Катализ
-
Определение и принципы катализа
- Катализ увеличивает скорость химической реакции за счет добавления катализатора.
- Катализаторы не расходуются и остаются неизменными после реакции.
- Перемешивание, площадь поверхности и температура влияют на скорость реакции.
- Катализаторы вступают в реакцию с реагентами, образуя промежуточные продукты.
-
Классификация катализа
- Катализ может быть гомогенным или гетерогенным.
- Гомогенный катализ происходит в той же фазе, что и реагенты.
- Гетерогенный катализ происходит в разных фазах.
- Ферменты и биокатализаторы относятся к третьей категории.
-
Примеры и механизмы
- Пример гомогенного катализа: разложение перекиси водорода с помощью диоксида марганца.
- Пример гетерогенного катализа: реакция кислорода и водорода на поверхности диоксида титана.
- Катализаторы обеспечивают альтернативный механизм реакции с более низкой энергией активации.
-
Реактивная энергетика и термодинамика
- Катализаторы не изменяют химическое равновесие реакции.
- Второй закон термодинамики объясняет, почему катализаторы не изменяют равновесие.
- Катализаторы стабилизируют переходное состояние, уменьшая кинетический барьер.
-
Связанные понятия
- Прекатализаторы превращаются в катализаторы в ходе реакции.
- Совместный катализ включает сокатализаторы или промоторы.
- Тандемный катализ использует два или более катализатора в одном реакторе.
- Автокатализ: катализатор является продуктом реакции.
- Переключаемый катализ: катализатор может переключаться между различными состояниями.
- Расходуемый катализатор: расходуется в ходе реакции и регенерирует истинный катализатор.
-
Классификация и применение
- Катализ широко распространен в химической промышленности.
- 90% химических продуктов содержат катализаторы.
- Термин «катализатор» происходит от греческого καταλίειν.
- Катализ используется для уменьшения загрязнения воздуха и получения полезных материалов.
-
Гетерогенные катализаторы
- Важные катализаторы: цеолиты, оксид алюминия, оксиды высших порядков, графитовый углерод, оксиды переходных металлов
- Механизмы реакций: Ленгмюра-Хиншелвуда, Эли-Ридила, Марса-ван Кревелена
- Площадь поверхности влияет на скорость реакции
- Активные центры: атомы или грани кристаллов
- Примеры: катализатор для процесса Хабера, окисление диоксида серы оксидом ванадия
-
Электрокатализаторы
- Используются в топливных элементах
- Наночастицы платины на углероде
- Увеличивают скорость восстановления кислорода
-
Гомогенные катализаторы
- Функционируют в той же фазе, что и реагенты
- Примеры: влияние Н+ на этерификацию карбоновых кислот
- Примеры крупномасштабных процессов: гидроформилирование, гидросилилирование, гидроцианирование
-
Органокатализ
- Органические молекулы могут проявлять каталитические свойства
- Примеры: пролин, DMAP, тиомочевинный органокатализ
- Нобелевская премия по химии 2021 года за асимметричный органокатализ
-
Фотокатализаторы
- Катализаторы получают свет для создания возбужденного состояния
- Синглетный кислород образуется при фотокатализе
- Используются в солнечных элементах
-
Ферменты и биокатализаторы
- Ферменты: белковые катализаторы метаболизма
- Биокатализаторы: рибозимы, синтетические дезоксирибозимы
- Активность зависит от температуры, рН, концентрации ферментов, субстрата и продуктов
- Примеры: кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, акриламид
-
Значимость катализа
- 90% химических продуктов содержат катализаторы
- Каталитические процессы приносят около 900 миллиардов долларов в год
- Примеры: нефтепереработка, выхлопные газы, синтетическое топливо, биодизельное топливо, топливные элементы, каталитические нагреватели
-
Сыпучие химикаты
- Производство азотной кислоты, серной кислоты, терефталевой кислоты, акриловой кислоты, акрилонитрила
- Производство аммиака, метанола, объемных полимеров, сложных полиэфиров, полиамидов, изоцианатов
-
Тонкие химикаты
- Высокодисперсные химические вещества получают с помощью катализа
- Примеры: реакция Хека, реакция Фриделя-Крафтса
- Энантиоселективный катализ для фармацевтических препаратов
-
Пищевая промышленность
- Гидрирование жиров для производства маргарина
- Биокатализаторы для производства пищевых продуктов
-
Окружающая среда
- Каталитические нейтрализаторы для выхлопных газов
- Биокатализаторы для переработки отходов
-
История катализа
- Термин «катализатор» происходит от греческого καταλίειν, что означает «отменять» или «поднимать».
- Концепция катализа была изобретена Элизабет Фулхейм в 1794 году.
- Первая химическая реакция с использованием катализатора была изучена Готлибом Кирхгофом в 1811 году.
- Термин «катализ» был использован Йенсом Якобом Берцелиусом в 1835 году.
-
Ингибиторы, яды и промоторы
- Ингибиторы снижают скорость реакции, если они обратимы, и отравляют катализатор, если необратимы.
- Промоторы повышают каталитическую активность, но сами не являются катализаторами.
- Ингибиторы могут изменять селективность реакции.
-
Примеры катализа
- Каталитическая роль свободных радикалов хлора в разрушении озона.
- Катализ в промышленности, включая гидрирование и олигомеризацию.
- Катализ в биологии, например, ферментативный катализ.
-
Современные исследования
- Современные исследования включают изучение каталитического резонанса и электрокатализа.
- Катализ на границе раздела фаз и фотокатализ также активно изучаются.
- Катализ играет важную роль в экологии и фармацевтике.