Reazioni catalitiche: definizione, descrizione, esempi
Questo articolo discuterà le reazioni catalitiche. Il lettore conoscerà l'idea generale dei catalizzatori e il loro effetto sul sistema, nonché i tipi di reazioni, le caratteristiche del loro corso e molto altro ancora sarà descritto.
Introduzione alla catalisi
Prima di familiarizzare con le reazioni catalitiche, vale la pena conoscere la catalisi.
Questo è un processo selettivo di accelerazione, una specifica direzione termodinamicamente consentita della reazione che è esposta a un catalizzatore. È ripetutamente incluso nell'interazione tra natura chimica e l'effetto sui partecipanti alla reazione. Alla fine di qualsiasi ciclo intermedio, il catalizzatore riprende la sua forma originale. Il concetto di catalizzatore fu introdotto in circolazione da J. Barcelius e Jens nel 1835.
Informazioni generali
La catalisi è ampiamente distribuita in natura ed è universalmente utilizzata dall'uomo nell'industria tecnologica. La stragrande maggioranza di tutte le reazioni utilizzate nell'industria è catalitica. C'è il concetto di autocatalisi - un fenomeno in cui l'acceleratore agisce come un prodotto di reazione o fa parte dei composti di partenza.
Tutti i tipi di interazione chimica dei reagenti sono suddivisi in reazioni catalitiche e non catalitiche. L'accelerazione delle reazioni che coinvolgono i catalizzatori è chiamata catalisi positiva. Il rallentamento del tasso di interazione si verifica con la partecipazione di inibitori. Le reazioni sono negativamente di natura catalitica.
Una reazione catalitica non è solo un modo per aumentare la potenza produttiva, ma anche un'opportunità che migliora la qualità del prodotto. Ciò è dovuto alla capacità di una sostanza appositamente selezionata di accelerare la reazione principale e rallentare la velocità in parallelo.
Le reazioni catalitiche riducono anche i costi energetici, che consumano attrezzature. Ciò è dovuto al fatto che l'accelerazione consente al processo di procedere in condizioni di temperatura inferiore, che sarebbe necessario senza la sua presenza.
Un esempio di reazione catalitica è la produzione di oggetti di valore come: acido nitrico, idrogeno, ammoniaca, ecc. Questi processi sono maggiormente utilizzati nella produzione di aldeidi, fenoli, varie materie plastiche, resine e gomme, ecc.
Varietà di reazioni
L'essenza della catalisi sta nel tradurre il meccanismo della reazione nell'opzione più redditizia. Ciò è reso possibile riducendo l'energia di attivazione.
Il catalizzatore si indebolisce legame chimico con una molecola di reagente specifica. Ciò consente di facilitare la reazione con un altro reagente. Le sostanze che sono catalitiche non influenzano lo spostamento dell'equilibrio chimico, poiché agiscono in modo reversibile in entrambe le direzioni.
La catalisi è divisa in due tipi principali: omogenei ed eterogenei. Una caratteristica comune di tutte le interazioni del primo tipo è che il catalizzatore si trova in una fase comune con il reagente della reazione stessa. Il secondo tipo ha una differenza a questo punto.
Reazioni catalitiche omogenee ci mostrano che l'acceleratore, interagendo con una particolare sostanza, forma un composto intermedio. Ciò ridurrà ulteriormente la quantità di energia richiesta per l'attivazione.
La catalisi eterogenea accelera il processo. Di norma, scorre sulla superficie dei solidi. Di conseguenza, le capacità del catalizzatore e la sua attività sono determinate dalle dimensioni della superficie e dalle proprietà individuali. La reazione catalitica eterogenea ha un meccanismo di funzionamento più complesso di quello omogeneo. Il suo meccanismo comprende 5 fasi, ognuna delle quali può essere reversibile.
Al primo stadio inizia la diffusione dei reagenti interagenti con l'area solida, quindi avviene l'adsorbimento di una natura fisica seguita dal chemisorbimento. Di conseguenza, inizia la terza fase, in cui inizia la reazione tra le molecole delle sostanze che reagiscono. Al quarto stadio si osserva il desorbimento del prodotto. Al quinto stadio, la sostanza finale si diffonde nei flussi comuni dal piano del catalizzatore.
Materiali catalitici
Esiste un concetto di portante del catalizzatore. È un materiale di tipo inerte o poco attivo, necessario per portare la particella coinvolta nella fase di catalisi a uno stato stabile.
L'accelerazione eterogenea è necessaria per prevenire i processi di sinterizzazione e agglomerazione dei componenti attivi. Nel numero prevalente di casi, il numero di corrieri supera la presenza del componente di tipo attivo applicato. L'elenco principale dei requisiti che il vettore dovrebbe possedere comprende un'ampia area e porosità superficiale, stabilità termica, inerzia e resistenza alle sollecitazioni meccaniche.
Base chimica La chimica di accelerare l'interazione tra le sostanze ci permette di distinguere due tipi di sostanze, vale a dire catalizzatori e inibitori. Quest'ultimo, a sua volta, rallenta la velocità di reazione. Uno dei tipi di catalizzatori sono gli enzimi.
I catalizzatori non entrano stechiometricamente in una relazione con il prodotto della reazione stessa e, alla fine, vengono sempre rigenerati. Nei tempi moderni ci sono molti modi per influenzare il processo di attivazione molecolare. Tuttavia, la catalisi è la base della produzione chimica.
La natura dei catalizzatori consente di suddividerli in omogenei, eterogenei, interfase, enzimatici e micellari. La reazione chimica con la partecipazione del catalizzatore ridurrà il costo dell'energia necessaria per la sua attivazione. Ad esempio, la decomposizione non catalitica di NH3 in azoto e idrogeno richiederà circa 320 kJ / mol. La stessa reazione, ma sotto l'influenza del platino, ridurrà questo numero a 150 kJ / mol.
Processo di idrogenazione
Il numero predominante di reazioni che coinvolgono i catalizzatori si basa sull'attivazione dell'atomo di idrogeno e di una molecola specifica, che porta ulteriormente all'interazione della natura chimica. Questo fenomeno è chiamato idrogenazione. È la base della maggior parte delle fasi di raffinazione e della creazione di combustibile liquido dal carbone. La produzione di quest'ultimo è stata aperta in Germania, a causa dell'assenza di giacimenti di petrolio nel paese. La creazione di un tale combustibile si chiama processo di Bergius. Consiste nella combinazione diretta di idrogeno e carbone. Il carbone viene riscaldato in determinate condizioni di pressione e idrogeno. Di conseguenza, si forma un prodotto di tipo liquido. I catalizzatori sono ossidi di ferro. Ma a volte usano sostanze a base di metalli come il molibdeno e lo stagno.
C'è un altro modo per produrre lo stesso carburante, che è chiamato processo di Fischer-Tropsch. Consiste di due fasi. Nella prima fase, il carbone viene sottoposto a gassificazione, trattandolo con un'interazione di vapore acqueo e O 2 . Questa reazione porta alla formazione di una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Successivamente, usando i catalizzatori, la miscela viene trasferita allo stato di combustibile liquido.
La relazione di acidità e capacità catalitiche
Una reazione catalitica è un fenomeno dipendente dalle proprietà acide del catalizzatore stesso. Secondo la definizione di J. Brønsted, l'acido è una sostanza che può dare protoni. Un acido forte cederà facilmente il suo protone alla base. G. Lewis ha definito l'acido come una sostanza in grado di assumere coppie di elettroni da sostanze donatrici e, di conseguenza, formare legame covalente. Queste due idee permisero all'uomo di determinare l'essenza del meccanismo di catalisi.
La forza di un acido viene determinata usando set di basi che possono cambiare colore a causa dell'aggiunta di un protone. Alcune sostanze catalitiche utilizzate nell'industria possono comportarsi come estremamente acidi forti La loro forza determina il tasso di protonazione, e quindi è una caratteristica molto importante.
L'attività acida del catalizzatore è dovuta alla sua capacità di reagire con gli idrocarburi, formando così un prodotto intermedio: lo ione di carbonio.
Processo di disidratazione
La deidrogenazione è anche una reazione catalitica. Viene spesso utilizzato in vari settori industriali. Sebbene i processi catalitici basati sulla deidrogenazione siano usati meno frequentemente delle reazioni di idrogenazione, occupano comunque un posto importante nell'attività umana. Un esempio di questo tipo di reazione catalitica è la produzione di stirene, un monomero importante. Per cominciare, la deidrogenazione dell'etilbenzene avviene con la partecipazione di sostanze contenenti ossido di ferro. L'uomo usa spesso questo fenomeno per disidratare molti alcani.
Doppia azione
Esistono catalizzatori a doppia azione in grado di accelerare la reazione di due tipi contemporaneamente. Di conseguenza, portano a risultati migliori, in confronto con la trasmissione di reagenti alternativamente attraverso 2 reattori contenenti un solo tipo di catalizzatori. Ciò è dovuto al fatto che il centro attivo dell'acceleratore a doppia azione si trova in una posizione chiusa con un altro centro simile, nonché con un prodotto intermedio. Un buon risultato è, ad esempio, la combinazione di catalizzatori che attivano l'idrogeno con una sostanza che consente il processo di isomerizzazione degli idrocarburi per procedere. L'attivazione è spesso effettuata da metalli e l'isomerizzazione procede con la partecipazione di acidi.
Specificità delle principali reazioni catalitiche
La capacità e l'efficacia del catalizzatore sono anche dovute alle sue proprietà di base. Un esempio eclatante è l'idrossido di sodio, che viene usato durante l'idrolisi dei grassi per fare il sapone. Questi tipi di catalizzatori vengono utilizzati anche nella produzione di lastre in schiuma e poliuretano. L'uretano viene ottenuto durante l'interazione di alcol e isocianato. L'accelerazione della reazione si verifica quando viene esposta ad una specifica ammina basica. La base è attaccata all'atomo di carbonio contenuto nella molecola di isocianato. Di conseguenza, l'atomo di azoto diventa carico negativamente. Ciò porta ad un aumento dell'attività in relazione all'alcol.
Polimerizzazione stereospecifica
La scoperta della polimerizzazione olefinica con successiva produzione di sostanze polimeriche stereoregolari è di grande importanza storica nella storia dello studio della catalisi. La scoperta di catalizzatori caratterizzati da polimerizzazione stereospecifica appartiene a K. Ziegler. Il lavoro di Ziegler sulla produzione di polimeri interessò J. Natta, il quale suggerì che l'unicità del polimero doveva essere determinata dalla sua stereoregolarità. Un gran numero di esperimenti che coinvolgono i raggi X di diffrazione hanno dimostrato che il polimero ottenuto dal propilene sotto l'influenza di un catalizzatore Ziegler è altamente cristallino. L'effetto dell'azione è stereoregolare.
Reazioni di questo tipo hanno luogo sul piano di un catalizzatore solido contenente metalli di transizione come Ti, Cr, V, Zr. Devono essere in ossidazione incompleta. L'equazione della reazione catalitica tra TiCl 4 e Al (C 2 H 5 ) 3 che interagiscono, durante la quale si forma un precipitato, serve come esempio vivido. Qui, il titanio viene ripristinato in uno stato conforme a 3. Questo tipo di sistema attivo consente di polimerizzare il propilene in condizioni normali di temperatura e pressione.
Ossidazione nella reazione catalitica
Le reazioni di ossidazione catalitica sono ampiamente utilizzate dagli esseri umani, a causa della capacità di alcune sostanze di regolare la velocità della reazione stessa. Alcuni casi richiedono l'ossidazione completa, ad esempio la neutralizzazione di CO e l'inquinamento contenente idrocarburi. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle reazioni richiede un'ossidazione incompleta. È necessario per la produzione industriale di prodotti preziosi, ma intermedi, che possono contenere un gruppo intermedio definito e importante: COOH, CN, CHO, C-CO. Allo stesso tempo, una persona usa sia tipi eterogenei che monogenici di catalizzatori.
Tra tutte le sostanze in grado di accelerare il corso delle reazioni chimiche, un posto importante è dato agli ossidi. Principalmente allo stato solido. Il corso di ossidazione è diviso in 2 fasi. Nel primo stadio, l'ossido di ossigeno viene catturato dalla molecola di idrocarburo dell'ossido adsorbito. Come risultato, l'ossido viene ridotto e l'idrocarburo viene ossidato. L'ossido rinnovato interagisce con O 2 e ritorna al suo stato originale.