Химията е наука за веществата и техните трансформации, както и методите за получаването им. Дори в обикновената училищна програма се разглежда такъв важен въпрос като видовете реакции. Класификацията, с която учениците се запознават на основно ниво, отчита промяната в степента на окисление, фазата на протичането, механизма на процеса и т.н. Освен това всички химични процеси се разделят на некаталитични и каталитични реакции. Примери за трансформации, протичащи с участието на катализатор, се срещат от човек в обикновения живот: ферментация, гниене. Некаталитичните трансформации са много по-редки за нас.
Какво е катализатор
Това е химическо вещество, което може да промени скоростта на взаимодействие, но не участва само в него. В случай, когато процесът се ускорява с помощта на катализатор, говорим за положителен катализатор. В случай, че вещество, добавено към процеса, намалява скоростта на реакцията, то се нарича инхибитор.
Видове катализа
Хомогенната и хетерогенната катализа се различават по фаза, вкъдето се намират изходните материали. Ако първоначалните компоненти, взети за взаимодействия, включително катализатора, са в същото агрегатно състояние, протича хомогенна катализа. В случай, че в реакцията участват вещества от различни фази, настъпва хетерогенна катализа.
Селективност на действие
Катализата не е просто средство за повишаване на производителността на оборудването, тя има положителен ефект върху качеството на получените продукти. Това явление може да се обясни с факта, че поради селективното (селективно) действие на повечето катализатори директната реакция се ускорява, страничните процеси намаляват. В крайна сметка получените продукти са с висока чистота, няма нужда от допълнително пречистване на веществата. Селективността на катализаторното действие дава реално намаляване на непроизводствените разходи за суровини, добра икономическа изгода.
Предимства от използването на катализатор в производството
Какво друго характеризира каталитичните реакции? Примери от типична гимназия показват, че използването на катализатор позволява процесът да се извършва при по-ниски температури. Експериментите потвърждават, че може да се използва за значително намаляване на разходите за енергия. Това е особено важно в съвременните условия, когато в света липсват енергийни ресурси.
Примери за каталитично производство
Коя индустрия използва каталитични реакции? Примери за такива производства:производство на азотна и сярна киселини, водород, амоняк, полимери, рафиниране на нефт. Катализата се използва широко в производството на органични киселини, моновалентни и многовалентни алкохоли, фенол, синтетични смоли, багрила и лекарства.
Какво е катализаторът
Много вещества, които са в периодичната таблица на химичните елементи на Дмитрий Иванович Менделеев, както и техните съединения, могат да действат като катализатори. Сред най-разпространените ускорители са: никел, желязо, платина, кобалт, алумосиликати, манганови оксиди.
Характеристики на катализаторите
В допълнение към селективното действие, катализаторите имат отлична механична якост, те са в състояние да издържат на каталитични отрови и лесно се регенерират (възстановяват).
Според фазовото състояние, каталитичните хомогенни реакции се разделят на газова и течна фаза.
Нека да разгледаме по-отблизо тези видове реакции. В разтвори водородните катиони H+, хидроксидните основни йони OH-, металните катиони M+ и веществата, които допринасят за образуването на свободни радикали, действат като ускорител на химическата трансформация.
Същността на катализа
Механизмът на катализа при взаимодействието на киселини и основи е, че има обмен между взаимодействащите вещества и положителните йони на катализатора (протони). В този случай се извършват вътремолекулни трансформации. Според товареакциите са така:
- дехидратация (отделяне на водата);
- хидратация (прикрепване на водни молекули);
- естерификация (образуване на естери от алкохоли и карбоксилни киселини);
- поликондензация (образуване на полимер с елиминиране на водата).
Теорията на катализа обяснява не само самия процес, но и възможните странични трансформации. В случай на хетерогенна катализа, ускорителят на процеса образува независима фаза, някои центрове на повърхността на реагентите притежават каталитични свойства или цялата повърхност участва.
Има и микрохетерогенен процес, който включва присъствието на катализатор в колоидно състояние. Този вариант е преходно състояние от хомогенен към хетерогенен тип катализа. Повечето от тези процеси протичат между газообразни вещества с помощта на твърди катализатори. Те могат да бъдат под формата на гранули, таблетки, зърна.
Разпространение на катализа в природата
Ензимната катализа е доста широко разпространена в природата. Именно с помощта на биокатализатори протича синтезът на протеинови молекули, осъществява се метаболизмът в живите организми. Нито един биологичен процес, протичащ с участието на живи организми, не заобикаля каталитичните реакции. Примери за жизненоважни процеси: синтез на специфични за организма протеини от аминокиселини; разграждане на мазнини, протеини, въглехидрати.
Алгоритъм за катализа
Нека разгледаме механизма на катализа. Този процес, който се извършва върху порести твърди ускорители на химическо взаимодействие, включвасебе си няколко елементарни етапа:
- дифузия на взаимодействащи вещества към повърхността на зърната на катализатора от сърцевината на потока;
- дифузия на реагенти в порите на катализатора;
- хемосорбция (активирана адсорбция) на повърхността на ускорител на химична реакция с появата на химически повърхностни вещества - активирани комплекси катализатор-реагент;
- пренареждане на атоми с появата на повърхностни комбинации "катализатор-продукт";
- дифузия в порите на ускорителя на реакцията на продукта;
- дифузия на продукта от повърхността на зърното на реакционния ускорител в основния поток.
Каталитичните и некаталитичните реакции са толкова важни, че учените продължават изследванията в тази област в продължение на много години.
С хомогенна катализа няма нужда да се изграждат специални структури. Ензимната катализа в хетерогенната версия включва използването на различно и специфично оборудване. За протичането му са разработени специални контактни апарати, подразделени според контактната повърхност (в тръби, по стени, катализаторни решетки); с филтърен слой; претеглен слой; с движещ се пулверизиран катализатор.
Топлообменът в устройствата се осъществява по различни начини:
- чрез използването на дистанционни (външни) топлообменници;
- с помощта на топлообменници, вградени в контактния апарат.
Чрез анализиране на формули в химията могат да се намерят и такива реакции, при които катализаторът е един от крайните продукти, които се образуват по време на химическото взаимодействиеоригинални компоненти.
Такива процеси обикновено се наричат автокаталитични, самото явление в химията се нарича автокатализа.
Скоростта на много взаимодействия е свързана с наличието на определени вещества в реакционната смес. Техните формули в химията най-често се пропускат, заменя се с думата "катализатор" или нейната съкратена версия. Те не са включени в окончателното стереохимично уравнение, тъй като не се променят от количествена гледна точка след завършване на взаимодействието. В някои случаи малки количества вещества са достатъчни, за да повлияят значително на скоростта на процеса. Съвсем приемливи са и ситуации, когато самият реакционен съд действа като ускорител на химическото взаимодействие.
Същността на ефекта на катализатора върху промяната на скоростта на химичен процес е, че това вещество е включено в състава на активния комплекс и следователно променя енергията на активиране на химическото взаимодействие.
Когато този комплекс се разложи, катализаторът се регенерира. Изводът е, че няма да се изразходва, а ще остане в същата сума след края на взаимодействието. Поради тази причина малко количество от активното вещество е напълно достатъчно за осъществяване на реакцията със субстрата (реагиращо вещество). В действителност все още незначителни количества катализатори се консумират по време на химични процеси, тъй като са възможни различни странични процеси: неговото отравяне, технологични загуби и промяна в състоянието на повърхността на твърд катализатор. Химичните формули не включват катализатор.
Заключение
Реакции, в които участва активно вещество (катализатор), заобикалят човек, освен това те се случват и в тялото му. Хомогенните реакции са много по-рядко срещани от хетерогенните взаимодействия. Във всеки случай първо се образуват междинни комплекси, които са нестабилни, постепенно се разрушават и се наблюдава регенерация (възстановяване) на ускорителя на химичния процес. Например, когато метафосфорната киселина реагира с калиев персулфат, йодоводородната киселина действа като катализатор. Когато се добави към реагентите, се образува жълт разтвор. Когато наближите края на процеса, цветът постепенно изчезва. В този случай йодът действа като междинен продукт и процесът протича на два етапа. Но веднага след като се синтезира метафосфорна киселина, катализаторът се връща в първоначалното си състояние. Катализаторите са незаменими в индустрията, те помагат за ускоряване на трансформациите и получаване на висококачествени реакционни продукти. Биохимичните процеси в нашето тяло също са невъзможни без тяхното участие.
