Cataliză

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Cinetica chimică
Viteza de reacție
Teoria coliziunilor
Reacție elementară
Molecularitatea
Ecuația cinetică
Ordinea reacției
Constanta de viteza
Ecuația lui Arrhenius
Ecuația Eyring
Teoria stării de tranziție
Starea de tranziție
Mecanism de reacție
Energie activatoare
Aproximarea stării de echilibru
Efect izotop cinetic
Cataliză
Catalizator
Cataliză omogenă
Cataliză heterogenă
Cataliza de transfer de fază
Cataliza enzimatică
Fotocataliză
Autocataliza
Activitate catalitică
Site activ
Suport catalitic
Dezactivarea catalizatorilor
Categorie: Cinetică chimică
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Activitate catalitică .

Cataliza (de la verbul grecesc καταλύειν, [1] care înseamnă a sparge, dizolva) este un fenomen chimic prin care viteza unei reacții chimice suferă variații datorită intervenției unei substanțe (sau a unui amestec de substanțe) numit catalizator , care nu este consumat de procesul de reacție în sine.

Termenul de cataliză înseamnă, de asemenea, o ramură a chimiei, aferentă în special chimiei industriale , care studiază sinteza , caracterizarea, proiectarea și dezvoltarea moleculelor adecvate pentru acoperirea rolului catalizatorilor pentru îmbunătățirea sau chiar implementarea în sine a unor reacții mai variate.

Principii generale

Tendința energiei potențiale pentru o reacție generică X + Y → Z. În prezența catalizatorului, calea normală de reacție (în negru) este modificată (în roșu), astfel încât să aibă o energie de activare mai mică. Condițiile cinetice sunt, prin urmare, diferite, în timp ce condițiile termodinamice rămân neschimbate.

Principiul general al catalizei constă în variația mecanismului de reacție și, prin urmare, în diferitele „salturi” (corespunzătoare valorii energiei de activare ) pe care reactanții trebuie să le facă pentru a ajunge la produse. Efectul catalizei este de natură cinetică și nu termodinamic : acțiunea catalizatorului modifică de fapt etapele intermediare ale unei reacții, dar nu modifică stările sale finale. Aceasta înseamnă că cataliza nu afectează dacă are loc sau nu o reacție.

În majoritatea cazurilor exploatate în practică, cataliza duce la căi de reacție caracterizate printr-o energie de activare totală mai mică, cu o creștere consecventă a vitezei de reacție; există, de asemenea, cazuri în care intervenția unui catalizator implică mecanisme care scad viteza: în acest caz vorbim de cataliză negativă [2] sau inhibare (iar catalizatorul este mai corect numit inhibitor al reacției [3] ).

În funcție de faza în care se găsește catalizatorul, există două tipuri de cataliză: [3]

  • cataliză omogenă : dacă catalizatorul este dizolvat în mediul de reacție, adică se află în aceeași fază (de exemplu lichidă) în care sunt prezenți reactanții;
  • cataliză eterogenă : dacă catalizatorul și reactanții nu se află în aceeași fază (de exemplu, dacă catalizatorul este un solid fin dispersat într-un mediu de reacție fluid).

Aplicații

Un exemplu practic de cataliză este convertorul catalitic . În domeniul chimiei industriale , mecanismul de cataliză este exploatat într-o multitudine de procese chimice, inclusiv producerea de fibre sintetice, medicamente și aditivi alimentari.

Cataliza în sistemele biologice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Cataliză enzimatică și enzime .

În biochimie , acțiunea catalizatorului este realizată de enzime , care sunt proteine particulare produse de celule într-un mod fin reglementat, pornind de la genele corespunzătoare din ADN . Reactivii care se leagă de enzimă pentru a reacționa sunt numiți „ substrat ”. Enzimele sunt extrem de selective , adică, datorită lor, reactivii urmează o singură reacție chimică printre numeroasele reacții chimice posibile.

Reprezentarea acțiunii catalitice a unei enzime

fundal

Termenul de cataliză a fost introdus de Berzélius în 1836 . În 1814 Kirchhoff raportează hidroliza amidonului catalizată de acizi, în 1817 Humphry Davy descoperă că introducerea platinei fierbinți într-un amestec de aer și gaz de oraș încălzește metalul până la căldură albă.

În 1824 Henry raportează otrăvirea unui catalizator: etilena inhibă reacția dintre hidrogen și oxigen pe platină . Apoi observă o oxidare selectivă în reacția dintre oxigen și un amestec gazos compus din hidrogen, monoxid de carbon și metan .

În 1845, William Robert Grove demonstrează că un filament de platină este la fel de bun catalizator pentru descompunerea apei în hidrogen și oxigen. În 1871 Deacon a dezvoltat procesul de oxidare al acidului clorhidric , folosind un catalizator realizat cu o cărămidă de lut impregnată cu sare de cupru . În 1877, Lemoine demonstrează că descompunerea acidului de iod în hidrogen atinge același punct de echilibru la 350 ° C, chiar dacă reacția are loc fără catalizator (platină). Această proprietate este confirmată doi ani mai târziu de Bertholet cu esterificarea acizilor organici și hidroliza acizilor esterici, în care echilibrul reacției rămâne același, indiferent dacă este utilizat sau nu un catalizator.

La începutul secolului al XX-lea Wilhelm Normann a efectuat hidrogenarea acidului oleic ( acid cis-9-octadecenoic, C 17 H 33 COOH) lichid în acid stearic (acid octadecanoic, C 17 H 35 COOH) solid pe nichel fin divizat. Acest proces de hidrogenare este încă utilizat în multe sectoare (alimente, farmacii, fabrici de săpun, parfumerie, vopsele etc.), iar nichelul rămâne principalul catalizator pentru aplicații de acest fel.

Sinteza amoniacului (NH3) pornind de la azot și hidrogen a fost realizată de Fritz Haber prin intermediul unui înalt presiune aparat și în prezența a pulverizat Fe 3 O 4. Amoniacul poate fi oxidat în oxizi de azot prin oxidare pe platină și poate servi ca materie primă pentru producerea de acid azotic (HNO 3 ).

În 1923 BASF a produs metanol din monoxid de carbon și hidrogen pe un catalizator pe bază de oxid de zinc și oxid de crom . În aceeași perioadă, metoda Fischer-Tropsch permite obținerea alcanilor , alchenelor și alcoolilor pornind de la monoxid de carbon și hidrogen, prin intermediul unui catalizator pe bază de fier și cobalt .

Oxidarea catalitică a dioxidului de sulf în trioxid de sulf pe oxidul de vanadiu (V) (V 2 O 5 ) permite sinteza pe scară largă a acidului sulfuric .

La sfârșitul anilor 1930 , apare crăparea catalitică, oferind posibilitatea ruperii legăturilor CC. Metoda Houdry folosește un catalizator pe bază de argilă de tip montmorillonit tratat cu acizi și permite ca moleculele mari de petrol, conținute de obicei în motorină , să fie descompuse în cele mai mici molecule care formează benzină . În același deceniu, oxidarea selectivă a etilenei în oxid de etilenă pe un catalizator pe bază de argint a fost dezvoltată, dezvoltată și comercializată de Union Carbide . Toate aceste metode permit accesul la scară industrială la produsele chimice de bază, deschizând astfel calea către dezvoltarea chimiei de bază și fine .

Progresele din anii 1930 legate de cataliză au stimulat dezvoltarea sintezei chimice pentru producții din ce în ce mai diferențiate. Polimerizarea s-a dezvoltat folosind moleculele de bază produse prin procesele de mai sus.

Reacțiile implicate în procesul Ziegler-Natta

În anii 1950 , polietilena , polipropilena și polibutadiena au fost sintetizate datorită catalizatorilor Ziegler-Natta pe bază de organometal . În industria petrolieră, se stabilește hidrodesulfurarea pe catalizatori pe bază de cobalt și sulfură de molibden .

Anii șaizeci marchează apariția zeoliților sintetici activi și selectivi pentru izomerizarea alcanilor . Aceste materiale devin obiectul unor studii intense pentru proprietățile lor catalitice și cercetătorii dezvoltă numeroși zeoliți adecvați pentru reacțiile care trebuie catalizate, dar și pentru forma moleculelor substratului, grație controlului dimensiunii siturilor catalitice.

Reacțiile implementate conduc la molecule din ce în ce mai diferite:

În anii 1970 s -a născut convertorul catalitic pe bază de platină , rodiu și paladiu . În această perioadă, cataliza enzimatică s-a dezvoltat la scară industrială, permițând dezvoltarea penicilinelor semisintetice și izomerizarea glucozei în fructoză . O metodă de studiu a catalizei enzimatice este cea descrisă în modelul Michaelis-Menten .

Eforturile întreprinse cu ocazia descoperirii zeoliților sintetici sunt transpuse la scară industrială în anii optzeci : metoda metanol-benzină (sau MTG, în italiană: de la metanol la benzină ) face posibilă producerea benzinei pornind de la metanol datorită un zeolit ​​H. ZSM5.

Au fost întreprinse eforturi semnificative de cercetare pentru conversia catalitică a resurselor biogene și CO2 în combustibili lichizi [6] și gazoși [7] [8] [9] [10] .

Chimia fină nu este scutită de aceste evoluții; un exemplu este sinteza vitaminei K4 prin intermediul unui catalizator pe bază de platină.

Notă

  1. ^ Cuvânt compus din κατά și λύσις. Transliterație: "katalýein"
  2. ^(EN) Thermopedia, „Cataliză”
  3. ^ a b ( RO ) IUPAC Gold Book, „catalizator”
  4. ^ Chimia de suprafață a oxidului de fază-pur M1 MoVTeNb în timpul funcționării în oxidarea selectivă a propanului în acid acrilic , în J. Catal. , vol. 285, 2012, pp. 48-60.
  5. ^ Studii cinetice de oxidare a propanului pe catalizatori de oxid mixt pe bază de Mo și V ( PDF ).
  6. ^ (EN) Kang Yao Wong, Jo-Han Ng și Cheng Tung Chong, Intensificarea procesului de biodiesel prin îmbunătățirea catalitică și proiectarea reactoarelor emergente: O revizuire critică , în Revizuiri privind energia regenerabilă și durabilă, vol. 116, 1 decembrie 2019, p. 109399, DOI : 10.1016 / j.rser.2019.109399 . Adus la 15 februarie 2020 .
  7. ^ (EN) Radosław Dębek, Federico Azzolina-Jury și Arnaud Travert, O revizuire a metanării catalitice în plasmă a dioxidului de carbon - Căutarea unui catalizator eficient în Energiile regenerabile și durabile, vol. 116, 1 decembrie 2019, p. 109427, DOI : 10.1016 / j.rser.2019.109427 . Adus la 15 februarie 2020 .
  8. ^ (EN) Feiyang Hu, Sai Tong și Lu Kun, oxid de grafen redus, susținut de catalizatori Ni-Ce pentru metanarea CO2: efectele ceria de susținere și promovare , în Journal of CO2 Utilization, vol. 34, 1 decembrie 2019, pp. 676-687, DOI : 10.1016 / j.jcou.2019.08.020 . Adus la 15 februarie 2020 .
  9. ^ (EN) Isabelle Champon, Alain Bengaouer și Albin Chaise, model cinetic de metanare a dioxidului de carbon pe un catalizator comercial Ni / Al2O3 , în Journal of CO2 Utilization, vol. 34, 1 decembrie 2019, pp. 256-265, DOI : 10.1016 / j.jcou.2019.05.030 . Adus la 15 februarie 2020 .
  10. ^ (EN) Xiaoliu Wang, Yingying Liu și Zhu Lingjun, biocar N-dopat derivat din biomasă ca suport catalitic eficient pentru metanarea CO2 , în Journal of CO2 Utilization, vol. 34, 1 decembrie 2019, pp. 733-741, DOI : 10.1016 / j.jcou.2019.09.003 . Adus la 15 februarie 2020 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 11767 · LCCN (EN) sh85020938 · GND (DE) 4029921-1 · BNF (FR) cb119418709 (dată) · BNE (ES) XX526142 (dată) · NDL (EN, JA) 00.572.118
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Catalisi&oldid=121926973 ”