Каталіз

Грануляваныя прамысловыя каталізатары

Каталіз — працэс зьмены хуткасьці хімічнай рэакцыі шляхам дадаваньня адмысловых рэчываў — каталізатараў. Звычайна хуткасьць рэакцыі ў выніку каталізу павялічваецца.

Каталізатары — рэчывы, якія не расходуюцца падчас хімічнай рэакцыі, але значна паскараюць яе. Падобныя рэакцыі называюцца каталітычнымі.

Каталізатары шырока распаўсюджаныя ў прыродзе, а таксама часта выкарыстоўваюцца ў лябараторных і прамысловых сынтэзах. Разнастайныя каталізатары выкарыстоўваюць і для сынтэзу арганічных рэагентаў і нафтапрадуктаў.

Каталізатарам можа быць рэчыва з прадуктаў рэакцыі, у такім выпадку працэс называюць аўтакаталізам.

Канцэпцыя каталізу была вынайдзена брытанскай дасьледніцай Элізабэт Фулгэйм у 1794 годзе.

Агульныя прынцыпы

Простым прыкладам каталітычнай рэакцыі зьяўляецца дадаваньне невялікай колькасьці дыяксыду маргану ў пэраксыд вадароду. Такая рэакцыя суправаджаецца бурным раскладаньнем зыходнага рэчыва.

${\ce {2H2O2 ->[{кат.}] 2H2O + O2}}$

Існуе два тыпы каталізу: гамагенны й гетэрагенны. Гамагенным каталіз называюць у тым выпадку, калі ўсе рэагенты ўтвараюць адну фазу (газ ці рашчыну). Калі каталізатар у сыстэме знаходзіцца ў іншай фазе — каталіз будзе гетэрагенным.

Самі ж каталізатары, у залежнасьці ад характару ўплыву на рэакцыю, падзяляюцца на пазытыўныя й адмоўныя альбо інгібітары. У першым выпадку рэчыва будзе паскараць рэакцыю, а ў другім — запавольваць.

Для апісаньня ўплыву каталізатараў на хімічныя рэакцыі карыстаюцца наступнымі тэрмінамі:

Эфэктыўнасьць каталізатара

Для характарыстыкі эфэктыўнасьці часта карыстаюцца частатой зваротаў N. То бок, для наступнай рэакцыі, дзе Q — каталізатар, а υ — вельмі нізкая хуткасьць рэакцыі,

${\ce {A ->[Q] B}}$ ; $v={\frac {d[B]}{dt}}$

частата зваротаў будзе адпавядаць формуле:

$N={\frac {v}{|Q|}}$

Высокаактыўны каталізатар, у прысутнасьці малой колькасьці якога рэакцыя ідзе з высокай хуткасьцю, мае й высокую частату абаротаў.

У гетэрагэнным каталізе хуткасьць рэакцыі вызначаецца як хуткасьць зьмены колькасьці прадуктаў, а канцэнтрацыю каталізатара — ягонай колькасьцю ў рэакцыйнай сумесі.

Каталітычныя цыклы

Агульная дыяграма патэнцыйнай энэргіі, якая паказвае ўплыў каталізатара на гіпатэтычную экзатэрмічную хімічную рэакцыю X+Y з утварэньнем Z. Прысутнасьць каталізатару адкрывае іншы шлях для рэакцыі з больш нізкай энэргіяй актывацыі (чырвоны)

Сутнасьцю каталізу зьяўляецца замкнёная пасьлядоўнасьць рэакцый, дзе расходуюцца рэагенты, атрымліваюцца прадукты й рэгенэруецца зыходная форма каталізатару.

Энэргія рэакцыі

Часта дзеяньне каталізатару тлумачыцца тым, што ён паніжае энэргію актывацыі рэакцыі. Графік у такім выпадку ня будзе мець вялікіх пікаў і спадаў.

Гамагенны каталіз

Гамагенныя каталізатары функцыянуюць у той жа фазе, што й рэактывы. Звычайна гамагенныя каталізатары распушчаюцца разам з рэагентамі ў распушчальніку. Адным з прыкладаў гамагеннага каталізу зьяўляецца ўплыў іёнаў вадароду H+ на этэрыфікацыю карбонавых кісьляў, напрыклад, утварэньне мэтылацэтату з воцатнай кісьлі й мэтанолю.

Іншыя прыклады гамагэнных працэсаў:

• затляненьне этылену

• карбаніляваньне мэтанолю ў воцатную кісьлю

• гідрацыянаваньне бутадыену ў аніпадынітрыл

• цыклятрымэрызацыя ацэтылену

Праз тое, што інтэрпрэтаваць кінэтычныя дадзеныя гамагенных каталізаў прасьцей, чым гетэрагенных, іхнія мэханізмы ў большай ступені даступныя для вывучэньня.

Больш прывабным гамагенны каталіз аказаўся й з практычнага пункту гледжаньня, бо лёгка можа накіроўваць рэакцыю ў бок утварэньня пэўнага прадукту.

Гетэрагенны каталіз

Узор гетэрагеннага каталізатару

Гетэрагенныя каталізатары дзейнічаюць у іншай фазе, чымся рэактывы. Большасьць такіх каталізатараў уяўляюць сабою цьвёрдыя рэчывы, якія дзейнічаюць у вадкай альбо газападобнай рэакцыйнай сумесі. Важнымі гетэрагеннымі каталізатарамі зьяўляюцца цэаліты, гліназём аксыды пераходных мэталаў і інш.

Гетэрагенныя каталізатары атрымалі шырокі распаўсюд у прамысловасьці праз сваю ўстойлівасьць пры высокіх тэпэратурах. Дзякуючы гэтай уласьцівасьці, рэакцыі з удзелам гетэрагенных каталізатараў можна ладзіць у вельмі розных умовах.

Другая прычына папулярнасьці гетэрагенных каталізатараў — адсутнасьць дадатковых стадый для адзьдзяленьня каталізатару ад прадуктаў рэакцыі.