Мир науки

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Загрузка...

Гетерогенный катализ - примерГетерогенный катализ - это каталитические процессы, происходящие па поверхности раздела фаз.

При этом катализатором является твердая фаза, а реагирующими веществами зачастую жидкая или газообразная фаза.
Гетерогенно-каталитические реакции широко применяются в промышленности, чем гомогенные и ферментативные. Это обусловлено тем, что твердые катализаторы легче отделить от жидкой или газообразной фазы, в которой содержатся реагенты. Катализатор действует не всей своей массой, а лишь поверхностными активными центрами. Поэтому скорость такой каталитической реакции уже не будет пропорциональной массе катализатора, как в гомогенном катализе, а зависеть от удельной площади поверхности катализатора. В промышленности применяют катализаторы в виде цилиндров, гранул диаметром несколько миллиметров, а также катализаторы, получаемые нанесением активного агента (платины, палладия) на пористый посей - активированный уголь, кизельгур, силикагель, алюмогель. Количество каталитически активного металла в нанесенном катализаторе не превышает нескольких процентов, что дает возможность экономить драгоценные дефицитные металлы. За очень малых концентраций нанесенного металла на поверхности носителей находятся не мик рокристалы, а небольшие группы атомов, которые Кобозсв назвал ансамблями. Он обратил внимание на то, что за увеличением количества нанесенного металла на носителе активность нанесенного катализатора проходит через максимум. Наличие максимума указывает на их;, что носителями каталитической активности с ансабле определенного размера, которые имеют определенное количество атомов. Теория Кобозсва дас определить это количество атомов.
Для повышения активности, термодинамической устойчивости, механической жесткости применяют катализаторы в виде многокомпонентных систем - смешанные и промотировани. Смешанные катализаторы - это смесь двух или нескольких оксидов Al2О3, Сr2О3, СаО и МgO, активность которых является функцией состава. Часто к катализатору добавляют активаторы (промоторы), не имеющих каталитических свойств, но повышают каталитическую активность катализатора. Например, для железного катализатора синтеза аммиака таким промотором с оксид алюминия. Он покрывает тонкой пленкой поверхность катализатора и защищает его от рекристаллизации, сохраняя дефекты в поверхностном слое, т.е. удельную активность катализатора.
Во время гетерогенного катализа, как гомогенного, активность катализатора со временем уменьшается из-за его отравлении. Отравление может быть обратным или необратимым. Соединения, содержащие серу, мышьяк отравляют необратимо много металлических катализаторов. Следует отметить, что небольшое количество яда существенно выливает на активность катализатора.
Катализаторы проявляют специфические (выборочные) свойства, то есть для одних и тех же исходных веществ катализаторы могут вызвать неодинаковые процессы с образованием различных конечных продуктов Например, в присутствии оксида алюминия этиловый спирт при температуре 350 ° С разлагается на этилен и воду. Специфичность действия катализатора масс большое значение в промышленности, поскольку дает возможность провести химический процесс в необходимом направлении с большой скоростью, если в данной системе термодинамически возможны несколько ненадлежащих химических превращений.
Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем гомогенного. Существует несколько теорий гетерогенного катализа, однако каждая из них полностью не объясняет механизма этого процесса. Рассмотрим некоторые из них.
Принципиально отличие гетерогенной каталитической реакции в гомогенной заключается усталость, что химические процессы происходят не в объеме реагирующей системы, а на поверхности раздела фаз. Гетерогенно-каталитические реакции происходят последовательно в несколько стадий. Например, первой стадией является транспортировка реагирующих веществ к поверхности катализатора. Вторая стадия - адсорбция молекул субстрата на поверхности катализатора, третья - реакция на поверхности катализатора. Четвертая стадия соответствует процессу десорбции продуктов реакции с поверхности катализатора и, наконец, пятая - это транспортировка продуктов реакции в объем системы. В зависимости от условий проведения каталитического процесса и его особенностей, перечисленные стадии могут происходить с разной скоростью. Активность катализатора характеризуется скоростью реакции на поверхности раздела фаз.
Первая и пятая стадии определяются законами диффузии. Второй стадией является адсорбция молекул субстрата с газовой или жидкостной фазы на поверхности катализатора. Адсорбция - самопроизвольного процесса концентрирования вещества па поверхности раздела фаз. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия между молекулами субстрата и активными центрами катализатора. При хемосорбции происходит химическое взаимодействие молекул субстрата с поверхностью твердой фазы с образованием связей ковалентного или полярного характера. Поскольку адсорбция - это самопроизвольного процесса, она происходит с уменьшением энергии Гиббса и энтропии системы за счет упорядочивания молекул субстрата в адсорбционном слое. Большое распространение получили представление, что поверхность катализатора неоднородна и на ней присутствуют активные центры. Эти предположения были сделаны Д.П. Коноваловым еще в 1885 г. Позже их развил X. Тейлор (1926). Наибольшее распространение получила мультиплетна теория катализа А.А. Баландина (1930). Мультиплет - это отдельные участки поверхности катализатора, состоящие из нескольких атомов и на которых происходит адсорбция молекулы субстрата. Мультиплетна теория основывается на двух принципах: геометрической и энергетической соответствия. Между мультиплета и адсорбированными молекулами может существовать геометрическая (структурная) соответствие, т.е. геометрическое расположение силовых центров на поверхности катализатора (мультиплета) должен соответствовать расположению атомов в молекуле субстрата. Академик А.А. Баландин доказал, что для ускорения реакции гидрирования и дегидрирования шестичленных циклических углеводов С6Н6, С6Н12 используют катализаторы - металлы с гексагональной кристаллической решеткой - с межатомным расстоянием (2,5 ... 2,8) • 10-10 м. Но для активации каталитического процесса необходима не только геометрическое соответствие между мультиплета и субстратом, но и взаимодействие между ними. Эта теория не рассматривает молекулярного механизма взаимодействия субстрата с катализатором.
М.И. Кобозев (1939) предложил теорию активных ансамблей, согласно которой активный центр (ансамбль) катализатора должен состоять из одного-двух атомов металла (реже шести), что соответствует максимальной активности катализатора. Дальнейшее развитие теории гетерогенного катализа показал, что механизм гетерогенно-каталитического акта следует рассматривать на основе квантовой теории химической связи (т.е. теории молекулярных орбиталей). При этом необходимо учитывать свойства молекул, находящихся на поверхности твердой фазы.


Яндекс.Метрика
Биология      Физика      Химия      Экономика     География
Микробиология      Теоретическая механика     География Белоруссии    География Украины    География Молдавии
Растительность мира      Электротехника    География Грузии    География Армении    География Азербайджана
География Казахстана    География Узбекистана    География Киргизии    География Туркменистана    Природоведение
География Таджикистана    География Эстонии