Применение катализаторов в промышленности сообщение

Обновлено: 04.07.2024

Научные доклады

Что такое катализатор?

Катализаторы представляют собой вещества, способные ускорять химические реакции некоторых продуктов и не входят в их состав. Существуют также и биологические катализаторы – ферменты, ускоряющие химические реакции в живых организмах.

Например, пероксид водорода, попав на ранку или царапину, начинает сильно шипеть и пузыриться. Это и есть действие катализатора. В момент выделения, кислород оказывает дезинфицирующие свойства — из ранки вместе с пеной удаляются загрязнения. Шипение происходит потому, что в крови содержатся вещества, ускоряющие разложение пероксида водорода.

Какая роль катализаторов?

В жизни человека катализаторы очень играют важную роль. Ферменты применяют с давних времен в сыроварении, хлебопечении, кожевничестве, пивоварении, виноделии.

Без катализаторов невозможно превратить в маргарин растительное масло, изготовить кулинарный жир, другие пищевые продукты. С их помощью очищают газообразные отходы промышленных предприятий и удаляют разнообразные токсичные соединения, выхлопные газы.

В ХХ веке ученые научились при помощи каталитических методов получать органические материалы, нитрилы, эфиры, олефины, кислоты для производства пластмасс, пропан, стирол, бутан, бутен.

Промышленные кислотные катализаторы незаменимы при нефтепереработке, для получения ароматических углеводородов и парафинов. Новейшей технологией по их применению является технология получения высокооктановых видов бензина, а также этилированного топлива.

Химическая реакция – это процесс превращения реагентов в продукты реакции. Многие превращения в химии имеют очень долгий срок протекания, что абсолютно недопустимо для промышленности или для организма человека. Колоссальное ускорение превращений как в промышленности, так и в живых организмах, обеспечивают катализаторы химических реакций. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Что такое катализатор реакции?

Речь идет о веществе, которое способно ускорять протекание превращения многократно. Процесс в химии, протекающий в присутствии ускорителей превращений, называется катализом. Катализ характеризуется тем, что вещество, ускоряющее химический процесс, не расходует в ходе протекания последнего, а также не входит в состав конечных продуктов.

Катализ по своему результату может быть двух видов: положительный и отрицательный. Положительный катализ приводит к увеличению скорости превращения. Отрицательный катализ приводит к замедлению или прекращению протекания химического превращения. Вещества, реализующие, отрицательный катализ называются ингибиторами.

Разновидности веществ, ускоряющих химические реакции

Существуют две общепризнанных классификации веществ, которые ускоряют протекания превращений в химии. Первая основывается на агрегатном состоянии катализатора, вторая – на происхождении.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию вещества каталитические соединения можно подразделить на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные вещества, ускоряющие химическую реакцию, находятся в одной фазе с реагентами. Гетерогенные вещества, ускоряющие химическое превращение, находятся в разных фаза с реагентами (например, катализатор представлен жидкость, а реагенты – газами).

Свойства гомогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся кислоты и основания. Например, серная кислота ускоряет протекание превращение органических субстратов. Основными свойствами гомогенных соединений являются:

в большинстве своем жидкости;
образование в ходе превращения промежуточных продуктов;
снижение энергии активации посредством образования промежуточных продуктов.

Свойства гетерогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся оксиды большинства металлов (Al₂O₃, CaO, BaO, MgO, TiO₂), а также алюмосиликаты и цеолиты. Обозначим основные свойства гетерогенных каталитических веществ:

являются твердыми веществами;
обладают развитой поверхностью;
разводятся на инертном носителе;
обладают способностью к физической адсорбции реагентов;
продукты превращения выделяются с поверхности катализатора посредством процесса десорбции;
катализ возможен благодаря диффузионным процессам.

Классификация по происхождению

По происхождению вещества, ускоряющие процесс протекания превращений в химии, подразделяются на органические и неорганические. Неорганические соединения в основном представлены тяжелыми металлами (свинец, палладий), спектр органический соединений намного шире. Основными представителями органических ускорителей превращений являются энзимы (соединения биологического происхождения). Энзимы – это катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в живых организмах. Ферменты (энзимы) имеют следующие особенности:

в живых организмах объединены в мультиферментные комплексы;
ускоряют биохимические процессы в организме в несколько десятков тысяч раз;
имеют высокую избирательность и специфичность (в отличие от неорганических);
являются простыми или сложными белками;
подвержены денатурации под действием денатурирующих агентов;
способны к ренативации (если она возможна);
большинство термолабильны (активность ферментов находится в прямой зависимости от колебания температур в живом организме);
действия ферментов может быть усилено индукторами, и ослаблено (или прекращено) ингибиторами.

Свойства катализаторов

Каталитические вещества, ускоряющие протекание реакций в химии, имеют определенные свойства. Обозначим их:

Другие свойства каталитические соединений связаны с их строением и физическими параметрами:

молекулярная масса;
размер молекулы;
атомный состав;
длительность службы;
твердость;
механическая упругость;
термолабильность;
термостойкость.

Каталитические системы на основе катализаторов

Современные промышленные каталитические смеси состоят из нескольких компонентов:

непосредственно катализатор;
активатор (промотор);
носитель.

Промотор

Добавление промоторов к каталитическому соединению улучшает следующие свойства последних: активность, избирательность и стабильность в системе. Сам по себе промотор может являться соединением, которое не участвует в протекающем процессе. По своему назначению активаторы подразделяются на две большие группы:

промоторы, предотвращающие процессы, негативно влияющие на каталитическое соединение;
промоторы увеличивающие каталитическую активность вещества, ускоряющего реакцию.

Также промоторы подразделены на две большие группы структурообразующие (инертные соединения, предотвращающие слипание частиц) и активирующие (изменяют электронную конфигурацию каталитического соединения в активную фазу катализа).

Носитель

Носитель представляет собой материю, на которую различными методами укладывают катализатор. При использовании носителя увеличивается площадь поверхности действия каталитического соединения, повышается его термостойкость. Благодаря использованию носителей возможна экономия в промышленных условиях достаточно дорогих каталитических элементов (палладий, никель, платина, серебро). Однако стоит отметь, что носитель также может положительно влиять на активность каталитического соединения, поэтому нельзя провести четкую границу между этими двумя понятиями. Носителями могут быть оксид алюминия, силикагель, пемза, каолин, асбест, алюмосиликаты и другие вещества.

Читайте также: