Kemija je znanost o tvarima i njihovim transformacijama, kao i metodama njihovog dobivanja. Čak iu redovnom školskom programu razmatra se tako važno pitanje kao što su vrste reakcija. Klasifikacija s kojom se školarci upoznaju na osnovnoj razini uzima u obzir promjenu stupnja oksidacije, fazu tijeka, mehanizam procesa i sl. Osim toga, svi kemijski procesi se dijele na nekatalitičke i katalitičke. reakcije. Primjere transformacija koje se odvijaju uz sudjelovanje katalizatora osoba se susreće u običnom životu: fermentacija, propadanje. Nekatalitičke transformacije su kod nas puno rjeđe.
Što je katalizator
Ovo je kemijska tvar koja može promijeniti brzinu interakcije, ali sama u njoj ne sudjeluje. U slučaju kada se proces ubrzava uz pomoć katalizatora, govorimo o pozitivnoj katalizi. U slučaju da tvar dodana u proces smanjuje brzinu reakcije, naziva se inhibitorom.
Vrste katalize
Homogena i heterogena kataliza razlikuju se u fazi, ugdje se nalaze polazni materijali. Ako su početne komponente uzete za interakcije, uključujući katalizator, u istom agregacijskom stanju, nastavlja se homogena kataliza. U slučaju kada u reakciji sudjeluju tvari različitih faza, dolazi do heterogene katalize.
Selektivnost djelovanja
Kataliza nije samo sredstvo za povećanje produktivnosti opreme, ona ima pozitivan učinak na kvalitetu dobivenih proizvoda. Taj se fenomen može objasniti činjenicom da se zbog selektivnog (selektivnog) djelovanja većine katalizatora ubrzava izravna reakcija, smanjuju se sporedni procesi. Na kraju, dobiveni proizvodi su visoke čistoće, nema potrebe za daljnjim pročišćavanjem tvari. Selektivnost djelovanja katalizatora daje stvarno smanjenje neproizvodnih troškova sirovina, dobru ekonomsku korist.
Prednosti korištenja katalizatora u proizvodnji
Što još karakterizira katalitičke reakcije? Primjeri iz tipične srednje škole pokazuju da korištenje katalizatora omogućuje izvođenje procesa na nižim temperaturama. Eksperimenti potvrđuju da se može koristiti za značajno smanjenje troškova energije. To je posebno važno u modernim uvjetima, kada u svijetu nedostaje energetskih resursa.
Primjeri katalitičke proizvodnje
Koja industrija koristi katalitičke reakcije? Primjeri takvih produkcija:proizvodnja dušične i sumporne kiseline, vodika, amonijaka, polimera, prerada nafte. Kataliza se široko koristi u proizvodnji organskih kiselina, monohidričnih i polihidričnih alkohola, fenola, sintetičkih smola, boja i lijekova.
Što je katalizator
Mnoge tvari koje se nalaze u periodnom sustavu kemijskih elemenata Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, kao i njihovi spojevi, mogu djelovati kao katalizatori. Među najčešćim akceleratorima su: nikal, željezo, platina, kob alt, aluminosilikati, manganovi oksidi.
Značajke katalizatora
Pored selektivnog djelovanja, katalizatori imaju izvrsnu mehaničku čvrstoću, sposobni su izdržati katalitičke otrove i lako se regeneriraju (oporavljaju).
Prema faznom stanju, katalitičke homogene reakcije dijele se na plinovitu i tekuću fazu.
Pogledajmo pobliže ove vrste reakcija. U otopinama, vodikovi kationi H+, hidroksidni bazni ioni OH-, metalni kationi M+ i tvari koje doprinose stvaranju slobodnih radikala djeluju kao akcelerator kemijske transformacije.
Suština katalize
Mehanizam katalize u interakciji kiselina i baza je da postoji izmjena između tvari koje djeluju i pozitivnih iona katalizatora (protona). U tom slučaju dolazi do intramolekularnih transformacija. Prema tomereakcije idu ovako:
- dehidracija (odvajanje vode);
- hidratacija (vezivanje molekula vode);
- esterifikacija (formiranje estera iz alkohola i karboksilnih kiselina);
- polikondenzacija (formiranje polimera s eliminacijom vode).
Teorija katalize objašnjava ne samo sam proces, već i moguće sporedne transformacije. U slučaju heterogene katalize, akcelerator procesa formira nezavisnu fazu, neki centri na površini reaktanata posjeduju katalitička svojstva ili je uključena cijela površina.
Postoji i mikroheterogen proces, koji uključuje prisutnost katalizatora u koloidnom stanju. Ova varijanta je prijelazno stanje iz homogene u heterogenu vrstu katalize. Većina tih procesa odvija se između plinovitih tvari pomoću čvrstih katalizatora. Mogu biti u obliku granula, tableta, zrna.
Distribucija katalize u prirodi
Enzimatska kataliza prilično je raširena u prirodi. Uz pomoć biokatalizatora nastavlja se sinteza proteinskih molekula, provodi se metabolizam u živim organizmima. Niti jedan biološki proces koji se odvija uz sudjelovanje živih organizama ne zaobilazi katalitičke reakcije. Primjeri vitalnih procesa: sinteza proteina specifičnih za tijelo iz aminokiselina; razgradnja masti, proteina, ugljikohidrata.
Algoritam katalize
Razmotrimo mehanizam katalize. Ovaj proces, koji se odvija na poroznim čvrstim akceleratorima kemijskih interakcija, uključujesebi nekoliko osnovnih faza:
- difuzija interakcijskih tvari na površinu zrna katalizatora iz jezgre toka;
- difuzija reagensa u porama katalizatora;
- kemisorpcija (aktivirana adsorpcija) na površini akceleratora kemijske reakcije s pojavom kemijskih površinskih tvari - aktivirani kompleksi katalizator-reagens;
- preuređenje atoma s pojavom površinskih kombinacija "katalizator-proizvod";
- difuzija u porama akceleratora reakcije proizvoda;
- difuzija proizvoda s površine zrna akceleratora reakcije u tok jezgre.
Katalitičke i nekatalitičke reakcije toliko su važne da su znanstvenici nastavili istraživanja u ovom području dugi niz godina.
Uz homogenu katalizu, nema potrebe za izgradnjom posebnih struktura. Enzimska kataliza u heterogenoj verziji uključuje korištenje različite i specifične opreme. Za njegov protok razvijeni su posebni kontaktni aparati, podijeljeni prema kontaktnoj površini (u cijevima, na zidovima, rešetkama katalizatora); sa slojem filtera; izvagani sloj; s pokretnim katalizatorom u prahu.
Izmjena topline u uređajima implementirana je na različite načine:
- korištenjem daljinskih (vanjskih) izmjenjivača topline;
- uz pomoć izmjenjivača topline ugrađenih u kontaktni aparat.
Analizom formula u kemiji mogu se pronaći i takve reakcije u kojima je katalizator jedan od krajnjih proizvoda koji nastaje tijekom kemijske interakcijeoriginalne komponente.
Takvi se procesi obično nazivaju autokatalitički, a sam fenomen se u kemiji naziva autokataliza.
Brzina mnogih interakcija povezana je s prisutnošću određenih tvari u reakcijskoj smjesi. Njihove formule u kemiji najčešće se propuštaju, zamjenjuju ih riječju "katalizator" ili njezinom skraćenom verzijom. Oni nisu uključeni u konačnu stereokemijsku jednadžbu, budući da se ne mijenjaju s kvantitativne točke gledišta nakon završetka interakcije. U nekim slučajevima dovoljne su male količine tvari da značajno utječu na brzinu procesa. Situacije su također sasvim prihvatljive kada sama reakcijska posuda djeluje kao akcelerator kemijske interakcije.
Suština učinka katalizatora na promjenu brzine kemijskog procesa je da je ova tvar uključena u sastav aktivnog kompleksa, te stoga mijenja energiju aktivacije kemijske interakcije.
Kada se ovaj kompleks razgradi, katalizator se regenerira. Zaključak je da se neće potrošiti, ostat će u istom iznosu nakon završetka interakcije. Upravo je iz tog razloga mala količina djelatne tvari sasvim dovoljna za provođenje reakcije sa supstratom (reagirajućom tvari). U stvarnosti se tijekom kemijskih procesa još uvijek troše neznatne količine katalizatora, budući da su mogući različiti sporedni procesi: njegovo trovanje, tehnološki gubici i promjena stanja površine čvrstog katalizatora. Kemijske formule ne uključuju katalizator.
Zaključak
Reakcije u kojima sudjeluje aktivna tvar (katalizator) okružuju čovjeka, osim toga, događaju se i u njegovom tijelu. Homogene reakcije su mnogo rjeđe od heterogenih interakcija. U svakom slučaju, prvo nastaju međukompleksi, koji su nestabilni, postupno se uništavaju, te se opaža regeneracija (oporavak) akceleratora kemijskog procesa. Na primjer, kada metafosforna kiselina reagira s kalijevim persulfatom, jodovodikova kiselina djeluje kao katalizator. Kada se doda reaktantima, nastaje žuta otopina. Kako se približavate kraju procesa, boja postupno nestaje. U ovom slučaju, jod djeluje kao međuprodukt, a proces se odvija u dvije faze. Ali čim se sintetizira metafosforna kiselina, katalizator se vraća u prvobitno stanje. Katalizatori su nezamjenjivi u industriji, pomažu ubrzati transformacije i dobiti visokokvalitetne produkte reakcije. Biokemijski procesi u našem tijelu također su nemogući bez njihovog sudjelovanja.
