Каталіз

Каталіз — працэс зьмены хуткасьці хімічнай рэакцыі шляхам дадаваньня адмысловых рэчываў — каталізатараў^[1]. Звычайна хуткасьць рэакцыі ў выніку каталізу павялічваецца^[2].

Каталізатары — рэчывы, якія не расходуюцца падчас хімічнай рэакцыі, але значна паскараюць яе. Падобныя рэакцыі называюцца каталітычнымі^[3].

Каталізатары шырока распаўсюджаныя ў прыродзе, а таксама часта выкарыстоўваюцца ў лябараторных і прамысловых сынтэзах. Разнастайныя каталізатары выкарыстоўваюць і для сынтэзу арганічных рэагентаў і нафтапрадуктаў^[4].

Каталізатарам можа быць рэчыва з прадуктаў рэакцыі, у такім выпадку працэс называюць аўтакаталізам^[5].

Канцэпцыя каталізу была вынайдзена брытанскай дасьледніцай Элізабэт Фулгэйм у 1794 годзе^[6].

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^[3].

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^[4].

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^[4].

Энэргія рэакцыі

Часта дзеяньне каталізатару тлумачыцца тым, што ён паніжае энэргію актывацыі рэакцыі. Графік у такім выпадку ня будзе мець вялікіх пікаў і спадаў^[3].

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^[7].

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^[4].

Гетэрагенны каталіз

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^[8] аксыды пераходных мэталаў і інш^[9].

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^[4].

Крыніцы

^ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook.
^ Артыкул пра каталіз на britannica.com
^ ^а ^б ^в Н. Л. Глинка Общая химия, 2000 г.
^ ^а ^б ^в ^г ^д D.F. Shriver, P.W Atkins Inorganic Chemistry. Third edition. (2 том)
^ М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин Общая и неорганическая химия 2000 г.
^ Laidler, Keith J.; Cornish-Bowden, Athel (1997). "«Elizabeth Fulhame and the discovery of catalysis: 100 years before Buchner» Архівавана
^ Behr, Arno Organometallic Compounds and Homogeneous Catalysis in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim.
^ Iqrash Shafiq, Sumeer Shafique, Parveen Akhter, Wenshu Yang & Murid Hussain (2022) Recent developments in alumina supported hydrodesulfurization catalysts for the production of sulfur-free refinery products: A technical review, Catalysis Reviews, 64:1, 1-86, DOI: 10.1080/01614940.2020.1780824
^ Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Prentice-Hall. 2005

[1] IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook.

[2] Артыкул пра каталіз на britannica.com

[:0-3] а ^б ^в Н. Л. Глинка Общая химия, 2000 г.

[:1-4] а ^б ^в ^г ^д D.F. Shriver, P.W Atkins Inorganic Chemistry. Third edition. (2 том)

[5] М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин Общая и неорганическая химия 2000 г.

[6] Laidler, Keith J.; Cornish-Bowden, Athel (1997). "«Elizabeth Fulhame and the discovery of catalysis: 100 years before Buchner» Архівавана

[7] Behr, Arno Organometallic Compounds and Homogeneous Catalysis in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim.

[8] Iqrash Shafiq, Sumeer Shafique, Parveen Akhter, Wenshu Yang & Murid Hussain (2022) Recent developments in alumina supported hydrodesulfurization catalysts for the production of sulfur-free refinery products: A technical review, Catalysis Reviews, 64:1, 1-86, DOI: 10.1080/01614940.2020.1780824

[9] Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Prentice-Hall. 2005

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]