Подробное описание

Неосуществимых реакций нет, а если реакция не идёт, то ещё не найден катализатор. Н. Н. Зелинский

В 1835 шведский химик Й.Берцелиус установил, что в присутствии определенных веществ скорость некоторых химических реакций существенно возрастает. Для таких веществ он ввел термин «катализатор» (от греч. katalysis - расслабление). Как считал Берцелиус, катализаторы обладают особой способностью ослаблять связи между атомами в молекулах, участвующих в реакции, облегчая таким образом их взаимодействие. Большой вклад в развитие представлений о работе катализаторов внес немецкий физикохимик В.Оствальд, который в 1880 дал определение катализатора как вещества, которое изменяет скорость реакции.         Катализаторами называют вещества, которые увеличивают скорость реакции, участвуют в ней, но остаются после окончания реакции в исходных количествах. Другими словами, катализаторы - это вещества, изменяющие скорость химической реакции или вызывающие ее, но не входящие в состав продуктов.         Как правило, катализатор вводится в систему в очень небольших количествах по сравнению с массой реагентов. Тем не менее эффективность действия этих малых добавок необыкновенно высока. В момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие — реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Однако физически катализатор изменяется. Нарпимер, кристаллический MnO2 в процессе каталитического разложения хлората калия KClO3 превращается в мелкодисперсный порошок. Эти изменения свидетельствуют о том, что в ходе реакции на определенных стадиях катализатор вступает во взаимодействие с реагентами, а по окончании её вновь выделяется.         Важнейшее свойство катализаторов - селективность, т.е. способность увеличивать скорость лишь определенных химических реакций из многих возможных. Это позволяет осуществлять реакции, протекающие в обычных условиях слишком медленно, чтобы им можно было найти практическое применение, и обеспечивает образование нужных продуктов.         Активность катализатора сильно заваисит от присутствия посторонних веществ, действие которых может быть двояким: увеличивать активность катализатора или снижать её. Вещества, не обладающие каталитической активностью, но увеличивающие активность катализатора, называются промоторами или активаторами. Вещества, способствующие снижению активности катализатора, вплоть до полной её потери, называются каталитическими ядами. При взаимодействии ядов с катализатором образуются малоактивные продукты, не обладающие каталитическим действием. Это явление называется отравлением катализатора. В зависимости от стабильности образовавшихся продуктов отравление бывает обратимым и необратимым. При обратимом отравлении активность катализатора может быть восстановлена пропусканием свежих порций реакционной смеси. При необратимом отравлении требуется полная регенерация катализатора или его замена.         Катализаторы классифицируют исходя из природы реакции, которую они ускоряют, их химического состава или физических свойств. Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества – сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. По своим физическим свойствам катализаторы делятся на гомогенные и гетерогенные. Типичные катализаторы для гомогенного катализа - протонные и апротонные кислоты, основания, некоторые комплексы металлов, для гетерогенного - металлы, оксиды металлов, сульфиды и другие. Реакции одного и того же типа могут протекать в условиях как гомогенного, так и гетерогенного катализа. Так, для кислотно-основных реакций типичные катализаторы - растворы кислот и оснований или твердые тела с кислотными (Аl2О3, ТiO2, ТhO2, алюмосиликаты, цеолиты и др.) или основными [CaO, BaO, MgO, Ca(NH2)2 и др.] свойствами. Для окислительно-восстановительных реакций наиболее распространенными катализаторами являются переходные металлы (Pt, Pd, Ni, Fe, Co), оксиды (V2O5, MnO2, MoO3, Сr2О3), в том числе шпинели, сульфиды (MoS2, WS2, CoS), а также полупроводники, не имеющие в своем составе переходных элементов.         Существует ещё один вид катализаторов — ферменты (энзимы). Ферменты — это белковые молекулы, ускоряющие химические процессы в биологических системах. Их часто называют биокатализаторами.         Области применения         О важной роли каталитических процессов можно судить по тому факту, что они обеспечивают 20% валового национального продукта США.         Поиск, подбор, исследование и дальнейшее внедрение в практику всё новых и новых катализаторов является одной из важнейших и сложных задач современной науки и техники.         Катализаторы имеют следующие области применения: в нефтяной промышленности для крекинга углеводородов (с его помощью увеличивается выход бензина и керосина) и риформинга (который приводит к перестройке структуры углеводородов и повышению октанового числа бензина); при переработке природного газа; при получении полимеров и искусственного каучука; при производстве серной и азотной кислот, аммиака, синтетического метилового и этилового спиртов, других продуктов органического и неорганического синтеза; для защиты воздуха от газообразных загрязнений в очистных сооружениях на химических предприятиях и в выхлопных трубах автомобилей (каталитические преобразователи). В этом случае выхлопные газы, содержащие углеводороды и угарный газ СО, пропускают через слой шариков, покрытых платиновым и палладиевым катализаторами. Преобразователь нагревают и через него прогоняют избыток воздуха. В результате углеводороды и угарный газ превращаются в углекислый газ СО2 и воду, которые являются безвредными веществами. Каталитические преобразователи используют также для восстановления оксидов азота в свободный азот.

Ферменты играют незаменимую роль в биологических системах. Кроме того, их используют в таких технологических процессах, как приготовление пищи, производство пищевых продуктов и напитков, фармацевтических препаратов, моющих средств, текстильных изделий, кожи, бумаги.

   Адсорбенты

Адсорбция (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю) - это концентрирование различных веществ на поверхности раздела двух систем (твердое вещество — жидкость, твердое вещество — газ, жидкость — газ, жидкость — жидкость). Вещество, которое удерживает на своей поверхности частицы, посредством создания адсорбционного силового поля за счёт нескомпенсированности межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, называется адсорбентом. Вещества, которые адсорбируются, являются адсорбатами. Адсорбция может сопровождаться химической реакцией между адсорбентом и адсорбатом. Такой процесс называется хемосорбцией. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.         Именно благодаря адсорбции могут служить катализаторами твердые вещества.         Природа адсорбирующих сил может быть весьма различной. Если это ван-дер-ваальсовы силы, то адсорбцию называют физической, если валентные (т.е. адсорбция сопровождается образованием поверхностных химических соединений), - химической, или хемосорбцией. Отличительные черты хемосорбции - необратимость, высокие тепловые эффекты (сотни кДж/моль), активированный характер. Между физической и химической адсорбцией существует множество промежуточных случаев (например, адсорбция, обусловленная образованием водородных связей). Возможны также различные типы физической адсорбции наиболее универсально проявление дисперсионных межмолекулярных сил притяжения, т. к. они приблизительно постоянны для адсорбентов с поверхностью любой химической природы (так называемая неспецифическая адсорбция). Физическая адсорбция может быть вызвана электростатическими силами (взаимодействие между ионами, диполями или квадруполями). Значительную роль при адсорбции играет также геометрия поверхности раздела: в случае плоской поверхности говорят об адсорбции на открытой поверхности, в случае слабо или сильно искривленной поверхности - об адсорбции в порах адсорбента.         Адсорбционные свойства адсорбентов зависят от химического состава и физического состояния поверхности, от характера пористости и удельной поверхности (поверхности, приходящейся на 1 г вещества). Непористые адсорбенты (молотые кристаллы, мелкокристаллические осадки, частицы дымов, сажи, аэросил) имеют удельные поверхности приблизительно от 1 м2/г до 500 м2/г. Удельная поверхность пористых адсорбентов (силикагелей, алюмогелей, алюмо-силикатных катализаторов, активных углей) достигает 1000 м2/г.         Непористые высокодисперсные адсорбенты получают главным образом при термическом разложении или неполном сгорании углеводородов (получение саж), при сжигании элементоорганических или галогенных соединений (получение высокодисперсного кремнезёма - аэросила). Пористые адсорбенты получают следующими способами:            1) создавая сети пор в грубодисперсных твёрдых телах химическим воздействием;            2) приготавливая гели из коллоидных растворов - золей; при высушивании таких гелей из зазоров между коллоидными частицами удаляется растворитель и вследствие этого получаемый материал обладает развитой системой пор;            3) синтезируя пористые кристаллы типа цеолитов, приобретающие особенно большое значение как катализаторы, адсорбенты и молекулярные сита.         Адсорбенты получают также термическим разложением карбонатов, оксалатов, гидроокисей, некоторых полимеров, молекулярной возгонкой твёрдых тел в вакууме и другими способами.         Области применения адсорбционной техники         На явлении адсорбции основаны многие способы очистки воздуха от вредных примесей, воды, а также сахарных сиропов при сахароварении, фруктовых соков и других жидкостей в пищевой промышленности, отработанных смазочных масел. Удаление влаги как вредной примеси из газов и жидкостей с помощью твердых адсорбентов - одна из важных отраслей адсорбционной техники.         На адсорбционных процессах основано тонкое разделение смесей веществ и выделение из сложных смесей определенных компонентов. Примеры - разделение изомеров алканов с целью получения нормальных углеводородов для производства ПАВ, разделение нефти при производстве моторных топлив. Для газовых смесей адсорбирующие методы разделения используют при получении воздуха, обогащенного кислородом (вплоть до почти чистого О2); во многих случаях эти методы успешно конкурируют с ректификационным.         Быстро развивающаяся область применения адсорбирующей техники - медицина, где она служит для извлечения вредных веществ из крови (метод гемосорбции) и других физиологических жидкостей. Высокие требования к стерильности ставят очень трудную задачу подбора подходящих адсорбентов. К ним относятся специально приготовленные активные угли.         Области применения адсорбентов         Адсорбенты применяют как носители в катализе, как наполнители для полимеров, для хроматографического разделения смесей, в противогазах, в медицине, в нефтехимии для очистки нефтепродуктов и газов, а также в высоковакуумной технике для сорбционных насосов.

   Абсорбенты

Абсорбент - жидкость, в которой происходит абсорбция (объемное поглощение газов или паров абсорбентом с образованием раствора).         Абсорбция газов (лат. absorptio, от absorbeo-поглощаю), объемное поглощение газов и паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора. Применение абсорбции в технике для разделения и очистки газов, выделения паров из парогазовых смесей основано на различной растворимости газов и паров в жидкостях. Процесс, обратный абсорбции, называется десорбцией; его используют для выделения из раствора поглощенного газа и регенерации абсорбента. Поглощение газов металлами (например, водорода палладием) называется окклюзией.         Различают физическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции энергия взаимодействия молекул газа и абсорбента в растворе не превышает 20 кДж/моль. Растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс).         При химической абсорбции (или абсорбция с химической реакцией, часто называют хемосорбцией) молекулы растворенного газа реагируют с активным компонентом абсорбента-хемосорбентом (энергия взаимодействия молекул более 25 кДж/моль) либо в растворе происходит диссоциация или ассоциация молекул газа. Промежуточные варианты абсорбции характеризуются энергией взаимодействия молекул 20-30 кДж/моль. К таким процессам относится растворение с образованием водородной связи, в частности абсорбция ацетилена диметилформамидом.                   На абсорбции основаны многие важнейшие промышленные процессы, например производство азотной, соляной и серной кислот (поглощение водой газообразных двуокиси азота, хлористого водорода и серного ангидрида), производство соды (абсорбция углекислого газа), очистка отходящих промышленных газов от вредных примесей (сероводорода, сернистого ангидрида, окиси углерода, углекислого газа и др.), извлечение углеводородных газов и примесей (например, т. н. газового бензина, газов крекинга и пиролиза), а также выделение индивидуальных углеводородов. Абсорбция осуществляют на абсорбционных установках, основным аппаратом в которых служит абсорбер (устар. - скруббер), имеющий развитую поверхность соприкосновения абсорбента с поглощаемым веществом.

Самый сильный абсорбент         18 августа 1974 г. исследовательская служба Министерства сельского хозяйства США объявила о создании суперабсорбента «H-span», в состав которого входят 50% производного крахмала и по 25% акриламида и акриловой кислоты. После обработки железом абсорбент в состоянии поглотить массу воды, в 1300 раз большую его собственной массы.         Абсорбент или адсорбент?         Вот два похожих слова, и нельзя сказать, что одно правильно, а другое нет - ведь они обозначают разные понятия. Давайте уточним, какие именно.         Ну, во-первых, словари говорят, что абсорбент и адсорбент - вещества, обладающие способностью абсорбции и адсорбции соответственно. Поэтому ищем далее.         Абсорбция. Поглощение, всасывание какого-либо вещества из раствора или из газа всей массой другого вещества.         Адсорбция. Поглощение, всасывание вещества из раствора или газа поверхностью твердого тела или поверхностным слоем жидкости.         Путаница между "абсорбентом" и "адсорбентом" возникает потому, что и тот, и другой на видимом уровне поглощают своим объемом. Важно подчеркнуть, что адсорбенты поглощают за счет прилипания поглощаемого вещества к поверхности, которая велика из-за большого числа внутренних пор. Отсюда возникает впечатление, что адсорбенты тоже поглощают своим объемом, то есть внешний эффект смешивает понятия.         Некоторые вещества (например, обычная вата) и адсорбируют, и абсорбируют одновременно (хотя вата, конечно, адсорбирует в большей степени).