Каталитические процессы

Установка по производству оксида этилена (окисление этилена кислородом на серебросодержащем слое катализатора)

Каталити́ческие проце́ссы (ката́лиз) — методы, которые позволяют ускорять или инициировать химические реакции с помощью специальных веществ, называемых катализаторами. Эти соединения многократно участвуют в промежуточных химических реакциях с реагентами, восстанавливая свою первоначальную структуру после завершения каждого взаимодействия. Процесс, при котором химическая реакция замедляется или практически полностью блокируется веществами, которые участвуют в реакции и затем возвращаются к своему исходному состоянию, называется ингибированием, а такие вещества называются ингибиторами. Эффективность катализатора в изменении скорости реакции измеряется его каталитической активностью, которая определяется как отношение скорости катализируемой реакции к массе или объёму катализатора. Автокатализ представляет собой особый вид катализа, при котором скорость реакции увеличивается за счёт конечных или промежуточных продуктов. Катализ является распространённым явлением как в природе, так и в промышленности, и большинство химических реакций имеют каталитический характер. Разнообразие веществ, способных выступать в роли катализаторов, очень велико.

Классификация каталитических процессов

Виды каталитических процессов

В зависимости от пространственной организации каталитической системы различают следующие виды каталитических процессов:

• гетерогенный катализ — катализаторы находятся в отдельной фазе (чаще всего твердой), которая отделена от реакционной среды разделительной поверхностью;
• гомогенный катализ — катализатор и реагенты находятся в одной фазе (обычно жидкой, иногда газообразной), причем катализатор равномерно распределён в объёме на атомном или молекулярном уровне;
• микрогетерогенный катализ — катализаторы представлены полимерными или коллоидными частицами, такими как мицеллы; особый случай — ферментативный катализ, где катализаторами выступают биологические молекулы, в основном белки;
• межфазный катализ — катализатор расположен на границе двух жидких фаз с различной растворимостью по отношению к реагентам и продуктам, что позволяет разделить реагенты и конечные продукты;
• мембранный катализ — активное вещество фиксируется на мембране, разделяющей реакционную систему на секторы с различным фазовым и химическим составом;
• гетерогенно-гомогенный катализ — реакции начинаются на поверхности твердого катализатора, а затем происходят в газовой или жидкой фазе благодаря переносам активных промежуточных частиц.

По механизму действия катализатора

• кислотно-основный катализ — реакции происходят благодаря взаимодействию, связанному с переносом протонов или гидроксид-ионов;
• окислительно-восстановительный катализ — процесс включает перенос электронов;
• металлокомплексный катализ — металлокомплексные соединения, образующие промежуточные комплексы с реагентами.

Катализ, вызываемый сильным физическим воздействием

• Катализ с воздействием физических факторов включает фотокатализ и радиационный катализ, когда катализатор активируется светом или ионизирующим излучением, а также электрокатализ, возникающий при электрохимических реакциях.

Физико-химические основы каталитических процессов

В термодинамике реакция может быть как равновесной, так и неравновесной. Катализаторы, в частности, играют важную роль в ускорении реакций без изменения положения равновесия. Это означает, что катализатор снижает активационную энергию, позволяя реагентам быстрее переходить в продукты, но не влияет на общее энергетическое состояние системы.

Количество реакций, которые могут испытывать превращение при наличии определённого числа катализаторов, не ограничено стехиометрическим соотношением и могут быть весьма большими. Заметное изменение скорости реагирования часто приводит к очень малому количеству катализаторов. К примеру, скорость кислородного окисления раствора натрия водного сульфита заметно увеличивается уже при концентрации 10⁻¹⁴ грамм меди на 1 миллилитр раствора натрия.

Каталитические процессы — сложные системы, в которых ключевую роль играют как химические реакции на активных центрах катализатора, так и физические процессы, такие как тепло- и массоперенос. Факторы, такие как размер частиц катализатора, его форма и пористость, играют важную роль в скорости реакций. Например, более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности на единицу объёма, что может увеличить скорость реакции. Также структура каталитического реактора, включая распределение потока и наличие зон с различной температурой или концентрацией реагентов, может значительно влиять на общую реакцию.

Разделение этих процессов на элементарные стадии позволяет более подробно изучить механизмы катализа и проанализировать отдельные этапы реакции, что способствует оптимизации условий для повышения эффективности катализаторов. Зависимость константы скорости k результирующего каталитического процесса от температуры вдали от термодинамического равновесия системы обычно аппроксимируют уравнением Аррениуса:

k = А • exр^(−Eа/RT),

где А — предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры;

E_а — эффективная (кажущаяся) энергия активации процесса в заданном температурном интервале;

R — универсальная газовая постоянная, равная 8,310 Дж/моль•К;

T — абсолютная температура.

Важнейшие каталитические процессы в промышленности

Каталитические технологии лежат в основе большинства современных процессов нефтепереработки, нефтехимии и химической промышленности. Катализ используют для получения важнейших неорганических продуктов — водорода, аммиака, серной и азотной кислот, серы и других, большинства органических полупродуктов, необходимых для синтеза различных полимерных материалов, — олефинов, бутадиена, стирола, фенола, формальдегида, адипиновой кислоты, полупродуктов анилинокрасочной промышленности, а также уксусной кислоты, ацетона, спиртов, растворителей, хладонов и многих других. Каталитические методы — крекинг, гидрокрекинг, изомеризация, алкилирование, риформинг, гидроочистка — это основа всех процессов нефтепереработки.

Все способы производства синтетического моторного топлива из угля, природного газа и биомассы основываются на использовании катализа. Процессы, связанные с катализом, играют главную роль в большом количестве технологий охраны окружающей среды, которые помогают предотвратить загрязнение атмосферы и воды вредоносными газами, которые образовались в результате человеческой деятельности. Эти технологии помогают очистке сточных вод как органического, так и неорганического происхождения. Катализ широко используется в области теплоэнергетики и в системах генерации электроэнергии.

Катализ в живой природе

Катализ играет ведущую роль в химических превращениях не только в промышленности, но и в живой природе. Вся сложная система управления жизненными процессами в организмах основана на сложных комплексах химических превращений, обуславливающих брожение, дыхание, пищеварение, преобразование химической энергии в механическую. Все эти процессы осуществляются с помощью ферментов — катализаторов белковой природы, образующихся в живых телах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. В настоящее время широко ведутся исследования синтетических катализаторов — органических полупроводниковых комплексных соединений, различных полимеров и характеризующихся более простым составом и моделирующих в известной степени действие ферментов.

Задача катализа — создание недорогих и эффективных катализаторов, которые будут по скорости действия сопоставимы с ферментами, обнаруживаемыми в живых организмах. Важно, чтобы эти катализаторы были безопасны как для природы, так и для здоровья человека.

Историческая справка

В XIX веке началось изучение катализа. Первым кто начал его изучать считается К. С. Кирхгоф. В 1811 году он доказал, что разбавленные кислоты способствуют трансформации крахмала в глюкозу, без уменьшения своего количества; в 1814 году установил что реакция трансформации крахмала в глюкозу катализируется ферментом диастазы из ячменного солода. Во время проведения своих исследований при гидролизе пшеничной муки Константин Кирхгоф впервые осуществил ферментативное превращение крахмала в сахар. Позднее результаты этой работы легли в основу работ русских ученых А. А. Колли и Н. А. Бунге, выделивших в 1833 году фермент амилазу.

В настоящее время российские учёные открыли каталитические превращения углеводородов различных классов (А. Е. Фаворский, Н. Д. Зелинский, Б. А. Казанский и их ученик Б. Л. Молдавский). Они заложили основы для каталитических процессов нефтепереработки, а также впервые в мире разработали и осуществили каталитический синтез 1,3-бутадиена из этанола и синтез бутадиенового каучука (С. В. Лебедев и его ученики). Кроме того, было установлено значение геометрических параметров твёрдых катализаторов (Н. Д. Зелинский, Н. И. Кобозев, А. А. Баландин) и их электронной структуры (Л. В. Писаржевский, С. З. Рогинский) для достижения активности катализатора.

В середине XX века Г. К. Боресковым предложена и развита теория катализа как химии промежуточных взаимодействий участников каталитических превращений с катализатором и выявлено определяющее значение энергетических параметров этих взаимодействий на каталитическую активность. Эти положения лежат в основе всех современных теорий катализа. С. З. Рогинский, М. И. Тёмкин и Г. К. Боресков установили: кинетические уравнения каталитических реакций могут содержать концентрации реагентов с дробными показателями, что может быть обусловлено, в частности, изменением энергии взаимодействия каталитических интермедиатов с катализатором при заполнении поверхности катализатора реагирующим веществом.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!