Co je katalytická reakce? Základní principy a typy

Většina procesů, které jsou základem chemické technologie, jsou katalytické reakce. To je způsobeno tím, že při zavádění katalyzátoru se podstatně zvyšuje rychlost interakce látek. Současně jsou výrobci schopni snížit náklady nebo získat více reakčních produktů ve stejném časovém období. To je důvod, proč se studie katalýzy věnuje velkou pozornost technologiím výcviku. Tento fenomén však hraje důležitou roli v přírodě. Zvláštní látky regulují průběh biochemických reakcí v živých organizmech a tím ovlivňují metabolismus.

Koncept katalýzy

Podstatou tohoto chemického jevu je regulace rychlosti přeměny látek pomocí speciálních činidel schopných zpomalit nebo urychlit tento proces. V tomto případě hovoří o pozitivní nebo negativní katalýze. Existuje také fenomén autokatalýzy, kdy je rychlost reakce ovlivněna jedním z meziproduktů chemické reakce. Katalytické procesy jsou různé, liší se mechanismy, souhrnným stavem směsí a směrem.

Látky, které zpomalují chemické interakce, se nazývají inhibitory a urychlující se katalytické reakce se nazývají katalyzátory. Oba a jiní mění rychlost reakce několika mezilehlými interakcemi s jedním nebo více účastníky. Současně nejsou zahrnuty do složení produktů a obnovují se po ukončení cyklu přeměny látek. Účast katalyzátoru proto není v reakční rovnici odrážena stechiometricky, ale je indikována pouze jako podmínka interakce látek.

Typy katalytických reakcí

Podle agregovaného stavu látek podílejících se na chemické reakci se rozlišují:

• homogenní reakce - reaktanty, produkty a katalyzátor ve stejném skupenství (fáze), ve kterém jsou molekuly látka rovnoměrně rozděleny v celém objemu;
• interfacial katalytické reakce - se vyskytují na rozhraní nemísitelných kapalin a úloha katalyzátoru je redukována na přenos reakčních složek;
• heterogenní katalytické reakce - v nich katalyzátor má agregátní stav odlišný od činidel a sám se provádí na fázovém rozhraní;
• heterogenně homogenní reakce - jsou iniciovány na rozhraní s katalyzátorem, ale pokračují v reakčním objemu;
• mikroheterogenní reakce - malé částice pevného katalyzátoru tvoří micely v celém objemu kapalné fáze.

Existuje také oxidační-redukční katalýza doprovázená změnou oxidačního stavu katalyzátoru při reakci s činidly. Takové transformace se nazývají reakce katalytické oxidace a redukce. Nejčastější chemickou produkcí je oxidace oxidu siřičitého na oxid křemičitý při výrobě kyseliny sírové.

Typy katalyzátorů

Podle agregátního stavu jsou katalyzátory tekuté (H₂SO₄, H₃RO₄), pevná látka (Pt, V₂O₅, Al₂O₃) a plynné (BF₃).

Podle druhu látky se katalyzátory klasifikují do:

• kovy - mohou být čisté, slitiny, celé nebo povlečené na porézním substrátu (Fe, Pt, Ni, Cu);
• sloučeniny kovů typu M_mE_n - Nejběžnější oxidy MgO, Al₂O₃, MoD₃ a další;
• kyseliny a zásady - se používají pro katalytické reakce na kyselé bázi, mohou to být Lewisovy kyseliny, Bronstedovy kyseliny atd .;
• komplexy kovů - tato skupina také zahrnuje soli přechodných kovů, například PdCl₂, Ni (CO)₄;
• Enzymy (jde o enzymy) - biokatalyzátory, urychlující reakce, které se vyskytují v živých organizmech.

Na specifika elektronové struktury rozlišit d-katalyzátory, které mají D-elektron a D-orbitalů a S, P-katalyzátory, jehož střed je prvek s mocenství y a p elektronů.

Vlastnosti katalyzátorů

Pro efektivní použití se na ně vztahuje poměrně rozsáhlý seznam požadavků, které se pro určitý proces liší. Nejdůležitější jsou však následující dvě vlastnosti katalyzátorů:

• Specifičnost spočívá v schopnosti katalyzátorů ovlivňovat pouze jednu reakci nebo řadu podobných transformací a neovlivňuje rychlost ostatních. Proto se nejčastěji používá platina v organických hydrogenačních reakcích.
• Selektivita se vyznačuje schopností urychlovat jednu z několika možných paralelních reakcí, čímž se zvyšuje výtěžnost nejdůležitějšího produktu.

Katalytická reakční rychlost

Důvodem pro urychlení interakce látek je tvorba aktivního komplexu s katalyzátorem, což vede k poklesu aktivační energie.

Podle základní postulát chemické kinetiky, rychlost každé chemické reakce přímo úměrnou součinu koncentrací výchozích látek, které jsou přijímána ve stupních, které odpovídají jejich stechiometrické koeficienty:

v = k ∙ C_A^x ∙ C_V^na ∙ C_D^z,

kde k je rychlostní konstanta chemické reakce číselně rovnající se rychlosti stejné reakce za předpokladu, že koncentrace výchozích sloučenin jsou 1 mol / l.

Podle Arrheniovy rovnice k závisí na aktivační energii:

k = A ∙ exp ^ (- E_A / RT).

Tyto zákonitosti platí také pro katalytické reakce. To je také potvrzeno rovnicí poměru rychlostí konstant:

k_K / k = A_Chcete-li/ A ∙ exp ^ ((E_A-E_AK) / RT),

kde proměnné s indexem K odkazují na katalytické reakce.

Etapy katalytických reakcí

Pro homogenní katalytické reakce postačují dva základní stadia:

1. Vytvoření aktivovaného komplexu: A + K -> AK.
2. Interakce aktivovaného komplexu s jinými výchozími látkami: AK + B -> C + K

Ve všeobecné formě je zapsána rovnice formu A + B -> C.

Mechanismus heterogenních katalytických reakcí je komplikovaný. Existují následující šest etap:

1. Zavedení výchozích sloučenin na povrch katalyzátoru.
2. Adsorpce výchozích činidel na povrchu katalyzátoru a vytvoření meziproduktu: A + B + K -> AVK.
3. Aktivace formovaného komplexu: Alfa-VC -> Alpha-VC^{* * *}.
4. Rozklad komplexní sloučeniny s výslednými produkty adsorbovanými katalyzátorem: Alpha-VC^{* * *} -> CDK.
5. Desorpce získaných produktů s povrchem katalyzátoru: CDK -> C + D + K.
6. Stahování produktů z katalyzátoru.

Příklady katalytických reakcí

Katalyzátory se používají nejen v chemickém průmyslu. Každý člověk v jeho každodenním životě čelí různým katalytickým reakcím. To je například použití peroxidu vodíku při léčení ran. Peroxid vodíku se při interakci s krví začíná rozkládat pod vlivem enzymatickou katalázou:

2H₂O₂ -> O₂ + 2H₂O.

V moderních automobilech je výfukový systém vybaven speciálními katalytickými komorami, které podporují rozklad škodlivých plynných látek. Například platina nebo rhodium pomáhá snížit úroveň znečištění životního prostředí oxidy dusíku, které jsou zničeny vznikem neškodných O₂ a N₂.

Některé zubní pasty obsahují enzymy, které iniciují rozklad plaku a zbytků jídla.