Chemie je věda o látkách a jejich přeměnách a také o metodách jejich získávání. I v běžných školních osnovách se uvažuje o tak důležité otázce, jako jsou typy reakcí. Klasifikace, se kterou se školáci seznamují na základní úrovni, zohledňuje změnu stupně oxidace, fázi průběhu, mechanismus procesu atd. Kromě toho se všechny chemické procesy dělí na nekatalytické a katalytické. reakce. S příklady přeměn probíhajících za účasti katalyzátoru se člověk setkává v běžném životě: kvašení, rozklad. Nekatalytické přeměny jsou pro nás mnohem vzácnější.
Co je katalyzátor
Jedná se o chemickou látku, která může změnit rychlost interakce, ale sama se na ní nepodílí. V případě, kdy je proces urychlován pomocí katalyzátoru, mluvíme o pozitivní katalýze. V případě, že látka přidaná do procesu snižuje rychlost reakce, nazývá se inhibitorem.
Typy katalýzy
Homogenní a heterogenní katalýza se liší ve fázi, vve kterých se nacházejí výchozí látky. Jsou-li výchozí složky, které se odebírají pro interakce, včetně katalyzátoru, ve stejném stavu agregace, probíhá homogenní katalýza. V případě, že se reakce účastní látky různých fází, dochází k heterogenní katalýze.
Selektivita akce
Katalýza není jen prostředkem ke zvýšení produktivity zařízení, má pozitivní vliv na kvalitu výsledných produktů. Tento jev lze vysvětlit tím, že díky selektivnímu (selektivnímu) působení většiny katalyzátorů dochází k urychlení přímé reakce, omezení vedlejších procesů. Výsledné produkty jsou ve finále vysoké čistoty, látky není potřeba dále čistit. Selektivita katalytického působení poskytuje skutečné snížení nevýrobních nákladů na suroviny, což je dobrý ekonomický přínos.
Výhody použití katalyzátoru ve výrobě
Co dalšího charakterizuje katalytické reakce? Příklady z typické střední školy ukazují, že použití katalyzátoru umožňuje provádění procesu při nižších teplotách. Experimenty potvrzují, že jej lze použít k výraznému snížení nákladů na energii. To je zvláště důležité v moderních podmínkách, kdy je ve světě nedostatek energetických zdrojů.
Příklady katalytické výroby
Jaké odvětví používá katalytické reakce? Příklady takových inscenací:výroba kyseliny dusičné a sírové, vodíku, čpavku, polymerů, rafinace ropy. Katalýza je široce používána při výrobě organických kyselin, jednosytných a vícesytných alkoholů, fenolu, syntetických pryskyřic, barviv a léků.
Co je katalyzátor
Mnoho látek, které jsou v periodické tabulce chemických prvků Dmitrije Ivanoviče Mendělejeva, stejně jako jejich sloučeniny, mohou působit jako katalyzátory. Mezi nejběžnější urychlovače patří: nikl, železo, platina, kob alt, hlinitokřemičitany, oxidy manganu.
Vlastnosti katalyzátorů
Kromě selektivního působení mají katalyzátory vynikající mechanickou pevnost, jsou schopny odolávat katalytickým jedům a snadno se regenerují (obnovují).
Podle skupenství se katalytické homogenní reakce dělí na plynnou fázi a kapalnou fázi.
Podívejme se blíže na tyto typy reakcí. V roztocích působí jako urychlovač chemické přeměny kationty vodíku H+, ionty hydroxidové báze OH-, kationty kovů M+ a látky přispívající ke vzniku volných radikálů.
Podstata katalýzy
Mechanismus katalýzy při interakci kyselin a zásad spočívá v tom, že dochází k výměně mezi interagujícími látkami a kladnými ionty katalyzátoru (protony). V tomto případě probíhají intramolekulární přeměny. Podle tohotoreakce vypadají takto:
- dehydratace (odloučení vody);
- hydratace (přichycení molekul vody);
- esterifikace (tvorba esterů z alkoholů a karboxylových kyselin);
- polykondenzace (tvorba polymeru s eliminací vody).
Teorie katalýzy vysvětluje nejen samotný proces, ale také možné boční transformace. V případě heterogenní katalýzy tvoří urychlovač procesu nezávislou fázi, některá centra na povrchu reaktantů mají katalytické vlastnosti nebo je zapojen celý povrch.
Existuje také mikroheterogenní proces, který zahrnuje přítomnost katalyzátoru v koloidním stavu. Tato varianta je přechodným stavem od homogenního k heterogennímu typu katalýzy. Většina těchto procesů probíhá mezi plynnými látkami pomocí pevných katalyzátorů. Mohou být ve formě granulí, tablet, zrn.
Distribuce katalýzy v přírodě
Enzymatická katalýza je v přírodě poměrně rozšířená. S pomocí biokatalyzátorů probíhá syntéza proteinových molekul, probíhá metabolismus v živých organismech. Ani jeden biologický proces, ke kterému dochází za účasti živých organismů, neobchází katalytické reakce. Příklady životně důležitých procesů: syntéza proteinů specifických pro tělo z aminokyselin; rozklad tuků, bílkovin, sacharidů.
Algoritmus katalýzy
Uvažujme mechanismus katalýzy. Tento proces, který probíhá na porézních pevných urychlovačích chemické interakce, zahrnujepár základních fází:
- difúze interagujících látek na povrch zrn katalyzátoru z jádra toku;
- difúze činidel v pórech katalyzátoru;
- chemisorpce (aktivovaná adsorpce) na povrchu urychlovače chemické reakce s výskytem chemických povrchových látek - aktivovaných komplexů katalyzátor-činidlo;
- přeskupení atomů se vzhledem povrchových kombinací "katalyzátor-produkt";
- difúze v pórech urychlovače reakce produktu;
- difúze produktu z povrchu zrna reakčního urychlovače do proudu jádra.
Katalytické a nekatalytické reakce jsou tak důležité, že vědci pokračují ve výzkumu v této oblasti po mnoho let.
S homogenní katalýzou není potřeba budovat speciální struktury. Enzymatická katalýza v heterogenní verzi zahrnuje použití různých a specifických zařízení. Pro jeho proudění byly vyvinuty speciální kontaktní aparáty, rozdělené podle kontaktní plochy (v trubkách, na stěnách, katalytických mřížkách); s filtrační vrstvou; vážená vrstva; s pohyblivým práškovým katalyzátorem.
Výměna tepla v zařízeních je implementována různými způsoby:
- pomocí vzdálených (externích) výměníků tepla;
- pomocí výměníků tepla zabudovaných do kontaktního zařízení.
Analýzou vzorců v chemii lze také najít takové reakce, ve kterých je katalyzátor jedním z konečných produktů, který vzniká během chemické interakceoriginální komponenty.
Takové procesy se obvykle nazývají autokatalytické, samotný jev se v chemii nazývá autokatalýza.
Rychlost mnoha interakcí je spojena s přítomností určitých látek v reakční směsi. Jejich vzorce v chemii nejčastěji chybí, nahrazují je slovem „katalyzátor“nebo jeho zkrácenou verzí. Nejsou zahrnuty do konečné stereochemické rovnice, protože se po dokončení interakce z kvantitativního hlediska nemění. V některých případech stačí malá množství látek k výraznému ovlivnění rychlosti procesu. Zcela přijatelné jsou i situace, kdy samotná reakční nádoba působí jako urychlovač chemické interakce.
Podstata účinku katalyzátoru na změnu rychlosti chemického procesu spočívá v tom, že tato látka je obsažena ve složení aktivního komplexu, a proto mění aktivační energii chemické interakce.
Když se tento komplex rozloží, katalyzátor se regeneruje. Základem je, že se neutratí, po skončení interakce zůstane ve stejné výši. Z tohoto důvodu stačí malé množství účinné látky k provedení reakce se substrátem (reagující látkou). Ve skutečnosti se při chemických procesech stále spotřebovává zanedbatelné množství katalyzátorů, protože jsou možné různé vedlejší procesy: jeho otrava, technologické ztráty a změna stavu povrchu pevného katalyzátoru. Chemické vzorce neobsahují katalyzátor.
Závěr
Reakce, kterých se účastní účinná látka (katalyzátor), obklopují člověka, kromě toho probíhají i v jeho těle. Homogenní reakce jsou mnohem méně časté než heterogenní interakce. V každém případě se nejprve vytvoří mezikomplexy, které jsou nestabilní, postupně se ničí a pozoruje se regenerace (obnovení) urychlovače chemického procesu. Například, když kyselina metafosforečná reaguje s persíranem draselným, kyselina jodovodíková působí jako katalyzátor. Když se přidá k reaktantům, vytvoří se žlutý roztok. Jak se blížíte ke konci procesu, barva postupně mizí. V tomto případě působí jód jako meziprodukt a proces probíhá ve dvou fázích. Ale jakmile je kyselina metafosforečná syntetizována, katalyzátor se vrátí do původního stavu. Katalyzátory jsou v průmyslu nepostradatelné, pomáhají urychlovat transformace a získávat vysoce kvalitní reakční produkty. Biochemické procesy v našem těle jsou také nemožné bez jejich účasti.
