Главная Регистрация Вход RSS

Главная » Статьи » Реферати » Хімія

---

Реферат на тему Каталіз. Каталіз, прискорення хімічних реакцій під дією малих кількостей речовин (каталізаторів), які самі в ході реакції не змінюються. Каталітичні процеси грають величезну роль в нашому житті. Біологічні каталізатори, звані ферментами, беруть участь в регуляції біохімічних процесів. Без каталізаторів не могли б протікати багато промислових процесів. Найважливіша властивість каталізаторів – селективність, тобто здатність|здібність| збільшувати швидкість лише певних хімічних реакцій з|із| багатьох можливих. Це дозволяє здійснювати реакції, що протікають в звичайних|звичних| умовах дуже|занадто| повільно|поволі|, щоб|аби| їм можна було знайти практичне застосування, і забезпечує утворення потрібних продуктів. Вживання|застосування| каталізаторів сприяло бурхливому розвитку хімічної промисловості. Вони широко використовуються при переробці нафти, отриманні різних продуктів, створенні|створінні| нових матеріалів (наприклад, пластмас), нерідко|незрідка| дешевших, ніж що застосовувалися раніше. Приблизно 90% обсягу сучасного хімічного виробництва засновано на каталітичних процесах. Особливу роль грають каталітичні процеси в охороні навколишнього середовища. У 1835 шведський хімік Й.Берцеліус встановив, що у присутності певних речовин швидкість деяких хімічних реакцій істотно|суттєвий| зростає. Для таких речовин він ввів|запроваджував| термін «каталізатор» (від греч|. katalysis| – розслаблення). Як вважав|лічив| Берцеліус, каталізатори володіють особливою здатністю|здібністю| ослабляти|послаблювати| зв'язки між атомами в молекулах, що беруть участь в реакції, полегшуючи таким чином їх взаємодію. Великий внесок у розвиток уявлень про роботу каталізаторів вніс німецький фізикохімік| В.Оствальд, який в 1880 дав визначення каталізатора як речовини, яка змінює|зраджує| швидкість реакції. Згідно|згідно з| сучасним поданням, каталізатор утворює комплекс з|із| реагуючими молекулами, що стабілізується хімічними зв'язками. Після|потім| перегруповування цей комплекс диссоціює| з|із| вивільненням продуктів і каталізатора. Для мономолекулярної реакції перетворення молекули X в Y весь цей процес можна представити|уявляти| у вигляді|виді| X + Кат. ® X-кат|. ® Y-кат|. ® Y + Кат. Каталізатор, що вивільняється, знов|знову| зв'язується з X, і весь цикл багато разів повторюється, забезпечуючи утворення великих кількостей продукту – речовини Y. Багато речовин за звичайних умов не вступають в хімічну реакцію один з одним. Так, водень і оксид вуглецю при кімнатній температурі не взаємодіють між собою, оскільки зв'язок між атомами в молекулі H2 досить міцний і не розривається при атаці молекулою CO. Каталізатор зближує молекули H2 і CO, утворюючи з ними зв'язки. Після перегруповування комплекс каталізатор – реагенти диссоциирует з утворенням продукту, що містить атоми C, H і O. Нерідко при взаємодії одних і тих же речовин утворюються різні продукти. Каталізатор може спрямувати процес по шляху, найбільш сприятливому для утворення певного продукту. Розгледимо реакцію між CO і H2. У присутності медьсодержащего каталізатора практично єдиним продуктом реакції є метанол: Спочатку молекули С і Н2 адсорбуються на поверхні каталізатора. Потім молекули С утворюють з каталізатором хімічні зв'язки (відбувається хемосорбция), залишаючись в недиссоциированной формі. Молекули водню також хемосорбируются на поверхні каталізатора, але при цьому диссоциируют. В результаті перегруповування утворюється перехідний комплекс Н-кат.-CH2OH. Після приєднання атома H комплекс розпадається з вивільненням CH3OH і каталізатора. У присутності нікелевого каталізатора як С, так і Н2 хемосорбируются на поверхні в диссоциированной формі, і утворюється комплекс Кат.-СН3. Кінцевими продуктами реакції є СН4 і Н2О: Більшість каталітичних реакцій проводять при певному тиску|тисненні| і температурі, пропускаючи реакційну суміш, що знаходиться|перебуває| в газоподібному або рідкому стані, через реактор, заповнений частками|частинками| каталізатора. Для опису умов проведення реакції і характеристики продуктів використовуються наступні|такі| поняття. Об'ємна швидкість – об'єм|обсяг| газу або рідини, що проходить через одиницю об'єму|обсягу| каталізатора в одиницю часу. Каталітична активність – кількість реагентів, перетворених каталізатором в продукти в одиницю часу. Конверсія – доля|частка| речовини, перетвореної в даній реакції. Селективність – відношення|ставлення| кількості певного продукту до сумарної кількості продуктів (зазвичай|звично| виражається|виказує| у відсотках|процентах|). Вихід – відношення|ставлення| кількості даного продукту до кількості початкового|вихідного| матеріалу (зазвичай|звично| виражається|виказує| у відсотках|процентах|). Продуктивність – кількість продуктів реакції, що утворюються в одиниці об'єму|обсягу| в одиницю часу. ТИПИ КАТАЛІЗАТОРІВ Каталізатори класифікують виходячи з природи реакції, яку вони прискорюють, їх хімічного складу або фізичних властивостей. Каталітичними властивостями володіють в тому або іншому ступені|мірі| практично всі хімічні елементи і речовини – самі по собі або, частіше, в різних поєднаннях. По своїх фізичних властивостях каталізатори діляться на гомогенних і гетерогенних. Гетерогенні каталізатори – це тверді речовини, гомогенні диспергіровані| в томуж газовому або рідкому середовищі, що і реагуючі речовини. Багато гетерогенних каталізаторів містять метали. Деякі метали, що особливо відносяться до VIII групи періодичної системи елементів, володіють каталітичною активністю самі по собі; типовий приклад – платина. Але більшість металів проявляють каталітичні властивості, знаходячись у складі з'єднань; приклад – глинозем (оксид алюмінію Al2O3). Незвичайною властивістю багатьох гетерогенних каталізаторів є велика площа їх поверхні. Вони пронизані багаточисельними порами, сумарна площа яких інколи досягає 500 м2 на 1 г каталізатора. У багатьох випадках оксиди з великим майданом поверхні служать підкладкою, на якій у вигляді невеликих кластерів осідають частинки металевого каталізатора. Це забезпечує ефективну взаємодію реагентів в газовій або рідкій фазі з каталітично активним металом. Особливий клас гетерогенних каталізаторів складають цеолити – кристалічні мінерали групи алюмосиликатов (з'єднань кремнію і алюмінію). Хоча багато гетерогенних каталізаторів володіють великим майданом поверхні, зазвичай вони мають лише невелике число активних центрів, яких припадає на частку мала частина сумарної поверхні. Каталізатори можуть втрачати свою активність у присутності невеликих кількостей хімічних сполук, званих каталітичними отрутами. Ці речовини зв'язуються з активними центрами, блокуючи їх. Визначення структури активних центрів є предметом інтенсивних досліджень. Гомогенні каталізатори мають різну хімічну природу – кислоти (Н2SO4 або Н3РО4), підстави (NAOH), органічні аміни, метали, найчастіше перехідні (Fe або Rh), у формі солей, металоорганічних сполук або карбонилов. До каталізаторів відносяться також ферменти – білкові молекули, регулюючі біохімічні реакції. Активний центр деяких ферментів містить атом металу (Zn, Cu, Fe або Мо). Металлсодержащие ферменти каталізують реакції за участю малих молекул (О2, CO2 або N2). Ферменти володіють дуже високою активністю і селективністю, але працюють лише за певних умов, таких, в яких протікають реакції в живих організмах. У промисловості часто використовують т.з. иммобилизованные ферменти. ЯК ПРАЦЮЮТЬ КАТАЛІЗАТОРИ Енергетика. Будь-яка хімічна реакція може протікати лише за умови, що реагенти здолають енергетичний бар'єр, а для цього вони повинні придбати певну енергію. Як ми вже говорили, каталітична реакція X ® Y складається з ряду послідовних стадій. Для протікання кожною з них необхідна енергія E, звана енергією активації. Розгледимо спочатку некаталітичний, «тепловий» шлях. Щоб реакція змогла здійснитися, потенційна енергія молекул X повинна перевищити енергетичний бар'єр Eт. Каталітична ж реакція складається з трьох стадій. Перша – утворення комплексу Х-кат. (хемосорбция), енергія активації якої рівна Еадс. Друга стадія – перегруповування Х-кат. ® Y-кат. з енергією активації Екат, і нарешті, третя – десорбція з енергією активації Едес; Еадс, Екат і Едес багато менше Ет. Оскільки швидкість реакції експоненціально залежить від енергії активації, каталітична реакція протікає значно швидше тепловою при даній температурі. Каталізатор можна уподібнити інструкторові-провідникові, який веде альпіністів (реагуючі молекули) через гірський хребет. Він проводить одну групу через перевал і потім|і тоді| повертається за наступною|слідуючою|. Шлях|дорога| через перевал лежить значно нижче за той, який лежить через вершину (тепловий канал реакції), і група здійснює|скоює| перехід швидше, ніж без провідника (каталізатора). Можливо навіть, що самостійно група взагалі не змогла б здолати|подолати| хребет. Теорії каталізу. Для пояснення механізму каталітичних реакцій були запропоновані три групи теорій: геометричні, електронні і хімічна. У геометричних теоріях основна увага обернена на відповідність між геометричною конфігурацією атомів активних центрів каталізатора і атомів тієї частини реагуючих молекул, яка відповідальна за пов'язання з каталізатором. Електронні теорії виходять з вистави, що хемосорбция обумовлюється електронною взаємодією, пов'язаною з перенесенням заряду, тобто ці теорії пов'язують каталітичну активність з електронними властивостями каталізатора. Хімічна теорія розглядує каталізатор як хімічну сполуку з характерними властивостями, яка утворює хімічні зв'язки з реагентами, внаслідок чого формується нестабільний перехідний комплекс. Після розпаду комплексу з вивільненням продуктів каталізатор повертається в початковий достаток. Остання теорія вважається зараз найбільш адекватною. На молекулярному рівні каталітичну газофазну реакцію можна представити|уявляти| таким чином. Одна реагуюча молекула зв'язується з|із| активним центром каталізатора, а інша взаємодіє з|із| нею, знаходячись|перебувати| безпосередньо в газовій фазі. Можливий і альтернативний механізм: реагуючі молекули адсорбуються на сусідніх активних центрах каталізатора, а потім взаємодіють один з|із| одним. Мабуть|очевидно|, саме такий чином протікають більшість каталітичних реакцій. Інша концепція передбачає, що існує зв'язок між просторовим розташуванням атомів на поверхні каталізатора і його каталітичною активністю. Швидкість одних каталітичних процесів, у тому числі багатьох реакцій гидрирования, не залежить від взаємного розташування каталітично активних атомів на поверхні; швидкість інших, навпаки, істотно змінюється при зміні просторовій конфігурації поверхневих атомів. Як приклад можна привести ізомеризацію неопентана в изопентан і одночасний крекінг останнього до изобутана і метану на поверхні каталізатора Pt-Al2O3. ЗАСТОСУВАННЯ КАТАЛІЗУ В ПРОМИСЛОВОСТІ Те бурхливе промислове зростання|зріст|, яке ми зараз переживаємо, було б неможливе без розвитку нових хімічних технологій. Значною мірою цей прогрес визначається широким застосуванням каталізаторів, за допомогою яких низькосортна сировина перетворюється на високоцінні продукти. Образно кажучи, каталізатор – це філософський камінь сучасного алхіміка, лише|тільки| він перетворює не свинець в золото, а сировину на ліки, пластмаси, хімічні реактиви, паливо|пальне|, добрива і інші корисні продукти. Мабуть, найперший каталітичний процес, який людина навчилася використовувати, – це бродіння. Рецепти приготування алкогольних напоїв були відомі шумерам ще за 3500 до н.е. Значною віхою в практичному вживанні|застосуванні| каталізу стало виробництво маргарину каталітичним гідруванням| рослинної олії. Вперше|уперше| ця реакція в промисловому масштабі була здійснена приблизно в 1900. А починаючи|зачинати| з|із| 1920-х років один за іншим були розроблені каталітичні способи отримання нових органічних матеріалів, перш за все|передусім| пластмас. Ключовим|джерельним| моментом стало каталітичне отримання олефінів|, нітрилів|, ефірів, кислот і так далі – «цегли» для хімічного «будівництва» пластмас. Третя хвиля промислового використання каталітичних процесів доводиться|припадає| на 1930-і роки і пов'язана з переробкою нафти. За своїм обсягом це виробництво незабаром залишило далеко позаду всі інші. Переробка нафти складається з декількох каталітичних процесів: крекінгу, риформінгу|, гидросульфірування|, гідрокрекінгу|, ізомеризації, полімеризації і алкіліровання|. І нарешті|урешті|, четверта хвиля у використанні каталізу пов'язана з охороною навколишнього середовища. Найбільш відоме досягнення в цій області – створення|створіння| каталітичного нейтралізатора вихлопних газів автомобілів. Каталітичні нейтралізатори, які встановлюють на автомобілі з 1975, зіграли велику роль в поліпшенні|покращанні| якості повітря і зберегли таким чином багато життів. За роботи в області каталізу і суміжних областей був присуджений близько десятка Нобелівських премій. Про практичну значущість каталітичних процесів свідчить той факт, що на долю азоту, що входить до складу отриманих|одержувати| промисловим шляхом азотовмісних сполук, доводиться|припадає| близько половини всього азоту, що входить до складу харчових продуктів. Кількість сполук азоту, що утворюються природним чином|природним шляхом|, обмежена, так що виробництво харчового білка залежить від кількості азоту, що вноситься до грунту з|із| добривами. Неможливо було б прогодувати і половину людства без синтетичного аміаку, який отримують|одержують| майже виключно|винятково| за допомогою каталітичного процесу Габера – Боша. Сфера застосування каталізаторів постійно розширюється. Поважно і те, що каталіз дозволяє значно підвищити ефективність раніше розроблених технологій. Як приклад|зразок| можна привести удосконалення каталітичного крекінгу завдяки використанню цеолітів|. Гидріровання. Велике число каталітичних реакцій пов'язане з активацією атома водню і який-небудь іншої молекули, що приводить до їх хімічної взаємодії. Цей процес називається гидрированием і лежить в основі багатьох етапів переробки нафти і здобуття рідкого палива з вугілля (процес Бергиуса). Виробництво авіаційного бензину і моторного палива|пального| з|із| вугілля було розвинене в Германії під час Другої світової війни, оскільки в цій країні немає нафтових родовищ. Процес Бергиуса полягає в безпосередньому приєднанні водню до вугілецю. Вугілля нагрівають під тиском|тисненням| у присутності водню і отримують|одержують| рідкий продукт, який потім переробляють в авіаційний бензин і моторне паливо|пальне|. Як каталізатор використовують оксид заліза, а також каталізатори на основі олова і молібдену. Під час війни на 12 заводах Німеччини|Германії| за допомогою процесу Бергиуса отримували|одержували| приблизно 1400 т рідкого палива в добу. Інший процес, Фішера – Тропша, складається з двох стадій. Спочатку вугілля газифікують, тобто проводять реакцію його з|із| водяною парою і киснем і отримують|одержують| суміш водню і оксидів вуглецю. Цю суміш перетворюють на рідке паливо за допомогою каталізаторів, залізо, що містять|утримують|, або кобальт. Із|із| закінченням війни виробництво синтетичного палива|пального| з|із| вугілля в Германії було припинене. В результаті|внаслідок| підвищення цін на нафту, що послідувало за нафтовим ембарго в 1973–1974, були зроблені енергійні зусилля по розробці економічно вигідного способу отримання бензину з|із| вугілля. Так, пряме зрідження вугілля можна проводити ефективніше, використовуючи двохстадійний процес, в якому спочатку вугілля контактує з|із| алюмокобальтомолибденовим| каталізатором при відносно низької, а потім при вищій температурі. Вартість такого синтетичного бензину вища, ніж отримуваного|одержувати| з|із| нафти.

1 2 3 4 5 Категория: Хімія | Добавил: Aspirant (03.05.2013)

Просмотров: 1121 | Рейтинг: 0.0/0

Всего комментариев: 0