Hemija je nauka o supstancama i njihovim transformacijama, kao i metodama njihovog dobijanja. Čak iu redovnom školskom programu razmatra se tako važno pitanje kao što su vrste reakcija. Klasifikacija sa kojom se školarci upoznaju na osnovnom nivou uzima u obzir promenu stepena oksidacije, faze toka, mehanizma procesa itd. Pored toga, svi hemijski procesi se dele na nekatalitičke i katalitičke. reakcije. Primjere transformacija koje se odvijaju uz sudjelovanje katalizatora osoba se susreće u običnom životu: fermentacija, propadanje. Nekatalitičke transformacije su kod nas mnogo rjeđe.
Šta je katalizator
Ovo je hemijska supstanca koja može da promeni brzinu interakcije, ali ne učestvuje u njoj sama. U slučaju kada se proces ubrzava uz pomoć katalizatora, govorimo o pozitivnoj katalizi. U slučaju da supstanca koja se dodaje u proces smanjuje brzinu reakcije, naziva se inhibitorom.
Vrste katalize
Homogena i heterogena kataliza se razlikuju u fazi, ugdje se nalaze polazni materijali. Ako su početne komponente uzete za interakcije, uključujući i katalizator, u istom stanju agregacije, dolazi do homogene katalize. U slučaju kada u reakciji učestvuju supstance različitih faza, dolazi do heterogene katalize.
Selektivnost akcije
Kataliza nije samo sredstvo za povećanje produktivnosti opreme, ona pozitivno utiče na kvalitet dobijenih proizvoda. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da se zbog selektivnog (selektivnog) djelovanja većine katalizatora, direktna reakcija ubrzava, a sporedni procesi se smanjuju. Na kraju, dobijeni proizvodi su visoke čistoće, nema potrebe za dodatnim prečišćavanjem supstanci. Selektivnost djelovanja katalizatora daje stvarno smanjenje neproizvodnih troškova sirovina, dobru ekonomsku korist.
Prednosti upotrebe katalizatora u proizvodnji
Šta još karakteriše katalitičke reakcije? Primjeri iz tipične srednje škole pokazuju da upotreba katalizatora omogućava da se proces odvija na nižim temperaturama. Eksperimenti potvrđuju da se može koristiti za značajno smanjenje troškova energije. Ovo je posebno važno u savremenim uslovima, kada u svetu nedostaje energetskih resursa.
Primjeri katalitičke proizvodnje
Koja industrija koristi katalitičke reakcije? Primjeri takvih produkcija:proizvodnja dušične i sumporne kiseline, vodonika, amonijaka, polimera, prerada nafte. Kataliza se široko koristi u proizvodnji organskih kiselina, monohidričnih i polihidričnih alkohola, fenola, sintetičkih smola, boja i lijekova.
Šta je katalizator
Mnoge supstance koje se nalaze u periodnom sistemu hemijskih elemenata Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, kao i njihova jedinjenja, mogu delovati kao katalizatori. Među najčešćim akceleratorima su: nikl, gvožđe, platina, kob alt, aluminosilikati, manganovi oksidi.
Karakteristike katalizatora
Pored selektivnog delovanja, katalizatori imaju odličnu mehaničku čvrstoću, sposobni su da izdrže katalitičke otrove i lako se regenerišu (oporavljaju).
Prema faznom stanju, katalitičke homogene reakcije se dijele na plinovitu i tečnu fazu.
Pogledajmo bliže ove vrste reakcija. U rastvorima, katjoni vodonika H+, hidroksidni bazni joni OH-, metalni katjoni M+ i supstance koje doprinose stvaranju slobodnih radikala deluju kao akcelerator hemijske transformacije.
Suština katalize
Mehanizam katalize u interakciji kiselina i baza je da postoji razmjena između supstanci u interakciji i pozitivnih jona katalizatora (protona). U ovom slučaju dolazi do intramolekularnih transformacija. Prema ovomereakcije idu ovako:
- dehidracija (odvajanje vode);
- hidratacija (vezivanje molekula vode);
- esterifikacija (formiranje estera iz alkohola i karboksilnih kiselina);
- polikondenzacija (formiranje polimera uz eliminaciju vode).
Teorija katalize objašnjava ne samo sam proces, već i moguće sporedne transformacije. U slučaju heterogene katalize, akcelerator procesa formira nezavisnu fazu, neki centri na površini reaktanata posjeduju katalitička svojstva ili je uključena cijela površina.
Postoji i mikroheterogen proces, koji uključuje prisustvo katalizatora u koloidnom stanju. Ova varijanta je prijelazno stanje iz homogene u heterogenu vrstu katalize. Većina ovih procesa odvija se između gasovitih supstanci pomoću čvrstih katalizatora. Mogu biti u obliku granula, tableta, zrna.
Distribucija katalize u prirodi
Enzimatska kataliza je prilično rasprostranjena u prirodi. Uz pomoć biokatalizatora odvija se sinteza proteinskih molekula, odvija se metabolizam u živim organizmima. Niti jedan biološki proces koji se odvija uz sudjelovanje živih organizama ne zaobilazi katalitičke reakcije. Primjeri vitalnih procesa: sinteza proteina specifičnih za tijelo iz aminokiselina; razgradnja masti, proteina, ugljenih hidrata.
Algoritam katalize
Razmotrimo mehanizam katalize. Ovaj proces, koji se odvija na poroznim čvrstim akceleratorima hemijskih interakcija, uključujesebi nekoliko osnovnih faza:
- difuzija interakcijskih supstanci na površinu zrna katalizatora iz jezgre toka;
- difuzija reagensa u porama katalizatora;
- hemisorpcija (aktivirana adsorpcija) na površini akceleratora hemijske reakcije sa pojavom hemijskih površinskih supstanci - aktiviranih kompleksa katalizator-reagens;
- preuređenje atoma sa pojavom površinskih kombinacija "katalizator-proizvod";
- difuzija u porama akceleratora reakcije proizvoda;
- difuzija proizvoda sa površine zrna akceleratora reakcije u tok jezgre.
Katalitičke i nekatalitičke reakcije su toliko važne da naučnici nastavljaju istraživanja u ovoj oblasti dugi niz godina.
Sa homogenom katalizom, nema potrebe za izgradnjom posebnih struktura. Enzimska kataliza u heterogenoj verziji uključuje upotrebu različite i specifične opreme. Za njen protok razvijeni su specijalni kontaktni aparati, podeljeni prema kontaktnoj površini (u cevima, na zidovima, rešetkama katalizatora); sa slojem filtera; izvagani sloj; sa pokretnim katalizatorom u prahu.
Izmjena toplote u uređajima se implementira na različite načine:
- korištenjem daljinskih (vanjskih) izmjenjivača topline;
- uz pomoć izmjenjivača topline ugrađenih u kontaktni aparat.
Analizom formula u hemiji mogu se pronaći i takve reakcije u kojima je katalizator jedan od krajnjih proizvoda koji nastaje tokom hemijske interakcijeoriginalne komponente.
Ovakvi procesi se obično nazivaju autokatalitički, a sam fenomen se u hemiji naziva autokataliza.
Brzina mnogih interakcija povezana je s prisustvom određenih supstanci u reakcijskoj smjesi. Njihove formule u hemiji najčešće se propuštaju, zamjenjuju ih riječju "katalizator" ili njenom skraćenom verzijom. Oni nisu uključeni u konačnu stereohemijsku jednačinu, jer se ne menjaju sa kvantitativne tačke gledišta nakon završetka interakcije. U nekim slučajevima dovoljne su male količine supstanci da značajno utiču na brzinu procesa. Situacije su također sasvim prihvatljive kada sama reakciona posuda djeluje kao akcelerator kemijske interakcije.
Suština efekta katalizatora na promenu brzine hemijskog procesa je u tome što je ova supstanca uključena u sastav aktivnog kompleksa, te stoga menja energiju aktivacije hemijske interakcije.
Kada se ovaj kompleks raspadne, katalizator se regeneriše. Suština je da se neće potrošiti, ostat će u istom iznosu nakon završetka interakcije. Iz tog razloga je mala količina aktivne tvari sasvim dovoljna da se izvede reakcija sa supstratom (reagirajućom tvari). U stvarnosti, neznatne količine katalizatora se još uvijek troše tokom kemijskih procesa, jer su mogući različiti sporedni procesi: njegovo trovanje, tehnološki gubici i promjena stanja površine čvrstog katalizatora. Hemijske formule ne uključuju katalizator.
Zaključak
Reakcije u kojima učestvuje aktivna supstanca (katalizator) okružuju čoveka, osim toga, dešavaju se iu njegovom telu. Homogene reakcije su mnogo rjeđe od heterogenih interakcija. U svakom slučaju, prvo se formiraju međukompleksi, koji su nestabilni, postepeno se uništavaju i uočava se regeneracija (oporavak) akceleratora hemijskog procesa. Na primjer, kada metafosforna kiselina reaguje sa kalijum persulfatom, jodovodonična kiselina deluje kao katalizator. Kada se doda reaktantima, formira se žuta otopina. Kako se približavate kraju procesa, boja postepeno nestaje. U ovom slučaju jod djeluje kao međuproizvod, a proces se odvija u dvije faze. Ali čim se sintetizira metafosforna kiselina, katalizator se vraća u prvobitno stanje. Katalizatori su nezamjenjivi u industriji, pomažu u ubrzavanju transformacija i dobivanju visokokvalitetnih produkta reakcije. Biohemijski procesi u našem tijelu također su nemogući bez njihovog učešća.
