Катализатор что это в химии: Катализаторы — Что такое Катализаторы?

Катализаторы — Что такое Катализаторы?

Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.

Катализаторы — вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в состав конечных продуктов.
См. Спецпроект Neftegaz.RU «Национальный продукт: Отечественные катализаторы».

Катализаторы обеспечивают энергетически менее затрудненные пути реакции, что позволяет эффективно использовать сырье.
Катализ — это ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются.
Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс).
Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.
Катализаторы позволяют превратить низкосортное сырье в высокоценные продукты.
Без катализаторов невозможно обеспечить производство моторных топлив для двигателей экологического стандарта «Евро-5» и выше.

Например, в каталитическом крекинге — одном из ключевых процессов, обеспечивающих увеличение выхода светлых нефтепродуктов (особенно бензина), самое главное действие катализатора — расщепление больших углеводородных молекул на более мелкие с высоким октановым числом.

Гидрокрекинг в свою очередь — процесс получения высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов из тяжелого газойля вакуумной перегонки и вторичных процессов. 
Он также позволяет получить высококачественную основу базовых масел, близкую по эксплуатационным характеристикам к синтетическим. 
Иначе говоря, это каталитический крекинг в присутствии водорода — где сочетание водорода, катализатора и соответствующего режима процесса позволяют провести крекинг низкокачественного легкого газойля и добиться получения высококачественных основ для широкого ассортимента товарных смазочных масел.

 
Катализаторы здесь играют важную роль: они активно взаимодействуют с водородом, благодаря им идет сам крекинг и происходит образование изопарафинов.

Гидроочистка является наиболее крупнотоннажным каталитическим процессом в нефтепереработке. 
В процессе гидроочистки понижается содержание серы в топливе. 
Эффективность гидроочистки зависит от активности катализаторов, температурного режима и качества сырья. 
И повышение эффективности процесса требует использования новых типов катализаторов.

Требования к катализаторам:

• постоянная высокая каталитическая активность, 
• селективность, 
• механическая прочность, 
• термостойкость, 
• устойчивостью к действию каталитических ядов, 
• большая длительность работы, 
• легкая регенерируемость, 
• необходимые гидродинамические характеристики, 
• невысокая стоимость. 

Активность определяется скоростью реакции, отнесенной к единице объема или массы катализатора и зависит от его хим. состава.
Формирование свойств катализатора происходит во время его приготовления и во время эксплуатации, поэтому метод приготовления катализатора должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Во многих случаях активность промышленных катализаторов увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).

Селективность изменяется из-за изменения электронных свойств и окружения активных центров катализатора (эффект лиганда).
В реакциях сложных органических молекул большое значение имеет преимущественное образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализатора.
В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы, селективность которых выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора. Селективность катализатора зависит также от его пористости, размера зерен и характера их укладки.

Термостойкость катализаторов  важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов.
Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители.

Устойчивость катализатора к действию ядов каталитических определяется спецификой их взаимодействия с катализатором.

Металлические катализаторы отравляются соединениями кислорода (Н₂О, СО), серы (H₂S, CS₂ и др.), N, Р, As и другими веществами, образующими более прочную химическую связь с катализатором, чем реагирующие вещества.
На оксидные катализаторы действуют те же яды, однако оксиды более устойчивы к отравлению.
В процессах крекинга, риформинга и других реакций углеводородов катализаторы отравляются в результате покрытия их слоем кокса.
Кроме того, катализаторы могут дезактивироваться из-за механического покрытия поверхности пылью, которая вносится извне или образуется при катализе.

Приготовление катализаторов

Катализаторы с развитой удельной поверхностью распространение получил метод осаждения из водных растворов солей с последующим прокаливанием образующихся соединений.
Так получают многие оксиды металлов. При этом лучше использовать водный раствор NH₃, потому что отпадает необходимость отмывки осадка от щелочных металлов. 
Охлажденный катализатор дробят, просеивают и восстанавливают азотно-водородной смесью в колонне синтеза.
Для получения правильной геометрической формы зерен катализатора используют специальные формовочные машины.
Цилиндрические гранулы получают экструзией (выдавливанием) влажной массы с помощью массивного винта (шнека) через отверстия нужного диаметра, после чего разрезают полученный жгут на отдельные цилиндрики, которые 
закатываются в сферические гранулы в специальных грануляторах.
Плоские цилиндрические таблетки получают прессованием сухого порошка на таблеточных машинах

Катализ и катализаторы — Энциклопедия wiki.MPlast.by

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализаторов – веществ, принимающих участие в химической реакции, но в состав конечных продуктов не входящих и в результате реакции не расходующихся.

Одни катализаторы ускоряют реакцию (

положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ). Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ.

При гомогенном (однородном) катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела. Пример гомогенного катализа – реакция окисления SO₂ и SO₃ в присутствии катализатора NO

(реагирующие вещества и катализатор являются газами).

Гетерогенный катализ.

В случае гетерогенного (неоднородного) катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела. Обычно катализатор – твердое вещество, а реагирующие вещества – жидкости или газы. Пример гетерогенного катализа – окисление NN₃ до NO в присутствии Pt (катализатор – твердое вещество).

Механизм действия катализаторов

Действие положительных катализаторов сводится к понижению энергии активации реакции Е_а(исх), действие ингибиторов – противоположное.

Так, для реакции 2HI = H₂+I₂ Е_а(исх)=184 кДж/моль. Когда же эта реакция протекает в присутствии катализатора Au или Pt, то Е_а(исх)=104 кДж/моль, соответственно.

Механизм действия катализатора при гомогенном катализе объясняется образованием промежуточных соединений между катализатором и одним из реагирующих веществ. Далее промежуточное соединение реагирует со вторым исходным веществом, в результате чего образуется продукт реакции и катализатор в первоначальном виде. Так как скорость обоих промежуточных процессов значительно больше скорости прямого процесса, то реакция с участием катализатора протекает значительно быстрее, чем без него.

Например, реакция:

SO₂ +1/2 O₂ = SO₃ протекает очень медленно, а если использовать катализатор NO

то реакции NO +1/2О₂ = NO₂ и NO₂ +SO₂ = SO₃ +NO протекают быстро.

Механизм действия катализатора при гетерогенном катализе иной. В этом случае реакция протекает вследствие

адсорбции молекул реагирующих веществ поверхностью катализатора (поверхность катализатора неоднородна: на ней имеются так называемые активные центры, на которых и адсорбируются частицы реагирующих веществ.). Увеличение скорости химической реакции достигается, в основном, за счет понижения энергии активации адсорбированных молекул, а также, отчасти, за счет увеличения концентрации реагирующих веществ в местах, где произошла адсорбция.

Каталитические яды и промоторы.

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность катализатора, такие вещества называют каталитическими ядами. Например, небольшие примеси серы (0,1%) полностью прекращает каталитическое действие металлического катализатора (губчатого железа), использующегося при синтезе аммиака. Вещества, повышающие активность катализатора, называют промоторами. Например, каталитическая активность губчатого железа значительно возрастает при добавлении примерно 2% метаалюмината калия KAlO₂.

Применение катализаторов

Действие катализатора избирательно и специфично. Это означает, что, применяя различные катализаторы, из одних и тех же веществ можно получить различные продукты. Это особенно характерно для реакций органических веществ. Например, в присутствии катализатора AlO₃ происходит дегидратация этилового спирта, в присутствии Cu – дегидрирование:

Биологические катализаторы, принимающие участие в сложных химических превращениях, протекающих в организме, называются ферментами.

Катализаторы широко используются в производстве серной кислоты, аммиака, каучука, пластмасс и др. веществ.

---

 

Автор: Метельский А.В
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год

КАТАЛИЗ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

КАТАЛИЗ, ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются. Каталитические процессы играют огромную роль в нашей жизни. Биологические катализаторы, называемые ферментами, участвуют в регуляции биохимических процессов. Без катализаторов не могли бы протекать многие промышленные процессы.

Важнейшее свойство катализаторов – селективность, т.е. способность увеличивать скорость лишь определенных химических реакций из многих возможных. Это позволяет осуществлять реакции, протекающие в обычных условиях слишком медленно, чтобы им можно было найти практическое применение, и обеспечивает образование нужных продуктов.

Применение катализаторов способствовало бурному развитию химической промышленности. Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс), нередко более дешевых, чем применявшиеся прежде. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую роль играют каталитические процессы в охране окружающей среды.

В 1835 шведский химик Й.Берцелиус установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает. Для таких веществ он ввел термин «катализатор» (от греч. katalysis – расслабление). Как считал Берцелиус, катализаторы обладают особой способностью ослаблять связи между атомами в молекулах, участвующих в реакции, облегчая таким образом их взаимодействие. Большой вклад в развитие представлений о работе катализаторов внес немецкий физикохимик В.Оствальд, который в 1880 дал определение катализатора как вещества, которое изменяет скорость реакции.

Согласно современным представлениям, катализатор образует комплекс с реагирующими молекулами, стабилизируемый химическими связями. После перегруппировки этот комплекс диссоциирует с высвобождением продуктов и катализатора. Для мономолекулярной реакции превращения молекулы X в Y весь этот процесс можно представить в виде

X + Кат. ® X-Кат. ® Y-Кат. ® Y + Кат.

Высвободившийся катализатор вновь связывается с X, и весь цикл многократно повторяется, обеспечивая образование больших количеств продукта – вещества Y.

Многие вещества при обычных условиях не вступают в химическую реакцию друг с другом. Так, водород и оксид углерода при комнатной температуре не взаимодействуют между собой, поскольку связь между атомами в молекуле H₂ достаточно прочная и не разрывается при атаке молекулой CO. Катализатор сближает молекулы H₂ и CO, образуя с ними связи. После перегруппировки комплекс катализатор – реагенты диссоциирует с образованием продукта, содержащего атомы C, H и O.

Нередко при взаимодействии одних и тех же веществ образуются разные продукты. Катализатор может направить процесс по пути, наиболее благоприятному для образования определенного продукта. Рассмотрим реакцию между CO и H₂. В присутствии медьсодержащего катализатора практически единственным продуктом реакции является метанол:

Вначале молекулы СО и Н₂ адсорбируются на поверхности катализатора. Затем молекулы СО образуют с катализатором химические связи (происходит хемосорбция), оставаясь в недиссоциированной форме. Молекулы водорода также хемосорбируются на поверхности катализатора, но при этом диссоциируют. В результате перегруппировки образуется переходный комплекс Н-Кат.-CH₂OH. После присоединения атома H комплекс распадается с высвобождением CH₃OH и катализатора.

В присутствии никелевого катализатора как СО, так и Н₂ хемосорбируются на поверхности в диссоциированной форме, и образуется комплекс Кат.-СН₃. Конечными продуктами реакции являются СН₄ и Н₂О:

Большинство каталитических реакций проводят при определенных давлении и температуре, пропуская реакционную смесь, находящуюся в газообразном или жидком состоянии, через реактор, заполненный частицами катализатора. Для описания условий проведения реакции и характеристики продуктов используются следующие понятия. Объемная скорость – объем газа или жидкости, проходящий через единицу объема катализатора в единицу времени. Каталитическая активность – количество реагентов, превращенных катализатором в продукты в единицу времени. Конверсия – доля вещества, превращенного в данной реакции. Селективность – отношение количества определенного продукта к суммарному количеству продуктов (обычно выражается в процентах). Выход – отношение количества данного продукта к количеству исходного материала (обычно выражается в процентах). Производительность – количество продуктов реакции, образующихся в единице объема в единицу времени.

ТИПЫ 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 диспергированы в той же газовой или жидкой среде, что и реагирующие вещества.

Многие гетерогенные катализаторы содержат металлы. Некоторые металлы, особенно относящиеся к VIII группе периодической системы элементов, обладают каталитической активностью сами по себе; типичный пример – платина. Но большинство металлов проявляют каталитические свойства, находясь в составе соединений; пример – глинозем (оксид алюминия Al₂O₃).

Необычным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности. Они пронизаны многочисленными порами, суммарная площадь которых иногда достигает 500 м² на 1 г катализатора. Во многих случаях оксиды с большой площадью поверхности служат подложкой, на которой в виде небольших кластеров осаждаются частички металлического катализатора. Это обеспечивает эффективное взаимодействие реагентов в газовой или жидкой фазе с каталитически активным металлом. Особый класс гетерогенных катализаторов составляют цеолиты – кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия). Хотя многие гетерогенные катализаторы обладают большой площадью поверхности, обычно они имеют лишь небольшое число активных центров, на долю которых приходится малая часть суммарной поверхности. Катализаторы могут утрачивать свою активность в присутствии небольших количеств химических соединений, называемых каталитическими ядами. Эти вещества связываются с активными центрами, блокируя их. Определение структуры активных центров является предметом интенсивных исследований.

Гомогенные катализаторы имеют различную химическую природу – кислоты (Н₂SO₄ или Н₃РО₄), основания (NaOH), органические амины, металлы, чаще всего переходные (Fe или Rh), в форме солей, металлоорганических соединений или карбонилов. К катализаторам относятся также ферменты – белковые молекулы, регулирующие биохимические реакции. Активный центр некоторых ферментов содержит атом металла (Zn, Cu, Fe или Mo). Металлсодержащие ферменты катализируют реакции с участием малых молекул (О₂, CO₂ или N₂). Ферменты обладают очень высокой активностью и селективностью, но работают только при определенных условиях, таких, в которых протекают реакции в живых организмах. В промышленности часто используют т.н. иммобилизованные ферменты.

КАК РАБОТАЮТ КАТАЛИЗАТОРЫ

Энергетика.

Любая химическая реакция может протекать лишь при условии, что реагенты преодолеют энергетический барьер, а для этого они должны приобрести определенную энергию. Как мы уже говорили, каталитическая реакция X ® Y состоит из ряда последовательных стадий. Для протекания каждой из них необходима энергия E, называемая энергией активации. Изменение энергии вдоль координаты реакции представлено на рис. 1.

Рассмотрим сначала некаталитический, «тепловой» путь. Чтобы реакция смогла осуществиться, потенциальная энергия молекул X должна превысить энергетический барьер E_т. Каталитическая же реакция состоит из трех стадий. Первая – образование комплекса Х-Кат. (хемосорбция), энергия активации которой равна Е_адс. Вторая стадия – перегруппировка Х-Кат. ® Y-Кат. с энергией активации Е_кат, и наконец, третья – десорбция с энергией активации Е_дес; Е_адс, Е_кат и Е_дес много меньше Е_т. Поскольку скорость реакции экспоненциально зависит от энергии активации, каталитическая реакция протекает значительно быстрее тепловой при данной температуре.

Катализатор можно уподобить инструктору-проводнику, который ведет альпинистов (реагирующие молекулы) через горный хребет. Он проводит одну группу через перевал и затем возвращается за следующей. Путь через перевал лежит значительно ниже того, который лежит через вершину (тепловой канал реакции), и группа совершает переход быстрее, чем без проводника (катализатора). Возможно даже, что самостоятельно группа вообще не смогла бы преодолеть хребет.

Теории катализа.

Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, т.е. эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

На молекулярном уровне каталитическую газофазную реакцию можно представить следующим образом. Одна реагирующая молекула связывается с активным центром катализатора, а другая взаимодействует с ней, находясь непосредственно в газовой фазе. Возможен и альтернативный механизм: реагирующие молекулы адсорбируются на соседних активных центрах катализатора, а потом взаимодействуют друг с другом. По-видимому, именно таким образом протекает большинство каталитических реакций.

Другая концепция предполагает, что существует связь между пространственным расположением атомов на поверхности катализатора и его каталитической активностью. Скорость одних каталитических процессов, в том числе многих реакций гидрирования, не зависит от взаимного расположения каталитически активных атомов на поверхности; скорость других, напротив, существенно изменяется при изменении пространственной конфигурации поверхностных атомов. В качестве примера можно привести изомеризацию неопентана в изопентан и одновременный крекинг последнего до изобутана и метана на поверхности катализатора Pt-Al₂O₃.

ПРИМЕНЕНИЕ КАТАЛИЗА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Тот бурный промышленный рост, который мы сейчас переживаем, был бы невозможен без развития новых химических технологий. В значительной мере этот прогресс определяется широким применением катализаторов, с помощью которых низкосортное сырье превращается в высокоценные продукты. Образно говоря, катализатор – это философский камень современного алхимика, только он превращает не свинец в золото, а сырье в лекарства, пластмассы, химические реактивы, топливо, удобрения и другие полезные продукты.

Пожалуй, самый первый каталитический процесс, который человек научился использовать, – это брожение. Рецепты приготовления алкогольных напитков были известны шумерам еще за 3500 до н.э. См. ВИНО; ПИВО.

Значительной вехой в практическом применении катализа стало производство маргарина каталитическим гидрированием растительного масла. Впервые эта реакция в промышленном масштабе была осуществлена примерно в 1900. А начиная с 1920-х годов один за другим были разработаны каталитические способы получения новых органических материалов, прежде всего пластмасс. Ключевым моментом стало каталитическое получение олефинов, нитрилов, эфиров, кислот и т.д. – «кирпичиков» для химического «строительства» пластмасс.

Третья волна промышленного использования каталитических процессов приходится на 1930-е годы и связана с переработкой нефти. По своему объему это производство вскоре оставило далеко позади все другие. Переработка нефти состоит из нескольких каталитических процессов: крекинга, риформинга, гидросульфирования, гидрокрекинга, изомеризации, полимеризации и алкилирования.

И наконец, четвертая волна в использовании катализа связана с охраной окружающей среды. Наиболее известное достижение в этой области – создание каталитического нейтрализатора выхлопных газов автомобилей. Каталитические нейтрализаторы, которые устанавливают на автомобили с 1975, сыграли большую роль в улучшении качества воздуха и сберегли таким образом много жизней.

За работы в области катализа и смежных областей было присуждено около десятка Нобелевских премий.

О практической значимости каталитических процессов свидетельствует тот факт, что на долю азота, входящего в состав полученных промышленным путем азотсодержащих соединений, приходится около половины всего азота, входящего в состав пищевых продуктов. Количество соединений азота, образующихся естественным путем, ограничено, так что производство пищевого белка зависит от количества азота, вносимого в почву с удобрениями. Невозможно было бы прокормить и половину человечества без синтетического аммиака, который получают почти исключительно с помощью каталитического процесса Габера – Боша.

Область применения катализаторов постоянно расширяется. Важно и то, что катализ позволяет значительно повысить эффективность ранее разработанных технологий. В качестве примера можно привести усовершенствование каталитического крекинга благодаря использованию цеолитов.

Гидрирование.

Большое число каталитических реакций связано с активацией атома водорода и какой-либо другой молекулы, приводящей к их химическому взаимодействию. Этот процесс называется гидрированием и лежит в основе многих этапов переработки нефти и получения жидкого топлива из угля (процесс Бергиуса).

Производство авиационного бензина и моторного топлива из угля было развито в Германии во время Второй мировой войны, поскольку в этой стране нет нефтяных месторождений. Процесс Бергиуса заключается в непосредственном присоединении водорода к углю. Уголь нагревают под давлением в присутствии водорода и получают жидкий продукт, который затем перерабатывают в авиационный бензин и моторное топливо. В качестве катализатора используют оксид железа, а также катализаторы на основе олова и молибдена. Во время войны на 12 заводах Германии с помощью процесса Бергиуса получали примерно 1400 т жидкого топлива в сутки.

Другой процесс, Фишера – Тропша, состоит из двух стадий. Вначале уголь газифицируют, т.е. проводят реакцию его с водяным паром и кислородом и получают смесь водорода и оксидов углерода. Эту смесь превращают в жидкое топливо с помощью катализаторов, содержащих железо или кобальт. С окончанием войны производство синтетического топлива из угля в Германии было прекращено.

В результате повышения цен на нефть, последовавшего за нефтяным эмбарго в 1973–1974, были предприняты энергичные усилия по разработке экономически выгодного способа получения бензина из угля. Так, прямое ожижение угля можно проводить более эффективно, используя двухстадийный процесс, в котором сначала уголь контактирует с алюмокобальтомолибденовым катализатором при относительно низкой, а затем при более высокой температуре. Стоимость такого синтетического бензина выше, чем получаемого из нефти.

Аммиак.

Один из самых простых с химической точки зрения процессов гидрирования – синтез аммиака из водорода и азота. Азот весьма инертное вещество. Для разрыва связи N–N в его молекуле необходима энергия порядка 200 ккал/моль. Однако азот связывается с поверхностью железного катализатора в атомарном состоянии, и для этого нужно всего 20 ккал/моль. Водород связывается с железом еще более охотно. Синтез аммиака протекает следующим образом:

Этот пример иллюстрирует способность катализатора ускорять в равной степени как прямую, так и обратную реакцию, т.е. тот факт, что катализатор не изменяет положение равновесия химической реакции.

Гидрирование растительного масла.

Одна из важнейших в практическом отношении реакций гидрирования – неполное гидрирование растительных масел до маргарина, кулинарного жира и других пищевых продуктов. Растительные масла получают из соевых бобов, семян хлопчатника и других культур. В их состав входят эфиры, а именно триглицериды жирных кислот с разной степенью ненасыщенности. Олеиновая кислота СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН имеет одну двойную связь С=С, линолевая кислота – две и линоленовая – три. Присоединение водорода с разрывом этой связи предотвращает окисление масел (прогоркание). При этом повышается их температура плавления. Твердость большинства получаемых продуктов зависит от степени гидрирования. Гидрирование проводят в присутствии мелкодисперсного порошка никеля, нанесенного на подложку, или никелевого катализатора Ренея в атмосфере водорода высокой степени очистки.

Дегидрирование.

Дегидрирование – это тоже важная в промышленном отношении каталитическая реакция, хотя масштабы ее применения несравнимо меньше. С ее помощью получают, например, стирол – важный мономер. Для этого дегидрируют этилбензол в присутствии катализатора, содержащего оксид железа; протеканию реакции способствуют также калий и какой-нибудь структурный стабилизатор. В промышленных масштабах осуществляют дегидрирование пропана, бутана и других алканов. Дегидрированием бутана в присутствии алюмохромового катализатора получают бутены и бутадиен.

Кислотный катализ.

Каталитическая активность большого класса катализаторов обусловливается их кислотными свойствами. Согласно И.Брёнстеду и Т.Лоури, кислота – это соединение, способное отдавать протон. Сильные кислоты легко отдают свои протоны основаниям. Концепция кислотности получила дальнейшее развитие в работах Г.Льюиса, который дал определение кислоты как вещества, способного принимать электронную пару от вещества-донора с образованием ковалентной связи за счет обобществления этой электронной пары. Эти идеи вместе с представлениями о реакциях с образованием карбений-ионов помогли понять механизм разнообразных каталитических реакций, особенно тех, в которых участвуют углеводороды.

Силу кислоты можно определить с помощью набора оснований, изменяющих цвет при присоединении протона. Оказывается, некоторые промышленно важные катализаторы ведут себя как очень сильные кислоты. К ним относится катализатор процесса Фриделя – Крафтса, такой, как HCl-AlCl₂O₃ (или HAlCl₄), и алюмосиликаты. Сила кислоты – это очень важная характеристика, поскольку от нее зависит скорость протонирования – ключевого этапа процесса кислотного катализа.

Активность таких катализаторов, как алюмосиликаты, применяющихся при крекинге нефти, определяется присутствием на их поверхности кислот Брёнстеда и Льюиса. Их структура аналогична структуре кремнезема (диоксида кремния), в котором часть атомов Si⁴⁺ замещена атомами Al³⁺. Лишний отрицательный заряд, возникающий при этом, может быть нейтрализован соответствующими катионами. Если катионами являются протоны, то алюмосиликат ведет себя как кислота Брёнстеда:

Активность кислотных катализаторов обусловливается их способностью реагировать с углеводородами с образованием в качестве промежуточного продукта карбений-иона. Алкилкарбений-ионы содержат положительно заряженный углеродный атом, связанный с тремя алкильными группами и/или атомами водорода. Они играют важную роль как промежуточные продукты, образующиеся во многих реакциях с участием органических соединений. Механизм действия кислотных катализаторов можно проиллюстрировать на примере реакции изомеризации н-бутана в изобутан в присутствии HCl-AlCl₃ или Pt-Cl-Al₂O₃. Сначала малое количество олефина С₄Н₈ присоединяет положительно заряженный ион водорода кислотного катализатора с образованием третичного карбений-иона. Затем отрицательно заряженный гидрид-ион Н^– отщепляется от н-бутана с образованием изобутана и вторичного бутилкарбений-иона. Последний в результате перегруппировки превращается в третичный карбений-ион. Эта цепочка может продолжаться с отщеплением гидрид-иона от следующей молекулы н-бутана и т.д.:

Существенно, что третичные карбений-ионы более стабильны, чем первичные или вторичные. Вследствие этого на поверхности катализатора присутствуют в основном именно они, а потому основным продуктом изомеризации бутана является изобутан.

Кислотные катализаторы широко применяются при переработке нефти – крекинге, алкилировании, полимеризации и изомеризации углеводородов (см. также ХИМИЯ И МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ). Установлен механизм действия карбений-ионов, играющих роль катализаторов в этих процессах. При этом они участвуют в целом ряде реакций, включая образование малых молекул путем расщепления больших, соединение молекул (олефина с олефином или олефина с изопарафином), структурную перегруппировку путем изомеризации, образование парафинов и ароматических углеводородов путем переноса водорода.

Одно из последних применений кислотного катализа в промышленности – получение этилированных топлив присоединением спиртов к изобутилену или изоамилену. Добавление кислородсодержащих соединений в бензин уменьшает концентрацию оксида углерода в выхлопных газах. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) с октановым числом смешения 109 тоже позволяет получить высокооктановое топливо, необходимое для работы автомобильного двигателя с высокой степенью сжатия, не прибегая к введению в бензин тетраэтилсвинца. Организовано также производство топлив с октановыми числами 102 и 111.

Основной катализ.

Активность катализаторов обусловливается их основными свойствами. Давним и хорошо известным примером таких катализаторов является гидроксид натрия, применяющийся для гидролиза или омыления жиров при получении мыла, а один из последних примеров – катализаторы, используемые при производстве полиуретановых пластиков и пенопластов. Уретан образуется при взаимодействии спирта с изоцианатом, а ускоряется эта реакция в присутствии оснóвных аминов. В ходе реакции происходит присоединение основания к атому углерода в молекуле изоцианата, в результате чего на атоме азота появляется отрицательный заряд и его активность по отношению к спирту повышается. Особенно эффективным катализатором является триэтилендиамин. Полиуретановые пластики получают при взаимодействии диизоцианатов с полиолами (полиспиртами). Когда изоцианат реагирует с водой, ранее образовавшийся уретан разлагается с выделением CO₂. При взаимодействии смеси полиспиртов и воды с диизоцианатами образующийся пенополиуретан вспенивается газообразным CO₂.

Катализаторы двойного действия.

Эти катализаторы ускоряют реакции двух типов и дают лучшие результаты, чем при пропускании реагентов последовательно через два реактора, каждый из которых содержит только один тип катализатора. Это связано с тем, что активные центры катализатора двойного действия находятся очень близко друг к другу, и промежуточный продукт, образующийся на одном из них, тут же превращается в конечный продукт на другом.

Хороший результат дает объединение катализатора, активирующего водород, с катализатором, способствующим изомеризации углеводородов. Активацию водорода осуществляют некоторые металлы, а изомеризацию углеводородов – кислоты. Эффективным катализатором двойного действия, который применяется при переработке нефти для превращения нафты в бензин, является мелкодисперсная платина, нанесенная на кислый глинозем. Конверсия таких составляющих нафты, как метилциклопентан (МЦП), в бензол повышает октановое число бензина. Сначала МЦП дегидрируется на платиновой части катализатора в олефин с тем же углеродным остовом; затем олефин переходит на кислотную часть катализатора, где изомеризуется до циклогексена. Последний переходит на платиновую часть и дегидрируется до бензола и водорода.

Катализаторы двойного действия существенно ускоряют риформинг нефти. Их используют для изомеризации нормальных парафинов в изопарафины. Последние, кипящие при тех же температурах, что и бензиновые фракции, ценны тем, что обладают более высоким октановым числом по сравнению с неразветвленными углеводородами. Кроме того, превращение н-бутана в изобутан сопровождается дегидрированием, способствуя получению МТБЭ.

Стереоспецифическая полимеризация.

Важной вехой в истории катализа явилось открытие каталитической полимеризации a-олефинов с образованием стереорегулярных полимеров. Катализаторы стереоспецифической полимеризации были открыты К.Циглером, когда он пытался объяснить необычные свойства полученных им полимеров. Другой химик, Дж.Натта, предположил, что уникальность полимеров Циглера определяется их стереорегулярностью. Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей показали, что полимеры, полученные из пропилена в присутствии катализаторов Циглера, высококристалличны и действительно имеют стереорегулярную структуру. Для описания таких упорядоченных структур Натта ввел термины «изотактический» и «синдиотактический». В том случае, когда упорядоченность отсутствует, используется термин «атактический»:

Стереоспецифическая реакция протекает на поверхности твердых катализаторов, содержащих переходные металлы групп IVA–VIII (такие, как Ti, V, Cr, Zr), находящиеся в неполностью окисленном состоянии, и какое-либо соединение, содержащее углерод или водород, который связан с металлом из групп I–III. Классическим примером такого катализатора является осадок, образующийся при взаимодействии TiCl₄ и Al(C₂H₅)₃ в гептане, где титан восстановлен до трехвалентного состояния. Эта исключительно активная система катализирует полимеризацию пропилена при обычных температуре и давлении.

Каталитическое окисление.

Применение катализаторов для управления химизмом процессов окисления имеет большое научное и практическое значение. В некоторых случаях окисление должно быть полным, например при нейтрализации СО и углеводородных загрязнений в выхлопных газах автомобилей. Однако чаще нужно, чтобы окисление было неполным, например во многих широко применяемых в промышленности процессах превращения углеводородов в ценные промежуточные продукты, содержащие такие функциональные группы, как –СНО, –СООН, –С–СО, –СN. При этом применяются как гомогенные, так и гетерогенные катализаторы. Примером гомогенного катализатора является комплекс переходного металла, который используется для окисления пара-ксилола до терефталевой кислоты, эфиры которой служат основой производства полиэфирных волокон.

Катализаторы гетерогенного окисления.

Эти катализаторы обычно являются сложными твердыми оксидами. Каталитическое окисление проходит в два этапа. Сначала кислород оксида захватывается адсорбированной на поверхности оксида молекулой углеводорода. Углеводород при этом окисляется, а оксид восстанавливается. Восстановленный оксид взаимодействует с кислородом и возвращается в исходное состояние. Используя ванадиевый катализатор, неполным окислением нафталина или бутана получают фталевый ангидрид.

Получение этилена путем дегидродимеризации метана.

Синтез этилена посредством дегидродимеризации позволяет превращать природный газ в более легко транспортируемые углеводороды. Реакцию 2CH₄ + 2O₂® C₂H₄ + 2H₂O проводят при 850° С с использованием различных катализаторов; наилучшие результаты получены с катализатором Li-MgO. Предположительно реакция протекает через образование метильного радикала путем отщепления атома водорода от молекулы метана. Отщепление осуществляется неполностью восстановленным кислородом, например О₂^2–. Метильные радикалы в газовой фазе рекомбинируют с образованием молекулы этана и в ходе последующего дегидрирования превращаются в этилен. Еще один пример неполного окисления – превращение метанола в формальдегид в присутствии серебряного или железомолибденового катализатора.

Цеолиты.

Цеолиты составляют особый класс гетерогенных катализаторов. Это алюмосиликаты с упорядоченной сотовой структурой, размер ячеек которой сравним с размером многих органических молекул. Их называют еще молекулярными ситами. Наибольший интерес представляют цеолиты, поры которых образованы кольцами, состоящими из 8–12 ионов кислорода (рис. 2). Иногда поры перекрываются, как у цеолита ZSМ-5 (рис. 3), который используется для высокоспецифичного превращения метанола в углеводороды бензиновой фракции. Бензин содержит в значительных количествах ароматические углеводороды и поэтому имеет высокое октановое число. В Новой Зеландии, например, с помощью этой технологии получают треть всего потребляемого бензина. Метанол же получают из импортируемого метана.

Катализаторы, составляющие группу Y-цеолитов, существенно повышают эффективность каталитического крекинга благодаря в первую очередь своим необычным кислотным свойствам. Замена алюмосиликатов цеолитами позволяет увеличить выход бензина более чем на 20%.

Кроме того, цеолиты обладают селективностью в отношении размера реагирующих молекул. Их селективность обусловлена размером пор, через которые могут проходить молекулы лишь определенных размеров и формы. Это касается как исходных веществ, так и продуктов реакции. Например, вследствие стерических ограничений пара-ксилол образуется легче, чем более объемные орто— и мета-изомеры. Последние оказываются «запертыми» в порах цеолита (рис. 4).

Применение цеолитов произвело настоящую революцию в некоторых промышленных технологиях – депарафинизации газойля и машинного масла, получении химических полупродуктов для производства пластмасс алкилированием ароматических соединений, изомеризации ксилола, диспропорционировании толуола и каталитическом крекинге нефти. Особенно эффективен здесь цеолит ZSM-5.

Катализаторы и охрана окружающей среды.

Применение катализаторов для уменьшения загрязнения воздуха началось в конце 1940-х годов. В 1952 А.Хаген-Смит установил, что углеводороды и оксиды азота, входящие в состав выхлопных газов, реагируют на свету с образованием оксидантов (в частности, озона), которые оказывают раздражающее действие на глаза и дают другие нежелательные эффекты. Примерно в это же время Ю.Хоудри разработал способ каталитической очистки выхлопных газов путем окисления CO и углеводородов до CO₂ и Н₂О. В 1970 была сформулирована Декларация о чистом воздухе (уточненная в 1977, расширенная в 1990), согласно которой все новые автомобили, начиная с моделей 1975, должны снабжаться каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов. Были установлены нормы для состава выхлопных газов. Поскольку соединения свинца, добавляемые в бензин, отравляют катализаторы, принята программа поэтапного отказа от них. Обращалось внимание и на необходимость снижения содержания оксидов азота.

Специально для автомобильных нейтрализаторов созданы катализаторы, в которых активные компоненты нанесены на керамическую подложку с сотовой структурой, через ячейки которой проходят выхлопные газы. Подложку покрывают тонким слоем оксида металла, например Al₂O₃, на который наносят катализатор – платину, палладий или родий. Содержание оксидов азота, образующихся при сжигании природных топлив на теплоэлектростанциях, можно уменьшить добавлением в дымовые газы малых количеств аммиака и пропусканием их через титанованадиевый катализатор.

Ферменты.

Ферменты – это природные катализаторы, регулирующие биохимические процессы в живой клетке. Они участвуют в процессах энергообмена, расщеплении питательных веществ, реакциях биосинтеза. Без них не могут протекать многие сложные органические реакции. Ферменты функционируют при обычных температуре и давлении, обладают очень высокой селективностью и способны увеличивать скорость реакций на восемь порядков. Несмотря на эти преимущества, лишь ок. 20 из 15 000 известных ферментов применяются в широких масштабах.

Человек тысячелетиями использовал ферменты при выпечке хлеба, получении алкогольных напитков, сыра и уксуса. Сейчас ферменты применяются и в промышленности: при переработке сахара, получении синтетических антибиотиков, аминокислот и белков. Протеолитические ферменты, ускоряющие процессы гидролиза, добавляют в детергенты.

С помощью бактерий Clostridium acetobutylicum Х.Вейцман осуществил ферментативное превращение крахмала в ацетон и бутиловый спирт. Этот способ получения ацетона широко использовался в Англии во время Первой мировой войны, а во время Второй мировой войны с его помощью в СССР изготавливали бутадиеновый каучук.

Исключительно большую роль сыграло применение ферментов, продуцируемых микроорганизмами, для синтеза пенициллина, а также стрептомицина и витамина B₁₂.

Этиловый спирт, получаемый ферментативным путем, широко используют в качестве автомобильного топлива. В Бразилии более трети из примерно 10 млн. автомобилей работают на 96%-ном этиловом спирте, получаемом из сахарного тростника, а остальные – на смеси бензина и этилового спирта (20%). Хорошо отработана технология производства топлива, представляющего собой смесь бензина и спирта, в США. В 1987 из зерен кукурузы было получено ок. 4 млрд. л спирта, из них примерно 3,2 млрд. л было использовано в качестве топлива. Разнообразное применение находят и т.н. иммобилизованные ферменты. Эти ферменты связаны с твердым носителем, например силикагелем, над которым пропускают реагенты. Преимущество этого метода состоит в том, что он обеспечивает эффективное контактирование субстратов с ферментом, разделение продуктов и сохранение фермента. Один из примеров промышленного использования иммобилизованных ферментов – изомеризация D-глюкозы во фруктозу.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Современные технологии невозможно представить без применения катализаторов. Каталитические реакции могут протекать при температурах до 650° С и давлениях 100 атм и более. Это заставляет по-новому решать проблемы, связанные с контактированием между газообразными и твердыми веществами и с переносом частиц катализатора. Чтобы процесс был эффективным, при его моделировании необходимо учитывать кинетические, термодинамические и гидродинамические аспекты. Здесь широко используются компьютерное моделирование, а также новые приборы и методы контроля за технологическими процессами.

В 1960 был достигнут значительный прогресс в производстве аммиака. Применение более активного катализатора позволило понизить температуру получения водорода при разложении водяного пара, благодаря чему удалось понизить давление и, следовательно, уменьшить производственные затраты, например за счет применения более дешевых центробежных компрессоров. В результате стоимость аммиака упала более чем вдвое, произошло колоссальное увеличение его производства, а в связи с этим – увеличение производства пищевых продуктов, поскольку аммиак – ценное удобрение.

Методы.

Исследования в области катализа проводят с использованием как традиционных, так и специальных методов. Применяются радиоактивные метки, рентгеновская, инфракрасная и рамановская (КР) спектроскопия, электронно-микроскопические методы; проводятся кинетические измерения, изучается влияние способов получения катализаторов на их активность. Большое значение имеет определение площади поверхности катализатора по методу Брунауэра – Эммета – Теллера (метод БЭТ), основанному на измерении физической адсорбции азота при разных давлениях. Для этого определяют количество азота, необходимого для образования монослоя на поверхности катализатора, и, зная диаметр молекулы N₂, вычисляют суммарную площадь. Помимо определения общей площади поверхности проводят хемосорбцию разных молекул, что позволяет оценить число активных центров и получить информацию об их свойствах.

В распоряжении исследователей имеются разные методы изучения структуры поверхности катализаторов на атомном уровне. Уникальную информацию позволяет получить метод EXAFS. Среди спектроскопических методов все шире применяются УФ-, рентгеновская и оже-фотоэлектронная спектроскопия. Большой интерес представляет масс-спектрометрия вторичных ионов и спектроскопия ионного рассеяния. Для исследования природы каталитических комплексов применяются измерения ЯМР. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов на поверхности катализатора.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Все более широкое применение находят катализаторы для нейтрализации веществ, загрязняющих окружающую среду. Возрастает роль катализаторов в производстве углеводородов и кислородсодержащих синтетических топлив из газа и угля. Весьма перспективным представляется создание топливных элементов для экономичного преобразования энергии топлива в электрическую энергию.

Новые концепции катализа позволят получать полимерные материалы и другие продукты, обладающие многими ценными свойствами, усовершенствовать методы получения энергии, увеличить производство пищевых продуктов, в частности путем синтеза белков из алканов и аммиака с помощью микроорганизмов. Возможно, удастся разработать генно-инженерные способы получения ферментов и металлоорганических соединений, приближающихся по своей каталитической активности и селективности к природным биологическим катализаторам.

Катализатор — все статьи и новости

Катализатор — вещество, которое способствует ускорению химической реакции, однако не входит в состав продуктов этих реакций. С помощью катализатора можно осуществлять быстрые реакции при небольших температурах. Процесс, при котором осуществляется ускорение химических реакций благодаря катализаторам, называется катализ. Этот термин ввел шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1835 году. Процесс, при котором катализатором выступает один из продуктов реакции или ее исходных веществ, называют автокатализом.

Катализаторы можно разделить на два типа: гетерогенные и гомогенные. Гомогенные катализаторы находятся в одной фазе с реагирующими веществами. В качестве гомогенных катализаторов используют кислоты и основания. Гетерогенные катализаторы образуют самостоятельную фазу, которая отделена границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. К гетерогенным катализаторам можно отнести металлы, а также их оксиды и сульфиды.

У всех живых существ метаболизм зависит от биологических катализаторов, которые называются энзимами. Это молекулы РНК или белковые молекулы, а также их комплексы, которые ускоряют процесс обмена веществ, что является жизненно необходимым для живых организмов.

На действии катализаторов основываются и многие промышленные процессы. Так, при производстве аммиака в качестве катализатора выступает железо. Катализаторы также широко используются при переработке нефти и создании новых материалов, например пластмассы.

Также катализатором называют деталь выхлопной системы в автомобилях, которая снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах. Благодаря такому катализатору происходит химическая реакция, в которой участвуют такие вредные вещества, как окись углерода (CO), углеводород и оксиды азота. В результате реакции образуются оксид углерода (CO₂) и азот (N₂), которые являются менее вредными.

Вещество, которое, наоборот, замедляет реакцию, называют ингибитором.

Фото: Bdyczewski/Pixabay

Быстрая реакция: Зачем нужны катализаторы

Заслуги катализаторов перед экологией не сводятся к перечисленным выше. Существует целая группа химических ускорителей, отвечающих непосредственно за чистоту воздуха (их называют каталитическими нейтрализаторами). Их задача — связывать угарный газ, оксиды азота и серы, а также недогоревшие органические соединения различной природы. Весь этот букет присутствует в выхлопных газах автомобилей и дымах промышленных предприятий. Каталитические нейтрализаторы превращают эти яды в менее токсичные вещества типа H ₂, умеренно вредный углекислый газ CO₂ и уж совсем нейтральную воду.

Оксид ванадия под микроскопическим увеличением

Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор стал чрезвычайно удачным образцом химического инжиниринга и ставится сейчас практически в каждый автомобиль. На пористом керамическом монолите, покрытом тонким слоем платины и родия, проходят трансформацию три главных загрязнителя: CO, NO и несгоревшие углеводороды. Реакции выглядят так:

СО + О

₂ = СО₂

С

_xH_y + O₂ = CO₂

NO + CO = N

₂ + CO₂.

Доля кислорода в этих процессах должна регулироваться, потому что его избыток может пойти на полное окисление угарного газа, и, как следствие, оксиды азота останутся в составе выхлопных газов. Уровень кислорода контролируется лямбда-зондом, который подаёт корректирующие сигналы двигателю о составе топливно-воздушной смеси. Оптимальным является соотношение воздуха и топлива в пропорции 14,7:1.

Рабочий диапазон каталитического нейтрализатора лежит в пределах от 3500 до 6500°С, что создаёт трудности при холодном запуске двигателя.

Нейтрализатор

Автомобильные нейтрализаторы впервые внедрили в массовое производство в США в 1975 году. Это стало одной из мер по борьбе с удушающими смогами, которые накрывали мегаполисы с их избытком автомобилей.

Непрогретый катализатор не выполняет защитную функцию, и в воздух попадают все три токсичных отхода: СO, NO и С _xH_y. Именно поэтому в некоторых странах (к примеру, скандинавских) запрещено прогревать мотор на холостых оборотах — только в движении. Так быстрее.

Промышленные выбросы, содержащие оксид серы SO ₂, стали причиной кислотных дождей во второй половине XX века. И тогда химики придумали с помощью расплава V₂O₅ каталитически окислять оксид серы (IV) до оксида серы (VI), а затем до жидкой серной кислоты.

Экологические последствия кислотных дождей

Многие промышленные предприятия стали попутно серную кислоту производить! Бороться с NО _x в дымовых трубах пришлось более сложными методами — добавляя восстановитель-аммиак и катализатор на основе оксидов титана и ванадия. Каталитическая реакция в полном виде:

4NH

₃ + 4NO + O₂ = 4N₂ + 6H₂O.

Каталитическая химия находится в зените славы — её достижения экономят гигантские ресурсы и помогают бережно относиться к природе. В то же время это одна из самых сложных и малоизученных областей химии, а значит, главные каталитические прорывы ещё впереди.

Таблетки с ускорением — Санкт-Петербургский государственный университет

Последние сто лет интенсивно развивалась область катализа, где в качестве катализаторов используются комплексы металлов. Металлокомплексный катализ сделал органический синтез дешевле, а химические процессы — экологичнее.

Михаил, для начала уточним, что такое катализ?

Катализ — это ускорение химических реакций под действием малого количества вещества (катализатора), которое само в ходе реакции не изменяется. Вы удивитесь, но возникновение и существование живой природы связано самым непосредственным образом с катализом. Это движущая сила природы.

В 2010 году ученые из США и Японии (Хек, Негиши и Сузуки) получили Нобелевскую премию как раз за металлокомплексный катализ — палладиевый катализ реакций кросс-сочетания. Можно сказать, что их открытия совершили революцию в химии и фармакологии?

Да, естественно. Во-первых, реакции кросс-сочетания упростили синтез сложных органических соединений. Если вам надо синтезировать сложное лекарство, то, применяя классические методы, требуется пройти несколько стадий. Если стадий, к примеру, пять, а результативность каждой — 90 %, то общая эффективность — всего 45 %. А палладиевый катализатор делает то же самое за одну стадию, и выход реакции достигает 90 %. Приведу аналогию с лестницей и лифтом. По лестнице надо преодолевать пролеты, двигаясь то вправо, то влево. На лифте — с первого этажа сразу на последний. Реакции кросс-сочетания — это и есть лифт.

Во-вторых, простота метода позволяет синтезировать больше веществ в единицу времени, а значит — открыть больше новых лекарств. Ведь как происходит их поиск? Основываясь на каких-то соображениях, химики синтезируют в лаборатории новые вещества. Но далеко не все из них оказываются биологически активными и полезными. Соответственно, чем меньше стадий, тем быстрее поиск новых препаратов.

Как ученые пришли к этому открытию?

Не совсем правильно говорить, что палладиевый катализ открыла эта троица. Реакции кросс-сочетания — это целое семейство реакций с участием арилгалогенида и еще одного реагента. Много классов соединений способны выступать в роли этого второго реагента в реакциях кросс-сочетания, но именно алкены (реакция Хека), соединения бора (реакция Сузуки) и соединения цинка (реакция Негиши) оказались наиболее востребованными в лабораторных синтезах и в фармпромышленности.

Российские химики тоже были среди тех, кто занимался этой темой. Группа академика РАН Ирины Петровны Белецкой использовала соединения олова. Результаты опубликовали на русском языке в журнале «Известия Академии наук» — по понятным причинам статью за рубежом прочитали поздно, поэтому широкого резонанса работа не вызвала.

Исследования реакций кросс-сочетания связаны с тремя волнами.

В начале XIX века ученые поняли, что малоактивные арилгалогениды можно использовать в реакциях конструирования углеродного скелета, то есть для создания новых связей углерод-углерод. Однако открытые тогда реакции приводили в основном к гомосочетанию: соединялись одинаковые фрагменты из одного и того же исходного вещества. Поэтому на первом этапе внимание исследователей было сосредоточено на выявлении того металла, который будет селективно приводить к соединению двух различных фрагментов разных веществ (кросс-сочетание). Изначально пробовали соединения никеля, но у палладиевых селективность оказалась выше. И исследования перешли с более дешевого никеля на более дорогой палладий.

Далее стали искать партнеров — легкодоступные вещества, которые могут быть вовлечены в перекрестное сочетание вместе с арилгалогенидами. В 2010 году Нобелевскую премию по химии вручили Ричарду Хеку, Акире Сузуки и Эйити Негиши «за применение реакций кросс-сочетания, катализируемых палладиевыми соединениями, в тонком органическом синтезе». Во всех трех реакциях, носящих теперь фамилии ученых, атомы углерода из разных фрагментов соединяются между собой с помощью комплекса палладия. Атом палладия является своеобразным посредником, сближающим атомы углерода достаточно близко друг к другу для того, чтобы между ними произошло химическое взаимодействие.

Третий этап — непрерывное совершенствование каждой открытой реакции кросс-сочетания путем дизайна новых палладиевых катализаторов и тонкой настройки их свойств. Сегодня исследовательская группа из СПбГУ занимается принципиально новым, четвертым этапом — работой сразу двух катализаторов, которые еще эффективнее всех предыдущих.

Какие типы катализаторов разработали на основе комплексов палладия?

Ключевых — три. Фосфиновые комплексы, где к палладию координирован атом фосфора, и диаминокарбеновые — к палладию координирован атом углерода, связанный с двумя атомами азота, — циклические и ациклические. Последние за счет структурной гибкости способны менять свой объем и, тем самым, подстраиваться под разные этапы каталитического цикла.

Предыдущие поколения катализаторов были слишком неудобны для использования. Для работы с ними требовались высокие температуры, ядовитые вспомогательные реагенты и токсичные растворители. Работая с современными типами катализаторов, мы используем безопасные вспомогательные реагенты (например, обычную соду) и растворители — воду и спирт. Переход от органических растворителей к воде делает наши системы настолько «дружелюбными», что они подходят для модификации биомолекул, синтеза протеинов и неприродных аминокислот.

Для каких известных лекарств важны палладиевые катализаторы?

Современные лекарства — это большие сложные органические молекулы, которые, попадая в организм, должны невредимыми доходить до пораженного участка и там уже действовать. Молекула собрана из различных блоков, как корпус крейсера, сваренный из металла: каждый элемент выполняет свою задачу. И если технология сборки больших кораблей перешла от метода «заклепок» к сварке больше столетия назад, то «сварка» отдельных молекул — процесс более сложный и тонкий — до сих пор находится в приоритете научных исследований.

Сейчас на долю катализируемых палладием реакций кросс-сочетания приходится четверть от всех реакций, используемых для создания фармпрепаратов. В их числе, например, «Валсартан» — в 2008–2010 годах самое назначаемое в мире средство для лечения артериальной гипертензии в мире.

Метод может работать везде, где нужны большие сложные органические молекулы, — например, в производстве светодиодов, дисплеев, оптоэлектроники.

Михаил Кинжалов на церемонии вручения свидетельств на право получения гранта президента РФ молодым ученым.

В 2016 году вас и вашу коллегу Светлану Каткову наградили Медалью РАН для молодых ученых. Расскажите подробнее о вашей работе.

По правилам, на соискание премии для молодых ученых подаются работы, выполненные в соавторстве со старшими коллегами. Большую часть работы я проделал в аспирантуре под руководством профессора Вадима Павловича Боярского. Результаты меня настолько вдохновили, что я продолжил двигаться в этом направлении в родном университете, тем более что фундаментальные исследования и преподавание меня всегда привлекали. Светлана — великолепный синтетик, она приехала в Петербург по программе постдоков СПбГУ и сразу влилась в работу.

Нам удалось понизить загрузку катализатора с типичных 1–5 % до 0,0001–0,01 %, то есть количество используемого палладиевого комплекса в разработанных системах стало близко к гомеопатическому. Что это значит? В теории катализатор не расходуется в ходе реакции и достаточно одной молекулы, которая будет проводить «сшивку» бесконечное число раз. Но в реальности молекулы катализаторов не бессмертны, и со временем реакции «портятся». Кроме того, если эта молекула работает медленно, то и ждать придется бесконечно долго. Поэтому используют ощутимое количество катализатора — 1–5 %, то есть одна молекула катализатора «сшивает» 20–100 молекул продукта.

Лиганды помогают атому палладия работать быстрее и оберегают от деструктивных процессов. Разные лиганды делают это с разным успехом: чем лучше они справляются со своей миссией, тем меньше катализатора необходимо, тем дешевле конечный продукт. Мы в этом отношении добились рекордно низкого количества катализатора.

Расскажите, пожалуйста, о вашей кафедре.

Кафедра физической органической химии примечательна двумя вещами: механизмы и металлы, в сокращении получается ММ, как название вашего журнала (смеется). Каждая из этих особенностей связана с конкретным человеком. Первый — это Алексей Евграфович Фаворский, который работал в университете в начале прошлого века. Раньше органик-синтетик придерживался единственного правила: «Греешь больше — выход больше». Алексей Евграфович внес в органическую химию стремление изучать ее механизм, чтобы тонко ею управлять. Именно для развития его идей и была создана наша кафедра — мы стремимся знать максимум о наших реакциях и детально изучаем их механизмы.

Второй — это нынешний заведующий кафедрой, Вадим Юрьевич Кукушкин, член-корреспондент РАН, сын академика Юрия Николаевича Кукушкина, всемирно известного специалиста по химии платиновых металлов. Страсть к механизмам и любовь к металлам — вот два ключевых фактора, которые вдохновляют нас синтезировать молекулы с полезными свойствами.

Вы продолжаете работу и уже сами руководите студентами?

Да. Сейчас в моей команде работает семь студентов и аспирантов, у каждого из них своя часть работы в общей теме. Например, недавно нам с Анжеликой Ереминой удалось синтезировать иридиевые катализаторы, позволяющие получать термоустойчивые (до 320 °С) силиконы. Благодаря иридию такой силикон светится зеленым в ультрафиолете, что позволяет определять толщину силиконового покрытия бесконтактно и сразу по всему изделию. Это тот редкий случай, когда катализатор, выполнив свою основную работу, продолжает нести полезную нагрузку.

Отрадно, что светлых голов хватает. Провал, который в 90-е годы образовался между поколениями, сейчас стирается, ученые молодеют — это уже люди 20–30 лет, и многие больше не уезжают, остаются работать здесь. Почему? Заграница дает шанс после учебы поехать работать в другие места, чтобы набраться опыта, побывать в разных лабораториях. Так можно путешествовать десять лет, по два года работая на одном месте. Но за это время у тебя не будет наработок по собственному исследованию. А без своего задела 30—40-летний ученый сейчас никому не нужен. Поэтому я остаюсь в России и работаю над своей темой.

Какие были трудности и препятствия в процессе исследований?

В университете хороший Научный парк, а это уже полдела в успешном исследовании. С другой стороны, научные трудности всегда добавляют азарта: чем сложнее поставленная задача, тем воодушевленнее ищется решение. Поэтому сложности в основном технические, например, общая у российских ученых проблема в том, что большая часть реактивов импортные и на их покупку может уйти много времени, вплоть до года.

Химику надо не меньше набить руку, чем повару, черпающему рецепты из поваренной книги.

Когда мы начали работать с иридием, это был 2014 год. Иридий мне достался в виде бруска металла. Растворять иридий научились несколько столетий назад, однако это один из самых сложных для растворения металлов. Два с половиной года мы не знали, как к этому бруску подойти.

Как звучит по классике растворение иридия? Одна из стадий — перевести иридий со степенью окисления 4 в иридий со степенью окисления 3. Для этого темно-коричневый раствор необходимо кипятить с оксалатом калия до тех пор, пока он не станет зеленым.

Как приличный химик, я собрал установку: колба, обратный холодильник (чтобы выпариваемая вода конденсировалась и возвращалась обратно), залил раствор. Кипячу. Час кипячу, два, три. Терпение кончается, ничего не меняется.

Благо, я нашел людей, которые уже это делали. Звоню, спрашиваю: кипячу, ничего не происходит. «А ты как кипятишь?» — «Колба, обратный холодильник…» — «Так нельзя: вода должна выкипать. Надо ее периодически подливать». Кипячу снова. Доливаю, кипячу, доливаю — ничего. Опять звоню. «А ты сколько кипятишь?» — «Два дня…» — «Ха! Надо два месяца».

Здоровому человеку такое на ум не придет. Ведь написано просто: «до изменения окраски».

Учитывая, что параллельно мы вели работу над палладием, работа с иридием растянулась еще и по этой причине. К счастью, были люди, которые методично бились над решением задачи, в частности, Анжелика сидела и растворяла иридий.

Отличная история. А было ли что-то еще?

В науке, как и везде, многое от психологии исследователя зависит. Шикарно, когда команда разношерстная, — тогда коллектив способен реализовать амбициозные проекты. Мне всегда больше нравился синтез, работа с веществами. А вот усидчивости мне не хватает. Девушки, как правило, наоборот: легко могут выполнить множество схожих экспериментов.

Например, как происходит оптимизация условий реакции? Необходимо последовательно варьировать один из параметров и наблюдать за изменениями. Для каждого катализатора это около ста схожих опытов, то есть 100 баночек, и надо в каждую отмерить на весах 5 мг одного вещества, 5 мг другого, третьего, добавить 1 мл растворителя, забить пробочкой, подписать, поставить в баню, вытащить, упарить, проанализировать результаты, записать в таблицу. Тут терпение — главный помощник. Я мог себя заставить этим заниматься только раз в три дня. А Светлане, наоборот, такое было по душе: она, напевая, взвешивала эти 100 баночек, составляла табличку, думая о своем, о девичьем, — у нее это занимало полдня, и дальше она была счастлива и свободна. Так что в таком сотрудничестве в результате мы и добились успеха.

Сейчас вы работаете над кооперативным катализом, причем с использованием солнечной энергии. Расскажите, это как?

Тренд развития синтетической химии понятен — стремление получать все более сложные молекулы из все более простых и доступных, при этом с минимальными затратами. Но еще более простые и доступные реагенты слишком инертны и даже в палладий-катализируемые реакции кросс-сочетания не вступают. Перевести их в активное состояние возможно при помощи локально направленной энергии. Например, солнечной энергии в виде света. Здесь требуются уже два катализатора в одной реакции: один — палладиевый, а другой — вещество, преобразующее энергию Солнца. Это и называется кооперативным катализом.

Но чтобы заставить энергию Солнца работать, надо ее сначала собрать. Мы используем для этого катализаторы на основе соединений иридия. Комплексы иридия активируются поглощением света и «сшибают» часть исходной органической молекулы так, чтобы она могла прикрепиться «срезанной» стороной к палладию. Собственно, сейчас мы и занимаемся поиском лигандов, которые могут менять свойства иридия, делая его способным поглощать энергию Солнца и затем ее отдавать.

Отслеживаете ли вы наработки иностранных коллег по этой теме? Какие успехи у них?

Реакции кросс-сочетания — горячая область химии. Множество научных групп по всему миру ищут новые комплексы палладия, чтобы проводить реакции кросс-сочетания с высокими выходами и в экологически безопасных условиях. Каждый год разрабатывают сотни новых катализаторов, и только единицы из них находят применение в промышленности — это связано с их низкой эффективностью и высокой стоимостью. Поэтому отслеживать работы коллег приходится регулярно, буквально каждую неделю. Бывает так, что над идеей, над которой работаем мы, трудится кто-то еще, и этот кто-то оказывается чуть проворнее нас. Тогда, конечно, немного обидно, но унывать нельзя — значит, мы на верном пути. Наши исследования на уровне, бывает и так, что мы опережаем иностранных коллег перед самым финишем.

Катализаторы, ингибиторы, катализ

При попытке поджечь сахар он будет плавиться и обугливатьсяПоложите на сахар горку пепла, который будет служить катализаторомС пеплом сахар загорится! Сахар горит, если на него посыпать пеплом! При отсутствии пепла (катализатора) — сахар только обугливаетсяОкисление спирта в присутствии медного катализатора

Вы когда-нибудь пробовали поджечь сахар? Казалось бы, сильно экзотермическая реакция С₁₂Н₂₂О₁₁+12О₂ →12СО₂+11Н₂О должна идти легко. Не тут-то было — при сильном нагреве сахар плавится, приобретает коричневую окраску и запах карамели, но не загорается. И всё же сжечь сахар можно. Для этого надо посыпать его табачным пеплом и внести в пламя — тогда сахар загорится. Такое же воздействие на эту реакцию оказывают и некоторые другие вещества, например соли лития или оксид хрома (III).

Химические реакции, которые «не желают» протекать сами по себе или идут с очень малой скоростью и требуют дополнительного «стимула» — присутствия веществ, которые в результате реакции остаются неизменными, — происходят повсеместно. Это, во-первых, абсолютно все химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток. Они протекают только в присутствии ферментов, а отсутствие в организме хотя бы одного из них нарушает обмен веществ и чревато тяжёлой болезнью или же просто несовместимо с жизнью.

Кроме того, к таким реакциям относится большинство крупнотоннажных процессов, используемых в химической промышленности. Получение серной кислоты, переработка нефти, синтез аммиака немыслимы без участия «посторонних веществ», называемых катализаторами. Как выглядел бы наш мир без катализаторов? Он был бы гораздо статичнее, ведь многие химические реакции просто не происходили бы. Впрочем, изучать химию всё равно было бы некому: жизнь в таком мире появиться не может.

Катализаторы позволяют проводить химические процессы при гораздо более мягких условиях. А кроме того, в присутствии катализаторов идут реакции, которые вообще невозможны без их участия ни в каких условиях.

При этом количество катализатора, необходимое для превращения огромной массы реагентов в продукты реакции, несоизмеримо мало. Одна молекула фермента катализирует разложение 5 млн. молекул сахара за 1 с!

Катализ и его секреты

Но в чём скрыта тайна веществ — катализаторов? Давайте разберёмся, почему сахар и другие органические вещества самопроизвольно не превращаются в углекислый газ и воду — гораздо более энергетически выгодные (говорят ещё «термодинамически устойчивые») соединения. Разве это не удивительно? Ведь если положить, скажем, шарик на вершину горки, он тут же займёт более энергетически выгодное положение — скатится вниз. Если же его оградить барьером, он скатиться не сможет. Чтобы оказаться внизу и тем самым уменьшить свою потенциальную энергию, шарику нужно преодолеть барьер, а для этого ему нужно подвести дополнительную энергию.

Все существующие химические вещества, даже весьма термодинамически неустойчивые, окружены на своих энергетических «вершинах» подобными барьерами. Порой энергия, необходимая для их преодоления, сравнима с кинетической энергией теплового движения молекул. Тогда достаточно простого смешения реагентов — и реакция происходит при комнатной температуре. Нагревая реакционную смесь, можно преодолеть барьер чуть повыше. Но иногда он слишком высок, и в этом случае придётся или искать способы доставки необходимой энергии молекулам реагентов, или попытаться обойти энергетический барьер.

Как это сделать? Оказывается, катализатор может, подобно опытному проводнику, хорошо знающему местность, повести реакцию по совершенно иному пути. При этом её механизм претерпевает сильные изменения. Существует масса способов обойти энергетическую «гору». Каждый катализатор, работающий в конкретной реакции, выбирает для процесса свой путь. При этом новый маршрут может быть гораздо длиннее изначального: число промежуточных стадий и продуктов реакции иногда возрастает в несколько раз. Но зато количество энергии, требуемое на каждой стадии, оказывается существенно меньше, чем в отсутствие «проводника». В итоге, пройдя более длинный путь при помощи катализатора, реакция даёт желаемый результат значительно быстрее.

Однако «постороннее вещество» может воздействовать на ход реакции и противоположным образом: привести её к труднопреодолимому энергетическому барьеру. Тогда процесс замедляется. Такой «отрицательный» катализ называется ингибированием (от лат. inhibeo — «останавливаю», «сдерживаю»), а «катализаторы, действующие наоборот» — ингибиторами.

Зачем нужно замедлять скорость реакции? Существуют процессы, которые необходимы человеку, а также существуют такие процессы, проведение которых может пагубно сказаться как на человека, так и на предметах его обихода и окружающей среде. например появление ржавчины — коррозия металлов, гниение продуктов питания. Такими реакциями могут быть взрывы различных химических веществ, которые чувствительны к движению или сотрясению. Нужно учитывать, что химические реакции, в результате которых образуется лишь одно вещество — достаточно редкие. В основном при реакциях образуется более одного вещества. Особенно ярко такое явление наблюдается в органической химии.

В организмах живых существ и множестве других процессах, протекающих в нашей среде обитания часто необходимо, чтобы в процессе реакции получалось только одно нужное нам вещество или продукт реакции. Именно в этом случае применяется катализ. Грамотный подбор катализатора позволяет проводить химические процессы только в нужном для нас направлении и с получением требуемого нам вещества, при этом исключая выход других побочных эффектов реакции.

В нашем организме имеются ферменты — катализаторы, которые работают точно таким же образом. Именно по аналогии с ферментами наука приобрела возможность получения каталитических реакции.
Несмотря на аналогию и полученные знания, тайны катализа остаются полностью не раскрытыми.

Виды катализаторов

Что использовать в качестве катализатора!?

Какие виды катализаторов бывают?! В их качестве могут выступать самые разнообразные вещества: газы, ионы и различные комплексы; металлы и оксиды; простые органические соединения и сложнейшие природные и синтетические полимеры; даже… обычные вода, песок, глина!
Но самым важным фактором является агрегатное состояние катализатора и вступающих во взаимодействие веществ.

Когда катализатор, реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе (например, жидкость, газ), где нет границ раздела, реагентам гораздо проще вступить в контакт с катализатором. При этом катализатор находится в виде молекул или ионов. Такой катализ называют гомогенным (от греч. «гомогенес» — «однородный»). В случае гетерогенного катализа (от греч. «гетерогенес» — «разнородный»), особенно если катализатор — твёрдое тело, на ход реакции воздействует не отдельная его молекула, а целый участок поверхности и подповерхностных слоёв. Это взаимодействие реагентов сразу со многими атомами или молекулами катализатора, к тому же выстроенными определённым образом, усиливает каталитическое влияние. Реакции между твёрдыми веществами всегда гетерогенны.

Гомогенный катализ и гетерогенный катализ существенно различаются по своему механизму. Вероятно, с этим связана тенденция теорий катализа к «однобокости» — преимущественному объяснению либо гомогенного, либо гетерогенного катализа.

С помощью катализаторов в мире ежегодно производятся миллиарды тонн химической продукции. Около 90 % промышленных химических процессов — каталитические процессы.

Раньше всего, в начале XIX в., обнаружили каталитические свойства благородных металлов: платины, палладия и др. До сих пор эти металлы применяются, например, в катализаторах дожигания выхлопных газов автомобилей (они переводят ядовитый угарный газ СO, образующийся при неполном окислении топлива, в углекислый газ СО₂.,), при окислении аммиака NH₃, в других процессах. Конечно, учёные работают над заменой дорогих металлов более дешёвыми.
Из гомогенных каталитических реакций наиболее известны катализ кислотами и основаниями, а также солями и комплексами металлов. Самый простой кислотный катализатор — ион водорода. Он одновременно и самый маленький. В числе первых изученных каталитических реакций был гидролиз крахмала («разваливание» его на молекулы сахаров) в кислой среде. Сейчас кислотный катализ очень распространён в органической химии: ионы водорода хорошо ускоряют различные реакции спиртов, альдегидов, жирных кислот и других веществ.

Однако технологи на химических производствах больше любят гетерогенный катализ. Скажем, реакция идёт в газовой фазе, а катализатор твёрдый (пористое железо в синтезе аммиака). Так как катализатор находится в другой фазе, продукты реакции легко от него отделить. Примечательно, что тот же кислотно-основной катализ можно сделать гетерогенным: различные алюмосиликаты и оксиды металлов в зависимости от вида их обработки и состава проявляют свойства кислоты или основания

Катализатор

| Примеры, определение и факты

Катализатор , в химии, любое вещество, которое увеличивает скорость реакции, но само не потребляется. Ферменты — это природные катализаторы, ответственные за многие важные биохимические реакции.

Полимеризация этилена по Циглеру-Натта

Полимеризация этилена по Циглеру-Натта Газообразный этилен перекачивается под давлением в реакционный сосуд, где он полимеризуется под действием катализатора Циглера-Натта в присутствии растворителя.Суспензия полиэтилена, непрореагировавшего мономера этилена, катализатора и растворителя выходит из реактора. Непрореагировавший этилен отделяется и возвращается в реактор, в то время как катализатор нейтрализуют промывкой спиртом и отфильтровывают. Избыток растворителя извлекается из бани с горячей водой и рециркулируется, а сушилка обезвоживает влажный полиэтилен до его окончательной порошкообразной формы.

Британская энциклопедия, Inc.

Британская викторина

Типы химических реакций

Можете ли вы определить, какой тип химической реакции показан? Проверьте свои знания с помощью этой викторины!

Большинство твердых катализаторов представляют собой металлы или оксиды, сульфиды и галогениды металлических элементов и полуметаллических элементов — бора, алюминия и кремния.Газообразные и жидкие катализаторы обычно используются в чистом виде или в сочетании с подходящими носителями или растворителями; твердые катализаторы обычно диспергированы в других веществах, известных как носители катализаторов.

В общем, каталитическое действие — это химическая реакция между катализатором и реагентом, с образованием химических промежуточных продуктов, которые могут более легко реагировать друг с другом или с другим реагентом с образованием желаемого конечного продукта. Во время реакции между химическими промежуточными продуктами и реагентами катализатор регенерируется.Способы реакций между катализаторами и реагентами широко варьируются, и в твердых катализаторах часто бывают сложными. Типичными из этих реакций являются кислотно-основные реакции, реакции окисления-восстановления, образование координационных комплексов и образование свободных радикалов. В случае твердых катализаторов на механизм реакции сильно влияют свойства поверхности, электронная или кристаллическая структура. Некоторые твердые катализаторы, называемые полифункциональными катализаторами, способны взаимодействовать с реагентами более чем в одном режиме; бифункциональные катализаторы широко используются для реакций риформинга в нефтяной промышленности.

Катализируемые реакции составляют основу многих промышленных химических процессов. Производство катализаторов само по себе является быстрорастущим промышленным процессом.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас Катализатор

Каталитические процессы и их катализаторы

процесс
синтез аммиака	утюг
производство серной кислоты	оксид азота (II), платина
крекинг нефти	цеолиты
гидрирование непредельных углеводородов	никель, платина или палладий
окисление углеводородов в автомобильных выхлопах	оксид меди (II), оксид ванадия (V), платина, палладий
Изомеризация н-бутана в изобутан	хлорид алюминия, хлористый водород

14.7. Катализ — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

• Чтобы понять, как катализаторы увеличивают скорость реакции и селективность химических реакций.

Катализаторы — это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе. Катализатор, следовательно, не входит в общую стехиометрию реакции, которую он катализирует, но он должен появляться по крайней мере в одной из элементарных реакций в механизме катализированной реакции.Катализированный путь имеет более низкое значение E _a , но чистое изменение энергии, возникающее в результате реакции (разница между энергией реагентов и энергией продуктов), не зависит от присутствия катализатора ( Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Тем не менее, из-за более низкого значения E , _и скорость реакции катализированной реакции выше, чем скорость реакции некаталитической реакции при той же температуре. Поскольку катализатор уменьшает высоту энергетического барьера, его присутствие увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции на одинаковую величину.В этом разделе мы рассмотрим три основных класса катализаторов: гетерогенные катализаторы, гомогенные катализаторы и ферменты.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Снижение энергии активации реакции катализатором. На этом графике сравниваются диаграммы потенциальной энергии для одностадийной реакции в присутствии и в отсутствие катализатора. Единственный эффект катализатора — снижение энергии активации реакции. Катализатор не влияет на энергию реагентов или продуктов (и, следовательно, не влияет на ΔE).(CC BY-NC-SA; анонимно)

Катализатор влияет на E _a , а не на Δ E .

Гетерогенный катализ

В гетерогенном катализе катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов. По крайней мере, один из реагентов взаимодействует с твердой поверхностью в физическом процессе, называемом адсорбцией, таким образом, что химическая связь в реагенте становится слабой, а затем разрывается. Яды — это вещества, которые необратимо связываются с катализаторами, предотвращая адсорбцию реагентов и, таким образом, снижая или разрушая эффективность катализатора.

Примером гетерогенного катализа является взаимодействие газообразного водорода с поверхностью металла, такого как Ni, Pd или Pt. Как показано в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), водородно-водородные связи разрываются и образуют отдельные адсорбированные атомы водорода на поверхности металла. Поскольку адсорбированные атомы могут перемещаться по поверхности, два атома водорода могут сталкиваться и образовывать молекулу газообразного водорода, которая затем может покинуть поверхность в обратном процессе, называемом десорбцией.Адсорбированные атомы H на поверхности металла значительно более активны, чем молекула водорода. Поскольку относительно прочная связь H – H (энергия диссоциации = 432 кДж / моль) уже разорвана, энергетический барьер для большинства реакций H ₂ на поверхности катализатора существенно ниже.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе. Когда молекула водорода адсорбируется на поверхности катализатора, связь H – H разрывается, и образуются новые связи M – H. Отдельные атомы H более реакционноспособны, чем газообразный H ₂ .Когда молекула этилена взаимодействует с поверхностью катализатора, она вступает в реакцию с атомами H в ступенчатом процессе с образованием этана, который высвобождается. (CC BY-NC-SA; анонимно)

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан процесс, называемый гидрогенизацией , в котором атомы водорода добавляются к двойной связи алкена, такого как этилен, для получения продукт, содержащий одинарные связи C – C, в данном случае этан. Гидрирование используется в пищевой промышленности для преобразования растительных масел, состоящих из длинных цепочек алкенов, в более коммерчески ценные твердые производные, содержащие алкильные цепи.Гидрирование некоторых двойных связей в полиненасыщенных растительных маслах, например, дает маргарин, продукт с температурой плавления, текстурой и другими физическими свойствами, аналогичными свойствам сливочного масла.

Несколько важных примеров промышленных гетерогенных каталитических реакций приведены в Таблице \ (\ PageIndex {1} \). Хотя механизмы этих реакций значительно сложнее описанной здесь простой реакции гидрирования, все они включают адсорбцию реагентов на твердой каталитической поверхности, химическую реакцию адсорбированных частиц (иногда через ряд промежуточных частиц) и, наконец, десорбцию. изделий с поверхности.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гетерогенные катализаторы.

Коммерческий процесс	Катализатор	Начальная реакция	Конечный коммерческий продукт
контактный процесс	V 2 O 5 или Pt	2SO 2 + O 2 → 2SO 3	H 2 SO 4
Процесс Хабера	Fe, K 2 O, Al 2 O 3	N 2 + 3H 2 → 2NH 3	NH 3
Оствальдский процесс	Pt и Rh	4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O	HNO 3
реакция конверсии вода-газ	Fe, Cr 2 O 3 или Cu	CO + H 2 O → CO 2 + H 2	H 2 для NH 3 , CH 3 OH и других видов топлива
паровой риформинг	Ni	CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2	H 2
синтез метанола	ZnO и Cr 2 O 3	CO + 2H 2 → CH 3 OH	СН 3 ОН
Процесс Sohio	фосфомолибдат висмута	\ (\ mathrm {CH} _2 \ textrm {= CHCH} _3 + \ mathrm {NH_3} + \ mathrm {\ frac {3} {2} O_2} \ rightarrow \ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN} + \ mathrm {3H_2O} \)	\ (\ underset {\ textrm {акрилонитрил}} {\ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN}} \)
каталитическое гидрирование	Ni, Pd или Pt	RCH = CHR ′ + h3 → RCH 2 —CH 2 R ′	частично гидрогенизированные масла для маргарина и т. Д.

Гомогенный катализ

В гомогенном катализе катализатор находится в той же фазе, что и реагент (ы).Число столкновений между реагентами и катализатором максимально, поскольку катализатор равномерно диспергирован по всей реакционной смеси. Многие гомогенные катализаторы в промышленности представляют собой соединения переходных металлов (Таблица \ (\ PageIndex {2} \)), но извлечение этих дорогостоящих катализаторов из раствора было серьезной проблемой. В качестве дополнительного барьера к их широкому коммерческому использованию многие гомогенные катализаторы можно использовать только при относительно низких температурах, и даже в этом случае они имеют тенденцию медленно разлагаться в растворе.Несмотря на эти проблемы, в последние годы был разработан ряд коммерчески жизнеспособных процессов. Полиэтилен высокой плотности и полипропилен производятся методом гомогенного катализа.

Таблица \ (\ PageIndex {2} \): Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гомогенные катализаторы.

Коммерческий процесс	Катализатор	Реагенты	Конечный продукт
Юнион Карбайд	[Rh (CO) 2 I 2 ] —	CO + CH 3 OH	CH 3 CO 2 H
гидропероксидный процесс	Комплексы Mo (VI)	CH 3 CH = CH 2 + R – O – O – H
гидроформилирование	Rh / PR 3 комплексов	RCH = CH 2 + CO + H 2	RCH 2 CH 2 CHO
адипонитрил процесс	Ni / PR 3 комплексов	2HCN + CH 2 = CHCH = CH 2	NCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CN, используемый для синтеза нейлона
полимеризация олефинов	(RC 5 H 5 ) 2 ZrCl 2	CH 2 = CH 2	— (CH 2 CH 2 -) n : полиэтилен высокой плотности

Ферменты

Ферменты, катализаторы, встречающиеся в природе в живых организмах, представляют собой почти все белковые молекулы с типичной молекулярной массой 20 000–100 000 а.е.м.Некоторые из них представляют собой гомогенные катализаторы, которые вступают в реакцию в водном растворе в клеточном отделении организма. Другие представляют собой гетерогенные катализаторы, встроенные в мембраны, которые отделяют клетки и клеточные компартменты от их окружения. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом .

Поскольку ферменты могут увеличивать скорость реакции в огромных количествах (до 10 ¹⁷ раз по сравнению с некатализируемой скоростью) и имеют тенденцию быть очень специфичными, обычно производя только один продукт с количественным выходом, они являются центром активных исследований.В то же время ферменты обычно дороги в получении, они часто перестают функционировать при температурах выше 37 ° C, имеют ограниченную стабильность в растворе и обладают такой высокой специфичностью, что ограничиваются превращением одного конкретного набора реагентов в один конкретный продукт. . Это означает, что для химически подобных реакций необходимо разрабатывать отдельные процессы с использованием разных ферментов, что отнимает много времени и является дорогостоящим. К настоящему времени ферменты нашли лишь ограниченное промышленное применение, хотя они используются в качестве ингредиентов в моющих средствах для стирки, средствах для чистки контактных линз и размягчителях мяса.Ферменты в этих приложениях, как правило, представляют собой протеазы, которые способны расщеплять амидные связи, удерживающие вместе аминокислоты в белках. Например, размягчители мяса содержат протеазу под названием папаин, которую выделяют из сока папайи. Он расщепляет некоторые длинные волокнистые молекулы белка, которые делают недорогие нарезы говядины жесткими, в результате чего получается более нежный кусок мяса. Некоторые насекомые, такие как жук-бомбадир, несут фермент, способный катализировать разложение перекиси водорода до воды (рис. \ (\ PageIndex {3} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): механизм каталитической защиты. Обжигающий спрей с неприятным запахом, излучаемый этим жуком-бомбардиром, образуется в результате каталитического разложения \ (\ ce {h3O2} \).

Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами, путем связывания с определенной частью фермента и, таким образом, замедления или предотвращения реакции. Поэтому необратимые ингибиторы являются эквивалентом ядов в гетерогенном катализе. Одним из старейших и наиболее широко используемых коммерческих ингибиторов ферментов является аспирин, который избирательно подавляет один из ферментов, участвующих в синтезе молекул, вызывающих воспаление.Создание и синтез родственных молекул, более эффективных, более селективных и менее токсичных, чем аспирин, являются важными задачами биомедицинских исследований.

Сводка

Катализаторы участвуют в химической реакции и увеличивают ее скорость. Они не входят в общее уравнение реакции и не расходуются во время реакции. Катализаторы позволяют реакции протекать по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем некаталитическая реакция. При гетерогенном катализе катализаторы обеспечивают поверхность, с которой реагенты связываются в процессе адсорбции.При гомогенном катализе катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты. Ферменты — это биологические катализаторы, которые приводят к значительному увеличению скорости реакции и имеют тенденцию быть специфичными для определенных реагентов и продуктов. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом. Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами.

Определение катализатора — Химический словарь

Что такое катализатор?

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции; следовательно, катализатор может быть восстановлен химически без изменений в конце реакции, которую он использовал для ускорения, или катализатор , катализирующий .

Обсуждение

Чтобы химические вещества вступили в реакцию, их связи должны быть перегруппированы, потому что связи в продуктах отличаются от связей в реагентах. Самый медленный шаг в перегруппировке связи приводит к так называемому переходному состоянию. — химическое соединение, которое не является ни реагентом, ни продуктом, но является промежуточным звеном между ними.

Реагент ⇄ Переходное состояние ⇄ Продукт

Для формирования переходного состояния требуется энергия. Эта энергия называется энергией активации или E _a .Чтение приведенной ниже диаграммы слева направо показывает прогресс реакции, когда реагенты проходят через переходное состояние, чтобы стать продуктами.

Преодолевая барьер

Энергию активации можно рассматривать как барьер для химической реакции, препятствие, которое необходимо преодолеть. Если барьер высокий, немногие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы столкнуться, сформировать переходное состояние и пересечь барьер. Реагенты с энергией ниже E _a не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции, с более низким E _— . Катализаторы снижают энергетический барьер. Другой путь позволяет упростить перегруппировку связей, необходимую для превращения реагентов в продукты, с меньшими затратами энергии. В любой заданный интервал времени присутствие катализатора позволяет большей части реагентов набрать достаточно энергии, чтобы пройти через переходное состояние и стать продуктами.

Пример 1. Процесс Габера
Процесс Габера, который используется для получения аммиака из водорода и азота, катализируется железом, которое обеспечивает атомные центры, на которых связи реагентов могут легче перестраиваться с образованием переходного состояния.

N _{2 (газ)} + 3H _{2 (газ)} ⇌ 2NH _{3 (газ)}

Пример 2: Ферменты
В нашем организме и в других живых существах ферменты используются для ускорения биохимических реакций. Фермент — это разновидность катализатора. Сложная жизнь была бы невозможна без ферментов, позволяющих реакции протекать с подходящей скоростью. Формы ферментов вместе с местами на ферменте, которые связываются с реагентами, обеспечивают альтернативный путь реакции, позволяя конкретным молекулам объединяться, чтобы сформировать переходное состояние с пониженным энергетическим барьером активации.

На схеме ниже длинноцепочечный фермент обеспечивает места для молекул реагентов, которые собираются вместе, чтобы сформировать переходное состояние с низкой энергией активации.

Катализаторы не могут изменить положение химического равновесия — прямая и обратная реакции ускоряются, так что константа равновесия K _eq остается неизменной. Однако за счет удаления продуктов из реакционной смеси по мере их образования общая скорость образования продукта может быть увеличена на практике.

Объяснитель: Что такое катализатор?

энергия активации (в химии) Минимальная энергия, необходимая для того, чтобы произошла конкретная химическая реакция.

атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

связь (в химии) Полупостоянное соединение между атомами — или группами атомов — в молекуле.Он образован силой притяжения между участвующими атомами. После соединения атомы будут работать как единое целое. Чтобы разделить составляющие атомы, молекуле необходимо подвести энергию в виде тепла или другого типа излучения.

углерод Химический элемент с атомным номером 6. Он является физической основой всего живого на Земле. Углерод существует в свободном виде в виде графита и алмаза. Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна к самосвязыванию химически, образуя огромное количество химически, биологически и коммерчески важных молекул.

катализатор Вещество, которое помогает химической реакции протекать быстрее. Примеры включают ферменты и элементы, такие как платина и иридий.

каталитический нейтрализатор Устройство из керамических структур сотовой формы, которое устанавливается на выхлопную трубу транспортного средства. Проходя через него выхлопные газы, они сталкиваются с двумя разными типами катализаторов, каждый из которых может вызвать различный тип химической реакции. Один или несколько металлов, обычно платина, родий, палладий, а иногда даже золото, покрывают внутреннюю часть системы.Все стенки сотовой структуры устройства значительно увеличивают площадь покрытых катализатором поверхностей, которые теперь могут вступать в реакцию с выхлопными газами. Когда газы из двигателя попадают на эти покрытые металлом поверхности, они разрушают загрязняющие вещества, превращая их в менее вредные материалы. Датчик в преобразователе также измеряет количество кислорода в выхлопных газах. Если он находит слишком много, он приказывает компьютеру отрегулировать соотношение воздух-топливо в двигателе, чтобы он горел более чисто.

химический Вещество, образованное двумя или более атомами, которые объединяются (становятся связанными вместе) в фиксированной пропорции и структуре.Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H ₂ O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

химические связи Силы притяжения между атомами, достаточно сильные, чтобы связанные элементы функционировали как единое целое. Некоторые силы притяжения слабые, некоторые очень сильные.Кажется, что все связи связывают атомы посредством совместного использования или попытки совместного использования электронов.

химическая реакция Процесс, который включает перегруппировку молекул или структуры вещества в противоположность изменению физической формы (например, от твердого тела к газу).

электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

двигатель Машина, предназначенная для преобразования энергии в полезное механическое движение.Иногда двигатель называют мотором.

ферменты Молекулы, производимые живыми существами для ускорения химических реакций.

выхлоп (в машиностроении) Газы и мелкие частицы, выбрасываемые — часто с высокой скоростью и / или давлением — в результате сгорания (горения) или нагревания воздуха. Выхлопные газы обычно представляют собой отходы.

топливный элемент Устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую.Наиболее распространенным топливом является водород, который в качестве побочного продукта выделяет только водяной пар.

генетический Имеет отношение к хромосомам, ДНК и генам, содержащимся в ДНК. Область науки, имеющая дело с этими биологическими инструкциями, известна как генетика. Люди, работающие в этой области, — генетики.

водород Самый легкий элемент во Вселенной. Как газ, он бесцветен, не имеет запаха и легко воспламеняется. Это неотъемлемая часть многих видов топлива, жиров и химикатов, из которых состоят живые ткани.

иридий Обнаруженный в 1803 году, его название происходит от латинского слова «радуга». Это твердый, хрупкий и устойчивый к коррозии металл из семейства платиновых. Немного желтоватый, этот элемент в основном используется в качестве отвердителя для платины. Действительно, его температура плавления составляет более 2400 ° по Цельсию (4350 ° по Фаренгейту). Атомный номер элемента 77.

производство Изготовление вещей, обычно в больших масштабах.

металл Что-то, что хорошо проводит электричество, имеет тенденцию быть блестящим (отражающим) и податливым (что означает, что его можно изменить с помощью тепла, а не слишком большой силы или давления).

молекула Электрически нейтральная группа атомов, представляющая минимально возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из атомов одного или разных типов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O ₂ ), а вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H ₂ O).

питательное вещество Витамин, минерал, жир, углевод или белок, который растению, животному или другому организму требуется как часть его пищи для выживания.

кислород Газ, составляющий около 21 процента атмосферы. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для поддержания своего метаболизма.

палладий Мягкий, пластичный, стально-белый, устойчивый к потускнению металлический элемент, встречающийся в естественных условиях с платиной, особенно в золотых, никелевых и медных рудах.

нефть Густая легковоспламеняющаяся жидкая смесь углеводородов. Нефть — это ископаемое топливо, которое в основном находится под поверхностью Земли.Это источник химикатов, используемых для производства бензина, смазочных масел, пластмасс и многих других продуктов.

пластик Любой из ряда легко деформируемых материалов; или синтетические материалы, которые были изготовлены из полимеров (длинных цепочек некоторых строительных блоков), которые имеют тенденцию быть легкими, недорогими и устойчивыми к разложению.

платина Природный серебристо-белый металлический элемент, который остается стабильным (не корродирует) на воздухе.Он используется в ювелирных изделиях, электронике, химической обработке и некоторых зубных коронках.

загрязнитель Вещество, которое портит что-либо — например, воздух, воду, наши тела или продукты. Некоторые загрязнители представляют собой химические вещества, например пестициды. Другие могут быть излучением, включая избыточное тепло или свет. Даже сорняки и другие инвазивные виды могут считаться типом биологического загрязнения.

Катализатор

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но не расходуется в ходе реакции.Катализатор появится на стадиях механизма реакции, но не появится в общей химической реакции (поскольку он не является реагентом или продуктом). Как правило, катализаторы существенно изменяют механизм реакции, так что новые барьеры вдоль координаты реакции значительно ниже. При понижении энергии активации константа скорости значительно увеличивается (при той же температуре) по сравнению с некаталитической реакцией.

В мире существует множество типов катализаторов.Многие реакции катализируются на поверхности металлов. В биохимии огромное количество реакций катализируется ферментами. Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами , а катализаторы в разных фазах называются гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.

Еще одна важная идея о катализаторах — их избирательность. То есть катализатор не просто ускоряет все реакции, а только очень конкретную реакцию. Это ключ ко многим химическим превращениям. Когда вы хотите произвести только определенное химическое изменение, вы ищете катализатор, который ускорит эту конкретную реакцию, но не ускорит другие. В этом отношении замечательны ферменты.Живые биологические системы требуют множества специфических химических превращений, и каждый из них катализирует уникальный фермент.

---

Типы катализаторов

Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами, а катализаторы в разных фазах — гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.

---

Влияние катализаторов

Эффект катализатора заключается в том, что он снижает энергию активации реакции.

Обычно это происходит потому, что катализатор изменяет способ протекания реакции (механизм). Мы можем визуализировать это для простой координаты реакции следующим образом.

В более общем смысле катализируемая реакция может иметь ряд новых барьеров и промежуточных продуктов.Однако самый высокий барьер теперь будет значительно ниже, чем предыдущий самый большой барьер. Например, ниже приведен пример пути реакции, который показывает катализированную и некаталитическую реакцию. Путь с катализатором теперь состоит из двух ступеней и промежуточных частиц. Однако барьеры для обеих стадий намного ниже, чем в некаталитической реакции.

---

Как работают катализаторы?

Многие катализаторы работают одинаково. Они дают возможность молекулам реагента разорвать связи и затем образовать временные связи с катализатором.Это означает, что катализатор должен быть в некоторой степени реактивным, но не слишком реактивным (поскольку мы не хотим, чтобы эти связи были постоянными). Например, металлическая Pt служит катализатором многих реакций с участием газообразного водорода или газообразного кислорода. + (водн.) \; + \; O_2 (g)} & {\ rm Шаг \; 2} \\ {\ rm Mn (OH) _2 (aq) \; + \; H_2O_2 (l)} \; & \правая стрелка & \; {\ rm MnO_2 (s) \; + 2H_2O (l)} & {\ rm Шаг \; 3} \ end {array} \]

Таким образом, в чистой реакции нет изменений в MnO _2. Однако во время реакции он превращается в Mn ²⁺ , а также в Mn (OH) ₂ . Катализатор может быть идентифицирован таким образом в механизме реакции, поскольку он сначала появляется в «реагентах», но затем подвергается риформингу. позже в реакции.

Катализаторы также могут функционировать, «удерживая» молекулы в определенных конфигурациях, одновременно ослабляя некоторые конкретные связи. Это позволяет катализатору существенно «помогать» химическим процессам, располагая реакции в благоприятных геометрических формах, а также ослабляя связи, которые необходимо разорвать по координате реакции.

---

Ферменты

Ферменты — биологические катализаторы. Это белки, которые складываются в определенные конформации, чтобы ускорить определенные химические реакции. Для биохимических реакций реагент обычно называют субстратом. Субстрат превращается в продукт. Механизмы многих ферментов очень похожи. Субстрат (ы) и фермент связываются в комплекс. Физическое местоположение на ферменте, в котором связывается субстрат, называется «активным центром».После связывания этот комплекс может ослабить определенные связи в субстрате, так что химический процесс образует продукт. Продукт слабо связан с субстратом, так что теперь он диссоциирует, и фермент может свободно связываться с другой молекулой субстрата.

Активные центры ферментов могут быть очень специфичными, так что фермент будет катализировать только очень специфическую реакцию для очень специфической молекулы. Обычно существует равновесие между связанным комплексом и свободным субстратом и ферментом, так что связывание может быть обратимым.Напротив, как только продукт образуется, обратная реакция обычно никогда не происходит.

Субстрат + фермент ↔ Комплекс → Продукт.

Активность многих ферментов может быть заблокирована молекулами, имитирующими субстрат, но не участвующими в химии. Эти молекулы затем эффективно «выключают» фермент, блокируя активный сайт и предотвращая связывание субстрата. Так действуют многие фармацевтические препараты. Такие молекулы обычно называют ингибиторами, поскольку они подавляют активность фермента.

Примеры катализаторов

Иногда химикаты нуждаются в небольшом поощрении, чтобы они могли прореагировать. Термин «катализатор» указывает на вещество, которое начинает, ускоряет или облегчает химическую реакцию. Похоже, вы найдете катализаторы только в химической лаборатории, но вы можете быть удивлены, обнаружив примеры катализаторов в своей повседневной жизни! Продолжайте читать, чтобы узнать, что такое катализатор, и увидеть примеры химических катализаторов, а также примеры катализаторов в нехимическом контексте.

Примеры химических катализаторов

Химический катализатор — это вещество, которое вызывает химическую реакцию иначе, чем это произошло бы без этого катализатора.Например, катализатор может вызвать реакцию между реагентами, происходящую с большей скоростью или при более низкой температуре, чем это было бы возможно без катализатора. Существует два основных типа катализаторов: неорганические катализаторы , и органические катализаторы .

Примеры неорганических катализаторов

Неорганические катализаторы — это соединения, не встречающиеся в биологических процессах. Они включают элементарные металлы и другие неорганические вещества. Эти катализаторы ускоряют химические реакции, но не изменяют их структуру в процессе.Примеры неорганических катализаторов в химических реакциях включают:

• перманганат калия — Пероксид водорода разлагается на воду и газообразный кислород. Две молекулы перекиси водорода образуют две молекулы воды и одну молекулу кислорода. Для ускорения этого процесса можно использовать катализатор перманганат калия. Добавление перманганата калия к перекиси водорода вызовет реакцию с выделением большого количества тепла, и водяной пар выйдет наружу.

• платина — Каталитический нейтрализатор в автомобиле содержит платину, которая служит катализатором для превращения токсичного окиси углерода в двуокись углерода.

• палладий — Если вы зажжете спичку в комнате с газообразным водородом и газообразным кислородом, произойдет взрыв, и большая часть водорода и кислорода объединятся, образуя молекулы воды.
  
• железо — При производстве аммиака железо является полезным катализатором. Эта реакция, известная как процесс Габера, превращает азот и водород в аммиак. Железо ускоряет разрыв азотных связей, делая его более реактивным.

• оксид ванадия — Серной кислоте требуется, чтобы диоксид серы превратился в триоксид серы.Когда вы пропускаете диоксид серы над оксидом ванадия, он окисляется, то есть добавляет молекулу кислорода — диоксид серы в триоксид серы.

Примеры органических катализаторов

Органические катализаторы известны как «органокатализаторы». Они состоят из неметаллических элементов, таких как углерод, водород и сера. Биокатализаторы, такие как белки и ферменты, представляют собой еще один тип органических катализаторов, участвующих в биохимических процессах. Подобно неорганическим катализаторам, они все еще существуют в своей первоначальной форме после завершения реакции.

• пролин — Пролин — это встречающаяся в природе аминокислота, которая также может быть биосинтезирована. Он действует как катализатор во многих биологических процессах, включая конденсацию альдола, которая создает углерод-углеродные связи для новых органических соединений.

• диастаза — Когда вы едите что-то, что содержит крахмал, ферменты диастазы являются катализаторами пищеварения. Они появляются в слюне и превращают крахмал в мальтозу, которую организм переваривает в желудке.
  
• лактаза — У большинства людей в тонком кишечнике есть ферменты лактазы, которые начинают химическое расщепление лактозы из молока и молочных продуктов. Люди с непереносимостью лактозы не получают достаточного количества этого фермента и не могут полностью переваривать молочные продукты.
  
• ДНК-полимераза — Когда ДНК реплицируется, она должна точно копировать генетическую последовательность. Фермент ДНК-полимераза катализирует синтез ДНК каждый раз, когда клетка делится. Он работает с другими ферментами, включая геликазу и примазу, многократно полностью копируя ДНК.
  
• щелочная фосфатаза (ЩФ) — Щелочная фосфатаза, обнаруженная в печени, пищеварительной системе и костях, является катализатором расщепления белков. Он также помогает в реакциях, связанных с пищеварением и ростом костей. Слишком много щелочной фосфатазы в крови может указывать на проблему с печенью или костями или может быть просто следствием нормального процесса беременности и кормления грудью.

Нехимические катализаторы

Когда термин «катализатор» используется вне химии, он относится к чему-то, что вызывает социальные изменения или реакции.Это образное определение основано на определении химического катализатора, который запускает большую реакцию. Вот некоторые примеры образных катализаторов:

• отношения — Когда Антония представляет двух своих друзей, которые затем начинают встречаться, она становится катализатором их отношений.
• Изменение законодательства — Член семьи Сьюзен незаконно заключен в тюрьму. Она пишет письма своим депутатам, организует акции протеста и общается со СМИ. Вскоре член ее семьи освобожден, а законы изменены, чтобы предотвратить незаконное заключение кого-либо в тюрьму.Сьюзен была катализатором перемен.
• спорт — Элла сидит на скамейке во время баскетбольного матча. Стартовые игроки устают и отстают по очкам. Тренер Эллы вводит ее в игру. Ее энергия помогает ей забивать несколько мячей, и команда побеждает. Элла стала катализатором победы в игре.
• Социальные изменения — Барри и его друзья видят, как над младшим ребенком издеваются. Они встают на защиту ребенка и создают группу по борьбе с издевательствами, которая выявляет проблемы с издевательствами на игровой площадке.Вскоре в их школе стало меньше издевательств, и они стали катализатором перемен.

Катализаторы вокруг нас

Эти примеры катализаторов показывают, как одно действие или один человек, как в химии, так и в жизни, может стать началом больших изменений. Важно помнить, что катализатор только запускает реакцию и что для истинного изменения необходимо больше реагентов. Взгляните на эти повседневные примеры химических реакций, чтобы узнать больше о том, как химия влияет на вашу повседневную жизнь.

Катализаторы | Химия для неосновных специалистов

Цели обучения

• Определить катализатор.
• Объясните, как катализаторы влияют на скорость химической реакции.

Куда ушло солнце?

Смог в Нью-Йорке. Любезно предоставлено доктором Эдвином П. Юингом-младшим, CDC / Викимедиа.

Транспортные средства с бензиновым двигателем выделяют много вредных веществ. Оксиды азота образуются, когда атмосферный азот реагирует с кислородом при высоких температурах, характерных для автомобильного двигателя.Окись углерода является побочным продуктом неполного сгорания углеводородов. Испаренное и неиспользованное топливо выбрасывает в атмосферу летучие углеводороды, способствуя образованию смога. Наличие каталитического нейтрализатора в выхлопной системе автомобиля заставляет эти материалы вступать в реакцию и превращаться в менее вредные продукты.

Катализаторы

Иногда в химическую реакцию может быть добавлено вещество, и скорость этой реакции резко возрастет. Перекись водорода используется в качестве дезинфицирующего средства для удаления царапин и порезов и содержится во многих аптеках в виде 3% -ного водного раствора.Перекись водорода естественным образом разлагается с образованием воды и кислорода, но реакция идет очень медленно. Бутылки с перекисью водорода хватит на несколько лет, прежде чем ее нужно будет заменить. Однако добавление небольшого количества оксида марганца (IV) к перекиси водорода приведет к ее полному разложению всего за несколько минут. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции за счет снижения энергии активации без использования в реакции.После того, как реакция происходит, катализатор возвращается в исходное состояние, и катализаторы можно использовать снова и снова. Поскольку он не является ни реагентом, ни продуктом, катализатор показан в химическом уравнении над стрелкой выхода.

Катализатор работает, изменяя конкретный способ протекания реакции, называемый ее механизмом. Важным результатом использования катализатора является снижение общей энергии активации реакции (см. рисунок ниже).При более низком энергетическом барьере активации больший процент молекул реагентов может иметь эффективные столкновения, и скорость реакции увеличивается.

Рис. 1. Добавление катализатора в реакцию снижает энергию активации, увеличивая скорость реакции. Энергия активации некаталитической реакции обозначена Ea, тогда как каталитическая реакция обозначена Ea ’. Теплота реакции (ΔH) не изменяется в присутствии катализатора. Изображение из фонда CK-12 — Кристофер Ауён.

Катализаторы — чрезвычайно важные части многих химических реакций. Ферменты в вашем теле действуют как природные катализаторы, позволяя важным биохимическим реакциям протекать с разумной скоростью. Химические компании постоянно ищут новые и лучшие катализаторы, чтобы ускорить реакцию и, таким образом, сделать компанию более прибыльной.

Сводка

• Описывается функция катализатора.

  No related posts.