Chémia je veda o látkach a ich premenách, ako aj o metódach ich získavania. Aj v bežných školských osnovách sa uvažuje o takej dôležitej otázke, akou sú typy reakcií. Klasifikácia, s ktorou sa školáci zoznamujú na základnej úrovni, zohľadňuje zmenu stupňa oxidácie, fázu priebehu, mechanizmus procesu atď.. Okrem toho sa všetky chemické procesy delia na nekatalytické a katalytické. reakcie. S príkladmi premien prebiehajúcich za účasti katalyzátora sa človek stretáva v bežnom živote: kvasenie, rozklad. Nekatalytické transformácie sú pre nás oveľa zriedkavejšie.
Čo je katalyzátor
Toto je chemická látka, ktorá môže zmeniť rýchlosť interakcie, ale sama sa na nej nezúčastňuje. V prípade, že sa proces urýchli pomocou katalyzátora, hovoríme o pozitívnej katalýze. V prípade, že látka pridaná do procesu znižuje rýchlosť reakcie, nazýva sa inhibítor.
Typy katalýzy
Homogénna a heterogénna katalýza sa líšia vo fáze, vv ktorých sa nachádzajú východiskové látky. Ak sú počiatočné zložky použité na interakcie, vrátane katalyzátora, v rovnakom stave agregácie, prebieha homogénna katalýza. V prípade, že sa reakcie zúčastňujú látky rôznych fáz, dochádza k heterogénnej katalýze.
Selektivita akcie
Katalýza nie je len prostriedkom na zvýšenie produktivity zariadení, má pozitívny vplyv na kvalitu výsledných produktov. Tento jav možno vysvetliť tým, že vďaka selektívnemu (selektívnemu) pôsobeniu väčšiny katalyzátorov sa priama reakcia zrýchľuje, vedľajšie procesy sa znižujú. Výsledné produkty majú v konečnom dôsledku vysokú čistotu, látky nie je potrebné ďalej čistiť. Selektivita katalytického pôsobenia poskytuje skutočné zníženie nevýrobných nákladov na suroviny, čo je dobrý ekonomický prínos.
Výhody použitia katalyzátora pri výrobe
Čo ešte charakterizuje katalytické reakcie? Príklady z typickej strednej školy ukazujú, že použitie katalyzátora umožňuje uskutočňovanie procesu pri nižších teplotách. Experimenty potvrdzujú, že sa dá použiť na výrazné zníženie nákladov na energiu. Toto je obzvlášť dôležité v moderných podmienkach, keď je vo svete nedostatok energetických zdrojov.
Príklady katalytickej výroby
Aké odvetvie používa katalytické reakcie? Príklady takýchto produkcií:výroba kyseliny dusičnej a sírovej, vodíka, amoniaku, polymérov, rafinácia ropy. Katalýza sa široko používa pri výrobe organických kyselín, jednosýtnych a viacsýtnych alkoholov, fenolu, syntetických živíc, farbív a liekov.
Čo je katalyzátor
Mnohé látky, ktoré sú v periodickej tabuľke chemických prvkov Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva, ako aj ich zlúčeniny, môžu pôsobiť ako katalyzátory. Medzi najbežnejšie urýchľovače patria: nikel, železo, platina, kob alt, hlinitokremičitany, oxidy mangánu.
Vlastnosti katalyzátorov
Okrem selektívneho pôsobenia majú katalyzátory vynikajúcu mechanickú pevnosť, sú schopné odolávať katalytickým jedom a ľahko sa regenerujú (obnovujú).
Podľa fázového skupenstva sa katalytické homogénne reakcie delia na plynnú fázu a kvapalnú fázu.
Pozrime sa bližšie na tieto typy reakcií. V roztokoch ako urýchľovač chemickej premeny pôsobia katióny vodíka H+, ióny hydroxidovej bázy OH-, katióny kovov M+ a látky, ktoré prispievajú k tvorbe voľných radikálov.
Podstata katalýzy
Mechanizmus katalýzy pri interakcii kyselín a zásad spočíva v tom, že dochádza k výmene medzi interagujúcimi látkami a kladnými iónmi katalyzátora (protónmi). V tomto prípade dochádza k intramolekulárnym transformáciám. Na základe tohtoreakcie vyzerajú takto:
- dehydratácia (odlúčenie vody);
- hydratácia (naviazanie molekúl vody);
- esterifikácia (tvorba esterov z alkoholov a karboxylových kyselín);
- polykondenzácia (tvorba polyméru s elimináciou vody).
Teória katalýzy vysvetľuje nielen samotný proces, ale aj možné vedľajšie transformácie. V prípade heterogénnej katalýzy urýchľovač procesu tvorí nezávislú fázu, niektoré centrá na povrchu reaktantov majú katalytické vlastnosti alebo je zapojený celý povrch.
Existuje aj mikroheterogénny proces, ktorý zahŕňa prítomnosť katalyzátora v koloidnom stave. Tento variant je prechodným stavom od homogénneho k heterogénnemu typu katalýzy. Väčšina týchto procesov prebieha medzi plynnými látkami pomocou pevných katalyzátorov. Môžu byť vo forme granúl, tabliet, zŕn.
Rozloženie katalýzy v prírode
Enzymatická katalýza je v prírode pomerne rozšírená. Pomocou biokatalyzátorov prebieha syntéza proteínových molekúl, prebieha metabolizmus v živých organizmoch. Ani jeden biologický proces, ktorý sa vyskytuje za účasti živých organizmov, neobchádza katalytické reakcie. Príklady životne dôležitých procesov: syntéza bielkovín špecifických pre telo z aminokyselín; rozklad tukov, bielkovín, sacharidov.
Algoritmus katalýzy
Pozrime sa na mechanizmus katalýzy. Tento proces, ktorý prebieha na poréznych pevných urýchľovačoch chemickej interakcie, zahŕňapre seba niekoľko základných etáp:
- difúzia interagujúcich látok na povrch zŕn katalyzátora z jadra prúdu;
- difúzia činidiel v póroch katalyzátora;
- chemisorpcia (aktivovaná adsorpcia) na povrchu urýchľovača chemickej reakcie s výskytom chemických povrchových látok - aktivovaných komplexov katalyzátor-činidlo;
- preskupenie atómov so vzhľadom povrchových kombinácií "katalyzátor-produkt";
- difúzia v póroch urýchľovača reakcie produktu;
- difúzia produktu z povrchu zrna urýchľovača reakcie do prúdu jadra.
Katalytické a nekatalytické reakcie sú také dôležité, že vedci pokračujú vo výskume v tejto oblasti už mnoho rokov.
Pri homogénnej katalýze nie je potrebné budovať špeciálne štruktúry. Enzymatická katalýza v heterogénnej verzii zahŕňa použitie rôznych a špecifických zariadení. Pre jeho prúdenie boli vyvinuté špeciálne kontaktné aparáty, rozdelené podľa kontaktnej plochy (v rúrach, na stenách, katalytických mriežkach); s filtračnou vrstvou; vážená vrstva; s pohyblivým práškovým katalyzátorom.
Výmena tepla v zariadeniach sa realizuje rôznymi spôsobmi:
- pomocou vzdialených (externých) výmenníkov tepla;
- pomocou výmenníkov tepla zabudovaných v kontaktnom zariadení.
Analýzou vzorcov v chémii je možné nájsť aj také reakcie, pri ktorých je katalyzátor jedným z konečných produktov, ktorý vzniká počas chemickej interakcieoriginálne komponenty.
Takéto procesy sa zvyčajne nazývajú autokatalytické, samotný jav sa v chémii nazýva autokatalýza.
Rýchlosť mnohých interakcií je spojená s prítomnosťou určitých látok v reakčnej zmesi. Ich vzorce v chémii najčastejšie chýbajú, nahrádzajú ich slovom „katalyzátor“alebo jeho skrátenou verziou. Nie sú zahrnuté v konečnej stereochemickej rovnici, pretože sa po ukončení interakcie z kvantitatívneho hľadiska nemenia. V niektorých prípadoch postačujú malé množstvá látok na to, aby výrazne ovplyvnili rýchlosť procesu. Celkom prijateľné sú aj situácie, keď samotná reakčná nádoba pôsobí ako urýchľovač chemickej interakcie.
Podstatou účinku katalyzátora na zmenu rýchlosti chemického procesu je, že táto látka je zahrnutá do zloženia aktívneho komplexu, a preto mení aktivačnú energiu chemickej interakcie.
Keď sa tento komplex rozkladá, katalyzátor sa regeneruje. Základom je, že sa neminie, po skončení interakcie zostane v rovnakej výške. Z tohto dôvodu stačí malé množstvo účinnej látky na uskutočnenie reakcie so substrátom (reagujúcou látkou). V skutočnosti sa pri chemických procesoch stále spotrebúvajú nepatrné množstvá katalyzátorov, pretože sú možné rôzne vedľajšie procesy: jeho otrava, technologické straty a zmena stavu povrchu pevného katalyzátora. Chemické vzorce neobsahujú katalyzátor.
Záver
Reakcie, na ktorých sa zúčastňuje účinná látka (katalyzátor), obklopujú človeka, okrem toho sa vyskytujú aj v jeho tele. Homogénne reakcie sú oveľa menej bežné ako heterogénne interakcie. V každom prípade sa najskôr vytvoria intermediárne komplexy, ktoré sú nestabilné, postupne sa ničia a pozoruje sa regenerácia (obnovenie) urýchľovača chemického procesu. Napríklad, keď kyselina metafosforečná reaguje s persíranom draselným, kyselina jodovodíková pôsobí ako katalyzátor. Keď sa pridá k reaktantom, vytvorí sa žltý roztok. Keď sa blížite ku koncu procesu, farba postupne mizne. V tomto prípade jód pôsobí ako medziprodukt a proces prebieha v dvoch fázach. Ale hneď ako sa syntetizuje kyselina metafosforečná, katalyzátor sa vráti do pôvodného stavu. Katalyzátory sú v priemysle nepostrádateľné, pomáhajú urýchliť transformácie a získať vysokokvalitné reakčné produkty. Biochemické procesy v našom tele sú tiež nemožné bez ich účasti.
