La chimica è la scienza delle sostanze e delle loro trasformazioni, nonché dei metodi per ottenerle. Anche in un normale curriculum scolastico, viene considerata una questione così importante come i tipi di reazioni. La classificazione a cui vengono introdotti gli scolari a livello di base tiene conto del cambiamento del grado di ossidazione, della fase del corso, del meccanismo del processo, ecc. Inoltre, tutti i processi chimici sono suddivisi in non catalitici e catalitici reazioni. Esempi di trasformazioni che avvengono con la partecipazione di un catalizzatore sono incontrati da una persona nella vita ordinaria: fermentazione, decadimento. Le trasformazioni non catalitiche sono molto più rare per noi.
Cos'è un catalizzatore
Questa è una sostanza chimica che può cambiare la velocità di interazione, ma non partecipa ad essa stessa. Nel caso in cui il processo venga accelerato con l'aiuto di un catalizzatore, stiamo parlando di catalisi positiva. Nel caso in cui una sostanza aggiunta al processo riduca la velocità della reazione, viene chiamata inibitore.
Tipi di catalisi
La catalisi omogenea ed eterogenea differisce nella fase, indove si trovano le materie prime. Se i componenti iniziali presi per le interazioni, incluso il catalizzatore, sono nello stesso stato di aggregazione, procede la catalisi omogenea. Nel caso in cui alla reazione prendano parte sostanze di diverse fasi, si verifica una catalisi eterogenea.
Selettività dell'azione
La catalisi non è solo un mezzo per aumentare la produttività delle apparecchiature, ma ha un effetto positivo sulla qualità dei prodotti risultanti. Questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che a causa dell'azione selettiva (selettiva) della maggior parte dei catalizzatori, la reazione diretta viene accelerata, i processi collaterali vengono ridotti. Alla fine i prodotti risultanti sono di elevata purezza, non è necessario purificare ulteriormente le sostanze. La selettività dell'azione catalizzatrice dà una reale riduzione dei costi non produttivi delle materie prime, un buon vantaggio economico.
Vantaggi dell'utilizzo di un catalizzatore nella produzione
Cos' altro caratterizza le reazioni catalitiche? Esempi di una tipica scuola superiore mostrano che l'uso di un catalizzatore consente di eseguire il processo a temperature più basse. Gli esperimenti confermano che può essere utilizzato per ridurre significativamente i costi energetici. Questo è particolarmente importante nelle condizioni moderne, quando c'è una mancanza di risorse energetiche nel mondo.
Esempi di produzione catalitica
Quale settore utilizza le reazioni catalitiche? Esempi di tali produzioni:produzione di acido nitrico e solforico, idrogeno, ammoniaca, polimeri, raffinazione del petrolio. La catalisi è ampiamente utilizzata nella produzione di acidi organici, alcoli monoidrici e polivalenti, fenoli, resine sintetiche, coloranti e medicinali.
Qual è il catalizzatore
Molte sostanze che si trovano nella tavola periodica degli elementi chimici di Dmitry Ivanovich Mendeleev, così come i loro composti, possono fungere da catalizzatori. Tra gli acceleratori più comuni ci sono: nichel, ferro, platino, cob alto, alluminosilicati, ossidi di manganese.
Caratteristiche dei catalizzatori
Oltre all'azione selettiva, i catalizzatori hanno un'eccellente resistenza meccanica, sono in grado di resistere ai veleni catalitici e sono facilmente rigenerabili (recuperabili).
Secondo lo stato di fase, le reazioni catalitiche omogenee si dividono in fase gassosa e fase liquida.
Diamo un'occhiata più da vicino a questi tipi di reazioni. Nelle soluzioni, i cationi idrogeno H+, gli ioni base idrossido OH-, i cationi metallici M+ e le sostanze che contribuiscono alla formazione dei radicali liberi agiscono da acceleratore della trasformazione chimica.
L'essenza della catalisi
Il meccanismo di catalisi nell'interazione di acidi e basi è che vi è uno scambio tra le sostanze interagenti e gli ioni positivi del catalizzatore (protoni). In questo caso avvengono trasformazioni intramolecolari. Secondo questole reazioni vanno così:
- disidratazione (distacco d'acqua);
- idratazione (attaccamento di molecole d'acqua);
- esterificazione (formazione di esteri da alcoli e acidi carbossilici);
- policondensazione (formazione di un polimero con eliminazione dell'acqua).
La teoria della catalisi spiega non solo il processo stesso, ma anche le possibili trasformazioni collaterali. Nel caso di catalisi eterogenea, l'acceleratore del processo forma una fase indipendente, alcuni centri sulla superficie dei reagenti possiedono proprietà catalitiche, oppure l'intera superficie è coinvolta.
Esiste anche un processo microeterogeneo, che prevede la presenza di un catalizzatore allo stato colloidale. Questa variante è uno stato di transizione da un tipo di catalisi omogeneo a un tipo eterogeneo. La maggior parte di questi processi avviene tra sostanze gassose utilizzando catalizzatori solidi. Possono essere sotto forma di granuli, compresse, grani.
Distribuzione della catalisi in natura
La catalisi enzimatica è abbastanza diffusa in natura. È con l'aiuto dei biocatalizzatori che procede la sintesi delle molecole proteiche, viene effettuato il metabolismo negli organismi viventi. Non un singolo processo biologico che si verifica con la partecipazione di organismi viventi aggira le reazioni catalitiche. Esempi di processi vitali: sintesi di proteine specifiche per l'organismo da aminoacidi; scomposizione di grassi, proteine, carboidrati.
Algoritmo di catalisi
Consideriamo il meccanismo della catalisi. Questo processo, che avviene su acceleratori di interazione chimica solida porosa, includete stesso alcune fasi elementari:
- diffusione di sostanze interagenti sulla superficie dei grani di catalizzatore dal nucleo del flusso;
- diffusione dei reagenti nei pori del catalizzatore;
- chemisorbimento (adsorbimento attivato) sulla superficie di un acceleratore di reazione chimica con l'aspetto di sostanze chimiche superficiali - complessi catalizzatore-reagente attivato;
- risistemazione degli atomi con l'aspetto di combinazioni di superficie "catalizzatore-prodotto";
- diffusione nei pori dell'acceleratore di reazione del prodotto;
- diffusione del prodotto dalla superficie del grano dell'acceleratore di reazione nel flusso del nucleo.
Le reazioni catalitiche e non catalitiche sono così importanti che gli scienziati hanno continuato la ricerca in quest'area per molti anni.
Con la catalisi omogenea, non è necessario costruire strutture speciali. La catalisi enzimatica nella versione eterogenea prevede l'utilizzo di diverse e specifiche apparecchiature. Per il suo flusso sono state sviluppate speciali apparecchiature di contatto, suddivise in base alla superficie di contatto (in tubi, su pareti, griglie di catalizzatori); con uno strato filtrante; strato pesato; con catalizzatore polverizzato mobile.
Lo scambio di calore nei dispositivi è implementato in diversi modi:
- attraverso l'utilizzo di scambiatori di calore remoti (esterni);
- con l'ausilio di scambiatori di calore integrati nell'apparato di contatto.
Analizzando le formule in chimica, si possono anche trovare reazioni in cui il catalizzatore è uno dei prodotti finali che si formano durante l'interazione chimicacomponenti originali.
Tali processi sono solitamente chiamati autocatalitici, il fenomeno stesso è chiamato autocatalisi in chimica.
La velocità di molte interazioni è associata alla presenza di determinate sostanze nella miscela di reazione. Le loro formule in chimica sono spesso perse, sostituite dalla parola "catalizzatore" o dalla sua versione abbreviata. Non sono inclusi nell'equazione stereochimica finale, poiché non cambiano da un punto di vista quantitativo dopo il completamento dell'interazione. In alcuni casi sono sufficienti piccole quantità di sostanze per incidere significativamente sulla velocità del processo. Le situazioni sono anche abbastanza accettabili quando il recipiente di reazione stesso funge da acceleratore dell'interazione chimica.
L'essenza dell'effetto di un catalizzatore sulla modifica della velocità di un processo chimico è che questa sostanza è inclusa nella composizione del complesso attivo e quindi cambia l'energia di attivazione dell'interazione chimica.
Quando questo complesso si decompone, il catalizzatore viene rigenerato. La linea di fondo è che non verrà speso, rimarrà lo stesso importo dopo la fine dell'interazione. È per questo motivo che una piccola quantità di sostanza attiva è abbastanza sufficiente per effettuare la reazione con il substrato (sostanza che reagisce). In re altà, durante i processi chimici vengono ancora consumate quantità insignificanti di catalizzatori, poiché sono possibili vari processi collaterali: il suo avvelenamento, le perdite tecnologiche e un cambiamento nello stato della superficie di un catalizzatore solido. Le formule chimiche non includono un catalizzatore.
Conclusione
Le reazioni a cui partecipa un principio attivo (catalizzatore) circondano una persona, inoltre si verificano anche nel suo corpo. Le reazioni omogenee sono molto meno comuni delle interazioni eterogenee. In ogni caso, si formano prima complessi intermedi, che sono instabili, vengono gradualmente distrutti e si osserva la rigenerazione (recupero) dell'acceleratore del processo chimico. Ad esempio, quando l'acido metafosforico reagisce con il persolfato di potassio, l'acido idroiodico funge da catalizzatore. Quando viene aggiunto ai reagenti, si forma una soluzione gialla. Man mano che ti avvicini alla fine del processo, il colore scompare gradualmente. In questo caso, lo iodio funge da prodotto intermedio e il processo avviene in due fasi. Ma non appena l'acido metafosforico viene sintetizzato, il catalizzatore ritorna al suo stato originale. I catalizzatori sono indispensabili nell'industria, aiutano ad accelerare le trasformazioni e ad ottenere prodotti di reazione di alta qualità. Anche i processi biochimici nel nostro corpo sono impossibili senza la loro partecipazione.
