O reacție catalitică este ce? Principii și tipuri de bază

Majoritatea proceselor care stau la baza tehnologiei chimice sunt reacții catalitice. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când se introduce catalizatorul, viteza de interacțiune a substanțelor crește substanțial. În același timp, producătorii sunt în măsură să reducă costurile sau să primească mai multe produse de reacție în aceeași perioadă de timp. De aceea, studiul catalizei este acordat o atenție deosebită în tehnologii de instruire. Cu toate acestea, acest fenomen joacă un rol important în natură. Deci, substanțele speciale reglează cursul reacțiilor biochimice în organismele vii, afectând astfel metabolismul.

Conceptul de cataliză

Esența acestui fenomen chimic este reglementarea ratei de transformare a substanțelor utilizând reactivi speciali capabili să încetinească sau să accelereze acest proces. În acest caz, vorbesc despre o cataliză pozitivă sau negativă. Există, de asemenea, fenomenul autocatalizei, când viteza de reacție este afectată de unul dintre produsele intermediare ale reacției chimice. Procesele catalitice sunt diverse, ele diferă prin mecanisme, stare agregată de compuși și direcție.

Substanțele care încetinesc interacțiunile chimice se numesc inhibitori, iar reacțiile catalitice de accelerare se numesc catalizatori. Atât aceștia, cât și ceilalți modifică viteza reacției prin interacțiuni intermediare multiple cu unul sau mai mulți participanți. În același timp, ele nu sunt incluse în compoziția produselor și sunt restaurate după încheierea ciclului de conversie a substanței. Prin urmare, participarea catalizatorului nu este reflectată stoichiometric în ecuația de reacție, ci este indicată doar ca o condiție pentru interacțiunea substanțelor.

Tipuri de reacții catalitice

În funcție de starea agregată de substanțe care participă la reacția chimică, se disting:

• reacțiile omogene - reactivii, produsele și catalizatorii sunt în aceeași stare agregată (fază), în timp ce moleculele de substanțe sunt distribuite uniform pe întregul volum;
• reacțiile catalitice interfacial - apar la interfața lichidelor nemiscibile și rolul catalizatorului este redus la transferul reactivilor prin acesta;
• reacții catalitice eterogene - în ele catalizatorul are o stare agregată diferită de reactivi și ea însăși este efectuată la interfața de fază;
• reacții omogene heterogene - sunt inițiate la interfața cu catalizatorul, dar continuă în volumul de reacție;
• reacții microheterogenice - particule mici de catalizator solid formează miceli în întregul volum al fazei lichide.

Există, de asemenea, o cataliză de oxidare-reducere, însoțită de o modificare a stării de oxidare a catalizatorului atunci când reacționează cu reactivii. Astfel de transformări se numesc reacții catalitice de oxidare și de reducere. Cele mai frecvente în producția chimică sunt oxidarea dioxidului de sulf la trioxid în producerea de acid sulfuric.

Tipuri de catalizatori

Conform stării agregate, catalizatorii sunt lichizi (H₂SO₄, H₃RO₄), solid (Pt, V₂oh₅, Al₂oh₃) și gazoasă (BF₃).

Pe tipuri de substanțe, catalizatorii se clasifică în:

• metale - pot fi pure, aliaje, întregi sau acoperite pe un substrat poros (Fe, Pt, Ni, Cu);
• compuși de metale de tip M_mE_n - Oxizii cei mai obișnuiți ai MgO, Al₂oh₃, MoO₃ și alții;
• acizi și baze - se utilizează pentru reacții catalitice pe bază de acid, acestea putând fi acizi Lewis, acizi Bronsted etc.
• complexe metalice - acest grup include de asemenea săruri ale metalelor de tranziție, de exemplu PdCl₂, Ni (CO)₄;
• Enzime (ele sunt enzime) - biocatalizatori, reacții de accelerare care apar în organismele vii.

Conform specificului structurii electronice, există d-catalizatori care au d-electroni și d-orbitali, precum și s, p-catalizatori, al căror centru este un element cu valențe și electroni p.

Proprietăți ale catalizatorilor

Pentru o utilizare eficientă, se aplică o listă destul de extinsă a cerințelor care variază pentru un anumit proces. Dar cele mai importante sunt următoarele două proprietăți ale catalizatorilor:

• Specificitatea constă în capacitatea catalizatorilor de a influența numai o singură reacție sau o serie de transformări similare și nu afectează viteza altora. Astfel, platina este cel mai des utilizată în reacțiile de hidrogenare organică.
• Selectivitatea se caracterizează prin capacitatea de a accelera una din mai multe reacții paralele posibile, crescând astfel randamentul celui mai important produs.

Rata de reacție catalitică

Motivul pentru accelerarea interacțiunii substanțelor este formarea unui complex activ cu un catalizator, ceea ce duce la o scădere a energiei de activare.

Conform postulatului de bază al cineticii chimice, viteza oricărei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor substanțelor inițiale, care sunt luate în grade corespunzătoare coeficienților lor stoechiometrici:

v = k ∙ C_A^x ∙ C_În^la ∙ C_D^z,

unde k este constanta vitezei reacției chimice, numeric egal cu viteza aceleiași reacții, cu condiția ca concentrațiile compușilor inițiali să fie 1 mol / l.

Conform ecuației lui Arrhenius, k depinde de energia de activare:

k = A ∙ exp ^ (- E_A / RT).

Aceste regularități sunt, de asemenea, valabile pentru reacțiile catalitice. Acest lucru este confirmat și de ecuația raportului dintre constantele de rată:

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

unde variabilele cu indicele K se referă la reacțiile catalitice.

Etapele reacțiilor catalitice

Pentru reacțiile catalitice omogene, două stadii de bază sunt suficiente:

1. Formarea complexului activat: A + K -> AK.
2. Interacțiunea complexului activat cu alte materii prime: AK + B -> C + K

În forma generală, se scrie o ecuație cu forma A + B -> C.

Mecanismul reacțiilor catalitice eterogene este complicat. Există următoarele șase etape:

1. Introducerea compușilor de pornire pe suprafața catalizatorului.
2. Adsorbția reactivilor inițiali pe suprafața catalizatorului și formarea unui complex intermediar: A + B + K -> AVK.
3. Activarea complexului format: Alfa-VC -> Alpha-VC^*.
4. Descompunerea compusului complex, cu produsele rezultate, adsorbite de catalizator: Alpha-VC^* -> CDK.
5. Desorbția produselor obținute cu suprafața catalizatorului: CDK -> C + D + K.
6. Retragerea produselor din catalizator.

Exemple de reacții catalitice

Catalizatorii sunt utilizați nu numai în industria chimică. Fiecare persoană din viața de zi cu zi se confruntă cu reacții catalitice diferite. Aceasta, de exemplu, utilizarea peroxidului de hidrogen în tratamentul rănilor. Peroxidul de hidrogen, atunci când interacționează cu sângele, începe să se descompună sub influența lui enzima catalază:

2H₂oh₂ -> Despre₂ + 2H₂O.

În mașinile moderne, sistemul de evacuare este echipat cu camere catalitice speciale care promovează descompunerea substanțelor gazoase dăunătoare. De exemplu, platina sau rodiul ajută la reducerea nivelului de poluare a mediului cu oxizi de azot, care sunt distruși prin formarea de O₂ și N₂.

Unele paste de dinți conțin enzime care inițiază descompunerea plăcilor și resturilor alimentare.