TMBPA

Definice katalyzátoru

Katalyzátor je látka, která urychluje chemickou reakci, ale není reakcí spotřebována; proto může být katalyzátor izolován chemicky nezměněný na konci reakce, kterou byl použit k urychlení nebo katalýze.

Diskuse
Aby chemikálie reagovaly, musí se jejich vazby přeskupit, protože vazby v produktech jsou odlišné od vazeb v reaktantech. Nejpomalejší krok v přeskupení vazby vytváří to, co se nazývá přechodový stav - chemický druh, který není ani reaktantem ani produktem, ale je meziproduktem mezi nimi.
Reaktant ⇄ Přechodový stav ⇄ Produkt
K vytvoření přechodového stavu je zapotřebí energie. Tato energie se nazývá aktivační energie nebo Ea. Čtení níže uvedeného diagramu zleva doprava ukazuje průběh reakce, když reaktanty procházejí přechodovým stavem, aby se staly produkty.

Porážet bariéru
Aktivační energii lze považovat za bariéru chemické reakce, překážku, kterou je třeba překonat. Pokud je bariéra vysoká, jen málo molekul má dostatečnou kinetickou energii, aby se srazily, vytvořily přechodový stav a překročily bariéru. Reaktanty s energií nižší než Ea nemohou projít přechodným stavem, aby reagovaly a staly se produkty.
Katalyzátor funguje tak, že poskytuje jinou cestu s nižším Ea pro reakci. Katalyzátory snižují energetickou bariéru. Odlišná cesta umožňuje přeskupení vazeb potřebné k přeměně reaktantů na produkty snadněji, s nižším energetickým vstupem. V jakémkoli daném časovém intervalu umožňuje přítomnost katalyzátoru většímu podílu reaktantů získat dostatečnou energii, aby prošly přechodným stavem a staly se produkty.

Příklad 1: Haberův proces
Haberův proces, který se používá k výrobě amoniaku z vodíku a dusíku, je katalyzován železem, které poskytuje atomová místa, na kterých se mohou vazby reaktantů snáze přeskupovat za vzniku přechodného stavu.
N2 (plyn) + 3H2 (plyn) ⇌ 2NH3 (plyn)

Příklad 2: Enzymy
V našem těle a v jiných živých věcech se enzymy používají k urychlení biochemických reakcí. Enzym je druh katalyzátoru. Složitý život by byl nemožný bez enzymů, které by umožnily, aby reakce probíhaly vhodnou rychlostí. Tvary enzymů spolu s umístěními na enzymu, které se vážou k reaktantům, poskytují alternativní reakční cestu, která umožňuje, aby se specifické molekuly spojily a vytvořily přechodový stav se sníženou bariérou aktivační energie.

Stanovení Struktury A Vlastnosti Katalyzátorů

Povaha aktivních center v katalytickém materiálu je dále demonstrována zvýšením katalytické aktivity relativně neaktivních materiálů, když jsou vystaveny intenzivnímu záření. Silikagel bombardovaný gama paprsky z kobaltu-60 se zbarví do fialova a je schopen vyvolat reakci H2 + D2→2HD při teplotách kapalného dusíku. Barevná centra, což jsou pozitivní „díry“ (nedostatky) zachycené v blízkosti iontů kyslíku vedle hliníkové nečistoty, jsou běleny ve vakuu nad 200 stupňů (400 stupňů F) a jsou zničeny vodíkem i při pokojové teplotě.

Vlastnosti zředěných koncentrací platinových kovů v oxidových matricích, jako je oxid křemičitý a oxid hlinitý, jakož i na nosičích uhlíku studovali ruští a američtí vědci. Takové katalyzátory mají technický význam v procesech reformování benzinu. V takových katalyzátorech – obsahujících asi 0,5 procenta hmotnosti platiny nebo palladia – se stupeň disperze kovu (tj. poměr počtu povrchových atomů kovu k celkovému počtu přítomných) blíží jeden. Naproti tomu na platinové fólii je rozptyl jen asi 4 × 10−3. K vyhodnocení těchto disperzí se používají postupy titrace a adsorpce vodíkem a kyslíkem.

Z těchto studií je zřejmé, že existují dva typy chování vyplývající z disperze. Pro četné katalytické procesy, od výměny vodík-deuterium po hydrogenaci benzenu a hydrogenolýzu cyklopentanu, jsou reakce nezávislé na disperzi v kritické oblasti - s velikostí částic katalyzátoru 5 nm nebo menší. Takové strukturně necitlivé procesy se nazývají snadné reakce. Na druhé straně existují reakce, jako je izomerizace neopentanu na isopentan a současné krakování tohoto neopentanu na isobutan a methan na platino-aluminových katalyzátorech, kde se selektivita pro izomeraci mění 100krát pro různé studované katalyzátory (když poměr vodík-neopentan je 10). Stejný 1% platina-uhlíkový katalyzátor tedy vykazoval poměr selektivity izomerizace k hydrogenolýze 2,5, když byl katalyzátor redukován ve vodíku při 500 stupních (900 stupňů F) a poměr selektivity 13, když byl katalyzátor vypalován ve vakuu. při 900 stupních (1 600 stupních F), přičemž procento rozptylu zůstává v obou případech 35 procent. Takové strukturně citlivé katalytické reakce byly nazývány "náročné reakce". Zdá se, že nárůst selektivity je z velké části způsoben snížením rychlosti hydrogenolýzy. Protože jiné studie ukázaly, že zahřívání ve vakuu na 900 stupňů má tendenci vyvinout určité (111) aspekty kovu, předpokládá se, že zvýšení selektivity je způsobeno hojnější triadsorpcí neopentanu na vzorcích vypálených při vysoké teplotě. Ukázalo se, že krystalit platiny o velikosti asi 2 nm má neobvyklé povrchy, které nejsou přítomny v pravidelném oktaedrickém krystalitu podobné velikosti. Na krystalitu s neobvyklým povrchem byla nalezena řada míst, kde mohla být adsorbovaná molekula obklopena pěti nejbližšími sousedy platiny.
Alternativní přístup k problému povrchové katalýzy zahrnuje zvážení elektronických faktorů v katalyzátoru a reaktantech. Mnoho katalytických materiálů jsou polovodiče. Předpokládá se, že tyto mohou tvořit různé vazby s reaktanty v závislosti na volných mřížkových elektronech a otvorech v mřížce katalyzátoru. Chemisorbované částice reagují způsoby, které jsou závislé na formě přichycení k povrchu a které se mění s rozsahem pokrytí povrchu a také s dostupnou zásobou elektronů a děr. Povrch se chová jako volné radikály, které jsou vnášeny přímo do reagujících látek, v závislosti na elektrochemických vlastnostech povrchu a objemu polovodičového materiálu. Tyto úvahy vedly k určení charakteru katalyzátoru jako polovodiče a adsorbátu jako elektrochemického druhu, ať už je složen z kladných nebo záporných iontů nebo volných atomů nebo radikálů. Katalytická aktivita byla také zkoumána jako funkce charakteru d-pásma – tedy počtu elektronů v d orbitalech v atomech materiálů katalyzátoru.

Od roku 1940 byly vyvinuty různé instrumentální techniky ke zkoumání struktury katalytických materiálů a charakteru adsorbovaných látek, a to i během samotné reakce. Mezi tyto techniky patří elektronová mikroskopie, emisní mikroskopie, elektronové mikrosondové metody, magnetická měření, infračervená spektroskopie, Mössbauerova spektroskopie, měření teplot ponoření, zábleskové desorpční postupy, nízkoenergetické elektronové difrakční studie a techniky nukleární magnetické rezonance a elektronové spinové rezonance. .

Jaký je rozdíl mezi enzymem a katalyzátorem