Что такое катализатор определение. Принцип работы катализаторов

Скорости химических реакций могут резко увеличиваться в присутствии различных веществ, не являющихся реагентами и не входящих в состав продуктов реакции. Это замечательное явление получило название катализ (от греч. «katalysis» - разрушение). Вещество, при наличии которого в смеси увеличивается скорость реакции, называется катализатором. Его количество до и после реакции остается неизменным. Катализаторы не представляют собой какой-то особый класс веществ. В разных реакциях каталитическое действие могут проявить металлы, оксиды, кислоты, соли, комплексные соединения. Химические реакции в живых клетках протекают под контролем каталитических белков, называемых ферментами. Катализ следует рассматривать как истинно химический фактор увеличения скоростей химических реакций, так как катализатор непосредственно участвует в реакции. Катализ часто оказывается более мощным и менее рискованным средством ускорения реакции, чем повышение температуры. Это ярко проявляется на примере химических реакций в живых организмах. Реакции, например гидролиз белков, которые в лабораториях приходится проводить при длительном нагревании до температуры кипения, в процессе пищеварения протекают без нагревания при температуре тела.

Впервые явление катализа наблюдал французский химик Л. Ж. Тенар (1777-1857) в 1818 г. Он обнаружил, что оксиды некоторых металлов при внесении в раствор перекиси водорода вызывают ее разложение. Такой опыт легко воспроизвести, внеся кристаллы перманганата калия в 3%-ный раствор перекиси водорода. Соль КМп0 4 превращается в Мп0 2 , и из раствора под действием оксида быстро выделяется кислород:

Непосредственно действие катализатора на скорость реакции связано с понижением энергии активации. При обычной температуре понижение? а на 20 кДж/моль увеличивает константу скорости приблизительно в 3000 раз. Понижение Е Л может быть и значительно более сильным. Однако понижение энергии активации является внешним проявлением действия катализатора. Реакция характеризуется определенным значением E. v которое может измениться только при изменении самой реакции. Давая те же самые продукты, реакция при участии добавленного вещества идет по иному пути, через другие стадии и с другой энергией активации. Если на этом новом пути энергия активации оказывается ниже и реакция соответственно идет быстрее, то мы говорим, что эго вещество является катализатором.

Катализатор взаимодействует с одним из реагентов, образуя некоторое промежуточное соединение. На одной из последующих стадий реакции катализатор регенерируется - выходит из реакции в первоначальном виде. Реагенты, участвуя в каталитической реакции, продолжают взаимодействовать между собой и по медленному пути без участия катализатора. Поэтому каталитические реакции относятся к разновидности сложных реакций, называемых последовательно-параллельными. На рис. 11.8 показана зависимость константы скорости от концентрации катализатора. График зависимости не проходит через ноль, так как при отсутствии катализатора протекание реакции не прекращается.

Рис. 11.8.

наблюдаемая константа k выражается суммой k u + & к с(К)

Пример 11.5. При температуре -500 °С реакция окисления оксида серы(1У)

являющаяся одной из стадий промышленного получения серной кислоты, идет очень медленно. Дальнейшее повышение температуры неприемлемо, так как равновесие смещается влево (реакция экзотермическая) и выход продукта слишком сильно понижается. Но эта реакция ускоряется различными катализаторами, одним из которых может быть оксид азота(П). Сначала катализатор реагирует с кислородом:

а потом передает атом кислорода оксиду серы(1У):

Так образуется конечный продукт реакции и регенерируется катализатор. Для реакции открылась возможность течения по новому пути, на котором константы скорости значительно возросли:

На приведенной схеме показаны оба пути процесса окисления S0 2 . При отсутствии катализатора реакция идет только по медленному пути, а в присутствии катализатора- по обоим.

Различают два вида катализа - гомогенный и гетерогенный. В первом случае катализатор и реагенты образуют гомогенную систему в виде газовой смеси или раствора. Пример окисления оксида серы - это гомогенный катализ. Скорость гомогенной каталитической реакции зависит как от концентраций реагентов, так и от концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе катализатор представляет собой твердое вещество в чистом виде или нанесенное на носитель. Например, платина в качестве катализатора может быть закреплена на асбесте, оксиде алюминия и т.д. Молекулы реагента адсорбируются (поглощаются) из газа или раствора на особых точках поверхности катализатора - активных центрах и при этом активируются. После химического превращения образовавшиеся молекулы продукта десорбируются с поверхности катализатора. На активных центрах повторяются акты превращения частиц. Кроме прочих факторов, скорость гетерогенной каталитической реакции зависит от площади поверхности каталитического материала.

Гетерогенный катализ особенно широко применяется в промышленности. Это объясняется легкостью осуществления непрерывного каталитического процесса при прохождении смеси реагентов через контактный аппарат с катализатором.

Катализаторы действуют избирательно, ускоряя вполне определенный вид реакций или даже отдельную реакцию и не влияя на другие. Это позволяет использовать катализаторы не только для ускорения реакций, но и для целенаправленного превращения исходных веществ в желаемые продукты. Метан и вода при 450 °С на катализаторе Fe 2 0 3 превращаются в углекислый газ и водород:

Те же вещества при 850 °С на поверхности никеля реагируют с образованием оксида углерода(П) и водорода:

Катализ относится к тем областям химии, в которых пока невозможно делать точные теоретические прогнозы. Все промышленные катализаторы для переработки нефтяных продуктов, природного газа, производства аммиака и многие другие разработаны на основе трудоемких и длительных экспериментальных исследований.

Умение управлять скоростями химических процессов имеет неоценимое значение в хозяйственной деятельности человека. При промышленном получении химических продуктов обычно необходимо увеличивать скорости технологических химических процессов, а при хранении продукции требуется уменьшать скорость разложения или воздействия кислорода, воды и т.д. Известны вещества, которые могут замедлять химические реакции. Они называются ингибиторами , или отрицательными катализаторами. Ингибиторы принципиально отличаются от настоящих катализаторов тем, что реагируют с активными частицами (свободными радикалами), которые по тем или иным причинам возникают в веществе или окружающей его среде и вызывают ценные реакции разложения и окисления. Ингибиторы постепенно расходуются, прекращая свое защитное действие. Наиболее важной разновидностью ингибиторов являются антиоксиданты, предохраняющие различные материалы от воздействия кислорода.

Следует напомнить и о том, чего нельзя добиться с помощью катализаторов. Они способны ускорять только самопроизвольные реакции. Если реакция самопроизвольно не идет, то катализатор не сможет ее ускорить. Например, никакой катализатор не может вызвать разложение воды на водород и кислород. Этот процесс можно осуществить только электролизом, затрачивая при этом электрическую работу.

Катализаторы могут активизировать и нежелательные процессы. В последние десятилетия наблюдается постепенное разрушение озонового слоя атмосферы на высоте 20-25 км. Предполагается, что в распаде озона участвуют некоторые вещества, например галогенированные углеводороды, выбрасываемые в атмосферу промышленными предприятиями, а также используемые в бытовых целях.

В каждом автотранспортном средстве присутствуют детали и устройства, которые не попадаются на глаза автолюбителям, но при этом они отвечают за полноценную работу «жизненно необходимых» узлов АТС.

Каталитический нейтрализатор выхлопных газов или катализатор, известный также как нейтрализатор довольно часто становится причиной споров между автомобилистами. Одни из них считают, что эта деталь играет немаловажную роль в системе очистки выхлопных газов, другие придерживаются мнения, что использовать этот элемент необязательно и даже противопоказано.

Чтобы разобраться в необходимости или «ненужности» катализатора, в первую очередь стоит понять, что он из себя представляет и по какому принципу работает этот элемент.

Принцип работы каталитического нейтрализатора

Нейтрализатор - это составная часть выхлопной системы автомобиля, благодаря которой снижается концентрация вредных веществ, содержащихся в отработанных выхлопных газах. Среди них окись углерода, оксиды азота, а также углеводороды.

Современный катализатор автомобильный, фото которого представлены в статье, содержит в своем составе благородные металлы, которые нагреваются от выхлопных газов и провоцируют процесс «дожигания» вредных веществ до нормы, предусмотренной экологическими требованиями.

Конструкция нейтрализатора включает в себя корпус, внутри которого располагается керамическая или металлическая основа в виде сот. Сверху она покрыта тонким слоем специального платиноиридиевого сплава. Сотообразная конструкция позволяет значительно увеличить площадь соприкосновения выхлопов газа и поверхности, покрытой каталитическим слоем. В результате этого происходит окислительная реакция окиси углерода и углеводорода и на выходе в атмосферу попадают только практически «безобидные» вещества: азот (N2) и углекислый газ (СО2).

Устанавливать катализатор на автомобиль не обязательно, но желательно, особенно если:

• вашей машине менее 5 лет;
• вы сами проходите ТО;
• вы собираетесь на автомобиле за границу (обязательно);
• вы не желаете загрязнять окружающую среду.

Каталитические нейтрализаторы выполняют немного разные функции, в зависимости от типа изделия.

Виды катализаторов

Разделяют несколько типов катализаторов, в зависимости от их назначения:

Двусторонние

Устройство катализатора выхлопных газов двустороннего типа позволяет выполнять сразу несколько задач:

1. Запустить процесс окисления угарного газа в углекислый;
2. Окислить несгоревшие углеводороды (частично сгоревшее или несгоревшее топливо) в воду и углекислый газ благодаря реакции горения.

Такие катализаторы чаще всего применяются для дизельных двигателей.

Трехсторонние

Трехсторонний катализатор авто появился еще в 1981 году в целях снизить объемы вредных веществ, попадающих в атмосферу. Этот тип нейтрализатора позволяет выполнять более обширный спектр задач, а именно:

1. Превращать окиси азота в кислород и азот.
2. Окислять угарный газ в углекислый газ.
3. Окислять несгоревшие углеводороды в воду и углекислый газ.

Также существуют дизельные катализаторы и нейтрализаторы для моторов, работающих на бедных смесях.

Помимо этого катализаторы отличают по материалу, из которого изготавливается картридж устройства. Исходя из этого, выделяют:

Керамические нейтрализаторы

Это стандартные модели оснащенные конструкцией в виде сот. Сам керамический элемент в этом случае покрыт платиноиридиевым сплавом.

Если говорить о недостатках таких моделей, то практически все автолюбители выделяют хрупкость керамического устройства, которое достаточно ударить об камень, чтобы соты рассыпались. Также изделие может повредиться если на прогретом авто заехать в лужу, капли воды попавшие на раскаленный нейтрализатор приведут к его поломке.

Помимо этого соты могут распасться в случае неполадок в системе зажигания машины. Например, если топливо воспламеняется не сразу после запуска двигателя, а с небольшой задержкой. В этом случае несгоревшее топливо будет собираться в резервуаре выпускного тракта (то есть в катализаторе) и как только скопившийся бензин взорвется, все соты разрушатся.

Также в таких катализаторах накапливается керамическая пыль, которая попадает в камеру сгорания, а в некоторых случаях даже в цилиндры двигателя.

Единственное преимущество керамического нейтрализатора - это его низкая стоимость.

Металлические нейтрализаторы

Конструкция этого типа отличается повышенной надежностью и прочностью, благодаря чему такой катализатор может выдерживать механические нагрузки на протяжении довольно долгого времени. Соты, установленные в изделии, отличаются своей упругостью, добиться этого удалось благодаря их спиралевидной форме и металлу.

Однако, несмотря на надежность такого нейтрализатора, он также как и керамический «боится»:

• Некачественного или этилированного топлива.
• Масел или антифриза, которые попадают в камеру сгорания.
• Некачественных технических жидкостей для промывки систем, купленных «с рук» или от непроверенного производителя.
• Переобогащенных топливных смесей.
• Долгой работы на холостом ходу.

Спортивные

Такие катализаторы также выполнены из металла, однако их пропускная способность намного выше стандартных металлических и керамических изделий. Благодаря этому нейтрализаторы этого типа придают автомобилю дополнительную мощность (от 7% до 20%). Правда, такого результата можно достигнуть только при условии, что в машине установлена прямоточная система выхлопа. При этом катализаторы отвечают экологическим требованиям Евро 4 и 5.

Спортивные модели самые надежные, но их стоимость самая большая.

Исходя из такого большого количества недостатков стандартных моделей, и появились теории о том, что нейтрализаторы приносят больше вреда для самого автомобиля, нежели пользы для экологии. Однако избежать большинства неприятностей можно, если своевременно менять изделие. К слову, катализатор автомобильный ремонт не предполагает, поэтому вышедший из строя элемент необходимо менять.

Варианты замены нейтрализаторов

Существует несколько вариантов замены нейтрализатора:

• На оригинальный. Такая замена логична, если вы эксплуатируете автомобиль, у которого еще не вышел срок гарантии. Это самый дорогостоящий вариант.
• На универсальный. В этом случае вы заплатите в два раза меньше и получите прибор, который позволит значительно снизить объем токсичных выхлопов.
• На пламегаситель (своего рода резонатор). Это самый дешевый вариант замены, однако, такое устройство нельзя устанавливать в машины с нормами токсичности Евро 4, это означает, что пламегаситель не снижает уровень токсичности газов.

Как определить, что катализатор нуждается в замене

Как правило, катализатор считается вышедшим из строя, если его каталитический слой сгорел в процессе эксплуатации. В автомобилях с современной бортовой системой при поломке нейтрализатора загорается ошибка. Если же автомобиль не новый, то определить приближающийся выход из строя нейтрализатора можно по следующим признакам:

• Тяга на больших оборотах временно или постоянно пропадает.
• Автомобиль стал хуже заводиться «на горячую». По утрам, при этом, мотор долго не заводится.
• Начали пропадать обороты. Например, когда вы давите на газ, а тахометр еле-еле доходит до 2 - 4 тысяч оборотов, но выше стрелка не идет. При этом автомобиль начал потреблять больше топлива.

Эти признаки свидетельствуют о том, что катализатор находится в «полурабочем» состоянии, то есть еще работает, но уже пора менять. А если нейтрализатор вовсе «приказал долго жить», то вы заметите, что машина начала слишком долго заводиться, но даже если мотор и начинает работать, но почти сразу он глохнет. Либо автомобиль и вовсе не заводится. Убедиться что причина в этом случае именно в катализаторе довольно просто: нужно завести мотор и подойти к выхлопной трубе, если выхлопные газы не идут (вы их не чувствуете рукой), значит пришло время менять составную часть выхлопной системы.

В заключении

Устанавливать катализатор или нет - дело каждого автовладельца. Пока что в России не предусмотрено строгих требований к объему вредных веществ в выхлопных газах. Однако если вы решите отправиться на автомобиле в путешествие по Европе, вам обязательно придется установить каталитический нейтрализатор.

Катализатор - это устройство с простой конструкцией, однако его роль достаточна велика. В результате работы двигателей внутреннего сгорания образуется масса вредных веществ, которые через выходной тракт выбрасываются в атмосферу. Каталитический преобразователь позволяет уменьшить токсичность выхлопных газов.

История создания и внедрения

В 60-х годах правительственные органы всех развитых стран мира решили обратить особое внимание на выбросы из выхлопных труб машин, ведь законом загрязнение атмосферы автомобилями не регулировалось.

В 1970 году приняли первые стандарты, которые предъявили автозаводам. В них были указания по содержанию в выхлопных газах вредных веществ. Эти стандарты требовали, чтобы в автомобилях использовались преобразователи, которые бы нейтрализовали вредное воздействие угарного газа и углеводорода. В 1975 году использование катализаторов стало обязательным.

Нейтрализаторы токсичных газов

Каждый день на дорогах появляется все больше и больше машин. Автомобиль является мощным источником, загрязняющим атмосферу. Особенно наполнен газами воздух в больших городах и мегаполисах.

Постоянно издаются все новые и новые законы, которые должны ограничивать допустимые уровни выброса газов при работе ДВС. Производители автомобилей стараются соответствовать этим нормам, поэтому постоянно усовершенствуют топливную и выхлопную системы, а также изменяют конструкцию мотора.

Немного о выбросах

Чтобы сделать количество выбросов в атмосферу как можно меньше, современные двигатели внутреннего сгорания постоянно и очень тщательно контролируют топливо, которое в них сгорает. Это нужно для того, чтобы воздушно-топливная смесь была идеальной. При таком соотношении топливо должно сгореть вместе со всем кислородом, находящимся в воздухе. При движении машины это соотношение не идеальное. Иногда смесь бедная, иногда более обогащенная.

Основные загрязнители

Сегодня основными загрязнителями воздуха считают азот в газообразном состоянии (N2), диоксид углерода (CO2), а также водяной пар.

Если рассматривать по сути, то эти продукты горения не опасны. Но ученые считают, что диоксид углерода влияет на глобальное потепление. В результате неидеального сгорания топлива и воздуха выделяется небольшое количество особо вредных газов и веществ. Именно ради них и создавались эти устройства. К особо опасным веществам можно отнести окись углерода, различные углеводороды, оксиды азота.

Принцип работы катализаторов

Если вы вспомните школьный курс химии, то катализатор - это специальное вещество, позволяющее ускорить химическую реакцию или стать ее причиной. При этом в продуктах реакций его не будет. Оно просто участвует в процессе, однако само по себе не является реактивом или продуктом.

В нейтрализаторах или преобразователях, которые установлены в автомобилях, различают два вида катализаторов. Это восстанавливающий и окислительный. Оба изготовлены из керамики, которая покрыта металлами. В основном в качестве металлов применяют платину или родий. Идея здесь в создании такой структуры, которая при прохождении выхлопных газов через нее задействует максимальную площадь, при этом количество катализирующих веществ должно быть минимальным, так как цена их достаточно высока.

В некоторых преобразователях применяют золото с различными традиционными примесями. Оно способно повысить степень окисления. Это необходимо для того, чтобы можно было снизить выбросы вредных газов.

Виды преобразователей

Многие современные выпускные и выхлопные системы оснащаются двумя видами преобразователей нейтрализаторов. То есть чтобы для каждого вещества был свой элемент, который сведет к минимуму выброс.

Восстанавливающий катализатор - это самый первый этап процесса нейтрализации и преобразования. Здесь в составе чаще всего родин, а также платина. Он призван нейтрализовать оксид азота в выхлопных газах. В результате образуется кислород и азот.

Окислительный преобразователь является вторым в этой цепочке. Он призван снизить количество несгоревшего горючего, а также уменьшить количество окиси углерода. В результате работы этого преобразователя образуется СО2 (углекислый газ).

Что касается конструкций данных устройств, то существуют «соты» и «керамические бусины». В современных автомобилях более распространены сотовые структуры.

Катализатор ВАЗ

В автомобилях АвтоВаз в качестве нейтрализатора используется керамическая структура, покрытая платиной или палладием. Восстановительный преобразователь на большинстве моделей использует в качестве нейтрализующих веществ родий и платину.

Люди на особо любят эти устройства. Во-первых, эта штука стоит достаточно дорого, во-вторых, в нашей стране из-за низкокачественного топлива преобразователи часто выходят из строя. Кто-то заменяет их, а кто-то использует катализаторы-пламегасители.

Пламегаситель

Это некий заменитель для нейтрализатора. Основная задача, которая перед ним ставится - это выравнивание потока выхлопа. Благодаря нему работа выхлопной системы становится более правильной, а также долговечной. За счет использования этих конструкций можно добавить машине мощности, и звук мотора будет ровный.

Основное отличие в том, что пламегаситель не умеет нейтрализовать вредные выбросы. Однако, как свидетельствуют отечественные нормы, выхлоп совершенно любой иномарки намного ниже допустимых. Сегодня многие в своих автомобилях меняют катализатор («Форд Мондео» чаще всего подвергается этому) на пламегасители. Считается, что с этими устройствами двигатель лучше «дышит».

Устройство пламегасителей

Конструкция аналогичная обычным резонаторам. Поэтому в европейских странах такого понятия не существует. Этот узел называется не иначе, как предварительный резонатор.

Существуют прямоточные пламегасители и устройства с диффузором. Последним называют воронку, которая приварена к трубе в ее середине. Она принудительно загоняет выхлопные газы в пламегаситель.

Вопросы замены катализаторов

Иногда на отечественных автомобилях, да и на иномарках, появляется необходимость заменить нейтрализатор. Например, катализатор 2114-го ВАЗа существенно улучшает динамику машины, а также позволяет снизить расход топлива.

К необходимости замены этой детали выхлопной системы приходят только в двух случаях. Считается, что такой элемент забирает часть мощности авто. Однако увеличить мощность таким образом - весьма сомнительное мероприятие.

Во втором случае деталь вышла бы из строя. Так бывает, если часто заправлять машину некачественным топливом. Также это случается при некоторых неисправностях мотора, которые приводят к расходу масла и забиванию сот. Ремонт катализатора необходим, если были механические повреждение на его корпусе. Кроме того, преобразователь может прийти в негодность в связи с попаданием в выхлопы силикона. Еще замена требуется в случае перегрева. Если устройство нагрелось свыше 970 градусов, то однозначно нужно менять.

Как проверить катализатор?

Если вы заметили, что машина до какой-то скорости двигается с большим трудом, а затем работает в обычном режиме, или если скоростные способности машины постепенно снижаются, либо ваш мотор не запускается вообще, то вам грозит ремонт катализатора.

Чтобы проверить эту деталь, необходимо провести демонтаж и осмотреть ее на просвет. Еще один способ - проверка давления в системе выпуска. Для этого необходимо на место датчика кислорода установить манометр и снять показания.

Обманка катализатора

Эти устройства призваны нейтрализовать токсичность выхлопных газов автомобиля, а также сделать работу мотора более тихой. Иногда нейтрализатор выходит из строя и ему необходима замена. Так как стоят эти детали недешево, то автолюбители ищут компромиссы.

Чтобы решить проблему с этой деталью, иногда автолюбители применяют так называемые эмуляторы. Существует два вида этих устройств, один из них механический, второй - электронный.

Механическая обманка катализатора представляет собой бронзовую или любую другую металлическую деталь, которая выдерживает высокие температуры. Нужно учитывать, что размер обманки должен совпадать с размерами преобразователя. Там, где эмулятор должен будет фиксироваться, нужно просверлить отверстия для подачи газов. В полости эмулятора есть крошка из керамики, которая покрыта каталитическим веществом.

Электронное устройство сделать самостоятельно уже не получится, однако стоит он значительно дешевле, чем штатный катализатор (цена здесь вполне существенная).

В автомобильных магазинах предлагаются достаточно технологичные модели, но это специальный эмулятор, оснащенный микропроцессором. Он заставляет блок управления работать правильно. Здесь никакого обмана нет.

Ценовой вопрос

Катализатор - это важная часть конструкции множества современных автомобилей. Основное предназначение этого устройства - нейтрализация вредных выбросов, идущих в атмосферу. Эта деталь не может служить вечно, поэтому рано или поздно придется ее менять.

Сегодня на автомобильных рынках можно купить катализатор (цена будет составлять от 4000 рублей и больше) для отечественных автомобилей. Например, оригинальная запчасть на машину ВАЗ стоит порядка 5160 рублей. Стоимость замены данной детали на некоторых иномарках может обойтись в 2400 рублей или больше, но поменять этот элемент можно и в собственном гараже, своими руками. Данная операция не требует особых усилий и наличия специальных инструментов.

Итак, мы выяснили, что такое автомобильный катализатор, для чего он используется и какова его стоимость. Выбор за вами!

Химия - наука о веществах и их превращениях, а также способах их получения. Даже в обычной школьной программе рассматривается такой важный вопрос, как типы реакций. Классификация, с которой знакомят школьников на базовом уровне, учитывает изменение степени окисления, фазу протекания, механизм процесса и т. д. Кроме того, все химические процессы подразделяют на некаталитические и каталитические реакции. Примеры превращений, протекающих с участием катализатора, встречаются человеку в обычной жизни: брожение, гниение. Некаталитические превращения нам встречаются гораздо реже.

Что такое катализатор

Это химическое вещество, которое способно менять скорость взаимодействия, но само в ней не участвует. В том случае, когда с помощью катализатора происходит ускорение процесса, идет речь о положительном катализе. В том случае, если добавляемое в процесс вещество снижает его называют ингибитором.

Виды катализа

Гомогенный и гетерогенный катализ отличаются по фазе, в которой находятся исходные вещества. Если исходные компоненты, взятые для взаимодействий, включая и катализатор, находятся в одном агрегатном состоянии, протекает гомогенный катализ. В том случае, когда в реакции принимают участие разные по фазе вещества, идет гетерогенный катализ.

Селективность действия

Катализ представляет собой не просто средство повышения производительности аппаратуры, он положительно влияет на качество получаемых продуктов. Объяснить подобное явление можно тем, что благодаря избирательному (селективному) действию большинства катализаторов, ускоряется прямая реакция, снижаются побочные процессы. В конечном итоге получаемые продукты имеют большую чистоту, нет необходимости дополнительно очищать вещества. Селективность действия катализатора дает реальное снижение непроизводственных затрат сырья, неплохую экономическую выгоду.

Преимущества применения катализатора в производстве

Чем еще характеризуются каталитические реакции? Примеры, рассматриваемые в обычной средней школе, свидетельствуют о том, что использование катализатора позволяет проводить процесс при более низких температурах. Эксперименты подтверждают, что с его помощью можно рассчитывать на существенное снижение энергетических затрат. Это особенно важно в современных условиях, когда в мире наблюдается недостаток энергетических ресурсов.

Примеры каталитических производств

В какой промышленности используют каталитические реакции? Примеры таких производств: изготовление азотной и серной кислот, водорода, аммиака, полимеров, Широко применяют катализ в получении органических кислот, одноатомных и фенола, синтетических смол, красителей, лекарственных средств.

Что является катализатором

В качестве катализаторов могут выступать многие вещества, находящиеся в периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, а также их соединения. Среди самых распространенных ускорителей выделяют: никель, железо, платину, кобальт, алюмосиликаты, оксиды марганца.

Особенности катализаторов

Помимо избирательного действия, у катализаторов отличная механическая прочность, они способны противостоять каталитическим ядам, легко регенерируются (восстанавливаются).

По фазовому состоянию каталитические подразделяют на газофазные и жидкофазные.

Подробнее рассмотрим такие типы реакций. В растворах ускорителем химического превращения выступают катионы водорода Н+, гидроксид ионы основания ОН-, катионы металлов М+ и вещества, которые способствуют образованию свободных радикалов.

Суть катализа

Механизм катализа при взаимодействии кислот и оснований состоит в том, что происходит обмен между взаимодействующими веществами и катализатором положительными ионами (протонами). При этом происходят внутримолекулярные превращения. По данному типу идут реакции:

• дегидратации (отцепления воды);
• гидратации (присоединения молекул воды);
• этерификации (образования сложного эфира из спиртов и карбоновых кислот);
• поликонденсации (образования полимера с отщеплением воды).

Теория катализа объясняет не только сам процесс, но и возможные побочные превращения. В случае гетерогенного катализа ускоритель процесса образует самостоятельную фазу, каталитическими свойствами обладают некоторые центры на поверхности реагирующих веществ либо задействуется вся поверхность.

Существует и микрогетерогенный процесс, который предполагает нахождение катализатора в коллоидном состоянии. Данный вариант является переходным состоянием от гомогенного к гетерогенному виду катализа. Большая часть таких процессов протекает между газообразными веществами с применением твердых катализаторов. Они могут быть в форме гранул, таблеток, зерен.

Распространение катализа в природе

Ферментативный катализ достаточно широко распространён в природе. Именно с помощью биокатализаторов протекает синтез белковых молекул, осуществляется обмен веществ в живых организмах. Ни один биологический процесс, протекающий с участием живых организмов, не обходит стороной каталитические реакции. Примеры жизненно важных процессов: синтез из аминокислот белков, специфичных для организма; расщепление жиров, белков, углеводов.

Алгоритм катализа

Рассмотрим механизм катализа. Данный процесс, протекающий на пористых твердых ускорителях химического взаимодействия, включает в себя несколько элементарных стадий:

• диффузия взаимодействующих веществ к поверхности крупинок катализатора из ядра потока;
• диффузия реагентов в порах катализатора;
• хемосорбция (активированная адсорбция) на поверхности ускорителя химической реакции с появлением химических поверхностных веществ - активированных комплексов «катализатор-реагенты»;
• перегруппировка атомов с возникновением поверхностных комбинаций «катализатор-продукт»;
• диффузия в порах ускорителя реакции продукта;
• диффузия продукта от поверхности зерна ускорителя реакции в ядро потока.

Каталитические и некаталитические реакции настолько важны, что ученые на протяжении многих лет продолжают исследования в данной сфере.

При гомогенном катализе нет необходимости сооружать специальные конструкции. Ферментативный катализ при гетерогенном варианте предполагает использование разнообразной и специфичной аппаратуры. Для его протекания разработаны специальные контактные аппараты, подразделяемые по поверхности контакта (в трубках, на стенках, катализаторных сетках); с фильтрующим слоем; взвешенным слоем; с движущимся пылевидным катализатором.

Теплообмен в аппаратах реализуется разными способами:

• путем применения выносных (внешних) теплообменников;
• с помощью теплообменников, встроенных в контактный аппарат.

Анализируя формулы по химии, можно найти и такие реакции, в которых катализатором выступает один из конечных продуктов, который образуется в ходе химического взаимодействия исходных компонентов.

Подобные процессы принято называть автокаталитическими, само явление в химии именуется автокатализом.

Скорость многих взаимодействий связана с присутствием в реакционной смеси определенных веществ. Их формулы в химии чаще всего упускаются, заменяются словом «катализатор» либо его сокращенным вариантом. Их не включают в итоговое стереохимическое уравнение, так как они после завершения взаимодействия не меняются с количественной точки зрения. В некоторых случаях достаточно незначительных количеств веществ, чтобы существенно повлиять на скорость осуществляемого процесса. Вполне допустимы и такие ситуации, когда в качестве ускорителя химического взаимодействия выступает сам реакционный сосуд.

Суть влияния катализатора на изменение скорости химического процесса в том, что данное вещество включено в состав активного комплекса, а потому изменяет химического взаимодействия.

При распаде данного комплекса наблюдается регенерация катализатора. Суть в том, что он не будет расходоваться, останется в неизменном количестве после окончания взаимодействия. Именно по этой причине вполне достаточно незначительного количества активного вещества для осуществления реакции с субстратом (реагирующим веществом). В реальности незначительные количества катализаторов при проведении все-таки расходуются, так как возможны различные побочные процессы: его отравление, технологические потери, смена состояния поверхности твёрдого катализатора. Формулы по химии не предполагают учет катализатора.

Заключение

Реакции, в которых принимает участие активное вещество (катализатор), окружают человека, к тому же они протекают и в его организме. Гомогенные реакции встречаются гораздо реже, чем гетерогенные взаимодействия. В любом случае сначала происходит образование промежуточных комплексов, которые являются нестабильными, постепенно разрушаются и наблюдается регенерация (восстановление) ускорителя химического процесса. К примеру, при взаимодействии метафосфорной кислоты с персульфатом калия в качестве катализатора выступает йодоводородная кислота. При ее добавлении к реагирующим веществам образуется раствор желтого цвета. По мере приближения к окончанию процесса окраска постепенно исчезает. В качестве промежуточного продукта в данном случае выступает йод, а процесс происходит в две стадии. Но как только метафосфорная кислота будет синтезирована, катализатор возвращается в свое первоначальное состояние. Катализаторы незаменимы в промышленности, они помогают ускорять превращения, получать качественные продукты реакции. Невозможны без их участия и биохимические процессы в нашем организме.

Инициирующие химические реакции за счёт промежуточных химических взаимодействий с участниками реакции и восстановления своего химического состава после каждого цикла таких промежуточных взаимодействий (смотри в статье Катализ). По способу организации и фазовому составу реакционной системы принято различать гетерогенные и гомогенные катализаторы, а также катализаторы биологического происхождения - ферменты. В гетерогенном катализе катализаторы иногда называют контактами.

В общем случае носителем каталитической активности катализаторов (смотри в статьях Гетерогенный катализ, Гомогенный катализ) обычно является вещество, непосредственно вступающее в химическое взаимодействие, по крайней мере, с одним из исходных реагентов с образованием нестойких (в условиях проведения каталитической реакции) химических соединений, - активный компонент катализатора (для твёрдых гетерогенных катализаторов часто каталитическая активная фаза). Механизмы действия катализаторов достаточно разнообразны и зависят от типа осуществляемой каталитической реакции и природы вещества активного компонента катализатора; химическая природа активного компонента катализаторов также может быть самой разнообразной. Массовая доля активного компонента в катализаторах может варьировать от 100% до весьма малых величин (десятые доли процента).

Основными характеристиками катализаторов являются каталитическая активность, селективность по отношению к целевым продуктам каталитических превращений, специфичность по отношению к реагентам каталитических реакций, стабильность, устойчивость к действию каталитических ядов; для промышленных катализаторов ещё и производительность (количество целевого продукта, полученного за единицу времени на единицу объёма или массы катализатора).

Обычно катализаторы подразделяют по типам каталитических процессов: глубокого и парциального (селективного) окисления, гидрирования, полимеризации, процессов нефтепереработки, органического синтеза и др. Типичными катализаторами окислительно-восстановительных реакций (окисления, гидрирования и пр.) являются переходные элементы в металлическом виде, а также их соли, комплексные соединения, оксиды и сульфиды. Типичными катализаторами кислотно-основных реакций (гидратации, дегидратации, алкилирования, полимеризации, крекинга и пр.) являются жидкие и твёрдые минеральные и органические кислоты и основания, кислые соли, алюмосиликаты, цеолиты и др.

В промышленности предпочитают использовать твёрдые гетерогенные катализаторы вследствие лёгкости их отделения от реакционной среды и возможности работы при повышенных температурах. Активный компонент (каталитически активная фаза) многих промышленных гетерогенных катализаторов является высокодисперсным и нередко нанесённым на прочный пористый носитель (обычно высокопористый углерод, оксид непереходного элемента, например, кремния, алюминия, титана, циркония, и др.). Для увеличения каталитической активности, селективности, химической устойчивости и термостабильности в катализаторы иногда вводят небольшое количество промотора (или активатора) - вещества, которое может не обладать самостоятельной каталитической активностью.

Твёрдые промышленные катализаторы должны обладать высокими каталитической активностью, специфичностью по отношению к заданной реакции, селективностью по отношению к целевому продукту, механической прочностью, термостойкостью, определённой теплопроводностью. Промышленные катализаторы должны быть также стойкими по отношению к дезактивации - снижению или полному подавлению их каталитической активности. Дезактивация катализаторов может происходить за счёт спекания или механического разрушения (например, истирания) активного компонента и/или вещества носителя, блокировки активных центров побочными продуктами процесса - плотными углеродными отложениями (коксом), смолистыми веществами и пр., отравления каталитическими ядами. Действие каталитических ядов обычно обусловлено блокировкой наиболее активных участков активного компонента катализаторов за счёт прочной хемосорбции и поэтому проявляется даже при наличии малых количеств ядов. Типичными каталитическими ядами являются соединения серы, азота, фосфора, мышьяка, свинца, ртути, цианистые соединения, кислород, монооксид углерода, производные ацетилена, иногда вода и др. В промышленности для предотвращения отравления катализаторов производят глубокую предварительную очистку реагирующих веществ от каталитических ядов. В промышленных каталитических процессах для восстановления каталитической активности катализаторы после их дезактивации регенерируют. Регенерацию катализаторов осуществляют, например, выжиганием кокса и смолистых веществ, промыванием водой или специально подобранными растворителями.

Каталитическая активность твёрдого катализатора зависит от величины и состояния доступной для реагентов поверхности катализатора, формы, размера и профиля пор катализатора (то есть его текстуры), что определяется способом приготовления катализатора и его предварительной обработкой. В условиях отсутствия диффузионных ограничений активность твёрдого катализатора прямо пропорциональна такой поверхности. Поэтому большинство промышленных гетерогенных катализаторов имеет развитую удельную поверхность, вплоть до нескольких сотен м 2 на 1 г катализатора. Наиболее распространёнными методами получения активных твёрдых катализаторов являются осаждение гидроксидов и карбонатов металлов из растворов солей или комплексных соединений с последующим термическим разложением осадка до оксидов, разложение иных соединений на воздухе до оксидов, сплавление нескольких веществ с последующим выщелачиванием одного из них (так называемые сплавные, или «скелетные», катализаторы), а также нанесение активного компонента катализатора на носитель методом пропитки или из газовой фазы с последующей активацией катализатора. Типичными процедурами активации катализаторов являются их восстановление водородом, сульфидирование с помощью различных серосодержащих соединений и т.п.; для некоторых типов катализаторов используется термоактивация, осуществляемая с помощью прогрева катализатора до температуры формирования активной фазы. Механически прочные катализаторы изготавливают в виде прессованных таблеток, а также полученных специальными методами гранул, шариков, сплошных и полых цилиндров (колец Рашига), различного рода экструдатов и пр. В ряде случаев для снижения аэро- или гидродинамического сопротивления слоя катализаторов им придают и более специфические формы. Например, каталитические нейтрализаторы автомобильных выхлопов обычно изготавливают в виде керамических или металлических «сотовых» блоков со множеством параллельных каналов вдоль потока очищаемого газа. В промышленности применяют также суспензии катализаторов в жидкой фазе (суспензионный процесс) и пылевидные катализаторы, которые в ходе реакции оказываются взвешенными в парах компонентов реакции (так называемый флюид-процесс).

Стоимость катализатора зависит от его химического состава, способа приготовления и варьирует от 0,5 до нескольких тысяч долларов США за 1 кг катализатора. Тем не менее, в стоимости готовой продукции, полученной с помощью промышленных катализаторов, стоимость катализатора обычно составляет не более 0,1-1%.

Промышленные гетерогенные катализаторы являются мало- или среднетоннажной продукцией. Общий объём их годового потребления в России около 100 тысяч тонн.

Литературу смотри при статье Катализ.