Катализатор химия это: Катализатор — это… Что такое Катализатор?

Катализатор, их виды и свойства

Катализатор, их виды и свойства.

 

 

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

 

Катализатор (понятие и сущность)

Типы и виды катализаторов

Свойства катализаторов

Каталитические системы на основе катализаторов

 

Катализатор (понятие и сущность):

Катализатор – это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции, и действующее повторно (неоднократно).

Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не входят в состав их конечных продуктов.

Катализаторы – это вещества, ускоряющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.

Термин катализатор (от греч. katalysis – «ослабление», «разрушение») впервые ввел в 1835 г. шведский химик И. Берцелиус, который установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает.

Соответственно химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, именуются каталитическими реакциями. А процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами, именуется катализом.

Различают положительный катализ и отрицательный катализ. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) – при котором она убывает.

Вещества, замедляющие химическую реакцию, именуются ингибиторами. Однако

ингибиторы в отличие от катализаторов могут расходоваться в процессе химической реакции.

Все химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку катализатор снижает энергию активации реакции.

В некоторых химических реакциях катализатор реагирует с одним или несколькими реагентами с образованием временного промежуточного продукта, который затем регенерирует исходный катализатор в циклическом процессе. Химическая реакция в таких случаях состоит из нескольких стадий:

X + K → XK,

Y + XK → XYK,

XYK

→ KZ,

KZ → K + Z,

где

X и Y – реагенты,

Z – конечный продукт химической реакции X и Y,

K – катализатор.

При этом общее уравнение реакции записывается как:

X + Y → Z.

В современном химическом производстве часто применяют каталитические системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии химической реакции. 

Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.

В настоящее время многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов. Согласно оценкам, для производства 90 % всех коммерчески производимых химических продуктов на той или иной стадии процесса их изготовления использовались катализаторы.

 

Типы и виды катализаторов:

Катализаторы, как правило, подразделяются на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенный катализатор – это катализатор, молекулы которого диспергированы (т.е. находятся) в одной и той же фазе (обычно в газообразной или жидкой), что и молекулы реагента.

Гетерогенный катализатор

– это катализатор, молекулы которого находятся не в той же фазе, что и реагенты (которые обычно представляют собой газы или жидкости, адсорбированные на поверхности твердого катализатора). Гетерогенный катализатор образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества – реагенты.

Действие гомогенного катализатора, как правило, связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, что приводит к снижению энергии активации химической реакции. Впоследствии промежуточные вещества регенерируют исходный катализатор.

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую твердую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.). Их действие основано на ускорении химической реакции на своей твердой поверхности (либо на плоской открытой поверхности, либо на краях кристалла, либо вследствие сочетания этих двух факторов). Поэтому активность гетерогенного катализатора зависит от величины и свойств его поверхности.

Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Одни и те же химические реакции могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Для определенных химических реакций эффективны только определённые катализаторы.

В биохимических реакциях роль катализаторов выполняют ферменты, которые часто рассматриваются как третья – отдельная категория.

Соответственно классификации катализаторов положительный катализ подразделяют на три типа:

а) гомогенный катализ, когда реакционная смесь и катализатор находятся или в жидком или в газообразном состоянии;

б) гетерогенный катализ, когда катализатор находится в виде твердого вещества, а реагирующие соединения в виде раствора или газообразной смеси. Это наиболее распространенный тип катализа, осуществляемого, таким образом, на границе раздела двух фаз;

в) ферментативный катализ

, когда катализатором служат сложные белковые образования, ускоряющие течение биологически важных реакций в организмах растительного и животного мира. Ферментативный катализ может быть как гомогенным, так и гетерогенным, но из-за специфических особенностей действия ферментов целесообразно выделение этого вида катализа в самостоятельную область.

 

Свойства катализаторов:

Катализаторы как вещества, ускоряющие химические реакции, обладают следующими свойствами:

– каталитической активностью. Каталитическая активность – это свойство катализатора ускорять химическую реакцию. Формально каталитическую активность можно определить как скорость каталитической реакции в данных условиях за вычетом скорости той же реакции в отсутствие катализатора или как соотношение скоростей каталитической и некаталитической реакций;

– селективностью. Селективность – это способность протекания химической реакции в определённом направлении, то есть свойство получать те продукты реакции, на которые направлена химическая реакция;

– неизменностью. Неизменность означает, что после участия в химической реакции они (катализаторы) остаются химически неизменными;

– активностью. Активность катализатора в процессе реакции может понижаться вследствие воздействия на катализатор вредных примесей. К последним относятся каталитические яды и ингибиторы. Каталитические яды – это вещества, вызывающие «отравление» катализатора, т. е. снижающие его каталитическую активность или полностью прекращающие каталитическое действие. Поэтому важно в процессе реакции исключить воздействие на катализатор вредных факторов.

Другими немаловажными свойствами катализаторов являются твердость, механическая прочность, устойчивость к истиранию и дроблению, срок службы, устойчивость к отравлению каталитическими ядами, размер и форма, масса единицы объема, пористость, удельная поверхность, термостойкость и стабильность.

 

Каталитические системы на основе катализаторов:

Современные промышленные твердые катализаторы обычно представляют собой сложные смеси, называемые контактными массами. В состав контактных масс входят прежде всего вещества, являющиеся собственно катализаторами, а также носители и активаторы.

Активаторы (промоторы) – это вещества, добавляемые к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность, которые сами по себе могут быть неактивными для данной реакции, но значительно улучшают свойства катализатора. Поэтому деление на сложные и активированные катализаторы носит лишь ориентировочный характер.

Улучшение свойств катализатора при добавлении промотора (активатора) значительно превосходит тот эффект, который можно было бы получить в результате независимого действия самого промотора, т.к. сам промотор может и не обладать каталитической активностью.

В общем случае по своему целевому назначению промоторы могут быть разделены на две группы:

– способствующие протеканию целевой реакции, т. е. увеличивающие активность катализатора;

– подавляющие нежелательные процессы, т. е. увеличивающие селективность катализатора.

Среди промоторов первой группы различают структурообразующие и активирующие. Структурообразующие промоторы, как правило, представляют собой инертные вещества, присутствующие в катализаторе в виде мелких частиц, препятствующих спеканию частиц активной каталитической фазы, что предотвращает уменьшение активной поверхности во время работы катализатора. Активирующие промоторы могут создавать дополнительные активные центры, воздействовать на электронную структуру активной фазы и т.п.

Носители – это прочные пористые термостойкие материалы, на которые осаждением, пропитыванием или другими методами наносят катализатор. При нанесении каталитических веществ на пористый носитель достигается их тонкое диспергирование, создаются большие удельные поверхности при размерах пор, близких к оптимальным, и увеличивается термостойкость катализатора, поскольку затруднено спекание его кристалликов, разобщенных на поверхности носителя. При таком методе нанесения достигается экономия дорогих катализаторов, например платины, палладия, серебра. Носитель, как правило, влияет на активность катализатора, таким образом, нет точной границы между понятием активатор и носитель. Наиболее часто в качестве носителей применяют оксид алюминия, силикагель, синтетические алюмосиликаты, каолин, пемзу, асбест, различные соли, уголь.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

карта сайта

 

Коэффициент востребованности 176

Катализ — это… Что такое Катализ?

Ката́лиз (греч. κατάλυσις восходит к καταλύειν — разрушение) — избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.^[1]

Термин «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — каталитические.

Основные принципы катализа

Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Типы катализа

По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать ‘отрицательным катализом’, поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.

Гомогенный катализ

Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:

H₂О₂ + I → H₂О + IO H₂О₂ + IO → H₂О + О₂ + I

При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

Гетерогенный катализ

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества
2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их
3. Химическая реакция между реагирующими молекулами
4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора
5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

Примером гетерогенного катализа является окисление SO₂ в SO₃ на катализаторе V₂O₅ при производстве серной кислоты (контактный метод).

Носитель катализатора

Металлическая платина (показана стрелками), стабилизированная на носителе — оксиде алюминия

Носитель катализатора, иначе подложка (катализатора) (англ. carrier или support) — инертный или малоактивный материал, служащий для стабилизации на его поверхности частиц активной каталитической фазы.

Роль носителя в гетерогенном катализе состоит в предотвращении агломерации или спекания активного компонента, что позволяет поддерживать высокую площадь контакта активного вещества (см. активная каталитическая фаза) и реагентов. Количество носителя, как правило, гораздо больше количества нанесенного на него активного компонента. Основными требованиями к носителям являются большая площадь поверхности и пористость, термическая стабильность, химическая инертность, высокая механическая прочность. В ряде случаев носитель влияет на свойства активной фазы (эффект «сильного взаимодействия металл–носитель»). В качестве носителей применяют как природные (глины, пемза, диатомит, асбест и др.), так и синтетические материалы (активные угли, силикагель, алюмосиликаты, оксиды алюминия, магния, циркония и др.)^[2].

Химия катализа

Химия катализа изучает вещества, изменяющие скорость химических реакций. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты — это биологические катализаторы. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и другие), катализ − основа химических производств (относительная доля каталитических процессов составляет 80-90 %).

Реакция, накормившая человечество (решение проблемы связанного азота) — цикл Габера-Боша. Аммиак получают с катализатором — пористым железом. Протекает при Р = 30 МПа и Т = 420—500 °C

3Н₂ + N₂ = 2NH₃

Водород для синтеза NH₃ получают путем двух последовательных каталитических процессов: конверсии СН₄(СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂) на Ni⁻катализаторах и конверсии образующегося оксида углерода (СО + Н₂О → СО₂ + Н₂). Для достижения высоких степеней превращения последнюю реакцию осуществляют в две стадии: высокотемпературная (315—480 °C) — на Fe⁻Cr⁻оксидных катализаторах и низкотемпературная (200—350 °C) — на Cu⁻Zn⁻оксидных катализаторах. Из аммиака получают азотную кислоту и другие соединения азота — от лекарств и удобрений до взрывчатых веществ.

Различают катализы »гомогенный, гетерогенный, межфазный, мицеллярный, ферментативный.

Энергия активации E каталитических реакций значительно меньше, чем для той же реакций в отсутствие катализатора. Например, для некаталитического разложения NH₃ на N₂ + Н₂ E ~ 320 кДж/моль, для того же разложения в присутствии Pt Е ~ 150 кДж/моль. Благодаря снижению E обеспечивается ускорение каталитических реакций по сравнению с некаталитическими.

Литература

• Боресков Г. К. Катализ. Вопросы теории и практики. — Новосибирск, 1987.
• Гейтс Б. Химия каталитических процессов / Б. Гейтс, Дж. Кетцир.
• Журнал «Кинетика и катализ».
• Колесников И. М. Катализ и производство катализаторов. — М.: Техника, 2004. — 399 с.
• Шуйт Г. — М.: Мир, 1981. — 551 с.
• Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н. Кинетические модели каталитических реакций. — Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983. — 255 c.

См. также

Ссылки

катализ — Химическая энциклопедия

КАТАЛИЗ (от греч. katalysis — разрушение)

изменение скорости хим. реакции при воздействии веществ (катализаторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов. Катализатор не находится в стехиометрич. отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращ. реагентов в продукты. Различают положительный и отрицательный К., в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «К.» относят к ускорению реакции; вещества, замедляющие реакцию, наз. ингибиторами. Каталитич. действие на реакцию могут оказывать образующиеся в ходе реакции промежут. вещества или продукты (см. автокатализ). Для К. характерно, что небольшие количества катализатора ускоряют превращ. больших количеств реагирующих веществ. Так, 1 мас. ч. Pt-катализатора вызывает превращ. 10⁴ мас. ч. SO₃ в SO₂ или 10⁶ мас. ч. NH₃ в NO. Ускоряющее действие растворителя на реакцию в растворах обычно не относят к К. на том основании, что количество растворителя, как правило, значительно превышает количество растворенных реагирующих веществ. Известны, однако, случаи ускорения реакций в присутствии очень малых добавок растворителя, напр. воды. Неизменность хим. состава и структуры катализатора по окончании процесса вряд ли может служить обязательным признаком К. Известно, что хим. состав выгруженного из реактора катализатора существенно иной, чем у загруженного; на состав и структуру катализатора влияет состав реакц. смеси.

Неизменность хим. состава и структуры катализатора имеет смысл рассматривать по отношению к той из элементарных стадий сложной каталитич. реакции, в которой непосредственно участвует катализатор, однако для этого необходимо надежно установить механизм реакции, что не всегда возможно.

Термин «К.» введен И. Берцелиусом в 1835.

При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе в молекулярно-дисперсном состоянии. При гетерогенном катализе катализатор образует самостоят. фазу, отделенную границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Выделяют также гетерогенно-гомогенный К., при котором реакция начинается на поверхности твердого катализатора, а затем продолжается в объеме. Межфазным катализом принято называть К. на границе двух несмешивающихся жидкостей; при этом роль катализатора состоит в переносе реагентов между фазами. Промежут. положение между гомогенным и гетерогенным К. занимает микрогетерогенный К. коллоидными частицами в жидкой фазе. Ускорение реакций в присутствии мицелл ПАВ наз. мицеллярным катализом. Исключительную роль в процессах в живых организмах играет ферментативный катализ, обусловленный действием ферментов.

Важным компонентом пром. катализаторов являются промоторы — вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (проценты или доли процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость. Если промотор добавляется к катализатору в больших количествах или сам по себе каталитически активен, катализатор наз. смешанным. Вещества, воздействие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитич. действия, наз. ядами каталитическими. Встречаются случаи, когда одна и та же добавка к катализатору при одних концентрациях и температурах является промотором, при других — ядом. В гетерог. К. широко применяют носители — вещества, сами по себе каталитически неактивные или малоактивные. Нанесение на них катализатора значительно повышает его активность, гл. обр. вследствие увеличения поверхности катализатора или предохранения его частиц от спекания (см. нанесенные катализаторы).

Общие закономерности катализа. Все каталитич. реакции — самопроизвольные процессы, т. е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса системы. Катализатор не смещает положения равновесия хим. реакции, если не считать его влияния на коэф. активности реагирующих веществ в растворах (или коэф. летучести, в случае реакций в газовой фазе при высоких давлениях). Вблизи от равновесия один и тот же катализатор ускоряет прямую и обратную реакции в равной степени, вдали от равновесия этого может и не быть. Из неск. возможных реакций катализатор ускоряет не обязательно термодинамически наиб. выгодную, т. е. ту, для которой убыль энергии Гиббса максимальна. Например, в присутствии Bi₂O₃.MoO₃ пропилен окисляется частично (до акролеина), в присутствии Co₃O₄ происходит полное окисление (до CO₂ и H₂O). Мерой селективности (избирательности действия) катализатора является отношение скорости v_i реакции, ведущей к накоплению i-го продукта, к суммарной скорости превращ. исходных веществ во всех возможных реакциях, т. е. v_i/Sv_i. Расчет скорости каталитич. реакции возможен на основе ряда моделей и приближений относительно ее механизма и режима протекания; для простейших случаев гомогенного и гетерогенного К. подход к расчету скорости изложен в ст. каталитических реакций кинетика.

Энергия активации Е каталитич. реакции значительно меньше, чем для той же реакции в отсутствие катализатора. Например, для некаталитич. разложения NH₃ на N₂ + H₂ E ~ 320 кДж/моль, для того же разложения в присутствии Pt Е ~ 150 кДж/моль. Благодаря снижению E обеспечивается ускорение каталитич. реакций по сравнению с некаталитическими. Снижение E объясняется тем, что при К. реакция протекает по новому механизму, складывающемуся из элементарных реакций с меньшими энергиями активации, чем некаталитич. реакция. При т. наз. стадийном механизме К. (кривая 1 на рис.) реакция типа А → В (энергия активации E₁) заменяется совокупностью стадий: 1) А + К → АК, 2) АК → В + К (энергии активации E₂ и E₃ соотв.), где К — катализатор, АК — устойчивое промежут. соед. реагента с катализатором. Для бимолекулярной реакции А + В → C + D стадийный механизм может осуществляться по схеме: 1) А + К → АК, 2) АК + B → K + C + D. По такой схеме протекает, напр., окисление H₂ на металлич. катализаторе М: 1) М + ¹/₂O₂ → МО, 2) МО + H₂ → М + H₂O. Одностадийные процессы К. (их наз. также ассоциативными или слитными) протекают по схеме: А + К → АК* : В + К. В этом случае (кривая 2 на рис.) катализатор не образует устойчивых промежут. соед. с реагентами, но входит в активир. комплекс АК*. Реакция происходит с преодолением одного потенциального барьера, разделяющего начальное и конечное состояния системы, как и некаталитич. реакция, но с пониженным значением энергии активации (E₄ на рис.).

_{Энергетическая диаграмма реакции типа A → B; а — без катализатора, б — с катализатором К; 1 — при сталийном механизме, 2 — при ассоциативном механизме катализа: E1}, E₂, E₄, E₄ — потенциальные барьеры, разделяющие исходное и конечное состояния системы, Q — тепловой эффект реакции.

Большая скорость каталитич. реакции м. б. обусловлена не только снижением энергии активации вследствие протекания реакции по новому механизму, но и осуществлением под действием катализатора цепного механизма реакции. Например, каталитич. действие паров воды на газофазное окисление CO объясняется образованием реакц. цепей с участием активных частиц Н и ОН. В гетерогенно-гомог. К. на поверхности образуются активные частицы (напр., своб. радикалы HO₂ и RO₂ при окислении углеводородов RH), которые затем вылетают в газовую фазу и продолжают там цепь.

Доказано образование цепей на поверхности катализатора при полимеризации олефинов и синтезе углеводородов из CO и H₂. Для мн. других гетерогенно-каталитич. реакций обнаружены особенности, характерные для цепных реакций: генерирование активных центров (чередование заполнения мест на поверхности и их освобождение), образование активных промежут. частиц в сверхравновесных концентрациях (что способствует преодолению барьера энергетически невыгодных стадий), достижение макс. скорости реакции спустя некоторое время после ее начала. Каталитич. и цепные реакции сближает также явление кинетич. сопряжения. Если превращ. катализатора при взаимодействии с реагентами сопряжены с самой каталитич. реакцией (т. е. имеют общее промежут. вещество или активир. комплекс), становится возможным образование сверхравновесных концентраций активных центров на поверхности катализатора и др. эффекты, типичные для цепных процессов.

Основные механизмы катализа. Каталитич. процессы, обусловленные переносом электрона (окисление, восстановление, гидрирование, дегидрирование, разложение нестойких кислородсодержащих соединений), относят к окислительно-восстановительному катализу. Типичными катализаторами для них являются переходные металлы и их соед.: простые оксиды (V₂O₅, MnO₂, MoO₃, Cr₂O₃), шпинели (Fe₃O₄, CuCr₂O₄), сульфиды (MoS₂, WS₂) и др.; для реакций в растворах — соли и комплексные соед. переходных металлов. Высокая каталитич. активность этих веществ объясняется тем, что атомы переходных металлов могут существовать в разл. степенях окисления, изменение которых не требует больших энергетич. затрат. В результате перенос электрона от реагента к катализатору осуществляется легче, чем в отсутствие катализатора от восстановителя к окислителю. При одноэлектронном переходе образуются своб. радикалы, далее участвующие в реакции. Например, при переходе одного электрона от активного центра молибденового катализатора к кислороду образуется ион-радикал O₂, участвующий далее в каталитич. окислении (Mo⁵⁺ + O₂ → Mo⁶⁺ + O₂; O₂ + C_nH_m : продукт). Существует окислительно-восстановит. К. с многоэлектронным механизмом, при котором не образуются своб. радикалы в качестве промежут. частиц. Многоэлектронные переходы между катализатором и реагирующими молекулами возможны, если в активный центр катализатора входят неск. атомов переходного металла. Например, в разложении H₂O₂ активны комплексные соед., содержащие 2 иона Fe³⁺; в восстановлении мол. азота до N₂H₄ — комплексные соед., содержащие 2 или более ионов V²⁺.

К процессам кислотно-основного катализа относятся каталитич. крекинг, гидратация, дегидратация, мн. реакции изомеризации, конденсации орг. веществ. Типичные катализаторы для этого класса процессов — вещества, способные передавать или принимать протон от реагентов или же способные к гетеролитич. взаимод. с реагентами (без разделения пары электронов). Среди этих веществ — протонные (H₂SO₄, CH₃COOH, HF) и апротонные (BF₃, AlCl₃) кислоты, аморфные и кристаллич. алюмосиликаты, Al₂O₃, фосфаты, сульфаты. Активными центрами в них является протонный центр H⁺ (центр Брёнстеда ) или акцептор электронной пары, напр., атом Al (центр Льюиса). Реже применяются катализаторы основного характера (растворенные основания, твердые CaO, MgO и др.).

В случае т. наз. полифункциональных катализаторов отдельные этапы сложных каталитич. процессов окислительно-восстановительные и кислотно-основные — протекают на разных составных частях многокомпонентной многофазной системы. Например, при неполном окислении непредельных альдегидов в непредельные кислоты в присутствии оксидов Mo и V в элементарном акте происходят окислительно-восстановит. превращения катализатора:

V₂O₅ + CH₂=CHCHO → CH₂=CHCOOH + V₂O₄;

2MoO₃ + CH₂=CHCHO → CH₂=CHCOOH + Mo₂O₅;

V₂O₄ + ¹/₂ O₂ → V₂O₅, Mo₂O₅ + V₂ O₂ → 2MoO₃

Конечная стадия реакций — десорбция кислоты — происходит на поверхностях V₂O₅ и MoO₃, обладающих слабокислотными свойствами. В водных растворах каталитич. активность солей или комплексных соед. переходных металлов проявляется в определенном интервале pH. Это объясняется не только устойчивостью комплексных соед. при определенном pH, но и участием ионов H⁺ и OH⁻ в элементарных стадиях К.

Катализ в промышленности. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиац. химия, лазерная химия и др.), К. остается основой хим. производств. Относит. доля каталитич. процессов составляет 80–90% и продолжает возрастать; в общем объеме мирового пром. производства каталитич. процессы дают ок. 18% стоимости всей продукции. В неорганическом синтезе важнейшими каталитич. процессами являются производство H₂SO₄, синтез NH₃ из N₂ и H₂, производство HNO₃. В старейшем газофазном (нитрозном) способе производства H₂SO₄ окисление SO₂ в SO₃ осуществлялось в присутствии оксидов азота. В кон. 19 в. возник контактный процесс, при котором окисление SO₂ в SO₃ протекало в присутствии Pt, нанесенной на разл. носители. Впоследствии Pt была заменена V₂O₅ с добавкой K₂O и др. оксидов. Контактным способом получают десятки млн. т H₂SO₄ ежегодно.

Пром. синтез NH₃ из N₂ и H₂ был осуществлен в результате работ Ф. Габера и К. Боша в нач. 20 в. на железных катализаторах при давлениях ок. 300 атм и температуре 450–500 °C. В настоящее время используют более активные Fe-катализаторы, промотированные V₂O₅, CaO, Al₂O₃ и др. оксидами, что позволяет вести процесс при более низких давлениях и температурах. Водород для синтеза NH₃ получают путем двух последоват. каталитич. процессов: конверсии CH₄ или др. углеводородов (CH₄ + H₂O → CO + 3H₂) на Ni-катализаторах и конверсии образующегося оксида углерода (CO + H₂O → CO₂ + H₂). Для достижения высоких степеней превращения последнюю реакцию осуществляют в две стадии: высокотемпературной (315–480 °C) — на Fe-Cr-оксидных катализаторах и низкотемпературной (200–350 °C) — на Cu-Zn-оксидных катализаторах. Наиб. крупный потребитель NH₃ — производство HNO₃ окислением NH₃ до NO на Pt и Pt-Rh сетках при 900–950 °C.

В органическом синтезе широкое применение К. началось в 1-й трети 20 в. благодаря работам П. Сабатье, В. Н. Ипатьева, Н. Д. Зелинского и др. Многочисл. реакции гидрирования C=C, C≡C, C=O, NO₂-групп протекают на Ni-катализаторах, в числе которых Ni на носителях (кизельзуре, Al₂O₃) и скелетный Ni — высокопористый катализатор, получаемый выщелачиванием Ni-Al сплавов. Реже применяют Cu, Со, Pt, Pd. К крупным пром. процессам относится гидрогенизация жиров, превращ. бензола в циклогексан, нитробензола в анилин. В результате работ С. В. Лебедева и его учеников было создано производство синтетич. каучука. В его основе лежало получение мономера — бутадиена из этилового спирта по реакции 2C₂H₅OH → C₄H_б + 2H₂O + H₂ на смешанном оксидном катализаторе, сочетающем дегидратирующую, дегидрирующую и конденсирующую функции, необходимые для всех стадий реакции. Впоследствии мономеры в производстве синтетич. каучука — бутадиен, изопрен, стирол — стали получать каталитич. дегидрированием соответствующих парафинов и олефинов на Al-Cr-оксидных катализаторах. Началось пром. применение экономически еще более выгодного процесса получения мономеров окислит. дегидрированием на разл. оксидах переходных металлов (RCH₂CH₃ + ¹/₂O₂ → RCH=CH₂ + H₂O).

Широкое развитие в сер. 20 в. получили процессы каталитич. нефтепереработки; среди них — крекинг углеводородов нефти, для которого вначале основными катализаторами были аморфные алюмосиликаты, впоследствии цеолиты, отличающиеся более высокой активностью и большей селективностью по выходу парафиновых и ароматических углеводородов. Для получения высококачеств. бензинов, дизельных и реактивных топлив применяют каталитич. риформинг, алкилирование, гидрокрекинг и гидроочистку. Катализаторы риформинга — Al₂O₃, биметаллич. системы (Pt-Re на Al₂O₃), реже оксиды Mo или Cr на Al₂O₃; алкилирования — H₂SO₄, HF, AlCl₃, BF₃; гидрокрекинга (переработки высококипящих фракций нефти под давлением H₂ в низкокипящие) — Al-Со-Mo- и Al-Ni-W-системы. Близкие по составу катализаторы применяют в процессах гидроочистки, в которых под давлением H₂ тяжелые фракции нефти подвергаются обессериванию с выделением H₂S; удаляются также азот- и кислородсодержащие соед. в результате гидрогенолиза соответствующих хим. связей. В условиях гидроочистки металлич. Ni-, Со-, Mo-, W-катализаторы превращаются в сульфиды (подробнее см. в статьях каталитический крекинг, каталитический риформинг).

Каталитич. переработка угля в моторное топливо началась в 20-30-х гг. 20 в. в двух вариантах: прямая гидрогенизация угольной пасты и синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу на Co- и Fe-содержащих катализаторах. После 2-й мировой войны в связи с быстрым развитием нефтепереработки эти процессы утратили свое значение, однако затем интерес к каталитич. переработке угля возобновился в связи с начавшимся истощением запасов нефти. Появились новые катализаторы, были созданы опытно-пром. и отдельные пром. установки. Наиб. перспективен т. наз. Мобил-процесс, включающий газификацию угля, синтез метанола и послед. превращ. его в смесь углеводородов с большим выходом ароматических углеводородов C₈-C₁₂ на высококремнистых цеолитах с сечением пор, приближающимся к поперечному размеру соответствующих ароматич. молекул.

К наиб. крупнотоннажным процессам каталитич. окисления относятся: окисление этилена в этиленоксид на серебряных катализаторах, окисление метанола в формальдегид на серебре или молибдате Fe, окисление пропилена в акролеин и окислит. аммонолиз пропилена с получением акрилонитрила на молибдате Bi. Высокая селективность последних двух процессов достигается за счет введения в катализатор оксидных добавок; применяют шести- и даже восьмикомпонентные оксидные катализаторы. Из гомог. жидкофазных процессов в промышленности применяют окисление этилена в ацетальдегид в водном растворе, содержащем соли Cu и Pd, получение винилацетата окислением смеси C₂H₄ и CH₃COOH в присутствии аналогичного катализатора и др. Каталитич. полимеризация получила развитие после открытия в 50-х гг. 20 в. К. Циглером и Дж. Наттой стереоспецифич. полимеризации олефинов на галогенидах, оксидах и др. соед. металлов IV-VIII групп (Ti, Zr, V, Cr, Mo и др.) с сокатализаторами — металлоорг. соед. Al и некоторых др. металлов I-III групп. В этих процессах получают кристаллич. полиолефины с регулярной структурой — полиэтилен, полипропилен, полибутадиен и др. (подробнее см. в статьях катализаторы окисления, катализаторы полимеризации, катализаторы процессов нефтепереработки).

Каталитич. синтезы на основе CO быстро развиваются в связи с возрастающим значением ненефтяного сырья. Разработан пром. процесс получения уксусной кислоты карбонилированием метанола в присутствии очень малых количеств солей Rh. Быстро возрастает применение К. для очистки отходящих пром. газов доокислением вредных орг. примесей в CO₂ на катализаторах глубокого окисления: металлах, простых оксидах (MnO₂, Fe₂O₃), шпинелях (CuCr₂O₄, CoCr₂O₄) и др. Перспективна также разработка катализаторов, селективно удаляющих вредные серосодержащие примеси (H₂S, SO₂) из отходящих пром. газов и прир. газа. В 70-х гг. 20 в. возникло новое направление каталитич. очистки — удаление примесей из выхлопных газов автомобилей. Катализатор в дожигателях выхлопных газов должен доокислять примеси углеводородов и CO до CO₂, а также восстанавливать оксиды азота до N₂. Используют в дожигателях Pt, Pd, Rh, нанесенные на носители.

^{Лит.: Проблемы кинетики и катализа, т. 1–19, Л.-М., 1935–85; Боресков Г. К., Катализ, ч. 1–2, Новосиб., 1971; Томас Ч., Промышленные каталитические процессы и эффективные катализаторы, пер. с англ., М.. 1973; Гейтс Б., Кетцир Дж., Шуйт Г., Химия каталитических процессов, пер. с англ., М., 1981; Крылов О. В., «Кинетика и катализ», 1985, т. 26, № 2, с. 263–74; Advances in catalysis, v. 1–35, N.Y.-L, 1948–87.}

_{О. В. Крылов}

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me

---

Значения в других словарях

1. катализ — -а, м. хим. Возбуждение химической реакции или изменение ее скорости под влиянием катализатора. [От греч. κατάλυσις — роспуск] Малый академический словарь
2. катализ — катализ м. Ускорение химической реакции под влиянием некоторых веществ. Толковый словарь Ефремовой
3. Катализ — • Κατάλυσις τοῦ δήμου так называлось в Афинах ниспровержение существующего строя государства в пользу какой-нибудь другой формы правления. Словарь классических древностей
4. катализ — сущ., кол-во синонимов: 4 автокатализ 2 биокатализ 1 фотокатализ 1 электрокатализ 1 Словарь синонимов русского языка
5. Катализ — (от греч. katálysis — разрушение) изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов (См. Катализаторы)), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами… Большая советская энциклопедия
6. катализ — КАТАЛИЗ — явление самопроизвольного ускорения весьма медленно протекающих реакций. Теоретически к этой же категории должны быть отнесены все явления изменения скорости реакций в присутствии какого-либо постороннего вещества при условии… Ботаника. Словарь терминов
7. катализ — орф. катализ, -а Орфографический словарь Лопатина
8. КАТАЛИЗ — КАТАЛИЗ, изменение скорости протекания химической реакции посредством добавки вещества-КАТАЛИЗАТОРА, которое не участвует в реакции. Научно-технический словарь
9. катализ — Катализ, катализы, катализа, катализов, катализу, катализам, катализ, катализы, катализом, катализами, катализе, катализах Грамматический словарь Зализняка
10. катализ — Ката́лиз/. Морфемно-орфографический словарь
11. катализ — КАТАЛИЗ а, м. catalyse f. <�гр. katalysis прекращение. Изменение скорости химической реакции под влиянием некоторых веществ (катализаторов). БАС-1. Заимствовано из фр. яз. в 1837 г. Впервые фиксируется в «Горном журнале» 1837… Словарь галлицизмов русского языка
12. катализ — Катализа, м. [от греч. katalysis – роспуск] (хим.). Ускорение или замедление химической реакции под влиянием катализаторов. Большой словарь иностранных слов
13. КАТАЛИЗ — КАТАЛИЗ (от греч. katalysis — разрушение) — ускорение химической реакции в присутствии веществ — катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав продуктов. Большой энциклопедический словарь
14. катализ — КАТ’АЛИЗ, катализа, ·муж. (от ·греч. katalysis — роспуск) (·хим. ). Ускорение или замедление химической реакции под влиянием катализаторов. Толковый словарь Ушакова
15. катализ — КАТАЛИЗ -а; м. [от греч. katalysis — роспуск, разрушение] Хим. Возбуждение химической реакции или изменение её скорости под влиянием катализатора. ◁ Каталитический, -ая, -ое. К-ая реакция. К-ая активность. Толковый словарь Кузнецова

Катализатор — Википедия. Что такое Катализатор

Схема протекания реакции с катализатором

Катализа́тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции.

Противоположное понятие — ингибитор.

Катализаторы в химии

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный — образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества^[1]. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al₂O₃, TiO₂, ThO₂, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO^[1].

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со⁺³, V₂O₅+MoO₃). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

Если катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

В современной науке и технике часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции^[2][3]. Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня^[2].

В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

Катализаторы следует отличать от инициаторов. Например, перекиси распадаются на свободные радикалы, которые могут инициировать радикальные цепные реакции. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

Ингибиторы иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ. Отрицательный катализ в принципе невозможен: он обеспечивал бы для реакции более медленный путь, но реакция, естественно, пойдёт по более быстрому, в данном случае, не катализированному, пути.

Катализаторы в автомобилях

Задачей автомобильного катализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них:

• окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха
• углеводороды, также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счёт неполного сгорания топлива
• оксиды азота (NO и NO₂, которые часто объединяют под обозначением NO_x) — также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.^[4]

См. также

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 335, 337. — ISBN 5-85270-035-5.
2. ↑ ^{1 2} Имянитов Н. С. Системы из нескольких катализаторов в металлокомплексном катализе. // Координационная химия. 1984. — Т. 10. — № 11 — С. 1443—1454. — ISSN 0132-344X.
3. ↑ Temkin O.N., Braylovskiy S. M. / The mechanism of catalysis in homogeneous polyfunctional catalytic systems. // Fundamental Research in Homogeneous Catalysis. — Ed. by A.E. Shilov. — New York etc: Gordon and Breach Science Publishers, 1986. — Vol. Two. — P.621- 633.
4. ↑ Автомобильный катализатор и его роль в выхлопной системе. AutoRelease.ru. Архивировано 25 августа 2011 года.

Ссылки