Катализаторы

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение……………………………………………………………………………...3

1.Катализ……………………………………………………………………………...4

1.1 Возникновение  и развитие катализа…………………………………………....4

1.2 Гомогенный катализ……………………………………………………………..5

1.3 Гетерогенный катализ…………………………………………………………...7

1.4 Роль катализа в экологии………………………………………………………..9

2.Катализаторы……………………………………………………………………..11

2.1 Классификация катализаторов………………………………………………...12

2.2 Свойства катализаторов………………………………………………………..12

2.3 Современные  катализаторы……………………………………………………13

Заключение………………………………………………………………………….16

Список используемой литературы………………………………………………...17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Катализ – это одна из наиболее древних технологий, которые освоил человек и которая сейчас дает до 80% всей химической продукции и около 20% внутреннего валового продукта в экономически развитых странах. Это процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами.

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными. Актуальность данной темы обусловлена развитием современного катализа и увеличением его роли в жизни общества.

Цель данной работы – изучить явление катализа. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Рассмотреть виды катализа
• Выявить роль катализа в различных отраслях
• Изучить классификацию катализаторов
• Познакомиться с современными катализаторами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. КАТАЛИЗ

1.1 Возникновение и развитие  катализа

 

Катализаторы  играют исключительно важную роль в  живой природе. Г. К. Боресков отмечает, что почти все реакции в  живых организмах сами по себе происходят медленно и только благодаря участию биологических катализаторов протекают с достаточной для организмов скоростью. В состав многих катализаторов, стимулирующих природные процессы, входят металлы. Наиболее важными биологическими катализаторами для живых организмов являются ферменты (энзимы), которые с древних времен несознательно используются людьми при приготовлении вина и образовании уксуса из спиртовых жидкостей.

Человечество  может многому поучиться у  живой природы в области катализа. Так, например, под действием катализаторов живой природы, азот воздуха вступает в реакцию при атмосферном давлении и обычной температуре, а ныне применяемые в промышленности катализаторы проявляют достаточную активность лишь при давлении в несколько сот атмосфер и температурах более 400°С. В то же время людям, создающим новые катализаторы, едва ли целесообразно полностью моделировать природные условия, поскольку они имеют возможность применять более высокие концентрации реагентов, температуры и давления, чем в обычных природных условиях.

Первым случаем  сознательного применения катализаторов  Г. М. Шваб считает образование этилового  эфира из спирта с помощью серной кислоты, открытое в VIII в. Поиски “философского камня” во времена алхимического средневековья приравнены к поискам катализатора.

В конце XVIII в. было открыто каталитическое действие кислот при осахаривании крахмала и впервые применены твердые катализаторы: глины при дегидратации спиртов, металлы в процессах дегидрирования. Однако понятие о катализе возникло позднее. Лишь в 1834 г. Е. Митчерлих ввел понятие “контактные реакции”, а в 1835 г. Д. Берцелиус предложил термин “катализ”.

Из распространенных ныне в промышленной практике твердых  катализаторов первой, по-видимому, была открыта и получила широкое  применение металлическая платина. В первой четверти прошлого века открыто ускоряющее действие платины в реакциях разложения перекиси водорода, окисления водорода, окиси углерода и углеводородов, окисления спирта в уксусную кислоту. В 1831 г. Филлипс запатентовал применение платины для окисления сернистого ангидрида. Однако резкое снижение активности платины при переработке сернистого газа, полученного обжигом колчедана, препятствовало ее промышленному применению. Причина этого явления — отравление платины соединениями мышьяка и другими ядами, была установлена лишь в конце XIX столетия. Только после этого были разработаны способы очистки газов от контактных ядов и возник первый крупномасштабный промышленный каталитический процесс — контактное окисление сернистого ангидрида. Разработка контактного способа производства серной кислоты проводилась одновременно в России на Тентелевском химическом заводе (ныне завод “Красный химик”) и в Германии. Первый контактный аппарат с платиновым катализатором для переработки газов колчеданных печей был введен в эксплуатацию на Тентелевском заводе в 1897 г., но окончательно разработан и запатентован способ был лишь в 1902 г., т. е. позже, чем в Германии (1898 г.).

Ныне открыты  тысячи катализаторов, несколько сот  из них находят практическое применение. Важнейшие крупномасштабные химические производства базируются на применении катализаторов в наиболее ответственных процессах.

 

1.2 Гомогенный катализ

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.

Такой механизм развития процесса возможен благодаря  тому, что активная частица взаимодействует  с веществом, образуя не только продукты реакции, но и новую активную частицу (одну, две или более), способную  к новой реакции превращения вещества, и т. д. Возникающая при этом цепь превращений вещества продолжается до тех пор, пока активная частица не исчезает из системы (происходит «гибель» активной частицы и обрыв цепи). Наиболее трудная стадия при этом - зарождение активных частиц (например, свободных радикалов), после же зарождения цепь превращений осуществляется легко.

Цепные реакции  широко распространены в природе. Полимеризация, хлорирование, окисление и многие другие химические процессы идут по цепному, а точнее - по радикально-цепному (с участием радикалов) механизму.

Механизм окисления  органических соединений (на ранних стадиях) в настоящее время установлен достаточно тщательно. Если обозначить окисляющееся вещество R-H (где Н - атом водорода, имеющий наименьшую прочность связи с остальной молекулой R), то этот механизм можно записать в следующем виде:

Катализаторы, например соединения металлов переменной валентности, могут оказывать влияние  на любую из рассмотренных стадий процесса. Остановимся теперь на роли катализаторов в процессах вырожденного разветвления цепей. Взаимодействие гидроперекиси с металлом может приводить как к ускорению так и к торможению реакции окисления органических веществ соединениями металлов переменной валентности в зависимости от характера продуктов, образующихся при распаде гидроперекиси. Соединения металлов образуют с гидроперекисями комплекс, который распадается в «клетке» растворителя среды, если образующиеся при распаде комплекса радикалы успеют выйти из клетки, то они инициируют процесс (положительный катализ). Если же эти радикалы не успеют выйти и рекомбинируют в клетке в молекулярные неактивные продукты, то это приведет к замедлению радикально-цепного процесса (отрицательный катализ), поскольку в этом случае гидроперекись - потенциальный поставщик новых радикалов - расходуется вхолостую.

На более глубоких стадиях например в случае окисления углеводородов, образуются кислоты, спирты,  кетоны, альдегиды,  которые также могут реагировать с катализатором и служить дополнительным источником свободных радикалов в реакции, т. е. в этом случае будет налицо дополнительное вырожденное разветвление цепей.

 

1.3  Гетерогенный катализ

В большинстве  случаев роль гетерогенных катализаторов  в процессе окисления сводится к  адсорбции органического соединения и кислорода с образованием на поверхности катализатора адсорбированного комплекса этих веществ. Такой комплекс разрыхляет связи компонентов и делает их более реакционноспособными. В некоторых случаях катализатор адсорбирует лишь один компонент, который диссоциирует на радикалы. Например, пропилен на закиси меди диссоциирует с образованием аллильного радикала, легко вступающего затем в реакцию с кислородом. 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 продуктов с поверхности катализатора  в общий поток.

 

Помимо химических проявлений, в гетерогенном катализе следует учитывать наличие объема твердого тела (большого количества атомов) и ряд особенностей поверхности.

1.   Поверхность с макроскопической точки зрения является объектом с очень сложным рельефом, а твердое тело обычно имеет развитую пористую структуру. Это очень хорошо демонстрирует электронно-микроскопическая фотография поверхности активированного угля (типичный катализатор или носитель в гетерогенном катализе). Даже на поверхности монокристаллов металлов существуют площадки, выступы, ступеньки и трещины. Это сказывается на геометрии окружения различных атомов и, естественно, на их реакционной способности.

2.    В случае металлического катализатора атом металла (или группа атомов) на поверхности реагирует как локальный активный центр с молекулой реагента, однако этот атом окружен другими атомами, которые меняют свойства реагирующего атома. Так же влияют атомы кислорода на свойства металла в оксиде.

3. В решетке оксида металла присутствуют различные дефекты, примеси, что приводит к появлению небольшого количества ионов металла в более низких или в более высоких степенях окисления (в объеме и на поверхности). Например, в оксиде хрома (Cr2O3) могут присутствовать ионы Cr2+  (лишние электроны) и ионы Cr4+ , Cr5+ , Cr6+  (электронные вакансии). При этом реагент (молекула углеводорода, например) реагирует с Cr2+ + и Cr4+  по-разному, образуя гидрид-ион в первом случае (Cr3 +H -) и протон во втором (Cr3 + OH+) и радикал R (свободный или связанный с ионами хрома).

4. Свойства поверхностных соединений (двухмерный адсорбционный слой) отличаются от свойств тех же соединений, образующих обычную (трехмерную) фазу.

5. Объемная фаза твердого тела в ряде случаев также участвует в каталитическом акте. Происходит диффузия атомов из решетки к поверхности (Н, О), а также возможен перенос электронов через объемную фазу от одного центра поверхности к другому.

6. Роль локальных свойств активного центра и роль коллективных свойств твердого тела определяется типом катализатора и механизмом реакции.

7. В случае смешанных оксидов металлов или сплавов металлов концентрации компонентов в объеме и на поверхности различаются: поверхностный монослой атомов может заметно обогащаться одним из элементов (металлов).

 

1.4 Роль катализа в экологии

Огромную роль призван сыграть катализ в  решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. По словам Кусто, земной шар напоминает «одиноко несущийся в космическом пространстве автомобиль без выхлопной трубы». Действительно, нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Химики-каталитики настойчиво работают над этой проблемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С.

Мы привели  температуру и давление, при которых  ведут катализ реакций в промышленных условиях, отчасти для того, чтобы сравнить их с условиями подобных химических реакций, протекающих в организмах растительного и животного мира. Последние имеют гораздо большую скорость при обычных температуре и давлении. Достигается это с помощью биологических катализаторов - продуктов длительной, неизбежно сопровождающейся миллионами ошибок и тупиков, эволюции жизни на Земле. Вероятно, мы не скоро узнаем извилистый путь, по которому шла природа в поисках эффективных органических конструкций с их фантастической способностью ускорять в мягких условиях процессы в живых организмах. 

 

 

 

2. КАТАЛИЗАТОРЫ

2.1 Классификация катализаторов

Катализаторы  классифицируют исходя из природы реакции, которую они ускоряют, их химического состава или физических свойств. Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества - сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. По своим физическим свойствам катализаторы делятся на гомогенные и гетерогенные. Гетерогенные катализаторы - это твердые вещества, гомогенные находятся в той же газовой или жидкой среде, что и реагирующие вещества.