Нездійсненних реакцій немає, а
якщо реакція не йде, то ще не
знайдений каталізатор.
Н. Н. Зелінський
У 1835 шведський хімік Й. Берцеліусом встановив, що в присутності певних речовин швидкість деяких хімічних реакцій істотно зростає. Для таких речовин він ввів термін «каталізатор» (від грец. Katalysis - розслаблення). Як вважав Берцеліус, каталізатори мають особливу здатність послаблювати зв'язку між атомами в молекулах, що беруть участь в реакції, полегшуючи таким чином їх взаємодія. Великий внесок у розвиток уявлень про роботу каталізаторів вніс німецький физикохимик В.Оствальд, який в 1880 дав визначення каталізатора як речовини, що змінює швидкість реакції.
Каталізаторами називають речовини, які збільшують швидкість реакції, беруть участь в ній, але залишаються після закінчення реакції у вихідних кількостях. Іншими словами, каталізатори - це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції або викликають її, але не входять до складу продуктів.
Як правило, каталізатор вводиться в систему в дуже невеликих кількостях в порівнянні з масою реагентів. Проте ефективність дії цих малих добавок надзвичайно висока. У момент самої реакції каталізатор бере активну участь в хімічному процесі, як і реагенти. Але до кінця реакції між ними виникає принципова відмінність - реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись в продукти, а каталізатор виділяється в первісному вигляді. Однак фізично каталізатор змінюється. Нарпімер, кристалічний MnO2 в процесі каталітичного розкладання хлората калію KClO3 перетворюється в дрібнодисперсний порошок. Ці зміни свідчать про те, що в ході реакції на певних стадіях каталізатор вступає у взаємодію з реагентами, а після закінчення її знову виділяється.
Найважливіша властивість каталізаторів - селективність. тобто здатність збільшувати швидкість лише певних хімічних реакцій з багатьох можливих. Це дозволяє здійснювати реакції, що протікають в звичайних умовах занадто повільно, щоб їм можна було знайти практичне застосування, і забезпечує утворення потрібних продуктів.
Активність каталізатора сильно заваісіт від присутності сторонніх речовин, дія яких може бути двояким: збільшувати активність каталізатора або знижувати її. Речовини, що не володіють каталітичної активністю, але збільшують активність каталізатора, називаються промоторами або активаторами. Речовини, що сприяють зниженню активності каталізатора, аж до повної її втрати, називаються каталітичними отрутами. При взаємодії отрут з каталізатором утворюються малоактивні продукти, що не володіють каталітичною дією. Це явище називається отруєнням каталізатора. Залежно від стабільності утворилися продуктів отруєння буває оборотним і необоротним. При оборотному отруєнні активність каталізатора може бути відновлена пропусканням свіжих порцій реакційної суміші. При незворотному отруєнні потрібна повна регенерація каталізатора або його заміна.
Каталізатори класифікують виходячи з природи реакції, яку вони прискорюють, їх хімічного складу або фізичних властивостей. Каталітичні властивості мають в тій чи іншій мірі практично всі хімічні елементи і речовини - самі по собі або, частіше, в різних поєднаннях. За своїми фізичними властивостями каталізатори діляться на гомогенні і гетерогенні. Типові каталізатори для гомогенного каталізу - протонні і апротонних кислоти, підстави, деякі комплекси металів, для гетерогенного - метали, оксиди металів, сульфіди і інші. Реакції одного і того ж типу можуть протікати в умовах як гомогенного, так і гетерогенного каталізу. Так, для кислотно-основних реакцій типові каталізатори - розчини кислот і підстав або тверді тіла з кислотними (Аl2 О3. ТiO2. ТhO2. Алюмосилікати, цеоліти і ін.) Або основними [CaO, BaO, MgO, Ca (NH2) 2 і ін .] властивостями. Для окисно-відновних реакцій найбільш поширеними каталізаторами є перехідні метали (Pt, Pd, Ni, Fe, Co), оксиди (V2 O5. MnO2. MoO3. Сr2 О3), в тому числі шпінелі, сульфіди (MoS2. WS2. CoS), а також напівпровідники, що не мають в своєму складі перехідних елементів.
Існує ще один вид каталізаторів - ферменти (ензими). Ферменти - це білкові молекули, що прискорюють хімічні процеси в біологічних системах. Їх часто називають біокаталізаторами.
Області застосування
Про важливу роль каталітичних процесів можна судити по тому факту, що вони забезпечують 20% валового національного продукту США.
Пошук, підбір, дослідження і подальше впровадження в практику все нових і нових каталізаторів є однією з найважливіших і складних завдань сучасної науки і техніки.
- в нафтовій промисловості для крекінгу вуглеводнів (з його допомогою збільшується вихід бензину і гасу) і риформінгу (який призводить до перебудови структури вуглеводнів і підвищення октанового числа бензину);
- при переробці природного газу;
- при отриманні полімерів і штучного каучуку;
- при виробництві сірчаної та азотної кислот, аміаку, синтетичного метилового і етилового спиртів, інших продуктів органічного та неорганічного синтезу;
- для захисту повітря від газоподібних забруднень в очисних спорудах на хімічних підприємствах і в вихлопних трубах автомобілів (каталітичні перетворювачі). В цьому випадку вихлопні гази, що містять вуглеводні і чадний газ СО, пропускають через шар кульок, вкритих платиновим і паладієвих каталізаторами. Перетворювач нагрівають і через нього проганяють надлишок повітря. В результаті вуглеводні і чадний газ перетворюються на вуглекислий газ СО2 і воду, які є нешкідливими речовинами.
Каталітичні перетворювачі використовують також для відновлення оксидів азоту в вільний азот.
Ферменти відіграють незамінну роль у біологічних системах. Крім того, їх використовують в таких технологічних процесах, як приготування їжі, виробництво харчових продуктів та напоїв, фармацевтичних препаратів, миючих засобів, текстильних виробів, шкіри, паперу.
Адсорбція (від лат. Ad -на, при і sorbeo -поглинає) - це концентрування різних речовин на поверхні розділу двох систем (тверда речовина - рідина, тверда речовина - газ, рідина - газ, рідина - рідина). Речовина, яка утримує на своїй поверхні частинки, за допомогою створення адсорбционного силового поля за рахунок нескомпенсованність міжмолекулярних сил поблизу цієї поверхні, називається адсорбентом. Речовини, які адсорбуються, є адсорбатамі. Адсорбція може супроводжуватися хімічною реакцією між адсорбентом і адсорбатом. Такий процес називається хемосорбцией. Процес, зворотний адсорбції, називають десорбцією.
Саме завдяки адсорбції можуть служити каталізаторами тверді речовини.
Природа адсорбирующих сил може бути дуже різною. Якщо це ван-дер-ваальсові сили, то адсорбцію називають фізичної. якщо валентні (тобто адсорбція супроводжується утворенням поверхневих хімічних сполук), - хімічної. або хемосорбцией. Відмінні риси хемосорбції - незворотність, високі теплові ефекти (сотні кДж / моль), активоване характер. Між фізичної та хімічної адсорбції існує безліч проміжних випадків (наприклад, адсорбція, обумовлена утворенням водневих зв'язків). Можливі також різні типи фізичної адсорбції найбільш універсально прояв дисперсійних міжмолекулярних сил тяжіння, т. К. Вони приблизно постійні для адсорбентів з поверхнею будь-якої хімічної природи (так звана неспецифічна адсорбція). Фізична адсорбція може бути викликана електростатичними силами (взаємодія між іонами, диполями або квадруполів). Значну роль при адсорбції грає також геометрія поверхні розділу: у випадку плоскої поверхні говорять про адсорбції на відкритій поверхні, в разі слабо або сильно викривленої поверхні - про адсорбції в порах адсорбенту.
Адсорбційні властивості адсорбентів залежать від хімічного складу і фізичного стану поверхні, від характеру пористості і питомої поверхні (поверхні, що припадає на 1 г речовини). Непористі адсорбенти (мелені кристали, мелкокристаллические опади, частки димів, сажі, аеросил) мають питомі поверхні приблизно від 1 м 2 / г до 500 м 2 / г. Питома поверхня пористих адсорбентів (силикагелей, алюмогель, алюмо-силікатних каталізаторів, активного вугілля) досягає 1000 м 2 / г.
Непористі високодисперсні адсорбенти отримують головним чином при термічному розкладанні або неповному згорянні вуглеводнів (отримання саж), при спалюванні елементоорганіческіх або галогенних сполук (отримання високодисперсного кремнезему - аеросилу). Пористі адсорбенти отримують наступними способами:
1) створюючи мережі пір в грубодисперсних твердих тілах хімічною дією;
2) готуючи гелі з колоїдних розчинів - золів; при висушуванні таких гелів із зазорів між колоїдними частинками віддаляється розчинник і внаслідок цього отримується матеріал володіє розвиненою системою пор;
3) синтезуючи пористі кристали типу цеолітів, які отримують особливо велике значення як каталізатори, адсорбенти і молекулярні сита.
Адсорбенти отримують також термічним розкладанням карбонатів, оксалатів, гидроокисей, деяких полімерів, молекулярною сублімацією твердих тіл в вакуумі і іншими способами.
Області застосування адсорбційної техніки
На явищі адсорбції засновані багато способів очищення повітря від шкідливих домішок, води, а також цукрових сиропів при цукроварінні, фруктових соків та інших рідин в харчовій промисловості, відпрацьованих мастил. Видалення вологи як шкідливої домішки з газів і рідин за допомогою твердих адсорбентів - одна з важливих галузей адсорбційної техніки.
На адсорбційних процесах засновано тонке поділ сумішей речовин і виділення з складних сумішей певних компонентів. Приклади - поділ ізомерів алканів з метою отримання нормальних вуглеводнів для виробництва ПАР, поділ нафти при виробництві моторних палив. Для газових сумішей адсорбирующие методи поділу використовують при отриманні повітря, збагаченого киснем (аж до майже чистого О2); у багатьох випадках ці методи успішно конкурують з ректифікаційної.
Швидко розвивається сфера застосування адсорбирующей техніки - медицина, де вона дозволяє отримувати шкідливих речовин з крові (метод гемосорбції) та інших фізіологічних рідин. Високі вимоги до стерильності ставлять дуже важке завдання підбору відповідних адсорбентів. До них відносяться спеціально приготовлені активні вугілля.
Області застосування адсорбентів
Адсорбенти застосовують як носії в каталізі, як наповнювачі для полімерів, для хроматографічного розділення сумішей, в протигазах, в медицині, в нафтохімії для очищення нафтопродуктів і газів, а також в високовакуумної техніці для сорбційних насосів.
Абсорбент - рідина, в якій відбувається абсорбція (об'ємне поглинання газів або парів абсорбентом з утворенням розчину).
Абсорбція газів (лат. Absorptio, від absorbeo -поглинає), об'ємне поглинання газів і парів рідиною (абсорбентом) з утворенням розчину. Застосування абсорбції в техніці для розділення і очищення газів, виділення парів з парогазових сумішей засноване на різній розчинності газів і парів в рідинах. Процес, зворотний абсорбції, називається десорбцією; його використовують для виділення з розчину поглиненого газу і регенерації абсорбенту. Поглинання газів металами (наприклад, водню паладієм) називається оклюзією.
Розрізняють фізичну і хімічну абсорбцію. При фізичній абсорбції енергія взаємодії молекул газу і абсорбенту в розчині не перевищує 20 кДж / моль. Розчинення газу не супроводжується хімічною реакцією (або, принаймні, ця реакція не робить помітного впливу на процес).
При хімічної абсорбції (або абсорбція з хімічною реакцією, часто називають хемосорбцией) молекули розчиненого газу реагують з активним компонентом абсорбенту-хемосорбентом (енергія взаємодії молекул більше 25 кДж / моль) або в розчині відбувається дисоціація або асоціація молекул газу. Проміжні варіанти абсорбції характеризуються енергією взаємодії молекул 20-30 кДж / моль. До таких процесів відноситься розчинення з утворенням водневого зв'язку, зокрема абсорбція ацетилену диметилформамидом.
На абсорбції засновані багато найважливіших промислових процеси, наприклад виробництво азотної, соляної та сірчаної кислот (поглинання водою газоподібних двоокису азоту, хлористого водню і сірчаного ангідриду), виробництво соди (абсорбція вуглекислого газу), очищення відведених промислових газів від шкідливих домішок (сірководню, сірчистого ангідриду , окису вуглецю, вуглекислого газу та ін.), витяг вуглеводневих газів і домішок (наприклад, т. зв. газового бензину, газів крекінгу і піролізу), а також виділення індивідуальних вуглеводнів. Абсорбція здійснюють на абсорбційних установках, основним апаратом в яких служить абсорбер (устар. - скрубер), що має розвинену поверхню зіткнення абсорбенту з поглинається речовиною.
Абсорбент або адсорбент?
Ось два схожих слова, і не можна сказати, що одне правильно, а інше немає - адже вони позначають різні поняття. Давайте уточнимо, які саме.
Ну, по-перше, словники говорять, що абсорбент і адсорбент - речовини, що володіють здатністю абсорбції і адсорбції відповідно. Тому шукаємо далі.
Абсорбція. Поглинання, всмоктування якого-небудь речовини з розчину або з газу всією масою іншої речовини.
Адсорбція. Поглинання, всмоктування речовини з розчину або газу поверхнею твердого тіла або поверхневим шаром рідини.
Плутанина між "абсорбентом" і "адсорбентом" виникає тому, що і той, і інший на видимому рівні поглинають своїм обсягом. Важливо підкреслити, що адсорбенти поглинають за рахунок прилипання поглинається речовини до поверхні, яка велика через великої кількості внутрішніх пір. Звідси виникає враження, що адсорбенти теж поглинають своїм обсягом, тобто зовнішній ефект змішує поняття.
Деякі речовини (наприклад, звичайна вата) і адсорбують, і абсорбують одночасно (хоча вата, звичайно, адсорбує більшою мірою).