Теория катализа

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Биохимические реакции протекают с большой скоростью благодаря участию природных катализаторов, называемых ферментами. Высокая степень специфичности и высокая эффективность ферментов обеспечивает строго определенные последовательности превращения метаболитов. Ферменты функционируют во всех живых организмах, и осуществление общих для всех клеток метаболических превращений является следствие специфичности соответствующих ферментов.

Катализ - изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Первые научные сведения о К. относятся к началу 19 в. В 1806 французские химики Н. Клеман и Ш. Дезорм открыли каталитическое действие окислов азота на окисление сернистого газа в камерном процессе получения серной кислоты. Русский химик, академик К. С. Кирхгоф, открыл в 1811 г. каталитическое превращение крахмала в сахар под действием разбавленных кислот. Эта реакция лежит в основе крахмалопаточного производства. А в 1814 г. он открыл фермент - амилазу, и им же было установлено, что эту реакцию может катализировать диастаза из ячменного солода, чем было положено начало изучению биологических катализаторов - ферментов. Спустя четыре года Г. Деви открыл способность паров спирта и эфира окисляться кислородом на платине. В 1822 г. И. Деберейнер установил, что при обычной температуре можно соединять водород и кислород на платине. Вскоре эти и многие другие открытия привели к установлению существования явлений, в 1833 г. названных Э. Митчерлихом контактными, а в 1835 г. И. Берцелиусом - каталитическими.

Понятие катализ

Катализ (от греч. katбlysis -- разрушение), изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов),вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Реакции с участием катализаторов называются каталитическими. Количество реагирующего вещества, которое может испытать превращение в присутствии определённого количества катализатора, не ограничивается какими-либо стехиометрическими соотношениями и может быть очень большим. Этим каталитические реакции отличаются от индуцируемых, или сопряжённых реакций, когда одна реакция вызывается или ускоряется (индуцируется) другой и происходит необратимое превращение вещества-индуктора. Возможные изменения катализатора при каталитических реакциях являются результатом побочных процессов, ни в коей мере не обусловливающих каталитическое действие.

Воздействие катализатора открывает новый реакционный путь, обычно с большим числом стадий, на котором катализатор входит в состав активного комплекса по крайней мере одной из стадий. Если при этом скорость реакции становится больше, чем в отсутствие катализатора, то К. называется положительным(активаторы). Возможен и обратный случай, когда происходит отрицательный К.: в присутствии катализатора исключается один из возможных путей реакции и остаются лишь более медленные, в результате чего реакция замедляется или даже практически полностью подавляется (ингибиторы).

По условиям проведения каталитические процессы бывают гомогенными (реакция протекает в объеме раствора или в объеме газовой фазы) и гетерогенными (реакция идет на поверхности твердого тела). При наличии двух фаз (жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело) используют также катализаторы - переносчики реагентов из одной фазы в другую (межфазный катализ)

При этом катализаторы межфазного переноса выполняют не только физическую (транспортную) функцию, но и существенно влияют на реакционную способность переносимой частицы.

Среди множества требований к промышленным катализаторам следует отметить три главных:

1) каталитическая реакция должна протекать с заметной скоростью (активность катализатора);

2) скорость основной реакции должна существенно превышать скорости всех остальных реакций (селективность действия катализатора);

3) активность катализатора не должна заметно снижаться во времени (стабильность работы катализатора, время его жизни).

Типы катализаторов

Катализаторы можно разделить на 5 типов, учитывая особенности их строения и механизма катализа.

1. Кислоты и основания (гомогенные и гетерогенные катализаторы)

2.Комплексы металлов (гомогенные и гетерогенные катализаторы)

3.Твердые соединения металлов типа MmЭn, где Э = O, S, Se, Te, As, P, C, N, Si, B, H, - гетерогенные катализаторы.

4.Металлические катализаторы (гетерогенные) - нанесенные на инертных носителях или массивные металлы и сплавы.

5.Ферменты (гомогенные и гетерогенные).

Кислотно-основной катализ относится к очень распространенному и к наиболее изученному типу катализа. В катализе протонными кислотами Бренстеда (НА) субстрат реакции (реагент) выступает в качестве основания и первой стадией является протонирование реагента. Протонированный реагент (B) переходит в более реакционно-способное состояние и превращается далее через одно или несколько промежуточных соединений.

Металлокомплексный катализ - быстроразвивающаяся область каталитической химии. Более 50 крупнотоннажных промышленных процессов используют гомогенные или гетерогенные металлокомплексные катализаторы. Химия комплексных соединений (координационная химия) и химия металлоорганических соединений являются основой этой области каталитической химии.

Гомогенный или гетерогенный катализ

Гомогенный катализ

По характеру каталитических процессов катализ делится на гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе катализатор образует единую фазу с реагирующими веществами то, в принципе, способствуют высокой эффективности действия катализаторов, как как реакция идет во всем объеме сосуда, но практические выделение продуктов из реакционной смеси может быть затруднено.

Среди многочисленных каталитических реакций особое место занимает катализ в цепных реакциях.

“Цепными реакциями, как известно, называются такие химические и физические процессы, в которых образование в веществе или в смеси веществ некоторых активных частиц (активных центров) приводит к тому, что каждая из активных частиц вызывает целый ряд (цепь) последовательных превращений вещества” (Эмануэль, 1957).

Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:

H2О2 + I > H2О + IO

H2О2 + IO > H2О + О2 + I

При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

Гетерогенный катализ

Реакция происходит на поверхности раздела фаз, причём обычно катализатор представляет собой твердое тело, а субстрат-жидкость или газ. Этот катализ удобен тем ,что катализатор с реагентами и не возникает проблемы отделения его от продуктов реакции.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела -- катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1.Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества

2.Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их

3.Химическая реакция между реагирующими молекулами

4.Десорбция продуктов с поверхности катализатора

5.Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на катализаторе V2O5 при производстве серной кислоты (контактный метод).

Течение реакции именно на поверхности катализатора можно продемонстрировать на опыте, в котором пластинку из платины нагревают в пламени газовой горелки, затем пламя тушат и пускают на пластинку струю газа из горелки, при этом пластинка снова раскаляется докрасна -- окисление метана происходит на поверхности металла

Механизмом гомогенного катализа предложена теория промежуточных соединений. Сущность этой теории заключается в том, что если медленно протекающую реакцию А + В = АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение: А + К = АК. Реакция протекает быстро, т.е. энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор освобождается: АК + В = АВ + К. Энергия активации этого процесса также мала, а поэтому реакция протекает с достаточной скоростью. Именно с помощью этой теории объясняется образование серного ангидрида в присутствии катализатора NO по реакции:

катализ химический реакция

2SO2 + O2 2SO3

или образование хлористого аммония в присутствии паров воды:

NH3 + HCl NH4Cl

Некоторые реакции могут катализироваться кислотами и основаниями. Согласно протонной теории кислот и оснований кислота - это соединение, способное отщеплять протон, основание - вещество, способное присоединять протон. В ходе катализа происходит перераспределение электронов в молекуле субстрата, возникают промежуточные соединения с повышенной активностью (карбониевые ионы, карбоанионы, полярные комплексы). При этом снижается энергия активации и ускоряется реакция.

Кислотно-основной катализ обязательно включает стадию переноса протона от одной молекулы к другой. В реакционной системе должны быть доноры и акцепторы. Если кислоту обозначить НА, субстрат НХ, В и А- основания, НХН+ и Х- - ионизированные формы субстрата, ХН - продукты реакции, то катализ можно записать следующим образом:

катализ кислотой:

HX + HA ? HXH+ + A-

B + HXH+ ? BH+ + XH

BH+ + A-? B + HA

катализ основанием: B + HX? BH+ + X-

X- + HA ? XH + A-

BH+ + A-? B + HA

Гомогенных каталитических реакций в растворах, ускоряемых ионами гидроксида и водорода, довольно много. К реакциям этого типа относятся реакции этерификации, инверсия сахаров, омыление сложных эфиров и др.

Омыление сложных эфиров катализируется как кислотой, так и щелочью. В последнем случае оно протекает по уравнению 2-ого порядка и может быть описано уравнением:

CH3COOC2H5 + OH- ® CH3COO- + C2H5OH

В основе объяснения механизма гетерогенного катализа лежит адсорбционная теория катализа. Согласно этой теории молекулы реагирующих веществ адсорбируются поверхностью катализатора, ее так называемыми активными центрами. В результате на поверхности катализатора создается повышенная концентрация этих веществ; это отчасти также приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания скорости реакции является снижение энергии активации вследствие образования поверхностных промежуточных соединений.

Заключение

Катализ - это ускорение или возбуждение химических реакций в присутствии веществ - катализаторов, многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла свой первоначальный химический состав. Катализ занимает особое место как в системе наших знаний о веществах и их превращениях, так и в практической деятельности человека. Он лежит в основе существования растительного и животного мира, обеспечивая с помощью ферментов функционирование живых систем. В истории нашей цивилизации катализ не раз становился решающим фактором технического прогресса. Достаточно назвать лишь три промышленных каталитических процесса: синтез аммиака, крекинг нефти и полимеризация олефинов, чтобы убедиться в этом.

Список литературы

1. Биохимия животных С.Ю Зайцев, Ю.В Конопатов 2004

2. Основы Биохимии в трех томах (том1) А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, Р. Хилл, И. Леман 1981

3. Химия учебник для ВУЗов А.Б Никольский, А.В Суворов 2001

4. Катализ: Вопросы теории и практики Боресков 1987

Размещено на Allbest.ru