Catalizator

În chimie, un catalizator este o specie chimică care intervine în cursul unei reacții chimice care, prin modificarea complexului activat al reacției, permite o scădere sau o creștere a energiei de activare , crescând astfel ( cataliză pozitivă) sau scăzând (negativă cataliza), respectiv.) viteza , rămânând în orice caz neschimbată la sfârșitul aceluiași ^[1] (spre deosebire de reactanți , care sunt consumați pe măsură ce reacția se desfășoară).

Utilizarea catalizatorilor face ca procesele care ar avea loc foarte încet (de exemplu, ani) să se finalizeze și să se termine relativ rapid (de exemplu, secunde, minute sau ore). În timpul procesului de reacție, catalizatorul își poate pierde progresiv eficacitatea (în acest caz vorbim despre dezactivarea catalizatorului ), de exemplu datorită stresului termic (degradare termică ) sau datorită intervenției substanțelor care se depun pe acesta. , prin blocarea centrelor active (fouling) sau printr-un fenomen numit otrăvire .

Creșterea vitezei este posibilă datorită variației mecanismului de reacție, care implică, prin urmare, un nivel diferit (și inferior) al energiei de activare (energie potențială), care trebuie atins pentru a se asigura că reactanții evoluează spontan spre produs (s). Efectul este de așa natură încât să facă posibile reacții care, în condiții normale, nu ar continua semnificativ: cele mai izbitoare cazuri apar în biochimie , atât în laborator, cât și în inginerie biochimică , unde enzimele cresc viteza reacțiilor de până la ^{10-20 de} ori.

Substanțele care în loc să crească viteza de reacție scad, se numesc catalizatori negativi ^[2] sau inhibitori . ^[3] ^[4]

Acțiune

Diagrama unei reacții catalitice care arată energia necesară în diferite etape de-a lungul axei timpului ( coordonatele reacției ). Substraturile necesită în mod normal o cantitate semnificativă de energie (vârf roșu) pentru a ajunge la starea de tranziție pentru a reacționa la formarea produsului. Prezența unui catalizator (cum ar fi o enzimă ) creează un microambient în care substraturile pot ajunge mai ușor la starea de tranziție (vârf albastru), reducând astfel cantitatea de energie necesară. Deoarece este mai ușor să ajungeți la o stare de energie mai mică, reacția poate avea loc mai frecvent și, prin urmare, viteza de reacție va fi mai mare.

Un catalizator, în general, modifică „ mecanismul de reacție ” al reacției la care participă printr-o cale reactivă alternativă care are o energie de activare mai mică.

Cea mai simplă schemă de intervenție a unui catalizator C în reacția dintre doi compuși A și B este:

A + C → AC

AC + B → AB + C

Reacția netă este întotdeauna A + B → AB , în timp ce C este regenerat la sfârșitul fiecărui ciclu și nu este consumat. În cazul în care un compus prezent în mediul de reacție (produs, solvent etc.) se leagă permanent de catalizator, vorbimdespre otrăvirea (sau dezactivarea )catalizatorului , care își pierde astfel eficacitatea. În unele cazuri, o parte a catalizatorului este otrăvită în mod voluntar pentru a-și modula eficacitatea, permițând astfel obținerea unor intermediari de reacție care altfel nu sunt sintetizabili.

Frecvența de rotație definește performanța unui catalizator și este dată de formulă

N={\frac {v}{[Q]}}

{\ displaystyle N = {\ frac {v} {[Q]}}}

N = {\ frac {v} {[Q]}}

unde v este viteza de reacție și [Q] concentrația molară a catalizatorului omogen. În cazul catalizei eterogene , masa catalizatorului sau extinderea suprafeței sale apare în numitor.

O clasă specială de catalizatori este reprezentată de catalizatori cu transfer de fază , cum ar fi eterii corona , care permit reacția dintre compuși în faze distincte, care nu ar putea reacționa altfel.

Catalizatori omogeni și eterogeni

Catalizatori omogeni

Structura unui catalizator tipic de rodiu omogen utilizat în procesul de hidroformilare . În acest caz, liantul este format din trei grupări trifenilfosfină sulfonate.

Se spune că un catalizator este omogen dacă se află în aceeași fază cu reactanții. Avantajul catalizatorilor omogeni constă în contactul mai bun cu reactanții; acesta este în același timp un dezavantaj, deoarece este dificil să separați și să recuperați catalizatorul la sfârșitul reacției.

Deoarece molecula care constituie catalizatorul omogen este complet expusă reactanților, aceștia ar prezenta (dacă sunt folosiți așa cum sunt) o activitate catalitică ridicată și o selectivitate scăzută. Pentru a depăși acest dezavantaj, catalizatorii ligand sunt adesea uniți cu catalizatorii, care sunt alcătuite din grupe sterice voluminoase , care reduc numărul de situsuri active, dar le cresc selectivitatea.

Un exemplu de catalizator omogen este dat de molecula clor-tris (trifenilfosfină) -rodiu (I) (având formula RhCl (PPh ₃ ) ₃ ), numit și catalizator Wilkinson și utilizat pentru hidrogenarea în soluție de alchene . În cazul catalizatorului Wilkinson, acțiunea de legare este efectuată de grupările trifenilfosfină .

Catalizatori heterogeni

Hidrogenarea etenei pe un catalizator eterogen

Același subiect în detaliu: Cataliză heterogenă .

Se spune că un catalizator este eterogen dacă nu se află în aceeași fază cu reactanții. Un catalizator eterogen este în general format dintr-un suport (inert sau reactiv) pe care este poziționat catalizatorul propriu-zis și, eventual, compuși pentru a preveni sinterizarea , precum și orice promotori (substanțe care acționează într-un mod special prin îmbunătățirea sau modularea performanței catalitice) .

Particulele de catalizator eterogen au o structură poroasă, prin urmare cataliza are loc atât pe suprafața externă a catalizatorului, cât și pe suprafața internă. Acest lucru face ca suprafața disponibilă pentru schimbul de materie să fie cu câteva ordine de mărime mai mare decât cea care ar avea loc dacă structura catalizatorului eterogen ar fi compactă. Deoarece suprafața internă a unui catalizator eterogen este mult mai mare decât suprafața sa externă, transportul materiei în porii catalizatorului trebuie luat în considerare în faza de proiectare.

Catalizatorii heterogeni sunt mai vulnerabili la otrăvire decât cataliza omogenă, deoarece este suficient ca suprafața exterioară a catalizatorului să fie otrăvită (de exemplu, din cauza murdăriei ) pentru a face inutilă întreaga particulă de catalizator.

Catalizatori de interes industrial

Din punct de vedere practic, utilizarea principală a catalizatorilor în industria chimică permite condiții de reacție mai puțin drastice pentru a face ca reacțiile de sinteză să se desfășoare rapid. Se estimează că cel puțin 60% din toate substanțele comercializate astăzi necesită utilizarea catalizatorilor într-un anumit stadiu al sintezei lor.

Din punct de vedere chimic, catalizatorii eterogeni pot fi grupați după cum urmează:

metale : fier , platină ^[5] ^[6] , argint , ruteniu , rodiu , paladiu ^[7] ( hidrogenare și dehidrogenare )
izolare oxizi : oxid de aluminiu , dioxid de siliciu , oxid de magneziu ( deshidratare ) ^[8]
oxizi semiconductori : oxid de zinc , oxid de nichel (oxidare) ^[9] ^[10]
acizi: oxid de aluminiu pe silice , zeoliți ( polimerizare , crăpare , alchilare ) ^[11]

Unii dintre cei mai importanți catalizatori eterogeni utilizați în industria chimică sunt:

platină cu 10% rodiu ( proces Ostwald , producție de acid azotic )
tetraclorură de titan și un compus organometalic de aluminiu ( procedeul Ziegler-Natta , polimerizarea diferiților polimeri)
oxid de crom (proces Phillips, polimerizare polietilenă )
zeolitul ZSM-5 (conversia hidrocarburilor , descompunerea NOx ) ^[12]
Silicoaluminofosfați SAPO (conversia hidrocarburilor )
pentoxid de vanadiu (producție de anhidridă ftalică )

Câteva exemple de catalizatori omogeni de interes industrial:

nichel (IV) acetilacetonat (sinteza benzenului )
dicarbonyldiiodo-iridium (III) ( proces Cativa , sinteza acidului acetic )
octacarbonilcobalt (II) ( hidroformilare , sinteză aldehidă )
clorură de aluminiu (III) ( reacție Friedel-Crafts , sinteză de etilbenzen )
Acetilacetonat de vanadil (reacție de epoxidare a alcoolilor alilici)

Biocatalizatori

Același subiect în detaliu: Cataliza enzimatică , enzima și ribozima .

Prin biocatalizatori înțelegem catalizatori care acționează în reacții biochimice, de obicei proteine ( enzime , ^[13] uneori abzime ), rar ARN ( ribozime ). De asemenea, în cazul biocatalizatorilor, poate fi utilizat un promotor de cataliză numit cofactor ^[14] de tip efector , al substraturilor de susținere și se pot utiliza diferitele tehnici de imobilizare a celulelor sau catalizatorii pot fi otrăviți de un inhibitor enzimatic tip cofactor. Enzimele pot cataliza multe tipuri de reacții chimice și fiecare tip de enzimă este specific unui tip de reacție. Reacțiile au loc cu mare viteză datorită specificității enzimelor , unele enzime sunt aproape de perfecțiunea catalitică . Partea moleculei de reactiv cu care acești catalizatori enzimatici au specificitate se numește substrat . Se formează apoi un complex enzimă-substrat, a cărui formare se datorează interacțiunilor electrostatice slabe sau legăturilor covalente . Nu toată enzima este implicată în formarea complexului enzimă-substrat, ci doar o parte numită situs activ . În funcție de condițiile de flexibilitate dintre enzimă și substrat, vor exista diferite grade de specificitate: absolut, grup, legare, stereochimie.

Cataliza mediului

Catalizatorii utilizați în automobil Amortizor sunt formate din metale nobile ( în general , platină și rodiu ) dispersate pe un suport ceramic, format de ceriu oxid și oxid de zirconiu . Acestea promovează oxidarea simultană a combustibilului și a monoxidului de carbon arse în dioxid de carbon și apă și reducerea oxizilor de azot în azot și apă. Având în vedere activitatea simultană pe trei reacții, aceștia sunt numiți catalizatori cu trei căi (TWC) sau catalizatori trivalenți.

Notă

^ Ischia , p. 375 .
^ https://www.google.it/search?hl=&q=%22catalizzato+negativo%22&sourceid=navclient-ff&rlz=1B3MOZA_itIT362IT362&ie=UTF-8
^ Silvestroni , 364 .
^(RO) IUPAC Gold Book, „inhibitor”
^ (EN) A. Vicerich María, María A. Sánchez și Carlos L. Pieck, catalizatori Pt-Ir / Al2O3 pentru deschiderea inelului naftenelor. Performanța în funcție de timp , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis , vol. 127, nr. 2, 1 august 2019, pp. 875–886, DOI : 10.1007 / s11144-019-01605-w . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ (EN) Rostamikia T., N. Parsafard și MH Peyrovi, Pd și Pt susținute pe silice mezoporă, silice-alumină și alumină ca catalizatori pentru eliminarea benzenului în reformatul benzinei , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 127, nr. 1, 1 iunie 2019, pp. 345–356, DOI : 10.1007 / s11144-019-01562-4 . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ (EN) EV Golubina, AA Peristyy și ES Lokteva, Modificarea catalizatorului Ni / Al2O3 cu nanoparticule Pd pentru semihidrodenare selectivă a fenilacetilenei , în React Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 129, nr. 2, 1 aprilie 2020, pp. 883–898, DOI : 10.1007 / s11144-020-01739-2 . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ (EN) JA Wang, LF Chen și T. López, Emerging Fields in Sol-Gel Science and Technology , Springer SUA, 2003, pp. 78–83, DOI : 10.1007 / 978-1-4615-0449-8_8 , ISBN 978-1-4615-0449-8 . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ 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.
^ Rețeaua de reacție în oxidarea propanului pe catalizatori de oxid MoVTeNb M1 pur de fază , în J. Catal. , vol. 311, 2014, pp. 369-385.
^ (EN) Guixian Li, Chao Wu și Dong Ji, Aciditate și performanță catalizatoare a doi catalizatori H-ZSM-5 selectivi de formă pentru alchilarea toluenului cu metanol , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 129, nr. 2, 1 aprilie 2020, pp. 963–974, DOI : 10.1007 / s11144-020-01732-9 . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ Zeolite și materiale asemănătoare zeolitului - Ediția I , la www.elsevier.com . Adus la 28 aprilie 2020 .
^ Silvestroni , p. 369 .
^ Caracterizarea cofactorilor biomimetici în funcție de stabilitate, potențialul redox și conversia enzimatică de NADH oxidază din Lactobacillus pentosus , în Chembiochem , vol. 18, nr. 19, 2017, pp. 1944-1949.

Bibliografie

Paolo Silvestroni, Fundamentals of chemistry , ed. A X-a, CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8 .
Marco D'Ischia, Chimie organică în laborator , Piccin, 2002, ISBN 88-299-1621-8 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « catalizator »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe catalizator

Controlul autorității	Tesauro BNCF 10982 · LCCN (EN) sh85020940 · GND (DE) 4029919-3 · BNF (FR) cb11931126p (dată) · NDL (EN, JA) 00.572.116

Portalul chimiei

Portalul de fizică

Portal de inginerie

[1] Ischia , p. 375 .

[2] ttps://www.google.it/search?hl=&q=%22catalizzato+negativo%22&sourceid=navclient-ff&rlz=1B3MOZA_itIT362IT362&ie=UTF-8

[3] Silvestroni , 364 .

[4] (RO) IUPAC Gold Book, „inhibitor”

[5] (EN) A. Vicerich María, María A. Sánchez și Carlos L. Pieck, catalizatori Pt-Ir / Al2O3 pentru deschiderea inelului naftenelor. Performanța în funcție de timp , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis , vol. 127, nr. 2, 1 august 2019, pp. 875–886, DOI : 10.1007 / s11144-019-01605-w . Adus la 28 aprilie 2020 .

[6] (EN) Rostamikia T., N. Parsafard și MH Peyrovi, Pd și Pt susținute pe silice mezoporă, silice-alumină și alumină ca catalizatori pentru eliminarea benzenului în reformatul benzinei , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 127, nr. 1, 1 iunie 2019, pp. 345–356, DOI : 10.1007 / s11144-019-01562-4 . Adus la 28 aprilie 2020 .

[7] (EN) EV Golubina, AA Peristyy și ES Lokteva, Modificarea catalizatorului Ni / Al2O3 cu nanoparticule Pd pentru semihidrodenare selectivă a fenilacetilenei , în React Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 129, nr. 2, 1 aprilie 2020, pp. 883–898, DOI : 10.1007 / s11144-020-01739-2 . Adus la 28 aprilie 2020 .

[8] (EN) JA Wang, LF Chen și T. López, Emerging Fields in Sol-Gel Science and Technology , Springer SUA, 2003, pp. 78–83, DOI : 10.1007 / 978-1-4615-0449-8_8 , ISBN 978-1-4615-0449-8 . Adus la 28 aprilie 2020 .

[9] 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.

[10] Rețeaua de reacție în oxidarea propanului pe catalizatori de oxid MoVTeNb M1 pur de fază , în J. Catal. , vol. 311, 2014, pp. 369-385.

[11] (EN) Guixian Li, Chao Wu și Dong Ji, Aciditate și performanță catalizatoare a doi catalizatori H-ZSM-5 selectivi de formă pentru alchilarea toluenului cu metanol , în Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, vol. 129, nr. 2, 1 aprilie 2020, pp. 963–974, DOI : 10.1007 / s11144-020-01732-9 . Adus la 28 aprilie 2020 .

[12] Zeolite și materiale asemănătoare zeolitului - Ediția I , la www.elsevier.com . Adus la 28 aprilie 2020 .

[13] Silvestroni , p. 369 .

[14] Caracterizarea cofactorilor biomimetici în funcție de stabilitate, potențialul redox și conversia enzimatică de NADH oxidază din Lactobacillus pentosus , în Chembiochem , vol. 18, nr. 19, 2017, pp. 1944-1949.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]