La química és la ciència de les substàncies i les seves transformacions, així com dels mètodes per obtenir-les. Fins i tot en un currículum escolar regular, es considera un tema tan important com els tipus de reaccions. La classificació a la qual s'introdueixen els escolars a nivell bàsic té en compte el canvi del grau d'oxidació, la fase del curs, el mecanisme del procés, etc. A més, tots els processos químics es divideixen en no catalítics i catalítics. reaccions. Exemples de transformacions que tenen lloc amb la participació d'un catalitzador es troben una persona a la vida ordinària: fermentació, decadència. Les transformacions no catalíticas són molt més rares per a nos altres.
Què és un catalitzador
Aquesta és una substància química que pot canviar la velocitat d'interacció, però que no participa en ella mateixa. En el cas que el procés s'accelera amb l'ajuda d'un catalitzador, estem parlant de catàlisi positiva. En el cas que una substància afegida al procés redueixi la velocitat de la reacció, s'anomena inhibidor.
Tipus de catàlisi
La catàlisi homogènia i heterogènia difereixen en fase, enon es troben els materials de partida. Si els components inicials utilitzats per a les interaccions, inclòs el catalitzador, es troben en el mateix estat d'agregació, es produeix una catàlisi homogènia. En el cas que en la reacció participen substàncies de diferents fases, es produeix una catàlisi heterogènia.
Selectivitat de l'acció
La catàlisi no és només un mitjà per augmentar la productivitat dels equips, sinó que té un efecte positiu en la qualitat dels productes resultants. Aquest fenomen es pot explicar pel fet que a causa de l'acció selectiva (selectiva) de la majoria dels catalitzadors, la reacció directa s'accelera, es redueixen els processos secundaris. Al final, els productes resultants són d' alta puresa, no cal purificar encara més les substàncies. La selectivitat de l'acció del catalitzador proporciona una reducció real dels costos de no producció de matèries primeres, un bon benefici econòmic.
Beneficis d'utilitzar un catalitzador en la producció
Què més caracteritza les reaccions catalitzadores? Els exemples d'un institut típic mostren que l'ús d'un catalitzador permet que el procés es dugui a terme a temperatures més baixes. Els experiments confirmen que es pot utilitzar per reduir significativament els costos energètics. Això és especialment important en les condicions modernes, quan hi ha una manca de recursos energètics al món.
Exemples de producció catalítica
Quina indústria utilitza reaccions catalitzadores? Exemples d'aquestes produccions:producció d'àcids nítric i sulfúric, hidrogen, amoníac, polímers, refinació del petroli. La catàlisi s'utilitza àmpliament en la producció d'àcids orgànics, alcohols monohídrics i polihídrics, fenol, resines sintètiques, colorants i medicaments.
Quin és el catalitzador
Moltes substàncies que es troben a la taula periòdica dels elements químics de Dmitry Ivanovich Mendeleiev, així com els seus compostos, poden actuar com a catalitzadors. Entre els acceleradors més comuns es troben: níquel, ferro, platí, cob alt, aluminosilicats, òxids de manganès.
Característiques dels catalitzadors
A més de l'acció selectiva, els catalitzadors tenen una resistència mecànica excel·lent, són capaços de suportar els verins catalítics i es poden regenerar (recuperar) fàcilment.
Segons l'estat de fase, les reaccions homogènies catalíticas es divideixen en fase gasosa i fase líquida.
Fem una ullada més de prop a aquest tipus de reaccions. En solucions, els cations d'hidrogen H+, els ions base hidròxid OH-, els cations metàl·lics M+ i les substàncies que contribueixen a la formació de radicals lliures actuen com a acceleradors de la transformació química.
L'essència de la catàlisi
El mecanisme de catàlisi en la interacció d'àcids i bases és que hi ha un intercanvi entre les substàncies que interactuen i els ions positius del catalitzador (protons). En aquest cas, es produeixen transformacions intramoleculars. Segons aixòles reaccions són així:
- deshidratació (desenganxament d'aigua);
- hidratació (unió de molècules d'aigua);
- esterificació (formació d'èsters a partir d'alcohols i àcids carboxílics);
- policondensació (formació d'un polímer amb eliminació d'aigua).
La teoria de la catàlisi explica no només el procés en si, sinó també les possibles transformacions laterals. En el cas de la catàlisi heterogènia, l'accelerador del procés forma una fase independent, alguns centres de la superfície dels reactius posseeixen propietats catalitzadores o hi intervenen tota la superfície.
També hi ha un procés microheterogeni, que implica la presència d'un catalitzador en estat col·loïdal. Aquesta variant és un estat de transició d'un tipus de catàlisi homogeni a un heterogeni. La majoria d'aquests processos tenen lloc entre substàncies gasoses utilitzant catalitzadors sòlids. Poden estar en forma de grànuls, tauletes o grans.
Distribució de la catàlisi a la natura
La catàlisi enzimàtica està força estesa a la natura. És amb l'ajuda de biocatalitzadors que es produeix la síntesi de molècules de proteïnes, es porta a terme el metabolisme en els organismes vius. Ni un sol procés biològic que es produeix amb la participació d'organismes vius no passa per alt les reaccions catalitzadores. Exemples de processos vitals: síntesi de proteïnes específiques de l'organisme a partir d'aminoàcids; descomposició de greixos, proteïnes i hidrats de carboni.
Algorisme de catàlisi
Considerem el mecanisme de catàlisi. Aquest procés, que té lloc en acceleradors d'interacció química sòlida porosa, inclouunes quantes etapes elementals:
- difusió de substàncies que interactuen a la superfície dels grans de catalitzador des del nucli del flux;
- difusió de reactius als porus del catalitzador;
- quimisorció (adsorció activada) a la superfície d'un accelerador de reaccions químiques amb l'aparició de substàncies químiques superficials - complexos catalitzador-reactiu activats;
- reordenació dels àtoms amb l'aparició de combinacions superficials "producte-catalitzador";
- difusió als porus de l'accelerador de reacció del producte;
- difusió del producte des de la superfície del gra de l'accelerador de reacció al flux del nucli.
Les reaccions catalítiques i no catalítiques són tan importants que els científics han continuat investigant en aquesta àrea durant molts anys.
Amb catàlisi homogènia, no cal construir estructures especials. La catàlisi enzimàtica en la versió heterogènia implica l'ús d'equips diversos i específics. Per al seu flux, s'han desenvolupat aparells de contacte especials, subdividits segons la superfície de contacte (en tubs, en parets, reixetes catalitzadores); amb una capa de filtre; capa pesada; amb catalitzador polveritzat en moviment.
L'intercanvi de calor als dispositius s'implementa de diferents maneres:
- mitjançant l'ús d'intercanviadors de calor (externs) remots;
- amb l'ajuda d'intercanviadors de calor integrats a l'aparell de contacte.
Mitjançant l'anàlisi de fórmules en química, també es poden trobar aquestes reaccions en què el catalitzador és un dels productes finals que es formen durant la interacció químicacomponents originals.
Aquests processos solen anomenar-se autocatalítics, el fenomen en si s'anomena autocatàlisi en química.
La velocitat de moltes interaccions s'associa amb la presència de determinades substàncies a la barreja de reacció. Les seves fórmules en química es perden més sovint, substituïdes per la paraula "catalitzador" o la seva versió abreujada. No s'inclouen a l'equació estereoquímica final, ja que no canvien des del punt de vista quantitatiu després de la finalització de la interacció. En alguns casos, petites quantitats de substàncies són suficients per afectar significativament la velocitat del procés. Les situacions també són força acceptables quan el mateix recipient de reacció actua com a accelerador de la interacció química.
L'essència de l'efecte d'un catalitzador en el canvi de la velocitat d'un procés químic és que aquesta substància s'inclou a la composició del complex actiu i, per tant, canvia l'energia d'activació de la interacció química.
Quan aquest complex es descompon, el catalitzador es regenera. La conclusió és que no es gastarà, es mantindrà en la mateixa quantitat després del final de la interacció. És per aquest motiu que una petita quantitat de substància activa és prou suficient per dur a terme la reacció amb el substrat (substància reaccionant). En realitat, durant els processos químics encara es consumeixen quantitats insignificants de catalitzadors, ja que són possibles diversos processos secundaris: la seva intoxicació, pèrdues tecnològiques i un canvi en l'estat de la superfície d'un catalitzador sòlid. Les fórmules de química no inclouen un catalitzador.
Conclusió
Les reaccions en les quals intervé una substància activa (catalitzador) envolten una persona, a més, també es produeixen al seu cos. Les reaccions homogènies són molt menys freqüents que les interaccions heterogènies. En qualsevol cas, primer es formen complexos intermedis, que són inestables, es destrueixen gradualment i s'observa la regeneració (recuperació) de l'accelerador del procés químic. Per exemple, quan l'àcid metafosfòric reacciona amb el persulfat de potassi, l'àcid iòdic actua com a catalitzador. Quan s'afegeix als reactius, es forma una solució groga. A mesura que s'apropa al final del procés, el color desapareix gradualment. En aquest cas, el iode actua com a producte intermedi i el procés es produeix en dues etapes. Però tan bon punt es sintetitza l'àcid metafosfòric, el catalitzador torna al seu estat original. Els catalitzadors són indispensables a la indústria, ajuden a accelerar les transformacions i a obtenir productes de reacció d' alta qualitat. Els processos bioquímics del nostre cos també són impossibles sense la seva participació.
