Catalysis

Katalyse ist der Vorgang, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, was auf die Beteiligung eines Stoffes genannte Katalysator und das Deaktivieren der Katalyse-Inhibitoren bekannt sind. Ein wichtiges Konzept ist, dass der Katalysator nicht bei der chemischen Reaktion, die sie von einem Reagenz differenziert geändert.

Bei der Synthese von vielen der wichtigsten Industriechemikalien keine Katalyse. Vergiftung des Katalysators, die im allgemeinen unerwünschte Vorgang wird auch in der chemischen Industrie verwendet wird. Zum Beispiel Reduzierung der Ethin zu Ethen, der Palladiumkatalysator "vergiftet" mit Bleiacetat teilweise, Pb2. Keine Katalysatordesaktivierung wird das erzeugte Ethen zu Ethan anschließend reduziert.

Übersicht

Katalyse in vielen industriellen Prozessen beteiligt. Auch sind die meisten "biologisch" wesentlichen Prozesse katalysiert. Forschung in der Katalyse ist ein Hauptfeld in der angewandten Wissenschaft und umfasst viele Bereiche der Chemie, insbesondere in der metallorganischen Chemie und Materialwissenschaften. Katalyse ist wichtig, um viele Aspekte der Umweltwissenschaften, beispielsweise der Katalysator von Automobilen und Dynamik des Ozonlochs. Katalytischen Reaktionen sind in der grünen Chemie für ein freundliches Umfeld aufgrund der reduzierten Menge an Abfall statt der stöchiometrischen Reaktionen, bei denen alle Reaktanten verbraucht werden und mehr Nebenprodukte gebildet werden erzeugt bevorzugt. Die häufigste Katalysator ist das Proton. Viele Übergangsmetallen und Komplexen von Übergangsmetallen in der Katalyse eingesetzt. Die Katalysatoren genannten Enzyme sind in der Biologie wichtig.

Der Katalysator wirkt durch einen alternativen Weg zu dem Reaktionsprodukt Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt, wenn die Ausweich-Route eine niedrigere Aktivierungsenergie als die Reaktions Route nicht durch den Katalysator vermittelt. Die Dismutation von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff zu einer Reaktion, die stark von den Katalysatoren beeinflußt wird:

Diese Reaktion wird bevorzugt in dem Sinne, dass die Reaktionsprodukte stabiler als das Ausgangsmaterial sind, aber die katalysierte Reaktion ist langsam. Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid ist in der Tat so niedrig, daß Wasserstoffperoxidlösungen sind im Handel erhältlich. Nach Zugabe einer kleinen Menge an Mangandioxid, reagiert schnell Wasserstoffperoxid nach der obigen Gleichung. Dieser Effekt wird leicht durch das Sprudeln von Sauerstoff gesehen. Mangandioxid kann unverändert zurückgewonnen und unbegrenzt verwendet, und ist daher nicht in der Reaktion verbraucht. Folglich katalysiert das Mangandioxid diese Reaktion.

Eigenschaften

Das allgemeine Merkmal des Katalysators ist, daß die katalytische Reaktion eine geringere Änderung der freien Energie Begrenzungsschritt zur Zustandsübergang entsprechend der unkatalysierten Reaktion, was zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit bei der gleichen Temperatur. Allerdings ist die mechanische Ursprung Katalyse komplex.

Die Katalysatoren können positive Beeinflussung der Reaktionsumgebung, beispielsweise Säurekatalysatoren für die Reaktionen der spezifischen Carbonylverbindungen sind Zwischenprodukte, die nicht in der Natur vorkommen, wie Ester in osmiumkatalysierten Dihydroxylierung von Alkenen Osmiumtetroxid oder zum Bruch führen von Reagenzien an Formen, wie atomarer Wasserstoff in eine katalytische Hydrierung durchlässig.

Kinetisch die katalytischen Reaktionen verhalten, als typische chemische Reaktionen, dh, hängt die Reaktionsrate von der Frequenz der Kontakt der Reaktionspartner in der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Typischerweise wird der Katalysator in diesem langsamen Schritt beteiligt sind, und Geschwindigkeiten werden durch die Menge des Katalysators beschränkt. In der heterogenen Katalyse kann die Diffusion der Reaktanten an der Oberfläche des Kontakts und Verbreitung von Produkten von der Oberfläche der geschwindigkeitsbestimmende Schritt sein. Ähnliche Ereignissen Substratbindung und Dissoziation des Produkts in der homogenen Katalyse angewendet.

Obwohl Katalysatoren werden nicht durch die Reaktion selbst verbraucht, so kann verhindert werden, deaktiviert oder durch sekundäre Prozesse zerstört. In der heterogenen Katalyse, umfassen typische sekundäre Prozesse Verkoken, wobei der Katalysator durch polymere Nebenprodukte bedeckt. Darüber hinaus können heterogene Katalysatoren in der Lösung in einer Fest-Flüssig-aufzulösen oder zu verdampfen, in eine Feststoff-Gas-System.

Allgemeine Grundlagen der Katalyse

Typischer Mechanismus

Die Katalysatoren in der Regel mit einem oder mehreren der Reaktionspartner zu reagieren, um Zwischenprodukte, die danach auf das endgültige Reaktionsprodukt führt zu bilden. In dem Verfahren wird der Katalysator regeneriert. Das folgende Schema ist typisch für eine katalytische Reaktion, wobei C den Katalysator, X und Y sind die Reaktanten und Z ist das Reaktionsprodukt von X und Y:

Obwohl der Katalysator durch Reaktion 1 verbraucht ist, wird es dann durch Umsetzung 4 erzeugt, so dass die Gesamtreaktion:

Als Katalysator in einem Reaktions regeneriert oft kleine Mengen an Katalysator ausreicht, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. In der Praxis jedoch werden die Katalysatoren manchmal sekundäre Prozesse verbraucht wird.

Als Beispiel für diesen Prozess in 2008 erstmals offenbart dänische Forscher die Abfolge der Ereignisse, wenn der Sauerstoff und Wasserstoff kombiniert auf der Oberfläche des Titandioxids, um Wasser zu erzeugen. Mit einer Reihe von Rastertunnelmikroskopie-Bilder in Intervallen Wirkung stellten sie fest, dass die Moleküle ihre Adsorption, Dissoziation und Diffusion vor der Umsetzung. Die Zwischenstufen der Reaktion waren: HO2, H2O2, H3O2 und dann das Reaktionsendprodukt, wonach das Wassermolekül von der Katalysatoroberfläche desorbierten.

Katalyse und Reaktions Energetik

Katalysatoren funktionieren Bereitstellung eines Mechanismus, der eine andere Übergangszustand und eine niedrigere Aktivierungsenergie. Daher mehrere molekulare Zusammenstöße haben die benötigt wird, um den Übergangszustand zu erreichen Energie. Folglich erlauben die Katalysatoren Reaktionen, die ansonsten blockiert oder verlangsamt würde durch eine kinetische Barriere. Der Katalysator kann der Reaktionsgeschwindigkeit oder Selektivität zu erhöhen, oder die die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen auftreten. Dieser Effekt kann mit einer Boltzmann-Verteilung und Energieprofil Diagramm dargestellt werden.

Die Katalysatoren nicht die Leistung einer Reaktion ändern: keine Wirkung auf das chemische Gleichgewicht der Reaktion, da die Geschwindigkeit von sowohl der Vorwärtsreaktion und die Rückwärts, betroffen sind. Die Tatsache, dass ein Katalysator nicht das Gleichgewicht zu ändern, ist eine Folge der zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Angenommen, es ist ein Katalysator, die das Gleichgewicht verändert. Mit der Einführung des Katalysators in dem System würde auf die Reaktion führen, um wieder ins Gleichgewicht zu gehen, die Erzeugung von Energie. Energieerzeugung ist ein notwendiges Ergebnis, da Reaktionen spontan, wenn und nur wenn Gibbs-Energie auftritt, und wenn es eine Energiebarriere keine Notwendigkeit für einen Katalysator. Folglich Entfernung des Katalysators auch in einer Reaktion führen, die Erzeugung von Energie; Das heißt, sowohl die Zugabe als umgekehrte Prozeß, die Entfernung, Energie zu erzeugen. Somit wäre ein Katalysator, der das Gleichgewicht verändern könnte ein Perpetuum mobile, im Widerspruch zu den Gesetzen der Thermodynamik zu sein.

Wenn ein Katalysator wird das Gleichgewicht, dann muss es im Verlauf der Reaktion verbraucht werden, und daher ist auch ein Reaktionsmittel. Illustrative Beispiele sind die Esterhydrolyse durch Basen katalysiert werden, wobei die unmittelbar hergestellte Carbonsäure reagiert mit dem basischen Katalysator, und somit das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Hydrolyse verschoben.

Die SI-Einheit für die Messung der katalytischen Aktivität eines Katalysators ist die katal, die Mole pro Sekunde entspricht. Die Aktivität eines Katalysators kann durch die Anzahl von Umwandlungen oder TON und die katalytische Effizienz durch Frequenzwandlung TOF beschrieben. Die biochemische Äquivalent ist die Enzymeinheit. Für weitere Informationen über die Effizienz der enzymatischen Katalyse, siehe den Artikel von Enzymkatalyse.

Der Katalysator stabilisiert den Übergangszustand statt Stabilisierung des Ausgangsmaterials. Mit abnehmender kinetischer Energiedifferenz zwischen dem Ausgangsmaterial und dem Übergangszustand-Schranke.

Typische katalytische Materialien

Die chemische Natur der Katalysatoren ist so vielfältig wie die Katalyse selbst, obwohl einige Verallgemeinerungen vorgenommen werden können. Protonensäuren sind wahrscheinlich die am häufigsten verwendeten Katalysatoren, insbesondere für viele Reaktionen, bei denen Wasser, einschließlich Hydrolyse und sein Inverses. Multifunktionale Feststoffe neigen oft dazu, katalytisch aktiv sein, beispielsweise Zeolithe, Aluminiumoxid und bestimmte Formen von graphitischem Kohlenstoff. Übergangsmetalle werden häufig verwendet, um Redoxreaktionen katalysieren. Vielen katalytischen Verfahren, insbesondere solche, die Wasserstoff, erfordern Platingruppenmetalle.

Einige der bekannten Katalysatoren sind tatsächlich Präkatalysatoren. Die Präkatalysatoren sich der Katalysator während der Reaktion. Zum Beispiel Wilkinson-Katalysator RhCl 3 verliert ein Triphenylphosphinliganden vor dem Eintritt in die wahre Katalysezyklus. Die pre-Katalysatoren sind leichter zu lagern, sind jedoch ohne weiteres in situ aktiviert. Weil dieses Voraktivierungsstufe viele katalytische Reaktionen, die eine Induktionsperiode.

Chemische Spezies, die die katalytische Aktivität zu verbessern sind Co-Katalysatoren oder Promotoren genannt, in kooperativen Katalyse.

Arten von Katalyse

Die Katalysatoren können homogen oder heterogen sein, abhängig davon, ob ein Katalysator in der gleichen Phase wie das Substrat. Biokatalysatoren werden oft als eigene Gruppe zu sehen.

Heterogene Katalysatoren

Heterogene Katalysatoren sind solche, die in einer anderen Phase zu den Reaktanten handeln. Die meisten sind feste heterogene Katalysatoren wirken auf Substraten in einem Gemisch von flüssigen oder gasförmigen Reaktions. Verschiedene Mechanismen für Reaktionen auf Oberflächen, je nachdem, wie sie arbeitet Adsorption bekannt. Die Gesamtoberfläche der Feststoff eine signifikante Auswirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Je kleiner die Teilchengrße des Katalysators ist, desto größer die Oberfläche für eine gegebene Masse von Partikeln.

Zum Beispiel die Haber-Bosch-Verfahren dient feinteiliges Eisen als ein Katalysator für die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Die Reaktionsgase werden in der "aktiven Zentrum" der Eisenpartikel adsorbiert. Sobald adsorbiert, die Verbindungen innerhalb der Reaktantenmoleküle leiden und neue Bindungen zwischen den erzeugten Fragmente, teilweise aufgrund seiner Nähe gebildet. So ist die besonders starke Dreifachbindung schwächt und Stickstoffatomen Wasserstoff und Stickstoff zu kombinieren schneller als es wäre, wenn in der Gasphase, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Heterogene Katalysatoren sind in der Regel "unterstützt" bedeutet, dass der Katalysator in einem zweiten Material, die Effizienz verbessert und die Kosten minimiert dispergiert. Manchmal ist der Träger mehr als eine Oberfläche, auf welcher der Katalysator übertragen wird, um die Oberfläche zu vergrößern. Häufiger der Träger und der Katalysator in Wechselwirkung treten, die die katalytische Reaktion beeinflussen.

Homogenkatalysatoren

Normalerweise homogene Katalysatoren werden in einem Lösungsmittel mit Substraten gelöst. Ein Beispiel für homogene Katalyse die den Einfluss von H in der Veresterung der Ester, beispielsweise Methylacetat aus Essigsäure und Methanol. Für anorganische Chemikalien, ist die homogene Katalyse oft gleichbedeutend mit metallorganischen Katalysatoren.

Elektro

Im Zusammenhang mit der Elektrochemie, speziell entwickelt Brennstoffzellen, die verschiedene Metallkatalysatoren verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Halbreaktionen, die die Brennstoffzelle bilden, zu verbessern. Ein üblicher Typ von Brennstoffzellenelektrokatalysator auf Platinnanopartikel sind in etwas größeren Kohleteilchen unterstützt. Wenn Platinelektro in Kontakt mit einer der Elektroden in einer Brennstoffzelle, erhöht die Geschwindigkeit der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser.

Organokatalyse

Während der Übergangsmetalle zu gewinnen manchmal mehr Aufmerksamkeit auf das Studium der Katalyse, können organische Moleküle ohne Metalle auch katalytische Eigenschaften. Typischerweise organische Katalysatoren benötigen eine höhere Belastung als die Katalysatoren auf Basis von Übergangsmetallen, aber diese Katalysatoren sind in der Regel kommerziell in großen Mengen, die Kosten zu senken. Anfang 2000 wurden die Organokatalysatoren als eine "neue Generation" und waren Konkurrenten der traditionellen Katalysatoren, die Metalle. Enzymatischen Reaktionen funktionieren durch Prinzipien der organischen Katalyse.

Bedeutung der Katalyse

Schätzungsweise 90% aller kommerziell produzierten Chemikalien beinhalten Katalysatoren an einem gewissen Stufe ihrer Herstellung. Im Jahr 2005, katalytische Prozesse erzeugt rund 900.000 Milliarden Produkte weltweit. Katalyse ist so allgegenwärtig, dass die Teilbereiche nicht leicht klassifizierbar. Einige Bereiche der bestimmten Konzentration werden nachstehend erörtert.

Verarbeitungsleistung

Erdölraffination macht intensiven Gebrauch der Katalyse für die Alkylierung, katalytisches Cracken, Naphtha und Dampfreformierungs. Selbst die Verbrennungsgase aus der Verbrennung fossiler Energieträger wird durch Katalyse behandelt: Katalysatoren, in der Regel Platin und Rhodium-Verbindungen, brechen einige der schädliche Nebenprodukte der Abgase von Automobilen.

Bezüglich synthetischen Kraftstoffen, einer alten, aber wichtiges Verfahren der Fischer-Tropsch-Synthese von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas, das wiederum durch die Reaktion von Wassergas-Shift-Verarbeitung durch Eisen katalysiert wird. Biodiesel und verwandte Biokraftstoffe erfordern Verarbeitung durch beide anorganische Katalysatoren als Biokatalysatoren.

Brennstoffzellen-Katalysatoren sind auf beiden anodischen und kathodischen Reaktionen beruht.

Massenchemikalien

Einige erhalten die Chemie Skala durch katalytische Oxidation hergestellt, oft unter Verwendung von Sauerstoff. Beispiele sind Salpetersäure, Schwefelsäure, Terephthalsäure aus p-Xylol und Acrylnitril aus Propan und Ammoniak.

Viele andere Chemikalien werden durch groß angelegte Reduktion oft durch Hydrierung erzeugt. Die größeren Maßstab Beispiel Ammoniak, das durch den Haber-Bosch-Verfahren aus Stickstoff hergestellt wird. Methanol aus Kohlenmonoxid hergestellt.

Die Bulk-Polymere aus Ethylen und Propylen abgeleitet sind, häufig über Ziegler-Natta-Katalyse hergestellt. Polyestern, Polyamiden und Isocyanate werden durch Säure-Base-Katalyse erhalten.

Esten Carbonylierungsverfahren erfordern Metallkatalysatoren schließen Beispiele der Synthese von Essigsäure durch die Monsanto und Hydroformylierungsverfahren.

Fine Chemicals

Viele Feinchemikalien über Katalyse hergestellt, sind Methoden denen der Schwerindustrie, sowie speziellere Verfahren, die zu teuer im großen Maßstab wäre. Beispiele hierfür sind die Olefin-Metathese mit dem Grubbs-Katalysator, Heck-Reaktion, und Friedel-Crafts-Reaktion.

Da die meisten bioaktiven Verbindungen chiral sind, sind viele Arzneimittel von enantioselektiven Katalyse hergestellt.

Lebensmittelverarbeitung

Einer der offensichtlichsten Anwendungen der Katalyse ist die Hydrierung von Fetten mit Nickel als Katalysator, um Margarine zu produzieren. Viele andere Lebensmittelprodukte werden durch Biokatalyse hergestellt.

Biologie

In der Natur, Enzyme sind Katalysatoren in den Stoffwechsel und Abbau. Esten Biokatalysatoren auf Proteinen, d.h. Enzyme basiert, aber andere Arten von Biomolekülen auch katalytische Eigenschaften einschließlich Ribozyme und synthetische desoxirribozimas aufweisen.

Die Biokatalysatoren können als Zwischen zwischen homogenen und heterogenen Katalysatoren in Betracht gezogen werden, obwohl streng genommen die homogenen Katalysatoren sind lösliche Enzyme und membrangebundene Enzyme sind heterogen. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Aktivität von Enzymen, wie Temperatur, pH-Wert, Enzymkonzentration, Substrat und Produkte. Eine besonders wichtige Reaktionspartner in den enzymatischen Reaktionen ist Wasser, das das Produkt von vielen Reaktionen ist, dass und Links ein Reaktionspartner in vielen Prozessen, die Bindungen zu brechen gebildet werden.

Enzyme werden verwendet, um die chemische Grundprodukte, einschließlich Maissirup und Acrylamid vorzubereiten.

In der Umwelt

Der Katalysator hat eine Auswirkung auf die Umwelt durch die Erhöhung der Effizienz der industriellen Prozesse, sondern Katalyse spielt auch eine direkte Rolle in der Umwelt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist die katalytische Rolle der freien Radikale im Ozonzerstörung. Diese Reste werden durch die Wirkung ultravioletter Strahlung auf Fluorchlor gebildet

Geschichte

In einem allgemeinen Sinn, alles, was erhöht die Geschwindigkeit eines Prozesses ist ein "Katalysator", ein Begriff aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet "Ring", "lose" oder "sammeln". Die Phrase katalysierten Prozessen wurde von Jöns Jakob Berzelius im Jahre 1836 ins Leben gerufen, um zu beschreiben die Reaktionen durch Stoffe, die nach der Reaktion änderungen bleiben beschleunigt. Eine weitere frühe Chemiker an der Katalyse beteiligt waren Alexander Mitscherlich, die Prozesse zu kontaktieren bezeichnet und Johann Wolfgang Döbereiner, die der Kontaktwirkung sprach und deren leichtere Basis von Wasserstoff und Platinschwamm wurde ein großer kommerzieller Erfolg in der 1820 Humphry Davy entdeckt, die Verwendung von Platin in der Katalyse. In den 1880er Jahren, Wilhelm Ostwald an der Universität Leipzig begann eine systematische Untersuchung der Reaktionen wurden durch die Anwesenheit von Säuren und Basen katalysiert, und festgestellt, dass chemische Reaktionen mit einer endlichen Geschwindigkeit auftreten und dass diese Geschwindigkeiten verwendet werden um die Stärke von Säuren und Basen zu bestimmen. Für diese Arbeit wurde Ostwald 1909 der Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Inhibitoren, Gifte und Förderer

Substanzen, die die Wirkung von Katalysatoren reduzieren werden als katalytische Inhibitoren, wenn sie reversibel sind und Katalysatorgiften, wenn sie irreversibel sind. Promotoren sind Substanzen, die die katalytische Aktivität zu erhöhen, insbesondere wenn Katalysatoren sind an sich nicht.

Der Inhibitor kann auch die Selektivität der Geschwindigkeit zu ändern. B. Reduktion von Ethin zu Ethen ist der Katalysator Palladium, teilweise "vergiftet" mit Blei-Acetat (Pb2). Eine Desaktivierung des Katalysators, wird das erzeugte Ethylen zu Ethan weiter reduziert werden.

Der Inhibitor kann diesen Effekt zB selektiv vergiften nur bestimmte Arten von aktiven Stellen zu erzeugen. Ein weiterer Mechanismus ist die Modifikation der Oberflächengeometrie. Beispielsweise bei der Hydrierung Operationen, während Seiten, die Hydrierung von ungesättigten katalysieren große Bleche Oberflächenfunktion als Stellen hydrogenolytische Katalyse geringer. Somit wird eine flächendeckende Gift zufällig dazu neigen, die Anzahl der großen Platten unberührten reduzieren, aber frei lassen proportional kleinere Seiten und Hydrierung gegen die selektive Hydrogenolyse verändert. Auch viele andere Mechanismen sind möglich.

Energiediagramme

Die Abbildung zeigt eine katalysierte Reaktion Diagramm, das zeigt, wie die Energie variiert Moleküle in der Reaktion während des Reaktionsprozesses beteiligt. Alle Moleküle, die eine bestimmte Menge an Energie, die von der Anzahl und Art der darin vorhandenen Bindungen abhängt. Die Substrate oder Reagenzien eine gewisse Energie und Produkt oder eine andere.

Wenn die Gesamtenergie der Substrate ist größer als das Produkt, eine exotherme Reaktion, und die überschüssige Energie in Form von Wärme freigesetzt. Umgekehrt, wenn die Gesamtenergie der Substrate geringer als die der Produkte ist, muss, um Energie von der Außenseite, so dass die Reaktion stattfindet, was heißt endotherme Reaktion statt.

Wenn die Moleküle der Substrate nähern, um zu reagieren, verlieren sie Stabilität. Die Instabilität zeigt sich als eine Erhöhung der Systemleistung. Wenn die Substrate zu Produkten umgewandelt wird, werden die Moleküle getrennt und wieder zu entspannen, und das ganze wird stabilisiert.

Enzyme katalysieren Reaktionen, die durch die Stabilisierung des Reaktionszwischen, so daß die "Spitze" von Energie benötigt, um die aus den Substraten zu Produkten geringer bewegen. Das Endergebnis ist, daß viel mehr Substratmolekülen kollidieren und reagieren, um Produkte zu ergeben, und in der Regel die Reaktion schneller. Ein Katalysator kann sowohl endothermen und exothermen Reaktionen katalysieren, weil in beiden Fällen ist es notwendig, eine Energiebarriere zu überwinden. Der Katalysator erzeugt eine Mikroumgebung, in der A und B können die Zwischenzustand leichter erreichen, wodurch die erforderliche Energiemenge. Als Ergebnis ist die Reaktion erleichtert, wodurch die Geschwindigkeit der Reaktion.

Katalysatoren nicht den richtigen chemischen Reaktionsgleichgewicht in jedem Fall ändern.

  0   0

In Verbindung Stehende Artikel

Kommentare - 0

Keine Kommentare

Fügen Sie einen Kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Zeichen übrig: 3000
captcha