Chemie is de wetenschap van stoffen en hun transformaties, evenals methoden om ze te verkrijgen. Zelfs in een regulier schoolcurriculum komt zo'n belangrijk onderwerp als soorten reacties aan de orde. De classificatie die scholieren op het basisniveau leren, houdt rekening met de verandering in de oxidatiegraad, de fase van het verloop, het mechanisme van het proces, enz. Bovendien zijn alle chemische processen onderverdeeld in niet-katalytische en katalytische reacties. Voorbeelden van transformaties die plaatsvinden met de deelname van een katalysator, komt een persoon in het gewone leven tegen: fermentatie, verval. Niet-katalytische transformaties zijn veel zeldzamer voor ons.
Wat is een katalysator
Dit is een chemische stof die de interactiesnelheid kan veranderen, maar er zelf niet aan deelneemt. In het geval dat het proces wordt versneld met behulp van een katalysator, hebben we het over positieve katalyse. In het geval dat een aan het proces toegevoegde stof de reactiesnelheid verlaagt, wordt dit een remmer genoemd.
Soorten katalyse
Homogene en heterogene katalyse verschillen in fase, inwaarin de uitgangsmaterialen zich bevinden. Als de initiële componenten die voor interacties worden gebruikt, inclusief de katalysator, zich in dezelfde staat van aggregatie bevinden, vindt homogene katalyse plaats. In het geval dat stoffen van verschillende fasen aan de reactie deelnemen, treedt heterogene katalyse op.
Selectiviteit van actie
Katalyse is niet alleen een middel om de productiviteit van apparatuur te verhogen, het heeft een positief effect op de kwaliteit van de resulterende producten. Dit fenomeen kan worden verklaard door het feit dat door de selectieve (selectieve) werking van de meeste katalysatoren de directe reactie wordt versneld, nevenprocessen worden verminderd. Uiteindelijk zijn de resulterende producten van hoge zuiverheid, het is niet nodig om de stoffen verder te zuiveren. De selectiviteit van de katalysatorwerking geeft een reële verlaging van de niet-productiekosten van grondstoffen, een goed economisch voordeel.
Voordelen van het gebruik van een katalysator in de productie
Wat kenmerkt katalytische reacties nog meer? Voorbeelden van een typische middelbare school laten zien dat het gebruik van een katalysator het mogelijk maakt om het proces bij lagere temperaturen uit te voeren. Experimenten bevestigen dat het kan worden gebruikt om de energiekosten aanzienlijk te verlagen. Dit is vooral belangrijk in moderne omstandigheden, wanneer er een gebrek aan energiebronnen in de wereld is.
Voorbeelden van katalytische productie
Welke industrie gebruikt katalytische reacties? Voorbeelden van dergelijke producties:productie van salpeter- en zwavelzuur, waterstof, ammoniak, polymeren, olieraffinage. Katalyse wordt veel gebruikt bij de productie van organische zuren, eenwaardige en meerwaardige alcoholen, fenol, synthetische harsen, kleurstoffen en medicijnen.
Wat is de katalysator
Veel stoffen die in het periodiek systeem van chemische elementen van Dmitry Ivanovich Mendelejev staan, evenals hun verbindingen, kunnen als katalysator werken. Tot de meest voorkomende versnellers behoren: nikkel, ijzer, platina, kob alt, aluminosilicaten, mangaanoxiden.
Kenmerken van katalysatoren
Naast selectieve werking hebben katalysatoren een uitstekende mechanische sterkte, zijn ze bestand tegen katalytische vergiften en kunnen ze gemakkelijk worden geregenereerd (teruggewonnen).
Volgens de fasetoestand worden katalytische homogene reacties verdeeld in gasfase en vloeistoffase.
Laten we dit soort reacties eens nader bekijken. In oplossingen werken waterstofkationen H+, hydroxide-base-ionen OH-, metaalkationen M+ en stoffen die bijdragen aan de vorming van vrije radicalen als een versneller van chemische transformatie.
De essentie van katalyse
Het mechanisme van katalyse bij de interactie van zuren en basen is dat er een uitwisseling is tussen de op elkaar inwerkende stoffen en de positieve ionen van de katalysator (protonen). In dit geval vinden intramoleculaire transformaties plaats. Volgens ditreacties gaan als volgt:
- uitdroging (waterafscheiding);
- hydratatie (aanhechting van watermoleculen);
- verestering (estervorming uit alcoholen en carbonzuren);
- polycondensatie (vorming van een polymeer met de verwijdering van water).
De theorie van katalyse verklaart niet alleen het proces zelf, maar ook mogelijke neventransformaties. In het geval van heterogene katalyse vormt de versneller van het proces een onafhankelijke fase, hebben sommige centra op het oppervlak van de reactanten katalytische eigenschappen of is het hele oppervlak erbij betrokken.
Er is ook een microheterogeen proces, waarbij een katalysator in colloïdale toestand aanwezig is. Deze variant is een overgangstoestand van een homogeen naar een heterogeen type katalyse. De meeste van deze processen vinden plaats tussen gasvormige stoffen met behulp van vaste katalysatoren. Ze kunnen de vorm hebben van korrels, tabletten, granen.
Verspreiding van katalyse in de natuur
Enzymatische katalyse is vrij wijdverbreid in de natuur. Het is met behulp van biokatalysatoren dat de synthese van eiwitmoleculen verloopt, het metabolisme in levende organismen wordt uitgevoerd. Geen enkel biologisch proces dat plaatsvindt met de deelname van levende organismen omzeilt katalytische reacties. Voorbeelden van vitale processen: synthese van lichaamseigen eiwitten uit aminozuren; afbraak van vetten, eiwitten, koolhydraten.
Katalyse-algoritme
Laten we eens kijken naar het mechanisme van katalyse. Dit proces, dat plaatsvindt op poreuze vaste chemische interactieversnellers, omvat:jezelf een paar elementaire stadia:
- diffusie van op elkaar inwerkende stoffen naar het oppervlak van katalysatorkorrels vanuit de kern van de stroom;
- diffusie van reagentia in de poriën van de katalysator;
- chemisorptie (geactiveerde adsorptie) op het oppervlak van een chemische reactieversneller met het verschijnen van chemische oppervlaktestoffen - geactiveerde katalysator-reagenscomplexen;
- herschikking van atomen met het uiterlijk van oppervlaktecombinaties "katalysator-product";
- diffusie in de poriën van de productreactieversneller;
- diffusie van het product van het korreloppervlak van de reactieversneller in de kernstroom.
Katalytische en niet-katalytische reacties zijn zo belangrijk dat wetenschappers jarenlang onderzoek op dit gebied hebben voortgezet.
Met homogene katalyse is het niet nodig om speciale structuren te bouwen. Enzymatische katalyse in de heterogene versie omvat het gebruik van verschillende en specifieke apparatuur. Voor de stroming zijn speciale contactapparaten ontwikkeld, onderverdeeld volgens het contactoppervlak (in buizen, op wanden, katalysatorroosters); met een filterlaag; gewogen laag; met bewegende verpulverde katalysator.
Warmte-uitwisseling in apparaten wordt op verschillende manieren geïmplementeerd:
- door het gebruik van externe (externe) warmtewisselaars;
- met behulp van warmtewisselaars ingebouwd in het contactapparaat.
Door formules in de chemie te analyseren, kan men ook dergelijke reacties vinden waarbij de katalysator een van de eindproducten is die wordt gevormd tijdens de chemische interactieoriginele componenten.
Dergelijke processen worden meestal autokatalytisch genoemd, het fenomeen zelf wordt autokatalyse genoemd in de chemie.
De snelheid van veel interacties hangt samen met de aanwezigheid van bepaalde stoffen in het reactiemengsel. Hun formules in de chemie worden het vaakst gemist, vervangen door het woord "katalysator" of de verkorte versie ervan. Ze zijn niet opgenomen in de uiteindelijke stereochemische vergelijking, omdat ze niet veranderen vanuit kwantitatief oogpunt na voltooiing van de interactie. In sommige gevallen zijn kleine hoeveelheden stoffen voldoende om de snelheid van het proces aanzienlijk te beïnvloeden. Situaties zijn ook heel acceptabel wanneer het reactievat zelf fungeert als een versneller van chemische interactie.
De essentie van het effect van een katalysator op het veranderen van de snelheid van een chemisch proces is dat deze stof is opgenomen in de samenstelling van het actieve complex en daardoor de activeringsenergie van de chemische interactie verandert.
Wanneer dit complex ontleedt, wordt de katalysator geregenereerd. Het komt erop neer dat het niet wordt uitgegeven, maar na het einde van de interactie op hetzelfde bedrag blijft staan. Om deze reden is een kleine hoeveelheid van de werkzame stof ruim voldoende om de reactie met het substraat (reagerende stof) uit te voeren. In werkelijkheid worden nog steeds onbeduidende hoeveelheden katalysatoren verbruikt tijdens chemische processen, aangezien verschillende nevenprocessen mogelijk zijn: de vergiftiging, technologische verliezen en een verandering in de toestand van het oppervlak van een vaste katalysator. Chemische formules bevatten geen katalysator.
Conclusie
Reacties waaraan een werkzame stof (katalysator) deelneemt, omringen een persoon, bovendien komen ze ook in zijn lichaam voor. Homogene reacties komen veel minder vaak voor dan heterogene interacties. In ieder geval worden eerst intermediaire complexen gevormd, die onstabiel zijn, geleidelijk worden vernietigd en regeneratie (herstel) van de versneller van het chemische proces wordt waargenomen. Wanneer metafosforzuur bijvoorbeeld reageert met kaliumpersulfaat, werkt joodwaterstofzuur als katalysator. Wanneer het aan de reactanten wordt toegevoegd, wordt een gele oplossing gevormd. Naarmate u het einde van het proces nadert, verdwijnt de kleur geleidelijk. In dit geval fungeert jodium als tussenproduct en verloopt het proces in twee fasen. Maar zodra metafosforzuur is gesynthetiseerd, keert de katalysator terug naar zijn oorspronkelijke staat. Katalysatoren zijn onmisbaar in de industrie, ze helpen transformaties te versnellen en hoogwaardige reactieproducten te verkrijgen. Biochemische processen in ons lichaam zijn ook onmogelijk zonder hun deelname.
