Введение, Гомогенный и гетерогенный катализ - Гомогенный и гетерогенный катализ
Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни, известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, ? например, при охлаждении, ? медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.
Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.
Гомогенный и гетерогенный катализ
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют од: неродную систему, например, газовые смеси или жидкие растворы. Возможны случаи, когда реагенты и катализатор - жидкости, но не смешивающиеся между собой. В нефтеперерабатывающей промышленности наиболее распространены каталитические процессы получения топлив - каталитический крекинг, изомеризация, риформинг, алкилирование, гидрокрекинг. Гомогенный и гетерогенный катализ во многом отличается друг от друга: в первом случае реакция происходит во всем объеме, во втором - на поверхности. Однако преувеличение особой роли поверхности в гетерогенном катализе приводит к тому, что основные вопросы теории катализа пытаются связывать со структурой твердой поверхности. Считается, что основным, узловым вопросом теории катализа является решение вопроса о природе активных центров. Однако понятие активных центров не характерно для гомогенного катализа. Поэтому такой подход приводит к отказу от создания единой теории катализа. Преувеличение различий между гомогенным, гетерогенным и микрогетерогенным катализом приводит к разрыву между их теориями.
Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами.
Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.
Катализ называют положительным, если скорость реакции увеличивается, и отрицательным, если скорость уменьшается.
В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации резко понижается: некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. Катализ можно представить следующим образом:
Химический гетерогенный катализатор селективность
К
А + К = А...К
А...К + В = С + D + К,
Где А...К ? промежуточное активированное соединение.
В химической промышленности катализаторы применяются весьма широко. Под влиянием катализаторов реакции могут ускоряться в миллионы раз и более. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.
Гетерогенными (неоднородным) называю каталитический процесс, в котором катализатор и катализируемые вещества находятся в разных агрегатных состояниях. В химической промышленности чаще всего встречаются гетерогенные каталитические процессы, в которых реагирующие вещества находятся в газообразном состоянии, а катализаторы - в твердом. К таким процессам относится синтез аммиака, контактное окисление SO2 в SO3, окисление аммиака и т. д.
Рисунок 1 ? Изображение реакционного пути некаталитической реакции (кривая 1) и каталитической реакции (кривая 2)
В присутствии катализаторов некоторые реакции ускоряются в тысячи и миллионы раз и протекают при более низких температурах, что уменьшает расход энергии. Катализаторы не изменяют состояние равновесия реакции, но они ускоряют его достижение.
Для гетерогенного каталитического процесса, в котором реагирующие вещества газообразные, а катализатор находится в твердом состоянии, ускоряющее действие катализатора упрощенно можно объяснить следующим образом: молекулы вещества в газообразном состоянии находятся в непрерывном поступательном и хаотическом движении. Сталкиваясь друг с другом, отдельные молекулы изменяют скорость своего и в объеме газа движется с разной скоростью - от очень большой до очень малой.
В ряде случаев молекулы в газовой смеси не обладают необходимой энергией движения, чтобы при столкновении преодолеть силы, препятствующие их химическому взаимодействию.
Гомогенным (однородным) называют каталитический процесс, в котором катализатор и катализируемые вещества имеют одинаковые агрегатное состояние: газ - газ, жидкость - жидкость.
Примеры гомогенного катализа:
- 1) окисление SO2 + 1/2O2 = SO3 в присутствии NO. NO легко окисляется до NO2, а NO2 уже окисляет SO2; 2) разложение пероксида водорода в водном растворе на воду и кислород. Ионы Сr2О2=7, WO2-4, МоО2-4, катализирующие разложение пероксида водорода, образуют с ним промежуточные соединения, которые далее распадаются с выделением кислорода.
Широкое применение в химической промышленности находит гетерогенный катализ. Большая часть продукции, вырабатываемой в настоящее время этой промышленностью, получается с помощью гетерогенного катализа. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. Для того чтобы иметь большую ("развитую") поверхность, катализатор должен обладать пористой структурой или находиться в сильно раздробленном (высокодисперсном) состоянии. При практическом применении катализатор обычно наносят на носитель, имеющий пористую структуру (пемза, асбест и др.).
Как и в случае гомогенного катализа, при гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения. Но здесь эти соединения представляют собой поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Проходя через ряд стадий, в которых участвуют эти промежуточные соединения, реакция заканчивается образованием конечных продуктов, а катализатор в результате не расходуется.
Все каталитические гетерогенные реакции включают в себя стадии адсорбции и десорбции. Каталитическое действие поверхности сводится к двум факторам: увеличение концентрации на границе раздела и активирование адсорбированных молекул.
Примеры гетерогенного катализа:
2H2O = 2H2O + O2 (катализатор - MnO2,)
Н2 + 1/2 О2 = Н2О (катализатор ? платина).
Специфической особенностью гетерогенного катализа является способность катализатора к промотированию и отравлению.
Промотирование - увеличение активности катализатора в присутствии веществ, которые сами не являются катализаторами данного процесса (промоторов).
Промоторы - вещества, добавление которых к катализаторам повышает их активность и избирательность, а иногда - и устойчивость. Промоторы входят в большинство промышленных катализаторов; например, в синтезе аммиака используют катализатор губчатое железо, а в качестве промоторов содержит Al2О3, К2О и др.
Катализатор, замедляющий скорость химической реакции, называют ингибитором.
Активность гетерогенного катализатора резко уменьшается при отравлении его ядами. Отравление - резкое снижение активности катализатора в присутствии некоторых веществ (каталитических ядов).
Каталитические яды ? вещества, вызывающие "отравление" катализаторов (обычно гетерогенных), т. е. снижающие их каталитическую активность или полностью прекращающие каталитическое действие. Отравление гетерогенных катализаторов происходит в результате адсорбции яда или продукта его химического превращения на поверхности катализатора. К числу наиболее распространенных каталитических ядов для металлических катализаторов относятся вещества, содержащие кислород (H2O, CO, CO2), серу (H2S, CS2, C2H2SH и др.), Se, Te, N, Р, As, Sb, а также непредельные углеводороды (C2H4, C2H2) и ионы металлов (Cu2+, Sn2+, Hg2+, Fe2+, Co2+, Ni2+). Кислотные катализаторы обычно отравляются примесями оснований, а основные - примесями кислот.
Между гомогенным и гетерогенным катализом имеются переходные случаи. Начинаясь в гомогенных условиях, каталитическая реакция иногда формально проходит и заканчивается в условиях негомогенных, например, вследствие изменения и неполной растворимости исходных и образующихся компонентов реакции, что понижает скорость реакций, или вследствие образования не полностью растворимых комплексов с катализатором, хотя в основном процесс проходит в гомогенных условиях.
Взаимоотношения между гомогенным и гетерогенным катализом изучены лишь слабо главным образом потому, что элементы, способные дать начало обоим видам катализа, не исследованы по всему интервалу переменных (например, рН и концентрации), определяющих состояние катализатора.
Промежуточной ступенью между гомогенным и гетерогенным катализом является гетерогенный катализ на очень маленьких частицах растворенных коллоидов. Классическим примером такого микрогетерогенного катализа может служить ускорение разложения растворенной перекиси водорода золем металлической платины. Уже одна стомиллионная часть грамма платины на 1 л раствора ускоряет эту реакцию вЗ раза.
Химикам издавна известно явление гомогенного и гетерогенного катализа химических реакций. В настоящее время обнаружено так много общих черт в действии гомогенных и гетерогенных катализаторов, что границы теории этих явлений становятся все менее и менее резкими.
Похожие статьи
-
"Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ" - Гомогенный и гетерогенный катализ
В 1835 году Берцелиус впервые использовал термин "катализатор" для обозначения "веществ, которые способны пробудить сродство, дремлющее при данной...
-
Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизм действия катализатора - Основы химии
При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газовая смесь или раствор). При гетерогенном катализе катализатор и...
-
КАТАЛИЗ - процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Катализаторы - вещества,...
-
Гетерогенный катализ - Гомогенный и гетерогенный катализ
Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы. 1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества. 2....
-
Катализ, Разновидности катализа:, Принципы катализа: - Гомогенный и гетерогенный катализ
Явление катализа - Это изменение скорости реакции под действием некоторых веществ, которые к концу реакции остаются в химически неизменном виде....
-
Гомогенный катализ - Гомогенный и гетерогенный катализ
Среди многочисленных каталитических реакций особое место занимает катализ в цепных реакциях. "Цепными реакциями, как известно, называются такие...
-
Высокая каталитическая эффективность. Отличительной особенностью любого фермента является его чрезвычайно высокая каталитическая эффективность. Так,...
-
Энергетический профиль каталитической реакции - Гомогенный и гетерогенный катализ
Энергетический профиль реакции - это кривая, которая показывает зависимость координаты реакции (насколько прошла реакция) от времени (при постоянном...
-
ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ - Процесс катализа
К сожалению, до сих пор, несмотря на достаточно большое число теорий и гипотез в области катализа, многие основополагающие открытия были сделаны случайно...
-
ГОМОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ - Процесс катализа
Среди многочисленных каталитических реакций особое место занимает катализ в цепных реакциях. "Цепными реакциями, как известно, называются такие...
-
Гомогенное и гетерогенное горение - Принципы горения и взрыва
Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся превращением и...
-
Катализ - Концепции современного естествознания: химическая составляющая
Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе Катализатора -- вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает...
-
ВИДНЫЕ ДЕЯТЕЛИ ХИМИИ О КАТАЛИЗЕ - Процесс катализа
И. Берцелиус (1837): "Известные вещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние на последние, что возникает химическое...
-
Уравнение Михаэлиса-Ментен и его анализ - Гомогенный и гетерогенный катализ
Уравнемние Михаэмлиса -- Мемнтен -- основное уравнение ферментативной кинетики, описывает зависимость скорости реакции, катализируемой ферментом, от...
-
НЕМНОГО О ПРОМЫШЛЕННОМ КАТАЛИЗЕ - Процесс катализа
На всю жизнь запомнилась мне проводившаяся по Энглеру разгонка полученного конденсата, в котором уже в начале опыта бензиновая фракция составляла 67%. Мы...
-
КАТАЛИЗ В БИОХИМИИ - Процесс катализа
Ферментативный катализ неразрывно связан с жизнедеятельностью организмов растительного и животного мира. Многие жизненно важные химические реакции,...
-
РОЛЬ КАТАЛИЗА В ЭКОЛОГИИ - Процесс катализа
Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. По словам Кусто, земной шар напоминает "одиноко...
-
Введение - Бродильное производство органических кислот
Биомасса представляет собой сложную химическую систему, а большинство процессов и продуктов биотехнологии имеют биохимическую природу, будь то...
-
Введение - Разработка технологической схемы получения анизола и крезола
Известно в некоторых случаях невозможно достичь высокой селективности химико-технологических процессов. Это происходит вследствие наличия побочных...
-
ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР - Процесс катализа
Закон Аррениуса - экспериментально установленный факт. Он утверждает, что скорость реакции возрастает с увеличением температуры для преобладающего...
-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР - Процесс катализа
Все каталитические реакции - самопроизвольный процесс, т. е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса - убыли энергии системы. Давно уже было...
-
Целью данной курсовой работы является проведение синтеза ацетата натрия (CH3COONa). Задачами курсовой работы являются: изучение методики неорганического...
-
Введение - Проектирование химического реактора идеального смешения
Промышленный химический процесс - это экономически и экологически целесообразное производство требуемого продукта из исходного сырья....
-
Адсорбционные явления чрезвычайно широко распространены в живой и неживой природе. Толщи горных пород и почвы являются огромными колоннами с...
-
К-изменение скорости хим. р-ции, под действием особых ве-в-катализаторов, кот. участвуют в ходе р-ции, но к концу ее остаются в неизменном кол-ве. Виды:...
-
Сенсация года. Некоторое время тому назад необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название "перстень...
-
Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V=dC/dtV. Факторы, влияющие на скорость химических...
-
Введение - Исследование содержания меди в водах озера Старая Кубань
Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы относятся к числу важнейших. В...
-
Абсорбция -- поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или--реже--твердыми телами. Жидкость или твердое тело,...
-
Количественный анализ - это совокупность, химических, физико-химических и физических методов определения количественного соотношения компонентов,...
-
Введение - Изучение методов жидких и газообразных и однородных неоднородных систем
Гомогенная система -- однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно (между частями...
-
ВВЕДЕНИЕ - Полимеры в мембранах
Вся история промышленных систем разделения и очистки веществ - борьба этого вида технологий за высокую производительность, селективность, гибкость и...
-
Введение, Методы экстраполяции - Формализованные методы прогнозирования
К формализованным методам относятся методы экстраполяции и методы моделирования. Они базируются на математической теории. Среди методов экстраполяции...
-
Введение - Выпаривание раствора хлорида калия
Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости. Выпаривание...
-
Введение - История открытия и распространения диоксина
В ВОДАХ Байкала, в рыбе, зоо - и фитопланктоне, а также в яйцах птиц, населяющих берега и острова "священного моря", обнаружены диоксины и диоксино...
-
Вариации коэффициентов целевой функции ЗЛП приводят к изменению направления вектора градиента. Так как при этом не затрагивается допустимое множество, то...
-
Введение - Стохастическая полумарковская модель
Анализ функционирования экономических систем пожалуй самое востребованное в современном мире направление стохастической теории управления. Например, в...
-
Введение - Процесс фильтрования
В тех случаях, когда при разделении суспензий недопустимы потери жидкости с осадком или взвешенные твердые частицы весьма плохо оседают, или же...
-
Как известно, человечество в своем стремительном развитии старается все более расширить сферы своей деятельности, сталкиваясь при этом с множеством новых...
-
Введение, Общая характеристика химического элемента, Физические свойства - Биогенные элементы. Сера
Семра -- элемент шестой группы третьего периода главной подгруппы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 16....
Введение, Гомогенный и гетерогенный катализ - Гомогенный и гетерогенный катализ