Катализ и катализаторы

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 25 страниц
В избранное:

Министерство Образования и науки Республики Казахстан
НАО Атырауский университет имени Х. Досмухамедова
Кафедра химии и химической технологии

Направлен на защиту
Заведующий кафедрой Химия и химическая технология к. х. н.
_________Сатенов К. Г.
____ ___________2020 г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема Катализ и катализаторы

По специальности 5В011200 - Химия

Выполнила: Самигуллина А.Р.

Научный руководитель: к.б.н., ст. преподаватель
Калиманова Д. Ж.

Атырау 2020
Оглавление

Введение
Глава I. Катализ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
1.1 Сущность катализа и история изучения катализа ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2 Видные деятели химии о катализе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8
1.3 Гомогенный катализ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
1.4. Гетерогенный катализ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..11
Глава II. Катализаторы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...14
2.1. Классификация катализаторов ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...14
2.2 Определение структуры и свойства катализаторов ... ... ... ... ... .. ... ... 14
2.3. Другие каталитические соединения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ..16
2.4. Биологические катализаторы: Ферменты ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...19
Глава III. Экспериментальные исследования влияния катализаторов и условий протекания реакций на их скорость, что определяет их практическое применение ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...22
Заключение
Список литературы

Введение
Особый феномен, связанный со скоростью химических реакций, который представляет большой теоретический и практический интерес - это катализ. . Изучение катализа представляет теоретический интерес из-за того, что оно раскрывает фундаментальную природу химических реакций. На практике изучение катализа важно, потому что успех многих промышленных процессов зависит от катализаторов . По сути, это своеобразное явление жизни вряд ли было бы возможным без биологических катализаторов, называемых ферментами .
Катализатор - это вещество, которое инициирует или ускоряет скорость конкретной химической реакции, не подвергаясь химическому воздействию. Катализатор может быть добавлен в реакцию, а затем восстановлен и повторно использован после того, как реакция протекает. Процесс или действие, посредством которого катализатор увеличивает скорость реакции, называется катализом.
Люди использовали процесс, известный как катализ, задолго до того, как они поняли, что происходит в этом процессе. Например, мыловарение, ферментация вина до уксуса и закваска хлеба - все это процессы, которые включают катализ. Обычные люди использовали эти процедуры в своей повседневной жизни, даже не подозревая, что это был катализ.
Термин катализ был предложен в 1835 году шведским химиком Дж ö нс Берцелиуса (1779 - 1848). Этот термин происходит от греческих слов вниз, ката, и ослаблять, lyein. Берцелиус объяснил, что под термином катализ он понимал свойство оказывать на другие тела действие, которое сильно отличается от химического сродства. Посредством этого действия они производят разложение в телах и образуют новые соединения, в состав которых не входят.
Одним из примеров катализа, знакомых Берцелиусу, было превращение крахмала в сахар в присутствии сильных кислот. В 1812 году русский химик Готлиб Сигизмунд Constantin Кирхгофа (1764 - 1833) изучал эту реакцию. Он обнаружил, что при кипячении водной суспензии крахмала в крахмале не происходит никаких изменений.
Однако, когда несколько капель концентрированной серной кислоты добавляются к той же суспензии перед кипячением, крахмал распадается на простой сахар, называемый глюкозой. Кислота может быть извлечена из реакции без изменений. Кирххоф пришел к выводу, что он сыграл вспомогательную роль в разложении крахмала, не претерпев при этом никаких изменений.
Большинство химических реакций происходит в несколько этапов. Эта серия шагов называется путем или механизмом. Каждый отдельный шаг называется элементарным шагом, при этом самый медленный элементарный шаг в пути определяет скорость реакции. Скорость реакции - это скорость, с которой реагенты (вещества, вступающие в химическую реакцию) исчезают, а продукты появляются как конечный результат химической реакции; или, более конкретно, изменение концентрации реагентов и продуктов за определенный промежуток времени.
Проходя путь реакции, реагенты входят в переходное состояние, когда они больше не являются реагентами, но еще не являются продуктами. Во время этого переходного состояния они образуют так называемый активированный комплекс. Активированный комплекс недолговечен и обладает частичными характеристиками связывания как реагентов, так и продуктов. Энергия, необходимая для достижения этого переходного состояния и образования активированного комплекса в реакции, называется энергией активации . Чтобы реакция произошла, должна быть достигнута энергия активации .

Глава I. Катализ
1.1 Сущность катализа и история изучения катализа

Термин катализ (от греческого kata- вниз и lyein , ослаблять) был впервые использован великим шведским химиком Йенс Якоб Берцелиус в 1835 году, чтобы сопоставить группу наблюдений, сделанных другими химиками в конце 18 и начале 19 веков. К ним относятся усиленное преобразование крахмала в сахар под действием кислот, впервые обнаруженное Готлибом Сигизмундом Константином Кирхгофом; Наблюдения сэра Хамфри Дэви о том, что платина ускоряет сгорание различных газов ; открытие стабильности пероксида водорода в кислотном растворе, но его разложения в присутствии щелочей и таких металлов, как марганец , серебро, платина и золото ; и наблюдение, что окисление спирта до уксусной кислоты осуществляется в присутствии мелкодисперсной платины. Агенты, способствующие этим различным реакциям, были названы катализаторами , и Берцелиус предположил, что в таких процессах действует особая неизвестная каталитическая сила .
В 1834 году английский ученый Майкл Фарадей исследовал мощность платиновой пластины для выполнения рекомбинации газообразного водорода и кислорода (продукты электролиза из воды ) и замедления этой рекомбинации пути присутствия других газов, такие как этилен и углерод монооксид . Фарадей утверждал, что для активности важна идеально чистая металлическая поверхность (на которой замедляющие газы могут конкурировать с реагирующими газами и, таким образом, подавлять активность), концепция, которая, как позже будет показано, имеет важное значение для катализа.
Многие из примитивных технических искусств включали бессознательное применение катализа. Ферментации из вина до уксусной кислоты , и производствомыло из жиров и щелочей было хорошо известно в ранней истории человечества. Серная кислота , полученная путем обжига смеси серы и селитры ( натрия нитрат) был ранним предшественником ведущего процесса камеры из серной кислоты производства, в котором диоксид серы окисление ускоряется добавлением оксидов в атмосфере азота . (Механизм последнего процесса был предложен сэром Хэмфри Дэви в 1812 году на основе экспериментов, проведенных другими.)
В 1850 году концепция скорости реакции была разработана во время исследований гидролиза или инверсии тростникового сахара. Термин инверсия относится к изменению вращения, которому подвергается монохроматический свет, когда он проходит через реакционную систему, параметр, который легко измерить, тем самым облегчая изучение реакции. Было обнаружено, что в любой момент скорость инверсии была пропорциональна количеству тростникового сахара, подвергающегося преобразованию, и что скорость ускорялась присутствием кислот. (Позже было показано, что скорость инверсии прямо пропорциональна силе кислоты.) Эта работа была частичнопредшественник более поздних исследований скорости реакции и ускоряющего влияния более высокой температуры на эту скорость Дж. Х. ван 'т Хоффом , Сванте Аррениусом иВильгельм Оствальд , сыгравшие ведущую роль в развитии науки физической химии . Работа Оствальда по скоростям реакций привела его в 1890-х годах к определению катализаторов как веществ, которые изменяют скорость данной химической реакции без изменения энергетических факторов реакции.
Это заявление Оствальда было запоминающимся достижением, поскольку оно подразумевало, что катализаторы не меняют положения равновесия в реакции. В 1877 г.Жорж Лемуан показал, что разложение иодоводородной кислоты до водорода и йода достигло той же точки равновесия при 350 ° C (660 ° F), 19 процентов, независимо от того, проводилась ли реакция быстро в присутствии платиновой губки или медленно в газе. фаза . Это наблюдение имеет важное следствие: катализатор прямого процесса в реакции также является катализатором обратной реакции.П.Э. Бертло , выдающийся французский химик, подтвердил это наблюдение в 1879 году на жидких системах, когда он обнаружил, что реакция органических кислот и спиртов называетсяЭтерификация катализируется присутствием небольших количеств сильной неорганической кислоты, как и обратный процесс, гидролиз сложных эфиров (реакция между сложным эфиром и водой).
Сознательное применение катализаторов в промышленных процессах было предпринято в 19 веке. Английский химик П. Филлипс запатентовал использование платины для окисления диоксида серы до триоксида серы воздухом . Его способ применяли какое-то время, но от него отказались из-за потери активности платинового катализатора. Впоследствии было установлено, что причиной этого являются яды в реагентах, и этот процесс стал техническим успехом на рубеже 20-го века. В 1871 году был разработан промышленный процесс окисления соляной кислоты до хлора в присутствии солей двухвалентной меди, пропитанных глиной.кирпич. Полученный хлор использовали в производстве отбеливающего порошка (сухого вещества, выделяющего хлор при обработке кислотой) путем реакции с известью. Опять же, в этой реакции было замечено, что одинаковое равновесие достигалось в обоих направлениях. Кроме того, было обнаружено, что чем ниже температура , тем больше равновесное содержание хлора; рабочая температура 450 ° C (840 ° F) произвела максимальное количество хлора в удобное время.
Ближе к концу XIX века классические исследования выдающегося французского химика Пол Сабатье о взаимодействии водорода с широким спектром органических соединений были проведены с использованием различных металлических катализаторов; Это исследование привело к разработке немецкого патента на гидрирование жидких ненасыщенных жиров до твердых насыщенных жиров с использованием никелевых катализаторов. Разработка трех важных немецких каталитических процессов оказала большое влияние на промышленность в конце 19 века и в первые десятилетия 20 века. Одним из них был так называемый контактный процесс каталитического производства серной кислоты из диоксида серы, полученного в процессе плавки . Другим был каталитический метод синтетическогопроизводство ценного красителя индиго . Третий - каталитическая комбинация азота и водорода для производства аммиака - процесс Габера-Боша для фиксации азота, разработанный химиками Фрицем Габером и Карлом Бошем .

1.2 Видные деятели химии о катализе
И. Берцелиус (1837):
Известные вещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние на последние, что возникает химическое действие,- одни вещества разрушаются, другие образуются вновь без того, чтобы тело, присутствие которого вызывает эти превращения, принимало в них какое-либо участие. Мы называем причину, вызывающую эти явления, каталитической силой.

П. Рашиг (1906):
Катализ представляет вызываемое внешними причинами изменение строения молекулы, имеющее следствием изменение химических свойств.

Э. Абель (1913):
Я пришел к выводу, что катализ осуществляется в результате реакции, а не простого присутствия вещества.

Г. К. Боресков (1968):
Когда-то катализ рассматривался как особое, немного таинственное явление, со специфическими законами, раскрытие которых должно было сразу в общей форме решить задачу подбора. Сейчас мы знаем, что это не так. Катализ по своей сущности - химическое явление. Изменение скорости реакции при каталитическом воздействии обусловлено промежуточным химическим взаимодействием реагирующих веществ с катализатором.
Длительное время особенно популярной была энергетическая теория катализа, связывающая процесс возбуждения молекул с резонансной миграцией энергии. Катализатор вступает во взаимодействие с реагирующими молекулами, образуя неустойчивые промежуточные соединения, которые распадаются с выделением продукта реакции и химически неизменного катализатора.

1.2. Гомогенный катализ
Когда катализатор и реагирующие вещества присутствуют вместе в едином состоянии вещества, обычно в виде газа или жидкости , обычно реакции классифицируются как случаи гомогенного катализа. Оксиды из азота служат в качестве катализаторов при окислении серы диоксида в свинцовом процессе в камере для получения серной кислоты , экземпляра гомогенного катализа , в котором катализатор и реагенты являются газой. Следы водяного пара катализируют некоторые газовые реакции, например, взаимодействие оксида углерода и кислорода, который в сухих условиях протекает медленно. Серная кислота, используемая в качестве катализатора для образования диэтилового эфира из этилового спирта, является примером гомогенного катализа в жидкой фазе (когда продукты, вода и эфир , непрерывно удаляются перегонкой ); этим методом можно превратить значительные количества спирта в эфир с помощью одной загрузки серной кислоты. Инверсии тростникового сахара и гидролиз из сложных эфиров пути кислотных растворов, также являются примерами гомогенного катализа в жидкой фазе.
Окисление растворов сульфита натрия растворенным кислородом значительно ускоряется мельчайшими следами ионов меди в гомогенной жидкой системе. Эта система представляет особый интерес, поскольку было показано, что процесс является цепная реакция . В этом случае многие тысячи молекул сульфита натрия могут быть окислены до сульфата, если начальный процесс активации производится путем поглощения ограниченного количества квантов (дискретные меры энергии ) света . Лучшим примером цепной реакции, инициируемой светом, является фотокомбинация водорода (H 2 ) и хлора (Cl 2 ); до одного миллиона молекул хлористого водорода может быть образовано путем поглощения одного кванта света (обозначенного hν). Здесь последовательность реакции

причем реакции 2 и 3 повторяются снова и снова. Интересно отметить, что такие цепные реакции могут быть замедлены присутствием отрицательных катализаторов, чаще называемых ингибиторами. Это материалы, которые замедляют общую реакцию, укорачивая цепочки реакций, обычно вступая в нецепную реакцию с одним из химических компонентов, поддерживающих цепь. Было обнаружено, что широкий спектр веществ, включая спирты, сахара и фенолы , действуют как ингибиторы окисления сульфитных растворов.
Обобщенное описание гомогенного катализа кислотами и основаниями было дано датским физико-химиком Дж. Н. Бренстедом в середине 1920-х годов на основе его концепции кислот и оснований. Согласно Бренстеду, кислота - это молекула, которая может давать протон , а основание - это молекула, которая принимает протон. Исходя из этого предположения, диапазон кислот включает такие разнообразные вещества, как бисульфат-ион, HSO 4 - ; уксусная кислота, CH 3 COOH; вода, H 2 O; ион гидроксония, H 3 O + ; и ион аммония, NH 4 + . Соответствующие основания - сульфатные.ион, SO 4 2- ; ацетат-ион, CH 3 COO - ; гидроксид- ион, ОН - ; вода, H 2 O; и аммиак , NH 3 (эти вещества принимают протоны с образованием перечисленных кислот). Бренстед изучил ряд реакций, катализируемых кислотой и основанием, включая (1) катализируемый кислотой гидролиз сложного эфира , этилортоацетата, (2) основной катализ разложения нитрамида (H 2 N - NO 2 -- H 2 O + N 2 O) и (3) кислотно-щелочной катализ превращения (мутаротации) глюкозык тесно связанной форме. В каждом случае он наблюдал прямую зависимость между скоростью катализируемой реакции и концентрацией катализирующего вещества.
Частично основываясь на идеях Бренстеда, общая схема замены вещества A на другое вещество B, катализируемое материалом C, может быть сформулирована следующим образом:

Обозначение Z относится к промежуточной стадии, которая образуется со скоростью , указанной к 1 ; Z может исчезнуть либо реформировать А + С , со скоростью к 2 , или он может разлагаться на пути 2, со скоростью к 3 , с получением продукта B и регенерации катализатора C . Если k 3 намного больше, чем k 2 , промежуточное соединение Z расходуется почти так же быстро, как и образуется. Затем продукт будет образовываться со скоростью, определяемой выражением k 1[ A ] [ C ], в котором квадратные скобки указывают концентрации реагента и катализатора. Однако, если k 2 намного больше, чем k 3 , процесс определения скорости представляет собой разложение Z , скорость образования продукта представлена выражением k 3 [ Z ], в котором [ Z ] представляет собой концентрацию промежуточный. Были изучены примеры обоих типов изменений.
В некоторых случаях два или более катализатора, присутствующих одновременно, производят больший эффект, чем любой из них по отдельности. Тогда принято говорить о промоутерском действии. Таким образом, ионы железа в растворе усиливают действие ионов меди, катализируя реакцию между перекисью водорода и йодом . Предполагается, что каждый катализатор активирует только один из реагентов.
Наиболее важные современные примеры гомогенных катализаторов находятся в нефтехимической промышленности. Оксореакция - один из таких процессов: моноксид углерода и водород добавляют к олефинам (ненасыщенным углеводородам ) при температуре около 150 ° C (300 ° F) и давлении 200 атмосфер с образованием альдегидов и спиртов, кислородсодержащих органических соединений . Используется катализатор карбонила кобальта Co 2 (CO) 8 ; этот растворимый в углеводородах катализатор, как полагают, активирует водород путем образования НСо (СО) 4 , который затем вступает в реакцию с олефином. Эта реакция привела к ряду исследований в области химии металлорганических соединений. Медь, Серебра и ртути катионы (положительно заряженные ионы ) и перманганата анионы (отрицательные ионы) , также , как известно, выступают в качестве гомогенных катализаторов для активации водорода. Хлорид палладия в промышленности используется для каталитического окисления этилена до ацетальдегида в присутствии хлорида меди. Предполагается, что палладий многократно превращается из соли в свободный металл , причем функция хлорида меди состоит в том, чтобы участвовать в повторном образовании соли палладия из металла.
Фосфорная , серная, сульфоновая и бромистоводородная кислоты являются важными агентами в промышленных процессах изомеризации , полимеризации , гидратации и дегидратации, а также в классических реакциях этерификации. Свободные радикалы (молекулярные фрагменты, несущие неспаренные электроны ), которые образуются при разложении пероксидов или алкилов металлов, также инициируют.

3.2. Гетерогенный катализ
Известно множество каталитических процессов, в которых катализатор и реагенты не находятся в одной и той же фазе, то есть в состоянии вещества. Они известны как гетерогенные каталитические реакции. Они включают реакции между газами или жидкостями или и тем, и другим на поверхности твердого катализатора. Поскольку поверхность - это место, на котором происходит реакция, ее обычно готовят таким образом, чтобы получить большие площади поверхности на единицу катализатора; мелкодисперсные металлы, металлические сетки, металлы, включенные в поддерживающие матрицы, и металлические пленки - все это используется в современном гетерогенном катализе. Используются сами металлы или они превращаются в оксиды, сульфиды или галогениды .
В случае твердых катализаторов по крайней мере один из реагентов хемосорбируется (термин Портманто для химически адсорбированного) катализатором. Выбирается катализатор, который максимально легко высвобождает образующиеся продукты; в противном случае продукты остаются на поверхности катализатора и действуют как яды для процесса. Хемосорбция может происходить в широком диапазоне температур , наиболее эффективная температура для адсорбции зависит от природы катализатора. Таким образом, водород легко хемосорбируется многими металлами даже при температуре жидкого воздуха (ниже -180 ° C [-290 ° F]). С рядом катализаторов гидрирования- дегидрирования, например оксид цинка -оксид хрома (ZnO-Cr 2 O 3) - хемосорбция водорода часто происходит выше комнатной температуры. Азот быстро хемосорбируется на синтетическом аммиачно- железном катализаторе при температуре выше 400 ° C (750 ° F). Было показано, что пленки железа хемосорбируют азот даже при температурах жидкого воздуха, причем дополнительная хемосорбция обнаруживается при температурах выше комнатной. Из таких соображений следует, что в то время как физические адсорбции, которые параллельны легкости разжижения адсорбированного вещества, происходят спонтанно, хемосорбция, которая включает образование и разрыв химических связей, часто требуетэнергии активации (энергия, необходимая для инициирования реакций), как и некаталитические химические процессы. Чтобы быть эффективным каталитически, процесс должен включать в себя энергии активации для всех задействованных стадий, которые в своих максимумах меньше, чем требуемые для некаталитической реакции. Эта ситуация проиллюстрирована графически на рисунке с гипотетической реакцией, которая могла бы происходить либо некатализированным, либо каталитическим путем.
Было сделано два конкурирующих предложения относительно механизма каталитических реакций на поверхностях, и выбор между ними невозможен. Первоначально Ирвинг Ленгмюр , американский физик-химик, предложил хемосорбцию обоих реагирующих частиц на поверхности с последующим взаимодействием между соседними частицами и испарением продуктов. Альтернативы предложение включает в себя взаимодействие между падающей молекулой и видами, уже адсорбированным на поверхности. Последующие разработки предложили различные способы присоединения адсорбированных и адсорбируемых частиц.
Важным достижением в науке о поверхностном катализе явилась разработка метода определения площади поверхности катализаторов (и других материалов) путем измерения многомолекулярной адсорбции азота при температурах жидкого азота или адсорбции других газов, близких к их точкам кипения . Затем стало возможным вычислить величину, обозначенную V m , которая представляет объем газа необходимо для образования монослоя на доступной поверхности; кроме того, площадь поверхности может быть определена из известных размеров адсорбированных молекул. Также было обнаружено, что можно титровать (измерять количественно) площадь поверхностей с помощью хемосорбции газов. Поскольку на поверхности катализатора протекают гетерогенно катализируемые реакции, скорости таких реакций пропорциональны доступной площади поверхности катализатора. Таким образом, активные катализаторы обычно представляют собой высокопористые твердые вещества с общей площадью поверхности до нескольких сотен квадратных метров на грамм.
Когда стали возможны измерения площади поверхности, сразу стало видно, что многие составляющие, присутствующие в незначительных количествах в основном материале катализатора, известные как промоторы, могут действовать, увеличивая эффективную площадь поверхности катализатора. Однако было также показано, что промотор может приводить к повышению качества поверхности для данной реакции. В обратном направлении действуют второстепенные компоненты реагирующей системы или нежелательные продукты реакции, которые за счет преимущественной адсорбции на реакционных центрах и сопротивления удалению приводят к появлению ядов для процесса. Отравление катализатора также может быть результатом того, что яд отрицательно влияет на электронные свойства катализатора.
Многое можно узнать о механизмах поверхностных процессов, изучая поведение изотопных форм реагентов и продуктов на катализаторе. Пример такого использования касается технически важного синтеза аммиака из его элементов, хорошо известного процесса Габера-Боша на катализаторах с активированным железом. Синтез аммиака включает три типа связей - водород-водород, азот-водород и азот-азот, - все из которых могут быть изучены с помощью изотопов водорода и азота. Первый из них можно проверить на катализаторе восстановленного железа, проследив за развитием реакции H 2 + D 2 -- 2HD (в которой D равно атому дейтерия , изотоп водорода) на поверхности. Обнаружено, что реакция протекает быстро даже при температуре жидкого воздуха. Активацию азотно-водородной связи можно изучить, следуя реакции NH 3 + ND 3 -- NH 2 D + NHD 2 . Это происходит стабильно при комнатной температуре. Однако реакцию с участием только связей N - N изучали, следуя процессу 14 N 2 + 15 N 2 -- 2 ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.