Основы теории катализа. Катализаторы и каталитические системы. Гомогенный и гетерогенный катализ. Методы повышения эффективности техноло

ГОУ ВПО

«СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ханты-Мансийского  автономного округа – Югры»

Факультет управления

Кафедра химии

Очное отделение

 

                                                                              

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

 

По  дисциплине: Химия

На  тему: «Основы теории катализа. Катализаторы и каталитические системы. Гомогенный и гетерогенный катализ. Методы повышения эффективности технологических процессов за счет катализаторов».

 
 

                                

 
 

Выполнил: студент 23-99 гр. 2 курса  

Факультета  управление

Фамилия: Демченко                                                                                                                          

Имя: Яна

Отчество: Сергеевна

                                   

Преподаватель:

Фамилия: Севастьянова

Имя: Екатерина

Отчество: Викторовна

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сургут 2011

 

     Содержание:

     Введение

1. Основы катализа
2. Катализаторы и каталитические системы
3. Гомогенный катализ
4. Гетерогенный катализ
5. Методы повышения эффективности технологических процессов за счет катализаторов

       Заключение

     Список  использованной литературы

 

     

     Введение.

     Катализ имеет огромное значение в природе  и современной жизни: каталитическими  являются практически все биохимические  процессы, большинство реакций, изучаемых  в лаборатории, и технологических процессов, реализуемых в промышленности.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     

1. Основы  катализа.

     Катализ является одним из фундаментальных  явлений химии и биохимии.  В начале XIX в. было установлено, что ряд химических реакций протекает в присутствии веществ, не принимающих в этих реакциях видимого участия.

     Были  открыты, например, следующие превращения:

• Окисление диоксида серы в производстве серной кислоты в присутствии оксидов азота;
• Трансформация крахмала в сахар при добавлении разбавленных кислот;
• Окисление паров спирта и эфира при обычной температуре в присутствии платины.

     Известно  несколько десятков определений  катализа, наиболее общее дал академик А.А. Баландин (1898-1967):

     «Катализ – воздействие вещества на реакцию, избирательно изменяющее её кинетику, но сохраняющее её стехиометрические и термодинамические условия; это воздействие состоит в замене одних элементарных процессов другими, циклическими, в которых участвует воздействующее вещество. Вносимое вещество называется катализатором, оно не изменяется количественно в результате реакции и не смещает равновесия».

     Катализатором по определению В. Оствальда (1905 г.) является вещество, которое своим присутствием изменяет скорость реакции, не изменяя её суммарного энергетического баланса, и остается химически неизменным в конце процесса.

     Обратим внимание на то, что катализатор  – это вещество, поэтому теплота  и свет, хотя и влияют на скорость протекания реакции, не являются катализаторами.

     Все каталитические реакции – самопроизвольные процессы, т.е. протекают в направлении  убыли энергии Гиббса. Катализатор  не смещает положения равновесия химической реакции. Вблизи от равновесия один и тот же катализатор ускоряет прямую и обратную реакцию в равной степени.

     Энергия активации каталитических реакций  значительно меньше, чем для тех  же реакций в отсутствие катализатора. Благодаря этому обеспечивается их ускорение по сравнению с некаталитическими. Снижение энергии активации объясняется тем, что при катализе реакция протекает по новому механизму, складывающемуся из элементарных реакций с меньшими энергиями активации, чем некаталитическая.

 
 

     Отметим следующие принципиально важные свойства каталитических реакций:

1. Катализатор вступает в химическое взаимодействие с реагентами. При этом образуются более реакционноспособные промежуточные частицы (комплексы, ионы, свободные радикалы), чем исходные вещества.
2. Активные промежуточные частицы реагируют в дальнейшем таким образом, что их превращения приводят в итоге к образованию конечных продуктов и регенерации катализатора.
3. Таким образом, каталитические реакции являются циклическими по отношению к катализатору. Первоначальное состояние катализатора регенерируется после каждого цикла промежуточных взаимодействий катализатора с реагентами.
4. Количество катализатора в системе остается неизменным в ходе каталитической реакции. Этим он отличается от инициатора химической реакции, который расходуется в ходе реакции.
5. Ускорение реакции в присутствии катализатора достигается за счет того, что максимальное значение свободной энергии, которое реагирующая система достигает при движении от начального состояния к конечному, для каталитического маршрута ниже, чем для некаталитического (рис. 1.1).

     

     Рис.1.1. Понижение максимального значения свободной энергии для каталитического маршрута реакции

     Причина каталитического действия различных  веществ заключается в изменении механизма реакции в присутствии катализатора, т.е. возникновении нового или нескольких протекающих быстро путей реакции. Под механизмом реакции понимается совокупность элементарных химических стадий, которые имеют место в реакционной системе при переходе от исходных веществ к продуктам.

     Различают положительный и отрицательный  катализ: в первом случае скорость реакции  в присутствии катализатора увеличивается, во втором – уменьшается. Под ускорением реакции следует понимать также  возможность протекания реакции, не идущей без катализатора.

     Объяснение  этих явлений заключается в следующем. Если при положительном катализе промежуточное химическое взаимодействие катализатора с исходными веществами приводит к благоприятному, энергетически  доступному пути реакции, то при отрицательном катализе такое взаимодействие оставляет менее доступные реакционные пути, что вызывает уменьшение скорости реакции или даже её прекращение.

     В настоящее время ИЮПАК предложила заменить термин «отрицательный катализ» на «ингибирование», включая в последний различные методы замедления реакций.

     Катализ – явление специфическое, поэтому  каталитическую активность вещества можно  оценивать только по отношению к  конкретной реакции, хотя ряд катализаторов  проявляют активность по отношению  к группам реакций, например, соединения на основе Cr₂O₃  катализирует различные реакции дегидрирования (бутана в бутилен, бутилена в дивинил, этилбензола в стирол); катализаторы на основе Al₂O₃ ускоряют реакции дегидратации спиртов, крекинга углеводородов.

     В целом состав и химическое строение катализаторов очень разнообразны. Катализатор может быть индивидуальным веществом (металлы, активированный уголь), соединением (оксид, соль), комплексом металла с органическими лигандами (или сложным соединением белковой природы, например ферментами).

     Специфичность катализа. Специфичность каталитического действия заключается в том, что реакции данного типа ускоряются катализаторами лишь определенного химического состава независимо от того, являются они гомогенными или гетерогенными. Так, кислотно – основные реакции ускоряются кислотами или основаниями, а окислительно - восстановительные – переходными металлами или их соединениями, при этом особенно высоким каталитическим действием обладают элементы восьмой группы таблицы Д.И. Менделеева. Однако даже в пределах одной группы каталитические свойства веществ меняются немонотонно. Так, из всех элементов восьмой группы лишь железо обладает достаточно высокой активностью в реакции синтеза аммиака. Такое же заключение можно сделать относительно каталитического действия серебра при сравнении его с медью и золотом в реакции окисления этилена. Специфичность свойственна в той или иной мере всем катализаторам и обусловлена специфичностью химических связей (ковалентной, донорно-акцепторной или водородной), которые возникают между катализатором и реагентом. В образовании химической связи с реагентами участвуют лишь определенные группы атомов катализатора.   Такую   группу   атомов   принято   называть   каталитическим   или активным центром. В гомогенном катализе каждая молекула катализатора, например ион гидроксония, может рассматриваться как активный центр. В комплексных соединениях переходных металлов в качестве активных центров может выступать «вакантное место» в координационной  сфере   комплексного   соединения   иона   металла.   Активные центры гетерогенных катализаторов находятся на поверхности твердого тела и представляют собой один или группу атомов, ионов кристаллической решетки.  Более сложное строение имеют активные центры ферментов. Специфичность каталитического действия того или иного катализатора определяется химическим составом,  строением и структурой его активных центров.

     Активность  и селективность  катализаторов. Любая каталитическая реакция включает, по крайней мере, две стадии:

1. Взаимодействие активного центра с молекулой реагента и образование промежуточного соединения
2. Распад промежуточного соединения с образованием продуктов реакции и «свободного» активного центра. Последний вновь вступает во взаимодействие с молекулами исходных веществ.

     Такие циклы могут повторяться многократно. Число циклов, совершающихся за единицу времени на одном активном центре, называют числом оборотов катализатора. Мерой каталитической активности является число оборотов катализатора. Для гомогенных катализаторов число оборотов легко подсчитать, если разделить скорость реакции на молярную концентрацию катализатора:

     n_K= r/c_K,

     где n_K  - число оборотов катализатора, с^-1; r- скорость реакции, моль/(с∙м³); с_К – концентрация катализатора, моль/м³.

     Для гомогенных катализаторов кислотно-основного  действия при 298 К число оборотов составляет  10^-7 – 10^-2, для комплексов переходных металлов – 1 – 10⁴,  а для ферментов – 10² – 10⁵ с^-1. Для гетерогенных катализаторов число оборотов, как правило, не удается определить, так как природа и число активных центров на поверхности катализатора обычно неизвестны. Поэтому их активность характеризуют скоростью реакции, отнесенной к единице поверхности катализатора.

     Активность  катализатора, так же как и скорость реакции, зависит от условий проведения каталитического процесса: температуры, концентрации реагентов, давления, а также, растворителя, если каталитическая реакция протекает в жидкой фазе. Поэтому сравнение каталитической активности различных катализаторов проводят при строго одинаковых условиях.

     Селективность – это свойство катализатора ускорять химическое превращение лишь в одном  из нескольких возможных направлений. Так, в присутствии оксида алюминия при 700 К происходит увеличение скорости дегидратации этилового спирта:

     C₂H₅OH→C₂H₄ + H₂O

     а в присутствии металлической  меди – дегидрирования:

     C₂H₅OH→C₂H₄О + H₂

     Селективность катализатора может быть охарактеризована долей реагента, превратившегося  в целевой продукт (интегральная селективность), или отношением скорости образования целевого продукта к сумме скоростей химического превращения реагентов по всем возможным направлениям (дифференциальная селективность). Селективность катализатора зависит от условий проведения и степени завершенности реакции. Селективность является важным технологическим свойством • катализатора, так как ее повышение позволяет уменьшить количество побочных веществ, а значит, снизить количество отходов производства и повысить качество целевого продукта. Наибольшей селективностью (95-100%) обладают ферменты и некоторые гомогенные катализаторы. Гетерогенные катализаторы, как правило, обладают более низкой селективностью (≈70%).