Kemija je znanost o snoveh in njihovih transformacijah ter o metodah za njihovo pridobivanje. Tudi v rednem šolskem kurikulumu se upošteva tako pomembno vprašanje, kot so vrste reakcij. Razvrstitev, s katero se šolarji seznanijo na osnovni ravni, upošteva spremembo stopnje oksidacije, faze poteka, mehanizma procesa itd. Poleg tega se vsi kemični procesi delijo na nekatalitične in katalitične. reakcije. S primeri transformacij, ki potekajo s sodelovanjem katalizatorja, se človek sreča v običajnem življenju: fermentacija, razpad. Nekatalitične transformacije so pri nas veliko redkejše.
Kaj je katalizator
To je kemična snov, ki lahko spremeni hitrost interakcije, vendar sama v njej ne sodeluje. V primeru, ko se proces pospeši s pomočjo katalizatorja, govorimo o pozitivni katalizi. V primeru, da snov, dodana v postopek, zmanjša hitrost reakcije, se imenuje inhibitor.
Vrste katalize
Homogena in heterogena kataliza se razlikujeta v fazi, vkjer se nahajajo izhodni materiali. Če so začetne komponente, vzete za interakcije, vključno s katalizatorjem, v enakem agregacijskem stanju, poteka homogena kataliza. V primeru, ko v reakciji sodelujejo snovi različnih faz, pride do heterogene katalize.
Selektivnost delovanja
Kataliza ni samo sredstvo za povečanje produktivnosti opreme, ima pozitiven učinek na kakovost nastalih izdelkov. Ta pojav je mogoče razložiti z dejstvom, da se zaradi selektivnega (selektivnega) delovanja večine katalizatorjev neposredna reakcija pospeši, stranski procesi se zmanjšajo. Na koncu so dobljeni izdelki visoke čistosti, ni potrebe po nadaljnjem čiščenju snovi. Selektivnost delovanja katalizatorja omogoča resnično zmanjšanje neproizvodnih stroškov surovin, dobro gospodarsko korist.
Prednosti uporabe katalizatorja v proizvodnji
Kaj je še značilno za katalitične reakcije? Primeri iz tipične srednje šole kažejo, da uporaba katalizatorja omogoča izvedbo postopka pri nižjih temperaturah. Poskusi potrjujejo, da se z njim lahko znatno zmanjšajo stroški energije. To je še posebej pomembno v sodobnih razmerah, ko na svetu primanjkuje energetskih virov.
Primeri katalitične proizvodnje
Katera industrija uporablja katalitične reakcije? Primeri takšnih produkcij:proizvodnja dušikove in žveplove kisline, vodika, amoniaka, polimerov, rafiniranje nafte. Kataliza se široko uporablja pri proizvodnji organskih kislin, monohidričnih in polihidričnih alkoholov, fenola, sintetičnih smol, barvil in zdravil.
Kaj je katalizator
Številne snovi, ki so v periodnem sistemu kemičnih elementov Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva, pa tudi njihove spojine, lahko delujejo kot katalizatorji. Med najpogostejšimi pospeševalci so: nikelj, železo, platina, kob alt, aluminosilikati, manganovi oksidi.
Lastnosti katalizatorjev
Poleg selektivnega delovanja imajo katalizatorji odlično mehansko trdnost, lahko prenesejo katalitične strupe in se zlahka regenerirajo (obnavljajo).
Glede na fazno stanje se katalitične homogene reakcije delijo na plinasto in tekočo fazo.
Oglejmo si te vrste reakcij podrobneje. V raztopinah vodikovi kationi H+, hidroksidni bazni ioni OH-, kovinski kationi M+ in snovi, ki prispevajo k tvorbi prostih radikalov, delujejo kot pospeševalnik kemične transformacije.
Bistvo katalize
Mehanizem katalize pri interakciji kislin in baz je, da pride do izmenjave med interakcijskimi snovmi in pozitivnimi ioni katalizatorja (protoni). V tem primeru potekajo intramolekularne transformacije. Glede na toreakcije gredo takole:
- dehidracija (odvajanje vode);
- hidracija (pritrditev vodnih molekul);
- esterifikacija (tvorba estrov iz alkoholov in karboksilnih kislin);
- polikondenzacija (tvorba polimera z izločanjem vode).
Teorija katalize pojasnjuje ne samo sam proces, ampak tudi možne stranske transformacije. V primeru heterogene katalize pospeševalnik procesa tvori samostojno fazo, nekateri centri na površini reaktantov imajo katalitične lastnosti ali pa je vključena celotna površina.
Obstaja tudi mikroheterogen proces, ki vključuje prisotnost katalizatorja v koloidnem stanju. Ta varianta je prehodno stanje iz homogene v heterogeno vrsto katalize. Večina teh procesov poteka med plinastimi snovmi z uporabo trdnih katalizatorjev. Lahko so v obliki zrnc, tablet, zrnc.
Razširitev katalize v naravi
Encimatska kataliza je v naravi precej razširjena. S pomočjo biokatalizatorjev poteka sinteza beljakovinskih molekul, poteka presnova v živih organizmih. Noben biološki proces, ki poteka s sodelovanjem živih organizmov, ne zaobide katalitičnih reakcij. Primeri vitalnih procesov: sinteza beljakovin, specifičnih za telo, iz aminokislin; razgradnja maščob, beljakovin, ogljikovih hidratov.
Algoritem katalize
Razmislimo o mehanizmu katalize. Ta proces, ki poteka na poroznih trdnih pospeševalcih kemičnih interakcij, vključujenekaj osnovnih stopenj:
- difuzija medsebojno delujočih snovi na površino zrn katalizatorja iz jedra toka;
- difuzija reagentov v pore katalizatorja;
- kemisorpcija (aktivirana adsorpcija) na površini pospeševalnika kemičnih reakcij s pojavom kemičnih površinskih snovi - aktivirani kompleksi katalizator-reagent;
- preureditev atomov s pojavom površinskih kombinacij "katalizator-proizvod";
- difuzija v pore pospeševalnika reakcije produkta;
- difuzija produkta z zrnate površine reakcijskega pospeševalnika v tok jedra.
Katalitične in nekatalitične reakcije so tako pomembne, da znanstveniki že vrsto let nadaljujejo raziskave na tem področju.
S homogeno katalizo ni treba graditi posebnih struktur. Encimatska kataliza v heterogeni različici vključuje uporabo različne in specifične opreme. Za njegov pretok so bili razviti posebni kontaktni aparati, ki so razdeljeni glede na kontaktno površino (v cevi, na stenah, katalizatorskih mrežah); s filtrirno plastjo; tehtana plast; s premikajočim se prašnim katalizatorjem.
Izmenjava toplote v napravah se izvaja na različne načine:
- z uporabo oddaljenih (zunanjih) toplotnih izmenjevalcev;
- s pomočjo toplotnih izmenjevalnikov, vgrajenih v kontaktni aparat.
Z analizo formul v kemiji lahko najdemo tudi takšne reakcije, pri katerih je katalizator eden od končnih produktov, ki nastane med kemično interakcijooriginalne komponente.
Takšne procese običajno imenujemo avtokatalitični, sam pojav pa se v kemiji imenuje avtokataliza.
Hitrost številnih interakcij je povezana s prisotnostjo določenih snovi v reakcijski zmesi. Njihove formule v kemiji so najpogosteje spregledane, nadomeščene z besedo "katalizator" ali njeno skrajšano različico. Niso vključeni v končno stereokemično enačbo, saj se s kvantitativnega vidika po zaključku interakcije ne spremenijo. V nekaterih primerih zadoščajo majhne količine snovi, da bistveno vplivajo na hitrost procesa. Povsem sprejemljive so tudi situacije, ko reakcijska posoda sama deluje kot pospeševalec kemične interakcije.
Bistvo učinka katalizatorja na spreminjanje hitrosti kemičnega procesa je, da je ta snov vključena v sestavo aktivnega kompleksa in zato spremeni aktivacijsko energijo kemične interakcije.
Ko se ta kompleks razgradi, se katalizator regenerira. Bistvo je, da ne bo porabljeno, ostal bo v enakem znesku po koncu interakcije. Prav zaradi tega za izvedbo reakcije s substratom (reagirajoča snov) zadostuje majhna količina učinkovine. V resnici se med kemičnimi procesi še vedno porabijo neznatne količine katalizatorjev, saj so možni različni stranski procesi: njegova zastrupitev, tehnološke izgube in sprememba stanja površine trdnega katalizatorja. Kemijske formule ne vključujejo katalizatorja.
Sklep
Reakcije, v katerih sodeluje aktivna snov (katalizator), obkrožajo človeka, poleg tega pa se pojavljajo tudi v njegovem telesu. Homogene reakcije so veliko manj pogoste kot heterogene interakcije. Vsekakor najprej nastanejo vmesni kompleksi, ki so nestabilni, se postopoma uničijo in opazimo regeneracijo (obnovo) pospeševalnika kemičnega procesa. Na primer, ko metafosforna kislina reagira s kalijevim persulfatom, deluje jodovodikova kislina kot katalizator. Ko ga dodamo reaktantom, nastane rumena raztopina. Ko se približate koncu postopka, barva postopoma izgine. V tem primeru jod deluje kot vmesni produkt, proces pa poteka v dveh fazah. Toda takoj, ko se sintetizira metafosforna kislina, se katalizator vrne v prvotno stanje. Katalizatorji so nepogrešljivi v industriji, pomagajo pospešiti transformacije in pridobiti visokokakovostne reakcijske produkte. Biokemični procesi v našem telesu so tudi nemogoči brez njihove udeležbe.
