Гетерогенный катализ это в химии определение кратко

Обновлено: 02.07.2024

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.

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.

В большинстве случаев явление катализа обусловлено циклическими промежуточными химическими взаимодействиями молекул реагирующих веществ с катализатором.
Эти взаимодействия приводят к образованию реакционноспособных промежуточных химических соединений – каталитических интермедиатов; по завершении цикла взаимодействий и образования конечных продуктов ускоряемой реакции катализатор восстанавливает свой химический состав.
Результирующее стехиометрическое уравнение химических превращений не включает катализаторы.

Наиболее распространен гетерогенный катализ, при котором катализатор является твердым веществом и ускоряет реакции между реагентами в газовой или в жидкой фазах.
В этом случае каталитическому превращению реагентов предшествует диффузия молекул реагирующих веществ к поверхности катализатора и их адсорбция (обычно хемосорбция) на поверхности катализатора.
Основные каталитические превращения, в т. ч. и хемосорбция реагентов, происходят на активных центрах катализатора.
Далее происходит десорбция молекул продуктов реакции с поверхности катализатора и их диффузия в жидкую или газовую фазу.

В химии мы говорим о гетерогенном катализе, когда катализатор и реагенты находятся в нескольких фазах . Обычно катализатор твердый, а реагенты - газообразные или водные . Гетерогенный катализ имеет первостепенное значение во многих областях химической промышленности и энергетики. Важность гетерогенного катализа выделяется через Нобелевские премии за Фриц Габер в 1918 году, Карл Бош в 1931 год Ирвинг Ленгмюра в 1932 году и Эртль в 2007 году.

Резюме

Твердый катализатор

Катализатор в твердом состоянии катализирует реакцию в жидкой фазе или в газовой фазе .

Реакция протекает на границе твердой и газовой фаз. Поэтому он будет тем более эффективным, поскольку эта поверхность важна. По этой причине катализаторы обычно имеют очень большую удельную поверхность . Также возможно максимизировать соотношение между контактной поверхностью катализатора и массой используемого катализатора, диспергируя этот катализатор на другом твердом веществе, таком как керамический пеноматериал, который будет служить его носителем.

Этот тип используется в большинстве промышленных приложений. Фактически, в этом типе процесса катализатор может быть извлечен простой фильтрацией или зафиксирован в потоке реагента. Это дает возможность как легко извлекать его для повторного использования, так и избегать операций по отделению катализатора от продуктов в конце реакции.

Анализ каталитического цикла

Реакция гетерогенного катализа протекает по схеме, содержащей несколько стадий (обычно семь).

Семь шагов заключаются в следующем:

диффузия реагентов через газовый слой, который застаивается вокруг зерна (внешняя диффузия)
диффузия реагентов в поры зерна (внутренняя диффузия)
адсорбция реагентов
трансформация адсорбированных частиц ( поверхностная реакция )
десорбция продуктов реакции
диффузия в порах изделий до границы зерен (внутренняя диффузия)
внешняя диффузия продуктов через газовый слой, окружающий зерно (внешняя диффузия).

Типы механизма

В случае окисления углеводородов на оксидах П. Марс и Д. В. ван Кревелен предложили механизм окислительно-восстановительного типа. В этом случае реакционноспособный компонент представляет собой атом кислорода оксидной сетки (в форме O 2- ), который реагирует с углеводородом. Затем этот кислород регенерируется за счет поступления кислорода из газовой фазы.

В этом типе механизма реакция происходит между частицами, адсорбированными на поверхности катализатора. Следовательно, это означает, что частицы, необходимые для реакции, присутствуют на поверхности катализатора. Это не означает, что должны присутствовать все виды, участвующие в реакции. В случае реакций с участием нескольких веществ и нескольких стадий субстрат может перемещаться по поверхности катализатора и реагентов. В случае окисления летучих органических соединений этот механизм включает поверхностную реакцию между кислородом и ЛОС. Оба адсорбируются на активных сайтах одного типа. Адсорбция кислорода и ЛОС может быть диссоциативной, а может и не быть с возможной конкуренцией реагентов между ними.

В отличие от предыдущего механизма, здесь реакция происходит между частицами, адсорбированными на поверхности катализатора, и неадсорбированными частицами. Тем не менее, в случае каталитического окисления ЛОС на поверхности катализатора адсорбируется только ЛОС или кислород, что позволяет говорить о том, что реакция происходит между адсорбированной молекулой ЛОС и молекулой кислорода в газовой фазе или наоборот.

Классы гетерогенных катализаторов

Хотя большинство гетерогенных катализаторов представляют собой твердые частицы, существует множество вариантов.

Читайте также: