Меню Закрыть

Катализатор это вещество которое: Катализаторы — Что такое Катализаторы?

Содержание

Катализаторы — Что такое Катализаторы?

Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.

Катализаторы — вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в состав конечных продуктов.
См. Спецпроект Neftegaz.RU «Национальный продукт: Отечественные катализаторы».

Катализаторы обеспечивают энергетически менее затрудненные пути реакции, что позволяет эффективно использовать сырье.
Катализ — это ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются.
Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс).
Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.
Катализаторы позволяют превратить низкосортное сырье в высокоценные продукты.
Без катализаторов невозможно обеспечить производство моторных топлив для двигателей экологического стандарта «Евро-5» и выше.

Например, в каталитическом крекинге — одном из ключевых процессов, обеспечивающих увеличение выхода светлых нефтепродуктов (особенно бензина), самое главное действие катализатора — расщепление больших углеводородных молекул на более мелкие с высоким октановым числом.

Гидрокрекинг в свою очередь — процесс получения высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов из тяжелого газойля вакуумной перегонки и вторичных процессов. 
Он также позволяет получить высококачественную основу базовых масел, близкую по эксплуатационным характеристикам к синтетическим. 
Иначе говоря, это каталитический крекинг в присутствии водорода — где сочетание водорода, катализатора и соответствующего режима процесса позволяют провести крекинг низкокачественного легкого газойля и добиться получения высококачественных основ для широкого ассортимента товарных смазочных масел. 

Катализаторы здесь играют важную роль: они активно взаимодействуют с водородом, благодаря им идет сам крекинг и происходит образование изопарафинов.

Гидроочистка является наиболее крупнотоннажным каталитическим процессом в нефтепереработке. 
В процессе гидроочистки понижается содержание серы в топливе. 
Эффективность гидроочистки зависит от активности катализаторов, температурного режима и качества сырья. 
И повышение эффективности процесса требует использования новых типов катализаторов.

Требования к катализаторам:

  • постоянная высокая каталитическая активность, 
  • селективность, 
  • механическая прочность, 
  • термостойкость, 
  • устойчивостью к действию каталитических ядов, 
  • большая длительность работы, 
  • легкая регенерируемость, 
  • необходимые гидродинамические характеристики, 
  • невысокая стоимость. 
Активность определяется скоростью реакции, отнесенной к единице объема или массы катализатора и зависит от его хим. состава.
Формирование свойств катализатора происходит во время его приготовления и во время эксплуатации, поэтому метод приготовления катализатора должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Во многих случаях активность промышленных катализаторов увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).

Селективность изменяется из-за изменения электронных свойств и окружения активных центров катализатора (эффект лиганда).
В реакциях сложных органических молекул большое значение имеет преимущественное образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализатора.
В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы, селективность которых выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора. Селективность катализатора зависит также от его пористости, размера зерен и характера их укладки.

Термостойкость катализаторов  важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов.
Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители.

Устойчивость катализатора к действию ядов каталитических определяется спецификой их взаимодействия с катализатором.
Металлические катализаторы отравляются соединениями кислорода (Н2О, СО), серы (H2S, CS

2 и др.), N, Р, As и другими веществами, образующими более прочную химическую связь с катализатором, чем реагирующие вещества.
На оксидные катализаторы действуют те же яды, однако оксиды более устойчивы к отравлению.
В процессах крекинга, риформинга и других реакций углеводородов катализаторы отравляются в результате покрытия их слоем кокса.
Кроме того, катализаторы могут дезактивироваться из-за механического покрытия поверхности пылью, которая вносится извне или образуется при катализе.

Приготовление катализаторов
Катализаторы с развитой удельной поверхностью распространение получил метод осаждения из водных растворов солей с последующим прокаливанием образующихся соединений.

Так получают многие оксиды металлов. При этом лучше использовать водный раствор NH3, потому что отпадает необходимость отмывки осадка от щелочных металлов. 
Охлажденный катализатор дробят, просеивают и восстанавливают азотно-водородной смесью в колонне синтеза.
Для получения правильной геометрической формы зерен катализатора используют специальные формовочные машины.
Цилиндрические гранулы получают экструзией (выдавливанием) влажной массы с помощью массивного винта (шнека) через отверстия нужного диаметра, после чего разрезают полученный жгут на отдельные цилиндрики, которые 
закатываются в сферические гранулы в специальных грануляторах.
Плоские цилиндрические таблетки получают прессованием сухого порошка на таблеточных машинах

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

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 Al2

O3, 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 (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 NOx) — 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

Приверженность катализу | Haldor Topsoe

Что такое катализ?
Мы уверены в том, что фундаментальные исследования позволяют компании продемонстрировать преимущества катализа для мировой промышленности и предложить заказчикам наилучшие решения. На протяжении 75 лет наши исследователи непрерывно повышают эффективность катализаторов и расширяют возможности их использования. Но что такое катализатор? Как он работает? Где применяются катализаторы и технологии Топсе? Катализ – это процесс, в котором вещество, называемое катализатором, способствует химической реакции, оставаясь при этом неизменным.

Велосипедист
Для иллюстрации процесса, рассмотрим пример велосипедиста, который находится у подножия горы. Без катализатора он должен будет забираться на вершину, используя колоссальное количество энергии. Использование катализатора сопоставимо с наличием туннеля в горе, который поможет велосипедисту значительно сократить путь и, следовательно, энергетические и временные затраты. Туннель и, так же как и катализатор, остается неизменным и служит в течение многих лет, помогая тем самым многим велосипедистам проехать гору.

Topsoe Catalysis Forum

Что делает катализ?
Каталитический процесс преобразовывает один химический компонент в другой. Например, из природного газа можно получить водород, а водород и азот можно преобразовать в аммиак. Участие катализатора в химическом процессе ускоряет химическую реакцию и значительно уменьшает затраты энергии. В результате повышается производительность при одновременном сохранении ресурсов.

 

Катализ и промышленность
Катализ имеет первостепенное значение для мирового промышленного производства. В 90 % всех химических процессов используется катализ, и 60 % всех промышленных продуктов производится с его применением. Катализ ускоряет химические процессы. Например, установка по производству аммиака в день обычно производит 1000 тонн продукта. Без катализа производство такого объема аммиака заняло бы примерно один миллион дней.

От нано — до мега
В компании Топсе мы решаем широкий диапазон задач: от исследований на нано-уровне и разработки катализаторов и каталитических процессов до послепродажного обслуживания установок наших заказчиков. На каждом этапе наши ученые и инженеры вносят весомый вклад в процесс поиска наиболее оптимальных решений. Проектирование установок и разработка процессов происходят в соответствии с конкретными требованиями заказчиков.

 

Синергетическая связь
Непосредственная взаимосвязь научно-исследовательских, проектно-конструкторских работ, изготовления катализаторов и их продажи создает основу для непрерывной оптимизации наших продуктов – катализаторов и технологий. Наши катализаторы и технологии разрабатываются в тесном сотрудничестве между научно-исследовательскими, проектно-конструкторскими и производственными подразделениями компании, что гарантирует создание катализаторов и процессов, не только соответствующих ожиданиям заказчиков, но и во многом превосходящих эти ожидания.

Исследователь и бизнесмен
Доктор Топсе понимал необходимость соединения научных знаний и духа предпринимательства. Научные исследования в Топсе обеспечивают компании передовые позиции в создании и внедрении каталитических технологий. Что в свою очередь является гарантией предоставления наилучших решений для наших заказчиков. В процессе создания решений следующего поколения мы охватываем новые отрасли. Иными словами, наши научные исследования финансируются посредством бизнеса. Уникальность бизнес-модели Топсе состоит в объединении всех аспектов — от фундаментальных знаний до практического применения, что обеспечивает высочайшую эффективность и качество.

В наименьшем масштабе
Наши знания в сфере химических реакций и процессов на атомном уровне служат основой для разработки продукции. Научные исследования в Топсе варьируются в диапазоне от атомного уровня до крупномасштабных пилотных установок. В ходе исследований, создания и совершенствования катализаторов и процессов мы стремимся охватывать новые отрасли и новые направления бизнеса. Научные исследования и разработки осуществляются в тесном сотрудничестве между различными подразделениями компании. Исследователи изучают новые возможности. Инженеры выявляют потребности заказчиков. Проектировщики разрабатывают технологические процессы и оборудование. На катализаторном заводе оптимизируют производство катализаторов.

Катализатор победы: как революция в промышленности принесла химикам Нобелевку

Согласно официальному сообщению Нобелевского комитета, Бенджамин Лист из Германии и Дэвид Макмиллан из США получили премию «за развитие асимметричного органокатализа». За этой сухой формулировкой скрывается технология, перевернувшая химическую и фармацевтическую промышленность.

Быстрая реакция

Скорость реакции важна не только бойцу, но и химику. Именно поэтому таким спросом пользуются катализаторы — вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами не расходуются в ней. Без них невозможна сама жизнь: практически все биохимические реакции идут с участием белков-катализаторов (так называемых ферментов). Без этих «ускорителей» трудно представить и химическую промышленность. Они применяются в производстве топлива, материалов, лекарств, пищевых добавок, удобрений и т. д. По некоторым оценкам, 35% мирового ВВП так или иначе создаются благодаря химическому катализу.

Вплоть до самого конца XX века химикам было известно только два типа катализаторов — металлы и белки. Однако крупные (сотни и тысячи атомов) и сложно устроенные молекулы белков почти невозможно синтезировать. Выделять же ферменты из живых организмов — крайне дорогое удовольствие. Так что для промышленного использования оставались только металлические катализаторы.

Реклама на Forbes

Однако с ними связано несколько проблем. Во-первых, многие из этих металлов драгоценны или экологически небезопасны. Во-вторых, некоторые из них работают лишь в отсутствие влаги и кислорода, а этого трудно добиться при массовом производстве.

Еще одна проблема связана с так называемыми оптическими изомерами. Что это такое? Многие молекулы, особенно органические, имеют сложную и асимметричную пространственную структуру. Они существуют в двух вариантах, являющихся зеркальными отражениями друг друга, словно правая и левая ладонь. Подобные двойники называются оптическими изомерами одного и того же вещества.

Большинство химических реакций, которые можно встретить в неживой природе и технике, не различают «правые» и «левые» молекулы. А вот живые организмы в этом отношении очень избирательны. Биологическое действие одного из двойников может быть совсем непохожим на эффект другого. Так, один из оптических изомеров лимонена имеет запах лимона, а другой — апельсина.

Эта разница может быть далеко не безобидной, как показывает трагическая история талидомида. Этот препарат появился на рынке в 1957 году в качестве успокоительного. Его назначали в том числе беременным женщинам. В результате несколько тысяч детей умерли во время родов или получили тяжелую врожденную инвалидность (в частности, многие родились без рук). Оказалось, что только один из оптических изомеров лекарства обладает терапевтическим действием, а другой вредит развитию плода. По трагической случайности безопасность действующего вещества была исследована только на одном его изомере, а при массовом производстве препарата получались оба. После этого случая правила лицензирования лекарств были пересмотрены.

Неудивительно, что пищевая и фармацевтическая промышленность нуждается в катализаторах, ускоряющих синтез только «правой» или, наоборот, «левой» версии вещества. Однако металлические катализаторы с этим справляются плохо. Ферменты, напротив, отлично умеют различать «зеркальные копии» и ускорять синтез только одного из оптических изомеров.

Третий путь

Неудивительно, что многие химики пытались получить искусственные ферменты, катализирующие нужные реакции. Среди них был и Бенджамин Лист.

Будущий лауреат задумался о том, как вообще работают ферменты. Известно, что многие из них содержат атомы металлов, но другие — нет. Как же происходит «безметаллический» катализ?

Молекула белка — это длинная цепочка, состоящая из звеньев-аминокислот, словно поезд из вагонов. Фермент может состоять из множества аминокислотных звеньев, но, по сути, в процессе участвует лишь небольшой участок молекулы, содержащий несколько аминокислот. Лист задал естественный вопрос: могут ли аминокислоты работать катализаторами, если не входят в состав белка? Может быть, они сохранят это свойство в составе куда более простой молекулы, а то и в чистом виде?

Химик знал, что еще в начале 1970-х годов экспериментаторы пробовали в качестве катализатора аминокислоту пролин. Эти исследования не получили развития, так что будущий лауреат предполагал, что с пролином ничего не получилось. Но на всякий случай он решил попробовать сам. К его удивлению, аминокислота действительно оказалась хорошим катализатором определенных реакций, притом избирательным — из двух оптических изомеров один синтезировался куда чаще другого.

Пролин — это очень дешевое в производстве и экологически чистое вещество. В отличие от своих предшественников Лист сразу понял, какие перспективы сулят такие катализаторы.

В это же время над органическими катализаторами работал и Дэвид Макмиллан. Он стремился создать вещества, которые взаимодействовали бы с электронами так же, как металлические катализаторы. Исследователь пришел к выводу, что для этого соединение должно быть способно образовать ионы иминия. Химик опробовал несколько подходящих веществ, и они действительно сработали. Некоторые молекулы оказались еще и весьма избирательными к оптическим изомерам.

Лист и Макмиллан опубликовали свои результаты практически одновременно, в 2000 году. К слову, именно Макмиллан ввел термин «органокатализ», подчеркивая, что речь может идти не о единичных примерах, а о новом большом классе катализаторов.

Он оказался абсолютно прав: поиск и внедрение новых органокатализаторов успешно идет до сих пор. Но Лист и Макмиллан остаются лидерами в этой области. Они разработали множество соединений, ускоряющих многие важные реакции.

Органические катализаторы лишены недостатков металлических. Многие из них дешевы, нетоксичны, прекрасно работают в присутствии кислорода и воды и различают оптические изомеры. Последнее свойство особо подчеркнуто в официальной формулировке: премия присуждена «за развитие асимметричного органокатализа».

У органических катализаторов есть и еще одно преимущество, присущее ферментам, но не металлам. Зачастую можно поместить в реактор несколько органокатализаторов с тем, чтобы один из них ускорял первый этап химического процесса, другой — второй этап и так далее (это так называемые каскадные реакции). С металлическими катализаторами так не получается: после каждого этапа приходится извлекать и очищать продукт промежуточной реакции, что дорого и ведет к образованию дополнительных отходов.

Реклама на Forbes

Преимущества органокатализа можно продемонстрировать на примере синтеза стрихнина (этот опасный яд иногда применяется для борьбы с грызунами). Природный источник стрихнина — экзотическое растение, что делает препарат весьма дорогим. Разумеется, химики много работали над синтезом стрихнина. Впервые он удался в 1952 году. При этом использовалось 29 химических реакций, и лишь 0,0009% исходных реагентов превратились в стрихнин, остальные стали отходами. В 2011 году синтез стрихнина повторили с помощью органокатализаторов и каскадных реакций. При этом потребовалось всего 12 шагов, и процесс стал в 7000 раз эффективнее.

Но, конечно, это лишь отдельный пример. Сегодня органические катализаторы используются в производстве многих тысяч веществ, а в будущем они наверняка будут применяться еще шире.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора

Химик РУДН создал «зеленый» катализатор для фармацевтики и промышленной химии

Для производства пластмасс, лекарств и других материалов используют нанокатализаторы с дорогим и неэкологичным в получении палладием. Химик РУДН придумал, как сократить расход палладия и сделать производство экологичнее — для этого он создал катализаторы на основе вещества, которое получают из растительных остатков. Они позволяют сократить потребление палладия в два раза. Более того, их можно использовать многократно без потери эффективности.

Кросс-сочетания — класс реакций, в которых соединяются атомы углерода из разных органических молекул — самый распространенный тип реакции в промышленной химии. Их используют для синтеза пластмасс, лекарств и других соединений — только в медицинской химии на него приходится 17% всех реакций. Главный компонент кросс-сочетания — наночастицы палладия. Палладий — один из самых редких элементов, поэтому использовать его в качестве такого катализатора дорого. Более того, его получают в основном на горнорудных предприятиях — крупнейших загрязнителях окружающей среды. Химик РУДН предложил способ, который решит сразу все эти проблемы — поможет использовать меньше дорогого и неэкологичного палладия.

Расход палладия в кросс-сочетании увеличивается из-за того, что частицы катализатора, которые его содержат, слипаются между собой. Предотвратить слипание можно двумя способами. Первый, химический, — модифицировать химические свойства частиц так, чтобы ослабить взаимодействие их поверхностей, когда они соприкасаются. Второй — физически удерживать металл, например, с помощью каркаса или решетки. Химик РУДН использовал второй способ и зафиксировал частицы металла с помощью многослойной структуры с магнитным ядром в центре.

Ядро нового нанокатализатора состоит из оксида железа с сильными магнитными свойствами. Сверху его покрывает полимер на основе катехола — вещества, которое содержится в стенках растительных клеток, его получают из отходов растениеводства. Оба эти слоя вспомогательные, они не обладают каталитической активностью. В ускорении реакции участвует третий компонент — наночастицы палладия. Их вкрапления химики РУДН внедрили во второй слой. Полимер служит якорем для частиц металлов, благодаря ему частицы нанокатализатора не слипаются.

Структура катализатора, которую предложил химик РУДН, позволяет использовать вдвое меньше металла — 1,5% от общего веса наночастицы вместо 3-6%. Более того, после нескольких циклов реакции сердцевину нанокомпозита можно очистить и использовать заново. Это поможет не только уменьшить воздействие на окружающую среду, но и удешевить производство лекарств, пластмасс и других веществ, в которых применяют кросс-сочетание.

«Химики проявляют повышенный интерес к созданию „зеленых“ катализаторов. Наши нанокатализаторы содержат вещество, которое получают из отходов растениеводства, и при этом эффективно действуют в реакции кросс-сочетания. Таким образом, наши катализаторы не только смогут уменьшить расход палладия и таким образом удешевить химическое производство, но и снизить воздействие на окружающую среду. Интересно также, что мы показали универсальность полимеров на основе растительных катехолов — этот же подход можно распространить на другие металлы, например, платину, серебро, золото и использовать для разработки нанокатализаторов, направленных на другие органические реакции», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН

Результаты опубликованы в Molecular Catalysis.

Катализ и катализаторы — Энциклопедия wiki.MPlast.by

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализатороввеществ, 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 Еа(исх), действие ингибиторов – противоположное.

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

DOE объясняет … Катализаторы | Министерство энергетики

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию или снижает температуру или давление, необходимые для ее начала, но при этом само не расходуется во время реакции. Катализ — это процесс добавления катализатора для облегчения реакции.

Во время химической реакции связи между атомами в молекулах разрываются, перестраиваются и перестраиваются, рекомбинируя атомы в новые молекулы.Катализаторы делают этот процесс более эффективным за счет снижения энергии активации , которая является энергетическим барьером, который необходимо преодолеть для протекания химической реакции. В результате катализаторы облегчают разрушение атомов и образование химических связей для образования новых комбинаций и новых веществ.

Использование катализаторов приводит к более быстрым и энергоэффективным химическим реакциям. Катализаторы также имеют ключевое свойство, называемое селективностью , с помощью которого они могут направлять реакцию для увеличения количества желаемого продукта и уменьшения количества нежелательных побочных продуктов.Они могут производить совершенно новые материалы с совершенно новыми возможностями использования.

За последние несколько десятилетий ученые разработали все более специализированные катализаторы для важнейших реальных приложений. В частности, мощные катализаторы изменили химическую промышленность. Эти достижения привели к появлению биоразлагаемых пластиков, новых фармацевтических препаратов, а также экологически безопасных видов топлива и удобрений.

Управление науки Министерства энергетики США: вклад в исследования катализаторов

Программа фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики (DOE) активно поддерживает фундаментальные исследования катализаторов.DOE фокусируется на разработке новых катализаторов и использовании катализаторов для контроля химических превращений на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Исследования Министерства энергетики делают упор на понимание этих реакций и на то, как сделать их более эффективными и целенаправленными. Основная цель Министерства энергетики — разработать новые концепции катализа и новых катализаторов, чтобы помочь промышленности производить топливо и химические вещества из ископаемого и возобновляемого сырья более эффективно и устойчиво. Это исследование помогает продвигать солнечное топливо, которое компании производят с использованием солнца и обычных химических веществ, таких как углекислый газ и азот.Это исследование также создает передовые методы преобразования использованного пластика в новые продукты.

Быстрые факты

  • Люди используют катализаторы тысячи лет. Например, дрожжи, которые мы используем для приготовления хлеба, содержат ферменты, которые являются естественными катализаторами, которые способствуют превращению муки в хлеб.
  • Нобелевская премия по химии 2005 г. была присуждена трем исследователям (Ив Шовен, Роберт Х. Граббс и Ричард Р. Шрок) за их работу над катализаторами метатезиса.Доктора Граббс и Шрок были частично профинансированы Министерством энергетики на их исследования, получившие Нобелевскую премию. Доктор Шрок продолжает финансироваться Министерством энергетики.
  • Нобелевская премия по химии 2018 г. была присуждена Фрэнсис Х. Арнольд за ее новаторскую работу по управлению эволюцией ферментов для таких безвредных для окружающей среды приложений, как возобновляемые виды топлива. Частично она финансируется Министерством энергетики США.
  • Посетите Аргоннскую национальную лабораторию, чтобы узнать еще семь фактов о катализе, которых вы, возможно, не знали.

Ресурсы

Научные термины могут сбивать с толку.DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

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 катализатора .


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, чтобы стать продуктами.

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 и не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции, с более низким E a . 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.

Катализаторы | Химия для неосновных

Цели обучения

  • Определить катализатор.
  • Объясните, как катализаторы влияют на скорость химической реакции.

Куда ушло солнце?

Смог в Нью-Йорке. Любезно предоставлено доктором Эдвином П. Юингом-младшим, CDC / Викимедиа.

Транспортные средства с бензиновым двигателем выделяют много вредных веществ. Оксиды азота образуются, когда атмосферный азот реагирует с кислородом при высоких температурах, характерных для автомобильного двигателя.Окись углерода является побочным продуктом неполного сгорания углеводородов. Испаренное и неиспользованное топливо выбрасывает в атмосферу летучие углеводороды, способствуя образованию смога. Наличие каталитического нейтрализатора в выхлопной системе автомобиля заставляет эти материалы вступать в реакцию и превращаться в менее вредные продукты.

Катализаторы

Иногда в химическую реакцию может быть добавлено вещество, и скорость этой реакции резко возрастет. Перекись водорода используется в качестве дезинфицирующего средства для удаления царапин и порезов и содержится во многих аптеках в виде 3% -ного водного раствора.Перекись водорода естественным образом разлагается с образованием воды и кислорода, но реакция идет очень медленно. Бутылки с перекисью водорода хватит на несколько лет, прежде чем ее нужно будет заменить. Однако добавление небольшого количества оксида марганца (IV) к перекиси водорода приведет к ее полному разложению всего за несколько минут. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции за счет снижения энергии активации без использования в реакции.После того, как реакция происходит, катализатор возвращается в исходное состояние, и катализаторы можно использовать снова и снова. Поскольку он не является ни реагентом, ни продуктом, катализатор показан в химическом уравнении над стрелкой выхода.

Катализатор работает, изменяя конкретный способ протекания реакции, называемый ее механизмом. Важным результатом использования катализатора является снижение общей энергии активации реакции (см. рисунок ниже).При более низком энергетическом барьере активации больший процент молекул реагентов может иметь эффективные столкновения, и скорость реакции увеличивается.

Рис. 1. Добавление катализатора в реакцию снижает энергию активации, увеличивая скорость реакции. Энергия активации некаталитической реакции обозначена Ea, а катализируемая реакция обозначена Ea ’. Теплота реакции (ΔH) не изменяется в присутствии катализатора. Изображение из фонда CK-12 — Кристофер Ауён.

Катализаторы — чрезвычайно важные части многих химических реакций. Ферменты в вашем теле действуют как природные катализаторы, позволяя важным биохимическим реакциям протекать с разумной скоростью. Химические компании постоянно ищут новые и лучшие катализаторы, чтобы ускорить реакцию и, таким образом, сделать компанию более прибыльной.

Сводка

  • Описывается функция катализатора.

Практика

Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:

http: // www.youtube.com/watch?v=9KQdF1bnXHE

  1. Какая краска используется для синих джинсов?
  2. Что ферменты делают для синих джинсов?
  3. Перечислите три проблемы, которые существуют для некаталитических реакций.

Обзор

  1. На что влияет катализатор в химической реакции?
  2. Влияет ли процесс на процесс?
  3. Где мы указываем катализатор при написании химического уравнения?

Глоссарий

  • катализатор: Вещество, которое увеличивает скорость химической реакции за счет снижения энергии активации без использования в реакции.

Химические реакции и катализаторы — Science Learning Hub

Химическая реакция включает химическое изменение, которое происходит при взаимодействии двух или более частиц (которые могут быть молекулами, атомами или ионами). Например, когда железо и кислород вступают в реакцию, они превращаются в новое вещество, оксид железа (ржавчину). Оксид железа имеет химические свойства, отличные от железа и кислорода. Это отличается от физического изменения. Например, вода может превратиться в лед, но лед остается водой в другом физическом состоянии — лед и вода имеют одинаковые химические свойства.

Когда химические вещества вступают в реакцию, частицы должны сталкиваться друг с другом с достаточной энергией, чтобы произошла реакция. Чем чаще они сталкиваются, тем больше вероятность их реакции. Не все столкновения приводят к реакции — часто для этого не хватает энергии.

Некоторые реакции происходят быстрее других. Скорость зависит от вероятности столкновения частиц. На скорость реакции влияет ряд вещей.

  • Концентрация — Чем больше частиц, тем больше вероятность столкновения.
  • Температура — Частицы перемещаются больше при более высоких температурах, поэтому вероятно больше столкновений, и столкновения будут иметь больше энергии.
  • Давление — Частицы в газах очень сильно разбросаны. Если вы увеличиваете давление, частицы прижимаются друг к другу, поэтому вероятность столкновения увеличивается.
  • Площадь поверхности — Если одно из реагирующих химикатов является твердым, столкнуться могут только частицы на поверхности. Чем больше поверхность, тем быстрее реакция.Более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности для своего размера, чем более крупные. Это объясняет, почему порошок обычно реагирует быстрее, чем комки.
  • Катализаторы — Катализатор — это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но остается химически неизменным в конце реакции. Ингибитор делает обратное — замедляет химические реакции.

Катализаторы

Катализаторы играют важную роль во многих химических процессах. Они увеличивают скорость реакции, не расходуются в реакции и необходимы только в очень небольших количествах.

Есть два основных способа работы катализаторов.

Адсорбция

Частицы прилипают к поверхности катализатора (так называемая адсорбция), а затем перемещаются, поэтому они с большей вероятностью столкнутся и вступят в реакцию. Хорошим примером является то, как платиновый катализатор в автомобильном каталитическом нейтрализаторе превращает токсичный монооксид углерода в менее токсичный диоксид углерода.

Промежуточные соединения

В этом процессе катализатор сначала соединяется с химическим веществом, образуя новое соединение.Это новое соединение нестабильно, поэтому оно разрушается, высвобождая другое новое соединение и оставляя катализатор в его первоначальной форме. Так работают многие ферменты (специальные биологические катализаторы). Многие промышленные химические процессы используют такие катализаторы.

Один из примеров катализатора, который включает промежуточное соединение, можно найти высоко в атмосфере Земли. Там, наверху, химический озон (с молекулами, содержащими три атома кислорода) помогает защитить Землю от вредного ультрафиолетового излучения. Но есть еще и хлор, который попадает в атмосферу из химических веществ (хлорфторуглеродов, CFC), используемых в некоторых холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках.

Хлор — это катализатор, который отнимает атом кислорода у озона (O 3 ), оставляя стабильный кислород (O 2 ). В то же время он образует нестабильное промежуточное хлор-кислородное соединение, которое распадается с выделением кислорода. Это оставляет хлор свободным, чтобы повторить процесс. Один атом хлора может уничтожить около миллиона молекул озона каждую секунду. Это может сильно повлиять на способность атмосферы защищать нас от УФ-излучения.

Полезная ссылка

Посмотрите демонстрацию того, как платина действует как катализатор, с объяснением использования платины в каталитических преобразователях в этом видео от BBC.

Катализатор

Катализатор — это вещество, которое ускоряет скорость химической реакции, но не расходуется в ходе реакции. Катализатор появится на стадиях механизма реакции, но не появится в общей химической реакции (поскольку он не является реагентом или продуктом). Как правило, катализаторы существенно изменяют механизм реакции, так что новые барьеры вдоль координаты реакции значительно ниже.При понижении энергии активации константа скорости значительно увеличивается (при той же температуре) по сравнению с некаталитической реакцией.

В мире существует множество типов катализаторов. Многие реакции катализируются на поверхности металлов. В биохимии огромное количество реакций катализируется ферментами. Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами , а катализаторы в разных фазах называются гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором. Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.

Еще одна важная идея о катализаторах — их избирательность. То есть катализатор не просто ускоряет все реакции, а только очень конкретную реакцию. Это ключ ко многим химическим превращениям.Когда вы хотите произвести только определенное химическое изменение, вы ищете катализатор, который ускорит эту конкретную реакцию, но не ускорит другие. В этом отношении замечательны ферменты. Живые биологические системы требуют множества специфических химических превращений, и каждый из них катализирует уникальный фермент.


Типы катализаторов

Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами, а катализаторы в разных фазах — гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором. Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.


Влияние катализаторов

Эффект катализатора заключается в том, что он снижает энергию активации реакции.

Обычно это происходит потому, что катализатор изменяет способ протекания реакции (механизм).Мы можем визуализировать это для простой координаты реакции следующим образом.

В более общем смысле катализируемая реакция может иметь ряд новых барьеров и промежуточных продуктов. Однако самый высокий барьер теперь будет значительно ниже, чем предыдущий самый большой барьер. Например, ниже приведен пример пути реакции, который показывает каталитическую и некаталитическую реакцию. Путь с катализатором теперь состоит из двух ступеней и промежуточных частиц. Однако барьеры для обеих стадий намного ниже, чем в некаталитической реакции.


Как работают катализаторы?

Многие катализаторы работают одинаково. Они дают возможность молекулам реагента разорвать связи и затем образовать временные связи с катализатором. Это означает, что катализатор должен быть в некоторой степени реактивным, но не слишком реактивным (поскольку мы не хотим, чтобы эти связи были постоянными). Например, металлическая Pt служит катализатором многих реакций с участием газообразного водорода или газообразного кислорода. Это связано с тем, что поверхность Pt позволяет H 2 или O 2 разорвать свои связи, а затем образовать атомные частицы, которые «связаны» с Pt.Однако эти новые связи могут быть достаточно слабыми, чтобы атомные частицы могли затем вступить в реакцию с другими молекулами и покинуть поверхность. Таким образом, после реакции металл Pt возвращается в свое первоначальное состояние.

Например, на рисунке ниже изображена реакция этена и газообразного водорода. Водород приземляется на поверхность и разрывает свою связь, образуя атомы H, связанные с поверхностью (2). Двойная связь этена также разорвана, и два атома углерода также связаны с поверхностью (3). Затем атомы H могут мигрировать, пока не столкнутся со связанными частицами углерода и не вступят в реакцию (4) с образованием этана, который затем может покинуть поверхность (5).

Так работают все катализаторы? Нет. Возможности того, как на самом деле работают катализаторы, безграничны. Некоторые катализаторы фактически изменяются в ходе химической реакции, но затем возвращаются в исходное состояние в конце реакции. Например, MnO 2 катализирует разложение H 2 O 2 до воды и газообразного кислорода по следующему механизму. + (водн.) \; + \; O_2 (g)} & {\ rm Шаг \; 2} \\ {\ rm Mn (OH) _2 (aq) \; + \; H_2O_2 (l)} \; & \правая стрелка & \; {\ rm MnO_2 (s) \; + 2H_2O (l)} & {\ rm Шаг \; 3} \ end {array} \]

Итак, в чистой реакции нет изменений в MnO 2. Однако во время реакции он превращается в Mn 2+ , а также в Mn (OH) 2 . Катализатор может быть идентифицирован таким образом в механизме реакции, поскольку он сначала появляется в «реагентах», но затем подвергается риформингу. позже в реакции.

Катализаторы также могут функционировать, «удерживая» молекулы в определенных конфигурациях, одновременно ослабляя некоторые конкретные связи. Это позволяет катализатору существенно «помогать» химическим процессам, располагая реакции в благоприятных геометрических формах, а также ослабляя связи, которые необходимо разорвать по координате реакции.


Ферменты

Ферменты — биологические катализаторы. Это белки, которые складываются в определенные конформации, чтобы ускорить определенные химические реакции. Для биохимических реакций реагент обычно называют субстратом. Субстрат превращается в продукт. Механизмы многих ферментов очень похожи. Субстрат (ы) и фермент связываются в комплекс. Физическое местоположение на ферменте, в котором связывается субстрат, называется «активным центром».После связывания этот комплекс может ослабить определенные связи в субстрате, так что химический процесс образует продукт. Продукт слабо связан с субстратом, так что теперь он диссоциирует, и фермент может свободно связываться с другой молекулой субстрата.

Активные центры в ферментах могут быть очень специфичными, так что фермент будет катализировать только очень специфическую реакцию для очень специфической молекулы. Обычно существует равновесие между связанным комплексом и свободным субстратом и ферментом, так что связывание может быть обратимым.Напротив, как только продукт образуется, обратная реакция обычно никогда не происходит.

Субстрат + фермент ↔ Комплекс → Продукт.

Активность многих ферментов может быть заблокирована молекулами, имитирующими субстрат, но не участвующими в химии. Эти молекулы затем эффективно «выключают» фермент, блокируя активный сайт и предотвращая связывание субстрата. Так действуют многие фармацевтические препараты. Такие молекулы обычно называют ингибиторами, поскольку они подавляют активность фермента.

Катализатор и скорость реакции | Глава 6: Химические изменения

  • Покажите студентам две демонстрации и попросите их найти доказательства того, что в химических реакциях образуется газ.

    Скажите студентам, что вы покажете им видео двух демонстраций, в которых водяной пар и газообразный кислород образуются в одной и той же химической реакции. Поскольку газы невидимы, попросите студентов внимательно следить за доказательствами того, что газ образуется.

    Спроецируйте видео «Зубная паста слона».

    Вспенивание показывает, что газы (кислород и водяной пар) образуются очень быстро. Количество пены, образовавшейся за определенный период времени, является способом измерения скорости реакции.

    Спроецируйте видео «Джин в бутылке».

    Пар, выходящий из бутылки, представляет собой водяной пар, который конденсируется на выходе из бутылки. Кислород тоже выходит из баллона, но его не видно.

    Спросите студентов:

    Как узнать, что газ образуется в результате химической реакции?
    Демонстрация вспенивания зубной пасты слона означает, что образуется газ. Производство газа — это ключ к разгадке химической реакции. Водяной пар в демонстрации джинна в бутылке также показывает производство газа.

    Скажите студентам, что этот урок посвящен ускорению химических реакций.Некоторые реакции происходят очень медленно, но можно добавить химические вещества, называемые катализаторами, чтобы они происходили быстрее. Обе эти демонстрации опирались на катализатор.

  • Опишите, как при разложении перекиси водорода образовался газообразный кислород в обоих видеороликах.

    Скажите студентам, что в обеих демонстрациях используется 30% раствор перекиси водорода. Обычно перекись водорода, которую вы можете купить в магазине, составляет всего 3% перекиси водорода.Объясните учащимся, что химическая формула перекиси водорода H 2 O 2 . Обратите внимание на то, что перекись водорода не очень стабильна и сама по себе распадается на воду и кислород. Такое изменение представляет собой химическую реакцию, называемую разложением. Разложение перекиси водорода происходит медленно и обычно незаметно.

    Спроецировать изображение Разложение перекиси водорода.

    Объясните, что перекись водорода разлагается с образованием воды и кислорода в соответствии с этим химическим уравнением:

    Сообщите студентам, что эта химическая реакция происходит сама по себе, и что даже энергия света в комнате может вызвать более быстрое разложение перекиси водорода.Вот почему перекись водорода продается в непрозрачных емкостях.

    Скажите студентам, что в видео было использовано вещество (перманганат калия или диоксид марганца), чтобы ускорить разложение перекиси водорода. Несмотря на то, что это ускорило реакцию, само вещество не изменилось во время реакции. Вещество, которое увеличивает скорость реакции, но не становится частью продуктов реакции, называется катализатором.

    Спросите студентов:

    Ваш учитель показал вам демонстрацию, в которой катализатор добавляется к перекиси водорода и образуется большое количество газообразного кислорода.Если катализатор участвует в химической реакции, почему он не включен как продукт в химическое уравнение?
    Катализатор не попадает в продукты, поэтому не включается в химическую реакцию.
    Что делает катализатор в химической реакции?
    Катализаторы помогают реакции протекать быстрее, но не изменяются во время реакции.

    Раздайте каждому учащемуся лист с заданиями.

    Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе действий.«Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально, в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

  • Попросите учащихся использовать дрожжи для катализирования разложения перекиси водорода.

    Вопрос для расследования

    Может ли другое вещество катализировать разложение перекиси водорода?

    Материалы для каждой группы

    • Градуированный цилиндр
    • Перекись водорода (3%)
    • Дрожжи
    • Палочка для мороженого
    • Моющий раствор
    • Капельница

    Подготовка учителей

    Приготовьте раствор моющего средства, добавив 1 чайную ложку жидкого средства для мытья посуды к 2 столовым ложкам воды.Разделите раствор моющего средства поровну на одну маленькую чашку для каждой группы.

    Процедура

    1. Добавьте 10 мл перекиси водорода в мерный цилиндр. Добавьте 1 каплю раствора моющего средства. Осторожно перемешайте и следите за появлением пузырьков в растворе.

      Объясните ученикам, что моющее средство добавляется только для образования пузырьков, если выделяется какой-либо газ. Поскольку при разложении перекиси водорода образуется газообразный кислород, выделение пузырьков показывает, что перекись водорода разрушается или разлагается.Отсутствие пузырьков показывает, что газообразного кислорода образуется не так много.

    2. Кончиком палочки для мороженого добавьте небольшое количество дрожжей к перекиси водорода в градуированном цилиндре и перемешайте.

    3. Поместите мерный цилиндр на стол и следите за появлением пузырьков.
    4. Удерживайте градуированный цилиндр, чтобы увидеть, нет ли каких-либо изменений температуры.

    Ожидаемые результаты

    Перед добавлением дрожжей не наблюдается пузырьков.После добавления дрожжей из-за образования пузырьков пена поднимется вверх по градуированному цилиндру. Кроме того, градуированный цилиндр должен быть немного теплее, потому что при разложении перекиси водорода выделяется энергия. Изменения энергии в химических реакциях будут исследованы более подробно в главе 6, урок 7.

  • Обсудите наблюдения студентов.

    Спросите студентов:

    Какие у вас есть подсказки, что при этом действии произошла химическая реакция?
    Пузырьки.Скажите студентам, что изменение температуры также является признаком возможной химической реакции. Эндотермические и экзотермические химические реакции будут рассмотрены в главе 6, занятие 7.
    Что является катализатором в этой деятельности?
    Вещество в дрожжах.
    Какие у вас есть доказательства того, что перекись водорода разлагалась быстрее, когда вы добавляли дрожжи?
    После добавления дрожжей образовались пузырьки газообразного кислорода.
    Должны ли дрожжи быть включены в состав химического уравнения, когда вы пишете химическое уравнение этой реакции?
    Объясните студентам, что катализатор в дрожжах не попадает в продукты, а является веществом, которое способствует более быстрому разложению. Иногда катализатор пишется над или под стрелкой в ​​химическом уравнении, но он никогда не включается в реагенты или продукты.

    Обычно катализаторы работают, предоставляя место, где реагенты могут собираться вместе для реакции.Объясните студентам, что клетки дрожжей и других организмов содержат катализатор под названием каталаза . Благодаря нормальным клеточным процессам живые существа производят перекись водорода в своих клетках. Но перекись водорода — это яд, поэтому клеткам нужен способ очень быстро его разрушить. Клетки содержат каталазу, которая очень быстро расщепляет перекись водорода. Одна молекула каталазы может каждую секунду катализировать распад миллионов молекул перекиси водорода.

    Студенты могут продолжить изучение влияния каталазы на перекись водорода, добавив кусок свежего сырого картофеля к небольшому количеству перекиси водорода.

  • Попросите учащихся определить изменения, которые происходят, когда сульфат меди II вступает в реакцию с куском алюминиевой фольги.

    Примечание: Это реакция между сульфатом меди II и алюминием. Медь называется «медь II», потому что медь может образовывать разные типы ионов. Он может потерять один электрон и быть просто Cu + или может потерять два электрона и быть Cu 2+ . Этот тип иона меди называется медью II.Также «сульфат» в сульфате меди II также является ионом. Этот ион состоит из более чем одного атома. Это один из многоатомных ионов, обсуждаемых в главе 4, урок 3. Сульфат-ион состоит из атома серы, связанного с четырьмя атомами кислорода, и рассматривается как один ион (SO 4 2-).

    Есть несколько интересных аспектов реакции между сульфатом меди II и алюминием, но она отличается от других реакций, которые студенты наблюдали до сих пор. В этой реакции движение электронов, а не целых атомов, ионов или молекул, вызывает реакцию.Этот тип реакции называется реакцией окисления / восстановления. Эту конкретную реакцию интересно проводить, потому что она экзотермична, генерирует газ, а металлическая медь появляется, когда металлический алюминий исчезает.

    Соль можно рассматривать как катализатор реакции, но она играет иную роль, чем большинство катализаторов. Сульфат меди II и алюминий реагируют очень медленно, потому что алюминий покрыт очень тонким слоем потускнения (оксида алюминия). Эта реакция может быть ускорена, если слой оксида алюминия удален или нарушен.Добавление соли делает это и позволяет электронам алюминия реагировать с ионами меди в растворе, превращая их в металлическую медь.

    Вопрос для расследования

    Что является катализатором в следующем действии?

    Материалы для каждой группы

    • Раствор сульфата меди II (в стакане)
    • Прозрачный пластиковый стаканчик (пустой)
    • Соль
    • Кусок алюминиевой фольги
    • Термометр
    • Палочка для мороженого

    Подготовка учителей

    Приготовьте раствор сульфата меди II, добавив 20 г сульфата меди II в 200 мл воды.Налейте около 25 мл раствора сульфата меди II в чашку для каждой группы. Нарежьте алюминиевую фольгу на кусочки, достаточно большие, чтобы покрыть дно чашки (примерно 5 см в длину и 5 см в ширину).

    Процедура

    1. Поместите кусок алюминиевой фольги в пустую чашку. Пальцами или палочкой для мороженого плотно прижмите фольгу, чтобы она лежала ровно и закрывала дно чашки.
    2. Добавьте весь раствор сульфата меди II в чашку с алюминиевой фольгой.
    3. Осторожно перемешайте раствор в течение нескольких секунд и дайте ему постоять. Следите за алюминием на предмет пузырей или изменения цвета.
    4. С помощью палочки для мороженого добавьте небольшое количество соли в раствор сульфата меди II. Осторожно перемешайте раствор в течение нескольких секунд и дайте ему постоять. Следите за пузырьками или изменением цвета.

    5. Осторожно поместите термометр в чашку и посмотрите, не изменится ли температура.

    Ожидаемые результаты

    Перед добавлением соли не происходит пузырьков или изменения цвета. После добавления соли цвет становится зеленоватым, и на алюминии начинают образовываться пузырьки. Вскоре на алюминии начинает образовываться коричневатый материал (медь). Барботаж становится более интенсивным, и раствор теряет свой синий цвет, поскольку алюминий исчезает и образуется больше меди. Раствор также становится теплее.

  • Обсудите наблюдения студентов.

    Спросите студентов:

    Как узнать, что происходит химическая реакция, когда кусок алюминиевой фольги и хлорид натрия помещают в раствор сульфата меди II?
    Появились пузыри, изменение цвета, повышение температуры и образование другого твердого вещества.
    Что является катализатором в этой деятельности?
    Соль.
    Чем добавление соли к алюминию похоже на добавление дрожжей к перекиси водорода?
    Оба могут рассматриваться как катализаторы.Добавление дрожжей помогает перекиси водорода быстрее разлагаться, а добавление соли помогает алюминию реагировать с сульфатом меди II.

    Скажите студентам, что синий раствор содержит ионы меди (Cu2 +). Добавление соли в раствор помогает удалить слой налета с алюминиевого куска, который находился в растворе. Это обнажает некоторое количество алюминия и позволяет электронам алюминия реагировать с ионами меди. Эти отрицательные электроны притягиваются к положительным ионам меди. Когда электроны соединяются с ионами меди, ионы становятся нейтральными атомами меди и выглядят как металлическая медь в растворе.Когда алюминий теряет свои электроны, он становится ионами алюминия, переходит в раствор и, кажется, исчезает.

  • 14.7: Катализ — Химия LibreTexts

    Цели обучения

    • Чтобы понять, как катализаторы увеличивают скорость реакции и селективность химических реакций.

    Катализаторы — это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе. Катализатор, следовательно, не входит в общую стехиометрию реакции, которую он катализирует, но он должен появляться по крайней мере в одной из элементарных реакций в механизме катализированной реакции.Катализированный путь имеет более низкое значение E a , но чистое изменение энергии, возникающее в результате реакции (разница между энергией реагентов и энергией продуктов), не зависит от присутствия катализатора ( Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Тем не менее, из-за его более низкого значения E , и скорость реакции катализированной реакции выше, чем скорость реакции некаталитической реакции при той же температуре. Поскольку катализатор уменьшает высоту энергетического барьера, его присутствие увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции на одинаковую величину.В этом разделе мы рассмотрим три основных класса катализаторов: гетерогенные катализаторы, гомогенные катализаторы и ферменты.

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Снижение энергии активации реакции катализатором. На этом графике сравниваются диаграммы потенциальной энергии для одностадийной реакции в присутствии и в отсутствие катализатора. Единственный эффект катализатора — снижение энергии активации реакции. Катализатор не влияет на энергию реагентов или продуктов (и, следовательно, не влияет на ΔE).(CC BY-NC-SA; анонимно)

    Катализатор влияет на E a , а не на Δ E .

    Гетерогенный катализ

    В гетерогенном катализе катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов. По крайней мере, один из реагентов взаимодействует с твердой поверхностью в физическом процессе, называемом адсорбцией, таким образом, что химическая связь в реагенте становится слабой, а затем разрывается. Яды — это вещества, которые необратимо связываются с катализаторами, предотвращая адсорбцию реагентов и, таким образом, снижая или разрушая эффективность катализатора.

    Примером гетерогенного катализа является взаимодействие газообразного водорода с поверхностью металла, такого как Ni, Pd или Pt. Как показано в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), водородно-водородные связи разрываются и образуют отдельные адсорбированные атомы водорода на поверхности металла. Поскольку адсорбированные атомы могут перемещаться по поверхности, два атома водорода могут сталкиваться и образовывать молекулу газообразного водорода, которая затем может покинуть поверхность в обратном процессе, называемом десорбцией.Адсорбированные атомы H на поверхности металла значительно более активны, чем молекула водорода. Поскольку относительно прочная связь H – H (энергия диссоциации = 432 кДж / моль) уже разорвана, энергетический барьер для большинства реакций H 2 на поверхности катализатора существенно ниже.

    Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе. Когда молекула водорода адсорбируется на поверхности катализатора, связь H – H разрывается, и образуются новые связи M – H. Отдельные атомы H более реакционноспособны, чем газообразный H 2 .Когда молекула этилена взаимодействует с поверхностью катализатора, она вступает в ступенчатую реакцию с атомами H с образованием этана, который высвобождается. (CC BY-NC-SA; анонимно)

    На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан процесс, называемый гидрогенизацией , в котором атомы водорода добавляются к двойной связи алкена, такого как этилен, для получения продукт, содержащий одинарные связи C – C, в данном случае этан. Гидрирование используется в пищевой промышленности для преобразования растительных масел, состоящих из длинных цепочек алкенов, в более коммерчески ценные твердые производные, содержащие алкильные цепи.Гидрирование некоторых двойных связей в полиненасыщенных растительных маслах, например, дает маргарин, продукт с температурой плавления, текстурой и другими физическими свойствами, аналогичными свойствам сливочного масла.

    Несколько важных примеров промышленных гетерогенных каталитических реакций приведены в таблице \ (\ PageIndex {1} \). Хотя механизмы этих реакций значительно сложнее описанной здесь простой реакции гидрирования, все они включают адсорбцию реагентов на твердой каталитической поверхности, химическую реакцию адсорбированных частиц (иногда через ряд промежуточных частиц) и, наконец, десорбцию. изделий с поверхности.

    Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Некоторые коммерчески важные реакции с использованием гетерогенных катализаторов
    Коммерческий процесс Катализатор Начальная реакция Конечный коммерческий продукт
    контактный процесс В 2 O 5 или Pt 2SO 2 + O 2 → 2SO 3 H 2 SO 4
    Процесс Хабера Fe, K 2 O, Al 2 O 3 N 2 + 3H 2 → 2NH 3 NH 3
    процесс Оствальда Pt и Rh 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O HNO 3
    реакция конверсии вода-газ Fe, Cr 2 O 3 или Cu CO + H 2 O → CO 2 + H 2 H 2 для NH 3 , CH 3 OH и других видов топлива
    паровой риформинг Ni CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 H 2
    синтез метанола ZnO и Cr 2 O 3 CO + 2H 2 → CH 3 OH СН 3 ОН
    Процесс Sohio фосфомолибдат висмута \ (\ mathrm {CH} _2 \ textrm {= CHCH} _3 + \ mathrm {NH_3} + \ mathrm {\ frac {3} {2} O_2} \ rightarrow \ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN} + \ mathrm {3H_2O} \) \ (\ underset {\ textrm {акрилонитрил}} {\ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN}} \)
    каталитическое гидрирование Ni, Pd или Pt RCH = CHR ′ + h3 → RCH 2 -CH 2 R ′ частично гидрогенизированные масла для маргарина и т. Д.

    Гомогенный катализ

    В гомогенном катализе катализатор находится в той же фазе, что и реагент (ы).Число столкновений между реагентами и катализатором максимально, поскольку катализатор равномерно диспергирован по всей реакционной смеси. Многие гомогенные катализаторы в промышленности представляют собой соединения переходных металлов (Таблица \ (\ PageIndex {2} \)), но извлечение этих дорогостоящих катализаторов из раствора было серьезной проблемой. В качестве дополнительного барьера к их широкому коммерческому использованию многие гомогенные катализаторы можно использовать только при относительно низких температурах, и даже в этом случае они имеют тенденцию медленно разлагаться в растворе.Несмотря на эти проблемы, в последние годы был разработан ряд коммерчески жизнеспособных процессов. Полиэтилен высокой плотности и полипропилен производятся методом гомогенного катализа.

    Таблица \ (\ PageIndex {2} \): Некоторые коммерчески важные реакции с использованием гомогенных катализаторов
    Коммерческий процесс Катализатор Реагенты Конечный продукт
    Union Carbide [Rh (CO) 2 I 2 ] CO + CH 3 OH CH 3 CO 2 H
    гидропероксидный процесс Комплексы Mo (VI) CH 3 CH = CH 2 + R – O – O – H
    гидроформилирование Rh / PR 3 Комплексы RCH = CH 2 + CO + H 2 RCH 2 CH 2 CHO
    адипонитрил процесс Ni / PR 3 Комплексы 2HCN + CH 2 = CHCH = CH 2 NCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CN, используемый для синтеза нейлона
    полимеризация олефинов (RC 5 H 5 ) 2 ZrCl 2 CH 2 = CH 2 — (CH 2 CH 2 -) n : полиэтилен высокой плотности

    Ферменты

    Ферменты, катализаторы, встречающиеся в природе в живых организмах, представляют собой почти все белковые молекулы с типичной молекулярной массой 20 000–100 000 а.е.м.Некоторые из них представляют собой гомогенные катализаторы, которые вступают в реакцию в водном растворе в клеточном отделении организма. Другие представляют собой гетерогенные катализаторы, встроенные в мембраны, которые отделяют клетки и клеточные компартменты от их окружения. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом .

    Поскольку ферменты могут увеличивать скорость реакции в огромных количествах (до 10 17 раз по сравнению с некатализируемой скоростью) и имеют тенденцию быть очень специфичными, обычно производя только один продукт с количественным выходом, они являются предметом активных исследований.В то же время ферменты обычно дороги в получении, они часто перестают функционировать при температурах выше 37 ° C, имеют ограниченную стабильность в растворе и обладают такой высокой специфичностью, что ограничиваются превращением одного конкретного набора реагентов в один конкретный продукт. . Это означает, что для химически подобных реакций необходимо разрабатывать отдельные процессы с использованием разных ферментов, что отнимает много времени и является дорогостоящим. К настоящему времени ферменты нашли лишь ограниченное промышленное применение, хотя они используются в качестве ингредиентов в моющих средствах для стирки, средствах для чистки контактных линз и размягчителях мяса.Ферменты в этих приложениях, как правило, представляют собой протеазы, которые способны расщеплять амидные связи, удерживающие вместе аминокислоты в белках. Например, размягчители мяса содержат протеазу, называемую папаином, которую выделяют из сока папайи. Он расщепляет некоторые длинные волокнистые белковые молекулы, которые делают недорогие нарезы говядины жесткими, в результате чего получается более нежный кусок мяса. Некоторые насекомые, такие как жук-бомбадир, несут фермент, способный катализировать разложение перекиси водорода до воды (рис. \ (\ PageIndex {3} \)).

    Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): механизм каталитической защиты. Обжигающий спрей с неприятным запахом, излучаемый этим жуком-бомбардиром, образуется в результате каталитического разложения \ (\ ce {h3O2} \).

    Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами, путем связывания с определенной частью фермента и, таким образом, замедления или предотвращения реакции. Таким образом, необратимые ингибиторы являются эквивалентом ядов в гетерогенном катализе. Одним из старейших и наиболее широко используемых коммерческих ингибиторов ферментов является аспирин, который избирательно подавляет один из ферментов, участвующих в синтезе молекул, вызывающих воспаление.Создание и синтез родственных молекул, более эффективных, более селективных и менее токсичных, чем аспирин, являются важными задачами биомедицинских исследований.

    Сводка

    Катализаторы участвуют в химической реакции и увеличивают ее скорость. Они не входят в общее уравнение реакции и не расходуются во время реакции. Катализаторы позволяют реакции протекать по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем некаталитическая реакция. При гетерогенном катализе катализаторы обеспечивают поверхность, с которой реагенты связываются в процессе адсорбции.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *