Катализ - определение, механизм, типы, характеристики

Для завершения большинства естественных и искусственных реакций требуется много времени. Для ускорения процесса необходимо добавить материал, известный как катализатор. Таким образом, катализ — это процесс ускорения реакции. Давайте подробнее рассмотрим катализ, катализаторы и значение химии поверхности в этом процессе.

Что такое Катализ?

A catalyst is a substance that can speed up and slow down a chemical reaction without being consumed at the end of the reaction, which is known as catalysis.

Катализ - это увеличение скорости химической реакции, вызванное включением катализатора, который не расходуется в катализируемой реакции и может действовать многократно. Этот эффект обычно может быть достигнут с помощью небольшого количества катализатора. Катализатор в катализируемых процессах обычно вступает в реакцию с образованием переходного промежуточного продукта, который затем регенерирует первоначальный катализатор в циклическом процессе.

Механизм катализа

Общая свободная энергия от реагентов к продуктам не меняется в присутствии катализатора, поскольку для достижения переходного состояния требуется меньше свободной энергии. Катализатор можно использовать в ряде различных химических реакций. Добавление ингибиторов (ограничивающих каталитическую активность) или промоторов (повышающих каталитическую активность) может изменить действие катализатора (которые повышают активность, а также влияют на температуру реакции).

При той же температуре и той же концентрации реагентов катализируемые реакции имеют более низкую энергию активации (ограничивающая скорость свободная энергия активации), чем некатализируемые реакции, что приводит к более высокой скорости реакции. Скорость реакции, как и любой другой химической реакции, определяется частотой, с которой реагенты вступают в контакт в определяющей скорость фазе.

Обычно катализатор участвует в самой медленной стадии. Скорость реакции определяется количеством используемого катализатора. Хотя катализаторы не расходуются во время реакции, более поздние процессы могут ингибировать, деактивировать или разрушать их.

Типы катализа

Можно условно классифицировать следующие типы каталитических реакций.

Гомогенный катализ: Когда реагенты и катализатор находятся в фазе друг с другом (т.е. твердые, жидкие или газообразные). Утверждается, что катализ является гомогенным.

Некоторые примеры гомогенного катализа перечислены ниже.

• В методе со свинцовой камерой диоксид серы окисляют до триоксида с помощью кислорода в присутствии оксидов азота в качестве катализатора.

2SO ₂ (г) + O ₂ (г) → 2SO ₃ (г) (в присутствии NO (г))

Реагенты, продукты и катализаторы находятся в одной и той же фазе или газообразном состоянии.

• Гидролиз сахара катализируется ионами H+, продуцируемыми серной кислотой.

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ (ж) + H ₂ O (ж) → C ₆ H ₁₂ O ₆ (ж) + C ₂ H ₁₂ O ₆ (ж) (в присутствии H ₂ SO ₄ (ж))

Гетерогенный катализ: Гетерогенный катализ представляет собой каталитический процесс, в котором реагенты и катализаторы находятся в различных фазах.

Ниже приведены некоторые примеры гетерогенного катализа.

• В контактном методе синтеза серной кислоты проводят окисление диоксида серы в триоксид серы с металлической платиной или пятиокисью ванадия в качестве катализатора. В то время как реагенты являются газообразными, катализатор является твердым.

SO ₂ (г) + O ₂ (г) → 2SO ₃ (г) (в присутствии Pt(s))

• В процессе Габера азот и водород объединяются для получения аммиака в присутствии мелкодисперсного железа.

N ₂ (г) + 3H ₂ (г) → 2NH ₃ (г) (в присутствии Fe(s))

• В методе Оствальда аммиак превращается в оксид азота в присутствии платиновой сетки в качестве катализатора.

4NH ₃ (г) + 5O ₂ (г) → 4NO (г) + 6H ₂ (г) (в присутствии Pt(s))

Положительный катализ: когда инородное вещество ускоряет скорость реакции, его называют положительным катализатором, а явление известно как положительные катализаторы.

Ниже приведены некоторые примеры положительного катализа.

• Разложение H ₂ O ₂ в присутствии коллоидной платины.

2H ₂ O ₂ (ж) → 2H ₂ O (ж) + O ₂ (г) (в присутствии Pt)

Отрицательный катализ: некоторые вещества при добавлении в реакционную смесь замедляют, а не ускоряют скорость реакции. В этом процессе используются отрицательные катализаторы или ингибиторы, которые известны как отрицательный катализ.

Ниже приведены некоторые примеры негативного катализа.

• Если к хлороформу добавить немного спирта, то окисление воздухом замедлится.

2CHCl ₃ (ж) + O ₂ (г) → 2COCl ₂ (г) + 2HCl (г) (в присутствии спирта (ж))

Автокатализ:

Один из продуктов действует как катализатор в некоторых процессах. Реакция вначале протекает медленно, но после образования продуктов скорость реакции увеличивается. Автокатализ - это термин для такого типа событий.

Некоторые примеры гомогенного катализа перечислены ниже.

• Когда азотную кислоту выливают на медь, реакция сначала идет медленно, но быстро ускоряется из-за образования азотистой кислоты, которая действует в процессе как автокатализатор.

Кислотно-щелочной катализ:

Ионы Н ⁺ или ОН- ^, по Аррениусу и Оствальду, действуют как катализаторы.

• Превращение ацетона в диацетоновый спирт,

CH ₃ COCH ₃ (ж) +CH ₃ COCH ₃ (ж) → CH ₃ COCH ₂ .C(CH ₃ ) ₂ OH(ж) (в присутствии OH ^– )

• Разложение нитрам-

NH ₂ NO ₂ (ж) → N ₂ O(г) + H ₂ O(ж) (в присутствии OH ^– )

Характеристики катализа

Ниже приведены свойства, присущие большинству каталитических реакций.

1. В конце реакции масса и химический состав катализатора остаются неизменными.
2. Реакция не может быть запущена катализатором.
3. В большинстве случаев катализатор достаточно специфичен.
4. Катализатор не способен изменить состояние равновесия.
5. Каталитические яды.
6. Каталитические промоторы.
7. Изменения температуры влияют на скорость каталитических реакций, как и в отсутствие катализатора.

Важные особенности твердого катализа

• Активность: каталитическая активность относится к тому, насколько быстро они могут ускорить химические реакции. В некоторых реакциях скорость ускорения может достигать 10 ¹⁰ раз. В присутствии платины в качестве катализатора реакция между H ₂ и O ₂ с образованием H ₂ O, например, происходит со взрывной силой. Н ₂ и О ₂ могут удерживаться неограниченно долго, не вступая в какие-либо реакции в отсутствие катализатора.
• Селективность: могут ли катализаторы направлять реакции с образованием определенных продуктов (исключая другие).

Теории катализа

• Теория столкновений гомогенного катализа: Согласно теории столкновений, реакция происходит в результате эффективных столкновений между реагирующими молекулами. Молекулы должны иметь минимальный уровень энергии, известный как энергия активации (E _a ), чтобы эффективно сталкиваться. После столкновения молекулы образуют активированный комплекс, который затем диссоциирует, обнажая молекулы продукта. Катализатор создает новый путь, который требует меньше энергии активации.
• Теория адсорбции гетерогенного катализа: адсорбция реагентов на поверхности катализатора обычно является тем, как работают гетерогенные каталитические реакции. Диффузионная теория катализа может быть использована для описания механизма таких поверхностных реакций. Для газовых процессов на твердой поверхности эта теория предлагает следующую последовательность.
  1. Реагенты диффундируют к поверхности путем диффузии.
  2. Поверхностная адсорбция молекул реагентов.
  3. На поверхности происходит химическая реакция.
  4. Продукты десорбируются с поверхности.
  5. Продукты диффундируют от поверхности. Шаг 3] определяет скорость реакции в целом. Шаги 2] и 4], с другой стороны, могут быть определяющими.

Преимущества теории модовой адсорбции: поскольку катализатор многократно регенерируется, достаточно небольшого количества катализатора. Катализатор участвует в процессе, но создается в конце его неизменным по массе и химическому составу.

Цеолиты (формоселективный катализ)

Zeolites are aluminosilicates of the general formula, M_n[AlO₂]_x.(SiO₂)_y.mH₂O, where, M may be a simple cation like Na, K or Ca, n is the charge on the simple cation, m is the number of molecules of water of crystallization.

У них есть β-клетка, похожая на соты. Форма и размер молекул реагентов и продуктов влияют на процессы, катализируемые цеолитами. Поэтому такие реакции называют формоселективным катализом.

В нефтехимической промышленности цеолиты обычно используются в качестве катализаторов крекинга и изомеризации углеводородов. Цеолитный катализатор ZSM-5 широко используется в нефтяной промышленности (цеолитовое сито с молекулярной пористостью 5). Он превращает спирты прямо в бензин, сначала обезвоживая их, в результате чего получается смесь углеводородов. При умягчении жесткой воды гидратированные цеолиты используются в качестве «ионообменников».

Примеры вопросов

Вопрос 1: Дайте определение катализу.

Отвечать :

“A catalyst is a substance that can speed up and slow down a chemical reaction without being consumed at the end of the reaction, which is known as catalysis.”

Вопрос 2: Объясните характеристики катализа.

Отвечать :

The following are the properties that most catalytic reactions share.

1. At the end of the reaction, the mass and chemical makeup of a catalyst remain unchanged.
2. The reaction cannot be started by the catalyst.
3. In most cases, the catalyst is quite specific.
4. The catalyst has no ability to alter the state of equilibrium.
5. Catalytic poisons.
6. Catalytic promoters.
7. Changes in temperature affect the pace of catalytic reactions, just as they do in the absence of a catalyst.

Вопрос 3: Расскажите о цеолитах (формоселективный катализ).

Отвечать :

Zeolites are alumino – silicates of the general formula, Mn[AlO₂]_x.(SiO₂)_y.mH₂O, where, M may be simple cation like Na, K or Ca, n is the charge on the simple cation, m is the number of molecules of water of crystallization.

They have a β cage, which looks like a honeycomb. The shape and size of the reactant and product molecules influence the processes catalyzed by zeolites. This is why these reactions are referred to as shape selective catalysis.

Вопрос 4: Объясните автокатализ.

Отвечать :

One of the products functions as a catalyst in some processes. The reaction is slow in the beginning, but after the products are formed, the rate of reaction accelerates. Auto-catalysis is the term for this type of event.

Some examples of homogeneous catalysis are listed below.

• When nitric acid is poured on copper, the reaction is slow at first, but it quickly accelerates due to the creation of nitrous acid, which works as an auto-catalyst during the process.