Вопрос №26
.odtВопрос №26: Катализ и каталитические процессы. Катализаторы. Требования, предъявляемые к катализаторам.
Катализ и каталитические процессы. Катализаторы.
Ряд химических превращений требует своего инициирования, чтобы протекать с заметной скоростью. Одним из инициаторов могут выступать химические вещества — катализаторы, химические процессы с участием которых называются каталитическими.
Катализ — явление возбуждения химических реакций веществами—катализаторами. Является не только методом ускорения реакции, но и методом управления для направленного осуществления тех или иных превращений.
Каталитические процессы — процессы с участием катализаторов.
Катализатор - многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой состав после каждого цикла промежуточного взаимодействия.
Суть каталитического действия заключается в том, что химическое превращение протекает через образование активного комплекса, обладающего неким количеством избыточной энергии достаточной для перестройки участвующих в нем молекул и образования новых химических связей, т.е. получения новых веществ продуктов реакции. Изменение энергии системы в ходе взаимодействия (по реакционному пути) показано кривой 1.
Участвовать в образовании активного комплекса могут только те молекулы, энергия которых превышает энергию активации его образования. Иначе реакция не протекает. Использование катализатора приводит к изменению реакционного пути за счет его химического взаимодействия с компонентом или компонентами реакции через образование активного комплекса, обладающего меньшей энергией, чем полученного без участия катализатора. Промежуточное соединение К, в которое входит катализатор, далее превращается в продукты через другой активный комплекс, но тоже образованный с меньшей затратой энергии.
После второго этапа (стадии) реакции катализатор восстанавливает свой химический состав, и составляющие его компоненты не входят в состав продуктов. Несмотря на то, что реакционный путь удлиняется, становится стадийным, уменьшение энергии образования активных комплексов приводит к увеличению скорости реакции. Изменение энергии системы в каталитической реакции показано кривой 2.
Вне зависимости от того, как протекает химическая реакция исходное и конечное энергетическое состояние реагирующей системы, в том числе и свободная энергия Гиббса, одинаковые, так как после акта химического превращения катализатор восстанавливается и его состав остается прежним. И поскольку изменение энергии Гиббса, определяющего равновесие в системе, одинаково в обоих способах химического превращения, катализатор не изменяет равновесие системы, хотя и изменяет скорость превращения.
Катализаторами могут быть элементарные вещества (металлы, активированный уголь), химические соединения (оксиды, сульфиды, хлориды), сложные комплексы и многоатомные молекулы, их смеси. Специфичность катализатора зависит как от его состава и строения, так и вида химической реакции.
Наиболее простая классификация основана на фазовом состоянии участников процесса и включает каталитические реакции:
гомогенные - реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе
гетерогенные - реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах
микрогетерогенные - занимает промежуточное место между гомогенным и гетерогенным, в котором в качестве катализатора используют большие полимерные молекулы (ферментативные).
Требования, предъявляемые к катализаторам
1) высокая каталитическая активность - определяется удельной скоростью данной каталитической реакции, т. е. количеством продукта, образующегося в единицу времени на единицу объема катализатора или реактора;
2) достаточно большая селективность (избирательность) в отношении целевой реакции - её характеризует доля прореагировавших исходных веществ с образованием целевых продуктов. Зависит от природы катализатора и от параметров каталитического процесса, от термодинамического равновесия;
3) высокая механическая прочность к сжатию, удару и истиранию;
4) достаточная стабильность всех свойств катализатора на протяжении его службы и способность к их восстановлению при том или ином методе регенерации - характеризует его способность сохранять свою активность во времени. От нее зависят стабильность работы установок, технологическое оформление, расход катализатора, материальные и экономические затраты, вопросы охраны окружающей среды и технико-экономические показатели процесса и др.;
5) простота получения, обеспечивающая воспроизводимость всех свойств катализатора;
6) оптимальные форма и геометрические размеры, обусловливающие гидродинамические характеристики реактора;
7) небольшие экономические затраты на производство катализатора.