението на константите на скоростта:

к_K / k = A_K/ A ∙ exp ^ ((Е_А-E_AK) / RT),

където променливите с индекс К се отнасят до каталитични реакции.

Етапи на каталитични реакции

За хомогенни каталитични реакции са достатъчни два основни етапа:

1. Образуване на активирания комплекс: A + K -> AK.
2. Взаимодействието на активирания комплекс с други изходни материали: AK + B -> C + K

В обща форма е написано уравнение с форма A + B -> C.

Механизмът на хетерогенните каталитични реакции е сложен. Има следните шест етапа:

1. Въвеждането на изходните съединения в повърхността на катализатора.
2. Адсорбция на началните реагенти от повърхността на катализатора и образуване на междинен комплекс: A + B + K -> AVK.
3. Активиране на образувания комплекс: Алфа-VC -> Alpha-VC^*.
4. Разлагането на комплексното съединение, с получените продукти, адсорбирани от катализатора: Alpha-VC^* -> CDK.
5. Десорбция на получените продукти с повърхността на катализатора: CDK -> C + D + K.
6. Оттегляне на продукти от катализатора.

Примери за каталитични реакции

Катализаторите се използват не само в химическата промишленост. Всеки човек в ежедневието си е изправен пред различни каталитични реакции. Това, например, използването на водороден прекис при лечението на рани. Водородният пероксид, когато взаимодейства с кръвта, започва да се разлага под влиянието на ензимна каталаза:

2H₂ох₂ -> За₂ + 2H₂О.

В модерните автомобили изпускателната система е оборудвана със специални каталитични камери, които подпомагат разграждането на вредни газообразни вещества. Например, платина или родий помага да се намали нивото на замърсяване на околната среда с азотни оксиди, които са унищожени с образуването на безвредни O₂ и N₂.

Някои пасти за зъби съдържат ензими, които инициират разграждането на плаки и хранителни отломки.