Chimia este știința substanțelor și a transformărilor lor, precum și a metodelor de obținere a acestora. Chiar și într-un programa școlar obișnuit, este luată în considerare o problemă atât de importantă precum tipurile de reacții. Clasificarea la care sunt introduși școlarii la nivel de bază ține cont de modificarea gradului de oxidare, faza cursului, mecanismul procesului etc. În plus, toate procesele chimice sunt împărțite în necatalitice și catalitice. reactii. Exemple de transformări care au loc cu participarea unui catalizator sunt întâlnite de o persoană în viața obișnuită: fermentație, dezintegrare. Transformările non-catalitice sunt mult mai rare pentru noi.
Ce este un catalizator
Aceasta este o substanță chimică care poate modifica rata de interacțiune, dar nu participă la ea însăși. În cazul în care procesul este accelerat cu ajutorul unui catalizator, vorbim de cataliză pozitivă. În cazul în care o substanță adăugată procesului reduce viteza reacției, se numește inhibitor.
Tipuri de cataliză
Cataliza omogenă și eterogenă diferă în fază, înîn care se află materiile prime. Dacă componentele inițiale luate pentru interacțiuni, inclusiv catalizatorul, sunt în aceeași stare de agregare, se efectuează cataliză omogenă. În cazul în care la reacție iau parte substanțe din diferite faze, are loc o cataliză eterogenă.
Selectivitatea acțiunii
Cataliza nu este doar un mijloc de creștere a productivității echipamentelor, ea are un efect pozitiv asupra calității produselor rezultate. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul că, datorită acțiunii selective (selective) a majorității catalizatorilor, reacția directă este accelerată, procesele secundare sunt reduse. În cele din urmă, produsele rezultate sunt de o puritate ridicată, nu este nevoie să purificați în continuare substanțele. Selectivitatea acțiunii catalizatorului oferă o reducere reală a costurilor de neproducție ale materiilor prime, un bun beneficiu economic.
Beneficiile utilizării unui catalizator în producție
Ce altceva caracterizează reacțiile catalitice? Exemplele dintr-un liceu tipic arată că utilizarea unui catalizator permite desfășurarea procesului la temperaturi mai scăzute. Experimentele confirmă că poate fi folosit pentru a reduce semnificativ costurile cu energia. Acest lucru este deosebit de important în condițiile moderne, când există o lipsă de resurse energetice în lume.
Exemple de producție catalitică
Ce industrie folosește reacții catalitice? Exemple de astfel de producții:producerea de acizi azotic și sulfuric, hidrogen, amoniac, polimeri, rafinarea petrolului. Cataliza este utilizată pe scară largă în producția de acizi organici, alcooli monohidroxici și polihidrați, fenol, rășini sintetice, coloranți și medicamente.
Care este catalizatorul
Multe substanțe care se află în tabelul periodic al elementelor chimice ale lui Dmitri Ivanovici Mendeleev, precum și compușii lor, pot acționa ca catalizatori. Printre cei mai des întâlniți acceleratori se numără: nichel, fier, platină, cob alt, aluminosilicați, oxizi de mangan.
Caracteristici ale catalizatorilor
Pe lângă acțiunea selectivă, catalizatorii au o rezistență mecanică excelentă, sunt capabili să reziste otrăvurilor catalitice și sunt ușor de regenerat (recuperat).
În funcție de starea de fază, reacțiile catalitice omogene sunt împărțite în fază gazoasă și fază lichidă.
Să aruncăm o privire mai atentă la aceste tipuri de reacții. În soluții, cationii de hidrogen H+, ionii de bază hidroxid OH-, cationii metalici M+ și substanțele care contribuie la formarea radicalilor liberi acționează ca un accelerator al transformării chimice.
Esența catalizei
Mecanismul de cataliză în interacțiunea acizilor și bazelor este că există un schimb între substanțele care interacționează și ionii pozitivi ai catalizatorului (protoni). În acest caz, au loc transformări intramoleculare. Conform cu aceastareacțiile sunt așa:
- deshidratare (desprinderea apei);
- hidratare (atașarea moleculelor de apă);
- esterificare (formarea de esteri din alcooli și acizi carboxilici);
- policondensare (formarea unui polimer cu eliminarea apei).
Teoria catalizei explică nu numai procesul în sine, ci și posibilele transformări secundare. În cazul catalizei eterogene, acceleratorul procesului formează o fază independentă, unii centri de pe suprafața reactanților posedă proprietăți catalitice sau este implicată întreaga suprafață.
Există și un proces microeterogen, care implică prezența unui catalizator în stare coloidală. Această variantă este o stare de tranziție de la un tip de cataliză omogen la unul eterogen. Majoritatea acestor procese au loc între substanțe gazoase folosind catalizatori solizi. Acestea pot fi sub formă de granule, tablete, boabe.
Distribuția catalizei în natură
Cataliza enzimatică este destul de răspândită în natură. Cu ajutorul biocatalizatorilor se realizează sinteza moleculelor de proteine, se realizează metabolismul în organismele vii. Niciun proces biologic care are loc cu participarea organismelor vii nu ocolește reacțiile catalitice. Exemple de procese vitale: sinteza proteinelor specifice organismului din aminoacizi; descompunerea grăsimilor, proteinelor, carbohidraților.
Algoritm de cataliză
Să luăm în considerare mecanismul catalizei. Acest proces, care are loc pe acceleratori de interacțiune chimică solidă poroasă, includecâteva etape elementare:
- difuzia de substanțe care interacționează la suprafața granulelor de catalizator din miezul fluxului;
- difuzia de reactivi în porii catalizatorului;
- chimisorbție (adsorbție activată) pe suprafața unui accelerator de reacție chimică cu aspect de substanțe chimice de suprafață - complexe catalizator-reactiv activat;
- rearanjarea atomilor cu aspect de combinații de suprafață „catalizator-produs”;
- difuzie în porii acceleratorului de reacție a produsului;
- difuzia produsului de pe suprafața cerealelor acceleratorului de reacție în fluxul de miez.
Reacțiile catalitice și necatalitice sunt atât de importante încât oamenii de știință au continuat cercetările în acest domeniu de mulți ani.
Cu cataliza omogenă, nu este nevoie să construiți structuri speciale. Cataliza enzimatică în varianta eterogenă presupune utilizarea unor echipamente diverse și specifice. Pentru curgerea acestuia s-au dezvoltat aparate de contact speciale, subdivizate in functie de suprafata de contact (in tuburi, pe pereti, grile de catalizator); cu un strat filtrant; strat cântărit; cu catalizator pulverizat în mișcare.
Schimbul de căldură în dispozitive este implementat în diferite moduri:
- prin utilizarea schimbătoarelor de căldură (externe) la distanță;
- cu ajutorul schimbătoarelor de căldură încorporate în aparatul de contact.
Analizând formulele din chimie, se pot găsi și astfel de reacții în care catalizatorul este unul dintre produsele finale care se formează în timpul interacțiunii chimicecomponente originale.
Astfel de procese sunt de obicei numite autocatalitice, fenomenul în sine se numește autocataliză în chimie.
Rata multor interacțiuni este asociată cu prezența anumitor substanțe în amestecul de reacție. Formulele lor în chimie sunt cel mai adesea ratate, înlocuite cu cuvântul „catalizator” sau versiunea sa prescurtată. Ele nu sunt incluse în ecuația stereochimică finală, deoarece nu se modifică din punct de vedere cantitativ după finalizarea interacțiunii. În unele cazuri, cantități mici de substanțe sunt suficiente pentru a afecta în mod semnificativ viteza procesului. Situațiile sunt, de asemenea, destul de acceptabile atunci când vasul de reacție însuși acționează ca un accelerator al interacțiunii chimice.
Esența efectului unui catalizator asupra modificării vitezei unui proces chimic este aceea că această substanță este inclusă în compoziția complexului activ și, prin urmare, modifică energia de activare a interacțiunii chimice.
Când acest complex se descompune, catalizatorul este regenerat. Concluzia este că nu va fi cheltuită, va rămâne în aceeași sumă după încheierea interacțiunii. Din acest motiv, o cantitate mică de substanță activă este suficientă pentru a efectua reacția cu substratul (substanța de reacție). În realitate, cantități nesemnificative de catalizatori sunt încă consumate în timpul proceselor chimice, deoarece sunt posibile diferite procese secundare: otrăvirea acestuia, pierderile tehnologice și o schimbare a stării suprafeței unui catalizator solid. Formulele chimice nu includ un catalizator.
Concluzie
Reacțiile la care intervine o substanță activă (catalizator) înconjoară o persoană, în plus, acestea apar și în corpul său. Reacțiile omogene sunt mult mai puțin frecvente decât interacțiunile eterogene. În orice caz, mai întâi se formează complexe intermediare, care sunt instabile, sunt distruse treptat și se observă regenerarea (recuperarea) acceleratorului procesului chimic. De exemplu, atunci când acidul metafosforic reacționează cu persulfatul de potasiu, acidul iodhidric acționează ca un catalizator. Când este adăugat la reactanți, se formează o soluție galbenă. Pe măsură ce te apropii de sfârșitul procesului, culoarea dispare treptat. În acest caz, iodul acționează ca un produs intermediar, iar procesul are loc în două etape. Dar de îndată ce acidul metafosforic este sintetizat, catalizatorul revine la starea inițială. Catalizatorii sunt indispensabili în industrie, ajută la accelerarea transformărilor și la obținerea unor produse de reacție de în altă calitate. Procesele biochimice din corpul nostru sunt, de asemenea, imposibile fără participarea lor.
