So identifizieren Sie einen Katalysator in der Chemie. Hydrierung von Pflanzenöl. Herstellung von Ethylen durch Dehydrodimerisierung von Methan
Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen kann in Gegenwart verschiedener Substanzen, die keine Reagenzien sind und nicht Teil der Reaktionsprodukte sind, stark ansteigen. Dieses bemerkenswerte Phänomen heißt Katalyse(aus dem Griechischen „Katalyse“ – Zerstörung). Ein Stoff, dessen Anwesenheit in einem Gemisch die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöht, wird genannt Katalysator. Seine Menge vor und nach der Reaktion bleibt unverändert. Katalysatoren stellen keine besondere Stoffklasse dar. Bei verschiedenen Reaktionen können Metalle, Oxide, Säuren, Salze und komplexe Verbindungen eine katalytische Wirkung entfalten. Chemische Reaktionen in lebenden Zellen laufen unter der Kontrolle sogenannter katalytischer Proteine ab Enzyme. Die Katalyse sollte als ein wirklich chemischer Faktor zur Steigerung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen betrachtet werden, da der Katalysator direkt an der Reaktion beteiligt ist. Die Katalyse ist oft ein wirksameres und weniger riskantes Mittel zur Beschleunigung einer Reaktion als die Erhöhung der Temperatur. Dies wird am Beispiel chemischer Reaktionen in lebenden Organismen deutlich. Reaktionen wie die Hydrolyse von Proteinen, die in Laboren unter längerem Erhitzen auf Siedetemperatur durchgeführt werden müssen, finden während des Verdauungsprozesses ohne Erhitzen auf Körpertemperatur statt.
Das Phänomen der Katalyse wurde erstmals 1818 vom französischen Chemiker L. J. Tenard (1777-1857) beobachtet. Er entdeckte, dass die Oxide bestimmter Metalle, wenn sie einer Wasserstoffperoxidlösung zugesetzt werden, deren Zersetzung bewirken. Dieses Experiment lässt sich leicht reproduzieren, indem man Kaliumpermanganatkristalle zu einer 3 %igen Wasserstoffperoxidlösung hinzufügt. Das Salz KMn0 4 wandelt sich in Mn0 2 um und unter Einwirkung des Oxids wird Sauerstoff schnell aus der Lösung freigesetzt:
Der direkte Einfluss des Katalysators auf die Reaktionsgeschwindigkeit ist mit einer Abnahme der Aktivierungsenergie verbunden. Gibt es bei normalen Temperaturen eine Abnahme? und um 20 kJ/mol erhöht sich die Geschwindigkeitskonstante um etwa das 3000-fache. Degradierung E L kann viel stärker sein. Eine Abnahme der Aktivierungsenergie ist jedoch eine äußere Manifestation der Wirkung des Katalysators. Die Reaktion ist durch einen bestimmten Wert gekennzeichnet E. v was sich nur ändern kann, wenn sich die Reaktion selbst ändert. Während die gleichen Produkte entstehen, verläuft die Reaktion unter Beteiligung der zugesetzten Substanz auf einem anderen Weg, durch andere Stufen und mit einer anderen Aktivierungsenergie. Wenn auf diesem neuen Weg die Aktivierungsenergie geringer ist und die Reaktion entsprechend schneller abläuft, dann spricht man von einem Katalysator.
Der Katalysator interagiert mit einem der Reagenzien und bildet eine Zwischenverbindung. In einer der folgenden Reaktionsstufen wird der Katalysator regeneriert – er verlässt die Reaktion in seiner ursprünglichen Form. Die an der katalytischen Reaktion beteiligten Reagenzien interagieren weiterhin langsam miteinander, ohne dass ein Katalysator beteiligt ist. Daher gehören katalytische Reaktionen zu einer Art komplexer Reaktionen, die als seriell-parallele Reaktionen bezeichnet werden. In Abb. Abbildung 11.8 zeigt die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante von der Katalysatorkonzentration. Der Abhängigkeitsgraph geht nicht durch Null, da die Reaktion in Abwesenheit eines Katalysators nicht stoppt.
Reis. 11.8.
konstant beobachtet k ausgedrückt durch die Summe k u+ & k c(K)
Beispiel 11.5. Bei einer Temperatur von -500 °C findet die Oxidationsreaktion von Schwefeloxid (1U) statt.
Dies ist eine der Stufen der industriellen Herstellung von Schwefelsäure und verläuft sehr langsam. Eine weitere Temperaturerhöhung ist nicht akzeptabel, da sich das Gleichgewicht nach links verschiebt (die Reaktion ist exotherm) und die Produktausbeute zu stark abnimmt. Diese Reaktion wird jedoch durch verschiedene Katalysatoren beschleunigt, einer davon kann Stickstoffmonoxid (N) sein. Zunächst reagiert der Katalysator mit Sauerstoff: 
und überträgt dann das Sauerstoffatom auf Schwefeloxid (1U):
Dadurch entsteht das Endprodukt der Reaktion und die Regenerierung des Katalysators. Die Reaktion hat nun die Möglichkeit, einen neuen Weg einzuschlagen, bei dem sich die Geschwindigkeitskonstanten deutlich erhöht haben:
Das folgende Diagramm zeigt beide Pfade des SO 2 -Oxidationsprozesses. In Abwesenheit eines Katalysators verläuft die Reaktion nur auf dem langsamen Weg und in Gegenwart eines Katalysators über beide.
Es gibt zwei Arten der Katalyse: homogen Und heterogen. Im ersten Fall bilden Katalysator und Reagenzien ein homogenes System in Form eines Gasgemisches oder einer Lösung. Ein Beispiel für die Schwefeloxidoxidation ist die homogene Katalyse. Die Geschwindigkeit einer homogenen katalytischen Reaktion hängt sowohl von den Konzentrationen der Reaktanten als auch von der Konzentration des Katalysators ab.
Bei der heterogenen Katalyse ist der Katalysator eine feste Substanz in reiner Form oder auf einem Träger Träger. Beispielsweise kann Platin als Katalysator auf Asbest, Aluminiumoxid usw. fixiert werden. Reaktantenmoleküle werden an speziellen Stellen auf der Oberfläche des Katalysators – aktiven Zentren – aus einem Gas oder einer Lösung adsorbiert (absorbiert) und gleichzeitig aktiviert. Nach der chemischen Umwandlung werden die resultierenden Produktmoleküle von der Oberfläche des Katalysators desorbiert. An aktiven Zentren wiederholen sich Prozesse der Teilchentransformation. Die Geschwindigkeit einer heterogenen katalytischen Reaktion hängt unter anderem von der Oberfläche des katalytischen Materials ab.
Die heterogene Katalyse wird in der Industrie besonders häufig eingesetzt. Dies wird durch die einfache Durchführung eines kontinuierlichen katalytischen Prozesses erklärt, wenn eine Mischung von Reagenzien durch eine Kontaktapparatur mit einem Katalysator geleitet wird.
Katalysatoren wirken selektiv und beschleunigen eine ganz bestimmte Art von Reaktion oder sogar eine separate Reaktion, ohne andere zu beeinflussen. Dies ermöglicht den Einsatz von Katalysatoren nicht nur zur Beschleunigung von Reaktionen, sondern auch zur gezielten Umwandlung von Ausgangsstoffen in die gewünschten Produkte. Methan und Wasser werden bei 450 °C am Fe 2 0 3-Katalysator in Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt:
Dieselben Stoffe reagieren bei 850 °C auf der Nickeloberfläche zu Kohlenmonoxid (II) und Wasserstoff:
Die Katalyse gehört zu den Bereichen der Chemie, in denen es noch nicht möglich ist, genaue theoretische Vorhersagen zu treffen. Alle industriellen Katalysatoren für die Verarbeitung von Erdölprodukten, Erdgas, Ammoniakproduktion und vielen anderen werden auf der Grundlage arbeitsintensiver und zeitaufwändiger experimenteller Forschung entwickelt.
Die Fähigkeit, die Geschwindigkeit chemischer Prozesse zu kontrollieren, ist für die menschliche Wirtschaftstätigkeit von unschätzbarem Wert. Bei der industriellen Herstellung chemischer Produkte ist es in der Regel erforderlich, die Geschwindigkeit technologischer chemischer Prozesse zu erhöhen, und bei der Lagerung von Produkten ist es erforderlich, die Zersetzungsgeschwindigkeit oder die Einwirkung von Sauerstoff, Wasser usw. zu verringern. Es sind Substanzen bekannt, die chemische Reaktionen verlangsamen können. Sie heißen Inhibitoren, oder negative Katalysatoren. Inhibitoren unterscheiden sich grundlegend von echten Katalysatoren dadurch, dass sie mit aktiven Spezies (freien Radikalen) reagieren, die aus dem einen oder anderen Grund in der Substanz oder ihrer Umgebung entstehen und wertvolle Zersetzungs- und Oxidationsreaktionen hervorrufen. Die Hemmstoffe werden nach und nach verbraucht und verlieren ihre Schutzwirkung. Die wichtigste Art von Inhibitoren sind Antioxidantien, die verschiedene Materialien vor der Einwirkung von Sauerstoff schützen.
Es lohnt sich auch, daran zu erinnern, was mit Hilfe von Katalysatoren nicht erreicht werden kann. Sie können nur spontane Reaktionen beschleunigen. Wenn die Reaktion nicht spontan abläuft, kann der Katalysator sie nicht beschleunigen. Beispielsweise kann kein Katalysator die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bewirken. Dieser Prozess kann nur durch Elektrolyse durchgeführt werden, was elektrische Arbeit erfordert.
Katalysatoren können auch unerwünschte Prozesse aktivieren. In den letzten Jahrzehnten kam es in einer Höhe von 20–25 km zu einer allmählichen Zerstörung der Ozonschicht der Atmosphäre. Es wird davon ausgegangen, dass bestimmte Stoffe am Abbau von Ozon beteiligt sind, beispielsweise halogenierte Kohlenwasserstoffe, die von Industriebetrieben und im häuslichen Bereich in die Atmosphäre abgegeben werden.
Katalysatoren werden unterteilt in homogen Und heterogen. Ein homogener Katalysator befindet sich in derselben Phase wie die reagierenden Substanzen, ein heterogener Katalysator bildet eine unabhängige Phase, die durch eine Grenzfläche von der Phase getrennt ist, in der sich die reagierenden Substanzen befinden. Typische homogene Katalysatoren sind Säuren und Basen. Als heterogene Katalysatoren werden Metalle, deren Oxide und Sulfide eingesetzt.
Reaktionen gleicher Art können sowohl mit homogenen als auch mit heterogenen Katalysatoren ablaufen. So werden neben sauren Lösungen auch festes Al 2 O 3, TiO 2, ThO 2, Alumosilikate und Zeolithe mit sauren Eigenschaften verwendet. Heterogene Katalysatoren mit Grundeigenschaften: CaO, BaO, MgO.
Heterogene Katalysatoren verfügen in der Regel über eine hochentwickelte Oberfläche, weshalb sie auf einem inerten Träger (Kieselgel, Aluminiumoxid, Aktivkohle etc.) verteilt sind.
Für jede Art von Reaktion sind nur bestimmte Katalysatoren wirksam. Zusätzlich zu den bereits genannten Säure Base, es gibt Katalysatoren Oxidations-Reduktion; Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein eines Übergangsmetalls oder seiner Verbindung (Co +3, V 2 O 5 + MoO 3) aus. In diesem Fall erfolgt die Katalyse durch Änderung der Oxidationsstufe des Übergangsmetalls.
Viele Reaktionen werden unter Verwendung von Katalysatoren durchgeführt, die durch die Koordination von Reaktanten an einem Übergangsmetallatom oder -ion (Ti, Rh, Ni) wirken. Diese Katalyse nennt man Koordinierung.
Wenn der Katalysator chirale Eigenschaften aufweist, wird aus einem optisch inaktiven Substrat ein optisch aktives Produkt erhalten.
In der modernen Wissenschaft und Technologie werden sie häufig verwendet Multikatalysatorsysteme, die jeweils unterschiedliche Phasen der Reaktion beschleunigen. Ein Katalysator kann auch die Geschwindigkeit einer Stufe des Katalysezyklus erhöhen, die von einem anderen Katalysator ausgeführt wird. Hier findet die „Katalyse der Katalyse“ statt, bzw Katalyse der zweiten Ebene.
Bei biochemischen Reaktionen spielen Enzyme die Rolle von Katalysatoren.
Katalysatoren müssen von Initiatoren unterschieden werden. Beispielsweise zerfallen Peroxide in freie Radikale, die radikalische Kettenreaktionen auslösen können. Initiatoren werden während der Reaktion verbraucht und können daher nicht als Katalysatoren betrachtet werden.
Katalysemechanismus: 1)Fell. schrittweise (Änderung des Reaktionspfades) 2) assoziativ 3) enzymatisch 4) mikroheterogen
Spezifität der Katalyse liegt darin, dass sich in Gegenwart eines Katalysators der Verlauf der Gesamtreaktion ändert, andere Übergangszustände mit unterschiedlichen Aktivierungsenergien entstehen und sich damit auch die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen ändert. Reaktionen.
Die Holzverarbeitung erfordert hohe Produktionskosten, daher werden Katalysatoren eingesetzt, die den chemischen Umwandlungsprozess beschleunigen, die Produktausbeute erhöhen und den Schadstoffausstoß reduzieren. Vorteil des Produkts Katalysatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie keinen großen Aufwand erfordern.
28. Lösungen. Vorgänge bei der Lösungsbildung. Ideale und reale Lösungen. Hydrate und Solvate.
Lösungen- homogene (homogene) Systeme, d. h. jede der Komponenten ist in der Masse der anderen in Form von Molekülen, Atomen oder Ionen verteilt
Die Wechselwirkung zwischen einem Lösungsmittel und einem gelösten Stoff nennt man Lösung(Wenn das Lösungsmittel Wasser ist - Flüssigkeitszufuhr).
Die für die Auflösung charakteristische Energie ist Bildungswärme Lösung, betrachtet als die algebraische Summe der thermischen Effekte aller endo- und exothermen Stufen des Prozesses. Die bedeutendsten unter ihnen sind: – wärmeabsorbierende Prozesse- Zerstörung des Kristallgitters, Aufbrechen chemischer Bindungen in Molekülen; – Wärmeerzeugende Prozesse- Bildung von Wechselwirkungsprodukten eines gelösten Stoffes mit einem Lösungsmittel (Hydrate) usw.
SOLVATE, Produkte der Addition eines Lösungsmittels an gelöste Stoffe. Normalerweise werden Solvate in einer Lösung gebildet, aber oft (beim Abkühlen der Lösung verdampft das Lösungsmittel usw.) in kristalliner Form erhalten. Phasenkristallsolvate.
Hydrate sind Produkte der Anlagerung von Wasser an anorganische und organische Stoffe
Der Inhalt des Artikels
KATALYSE, Beschleunigung chemischer Reaktionen unter dem Einfluss geringer Mengen an Stoffen (Katalysatoren), die sich während der Reaktion selbst nicht verändern. Katalytische Prozesse spielen in unserem Leben eine große Rolle. Biologische Katalysatoren, sogenannte Enzyme, sind an der Regulierung biochemischer Prozesse beteiligt. Ohne Katalysatoren könnten viele industrielle Prozesse nicht ablaufen.
Die wichtigste Eigenschaft von Katalysatoren ist die Selektivität, d. h. die Fähigkeit, die Geschwindigkeit nur bestimmter chemischer Reaktionen aus vielen möglichen zu erhöhen. Dies ermöglicht Reaktionen, die unter normalen Bedingungen zu langsam sind, um durchgeführt zu werden, und stellt die Bildung der gewünschten Produkte sicher.
Der Einsatz von Katalysatoren trug zur rasanten Entwicklung der chemischen Industrie bei. Sie werden häufig bei der Ölraffinierung, der Gewinnung verschiedener Produkte und der Herstellung neuer Materialien (z. B. Kunststoffe) eingesetzt und sind oft kostengünstiger als die zuvor verwendeten. Etwa 90 % der modernen Chemieproduktion basieren auf katalytischen Verfahren. Eine besondere Rolle im Umweltschutz spielen katalytische Prozesse.
Die meisten katalytischen Reaktionen werden bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur durchgeführt, indem das Reaktionsgemisch, das sich in gasförmigem oder flüssigem Zustand befindet, durch einen mit Katalysatorpartikeln gefüllten Reaktor geleitet wird. Die folgenden Konzepte werden zur Beschreibung von Reaktionsbedingungen und Produkteigenschaften verwendet. Die Raumgeschwindigkeit ist das Volumen eines Gases oder einer Flüssigkeit, das pro Zeiteinheit durch eine Volumeneinheit des Katalysators strömt. Die katalytische Aktivität ist die Menge an Reaktanten, die ein Katalysator pro Zeiteinheit in Produkte umwandelt. Die Umwandlung ist der Anteil eines Stoffes, der in einer bestimmten Reaktion umgewandelt wird. Unter Selektivität versteht man das Verhältnis der Menge eines bestimmten Produkts zur Gesamtmenge der Produkte (normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz). Die Ausbeute ist das Verhältnis der Menge eines bestimmten Produkts zur Menge des Ausgangsmaterials (normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz). Produktivität ist die Anzahl der Reaktionsprodukte, die pro Volumeneinheit und Zeiteinheit gebildet werden.
ARTEN VON KATALYSATOREN
Katalysatoren werden nach der Art der von ihnen beschleunigten Reaktion, ihrer chemischen Zusammensetzung oder ihren physikalischen Eigenschaften klassifiziert. Fast alle chemischen Elemente und Substanzen besitzen in gewissem Maße katalytische Eigenschaften – einzeln oder häufiger in verschiedenen Kombinationen. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften werden Katalysatoren in homogene und heterogene Katalysatoren unterteilt. Heterogene Katalysatoren sind feste Substanzen, die homogen im gleichen gasförmigen oder flüssigen Medium dispergiert sind wie die reagierenden Substanzen.
Viele heterogene Katalysatoren enthalten Metalle. Einige Metalle, insbesondere solche, die zur Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente gehören, besitzen selbst eine katalytische Aktivität; Ein typisches Beispiel ist Platin. Aber die meisten Metalle zeigen katalytische Eigenschaften, wenn sie in Verbindungen vorliegen; Beispiel - Aluminiumoxid (Aluminiumoxid Al 2 O 3).
Eine ungewöhnliche Eigenschaft vieler heterogener Katalysatoren ist ihre große Oberfläche. Sie werden von zahlreichen Poren durchdrungen, deren Gesamtfläche teilweise 500 m 2 pro 1 g Katalysator erreicht. In vielen Fällen dienen Oxide mit großer Oberfläche als Substrat, auf dem sich Metallkatalysatorpartikel in Form kleiner Cluster ablagern. Dadurch wird eine effektive Wechselwirkung der Reagenzien in der Gas- oder Flüssigphase mit dem katalytisch aktiven Metall gewährleistet. Eine besondere Klasse heterogener Katalysatoren sind Zeolithe – kristalline Mineralien aus der Gruppe der Alumosilikate (Verbindungen aus Silizium und Aluminium). Obwohl viele heterogene Katalysatoren eine große Oberfläche haben, verfügen sie meist nur über eine geringe Anzahl aktiver Zentren, die nur einen kleinen Teil der Gesamtoberfläche ausmachen. Katalysatoren können ihre Aktivität verlieren, wenn geringe Mengen chemischer Verbindungen, sogenannte Katalysatorgifte, vorhanden sind. Diese Substanzen binden an aktive Zentren und blockieren diese. Die Bestimmung der Struktur aktiver Zentren ist Gegenstand intensiver Forschung.
Homogene Katalysatoren haben eine unterschiedliche chemische Natur – Säuren (H 2 SO 4 oder H 3 PO 4), Basen (NaOH), organische Amine, Metalle, meist Übergangsmetalle (Fe oder Rh), in Form von Salzen, metallorganischen Verbindungen oder Carbonyle. Zu den Katalysatoren zählen auch Enzyme – Proteinmoleküle, die biochemische Reaktionen regulieren. Das aktive Zentrum einiger Enzyme enthält ein Metallatom (Zn, Cu, Fe oder Mo). Metallhaltige Enzyme katalysieren Reaktionen mit kleinen Molekülen (O 2, CO 2 oder N 2). Enzyme weisen eine sehr hohe Aktivität und Selektivität auf, funktionieren jedoch nur unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise unter solchen, unter denen in lebenden Organismen Reaktionen ablaufen. In der Industrie wird häufig das sogenannte verwendet. immobilisierte Enzyme.
WIE KATALYSATOREN FUNKTIONIEREN
Energie.
Jede chemische Reaktion kann nur stattfinden, wenn die Reaktanten die Energiebarriere überwinden und dafür eine bestimmte Energie erwerben müssen. Wie bereits erwähnt, besteht die katalytische Reaktion X ® Y aus mehreren aufeinanderfolgenden Stufen. Jeder von ihnen erfordert Energie, um stattfinden zu können. E, Aktivierungsenergie genannt. Die Energieänderung entlang der Reaktionskoordinate ist in Abb. dargestellt. 1.
Betrachten wir zunächst den nichtkatalytischen, „thermischen“ Weg. Damit eine Reaktion stattfinden kann, muss die potentielle Energie der Moleküle X die Energiebarriere überschreiten E t. Die katalytische Reaktion besteht aus drei Stufen. Der erste ist die Bildung des X-Cat-Komplexes. (Chemisorption), deren Aktivierungsenergie gleich ist E Anzeigen. Die zweite Stufe ist die Neugruppierung von X-Cat. ® Y-Kat. mit Aktivierungsenergie E Katze und schließlich die dritte – Desorption mit Aktivierungsenergie E des; E Anzeigen, E Katze und E des viel weniger E t. Da die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell von der Aktivierungsenergie abhängt, verläuft die katalytische Reaktion bei einer bestimmten Temperatur viel schneller als die thermische Reaktion.
Ein Katalysator kann mit einem Führer verglichen werden, der Kletterer (reagierende Moleküle) über eine Bergkette führt. Er führt eine Gruppe durch den Pass und kehrt dann zur nächsten zurück. Der Weg durch den Durchgang liegt deutlich tiefer als der durch den Peak (thermischer Kanal der Reaktion), und die Gruppe vollzieht den Übergang schneller als ohne Leiter (Katalysator). Es ist sogar möglich, dass die Gruppe den Grat alleine nicht hätte überwinden können.
Theorien der Katalyse.
Um den Mechanismus katalytischer Reaktionen zu erklären, wurden drei Gruppen von Theorien vorgeschlagen: geometrische, elektronische und chemische. In geometrischen Theorien wird das Hauptaugenmerk auf die Übereinstimmung zwischen der geometrischen Konfiguration der Atome der aktiven Zentren des Katalysators und den Atomen des Teils der reagierenden Moleküle gelegt, der für die Bindung an den Katalysator verantwortlich ist. Elektronische Theorien basieren auf der Idee, dass Chemisorption durch elektronische Wechselwirkung im Zusammenhang mit der Ladungsübertragung verursacht wird, d. h. Diese Theorien beziehen die katalytische Aktivität auf die elektronischen Eigenschaften des Katalysators. Die chemische Theorie betrachtet einen Katalysator als eine chemische Verbindung mit charakteristischen Eigenschaften, die chemische Bindungen mit Reagenzien eingeht, was zur Bildung eines instabilen Übergangskomplexes führt. Nach der Zersetzung des Komplexes unter Freisetzung von Produkten kehrt der Katalysator in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die letztere Theorie gilt heute als die angemessenste.
Auf molekularer Ebene lässt sich eine katalytische Gasphasenreaktion wie folgt darstellen. Ein reagierendes Molekül bindet an das aktive Zentrum des Katalysators, das andere interagiert mit diesem und befindet sich direkt in der Gasphase. Auch ein alternativer Mechanismus ist möglich: Die reagierenden Moleküle werden an benachbarten aktiven Zentren des Katalysators adsorbiert und interagieren dann miteinander. Offenbar laufen die meisten katalytischen Reaktionen auf diese Weise ab.
Ein anderes Konzept geht davon aus, dass ein Zusammenhang zwischen der räumlichen Anordnung der Atome auf der Oberfläche eines Katalysators und seiner katalytischen Aktivität besteht. Die Geschwindigkeit einiger katalytischer Prozesse, einschließlich vieler Hydrierungsreaktionen, hängt nicht von der relativen Position der katalytisch aktiven Atome auf der Oberfläche ab; Die Geschwindigkeit anderer hingegen ändert sich erheblich mit Änderungen in der räumlichen Konfiguration von Oberflächenatomen. Ein Beispiel ist die Isomerisierung von Neopentan zu Isopentan und dessen gleichzeitiges Cracken zu Isobutan und Methan auf der Oberfläche eines Pt-Al 2 O 3-Katalysators.
ANWENDUNG DER KATALYSE IN DER INDUSTRIE
Das rasante industrielle Wachstum, das wir derzeit erleben, wäre ohne die Entwicklung neuer chemischer Technologien nicht möglich gewesen. Maßgeblich für diesen Fortschritt ist der flächendeckende Einsatz von Katalysatoren, mit deren Hilfe minderwertige Rohstoffe in hochwertige Produkte umgewandelt werden. Im übertragenen Sinne ist ein Katalysator der Stein der Weisen eines modernen Alchemisten, nur verwandelt er nicht Blei in Gold, sondern Rohstoffe in Medikamente, Kunststoffe, Chemikalien, Kraftstoffe, Düngemittel und andere nützliche Produkte.
Der vielleicht allererste katalytische Prozess, den der Mensch zu nutzen lernte, war die Fermentation. Rezepte zur Zubereitung alkoholischer Getränke waren den Sumerern bereits 3500 v. Chr. bekannt. Cm. WEIN; BIER.
Ein bedeutender Meilenstein in der praktischen Anwendung der Katalyse war die Herstellung von Margarine durch katalytische Hydrierung von Pflanzenöl. Um 1900 wurde diese Reaktion erstmals im industriellen Maßstab durchgeführt. Und seit den 1920er Jahren wurden sukzessive katalytische Verfahren zur Herstellung neuer organischer Materialien, vor allem Kunststoffe, entwickelt. Der Kernpunkt war die katalytische Herstellung von Olefinen, Nitrilen, Estern, Säuren usw. – „Bausteine“ für den chemischen „Aufbau“ von Kunststoffen.
Die dritte Welle der industriellen Nutzung katalytischer Verfahren fand in den 1930er Jahren statt und war mit der Erdölraffinierung verbunden. Vom Umfang her ließ diese Produktion alle anderen bald weit hinter sich. Die Erdölraffinierung besteht aus mehreren katalytischen Prozessen: Cracken, Reformieren, Hydrosulfonierung, Hydrocracken, Isomerisierung, Polymerisation und Alkylierung.
Schließlich steht die vierte Welle beim Einsatz der Katalyse im Zusammenhang mit dem Umweltschutz. Die bekannteste Errungenschaft auf diesem Gebiet ist die Entwicklung eines Katalysators für Autoabgase. Katalysatoren, die seit 1975 in Autos verbaut werden, haben einen großen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität und damit zur Rettung vieler Leben geleistet.
Etwa ein Dutzend Nobelpreise wurden für Arbeiten auf dem Gebiet der Katalyse und verwandten Gebieten verliehen.
Die praktische Bedeutung katalytischer Verfahren zeigt sich daran, dass der Anteil des Stickstoffs, der in industriell hergestellten stickstoffhaltigen Verbindungen enthalten ist, etwa die Hälfte des gesamten in Lebensmitteln enthaltenen Stickstoffs ausmacht. Die Menge an natürlich produzierten Stickstoffverbindungen ist begrenzt, daher hängt die Produktion von Nahrungsprotein von der Menge an Stickstoff ab, die dem Boden durch Düngemittel zugeführt wird. Ohne synthetisches Ammoniak, das fast ausschließlich durch den katalytischen Prozess von Haber-Bosch hergestellt wird, wäre es unmöglich, die Hälfte der Menschheit zu ernähren.
Der Anwendungsbereich von Katalysatoren erweitert sich ständig. Wichtig ist auch, dass die Katalyse die Effizienz bisher entwickelter Technologien deutlich steigern kann. Ein Beispiel ist die Verbesserung des katalytischen Crackens durch den Einsatz von Zeolithen.
Hydrierung.
Eine große Anzahl katalytischer Reaktionen ist mit der Aktivierung eines Wasserstoffatoms und eines anderen Moleküls verbunden, was zu deren chemischer Wechselwirkung führt. Dieser Prozess wird Hydrierung genannt und liegt vielen Stufen der Ölraffinierung und der Herstellung flüssiger Brennstoffe aus Kohle (Bergius-Prozess) zugrunde.
Die Produktion von Flugbenzin und Treibstoff aus Kohle wurde in Deutschland während des Zweiten Weltkriegs entwickelt, da das Land über keine Ölfelder verfügte. Das Bergius-Verfahren beinhaltet die direkte Zugabe von Wasserstoff zu Kohle. Kohle wird in Gegenwart von Wasserstoff unter Druck erhitzt, um ein flüssiges Produkt zu erzeugen, das dann zu Flugbenzin und Motortreibstoff verarbeitet wird. Als Katalysator werden Eisenoxid sowie Katalysatoren auf Basis von Zinn und Molybdän verwendet. Während des Krieges produzierten zwölf Fabriken in Deutschland nach dem Bergius-Verfahren etwa 1.400 Tonnen Flüssigbrennstoff pro Tag.
Ein anderer Prozess, Fischer-Tropsch, besteht aus zwei Stufen. Zunächst wird die Kohle vergast, d.h. Sie reagieren mit Wasserdampf und Sauerstoff und erhalten eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenoxiden. Dieses Gemisch wird mithilfe eisen- oder kobalthaltiger Katalysatoren in flüssigen Kraftstoff umgewandelt. Mit Kriegsende wurde die Produktion von synthetischem Kraftstoff aus Kohle in Deutschland eingestellt.
Aufgrund des Anstiegs der Ölpreise infolge des Ölembargos von 1973–1974 wurden große Anstrengungen unternommen, eine wirtschaftlich sinnvolle Methode zur Herstellung von Benzin aus Kohle zu entwickeln. So lässt sich die direkte Verflüssigung von Kohle effizienter mit einem zweistufigen Verfahren durchführen, bei dem die Kohle zunächst bei relativ niedriger Temperatur und dann bei höherer Temperatur mit einem Aluminium-Kobalt-Molybdän-Katalysator in Kontakt gebracht wird. Die Kosten für solches synthetisches Benzin sind höher als für das aus Öl gewonnene.
Ammoniak.
Eines der aus chemischer Sicht einfachsten Hydrierverfahren ist die Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff. Stickstoff ist ein sehr inerter Stoff. Um die N-N-Bindung in seinem Molekül aufzubrechen, ist eine Energie von etwa 200 kcal/mol erforderlich. Allerdings bindet Stickstoff im atomaren Zustand an die Oberfläche des Eisenkatalysators, wofür nur 20 kcal/mol erforderlich sind. Wasserstoff bindet Eisen noch leichter. Die Ammoniaksynthese läuft wie folgt ab:
Dieses Beispiel veranschaulicht die Fähigkeit eines Katalysators, sowohl Hin- als auch Rückreaktionen gleichermaßen zu beschleunigen, d. h. die Tatsache, dass der Katalysator die Gleichgewichtslage einer chemischen Reaktion nicht verändert.
Hydrierung von Pflanzenöl.
Eine der praktisch wichtigsten Hydrierungsreaktionen ist die unvollständige Hydrierung von Pflanzenölen zu Margarine, Speiseöl und anderen Lebensmitteln. Pflanzenöle werden aus Sojabohnen, Baumwollsamen und anderen Nutzpflanzen gewonnen. Sie enthalten Ester, nämlich Triglyceride von Fettsäuren mit unterschiedlichem Ungesättigtheitsgrad. Ölsäure CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH hat eine C=C-Doppelbindung, Linolsäure zwei und Linolensäure drei. Die Zugabe von Wasserstoff zum Aufbrechen dieser Bindung verhindert, dass Öle oxidieren (Ranzig werden). Dadurch erhöht sich ihr Schmelzpunkt. Die Härte der meisten resultierenden Produkte hängt vom Grad der Hydrierung ab. Die Hydrierung wird in Gegenwart von feinem Nickelpulver, das auf einem Substrat abgeschieden wird, oder eines Raney-Nickelkatalysators in einer Atmosphäre aus hochreinem Wasserstoff durchgeführt.
Dehydrierung.
Auch die Dehydrierung ist eine industriell bedeutsame katalytische Reaktion, wenngleich der Umfang ihrer Anwendung ungleich kleiner ist. Mit seiner Hilfe wird beispielsweise Styrol, ein wichtiges Monomer, gewonnen. Dazu wird Ethylbenzol in Gegenwart eines eisenoxidhaltigen Katalysators dehydriert; Die Reaktion wird auch durch Kalium und eine Art Strukturstabilisator erleichtert. Die Dehydrierung von Propan, Butan und anderen Alkanen wird im industriellen Maßstab durchgeführt. Bei der Dehydrierung von Butan in Gegenwart eines Chrom-Aluminiumoxid-Katalysators entstehen Butene und Butadien.
Säurekatalyse.
Die katalytische Aktivität einer großen Klasse von Katalysatoren wird durch ihre sauren Eigenschaften bestimmt. Nach I. Brønsted und T. Lowry ist eine Säure eine Verbindung, die ein Proton abgeben kann. Starke Säuren geben ihre Protonen leicht an Basen ab. Das Konzept der Säure wurde in den Arbeiten von G. Lewis weiterentwickelt, der Säure als eine Substanz definierte, die in der Lage ist, ein Elektronenpaar von einer Donorsubstanz unter Bildung einer kovalenten Bindung aufgrund der Sozialisierung dieses Elektronenpaars aufzunehmen. Diese Ideen trugen zusammen mit Ideen zu Reaktionen, die Carbeniumionen produzieren, dazu bei, den Mechanismus einer Vielzahl katalytischer Reaktionen zu verstehen, insbesondere derjenigen, an denen Kohlenwasserstoffe beteiligt sind.
Die Stärke einer Säure kann mithilfe einer Reihe von Basen bestimmt werden, die bei Zugabe eines Protons ihre Farbe ändern. Es stellt sich heraus, dass sich einige industriell wichtige Katalysatoren wie sehr starke Säuren verhalten. Dazu gehören ein Friedel-Crafts-Prozesskatalysator wie HCl-AlCl 2 O 3 (oder HAlCl 4) und Alumosilikate. Die Säurestärke ist ein sehr wichtiges Merkmal, da sie die Protonierungsrate bestimmt, einen Schlüsselschritt im Säurekatalyseprozess.
Die Aktivität von Katalysatoren wie Alumosilikaten, die beim Ölcracken verwendet werden, wird durch das Vorhandensein von Brønsted- und Lewis-Säuren auf ihrer Oberfläche bestimmt. Ihre Struktur ähnelt der Struktur von Siliciumdioxid (Siliziumdioxid), bei dem einige der Si 4+-Atome durch Al 3+-Atome ersetzt sind. Die dabei entstehende überschüssige negative Ladung kann durch die entsprechenden Kationen neutralisiert werden. Handelt es sich bei den Kationen um Protonen, verhält sich das Alumosilikat wie eine Brønsted-Säure:
Die Aktivität saurer Katalysatoren wird durch ihre Fähigkeit bestimmt, mit Kohlenwasserstoffen unter Bildung eines Carbeniumions als Zwischenprodukt zu reagieren. Alkylcarbeniumionen enthalten ein positiv geladenes Kohlenstoffatom, das an drei Alkylgruppen und/oder Wasserstoffatome gebunden ist. Sie spielen als Zwischenprodukte bei vielen Reaktionen organischer Verbindungen eine wichtige Rolle. Der Wirkungsmechanismus saurer Katalysatoren lässt sich am Beispiel einer Isomerisierungsreaktion veranschaulichen N-Butan zu Isobutan in Gegenwart von HCl-AlCl 3 oder Pt-Cl-Al 2 O 3. Zunächst bindet eine kleine Menge des Olefins C4H8 an das positiv geladene Wasserstoffion des Säurekatalysators und bildet ein tertiäres Carbeniumion. Anschließend wird das negativ geladene Hydridion H – abgespalten N-Butan unter Bildung von Isobutan und sekundärem Butylcarbeniumion. Letzteres wird durch Umlagerung in ein tertiäres Carbeniumion umgewandelt. Diese Kette kann mit der Abspaltung eines Hydridions aus dem nächsten Molekül fortgesetzt werden N-Butan usw.:
Es ist bezeichnend, dass tertiäre Carbeniumionen stabiler sind als primäre oder sekundäre. Dadurch befinden sie sich hauptsächlich auf der Oberfläche des Katalysators und daher ist Isobutan das Hauptprodukt der Butanisomerisierung.
Säurekatalysatoren werden häufig bei der Ölraffinierung eingesetzt – Cracken, Alkylierung, Polymerisation und Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen. Der Wirkungsmechanismus von Carbeniumionen, die bei diesen Prozessen die Rolle von Katalysatoren spielen, ist geklärt. Dabei sind sie an einer Reihe von Reaktionen beteiligt, darunter der Bildung kleiner Moleküle durch Spaltung großer Moleküle, der Kombination von Molekülen (Olefin zu Olefin oder Olefin zu Isoparaffin), struktureller Umlagerung durch Isomerisierung und der Bildung von Paraffinen und Aromaten Kohlenwasserstoffe durch Wasserstoffübertragung.
Eine der neuesten Anwendungen der Säurekatalyse in der Industrie ist die Herstellung verbleiter Kraftstoffe durch Addition von Alkoholen an Isobutylen oder Isoamylen. Die Zugabe von sauerstoffhaltigen Verbindungen zum Benzin verringert die Kohlenmonoxidkonzentration in den Abgasen. Methyl- reibt-Butylether (MTBE) mit einer Oktanzahl von 109 ermöglicht es auch, Kraftstoff mit hoher Oktanzahl zu erhalten, der für den Betrieb eines Automotors mit hohem Verdichtungsverhältnis erforderlich ist, ohne Tetraethylblei in das Benzin einzubringen. Auch die Produktion von Kraftstoffen mit den Oktanzahlen 102 und 111 wurde organisiert.
Grundlegende Katalyse.
Die Aktivität von Katalysatoren wird durch ihre Grundeigenschaften bestimmt. Ein seit langem bekanntes Beispiel für solche Katalysatoren ist Natriumhydroxid, das zur Hydrolyse oder Verseifung von Fetten zur Herstellung von Seife verwendet wird, und ein aktuelles Beispiel sind Katalysatoren, die bei der Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen und -Schaumstoffen verwendet werden. Urethan entsteht durch die Reaktion von Alkohol mit Isocyanat und diese Reaktion wird in Gegenwart basischer Amine beschleunigt. Bei der Reaktion lagert sich eine Base an das Kohlenstoffatom im Isocyanatmolekül an, wodurch eine negative Ladung am Stickstoffatom entsteht und dessen Aktivität gegenüber Alkohol zunimmt. Triethylendiamin ist ein besonders wirksamer Katalysator. Polyurethan-Kunststoffe werden durch Reaktion von Diisocyanaten mit Polyolen (Polyalkoholen) hergestellt. Wenn Isocyanat mit Wasser reagiert, zersetzt sich das zuvor gebildete Urethan unter Freisetzung von CO 2 . Wenn eine Mischung aus Polyalkoholen und Wasser mit Diisocyanaten interagiert, schäumt der resultierende Polyurethanschaum mit CO 2 -Gas auf.
Doppelt wirkende Katalysatoren.
Diese Katalysatoren beschleunigen zwei Arten von Reaktionen und liefern bessere Ergebnisse, als die Reaktanten in Reihe durch zwei Reaktoren zu leiten, die jeweils nur einen Katalysatortyp enthalten. Dies liegt daran, dass die aktiven Zentren eines doppelt wirkenden Katalysators sehr nahe beieinander liegen und das an einem von ihnen gebildete Zwischenprodukt sofort in das Endprodukt am anderen umgewandelt wird.
Ein gutes Ergebnis wird durch die Kombination eines Katalysators, der Wasserstoff aktiviert, mit einem Katalysator, der die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen fördert, erzielt. Die Aktivierung von Wasserstoff erfolgt durch einige Metalle und die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen erfolgt durch Säuren. Ein wirksamer doppelt wirkender Katalysator, der bei der Erdölraffinierung zur Umwandlung von Naphtha in Benzin verwendet wird, ist fein verteiltes Platin auf saurem Aluminiumoxid. Die Umwandlung von Naphtha-Bestandteilen wie Methylcyclopentan (MCP) in Benzol erhöht die Oktanzahl von Benzin. Zunächst wird MCP am Platinteil des Katalysators zu einem Olefin mit dem gleichen Kohlenstoffgerüst dehydriert; Das Olefin gelangt dann zum sauren Teil des Katalysators, wo es zu Cyclohexen isomerisiert. Letzteres geht in den Platinanteil über und wird zu Benzol und Wasserstoff dehydriert.
Doppelt wirkende Katalysatoren beschleunigen die Ölreformierung deutlich. Sie dienen der Isomerisierung von Normalparaffinen zu Isoparaffinen. Letztere sieden bei den gleichen Temperaturen wie Benzinfraktionen und sind wertvoll, weil sie im Vergleich zu reinen Kohlenwasserstoffen eine höhere Oktanzahl aufweisen. Darüber hinaus die Transformation N-Butan zu Isobutan geht mit einer Dehydrierung einher, was die Produktion von MTBE erleichtert.
Stereospezifische Polymerisation.
Ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Katalyse war die Entdeckung der katalytischen Polymerisation A-Olefine zu stereoregulären Polymeren. Stereospezifische Polymerisationskatalysatoren wurden von K. Ziegler entdeckt, als er versuchte, die ungewöhnlichen Eigenschaften der von ihm erhaltenen Polymere zu erklären. Ein anderer Chemiker, J. Natta, schlug vor, dass die Einzigartigkeit von Ziegler-Polymeren durch ihre Stereoregularität bestimmt wird. Röntgenbeugungsexperimente haben gezeigt, dass aus Propylen in Gegenwart von Ziegler-Katalysatoren hergestellte Polymere hochkristallin sind und tatsächlich eine stereoreguläre Struktur aufweisen. Um solche geordneten Strukturen zu beschreiben, führte Natta die Begriffe „isotaktisch“ und „syndiotaktisch“ ein. Liegt keine Ordnung vor, wird der Begriff „ataktisch“ verwendet:
Eine stereospezifische Reaktion findet auf der Oberfläche fester Katalysatoren statt, die Übergangsmetalle der Gruppen IVA–VIII (wie Ti, V, Cr, Zr) in teilweise oxidiertem Zustand und jede daran gebundene Verbindung enthalten, die Kohlenstoff oder Wasserstoff enthält das Metall der Gruppen I–III. Ein klassisches Beispiel für einen solchen Katalysator ist der Niederschlag, der durch die Wechselwirkung von TiCl 4 und Al(C 2 H 5) 3 in Heptan entsteht, wobei Titan in den dreiwertigen Zustand reduziert wird. Dieses außergewöhnlich aktive System katalysiert die Polymerisation von Propylen bei normalen Temperaturen und Drücken.
Katalytische Oxidation.
Der Einsatz von Katalysatoren zur Steuerung der Chemie von Oxidationsprozessen ist von großer wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung. In manchen Fällen muss die Oxidation vollständig sein, beispielsweise bei der Neutralisierung von CO- und Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen in Autoabgasen. Allerdings ist es häufiger erforderlich, dass die Oxidation unvollständig ist, beispielsweise bei vielen weit verbreiteten industriellen Prozessen zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in wertvolle Zwischenprodukte mit funktionellen Gruppen wie –CHO, –COOH, –C–CO, –CN. Dabei kommen sowohl homogene als auch heterogene Katalysatoren zum Einsatz. Ein Beispiel für einen homogenen Katalysator ist ein Übergangsmetallkomplex, der für die Oxidation verwendet wird Paar-Xylol zu Terephthalsäure, deren Ester als Grundlage für die Herstellung von Polyesterfasern dienen.
Katalysatoren für die heterogene Oxidation.
Bei diesen Katalysatoren handelt es sich üblicherweise um komplexe feste Oxide. Die katalytische Oxidation erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird der Sauerstoff im Oxid von einem Kohlenwasserstoffmolekül eingefangen, das an der Oberfläche des Oxids adsorbiert ist. Dabei wird der Kohlenwasserstoff oxidiert und das Oxid reduziert. Das reduzierte Oxid reagiert mit Sauerstoff und kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Unter Verwendung eines Vanadiumkatalysators wird Phthalsäureanhydrid durch unvollständige Oxidation von Naphthalin oder Butan gewonnen.
Herstellung von Ethylen durch Dehydrodimerisierung von Methan.
Die Ethylensynthese durch Dehydrodimerisierung wandelt Erdgas in leichter transportierbare Kohlenwasserstoffe um. Die Reaktion 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O wird bei 850 °C unter Verwendung verschiedener Katalysatoren durchgeführt; Die besten Ergebnisse wurden mit dem Li-MgO-Katalysator erzielt. Vermutlich verläuft die Reaktion über die Bildung eines Methylradikals durch Abstraktion eines Wasserstoffatoms von einem Methanmolekül. Die Eliminierung erfolgt durch unvollständig reduzierten Sauerstoff, beispielsweise O 2 2–. Methylradikale in der Gasphase rekombinieren zu einem Ethanmolekül und werden bei der anschließenden Dehydrierung in Ethylen umgewandelt. Ein weiteres Beispiel für eine unvollständige Oxidation ist die Umwandlung von Methanol in Formaldehyd in Gegenwart eines Silber- oder Eisen-Molybdän-Katalysators.
Zeolithe.
Zeolithe stellen eine besondere Klasse heterogener Katalysatoren dar. Dabei handelt es sich um Alumosilikate mit einer geordneten Wabenstruktur, deren Zellgröße mit der Größe vieler organischer Moleküle vergleichbar ist. Sie werden auch Molekularsiebe genannt. Von größtem Interesse sind Zeolithe, deren Poren durch Ringe aus 8–12 Sauerstoffionen gebildet werden (Abb. 2). Manchmal überlappen sich die Poren, wie beim ZSM-5-Zeolith (Abb. 3), der für die hochspezifische Umwandlung von Methanol in Kohlenwasserstoffe der Benzinfraktion verwendet wird. Benzin enthält erhebliche Mengen aromatischer Kohlenwasserstoffe und weist daher eine hohe Oktanzahl auf. In Neuseeland beispielsweise wird ein Drittel des gesamten verbrauchten Benzins mit dieser Technologie hergestellt. Methanol wird aus importiertem Methan hergestellt.
Die Katalysatoren der Gruppe der Y-Zeolithe steigern die Effizienz des katalytischen Crackens vor allem aufgrund ihrer ungewöhnlichen sauren Eigenschaften erheblich. Der Ersatz von Alumosilikaten durch Zeolithe ermöglicht eine Steigerung der Benzinausbeute um mehr als 20 %.
Darüber hinaus weisen Zeolithe eine Selektivität hinsichtlich der Größe der reagierenden Moleküle auf. Ihre Selektivität wird durch die Größe der Poren bestimmt, durch die nur Moleküle bestimmter Größen und Formen passieren können. Dies gilt sowohl für Ausgangsstoffe als auch für Reaktionsprodukte. Beispielsweise aufgrund sterischer Einschränkungen Paar-Xylol wird leichter gebildet als sperrigere ortho- Und Meta-Isomere. Letztere sind in den Poren des Zeoliths „eingesperrt“ (Abb. 4).
Der Einsatz von Zeolithen hat in einigen Industrietechnologien eine echte Revolution bewirkt – Entparaffinierung von Gasöl und Motoröl, Gewinnung chemischer Zwischenprodukte für die Herstellung von Kunststoffen durch Alkylierung aromatischer Verbindungen, Isomerisierung von Xylol, Disproportionierung von Toluol und katalytisches Cracken von Öl. Besonders wirksam ist hier der ZSM-5-Zeolith.
Katalysatoren und Umweltschutz.
Der Einsatz von Katalysatoren zur Reduzierung der Luftverschmutzung begann Ende der 1940er Jahre. Im Jahr 1952 stellte A. Hagen-Smith fest, dass in Abgasen enthaltene Kohlenwasserstoffe und Stickoxide unter Lichteinwirkung unter Bildung von Oxidationsmitteln (insbesondere Ozon) reagieren, die die Augen reizen und andere unerwünschte Wirkungen hervorrufen. Etwa zur gleichen Zeit entwickelte Y. Khoudri eine Methode zur katalytischen Reinigung von Abgasen durch Oxidation von CO und Kohlenwasserstoffen zu CO 2 und H 2 O. 1970 wurde die Clean Air Declaration formuliert (1977 verfeinert, 1990 erweitert). Danach müssen alle Neuwagen ab Baujahr 1975 mit Abgaskatalysatoren ausgestattet sein. Es wurden Standards für die Zusammensetzung von Abgasen festgelegt. Da den Benzinkatalysatoren Bleiverbindungen zugesetzt werden, wurde ein Ausstiegsprogramm verabschiedet. Es wurde auch auf die Notwendigkeit hingewiesen, den Gehalt an Stickoxiden zu reduzieren.
Speziell für Autoneutralisatoren wurden Katalysatoren entwickelt, bei denen aktive Komponenten auf ein Keramiksubstrat mit Wabenstruktur aufgebracht werden, durch dessen Zellen Abgase strömen. Das Substrat wird mit einer dünnen Schicht aus Metalloxid, beispielsweise Al 2 O 3, beschichtet, auf die ein Katalysator – Platin, Palladium oder Rhodium – aufgetragen wird. Der Gehalt an Stickoxiden, die bei der Verbrennung natürlicher Brennstoffe in Wärmekraftwerken entstehen, kann reduziert werden, indem den Rauchgasen geringe Mengen Ammoniak zugesetzt und durch einen Titan-Vanadium-Katalysator geleitet werden.
Enzyme.
Enzyme sind natürliche Katalysatoren, die biochemische Prozesse in einer lebenden Zelle regulieren. Sie sind an Energieaustauschprozessen, dem Abbau von Nährstoffen und Biosynthesereaktionen beteiligt. Ohne sie können viele komplexe organische Reaktionen nicht ablaufen. Enzyme funktionieren bei normalen Temperaturen und Drücken, weisen eine sehr hohe Selektivität auf und sind in der Lage, die Reaktionsgeschwindigkeit um acht Größenordnungen zu steigern. Trotz dieser Vorteile sind nur ca. 20 der 15.000 bekannten Enzyme werden im großen Maßstab eingesetzt.
Der Mensch nutzt seit Tausenden von Jahren Enzyme, um Brot zu backen, alkoholische Getränke, Käse und Essig herzustellen. Mittlerweile werden Enzyme auch in der Industrie eingesetzt: bei der Verarbeitung von Zucker, bei der Herstellung synthetischer Antibiotika, Aminosäuren und Proteine. Den Waschmitteln werden proteolytische Enzyme zugesetzt, die Hydrolyseprozesse beschleunigen.
Mit Hilfe von Bakterien Clostridium acetobutylicum H. Weizmann führte die enzymatische Umwandlung von Stärke in Aceton und Butylalkohol durch. Diese Methode zur Herstellung von Aceton war während des Ersten Weltkriegs in England weit verbreitet und wurde während des Zweiten Weltkriegs zur Herstellung von Butadienkautschuk in der UdSSR eingesetzt.
Eine äußerst wichtige Rolle spielte der Einsatz von Enzymen, die von Mikroorganismen zur Synthese von Penicillin sowie Streptomycin und Vitamin B 12 produziert werden.
Durch enzymatische Prozesse hergestellter Ethylalkohol wird häufig als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge verwendet. In Brasilien fahren mehr als ein Drittel der etwa 10 Millionen Autos mit 96 %igem Ethylalkohol aus Zuckerrohr, während der Rest mit einer Mischung aus Benzin und Ethylalkohol (20 %) läuft. Die Technologie zur Herstellung von Kraftstoff, einer Mischung aus Benzin und Alkohol, ist in den Vereinigten Staaten gut entwickelt. Im Jahr 1987, ca. 4 Milliarden Liter Alkohol, davon wurden etwa 3,2 Milliarden Liter als Kraftstoff verwendet. Auch die sogenannten finden vielfältige Anwendung. immobilisierte Enzyme. Diese Enzyme sind an einen festen Träger, beispielsweise Kieselgel, gebunden, über den die Reagenzien geleitet werden. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie einen effizienten Kontakt der Substrate mit dem Enzym, die Trennung der Produkte und die Erhaltung des Enzyms gewährleistet. Ein Beispiel für die industrielle Nutzung immobilisierter Enzyme ist die Isomerisierung von D-Glucose zu Fructose.
TECHNOLOGISCHE ASPEKTE
Der Einsatz von Katalysatoren ist aus modernen Technologien nicht mehr wegzudenken. Katalytische Reaktionen können bei Temperaturen bis zu 650 °C und Drücken von 100 atm und mehr ablaufen. Dies erzwingt neue Lösungen für Probleme im Zusammenhang mit dem Kontakt zwischen gasförmigen und festen Stoffen sowie mit der Übertragung von Katalysatorpartikeln. Damit der Prozess effektiv ist, muss seine Modellierung kinetische, thermodynamische und hydrodynamische Aspekte berücksichtigen. Umfangreich eingesetzt werden hier Computermodellierung sowie neue Instrumente und Methoden zur Überwachung technologischer Prozesse.
Im Jahr 1960 wurden erhebliche Fortschritte bei der Ammoniakproduktion erzielt. Durch den Einsatz eines aktiveren Katalysators konnte die Temperatur der Wasserstofferzeugung bei der Zersetzung von Wasserdampf gesenkt werden, wodurch der Druck gesenkt und damit die Produktionskosten beispielsweise durch den Einsatz günstigerer Radialkompressoren gesenkt werden konnten . Dadurch sanken die Kosten für Ammoniak um mehr als die Hälfte, seine Produktion stieg enorm und damit verbunden auch die Nahrungsmittelproduktion, da Ammoniak ein wertvoller Dünger ist.
Methoden.
Die Forschung auf dem Gebiet der Katalyse erfolgt sowohl mit traditionellen als auch mit speziellen Methoden. Zum Einsatz kommen radioaktive Tracer, Röntgen-, Infrarot- und Raman-Spektroskopie sowie elektronenmikroskopische Methoden; Es werden kinetische Messungen durchgeführt und der Einfluss von Methoden zur Herstellung von Katalysatoren auf deren Aktivität untersucht. Von großer Bedeutung ist die Bestimmung der Oberfläche des Katalysators mit der Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET-Methode), die auf der Messung der physikalischen Adsorption von Stickstoff bei verschiedenen Drücken basiert. Bestimmen Sie dazu die Stickstoffmenge, die zur Bildung einer Monoschicht auf der Oberfläche des Katalysators erforderlich ist, und berechnen Sie unter Kenntnis des Durchmessers des N 2 -Moleküls die Gesamtfläche. Neben der Bestimmung der Gesamtoberfläche wird eine Chemisorption verschiedener Moleküle durchgeführt, die es ermöglicht, die Anzahl aktiver Zentren abzuschätzen und Informationen über deren Eigenschaften zu erhalten.
Den Forschern stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, um die Oberflächenstruktur von Katalysatoren auf atomarer Ebene zu untersuchen. Mit der EXAFS-Methode können Sie eindeutige Informationen erhalten. Unter den spektroskopischen Methoden werden zunehmend UV-, Röntgen- und Auger-Photoelektronenspektroskopie eingesetzt. Von großem Interesse sind die Sekundärionenmassenspektrometrie und die Ionenstreuspektroskopie. NMR-Messungen werden verwendet, um die Natur katalytischer Komplexe zu untersuchen. Mit einem Rastertunnelmikroskop können Sie die Anordnung der Atome auf der Oberfläche des Katalysators erkennen.
PERSPEKTIVEN
Der Umfang katalytischer Prozesse in der Industrie nimmt jedes Jahr zu. Zur Neutralisierung umweltbelastender Stoffe werden zunehmend Katalysatoren eingesetzt. Die Rolle von Katalysatoren bei der Herstellung von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen synthetischen Kraftstoffen aus Gas und Kohle nimmt zu. Die Entwicklung von Brennstoffzellen zur wirtschaftlichen Umwandlung von Brennstoffenergie in elektrische Energie erscheint vielversprechend.
Neue Konzepte der Katalyse werden es ermöglichen, Polymermaterialien und andere Produkte mit vielen wertvollen Eigenschaften zu gewinnen, Methoden zur Energiegewinnung zu verbessern und die Nahrungsmittelproduktion zu steigern, insbesondere durch die Synthese von Proteinen aus Alkanen und Ammoniak mit Hilfe von Mikroorganismen. Es könnte möglich sein, gentechnisch veränderte Methoden zur Herstellung von Enzymen und metallorganischen Verbindungen zu entwickeln, die in ihrer katalytischen Aktivität und Selektivität natürlichen biologischen Katalysatoren nahe kommen.
Literatur:
Gates B.K. Chemie katalytischer Prozesse. M., 1981
Boreskov G.K. Katalyse. Fragen von Theorie und Praxis. Nowosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V. Neue allgemeine Theorie der Katalyse. L., 1991
Tokabe K. Katalysatoren und katalytische Prozesse. M., 1993
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Eine der wirksamsten Einflussmöglichkeiten auf chemische Reaktionen ist der Einsatz eines Katalysators. Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen. Die Anwesenheit von Katalysatoren verändert die Reaktionsgeschwindigkeit um das Tausend- und sogar Millionenfache. Katalysatoren nehmen aktiv an einer chemischen Reaktion teil, bleiben aber im Gegensatz zu Reagenzien am Ende der Reaktion unverändert.
- Dies sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer Reaktion verändern, aber während der Reaktion nicht selbst verbraucht werden und nicht Teil der Endprodukte sind.
Ein wichtiges Merkmal einer katalytischen Reaktion (Katalyse) ist die Homogenität bzw. Heterogenität des Katalysators und der Reaktanten. Es gibt homogene und heterogene katalytische Prozesse. Bei der homogenen (gleichförmigen) Katalyse gibt es keine Grenzfläche zwischen den Reaktanten und dem Katalysator. In diesem Fall erfolgt die Katalyse durch die Bildung instabiler Zwischenprodukte.
Beispielsweise muss Stoff A mit Stoff B reagieren. Allerdings ist zum Auslösen der Reaktion große Hitze erforderlich und die Reaktion verläuft dann langsam. Dann wird der Katalysator so ausgewählt, dass er mit Stoff A eine aktive Zwischenverbindung bildet, die dann heftig mit Stoff B reagieren kann:
A+ Kat. = A ∙ Kat.
A ∙ Kat. + B = AB ∙ Kat.
Katze.
A+B=AB
Prozesse, bei denen sich Katalysator und katalysierte Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen befinden, werden als heterogene (ungleichmäßige) Katalyse bezeichnet. Wenn gasförmige oder flüssige Reagenzien auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert werden, werden chemische Bindungen geschwächt und die Fähigkeit dieser Substanzen zur Wechselwirkung erhöht.
Die beschleunigende Wirkung des Katalysators besteht darin, die Aktivierungsenergie der Hauptreaktion zu senken. Jeder der Zwischenprozesse, an denen ein Katalysator beteiligt ist, läuft mit einer geringeren Aktivierungsenergie ab als eine nicht katalysierte Reaktion. Die Katalyse eröffnet einen anderen Weg für eine chemische Reaktion, von den Ausgangsmaterialien zu den Reaktionsprodukten.
Die Erfahrung zeigt, dass Katalysatoren streng spezifisch für bestimmte Reaktionen sind. Zum Beispiel in reagieren:
N 2 + 3H 2 = Fe 2NH 3
Der Katalysator ist metallisches Eisen, und bei der Reaktion der Schwefel(IV)-Oxid-Oxidation zu Schwefel(VI)-Oxid ist der Katalysator Vanadium(V)-Oxid V 2 O 5 . Als Katalysatoren werden häufig Platin, Nickel, Palladium und Aluminiumoxid verwendet. Um den Zersetzungsprozess von Wasserstoffperoxid zu beschleunigen, wird Mangan(IV)-oxid als Katalysator verwendet. Gibt man in ein Glas mit einer Lösung von Wasserstoffperoxid etwas Mangan(IV)-oxid, kommt es durch die Freisetzung von Sauerstoff sofort zu heftigem Aufschäumen der Flüssigkeit.
Der Katalysator für die Reaktion zwischen Aluminium und Jod ist gewöhnliches Wasser. Wird einer Mischung aus Aluminium und Jod Wasser zugesetzt, reagieren die Stoffe in der Mischung heftig.
Es gibt Stoffe, die eine chemische Reaktion verlangsamen können – eine sogenannte negative Katalyse bewirken. Sie werden Inhibitoren genannt. Solche Stoffe werden bei Bedarf verwendet, um bestimmte Prozesse zu verlangsamen, beispielsweise die Korrosion von Metallen, die Oxidation von Sulfiden während der Lagerung usw.
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