Каталіз
Каталіз — працэс зьмены хуткасьці хімічнай рэакцыі шляхам дадаваньня адмысловых рэчываў — каталізатараў[1]. Звычайна хуткасьць рэакцыі ў выніку каталізу павялічваецца[2].
Каталізатары — рэчывы, якія не расходуюцца падчас хімічнай рэакцыі, але значна паскараюць яе. Падобныя рэакцыі называюцца каталітычнымі[3].
Каталізатары шырока распаўсюджаныя ў прыродзе, а таксама часта выкарыстоўваюцца ў лябараторных і прамысловых сынтэзах. Разнастайныя каталізатары выкарыстоўваюць і для сынтэзу арганічных рэагентаў і нафтапрадуктаў[4].
Каталізатарам можа быць рэчыва з прадуктаў рэакцыі, у такім выпадку працэс называюць аўтакаталізам[5].
Канцэпцыя каталізу была вынайдзена брытанскай дасьледніцай Элізабэт Фулгэйм у 1794 годзе[6].
Агульныя прынцыпы
рэдагавацьПростым прыкладам каталітычнай рэакцыі зьяўляецца дадаваньне невялікай колькасьці дыяксыду маргану ў пэраксыд вадароду. Такая рэакцыя суправаджаецца бурным раскладаньнем зыходнага рэчыва.
![{\displaystyle {\ce {2H2O2 ->[{кат.}] 2H2O + O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6c8b9f17aa40f55860a186786b7c256d57a01b53)
Існуе два тыпы каталізу: гамагенны й гетэрагенны. Гамагенным каталіз называюць у тым выпадку, калі ўсе рэагенты ўтвараюць адну фазу (газ ці рашчыну). Калі каталізатар у сыстэме знаходзіцца ў іншай фазе — каталіз будзе гетэрагенным.
Самі ж каталізатары, у залежнасьці ад характару ўплыву на рэакцыю, падзяляюцца на пазытыўныя й адмоўныя альбо інгібітары. У першым выпадку рэчыва будзе паскараць рэакцыю, а ў другім — запавольваць[3].
Для апісаньня ўплыву каталізатараў на хімічныя рэакцыі карыстаюцца наступнымі тэрмінамі:
Эфэктыўнасьць каталізатара
Для характарыстыкі эфэктыўнасьці часта карыстаюцца частатой зваротаў N. То бок, для наступнай рэакцыі, дзе Q — каталізатар, а υ — вельмі нізкая хуткасьць рэакцыі,
;
![{\displaystyle {\ce {A ->[Q] B}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e1cff0ea73c280ad0558019be8f5af88895af2b2)
![{\displaystyle v={\frac {d[B]}{dt}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9d087ce291319fdd82d822b60133386d4d2429ff)
частата зваротаў будзе адпавядаць формуле:
Высокаактыўны каталізатар, у прысутнасьці малой колькасьці якога рэакцыя ідзе з высокай хуткасьцю, мае й высокую частату абаротаў.
У гетэрагэнным каталізе хуткасьць рэакцыі вызначаецца як хуткасьць зьмены колькасьці прадуктаў, а канцэнтрацыю каталізатара — ягонай колькасьцю ў рэакцыйнай сумесі[4].
Каталітычныя цыклы
Сутнасьцю каталізу зьяўляецца замкнёная пасьлядоўнасьць рэакцый, дзе расходуюцца рэагенты, атрымліваюцца прадукты й рэгенэруецца зыходная форма каталізатару[4].
Энэргія рэакцыі
Часта дзеяньне каталізатару тлумачыцца тым, што ён паніжае энэргію актывацыі рэакцыі. Графік у такім выпадку ня будзе мець вялікіх пікаў і спадаў[3].
Гамагенны каталіз
рэдагавацьГамагенныя каталізатары функцыянуюць у той жа фазе, што й рэактывы. Звычайна гамагенныя каталізатары распушчаюцца разам з рэагентамі ў распушчальніку. Адным з прыкладаў гамагеннага каталізу зьяўляецца ўплыў іёнаў вадароду H+ на этэрыфікацыю карбонавых кісьляў, напрыклад, утварэньне мэтылацэтату з воцатнай кісьлі й мэтанолю[7].
Іншыя прыклады гамагэнных працэсаў:
.png)
- карбаніляваньне мэтанолю ў воцатную кісьлю
- гідрацыянаваньне бутадыену ў аніпадынітрыл
- цыклятрымэрызацыя ацэтылену
Праз тое, што інтэрпрэтаваць кінэтычныя дадзеныя гамагенных каталізаў прасьцей, чым гетэрагенных, іхнія мэханізмы ў большай ступені даступныя для вывучэньня.
Больш прывабным гамагенны каталіз аказаўся й з практычнага пункту гледжаньня, бо лёгка можа накіроўваць рэакцыю ў бок утварэньня пэўнага прадукту[4].
Гетэрагенны каталіз
рэдагаваць
Гетэрагенныя каталізатары дзейнічаюць у іншай фазе, чымся рэактывы. Большасьць такіх каталізатараў уяўляюць сабою цьвёрдыя рэчывы, якія дзейнічаюць у вадкай альбо газападобнай рэакцыйнай сумесі. Важнымі гетэрагеннымі каталізатарамі зьяўляюцца цэаліты, гліназём[8] аксыды пераходных мэталаў і інш[9].
Гетэрагенныя каталізатары атрымалі шырокі распаўсюд у прамысловасьці праз сваю ўстойлівасьць пры высокіх тэпэратурах. Дзякуючы гэтай уласьцівасьці, рэакцыі з удзелам гетэрагенных каталізатараў можна ладзіць у вельмі розных умовах.
Другая прычына папулярнасьці гетэрагенных каталізатараў — адсутнасьць дадатковых стадый для адзьдзяленьня каталізатару ад прадуктаў рэакцыі[4].
Крыніцы
рэдагаваць- ^ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook.
- ^ Артыкул пра каталіз на britannica.com
- ^ а б в Н. Л. Глинка Общая химия, 2000 г.
- ^ а б в г д D.F. Shriver, P.W Atkins Inorganic Chemistry. Third edition. (2 том)
- ^ М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин Общая и неорганическая химия 2000 г.
- ^ Laidler, Keith J.; Cornish-Bowden, Athel (1997). "«Elizabeth Fulhame and the discovery of catalysis: 100 years before Buchner» Архівавана
- ^ Behr, Arno Organometallic Compounds and Homogeneous Catalysis in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim.
- ^ Iqrash Shafiq, Sumeer Shafique, Parveen Akhter, Wenshu Yang & Murid Hussain (2022) Recent developments in alumina supported hydrodesulfurization catalysts for the production of sulfur-free refinery products: A technical review, Catalysis Reviews, 64:1, 1-86, DOI: 10.1080/01614940.2020.1780824
- ^ Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Prentice-Hall. 2005