Катализатор что это такое: Автомобильный блог | Обзоры, Тест-драйвы, ПДД и советы по обслуживание автомобилей

Катализатор — это… Что такое Катализатор?

Схема протекания реакции с катализатором

Катализа́тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции^[1]. Количество катализатора, в отличие от реагентов, после реакции не изменяется. Важно понимать, что катализатор не участвует в реакции. Они обеспечивают более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно повторяется.

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, V

2O₅+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 (Имянитов).

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]

Источники

1. ↑ ^{1 2 3} Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 335, 337. — ISBN 5-85270-035-5.
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 из первоисточника 25 августа 2011.

См. также

Ссылки

Катализатор — все статьи и новости

Катализатор — вещество, которое способствует ускорению химической реакции, однако не входит в состав продуктов этих реакций. С помощью катализатора можно осуществлять быстрые реакции при небольших температурах. Процесс, при котором осуществляется ускорение химических реакций благодаря катализаторам, называется катализ. Этот термин ввел шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1835 году. Процесс, при котором катализатором выступает один из продуктов реакции или ее исходных веществ, называют автокатализом.

Катализаторы можно разделить на два типа: гетерогенные и гомогенные. Гомогенные катализаторы находятся в одной фазе с реагирующими веществами. В качестве гомогенных катализаторов используют кислоты и основания. Гетерогенные катализаторы образуют самостоятельную фазу, которая отделена границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. К гетерогенным катализаторам можно отнести металлы, а также их оксиды и сульфиды.

У всех живых существ метаболизм зависит от биологических катализаторов, которые называются энзимами. Это молекулы РНК или белковые молекулы, а также их комплексы, которые ускоряют процесс обмена веществ, что является жизненно необходимым для живых организмов.

На действии катализаторов основываются и многие промышленные процессы. Так, при производстве аммиака в качестве катализатора выступает железо. Катализаторы также широко используются при переработке нефти и создании новых материалов, например пластмассы.

Также катализатором называют деталь выхлопной системы в автомобилях, которая снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах. Благодаря такому катализатору происходит химическая реакция, в которой участвуют такие вредные вещества, как окись углерода (CO), углеводород и оксиды азота. В результате реакции образуются оксид углерода (CO₂) и азот (N₂), которые являются менее вредными.

Вещество, которое, наоборот, замедляет реакцию, называют ингибитором.

Фото: Bdyczewski/Pixabay

Катализ и катализаторы — Энциклопедия wiki.MPlast.by

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализаторов – веществ, принимающих участие в химической реакции, но в состав конечных продуктов не входящих и в результате реакции не расходующихся.

Одни катализаторы ускоряют реакцию (

положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ). Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ.

При гомогенном (однородном) катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела. Пример гомогенного катализа – реакция окисления SO₂ и SO₃ в присутствии катализатора NO (реагирующие вещества и катализатор являются газами).

Гетерогенный катализ.

В случае гетерогенного (неоднородного) катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела.

Обычно катализатор – твердое вещество, а реагирующие вещества – жидкости или газы. Пример гетерогенного катализа – окисление NN₃ до NO в присутствии Pt (катализатор – твердое вещество).

Механизм действия катализаторов

Действие положительных катализаторов сводится к понижению энергии активации реакции Е_а(исх), действие ингибиторов – противоположное.

Так, для реакции 2HI = H₂+I₂ Е_а(исх)=184 кДж/моль. Когда же эта реакция протекает в присутствии катализатора Au или Pt, то Е_а(исх)=104 кДж/моль, соответственно.

Механизм действия катализатора при гомогенном катализе объясняется образованием промежуточных соединений между катализатором и одним из реагирующих веществ. Далее промежуточное соединение реагирует со вторым исходным веществом, в результате чего образуется продукт реакции и катализатор в первоначальном виде.

Так как скорость обоих промежуточных процессов значительно больше скорости прямого процесса, то реакция с участием катализатора протекает значительно быстрее, чем без него.

Например, реакция:

SO₂ +1/2 O₂ = SO₃ протекает очень медленно, а если использовать катализатор NO

то реакции NO +1/2О₂ = NO₂ и NO₂ +SO₂ = SO₃ +NO протекают быстро.

Механизм действия катализатора при гетерогенном катализе иной. В этом случае реакция протекает вследствие

адсорбции молекул реагирующих веществ поверхностью катализатора (поверхность катализатора неоднородна: на ней имеются так называемые активные центры, на которых и адсорбируются частицы реагирующих веществ.). Увеличение скорости химической реакции достигается, в основном, за счет понижения энергии активации адсорбированных молекул, а также, отчасти, за счет увеличения концентрации реагирующих веществ в местах, где произошла адсорбция.

Каталитические яды и промоторы.

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность катализатора, такие вещества называют каталитическими ядами. Например, небольшие примеси серы (0,1%) полностью прекращает каталитическое действие металлического катализатора (губчатого железа), использующегося при синтезе аммиака. Вещества, повышающие активность катализатора, называют промоторами. Например, каталитическая активность губчатого железа значительно возрастает при добавлении примерно 2% метаалюмината калия

KAlO₂.

Применение катализаторов

Действие катализатора избирательно и специфично. Это означает, что, применяя различные катализаторы, из одних и тех же веществ можно получить различные продукты. Это особенно характерно для реакций органических веществ. Например, в присутствии катализатора AlO₃ происходит дегидратация этилового спирта, в присутствии Cu – дегидрирование:

Биологические катализаторы, принимающие участие в сложных химических превращениях, протекающих в организме, называются ферментами.

Катализаторы широко используются в производстве серной кислоты, аммиака, каучука, пластмасс и др. веществ.

---

 

Автор: Метельский А.В
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год

Что такое катализатор и какие функции он выполняет

Выхлопные газы

Андрей Квитка, 06 ноября 2015, 12:42

Большинство автовладельцев начинают интересоваться такой деталью, как нейтрализатор, только после того, как он выходит из строя, и о его замене или ремонте сообщают в автосервисе. Это и не мудрено, так как деталь эта довольно сложная и находится в таком месте, куда автовладельцы заглядывают редко. Будучи частью выхлопной системы, катализатор расположен внизу автомобиля.

Так что же все-таки представляет собой данная деталь, которую еще называют «каталитический нейтрализатор». Исходя из этого названия, можно сделать вывод, что катализатор предназначен для нейтрализации чего-либо. Так и есть, данная деталь позволяет снизить (нейтрализовать) вредные химические соединения, которые продуцируются в процессе сгорания рабочей смеси в двигателе.

Проще говоря, катализатор убирает часть вредных выбросов, содержащихся в выхлопных газах автомобиля. Он является основной частью системы, позволяющей автопроизводителям укладываться во все ужесточаемые экологические нормы. Если раньше машин, не оборудованных катализатором, выпускалось немало, то сейчас практически в каждом новом авто есть данная деталь той или иной сложности и эффективности.

Внутри катализатор имеет сотовую металлическую конструкцию, с нанесенным на ней тонким слоем платино-иридиевого сплава. Именно это вещество является катализатором химического процесса, в результате которого наиболее вредные химические элементы выхлопных газов трансформируются во вполне безобидные N2 и CO2.

Большинство катализаторов рассчитаны на 100 тыс. км пробега автомобиля, однако существенно уменьшить срок «жизни» данной детали могут такие факторы, как низкое качество топлива и неправильная регулировка системы смесеобразования. В этих случаях соты попросту забиваются и перестают вступать в реакцию с выхлопными газами. В итоге значение вредных выбросов достигает определенного предела, после чего специальные датчики фиксирую превышение и передают на блок электронного управления автомобиля сообщение об ошибке, которое высвечивается на приборной панели в виде предупреждения «Check Engine».

Что же делать, если катализатор вышел из строя? Можно заменить его на новый оригинальный, можно поставить универсальные катализатор, а можно и вовсе убрать его из системы, поставив вместо него пламегаситель. Выбрать подходящий вариант и сделать всю работу по ремонту катализатора можно здесь: http://www.rezonator.spb.ru/service/katalizator/.

Самый дорогой вариант – поставить оригинал. Оптимальный вариант – установка универсального катализатора. Кроме того, можно вообще уделить его из выхлопной системы, установив взамен пламегаситель, который не снизит выбросы вредных веществ, но позволит выпускной системе нормально работать и без катализатора.

Что представляет собой катализатор универсального типа и его отличия от оригинального

Каталитический нейтрализатор универсального типа – это подходящее для многих моделей автомобилей, обладающих схожей работоспособностью и похожими техническими свойствами, устройство. Можно привести в пример несколько подобных характеристик:

• Объем двигателя машины.
• Мощность двигателя.
• Средний показатель экологических выбросов и др.

В автомобили обычно ставят катализаторы универсального типа, так как по набору функций они чаще всего не имеют отличий от оригинальных.

Классификация моделей по экологическим стандартам выбросов является наиболее востребованной и используемой. Все европейские автомобили, выпущенные с 2005 года, имеют класс Евро 4. Такой же класс присвоен машинам из Кореи и Америки, выпущенным с 2006 года, из России и Японии – с 2010 года, из Китая – с 2012 года. Автомобили этого класса оборудованы катализаторами подходящей марки.

Отличия оригинального катализатора (предустановленного) от универсального

Распространена точка зрения, что установленные на производстве серийные катализаторы значительно отличаются характеристиками от универсальных, на которые их заменяют. Однако подтверждений у таких мыслей нет. Напротив, многие компании, занимающиеся изготовлением каталитических нейтрализаторов, поставляют их как на заводы по серийному производству, так и в розничную продажу автозапчастей. И стоит отметить, что между ними почти нет разницы по таким показателям как:

• долговечность;
• надежность;
• прочность.

Наибольшее воздействие на каталитический нейтрализатор производит состояние мотора и характеристики топлива, используемого для заправки автомобиля.

На те машины, где катализатор и коллектор составляют единый элемент, а также на те, где корпус нейтрализатора выполнен из чугуна, установить универсальную модель не получится. Однако и из этого правила есть исключения: если в корпусе есть свободное место, а коллектор сделан из нержавеющей стали.

Определение катализатора — Химический словарь

Что такое катализатор?

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции; следовательно, катализатор может быть восстановлен химически без изменений в конце реакции, которую он использовал для ускорения, или катализатор , катализирующий .

Обсуждение

Чтобы химические вещества вступили в реакцию, их связи должны быть перегруппированы, потому что связи в продуктах отличаются от связей в реагентах.Самый медленный шаг в перегруппировке связи приводит к так называемому переходному состоянию. — химическое соединение, которое не является ни реагентом, ни продуктом, но является промежуточным звеном между ними.

Реагент ⇄ Переходное состояние ⇄ Продукт

Для формирования переходного состояния требуется энергия. Эта энергия называется энергией активации или E _a . Чтение приведенной ниже диаграммы слева направо показывает прогресс реакции, когда реагенты проходят через переходное состояние и превращаются в продукты.

Преодолевая барьер

Энергию активации можно рассматривать как барьер для химической реакции, препятствие, которое необходимо преодолеть. Если барьер высокий, немногие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы столкнуться, сформировать переходное состояние и пересечь барьер. Реагенты с энергией ниже E _a не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции, с более низким E _— .Катализаторы снижают энергетический барьер. Другой путь позволяет упростить перегруппировку связей, необходимую для превращения реагентов в продукты, с меньшими затратами энергии. В любой заданный интервал времени присутствие катализатора позволяет большей части реагентов набрать достаточно энергии, чтобы пройти через переходное состояние и стать продуктами.

Пример 1. Процесс Габера
Процесс Габера, который используется для получения аммиака из водорода и азота, катализируется железом, которое обеспечивает атомные центры, на которых связи реагентов могут легче перестраиваться с образованием переходного состояния.

N _{2 (газ)} + 3H _{2 (газ)} ⇌ 2NH _{3 (газ)}

Пример 2: Ферменты
В нашем организме и в других живых существах ферменты используются для ускорения биохимических реакций. Фермент — это разновидность катализатора. Сложная жизнь была бы невозможна без ферментов, позволяющих реакции протекать с подходящей скоростью. Формы ферментов вместе с местами на ферменте, которые связываются с реагентами, обеспечивают альтернативный путь реакции, позволяя конкретным молекулам объединяться, чтобы сформировать переходное состояние с пониженным энергетическим барьером активации.

На схеме ниже длинноцепочечный фермент обеспечивает места для молекул реагентов, которые собираются вместе, чтобы сформировать переходное состояние с низкой энергией активации.

Катализаторы не могут изменить положение химического равновесия — прямая и обратная реакции ускоряются, так что константа равновесия K _eq остается неизменной. Однако за счет удаления продуктов из реакционной смеси по мере их образования общая скорость образования продукта может быть увеличена на практике.

Что такое катализ?

Эти микроорганизмы используются для биологической очистки сточных вод. и являются хорошим примером силы катализа, — говорит Брюс Риттманн, профессор гражданского строительства. Красные порции плотно упакованы скопления бактерий, окисляющих аммоний, являющийся загрязнителем, превращая его в нитрит.Зеленые части — это небольшие скопления бактерий. которые окисляют нитрит, превращая его в менее вредный нитрат.

Что такое катализ? Катализ — это химическая реакция, вызванная катализатором. Катализатор химическая версия «свахи», потому что физически объединяет два химических вещества таким образом, что их шанс на реакцию максимально. Однако катализаторы не могут сочетать химические вещества, если нет «химия.» Вместо этого они позволяют реагировать на происходят быстрее, достаточно быстро, чтобы их можно было использовать для очистки окружающей среды или для производства химический продукт. Катализаторы бывают разных форм. Некоторые из них представляют собой пористые твердые частицы, такие как платина, родиевые и палладиевые сетки, удаляющие оксид азота из автомобиля выхлоп. Другие — это белковые молекулы, называемые ферментами, которые содержатся в в микроорганизмах.Третьи — это твердые вещества природного происхождения, такие как иксиды марганца или железа. Однако независимо от структуры катализатора, он ускоряет реакции, не изменяясь при этом. Сильная сторона Центра катализа и поверхностных исследований и Институт экологического катализа — это экспертный и научный интуиция его исследователей. В их число входят экспериментаторы, использующие различные методы изучения атомной структуры катализаторов и теоретики, которые проверяют и моделируют экспериментальные результаты. Например, используя передовые методы электронной микроскопии, Лоуренс Маркс, профессор материаловедения и инженерии, и Винаяк Дравид, доцент кафедры материаловедения и инженерии, сфотографировать электронная структура катализаторов с точностью до нанометра. Разведка отдельного след, Питер Стэр, профессор химии; Эрик Вельц, профессор химии; и Рэндалл Снурр, доцент кафедры химического машиностроения, на карте происходит со временем — с побочными продуктами реакции, а также оригинальные химикаты. Линда Бродбелт, доцент кафедры химического машиностроения; Дональд Эллис, профессор химии, физики и астрономии; Snurr; и Роберт Чжоу из UOP LLC в Дес-Плейнсе, штат Иллинойс, смоделировал эти атомные и субатомные изменения на компьютерах, сбор информации о кластерах и о том, как их электроны ведут себя. — М.М. ВЕРНУТЬСЯ К ИСТОРИИ ПАРАМЕТРОВ

Катализ — обзор | Темы ScienceDirect

3.1 Введение

Катализ часто осуществляется на материалах в наноразмерном режиме, и, таким образом, высокие достижения науки о катализе за последние несколько десятилетий могут быть тесно связаны с достижениями в нанотехнологиях. Наука о катализе растет в геометрической прогрессии по мере того, как новые методы и стратегии для производства функционально продвинутых и структурно сложных катализаторов входят в арсенал как химиков, так и инженеров. Мокрая химия, а также синтетические инструменты и методы, используемые в них, оказались полезными платформами для выполнения наиболее важной задачи в науке о катализе, разработки и производства активных и селективных катализаторов.

Сложность — один из ключевых элементов, которым у природы были миллионы лет, чтобы развить свои ферментативные каталитические схемы. За счет усложнения химии и структуры ферментов в живых клетках достигается беспрецедентный уровень каталитической селективности. Это схема, которая должна быть смоделирована в науке о катализе и, следовательно, может быть реализована с помощью методов и стратегий в наборе инструментов нанотехнологии. Конечная цель — получить востребованные химические вещества со 100% селективностью и максимально возможной каталитической эффективностью. Путь к этой цели лежит через химическую и структурную сложность, которая достижима с помощью коллоидной химии.

Здравый смысл подсказывает нам, что координация и кристаллографическое завершение ансамблей на поверхностях должны каким-то образом диктовать каталитическое действие, что часто считается само собой разумеющимся в гетерогенном катализе. Основные вопросы заключаются в том, как эти молекулярные факторы превращаются в их микроскопические аналоги и как их можно использовать для дальнейшего улучшения каталитических свойств. Факторы, проявляющиеся в микроскопическом мире, — это размер, морфология, состав и архитектура.Размер и морфология частиц сильно коррелируют с координацией и кристаллографическим завершением, в то время как состав и архитектура являются проявлениями поверхностного ансамбля.

Размер, морфология, состав и архитектура наночастиц теперь можно контролировать с такой высокой однородностью, что катализаторы, изготовленные из таких наночастиц, демонстрируют уникальные каталитические свойства, которые до сих пор невозможно было наблюдать. В результате были зарегистрированы многочисленные примеры улучшенных каталитических свойств и даже тенденций в каталитическом поведении для широкого спектра каталитических реакций за годы, последовавшие за революцией в нанотехнологиях.

Мокрая химия, однако, не безгранична по своим возможностям и возможностям; например, в настоящее время он не предлагает какого-либо жизнеспособного синтетического решения для производства ультрамалых частиц, которые еще не интегрированы в единую картину химии коллоидов, поверхности и межфазной границы. Другой способ, которым коллоидная химия не может обеспечить, — это общие синтетические пути получения монометаллических или многокомпонентных наночастиц оксифильных элементов, которые обычно относятся к переходным металлам первой и ранней групп.И, наконец, роль защитных и направляющих агентов не установлена. Хотя можно утверждать, что лиганды могут быть использованы в пользу гомогенного катализа в гетерогенной схеме, это еще предстоит продемонстрировать и поместить в общий и систематический контекст, который аналогичен одноцентровым металлоорганическим катализаторам.

Определение характеристик in situ — это вход в динамичный мир катализа. Это особенно важно с точки зрения коллоидно-химического синтеза, потому что коллоидно полученные наночастицы обычно кинетически захватываются в своих синтезированных формах и, таким образом, являются метастабильными в условиях давления, температуры и времени каталитических реакций.Аналогичным образом оксиды с большой площадью поверхности, часто используемые в качестве сокатализаторов и носителей, а также продукты сольвотермического синтеза, подвергаются кристаллографическим и морфологическим превращениям в термических условиях и в условиях химически активного газа. В конце концов, катализ — это динамический процесс, который имеет тенденцию изменять поверхностные и объемные свойства нанокатализаторов.

Инструменты и методы in situ служат для определения молекулярных факторов, которые управляют каталитическими процессами, и помогают понять их связь с каталитическими свойствами и механизмом реакции в условиях, подходящих для катализа. Поверхностная чувствительность, элементный и химический состав, а также высокое пространственное и временное разрешение являются ключевыми характеристиками идеального зонда in situ. Тем не менее, не существует технологии, позволяющей удовлетворить все эти потребности одновременно. Серьезной задачей является разработка методов, которые позволили бы исследовать отдельные каталитические центры и измерять отдельные каталитические события и обороты реакций, которые ожидают внимания ученых в этой области.

Комбинаторные стратегии необходимы для оценки бесконечно большого пула нанокатализаторов, которые благодаря коллоидной химии становятся доступными для катализа.На сегодняшний день комбинаторная методология коллоидной химии неизвестна, а общие протоколы производства нанокатализаторов не разработаны. В этом направлении коллоидный синтез наночастиц с компьютерным управлением является развивающейся областью в зачаточном состоянии и потенциально может стать локомотивом как для коллоидной химии, так и для ее приложений в области катализа.

В этой главе книги рассматриваются вопросы о том, какую пользу в области катализа принесла коллоидная химия, и какие задачи ждут дальнейшего прогресса и развития этой области.В первой части будут представлены молекулярные факторы катализа, связанные с размером, морфологией, составом и архитектурой наночастиц коллоидной химии. Во второй части будут обсуждаться примеры корреляций структур-функций за последнее десятилетие с использованием химически приготовленных нанокатализаторов в широком диапазоне каталитических реакций. Также в этой части используются инструменты и методы in situ, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия при атмосферном давлении (APXPS), спектроскопия поглощения рентгеновских лучей in situ (XAS) и просвечивающая электронная микроскопия in situ / окружающей среды (ETEM) Будет объяснена химия поверхности и области катализа.В последнем разделе будут представлены грандиозные проблемы мокрого химического синтеза в отношении единой и обобщенной картины нанокатализа, которая еще не наступила.

12.7 Катализ — химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните функцию катализатора с точки зрения механизмов реакции и диаграмм потенциальной энергии
• Перечислить примеры катализа в природных и промышленных процессах

Мы видели, что скорость многих реакций может быть увеличена с помощью катализаторов.Катализатор ускоряет скорость реакции за счет снижения энергии активации; кроме того, катализатор регенерируется в процессе. Некоторые реакции, которые являются термодинамически благоприятными в отсутствие катализатора, протекают с разумной скоростью только при наличии катализатора. Одной из таких реакций является каталитическое гидрирование, процесс, при котором водород добавляют через связь C = C алкена с получением насыщенного алканового продукта. Сравнение диаграмм координат реакции (также известных как энергетические диаграммы) для каталитического и некаталитического гидрирования алкена показано на рисунке 1.

Рис. 1. На этом графике сравниваются координаты реакции каталитического и некаталитического гидрирования алкена.

Катализаторы функционируют, обеспечивая альтернативный механизм реакции, который имеет более низкую энергию активации, чем в отсутствие катализатора. В некоторых случаях каталитический механизм может включать дополнительные этапы, как показано на диаграммах реакций, показанных на рисунке 2. Эта более низкая энергия активации приводит к увеличению скорости, как описано уравнением Аррениуса.Обратите внимание, что катализатор снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции и, следовательно, ускоряет как прямую, так и обратную реакции . Следовательно, присутствие катализатора позволит системе быстрее достичь равновесия, но не влияет на положение равновесия, что отражается в значении его константы равновесия (см. Следующую главу о химическом равновесии).

Рис. 2. Эта диаграмма потенциальной энергии показывает влияние катализатора на энергию активации.Катализатор обеспечивает другой путь реакции с более низкой энергией активации. Как показано, каталитический путь включает двухступенчатый механизм (обратите внимание на наличие двух переходных состояний) и промежуточный вид (представленный долиной между двумя переходными состояниями).

Пример 1

Использование диаграмм реакций для сравнения каталитических реакций
Две диаграммы здесь представляют одну и ту же реакцию: одна без катализатора, а другая с катализатором. Определите, какая диаграмма предполагает наличие катализатора, и определите энергию активации катализированной реакции:

Раствор
Катализатор не влияет на энергию реагента или продукта, поэтому этими аспектами диаграмм можно пренебречь; они, как и следовало ожидать, идентичны в этом отношении.Однако есть заметная разница в переходном состоянии, которое на диаграмме (b) заметно ниже, чем на (a). Это указывает на использование катализатора на диаграмме (b). Энергия активации — это разница между энергией исходных реагентов и переходного состояния — максимум на координатной диаграмме реакции. Реагенты имеют концентрацию 6 кДж, а переходное состояние — 20 кДж, поэтому энергию активации можно рассчитать следующим образом:

[латекс] E _ {\ text {a}} = 20 \; \ text {kJ} \; — \; 6 \; \ text {kJ} = 14 \; \ text {kJ} [/ latex]

Проверьте свои знания
Определите, какая из двух диаграмм (обе для одной и той же реакции) включает катализатор, и определите энергию активации для катализированной реакции:

Ответ:

Диаграмма (b) представляет собой каталитическую реакцию с энергией активации около 70 кДж.

Гомогенный катализатор присутствует в той же фазе, что и реагенты. Он взаимодействует с реагентом с образованием промежуточного вещества, которое затем разлагается или вступает в реакцию с другим реагентом на одной или нескольких стадиях для регенерации исходного катализатора и образования продукта.

В качестве важной иллюстрации гомогенного катализа рассмотрим озоновый слой Земли. Озон в верхних слоях атмосферы, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения, образуется, когда молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и вступают в реакцию:

[латекс] 3 \ text {O} _2 (g) \; {\ xrightarrow {hv}} \; 2 \ text {O} _3 (g) [/ latex]

Озон — относительно нестабильная молекула, которая разлагается с образованием двухатомного кислорода по обратному этому уравнению.Эта реакция разложения соответствует следующему механизму:

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {O} _3 & \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em ] \ text {O} \; + \; \ text {O} _3 & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

Присутствие оксида азота NO влияет на скорость разложения озона. Оксид азота действует как катализатор по следующему механизму:

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _3 (g) & \ text {NO} _2 (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] \ text {O} _3 (g) & \ text {O} _2 (g) \; + \; \ text {O} (g) \\ [0.5em] \ text {NO} _2 (g) \ ; + \; \ text {O} (g) & \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \ end {array} [/ latex]

Общее химическое изменение для каталитического механизма такое же, как:

[латекс] 2 \ text {O} _3 (g) \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 (g) [/ latex]

Оксид азота реагирует и регенерируется в этих реакциях. Он не расходуется постоянно; таким образом, он действует как катализатор. Скорость разложения озона выше в присутствии оксида азота из-за каталитической активности NO.Некоторые соединения, содержащие хлор, также катализируют разложение озона.

Марио Х. Молина

Нобелевскую премию по химии 1995 года разделили Пол Дж. Крутцен, Марио Дж. , Молина (рис. 3) и Ф. Шервуд Роуленд «за их работы в области химии атмосферы, особенно в отношении образования и разложения озона». Молина, гражданин Мексики, выполнял большую часть своей работы в Массачусетском технологическом институте (MIT).

Рисунок 3. (a) Мексиканский химик Марио Молина (1943 -) разделил Нобелевскую премию по химии в 1995 году за исследование (b) озоновой дыры в Антарктике. (Фото а: любезно предоставлено Марио Молиной; кредит б: модификация работы НАСА)

В 1974 году Молина и Роуленд опубликовали статью в журнале Nature (одна из основных рецензируемых публикаций в области науки) с подробным описанием угроза хлорфторуглеродных газов стабильности озонового слоя в верхних слоях атмосферы Земли. Озоновый слой защищает Землю от солнечного излучения, поглощая ультрафиолетовый свет.Поскольку химические реакции истощают количество озона в верхних слоях атмосферы, над Антарктидой образуется измеримая «дыра», и увеличение количества солнечного ультрафиолетового излучения, во многом связанное с распространением рака кожи, достигает поверхности Земли. Работа Молины и Роуленда сыграла важную роль в принятии Монреальского протокола, международного договора, подписанного в 1987 году, который успешно начал поэтапное прекращение производства химикатов, связанных с разрушением озона.

Молина и Роуленд продемонстрировали, что атомы хлора из химических веществ, созданных человеком, могут катализировать разрушение озона в процессе, аналогичном процессу, с помощью которого NO ускоряет разрушение озона.Атомы хлора образуются, когда хлороуглероды или хлорфторуглероды, которые когда-то широко использовались в качестве хладагентов и пропеллентов, фотохимически разлагаются ультрафиолетом или реагируют с гидроксильными радикалами. Здесь показан пример механизма с использованием хлористого метила:

[латекс] \ text {CH} _3 \ text {Cl} \; + \; \ text {OH} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {other \; продукты } [/ латекс]

Хлорные радикалы разрушают озон и регенерируются в следующем каталитическом цикле:

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _3 & \ text {ClO} \; + \; \ текст {O} _2 \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} & \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ text {total \; Реакция: \; O} _3 \; + \; \ text {O} & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

Один одноатомный хлор может расщепить тысячи молекул озона. К счастью, большая часть атмосферного хлора существует в виде каталитически неактивных форм Cl ₂ и ClONO ₂ .

После получения своей части Нобелевской премии Молина продолжил свою работу в области химии атмосферы в Массачусетском технологическом институте.

Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

Ферменты в организме человека действуют как катализаторы важных химических реакций клеточного метаболизма.Таким образом, дефицит определенного фермента может привести к опасному для жизни заболеванию. Дефицит G6PD (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), генетическое заболевание, которое приводит к нехватке фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, является наиболее распространенной недостаточностью фермента у людей. Этот фермент, показанный на рисунке 4, является ферментом, ограничивающим скорость метаболического пути, который поставляет НАДФН в клетки (рисунок 5).

Рисунок 4. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — это фермент, ограничивающий скорость метаболического пути, который доставляет НАДФН в клетки.

Нарушение этого пути может привести к снижению содержания глутатиона в эритроцитах; как только весь глутатион израсходован, ферменты и другие белки, такие как гемоглобин, становятся уязвимыми. Например, гемоглобин может метаболизироваться до билирубина, что приводит к желтухе — состоянию, которое может стать серьезным. Люди, страдающие дефицитом G6PD, должны избегать определенных продуктов и лекарств, содержащих химические вещества, которые могут вызвать повреждение их эритроцитов с дефицитом глутатиона.

Рисунок 5. В механизме пентозофосфатного пути G6PD катализирует реакцию, регулирующую NAPDH, кофермент, регулирующий глутатион, антиоксидант, защищающий эритроциты и другие клетки от окислительного повреждения.

Гетерогенный катализатор представляет собой катализатор, который находится в другой фазе (обычно твердой), чем реагенты. Такие катализаторы обычно функционируют, создавая активную поверхность, на которой может происходить реакция. Газовые и жидкофазные реакции, катализируемые гетерогенными катализаторами, происходят на поверхности катализатора, а не внутри газовой или жидкой фазы.

Гетерогенный катализ имеет не менее четырех этапов:

1. Адсорбция реагента на поверхности катализатора
2. Активация адсорбированного реагента
3. Реакция адсорбированного реагента
4. Диффузия продукта с поверхности в газовую или жидкую фазу (десорбция).

Любой из этих шагов может быть медленным и, таким образом, может служить шагом определения скорости. Однако в целом в присутствии катализатора общая скорость реакции выше, чем если бы реагенты находились в газовой или жидкой фазе.

На рис. 6 показаны этапы, которые, по мнению химиков, происходят в реакции соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь, с водородом на никелевом катализаторе. Никель — это катализатор, используемый при гидрировании полиненасыщенных жиров и масел (которые содержат несколько двойных углерод-углеродных связей) для получения насыщенных жиров и масел (которые содержат только одинарные углерод-углеродные связи).

Рис. 6. Есть четыре стадии катализа реакции C ₂ H ₄ + H ₂ ⟶C ₂ H ₆ никелем.(а) Водород адсорбируется на поверхности, разрывая связи H – H и образуя связи Ni – H. (б) Этилен адсорбируется на поверхности, разрывая π-связь и образуя связи Ni – C. (c) Атомы диффундируют по поверхности и при столкновении образуют новые связи C – H. (d) C ₂ H ₆ молекул ускользают с поверхности никеля, так как они не сильно притягиваются к никелю.

Другие важные промышленные процессы, в которых используются гетерогенные катализаторы, включают получение серной кислоты, получение аммиака, окисление аммиака до азотной кислоты и синтез метанола, CH ₃ OH.Гетерогенные катализаторы также используются в каталитических нейтрализаторах большинства автомобилей с бензиновым двигателем (рис. 7).

Автомобильные каталитические преобразователи

Ученые разработали каталитические нейтрализаторы для уменьшения количества токсичных выбросов, производимых при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания. Каталитические нейтрализаторы используют все пять факторов, влияющих на скорость химических реакций, чтобы обеспечить максимальную безопасность выхлопных газов.

Используя тщательно подобранную смесь каталитически активных металлов, можно добиться полного сгорания всех углеродсодержащих соединений до диоксида углерода, а также снизить выход оксидов азота.Это особенно впечатляет, если учесть, что один этап включает добавление кислорода к молекуле, а другой — удаление кислорода (рис. 7).

Рисунок 7. Каталитический нейтрализатор позволяет сжигать все углеродсодержащие соединения до диоксида углерода, одновременно снижая выход оксида азота и других загрязняющих веществ в выбросы бензиновых двигателей.

Большинство современных трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов имеют поверхность, пропитанную платино-родиевым катализатором, который катализирует превращение оксида азота в диазот и кислород, а также превращение оксида углерода и углеводородов, таких как октан, в диоксид углерода и водяной пар:

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} 2 \ text {NO} _2 (g) & \ text {N} _2 (g) \; + \; 2 \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {CO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) & 2 \ text {CO} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {C} _8 \ текст {H} _ {18} (g) \; + \; 25 \ text {O} _2 (g) & 16 \ text {CO} _2 (g) \; + \; 18 \ text {H} _2 \ текст {O} (g) \ end {array} [/ latex]

Для обеспечения максимальной эффективности большинство каталитических нейтрализаторов предварительно нагревается электронагревателем. Это гарантирует, что металлы в катализаторе будут полностью активными даже до того, как выхлопные газы автомобиля станут достаточно горячими для поддержания соответствующих температур реакции.

«ChemWiki» Калифорнийского университета в Дэвисе дает подробное объяснение того, как работают каталитические нейтрализаторы.

Структура и функции фермента

Изучение ферментов — важная взаимосвязь между биологией и химией. Ферменты обычно представляют собой белки (полипептиды), которые помогают контролировать скорость химических реакций между биологически важными соединениями, особенно теми, которые участвуют в клеточном метаболизме. Различные классы ферментов выполняют множество функций, как показано в Таблице 36.

Класс	Функция
оксидоредуктазы	окислительно-восстановительные реакции
трансферазы	перенос функциональных групп
гидролазы	реакции гидролиза
лиаз	удаление группы с образованием двойных связей
изомеразы	изомеризация
лигасов	образование связи при гидролизе АТФ
Таблица 36. Классы ферментов и их функции

Молекулы фермента обладают активным центром, частью молекулы, форма которой позволяет ей связываться с определенным субстратом (молекулой реагента), образуя комплекс фермент-субстрат в качестве промежуточного продукта реакции. Есть две модели, которые пытаются объяснить, как работает этот активный сайт. Самая упрощенная модель называется гипотезой замка и ключа, которая предполагает, что молекулярные формы активного центра и субстрата дополняют друг друга и подходят друг к другу, как ключ в замке.Гипотеза индуцированной подгонки, с другой стороны, предполагает, что молекула фермента является гибкой и меняет форму, чтобы приспособиться к связи с субстратом. Однако это не означает, что активный центр фермента полностью податлив. И модель «замок-и-ключ», и модель индуцированного соответствия учитывают тот факт, что ферменты могут связываться только с определенными субстратами, поскольку в целом конкретный фермент катализирует только конкретную реакцию (рис. 8).

Рис. 8. (a) Согласно модели с замком и ключом, форма активного центра фермента идеально подходит для субстрата.(б) Согласно модели индуцированной подгонки, активный центр в некоторой степени гибок и может изменять форму, чтобы соединиться с подложкой.

Королевское химическое общество представляет собой прекрасное введение в ферменты для студентов и преподавателей.

Катализаторы влияют на скорость химической реакции, изменяя ее механизм, чтобы обеспечить более низкую энергию активации. Катализаторы могут быть гомогенными (в той же фазе, что и реагенты) или гетерогенными (отличная от реагентов фаза).

Химия: упражнения в конце главы

1. Учитывать увеличение скорости реакции, вызванное катализатором.
2. Сравните функции гомогенных и гетерогенных катализаторов.
3. Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: Атомы хлора, образующиеся в результате разложения хлорфторметанов, например CCl ₂ F ₂ , катализируют разложение озона в атмосфере. Один из упрощенных механизмов разложения:
   [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \ \ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {Cl} \; {\ longrightarrow} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {ClO} \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

   (а) Объясните, почему атомы хлора являются катализаторами газофазного превращения:

   [латекс] 2 \ text {O} _3 \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 [/ latex]

   (b) Оксид азота также участвует в разложении озона по механизму:

   [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {NO} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} _2 \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ текст {NO} _2 \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

   Является ли NO катализатором разложения? Поясните свой ответ.

4. Для каждой из следующих пар диаграмм реакций укажите, какая из пары катализируется:

   (а)
   

   (б)
   

5. Для каждой из следующих пар диаграмм реакций укажите, какая из пар катализируется:

   (а)
   

   (б)
   

6. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E _a ) реакции:

   (а)
   

   (б)
   

7. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E _a ) реакции:

   (а)
   

   (б)
   

8. На основании диаграмм в упражнении 6 «Химия» в конце главы, какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?
9. На основании диаграмм в упражнении 7 «Химия» в конце главы, какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?

Глоссарий

катализатор гетерогенный

катализатор присутствует в фазе, отличной от фазы реагентов, обеспечивая поверхность, на которой может происходить реакция

гомогенный катализатор

Катализатор

присутствует в той же фазе, что и реагенты

Решения

Ответы на упражнения по химии в конце главы

1.Общий способ действия катализатора заключается в обеспечении механизма, с помощью которого реагенты могут легче объединяться, выбирая путь с более низкой энергией реакции. Скорость как прямой, так и обратной реакции увеличивается, что приводит к более быстрому достижению равновесия.

3. (a) Атомы хлора являются катализатором, потому что они реагируют на второй стадии, но регенерируются на третьей стадии. Таким образом, они не расходуются, что характерно для катализаторов. (б) NO является катализатором по той же причине, что и в части (а).

5. Понижение энергии переходного состояния указывает на действие катализатора. а) А; (б) B

7. Энергия, необходимая для перехода из начального состояния в переходное, составляет: а) 10 кДж; (б) 10 кДж

9. У обоих одинаковая энергия активации, поэтому у них одинаковая скорость.

Catalyst Примеры, типы и функции | Что такое катализатор? — Видео и стенограмма урока

Каталитические нейтрализаторы, используемые в автомобилях, содержат металлическую платину, которая катализирует превращение токсичного газообразного монооксида углерода в диоксид углерода.

Типы катализаторов

Существует два основных типа катализаторов — гомогенные катализаторы и гетерогенные катализаторы. Эти классификации зависят от того, образует ли катализатор гомогенную (или однородную) смесь с реагентами или гетерогенную смесь (в которой можно легко различить отдельные компоненты). Если смесь гомогенная, говорят, что катализатор принадлежит к той же самой смеси. фаза в качестве реагентов.Давайте подробнее рассмотрим эти типы катализаторов, а также некоторые примеры катализаторов каждого типа.

Гомогенные катализаторы

Гомогенные катализаторы — это катализаторы, которые находятся в той же фазе, что и реагенты, с которыми они взаимодействуют. Это может означать либо то, что катализатор находится в том же состоянии вещества (твердое, жидкое или газообразное), что и реагенты, и хорошо перемешан, либо что он может растворяться в растворе с реагентами.

Хорошо известным примером гомогенного катализатора являются хлорфторуглероды (CFC).ХФУ — это газы, которые могут катализировать разложение газообразного озона (O3) в газообразный кислород (O2) в атмосфере. Поскольку ХФУ находятся в той же фазе, что и озон, они считаются однородными. Эта реакция катализа имеет большое значение, потому что газообразный озон играет важную роль в защите Земли от вредного ультрафиолетового излучения, и, расщепляя газообразный озон, ХФУ (которые когда-то широко использовались в аэрозолях и холодильниках) могут нанести необратимый ущерб защитному озону. слой.

Гетерогенные катализаторы

В отличие от гомогенных катализаторов, гетерогенные катализаторы занимают фазу, отличную от фазы реагентов, с которыми они взаимодействуют, поэтому они взаимодействуют с реагентами противоположным образом, а не однородно.Это может включать катализатор в другом состоянии вещества по сравнению с реагентами (например, твердый катализатор для жидких реагентов) или катализатор, который не растворяется в реагентах. Поскольку они не полностью смешиваются с реагентами, их также называют поверхностными катализаторами.

Одним из важных гетерогенных катализаторов является металлический никель, который часто используется в качестве катализатора для гидрирования двойных углерод-углеродных связей (например, при производстве гидрогенизированных жиров). Например, никелевый катализатор используется для ускорения процесса реакция между растительным маслом и водородом с образованием маргарина (гидрогенизированного жира.)

Катализатор: примеры

Хотя мы уже обсудили несколько примеров каталитических реакций, существует много более важных применений катализаторов в большом разнообразии биологических, коммерческих и промышленных процессов. Еще несколько примеров катализаторов включают железо

• , используемое в качестве катализатора для синтеза аммиака из азота и водорода посредством процесса Габера.
• Цеолиты — обычно используются в качестве катализаторов органических реакций, таких как крекинг нефти и синтез углеводородов.
• Пятиокись ванадия (V2O5) — важный катализатор, используемый в производстве серной кислоты посредством контактного процесса.

Резюме урока

Катализатор — это вещество, которое может ускорить реакцию, но не расходуется в процессе. Термин происходит от греческого слова katalyien , что означает — растворяться. Катализаторы работают за счет снижения энергии активации — то есть энергетического состояния, необходимого для начала реакции — путем образования временных слабых связей с молекулами реагентов.Однако к концу реакции эти связи теряются, и катализатор возвращается в исходное состояние, поэтому в катализаторе не происходит чистого изменения . Многие хорошо известные примеры катализаторов — это ферменты , , биологические катализаторы, обнаруженные в живых организмах.

В зависимости от фазы , занятой катализатором при смешивании с реагентами, ее можно разделить на два типа. Это два типа —

• Гомогенные катализаторы — катализаторы, которые занимают ту же фазу, что и реагенты.Например. Хлорфторуглероды, катализирующие разложение газообразного озона.
• Гетерогенные катализаторы — катализаторы, которые находятся в фазе, отличной от фазы реагентов, с которыми они взаимодействуют. Например. Металлический никель при гидрировании растительных масел в маргарин.

Существует множество катализаторов, имеющих важное биологическое, коммерческое и промышленное применение. Некоторые дополнительные примеры катализаторов и реакций, в которых они участвуют, включают —

• Железо — производство аммиака с помощью процесса Габера.
• Цеолиты — органические реакции, такие как крекинг нефти и синтез углеводородов.
• Пятиокись ванадия (V2O5) — производство серной кислоты посредством контактного процесса.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, называемое энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления во время реакции, оно называется катализатором или катализатором .Действие катализатора называется , катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции. При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах.В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях. В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей.Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение. Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в обращение в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что некоторые химические вещества ускоряют реакцию.Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих говорил о «контактных процессах», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии». Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, получившая название лампы Дёберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом общей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции. Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их. Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии. Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Катализаторы гетерогенные

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. ^[1] Химические связи в субстрате становятся достаточно ослабленными для создания новых связей. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены.Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Гомогенные катализаторы

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ).Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются. Вот некоторые из простейших реакций.

Cl • + O ₃ → ClO • + O ₂

ClO • + O ₃ → Cl • + 2 O ₂

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах.Большинство ферментов представляют собой белки, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, названные дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью. Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией.Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что катализированный путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо большей скоростью, определенными способами или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции. Они не влияют на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей измерения «каталитической активности» катализатора в системе СИ является катал (моль в секунду).В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON). В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным.Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его. Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. ^[2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей.«Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление окиси углерода до двуокиси углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Другие примеры катализаторов и их применения следующие.

• Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.

• Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях с помощью метода, известного как контактный процесс .

• Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших молекул углеводорода на более простые — процесса, известного как крекинг .

• Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализаторами , а их действие называется биокатализом .

• Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.

• Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта. Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.

• Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.

• Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Список литературы

1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества. В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Что такое катализатор? | Блог словаря Macmillan

Происхождение слова

С точки зрения значения вещества, которое «ускоряет химическую реакцию, но само остается неизменным» (2), катализатор использовался в английском языке в 1902 году и, похоже, был образован по аналогии с словом «аналитик»: так точно так же, как аналитик был получен из анализа и анализа , катализатор был получен из катализатора и катализ .

К 1943 году катализатор вышел за рамки своего первоначального узкого значения в отношении химии и стал использоваться в более общем, метафорическом смысле (1).

Прилагательное форма катализатор — катализатор . Греческий корень слова cattic состоял из комбинации «ката», что означает «вниз», и «lyein», что означает «ослабление». Это слияние привело к появлению «каталийин», что означает «растворяться», и, в конечном итоге, «каталитикос», «способность растворяться». Латинизированная форма греческого «каталитикос» была записана в 1836 году.

Родственные слова: катализ, катализатор, каталитический, каталитический .

Примеры

«Заместитель начальника сил обороны Австралии, вице-адмирал Раймонд Григгс, сказал, что прошлогодние свидетельства послужили« очень важным катализатором перемен »» Guardian. 6 марта 2017: Кристофер Кнаус. Разоблачения злоупотреблений в отношении курсантов австралийских военных были «катализатором перемен». (1)

«Так же, как Золушка из бедного подростка превратилась в великолепную принцессу с помощью небольшого волшебства, ученые Университета им.Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США превратила обычный металл в полезный катализатор для широкого класса реакций, роль которого ранее отводилась дорогим драгоценным металлам ». Science Daily. 26 мая 2017 г .: Ученые превращают ванадий в полезный катализатор гидрирования. (2)

«В этот день 1895 года: запускается катализатор кончины Оскара Уайльда».