Chemie ist die Wissenschaft von Stoffen und deren Umwandlungen sowie Methoden zu ihrer Gewinnung. Auch in einem regulären Schullehrplan wird ein so wichtiges Thema wie Reaktionstypen berücksichtigt. Die Einteilung, in die Schulkinder auf der Grundstufe eingeführt werden, berücksichtigt die Änderung des Oxidationsgrades, die Phase des Verlaufs, den Mechanismus des Prozesses usw. Darüber hinaus werden alle chemischen Prozesse in nicht katalytische und katalytische unterteilt Reaktionen. Beispiele für Umwandlungen, die unter Beteiligung eines Katalysators stattfinden, begegnet einem Menschen im gewöhnlichen Leben: Gärung, Verfall. Nichtkatalytische Transformationen sind bei uns viel seltener.
Was ist ein Katalysator
Dies ist eine chemische Substanz, die die Wechselwirkungsgeschwindigkeit verändern kann, aber selbst nicht daran beteiligt ist. Wenn der Prozess mit Hilfe eines Katalysators beschleunigt wird, spricht man von positiver Katalyse. Falls eine dem Prozess zugesetzte Substanz die Reaktionsgeschwindigkeit verringert, spricht man von einem Inhibitor.
Katalysetypen
Homogene und heterogene Katalyse unterscheiden sich in Phase, inin denen sich die Ausgangsstoffe befinden. Befinden sich die für Wechselwirkungen angenommenen Ausgangskomponenten einschließlich des Katalysators im gleichen Aggregatzustand, so findet eine homogene Katalyse statt. Sind an der Reaktion Stoffe unterschiedlicher Phase beteiligt, tritt heterogene Katalyse auf.
Selektivität des Handelns
Katalyse ist nicht nur ein Mittel zur Steigerung der Produktivität von Anlagen, sie wirkt sich auch positiv auf die Qualität der resultierenden Produkte aus. Dieses Phänomen lässt sich damit erklären, dass aufgrund der selektiven (selektiven) Wirkung der meisten Katalysatoren die direkte Reaktion beschleunigt wird, Nebenprozesse reduziert werden. Am Ende sind die resultierenden Produkte von hoher Reinheit, eine weitere Reinigung der Substanzen ist nicht erforderlich. Die Selektivität der Katalysatorwirkung führt zu einer echten Reduzierung der Nichtproduktionskosten von Rohstoffen, ein guter wirtschaftlicher Vorteil.
Vorteile der Verwendung eines Katalysators in der Produktion
Was kennzeichnet katalytische Reaktionen sonst noch? Beispiele aus einem typischen Gymnasium zeigen, dass die Verwendung eines Katalysators es ermöglicht, den Prozess bei niedrigeren Temperaturen durchzuführen. Experimente bestätigen, dass damit Energiekosten deutlich gesenkt werden können. Dies ist besonders wichtig unter modernen Bedingungen, wenn es weltweit an Energieressourcen mangelt.
Beispiele zur katalytischen Herstellung
Welche Industrie verwendet katalytische Reaktionen? Beispiele für solche Produktionen:Produktion von Salpeter- und Schwefelsäure, Wasserstoff, Ammoniak, Polymere, Ölraffination. Die Katalyse wird häufig bei der Herstellung von organischen Säuren, einwertigen und mehrwertigen Alkoholen, Phenolen, Kunstharzen, Farbstoffen und Arzneimitteln eingesetzt.
Was ist der Katalysator
Viele Substanzen, die im Periodensystem der chemischen Elemente von Dmitry Ivanovich Mendeleev stehen, sowie ihre Verbindungen, können als Katalysatoren wirken. Zu den gebräuchlichsten Beschleunigern gehören: Nickel, Eisen, Platin, Kob alt, Alumosilikate, Manganoxide.
Eigenschaften von Katalysatoren
Zusätzlich zur selektiven Wirkung haben Katalysatoren eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, sie sind in der Lage, katalytischen Giften zu widerstehen und lassen sich leicht regenerieren (wiedergewinnen).
Nach dem Phasenzustand werden katalytische homogene Reaktionen in Gasphase und Flüssigphase unterteilt.
Schauen wir uns diese Art von Reaktionen genauer an. In Lösungen wirken Wasserstoffkationen H+, Hydroxidbasenionen OH-, Metallkationen M+ und Substanzen, die zur Bildung freier Radikale beitragen, als Beschleuniger der chemischen Umwandlung.
Das Wesen der Katalyse
Der Mechanismus der Katalyse bei der Wechselwirkung von Säuren und Basen besteht darin, dass ein Austausch zwischen den wechselwirkenden Substanzen und den katalysatorpositiven Ionen (Protonen) stattfindet. In diesem Fall finden intramolekulare Umwandlungen statt. DemzufolgeReaktionen gehen so:
- Austrocknung (Wasserablösung);
- Hydratation (Anlagerung von Wassermolekülen);
- Veresterung (Esterbildung aus Alkoholen und Carbonsäuren);
- Polykondensation (Bildung eines Polymers unter Wasserabsp altung).
Die Theorie der Katalyse erklärt nicht nur den Vorgang selbst, sondern auch mögliche Nebenumwandlungen. Bei der heterogenen Katalyse bildet der Beschleuniger des Prozesses eine eigenständige Phase, einige Zentren auf der Oberfläche der Reaktanden besitzen katalytische Eigenschaften oder die gesamte Oberfläche ist beteiligt.
Es gibt auch einen mikroheterogenen Prozess, bei dem ein Katalysator in kolloidalem Zustand vorliegt. Diese Variante ist ein Übergangszustand von einer homogenen zu einer heterogenen Katalyseart. Die meisten dieser Prozesse finden zwischen gasförmigen Stoffen unter Verwendung fester Katalysatoren statt. Sie können in Form von Granulat, Tabletten, Körnern vorliegen.
Verteilung der Katalyse in der Natur
Enzymatische Katalyse ist in der Natur ziemlich weit verbreitet. Mit Hilfe von Biokatalysatoren erfolgt die Synthese von Proteinmolekülen, der Stoffwechsel in lebenden Organismen wird durchgeführt. Kein einziger biologischer Prozess, der unter Beteiligung lebender Organismen abläuft, umgeht katalytische Reaktionen. Beispiele für lebenswichtige Prozesse: Synthese körpereigener Proteine aus Aminosäuren; Abbau von Fetten, Proteinen, Kohlenhydraten.
Katalysealgorithmus
Betrachten wir den Mechanismus der Katalyse. Dieser Prozess, der auf porösen festen chemischen Wechselwirkungsbeschleunigern stattfindet, umfasstsich ein paar Grundstufen:
- Diffusion von wechselwirkenden Substanzen zur Oberfläche von Katalysatorkörnern aus dem Kern der Strömung;
- Diffusion von Reagenzien in den Poren des Katalysators;
- Chemisorption (aktivierte Adsorption) auf der Oberfläche eines chemischen Reaktionsbeschleunigers mit dem Auftreten von chemischen Oberflächensubstanzen - aktivierte Katalysator-Reagens-Komplexe;
- Umlagerung von Atomen mit dem Auftreten von Oberflächenkombinationen "Katalysator-Produkt";
- Diffusion in den Poren des Produktreaktionsbeschleunigers;
- Diffusion des Produkts von der Kornoberfläche des Reaktionsbeschleunigers in die Kernströmung.
Katalytische und nichtkatalytische Reaktionen sind so wichtig, dass Wissenschaftler seit vielen Jahren auf diesem Gebiet forschen.
Bei der homogenen Katalyse müssen keine speziellen Strukturen gebaut werden. Die enzymatische Katalyse in der heterogenen Version beinh altet die Verwendung verschiedener und spezifischer Geräte. Für seine Strömung wurden spezielle Kontaktapparate entwickelt, die nach der Kontaktfläche (in Rohren, an Wänden, Katalysatorgittern) unterteilt sind; mit einer Filterschicht; gewogene Schicht; mit sich bewegendem pulverisiertem Katalysator.
Der Wärmeaustausch in Geräten wird auf unterschiedliche Weise realisiert:
- durch den Einsatz entfernter (externer) Wärmetauscher;
- mit Hilfe von im Kontaktapparat eingebauten Wärmetauschern.
Durch Analysieren von Formeln in der Chemie findet man auch solche Reaktionen, bei denen der Katalysator eines der Endprodukte ist, das bei der chemischen Wechselwirkung entstehtOriginalkomponenten.
Solche Prozesse nennt man meist autokatalytisch, das Phänomen selbst nennt man in der Chemie Autokatalyse.
Die Geschwindigkeit vieler Wechselwirkungen hängt mit dem Vorhandensein bestimmter Substanzen in der Reaktionsmischung zusammen. Ihre Formeln in der Chemie werden am häufigsten übersehen und durch das Wort "Katalysator" oder seine abgekürzte Version ersetzt. Sie gehen nicht in die endgültige stereochemische Gleichung ein, da sie sich nach Abschluss der Wechselwirkung quantitativ nicht ändern. In manchen Fällen reichen schon geringe Stoffmengen aus, um die Geschwindigkeit des Prozesses deutlich zu beeinflussen. Situationen sind auch durchaus akzeptabel, wenn das Reaktionsgefäß selbst als Beschleuniger der chemischen Wechselwirkung fungiert.
Das Wesen der Wirkung eines Katalysators auf die Änderung der Geschwindigkeit eines chemischen Prozesses besteht darin, dass diese Substanz in der Zusammensetzung des aktiven Komplexes enth alten ist und daher die Aktivierungsenergie der chemischen Wechselwirkung ändert.
Wenn dieser Komplex zerfällt, wird der Katalysator regeneriert. Unter dem Strich wird es nicht ausgegeben, es bleibt nach dem Ende der Interaktion in der gleichen Höhe. Aus diesem Grund reicht eine geringe Menge des Wirkstoffs völlig aus, um die Reaktion mit dem Substrat (Reaktionsstoff) durchzuführen. In Wirklichkeit werden bei chemischen Prozessen immer noch unbedeutende Mengen an Katalysatoren verbraucht, da verschiedene Nebenprozesse möglich sind: seine Vergiftung, technologische Verluste und eine Veränderung des Zustands der Oberfläche eines festen Katalysators. Chemieformeln enth alten keinen Katalysator.
Schlussfolgerung
Reaktionen, an denen ein Wirkstoff (Katalysator) beteiligt ist, umgeben einen Menschen, dabei laufen sie auch in seinem Körper ab. Homogene Reaktionen sind viel seltener als heterogene Wechselwirkungen. In jedem Fall werden zunächst Zwischenkomplexe gebildet, die instabil sind, allmählich zerstört werden und eine Regeneration (Wiederherstellung) des Beschleunigers des chemischen Prozesses beobachtet wird. Wenn beispielsweise Metaphosphorsäure mit Kaliumpersulfat reagiert, wirkt Jodwasserstoffsäure als Katalysator. Bei Zugabe zu den Reaktanten entsteht eine gelbe Lösung. Wenn Sie sich dem Ende des Vorgangs nähern, verschwindet die Farbe allmählich. In diesem Fall fungiert Jod als Zwischenprodukt, und der Prozess läuft in zwei Stufen ab. Aber sobald Metaphosphorsäure synthetisiert ist, kehrt der Katalysator in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Katalysatoren sind in der Industrie unverzichtbar, sie helfen, Umwandlungen zu beschleunigen und hochwertige Reaktionsprodukte zu erh alten. Auch biochemische Prozesse in unserem Körper sind ohne ihre Beteiligung nicht möglich.
