13.11:

Kataliza

JoVE Core
Chemia
Aby wyświetlić tę treść, wymagana jest subskrypcja JoVE.  Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
JoVE Core Chemia
Catalysis
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

25,321 Views

02:50 min
September 24, 2020

Obecność katalizatora wpływa na szybkość reakcji chemicznej. Katalizator to substancja, która może zwiększyć szybkość reakcji bez zużycia podczas procesu. Podstawowe zrozumienie roli katalizatorów w reakcjach chemicznych można zrozumieć dzięki koncepcji mechanizmów reakcji i diagramów energetycznych.

Image1

Ilustrowany obraz przedstawia diagramy reakcji dla endotermicznego procesu chemicznego przebiegającego przy braku (czerwona krzywa) i obecności (niebieska krzywa) katalizatora.

Obie krzywe reprezentują tę samą ogólną reakcję – zaczynają się i kończą przy tych samych energiach. (W tym przypadku produkty mają więcej energii niż reagenty. Stąd reakcja jest endotermiczna). Jednak ich mechanizmy reakcji są różne. Niekatalizowana reakcja przebiega w mechanizmie jednoetapowym (z obserwowanym tylko jednym stanem przejściowym). W przeciwieństwie do tego, reakcja katalizowana przebiega zgodnie z dwuetapowym mechanizmem (obserwuje się dwa stany przejściowe) ze znacznie mniejszą energią aktywacji. Ta różnica w szlakach reakcji ilustruje rolę katalizatora w dostarczaniu alternatywnego mechanizmu reakcji o niższej energii aktywacji, przyspieszając w ten sposób reakcje.

Mechanizm reakcji katalizowanej nie musi obejmować większej liczby elementarnych etapów niż mechanizm niekatalizowany. Musi jednak zapewniać alternatywną ścieżkę reakcji, której etap określania szybkości jest szybszy (o niższym Ea lub energii aktywacji).

Reakcję katalityczną można sklasyfikować jako jednorodną lub niejednorodną, w oparciu o stany fizyczne, w których katalizatory i reagenty występują podczas procesu katalitycznego.

Kataliza jednorodna

W katalizie jednorodnej katalizator znajduje się w tej samej fazie co reagenty – ciało stałe, ciecz lub gaz. Podczas procesu katalizator oddziałuje z reagentem, tworząc substancję pośrednią, która następnie rozkłada się lub reaguje z innym reagentem w jednym lub kilku etapach, aby zregenerować oryginalny katalizator i utworzyć produkt końcowy.

Przykładem katalizy jednorodnej jest proces chemiczny polegający na rozkładzie ozonu zachodzący w górnych warstwach atmosfery ziemskiej. Ozon jest stosunkowo niestabilną cząsteczką, która rozkłada się, dając dwuatomowy tlen. Ta reakcja rozkładu jest zgodna z następującym dwuetapowym mechanizmem:

Eq1

Wiele substancji może katalizować rozkład ozonu. Na przykład uważa się, że rozkład ozonu katalizowany tlenkiem azotu zachodzi poprzez następujący trzyetapowy mechanizm:

Eq2

Jednak ogólna reakcja jest taka sama zarówno dla dwuetapowego mechanizmu niekatalizowanego, jak i trzyetapowego mechanizmu katalizowanego NO:

Eq3

W reakcji katalizowanej zauważ, że NO jest reagentem w pierwszym kroku mechanizmu i produktem w ostatnim etapie. Jest to kolejna charakterystyczna cecha katalizatora: chociaż uczestniczy on w reakcji chemicznej, nie jest zużywany przez reakcję. Dodatkowo w tej jednorodnej katalizie zarówno reagent, jak i katalizator występują w fazie gazowej.

Kataliza heterogeniczna

W katalizie heterogenicznej katalizator występuje w innej fazie (zwykle w postaci stałej) niż reagenty. Takie katalizatory na ogół działają poprzez dostarczanie aktywnej powierzchni, na której może zachodzić reakcja. Reakcje w fazie gazowej i ciekłej katalizowane przez katalizatory niejednorodne zachodzą na powierzchni katalizatora, a nie w fazie gazowej lub ciekłej.

Kataliza heterogeniczna zazwyczaj obejmuje następujące procesy:

  1. Adsorpcja reagenta(-ów) na powierzchni katalizatora
  2. Aktywacja zaadsorbowanego reagenta (reagentów)
  3. Reakcja zaadsorbowanego reagenta (reagentów)
  4. Desorpcja produktu(-ów) z powierzchni katalizatora

Image2

Ilustrowany obraz przedstawia mechanizm reakcji polegającej na niejednorodnej katalizie etenu i wodoru gazowego na stałej powierzchni niklu, tworząc etan gazowy (C2H4 + H2 ⟶ C2H6):

a) Wodór adsorbuje się na powierzchni niklu. Podczas tego procesu wiązania wodór-wodór są zrywane, tworząc wiązania niklowo-wodorowe.
(b) Eten adsorbuje się również na powierzchni niklu, zrywając wiązanie pi węgiel-węgiel i tworząc wiązania niklowo-węglowe.
(c) Atomy wodoru dyfundują po powierzchni i tworzą nowe wiązania węgiel-wodór, gdy zderzają się, tworząc etan (C2H6).
d) Cząsteczki etanu desorbują się z powierzchni niklu.

Kataliza heterogeniczna jest stosowana do przemysłowej produkcji produktów chemicznych, takich jak amoniak, kwas azotowy, kwas siarkowy i metanol. Katalizatory heterogeniczne są również stosowane w katalizatorach znajdujących się w większości samochodów napędzanych benzyną.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 12.7: Kataliza.