Процесс катализа и катализаторы

 

Важнейшими свойствами катализаторов являются их активность, избирательность, большая поверхность, достаточная механическая прочность, способность к противодействию каталитическим ядам, легкость регенерации.

Катализ подразделяется по принципу фазового состояния реагентов на гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе катализатор растворен в массе реагентов и не образует отдельной фазы, а каталитическим действием обладают отдельные молекулы или ионы катализатора.

По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные.

Катализаторами в растворах служат кислоты (катион Н+), основания (анион ОН-), ионы металлов (М+, MeJ), а также вещества, способствующие образованию свободных радикалов.

Механизм кислотно-основного (ионного) катализа в растворах заключается в том, что идет обмен протонами между катализатором и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримолекулярными превращениями.

По такому типу протекают реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, этерификации, поликонденсации в растворах.

При гетерогенном катализе катализатор образует самостоятельную фазу, а каталитическим действием обладают или отдельные центры на поверхности катализатора, или вся поверхность катализатора.

При гомогенном катализе и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой). При гетерогенном катализе катализатор и реагенты, или продукты реакции, находятся в разных гомогенных фазах; обычно применяются твердые катализаторы. Переходным от гомогенного к гетерогенному является микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном состоянии.

Гомогенные каталитические реакции широко распространены в природе. Синтез белков и обмен веществ в биологических объектах совершается в присутствии биокатализаторов - ферментов. Примером промышленных гомогенных каталитических процессов могут служить реакции этерификации и омыления сложных эфиров, некоторые реакции гидратации, окисления и т.п.

Гетерогенный катализ в промышленности используется в больших масштабах, чем гомогенный.
Большинство промышленных гетерогенных каталитических процессов основано на реакциях между газообразными веществами с участием твердых катализаторов. Твердые катализаторы готовят и применяют в виде небольших пористых зерен, таблеток, гранул.

Процесс катализа на твердых пористых катализаторах состоит из следующих элементарных стадий:
1. диффузия реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора;
2. диффузия реагентов в порах зерна катализатора;
3. активированная адсорбция (хемосорбция) на поверхности катализатора с образованием поверхностных химических соединений – активированных комплексов «реагенты – катализатор»;
4. перегруппировка атомов с образованием поверхностных комплексов «продукт – катализатор»;
5. десорбция продукта с поверхности;
6. диффузия продукта в порах зерна катализатора;
7. диффузия продукта от поверхности зерна катализатора в ядро потока.

При наличии катализатора определенного состава и структуры наибольшее практическое значение имеет температурный режим каталитических процессов.