10Фев

Что делает катализатор в химии: Катализ в сложных системах — все самое интересное на ПостНауке

Содержание

Катализ в промышленности

Журнал «Катализ в промышленности» был учрежден ЗАО «Калвис» в 2001 году и зарегистрирован в Министерстве РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций (свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № 77-7794 от 30 апреля 2001 г.), номер международной регистрации ISSN 1816-0387. Тираж 150 экз. Объем номера 80 полос (10 печ. листов).

С 2009 г. PLEIADES PUBLISHING, LTD издает, а издательство Springer распространяет англоязычную версию журнала — “Catalysis in Industry”.

Журнал распространяется в Российской Федерации и странах СНГ.

Журнал знакомит читателей с результатами оригинальных научных и прикладных исследований по перспективным направлениям в области катализа, с опытом промышленной эксплуатации катализаторов и каталитических технологий, с актуальными проблемами в сфере производства и  способами их решения; освещает итоги прошедших научных форумов, информирует  о предстоящих значимых событиях.

К публикации принимаются  статьи российских и зарубежных авторов. Все статьи проходят рецензирование.

Переводная версия журнала «Catalysis in Industry» включена в международную базу SCOPUS, индексируется в Web of Science Emerging Sources Citation Index.

Место журнала “Катализ в промышленности” в общем рейтинге SCIENCE INDEX за 2020 год – 152,  место в  рейтинге SCIENCE INDEX за 2020 по тематике «Химическая технология. Химическая промышленность» – 1,  по тематике «Химия» – 13. Двухлетний  импакт-фактор РИНЦ с учетом переводной версии по состоянию на 2020 г. – 1,441. Пятилетний импакт-фактор РИНЦ – 1,278 (информация с сайта http://elibrary.ru/title_profile.asp?id=7328).

Разделы журнала:

  • Общие вопросы катализа
  • Катализ и нанотехнологии
  • Катализ в химической и нефтехимической промышленности
  • Катализ в нефтеперерабатывающей промышленности
  • Катализ и охрана окружающей среды
  • Инженерные проблемы. Эксплуатация и производство.
  • Отечественные катализаторы
  • Биокатализ
  • Фото- и электрокатализ
  • История катализа

Экологически чистый катализ – Наука – Коммерсантъ

«Наконец-то Нобеля по химии дали по химии!» — такими словами наполнились соцсети сразу после объявления лауреатов-2021 самой знаменитой научной премии. Оставим ученым споры про то, насколько неправа Шведская академия наук, которая с 1901 года примерно половину премий выдала за химические работы в области наук о живом. Тем более что все мы пользуемся результатами этих самых работ. Отметим лишь, что и открытия, сделанные лауреатами этого года, очень применимы в биологически активных молекулах.

6 октября 2021 года Шведская академия наук назвала имена лауреатов Нобелевской премии по химии. Ими стали профессор Кёльнского университета и директор Института исследования угля Общества Макса Планка (Германия) Беньямин Лист и профессор Принстонского университета (США) Дэвид Макмиллан. Как гласит формулировка, премия вручена «За развитие асимметричного органокатализа». Размер премии — 10 млн шведских крон.

«Катализаторы — одно из важнейших открытий, которое сделали химики,— говорит декан химического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.— Дело в том, что нельзя просто смешать вещества А и В и ждать, что всегда получится нужное вещество С. Часто нужен определенный набор условий: температура, кислотность среды, правильное агрегатное состояние, давление, много времени. Критически важно порой отсутствие в реагентах примесей. Не менее важно вовремя удалять продукты реакции. Порой условия для проведения реакции нужны такие, что при них вещества вообще разлагаются. Еще чаще вместо нужной реакции начинает идти несколько других. Особенно часто такая ситуация встречается в органическом синтезе».

Классический пример — стрихнин, для первого синтеза которого в 1952 году потребовалось провести последовательно 29 (!) реакций. Выход от исходного вещества составил 0,0009%. Катализатор же обладает двумя замечательными свойствами. Он, во-первых, легко соединяется с одним из реагентов в комплекс, который так же легко реагирует со вторым реагентом. При этом катализатор (и это то самое «во-вторых») высвобождается в первоначальном виде. В результате несколько обходных стадий реакции заменяются на одну прямую. В случае стрихнина 29 реакций схлопнулись до 12 (!), а количество полученного вещества увеличилось в 7 тыс. раз.

То, что одни вещества могут реагировать с другими, химики знали давно. Неожиданностью стал ряд наблюдений, сделанных в начале XIX века: оказалось, что одни вещества начинают быстрее реагировать в присутствии других веществ. Но не с ними. Например, перекись водорода начинала быстрее разлагаться в серебряной посуде, при этом серебро не растворялось. В 1835 году известный шведский химик Яков Берцелиус впервые показал некоторые закономерности этого процесса, указал на его обширность и, собственно, ввел понятие «катализатор».

Ученые всего мира бросились на поиски катализаторов. В результате им удалось выделить две большие группы катализаторов — металлы и ферменты. Перечислять все Нобелевские премии по химии, которые связаны с обеими группами катализаторов, слишком долго, но несколько из них все же стоит назвать. Например, Эдуард Бюхнер научился перерабатывать сахар в спирт без дрожжей. А затем за изучение выделенных им ферментов еще двое получили Нобелевку. Благодаря открытому Полем Сабатье механизму реакции стали делать маргарин. А Вильгельм Освальд, например, придумал, как легко при помощи катализаторов соединить водород и азот, и теперь так делают 180 млн тонн аммиака в год.

Сказать, что катализаторы активно используются в нашей жизни, мало. Треть промышленной химии делается при помощи катализаторов. Переработка тяжелых фракций нефти тоже катализаторы. В каждом автомобиле с двигателем внутреннего сгорания стоит дожигатель выхлопных газов. Большинство лекарств делается с помощью катализаторов.

Правда, с биологически активными веществами все оказалось несколько сложнее. Оказалось, что в нашем организме важен не только набор функциональных групп, но и их взаимное расположение. Причем критически важным оказалось то, как они присоединены к одному и тому же атому углерода.

Посмотрите на свои руки. Такие одинаковые и такие разные. То, что вы видите, называется примером «зеркальной» симметрии. Правая рука может совпасть только с отражением левой руки в зеркале, но не с самой левой рукой. В органической химии тоже есть такие «правые» и «левые» руки. У них атомный (элементный) одинаковый состав, одинаковый набор функциональных групп, и расположены они на одних и тех же атомах углерода. Но только в зеркальном отражении. Из-за такой пространственной изомерии они проявляют себя в живом организме по-разному. Например, L-карнитин помогает нам расщеплять жиры. Его оптический изомер D-карнитин — яд. Есть и другие пары, в которых один изомер — лекарство, а второй откровенно токсичен. Самый известный из них — талидомид, седативный препарат, который с успехом применяли беременные женщины в 1957–1962 годах. Оказалось, в организме он изомеризовался, а его изомер нарушал развитие плода и вызывал физические уродства. Это, кстати, одна из причин, почему сейчас все медицинские препараты тестируются так долго.

Для синтеза биологически активных веществ правильного строения металлические катализаторы не подходят. Они или слишком чувствительны к воде, кислотности, кислороду и т. д., или очень дорогие: платина, палладий, рений. И довольно токсичны. Ферменты тоже довольно дорогие и к тому же очень сложные молекулы. Правда, не весь фермент реагирует с другими молекулами, а только его активный центр. И тут у Беньямина Листа зародилась идея: что если синтезировать этот самый активный центр отдельно? Возможно, все это нагромождение аминокислот с кучей атомов металла и не нужно для того, чтобы катализировать нужный процесс? Он попробовал провести эксперименты с простой молекулой — пролином. И получил потрясающий результат. Катализатор сработал.

В это самое время в Беркли Дэвид Макмиллан подошел к вопросу с другой стороны. Работая над металлическими катализаторами, он подумал: а так ли нужен для катализа этот ядовитый и дорогой атом металла? Может, можно использовать атом неметалла, способный отдавать и принимать электроны? Взяв за основу азот, он получил так называемый иминий-ион, который также справился с задачей. Катализатор собрал из двух органических молекул структуру с шестичленным кольцом (реакция Дильса-Альдера), но быстрее и легче.

Оба исследователя показали, что безметаллические органические катализаторы из простых молекул способны направлять синтез биологически активных молекул строго определенной конфигурации. «Эта концепция катализа настолько же проста, насколько и гениальна, и факт в том, что многие люди задавались вопросом, почему не подумали об этом раньше»,— сказал председатель Нобелевского комитета по химии Йохан Аквист.

Открытие спровоцировало настоящую «золотую лихорадку». И сейчас огромное количество сложных лекарств на основе человеческих ферментов производится при помощи этих катализаторов. Да и вообще меняются промышленные процессы на заводах по производству множества органических соединений. А весь с точки зрения науки в этой области еще многое не изучено. Так что потенциал есть и для ученых, и для промышленности.

Иван Сергейко

Самарские ученые разработали эффективные катализаторы для нефтехимической промышленности

https://ria.ru/20210527/tekhnologii-1734362993.html

Самарские ученые разработали эффективные катализаторы для нефтехимической промышленности

Самарские ученые разработали эффективные катализаторы для нефтехимической промышленности — РИА Новости, 27.05.2021

Самарские ученые разработали эффективные катализаторы для нефтехимической промышленности

Ученые Самарского университета разработали эффективные катализаторы, которые помогут удешевить ряд технологических процессов в нефтехимической промышленности,… РИА Новости, 27.05.2021

2021-05-27T10:07

2021-05-27T10:07

2021-05-27T10:07

наука

технологии

навигатор абитуриента

университетская наука

самарский университет

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/05/1b/1734364657_0:308:3072:2036_1920x0_80_0_0_dbdbf75cc8e8059a42b3a7ae7a0c963d.jpg

САМАРА, 27 мая — РИА Новости. Ученые Самарского университета разработали эффективные катализаторы, которые помогут удешевить ряд технологических процессов в нефтехимической промышленности, сообщает в четверг пресс-служба вуза.По информации пресс-службы, работы проводились сотрудниками научной группы под руководством профессора кафедры физической химии и хроматографии Анджелы Булановой в рамках проекта, поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований.»В ходе экспериментов нами были синтезированы эффективные катализаторы на основе мезопористых силикагелей, обладающие рядом существенных преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время в нефтехимической промышленности. В числе этих преимуществ — более низкие уровни рабочих температур и давления, высокая конверсия и возобновляемость используемых катализаторов», — цитирует пресс-служба руководителя проекта, аспиранта кафедры физической химии и хроматографии Елену Токранову.По данным пресс-службы, в настоящее время в качестве активного компонента катализаторов гидрирования ароматических углеводородов на промышленных предприятиях, как правило, используется никель. Ученые Самарского университета за счет модифицирования мезопористого силикагеля небольшими количествами редкоземельных элементов — диспрозием и лантаном — смогли значительно увеличить активность никелевых катализаторов, отмечается в релизе.»Цель наших исследований состояла в том, чтобы за счет встраивания малого процента диспрозия или лантана увеличить каталитическую активность катализатора. При этом можно уменьшить общее содержание никеля, что делает катализатор более дешевым. Кроме того, новые катализаторы позволяют проводить реакцию гидрирования при более низких температурах и давлении, то есть, предприятия смогут удешевить продукцию, снизив энергопотребление для ее получения, что сделает процессы гидрирования экономичнее и экологически безопаснее», — отметила Токранова.

https://radiosputnik.ria.ru/20201203/1587450334.html

https://na.ria.ru/20210407/vuzy-1603408442.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/05/1b/1734364657_341:0:3072:2048_1920x0_80_0_0_9bd2178e41bbef2cd63b24c54faceb82.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, навигатор абитуриента, университетская наука, самарский университет

САМАРА, 27 мая — РИА Новости. Ученые Самарского университета разработали эффективные катализаторы, которые помогут удешевить ряд технологических процессов в нефтехимической промышленности, сообщает в четверг пресс-служба вуза.

«Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева разработали и синтезировали эффективные возобновляемые катализаторы на основе силикагеля, которые помогут удешевить ряд технологических процессов на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях», — говорится в сообщении.

По информации пресс-службы, работы проводились сотрудниками научной группы под руководством профессора кафедры физической химии и хроматографии Анджелы Булановой в рамках проекта, поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований.

«В ходе экспериментов нами были синтезированы эффективные катализаторы на основе мезопористых силикагелей, обладающие рядом существенных преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время в нефтехимической промышленности. В числе этих преимуществ — более низкие уровни рабочих температур и давления, высокая конверсия и возобновляемость используемых катализаторов», — цитирует пресс-служба руководителя проекта, аспиранта кафедры физической химии и хроматографии Елену Токранову.

3 декабря 2020, 08:46Университеты будущегоЭнергия холода: Самарский университет откроет специальность «криогеника»

По данным пресс-службы, в настоящее время в качестве активного компонента катализаторов гидрирования ароматических углеводородов на промышленных предприятиях, как правило, используется никель. Ученые Самарского университета за счет модифицирования мезопористого силикагеля небольшими количествами редкоземельных элементов — диспрозием и лантаном — смогли значительно увеличить активность никелевых катализаторов, отмечается в релизе.

«Цель наших исследований состояла в том, чтобы за счет встраивания малого процента диспрозия или лантана увеличить каталитическую активность катализатора. При этом можно уменьшить общее содержание никеля, что делает катализатор более дешевым. Кроме того, новые катализаторы позволяют проводить реакцию гидрирования при более низких температурах и давлении, то есть, предприятия смогут удешевить продукцию, снизив энергопотребление для ее получения, что сделает процессы гидрирования экономичнее и экологически безопаснее», — отметила Токранова.

7 апреля 2021, 09:00

Профессии, зарплаты, вузы: навигатор абитуриента 2021

Интегрированный урок по химии и биологии на тему «Неорганические и органические катализаторы»

Цель и задачи уроков:

  • сформировать представления о катализаторах и ферментах, их строении, механизме действия, свойствах, применении в промышленности и значении для жизни человека
  • познакомить учащихся с современными представлениями о химической природе, основными принципами взаимодействия с субстратом и практическим использованием специфических каталитических белков – ферментов (энзимов)
  • организовать освоение процедур исследовательской деятельности, в том числе, совершенствовать умение учащихся наблюдать за веществами и происходящими с ними изменениями
  • совершенствовать умение учащихся работать с учебными материалами
  • развивать познавательный интерес путем выполнения лабораторного опыта.
  • реализовать межпредметные связи развивать познавательный интерес путем выполнения лабораторного опыта.

Тип урока: изучения нового  материала

Методы и методические приемы обучения: беседа, проблемное обучение, лекция, работа с таблицами и рисунками, лабораторная работа.

План 1-го урока

Организационный момент – 5 мин

  • Повторение пройденного материала– 5 мин
  • Изучение нового материала – 15 мин
  • Закрепление изученного – 10 мин
  • Домашнее задание – 5 мин

Первый урок

Ход урока

1. Организационный момент. Повторение пройденного материала на уроке химии по теме «Факторы влияющие на скорость химической реакции».

  1. Что называется скоростью химической реакции? Слайд 2
  2. Какие факторы влияют на скорость химической реакции? Слайд 3,4,5,6

2. Изучение нового материала.

Учитель: Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Их называют катализаторами.

Катализатор — химическое вещество, ускоряющее или замедляющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Важно понимать, что катализатор участвует в реакции. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

Каковы были первые представления о веществах-катализаторах.

Сообщение учащегося (домашняя заготовка) Приложение 1

Рассказ учителя: «Большие результаты присутствия малых количеств веществ».

Кто из нас не наблюдал явления, происходящего, когда приходится обрабатывать порез раствором перекиси водорода? При попадании на кровоточащую ранку пероксид вскипает, что свидетельствует об образовании газа, а это, как вам известно, является признаком химической реакции. Выделившийся атомарный кислород – сильный окислитель, он активно дезинфицирует раневую поверхность. Попробуйте полить пероксидом водорода на неповрежденную поверхность кожи, и никаких изменений в нем вы не заметите. Как объяснить то, что мы наблюдаем?

Оказывается, пероксид водорода – довольно нестойкое соединение (посмотрите на этикетку, что на ней написано, каковы правила хранения этого вещества?) и разлагается на воду и кислород, но эта реакция идет очень медленно. А гемоглобин крови выступает в роли ускорителя этой реакции. Вещества, которые ускоряют химический процесс, называются катализаторами, а сам процесс – катализом.

Это название происходит от греческого слова katalysis, что значит разрушение. Первое знакомство с катализаторами восходит еще к первой половине XIX в. И.В.Деберейнер установил, что при направлении струи водорода на губчатую платину (мелко раздробленный металл) водород загорается, однако практического вывода из этого открытия не было сделано.

Позже это и другие подобные явления подробно изучил Й.Я.Берцелиус, он и ввел в 1836 г. понятие катализатора: одним только своим присутствием вызывает химическую активность, не проявляющуюся без его участия.

В настоящее время катализаторы играют в химии весьма значительную роль. Почти все процессы заводского производства протекают при содействии катализаторов, а подбор подходящего катализатора играет не последнюю роль при решении вопроса о самой возможности того или иного синтеза.

В некоторых случаях скорость химической реакции необходимо не увеличить, а наоборот, уменьшить, для этого используют вещества, называемые ингибиторами.

Слайд 7,8

Учитель: Столь же велико значение биологических катализаторов, называемых ферментами или энзимами, для жизнедеятельности организмов: они регулируют все процессы, протекающие в живых объектах. Эффективность действия ферментов в сотни и даже тысячи зраз выше, чем у неорганических катализаторов.

Слайд 9,10

Сообщение учащегося о ферментах (домашняя заготовка), дополнения учителя Приложение 2

Вопросы для закрепления

1. Катализатор

А) показывает изменение количества  вещества в единицу времени, в единице объёма

2. Скорость реакции в гетерогенной системе

Б) показывает изменение количества  вещества в единицу времени, на единице поверхности раздела фаз.

3. Скорость реакции в гомогенной системе

В) вещество, увеличивающее скорость реакции, но само в реакции не участвует.

4. Ингибитор

Г) вещество, замедляющее скорость реакции.

5. Энзимы

Д) белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.

Слайд 11

Домашнее задание

  1. Подготовить материал о перекиси водорода (9 и 11 классы)
  2. 11 класс: (задание по химии) О.С.Габриелян стр.95-96. Биополимеры белки.
    Проработать таблицы (четыре структуры белка; сравнительная характеристика РНК и ДНК) Приложение 3
  3. 9 класс: (задание по биологии)
    А.А.Каменский, Е.А.Криксунов, В.В.пасечник: Биологические катализаторы, стр.37 упр.1-4, повторить тему белки стр.23-34

План 2-го урока:

1. Организационный момент (5 минут)

2. Проверка знаний учащихся по теме «Белки» (5 минут). Тест.

3. Изучение нового материала (15 минут)

4. Закрепление изученного материала (10 минут)

  • Лабораторный опыт «Открытие фермента каталазы».
  • Лабораторный опыт «Действие неорганических катализаторов»

5. Вопросы для закрепления (5 минут)

6. Домашнее задание (сравнение неорганических и органических катализаторов). Таблица. (5 минут)

Второй урок

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Проверка знаний учащихся по теме «Белки».

Приложение 4  Тест

3. Изложение нового материала.

Учитель

Ферменты – это специфические белки глобулярной природы, вещества, без которых невозможно течение множества процессов в организме. Играют роль биологических катализаторов. На самом деле, ферменты принимают участие не только в переваривании пищи, но и в работе центральной нервной системы, в процессах роста новых клеток.

Ферменты относятся к белкам. Но в их составе есть и минеральные соли. Ферментов достаточно много и каждый обладает совершенно уникальным действием на узкий круг веществ. Ферменты не могут заменять друг друга.

Впервые высокоочищенный кристаллический фермент был выделен в 1926 г. Американским биохимиком Дж.Самнером. Этим ферментом была уреаза, которая катализирует расщепление мочевины. К настоящему времени известно более 2 тыс. ферментов, и их количество продолжает расти.

Свойства ферментов.

Ферменты могут действовать только при температуре, не превышающей пятидесяти четырех градусов. Но и слишком низкие температуры тоже не способствуют их активности. Ведь «работают» ферменты в человеческом теле и оптимальна для них именно температура тела. Губителен для ферментов солнечный свет и кислород. Метаболизм жиров, белков, минералов и углеводов проходит только в присутствии ферментов. Ферменты обладают специфичностью. Специфичность ферментов состоит в том, что каждый из них действует только на одну реакцию.

Слайд 12

Фермент обладает способностью различать среди множества молекул именно те, которые должны вступать в реакцию, — эти молекулы называют субстратом. В контакт с субстратом вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента (3-5 аминокислотных остатков). Эта часть — активный центр фермента.

Взаимодействие субстрата с ферментом впервые изучил немецкий ученый Эмиль Фишер. Он высказал гипотезу (1880), согласно которой субстрат подходит активному центру фермента как «ключ к замку».

Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от «замка» фермента и поступают в окружающую среду, после этого освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

Слайд13

Все ферменты разделяются на три основных группы: амилаза, липаза и протеаза.

Фермент амилаза необходим для переработки углеводов. В переводе с древнегреческого языка название фермента переводится как «крахмал». Под воздействием амилазы углеводы разрушаются и легко всасываются в кровь. Амилаза присутствует как в слюне, так и в кишечнике. Амилаза тоже бывает разной. Для каждого вида сахаров существует собственный вид этого фермента.

Липаза – это ферменты, которые присутствуют в желудочном соке и вырабатываются поджелудочной железой. Липаза необходима для усвоения организмом жиров.

Протеаза – это группа ферментов, которые присутствуют в желудочном соке и тоже вырабатываются поджелудочной железой. Кроме этого, протеаза присутствует и в кишечнике. Протеаза необходима для расщепления белков.

Существуют такие ферменты, которые запускают процессы обмена веществ внутри клеток. Практически нет в организме такой системы, которая не вырабатывала бы свои ферменты. Существуют и продукты питания, в которых есть собственные ферменты. Это авокадо, ананасы, папайя, манго, бананы и различные пророщенные зерна.

В организме вырабатываются и так называемые протеолитические ферменты, которые не только участвуют в пищеварении, но еще и снимают воспалительные процессы. К таким ферментам относят панкреатин, пепсин, ренин, трипсин и химотрипсин.

Наиболее распространенным в лекарственной форме является фермент панкреатин. Его применяют в случае нехватки ферментов в организме, для облегчения переваривания пищи, при аллергиях на еду, различных тяжелых нарушениях иммунитета, а также других сложных внутренних болезнях.

Слайд14

Если Вы страдаете ферментной недостаточностью, то предпочтительнее использовать такие лекарства, которые содержат сразу несколько ферментов. Но есть препараты, содержащие только один какой-либо фермент. Обычно ферментные препараты нужно употреблять во время еды, но иногда эффективнее прием после еды. Лекарственные средства, которые содержат ферменты, следует держать в холодильнике.
Названия ферментов производят от названий субстратов, на которые они действуют, по схеме: тип катализируемой данным ферментом реакции + название одного из продуктов реакции (или одного из ее участников) с прибавлением окончания -аза. Окончание -аза служит для обозначения ферментной природы.

Слайд 15, 16

Доклад ученика «Перекись водорода»  Приложение 5

4.Закрепление изученного материала

Лабораторная работа

«Расщепление перекиси водорода ферментом каталазой и неорганическим катализатором»

Выполнить практическую часть.

  • Налейте в три пробирки по 2-4 мл Н2О2
  • В первую пробирку добавьте кусочек сырого картофеля
  • Во вторую пробирку кусочек вареного картофеля
  • В третью пробирку двуокиси марганца (пиролюзит, MnO2) (на кончике шпателя)
  • Напишите реакцию разложения перекиси водорода.

Слайд 17,18

5. Вопросы для закрепления

  1. Чем обусловлено расщепление пероксид водорода в пробирках с кусочками сырого картофеля и при действии на пероксид водорода пиролюзита?
  2. Какие уровни организации молекулы белка-фермента каталазы разрушаются при варке картофеля в нашем опыте и разрыв каких молекулярных связей привел к денатурации этого белка?
  3. Почему расщепление пероксида водорода в пробирках с кусочками вареного картофеля не наблюдалось?

6. Домашнее задание: заполнить таблицу по сравнительной характеристике неорганических и органических катализаторов. Приложение 6

Слайд 19,20

Заключение

1. Развитие общебиологических понятий, к числу которых можно отнести понятие «фермент», является теоретической основой обучения как биологии, так и химии.

2. Развитие понятия о ферментах способствует формированию у учащихся знаний, которые необходимы для расширения общего научного кругозора.

3. В связи с важностью формирования понятия «фермент», «катализатор», а так же из-за недостатка времени, рекомендуется проведение интегративного подхода к изучению химии и биологии.

4. Интеграция, позволяет объединить в целое разрозненные части, соединить в одном учебном материале обобщенных знаний в той или иной области. Так как форма проведения интегрированных уроков нестандартна, уроки развивают потенциал самих учащихся, побуждают к активному познанию окружающей действительности, к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей, к развитию логики, мышления, коммуникативных способностей. В большей степени, чем обычные, они способствуют развитию речи, формированию умения сравнивать, обобщать, делать выводы. Основной акцент в интегрированном уроке приходится не столько на усвоение знаний о взаимосвязи явлений и предметов, сколько на развитие образного мышления. Интегрированные уроки также предполагают обязательное развитие творческой активности учащихся. Это позволяет использовать содержание всех учебных предметов, привлекать сведения из различных областей науки, культуры, искусства, обращаясь к явлениям и событиям окружающей жизни.

Список использованной литературы.

Учебная и научная литература.

  1. Биология. Введение в общую биологию иэкологию.9 кл.:учеб.для общеобразоват.учреждений /А.А.Каменский, Е.А.Криксунов, В.В.Пасечник.-11-е изд., стереотип.- М.:Дрофа, 2010. -303 с.: ил.
  2. Химия. 11 класс: учеб.для общеобразоват.учреждений/ О.С.Габриелян, Г.Г.Лысова.-5-е изд., стереотип. — М.:Дрофа, 2005. -362с.: ил.
  3. Рассказы о химии и веществах/Ю.Н.Кукушкин. — СПБ.: изд. «Синтез», 1995. 160с.
  4. У химии свои законы/К.Манолов, Д.Лазаров, И.Лилов-изд.2-е, стереотип.-Л., «Химия», 1977,-376.:ил.
  5. Учебно-методическая газета для учителей химии и естествознания.- Издательский дом «Первое сентября». 2009 №4

Материалы локальной сети Интернет.

  1. Официальный сайт WWW.ХИМИК.RU канд. техн. наук А.Г. Пестов.2008г.
  2. Портал фундаментального химического образования в Росси www.chem.msu.ru — Ю.Б. Филиппович, А.С. Коничев. 2009г.
  3. Сайт химического факультета МГУ ttp://www.chem.msu.su/rus/journals/chemlife/welcome.html В.П. Комов, В.Н. Шведова. 2009г.
  4. Мультимедийный учебник «1С: Репетитор. Химия» http://repetitor.1c.ru/online/disp.asp?10;3
  5. Портал научно-популярной химической информации www.alhimik.ru; — Г.Е. Яковлева. Ферменты в клинической биохимии. 2009г.

Катализаторы на основе оксида алюминия. Рынок катализаторов в России

Оксид алюминия является носителем для катализаторов различных промышленного процессов, таких, как гидрирование в получении капролактама, анилина, спиртов, жиров. При гидрировании применяются Ni и W катализаторы на оксиде алюминия, а также серебро на алюмосиликате и металлы Pt-группы.

Металлическое железо, промотированное окислами алюминия, кальция, калия и других веществ используется в синтезе аммиака.

Платиновые и платино-рениевые катализаторы на основе оксида алюминия применяются в производстве мономеров для синтетического каучука.

I.G. Farbenindustrie является разработчиком технологии окислительного хлорирования бензола реакцией с хлористым водородом и кислородом при нагревании. Стадию окислительного хлорирования бензола хлористым водородом проводят при температуре 250−270 °С в присутствии катализатора CuCl2/FeCl3, нанесенного на оксид алюминия.

Mitsubishi Gas Chemical Company Inc. является крупнейшим мировым производителем 1,3-бис (аминометил)циклогексана. Реакцию проводят при 105 °C и в присутствии катализатора — оксида алюминия, на который нанесено 2% рутения.

Японские ученые из Institute for Materials and Chemical Processes и National Institute of Advanced Science and Technology разработали одностадийный процесс синтеза фенола из бензола. Смесь бензола, кислорода и водорода пропускали над катализатором, состоящим из палладия, нанесенного на альфа-оксид алюминия, при температуре 250 °C.

ОАО «Дорогобуж» (производитель минеральных удобрений и продуктов неорганической химии) использует активированную окись алюминия в реакторе каталитической очистки в цехе слабой азотной кислоты.

ОАО «Газпром Нефтехим Салават» планировал использовать катализатор на основе окиси алюминия и окиси титана фирмы-изготовителя «Axens» на производстве элементарной серы.

Основными каталитическими процессами предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются:

Нобелевская премия по химии 2010 года присуждена создателям палладиевого катализатора — Российская газета

Лауреатами престижной премии Нобелевский комитет назвал американца Ричарда Хека и японцев Эй-Ити Нэгиси и Акира Судзуки.

— Сегодняшняя Нобелевская премия по химии присуждена совершенно заслуженно за выдающееся научное достижение, — сказал заместитель директора Института катализа Сибирского отделения РАН, доктор химических наук Валерий Бухтияров. — Не каждому удается открыть реакцию, которую потом называют его именем.

Имена лауреатов получили важнейшие реакции, в которых участвует палладиевый катализатор. Так, в честь Хека названа реакция соединения ненасыщенных галогенидов с алкенами в присутствии сильных оснований, а имя Судзуки присвоено реакции арил- и винилбороновых кислот с арил- или винилгалогенидами.

Надо отметить, что сегодня катализаторы — это опора экономик многих стран, скажем, в США и Европе каталитические технологии составляют до 40 процентов ВВП, так как они применяются в нефтехимии, нефтепереработке, химии и т.д. Но катализаторы, разработанные лауреатами, это особое направление науки, так называемая тонкая органическая химия. По сравнению с обычной «органикой» оно имеет большое преимущество, так как позволяет получать вещества с очень высоким выходом или, проще говоря, высоким кпд.

— Скажем, если вам надо создать какое-то новое очень сложное вещество для фармакологии или медицины, то, применяя обычные методы, для этого потребуется несколько стадий, каждая с выходом 90 процентов, — объясняет Валерий Бухтияров. — Если стадий, к примеру, пять, то общая эффективность составляет всего 45 процентов. А палладиевый катализатор делает то же самое, но всего за одну стадию, и тогда выход реакции достигает 90 процентов. Так вот разработанные лауреатами катализаторы и обеспечивают этот удивительный эффект. Они «собирают» разные молекулы в одну сложную с новыми качествами. Эти технологии называют «зеленой химией», так как резко сокращаются вредные отходы.

Американцу Ричарду Хеку 79 лет. Он — профессор Университета Делавэра. 75-летний японец Эй-Ити Нэгиси является профессором Университета Пердью в Индиане. Он рассказал, что не ожидал вручения премии, однако отметил, что некоторые люди предрекали, что именно он станет одним из лауреатов. Его соотечественник, 80-летний Акира Судзуки — профессор Университета Хоккайдо в Саппоро. Лауреаты разделят между собой денежную составляющую премии в более чем один миллион евро.

Надо отметить, что и на этот раз, как и в случае с медиками и физиками, эксперты авторитетного международного агентства Thomson Reuters «прокололись», прогнозируя имена лауреатов этого года. Обычно, предсказывая на основе цитирования научных работ, эксперты «угадывали» хотя бы одного лауреата. В этом году в области химии они ставили на Патрика Брауна, который открыл ДНК-микрочипы, Стефена Липпарда, разработавшего препарат для борьбы с раком яичников, иорданца Омара Яги, создавшего материал для хранения водорода, а также на британцев Эдвина Саузерна и Алека Джефриса, предложивших новый генетический тест на отцовство. Но все эти прогнозы не оправдались.

Единственным отечественным лауреатом Нобелевской премии по химии является Николай Николаевич Семенов, который получил ее в 1956 году за исследования механизма химических реакций.

Каталитические реакции в органическом синтезе

 Что интересует исследователя, занимающегося разработкой каталитических методов и протоколов? И почему вообще нужно их разрабатывать после того как, скажем, Судзуки и Мияура опубликовали свою основополагающую статью? 
Ответ достаточно прост: человек, а химик это человек, сомненья в этом нет – всегда делает только то, что приносит какой-то результат. Когда мы говорим о катализе в органическом синтезе, результат – это улучшение. Видимо, оригинальный метод из статьи основоположников далёк от идеала, и его можно улучшить, и тогда этим стоит заниматься. С точки зрения органического синтеза, улучшить – значит повысить выходы, сделать метод более удобным и робастным. Это словечко из матстатистики очень удобно означает малую чувствительность ко всяким косякам и ошибкам – хороший метод должен быть снисходителен к недостатку опыта экспериментатора и не сходить с рельсов просто от того, что его выполняет не Боб Вудвард и не Самуил Данишефски, и не другие легендарные синтетики недавнего и более далёкого прошлого. Более селективным. Ну и в современном контексте придётся еще попробовать пройти экспертизу Греты Тундберг – постараться убедить, что выполнение синтеза по данной методике не приведёт к увеличению пластмассового острова в океане и не приблизит разогревание планеты на 5 градусов. В наше время это называется “зелёной химией” и считается почти обязательным.

А что это значит с точки зрения катализа? В принципе то же самое, только в специфических терминах каталитических процессов. Мы не будем рассматривать тонкости кинетики каталитических реакций и тому подобные сложности, которые при желании можно изучить в специальных курсах. Нас будут интересовать простые и очень доступные характеристики каталитических процессов, которые можно даже не измерять специально, а просто прикинуть из данных в методике – длительности реакции, количеств реагентов и катализатора, выхода продуктов. Эти характеристики, если их применять с пониманием того, что они собственно говорят, дают неплохое представление о сравнительных возможностях разных методов. И они же очень часто используются для попыток манипуляции – неразборчивый читатель “клюёт” на красивые цифры и получает совершенно неадекватное представление о том, что собственно сделано в очередной работе с громким заголовком. В современной химии, увы, броские заголовки в научных журналах стали столь же наглы и обманчивы, как в таблоидах о жизни третьесортных звёзд. Если не научиться в этом разбираться, можно решить, что все проблемы человечества уже решены и перерешены, от отчаяния бросить химию и податься в биндюжники. Не нужно бросать химию от отчаяния – в химии ещё полно нерешённых задач, их ненамного меньше, а точнее гораздо больше, чем десять, пятьдесят, сто лет назад. 

Катализаторы и энергия активации | ChemTalk

Что такое катализатор?

Поговорим о том, что такое катализатор. Катализатор представляет собой соединение или элемент, который увеличивает скорость химической реакции, например. скорость, с которой это происходит, не будучи частью реакции. Вообще говоря, катализатор не разрушается и не изменяется в ходе реакции. Катализатор делает это за счет снижения энергии активации , что мы объясним в следующем разделе

Что такое энергия активации?

Проще говоря, энергия активации определяется как энергия, необходимая для начала реакции между двумя или более элементами или соединениями.Реакция с высокой энергией активации может протекать медленно или вообще не идти. Чтобы ускорить или начать реакцию, вы можете либо добавить необходимую энергию активации, либо использовать катализатор, который снижает это требование, эффективно ускоряя реакцию.

Единицы энергии активации выражены в единицах энергии. Наиболее распространенными единицами измерения являются кДж/моль или Дж/моль.

Как работает катализатор?

Катализатор увеличивает скорость реакции за счет снижения энергии активации.Пониженная энергия активации означает, что для начала реакции требуется меньше энергии.

На приведенном ниже графике показана энергия реакции как с катализатором, так и без него. По оси x отложена координата реакции или развитие реакции от реагента (слева) к продукту (справа). Ось Y — это энергия.

При наличии катализатора энергия активации (E a ) меньше. Визуально, холм, на который должна подняться реакция, прежде чем спуститься вниз к продуктам, меньше.Точно так же, как ехать на велосипеде по небольшому подъему легче, чем по большому, реакция протекает быстрее, когда холм с энергией активации меньше.

Катализатор снижает энергию активации, изменяя переходное состояние реакции. Затем реакция идет по другому пути/механизму, чем некатализируемая реакция. Катализатор не изменяет чистую разницу энергии между реагентом и продуктом. Итоговое уравнение реакции будет одинаковым для катализируемой и некатализируемой реакции, даже если изменится переходное состояние.

Общая реакция: A + B + катализатор -> AB + катализатор

Суммарная реакция: A + B -> AB

Основные категории катализатора

Гетерогенный катализатор реагенты. Обычно это означает, что катализатор находится в твердой фазе, а реагенты находятся в жидкой или газовой фазе. Другое название гетерогенного катализатора — поверхностный катализатор.

Гетерогенные катализаторы работают путем прикрепления катализатора к твердой несущей структуре, и реагенты протекают над катализатором и мимо него, реагируя по пути.Преимущество этого типа катализатора заключается в том, что катализатор легко отделяется от продукта после завершения реакции. После этого катализатор можно легко использовать повторно. В производстве это важная мера снижения затрат. Недостатком гетерогенного катализатора является то, что степень взаимодействия между реагентом и катализатором может быть ограничена площадью поверхности и диффузией продукта от поверхности.

Распространенным гетерогенным катализатором является каталитический нейтрализатор бензина в автомобилях.Другим важным гетерогенным катализатором является процесс Габера-Боша, в результате которого образуется NH 3 .

Гомогенный катализатор

В гомогенном катализаторе и реагенты, и катализатор находятся в одной фазе. Обычно они оба находятся либо в жидкой, либо в газовой фазе.

Основным преимуществом гомогенного катализатора является усиление взаимодействия между реагентом и катализатором. Оба могут свободно двигаться и, следовательно, с большей вероятностью будут взаимодействовать и приводить к реакции.

Обычными гомогенными катализаторами являются переходные металлы и кислоты.Одной из гомогенных катализируемых реакций является превращение кислорода в озон в атмосфере. Оксид азота (NO) катализирует реакцию. Все участники реакции находятся в газовой фазе. Следовательно, мы знаем, что это гомогенная каталитическая реакция.

Ферменты

Ферменты — это большие белки, которые являются биологическими катализаторами. Они являются мощными силами в теле. Часто они катализируют только одну очень специфическую реакцию (по сравнению с неорганическими катализаторами, которые часто катализируют гораздо более широкий набор реакций).Специфичность обусловлена ​​​​активным центром в катализаторе — карманом определенного химического состава, образованным аминокислотами, куда подходит только одна очень конкретная модель реагента. Это также называется моделью замка и ключа.

Ферменты играют важную роль в организме. Они катализируют расщепление крахмала с образованием глюкозы. Они также преобразуют углекислый газ (CO 2 ) в другие молекулы, необходимые организму, такие как HCO 3 . Ферменты помогают и ускоряют почти все процессы в организме.

Расчет энергии активации

Для расчета энергии активации используется уравнение Аррениуса. Здесь будут рассмотрены основы, но для получения дополнительных примеров и более глубокого анализа обязательно ознакомьтесь со статьей об уравнении Аррениуса.

Уравнение Аррениуса:

Где – константа скорости, – энергия активации, – коэффициент частоты, – газовая постоянная, – температура.

Энергию активации можно найти, если известна константа скорости () при различных температурах ().Чтобы определить энергию активации (), мы строим график зависимости от . Таким образом, мы получаем линию с наклоном –/ и точкой пересечения с осью y. является константой, поэтому мы можем найти энергию активации.

Например, задачи на формулу энергии активации см. на странице уравнения Аррениуса!

Список распространенных катализаторов:

  • Пентоксид ванадия (для получения серной кислоты)
  • Металлический палладий
  • Диоксид марганца
  • Металлическая платина (в каталитических конвертерах)
  • Металлический алюминий (в процессе Габера)
  • органические реакции)
  • Оксид меди (II)
  • Ферменты (природные катализаторы в биохимических реакциях)

Словарь определений катализаторов и энергии активации

  • Энергия активации – энергия, необходимая для начала реакции между двумя или более элементами или соединения
  • Катализатор – Молекула, увеличивающая скорость реакции и не расходуемая в реакции
  • Число оборотов – количество реакций, которые один фермент может катализировать в секунду
  • Фермент – биологический катализатор из амино кислоты.
  • Модель «замок и ключ» — Модель, в которой фермент и молекула реагента имеют одинаковую форму в активном центре для повышения специфичности и эффективности реакции.
  • Гомогенный катализатор – Катализатор, присутствующий в той же фазе, что и реагенты.
  • Гетерогенный катализатор- Катализатор в другой фазе, чем реагенты.

Надеемся, теперь вы знаете, что такое катализатор, как он влияет на реакцию и как в игру вступает энергия активации.Эти концепции станут более важными, если вы углубитесь в кинетику химических реакций. Спасибо, что посетили ChemTalk!

Ферменты и катализаторы — Химия AP

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже.Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылка на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
Сент-Луис, Миссури 63105

Или заполните форму ниже:

 

Катализ

14.8 Катализ

Цель обучения

  1. Чтобы понять, как катализаторы увеличивают скорость реакции и селективность химических реакций.

В главе 3 «Химические реакции» описаны катализаторыВещество, которое участвует в реакции и ускоряет ее протекание, но которое может быть восстановлено без изменений в конце реакции и использовано повторно. Катализаторы также могут контролировать, какие продукты образуются в реакции. как вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе. Катализатор поэтому не фигурирует в общей стехиометрии катализируемой им реакции, но он должен фигурировать хотя бы в одной из элементарных реакций механизма катализируемой реакции.Катализируемый путь имеет более низкое E a , но чистое изменение энергии в результате реакции (разница между энергией реагентов и энергией продуктов) , а не зависит от присутствия катализатора (рис. 14.26 «Снижение энергии активации реакции катализатором»). Тем не менее, из-за более низкой E a скорость катализируемой реакции выше, чем скорость некаталитической реакции при той же температуре.Поскольку катализатор уменьшает высоту энергетического барьера, его присутствие увеличивает скорость реакции как прямой , так и обратной реакции на одинаковую величину. В этом разделе мы рассмотрим три основных класса катализаторов: гетерогенные катализаторы, гомогенные катализаторы и ферменты .

Обратите внимание на шаблон

Катализатор влияет на E a , а не на Δ E .

Рисунок 14.26 Снижение энергии активации реакции катализатором

На этом графике сравниваются диаграммы потенциальной энергии для одностадийной реакции в присутствии и в отсутствие катализатора. Единственный эффект катализатора заключается в снижении энергии активации реакции. Катализатор не влияет на энергию реагентов или продуктов (и, следовательно, не влияет на Δ E ).

Гетерогенный катализ

В гетерогенном катализе Каталитическая реакция, в которой катализатор находится в фазе, отличной от реагентов., катализатор находится в другой фазе, чем реагенты. По крайней мере, один из реагентов взаимодействует с твердой поверхностью в физическом процессе, называемом адсорбцией , таким образом, что химическая связь в реагенте становится слабой, а затем разрывается. Яды — это вещества, которые необратимо связываются с катализаторами, предотвращая адсорбцию реагентов и тем самым снижая или разрушая эффективность катализатора.

Примером гетерогенного катализа является взаимодействие газообразного водорода с поверхностью металла, такого как Ni, Pd или Pt.Как показано в части (а) на рис. 14.27 «Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе», связи водород-водород разрываются и образуются отдельные адсорбированные атомы водорода на поверхности металла. Поскольку адсорбированные атомы могут перемещаться по поверхности, два атома водорода могут столкнуться и образовать молекулу газообразного водорода, которая затем может покинуть поверхность в обратном процессе, называемом десорбцией . Адсорбированные атомы H на поверхности металла значительно более реакционноспособны, чем молекула водорода.Поскольку относительно прочная связь Н–Н (энергия диссоциации = 432 кДж/моль) уже разорвана, энергетический барьер для большинства реакций Н 2 существенно ниже на поверхности катализатора.

Рисунок 14.27 Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе

Когда молекула водорода адсорбируется на поверхности катализатора, связь Н–Н разрывается и образуются новые связи М–Н. Отдельные атомы H более реакционноспособны, чем газообразные H 2 .Когда молекула этилена взаимодействует с поверхностью катализатора, она взаимодействует с атомами водорода в ступенчатом процессе с образованием этана, который высвобождается.

На рис. 14.27 «Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе» показан процесс, называемый гидрированием , в котором атомы водорода присоединяются к двойной связи алкена, такого как этилен, с получением продукта, содержащего одинарные связи С–С, в данном случае этан. Гидрогенизация используется в пищевой промышленности для превращения растительных масел, состоящих из длинных цепочек алкенов, в более коммерчески ценные твердые производные, содержащие алкильные цепи.Гидрогенизация некоторых двойных связей в полиненасыщенных растительных маслах, например, дает маргарин, продукт с температурой плавления, текстурой и другими физическими свойствами, подобными свойствам сливочного масла.

Несколько важных примеров промышленных гетерогенных каталитических реакций приведены в таблице 14.8 «Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гетерогенные катализаторы». Хотя механизмы этих реакций значительно сложнее, чем описанная здесь простая реакция гидрирования, все они включают адсорбцию реагентов на твердой каталитической поверхности, химическую реакцию адсорбированных частиц (иногда через ряд промежуточных частиц) и, наконец, десорбцию. продуктов с поверхности.

Таблица 14.8 Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гетерогенные катализаторы

Коммерческий процесс Катализатор Начальная реакция Конечный коммерческий продукт
процесс контакта В 2 О 5 или Pt 2SO 2 + O 2 → 2SO 3 H 2 SO 4
Процесс Габера Fe, K 2 O, Al 2 O 3 N 2 + 3H 2 → 2NH 3 НХ 3
Процесс Оствальда Pt и Rh 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O HNO 3
реакция конверсии вода-газ Fe, Cr 2 O 3 или Cu CO + H 2 O → CO 2 + H 2 H 2 для NH 3 , CH 3 OH и других видов топлива
паровой риформинг Ni CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 Н 2
синтез метанола ZnO и Cr 2 O 3 CO + 2H 2 → CH 3 OH CH 3 OH
Процесс Сохио фосфомолибдат висмута Ch3=CHCh4+Nh4+32O2→Ch3=CHCN+3h3O Ch3=CHCНакрилонитрил
каталитическое гидрирование Ni, Pd или Pt RCH=CHR’ + H 2 → RCH 2 -CH 2 R’ частично гидрогенизированные масла для маргарина и т. д.

Гомогенный катализ

В гомогенном катализе Каталитическая реакция, при которой катализатор равномерно распределяется по смеси реагентов с образованием раствора., катализатор находится в той же фазе, что и реагент(ы). Количество столкновений между реагентами и катализатором максимально, потому что катализатор равномерно распределен по всей реакционной смеси. Многие гомогенные катализаторы в промышленности представляют собой соединения переходных металлов (таблица 14.9 «Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гомогенные катализаторы»), но извлечение этих дорогостоящих катализаторов из раствора было серьезной проблемой. В качестве дополнительного препятствия для их широкого коммерческого использования многие гомогенные катализаторы можно использовать только при относительно низких температурах, и даже в этом случае они имеют тенденцию к медленному разложению в растворе.Несмотря на эти проблемы, в последние годы был разработан ряд коммерчески жизнеспособных процессов. Полиэтилен высокой плотности и полипропилен получают методом гомогенного катализа.

Таблица 14.9 Некоторые коммерчески важные реакции, в которых используются гомогенные катализаторы

Коммерческий процесс Катализатор Реагенты Конечный продукт
Юнион карбид [Rh(CO) 2 I 2 ] CO + CH 3 OH CH 3 CO 2 H
гидропероксидный процесс Комплексы Mo(VI) CH 3 CH=CH 2 + R–O–O–H

 

гидроформилирование Rh/PR 3 комплексы RCH=CH 2 + CO + H 2 RCH 2 CH 2 CH
адипонитриловый процесс Ni/PR 3 комплексы 2HCN + CH 2 =CHCH=CH 2 NCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CN используется для синтеза нейлона
полимеризация олефинов (RC 5 H 5 ) 2 ZrCl 2 CH 2 = CH 2 –(CH 2 CH 2 –) n : полиэтилен высокой плотности

Ферменты

Ферменты , катализаторы, встречающиеся в естественных условиях в живых организмах, представляют собой почти все белковые молекулы с типичной молекулярной массой 20 000–100 000 а.е.м.Некоторые из них представляют собой гомогенные катализаторы, которые реагируют в водном растворе внутри клеточного компартмента организма. Другие представляют собой гетерогенные катализаторы, встроенные в мембраны, которые отделяют клетки и клеточные компартменты от их окружения. Реагент в реакции, катализируемой ферментом, называется субстратомРеагент в реакции, катализируемой ферментом..

Поскольку ферменты могут повышать скорость реакции в колоссальное количество раз (до 10 17 раз по сравнению с некатализируемой скоростью) и имеют тенденцию быть очень специфичными, обычно производя только один продукт с количественным выходом, они находятся в центре активных исследований.В то же время ферменты обычно дороги в получении, часто перестают функционировать при температуре выше 37°С, имеют ограниченную стабильность в растворе и настолько высокую специфичность, что ограничиваются превращением одного конкретного набора реагентов в один конкретный продукт. . Это означает, что для химически сходных реакций должны быть разработаны отдельные процессы с использованием разных ферментов, что требует много времени и средств. До настоящего времени ферменты нашли лишь ограниченное промышленное применение, хотя они используются в качестве ингредиентов в моющих средствах для стирки, чистящих средствах для контактных линз и размягчителях мяса.Ферменты в этих приложениях, как правило, представляют собой протеазы , которые способны расщеплять амидные связи, удерживающие аминокислоты вместе в белках. Размягчители мяса, например, содержат протеазу, называемую папаином, которую выделяют из сока папайи. Он расщепляет некоторые из длинных волокнистых белковых молекул, которые делают недорогие куски говядины жесткими, в результате чего получается более нежный кусок мяса. Некоторые насекомые, такие как жук-бомбардье, несут фермент, способный катализировать разложение перекиси водорода до воды (рис. 14.28 «Каталитический защитный механизм»).

Ингибиторы ферментов Вещества, которые снижают скорость реакции, катализируемой ферментом, путем связывания с определенной частью фермента, тем самым замедляя или предотвращая протекание реакции. вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментом, путем связывания с определенной частью фермента и, таким образом, замедления или предотвращения протекания реакции. Таким образом, необратимые ингибиторы являются эквивалентом ядов в гетерогенном катализе.Одним из старейших и наиболее широко используемых коммерческих ингибиторов ферментов является аспирин, который избирательно ингибирует один из ферментов, участвующих в синтезе молекул, вызывающих воспаление. Дизайн и синтез родственных молекул, которые являются более эффективными, селективными и менее токсичными, чем аспирин, являются важными задачами биомедицинских исследований.

Рисунок 14.28 Каталитический защитный механизм

Обжигающие зловонные брызги, испускаемые этим жуком-бомбардиром, образуются в результате каталитического разложения H 2 O 2 .

Резюме

Катализаторы участвуют в химической реакции и увеличивают ее скорость. Они не входят в итоговое уравнение реакции и не расходуются в ходе реакции. Катализаторы позволяют реакции протекать по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем некатализируемая реакция. В гетерогенном катализе катализаторы обеспечивают поверхность, с которой реагенты связываются в процессе адсорбции. В гомогенном катализе катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты. Ферменты — это биологические катализаторы, которые вызывают значительное увеличение скорости реакции и имеют тенденцию быть специфичными для определенных реагентов и продуктов. Реагент в катализируемой ферментом реакции называется субстратом . Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментом.

Ключ на вынос

  • Катализаторы позволяют реакции протекать по пути с более низкой энергией активации.

Концептуальные проблемы

  1. Какое влияние оказывает катализатор на энергию активации реакции? Как это влияет на коэффициент частоты ( A )? Как это влияет на изменение потенциальной энергии реакции?

  2. Как можно повлиять на распределение продуктов реакции с помощью катализатора?

  3. Гетерогенный катализатор работает путем взаимодействия с реагентом в процессе, называемом адсорбцией .Что происходит во время этого процесса? Объясните, как это может снизить энергию активации.

  4. Какое влияние на реакцию оказывает увеличение площади поверхности гетерогенного катализатора? Влияет ли увеличение площади поверхности на энергию активации? Поясните свой ответ.

  5. Определите различия между гетерогенным катализатором и гомогенным катализатором с точки зрения следующего.

    1. простота восстановления
    2. частота столкновений
    3. температурная чувствительность
    4. стоимость
  6. Область интенсивных химических исследований включает разработку гомогенных катализаторов, хотя гомогенные катализаторы обычно имеют ряд эксплуатационных трудностей.Предложите одну или две причины, по которым гомогенный катализатор может быть предпочтительнее.

  7. Рассмотрим следующую реакцию между ионами церия(IV) и таллия(I):

    2Ce 4+ + Tl + → 2Ce 3+ + Tl 3+

    Эта реакция идет медленно, но Mn 2+ катализирует ее, как показано в следующем механизме:

    Ce 4+ + Mn 2+ → Ce 3+ + Mn 3+ Ce 4+ + Mn 3+ → Ce 3+ + Mn 4+ Mn 4+ + Tl + → Tl 3+ + Mn 2+

    Каким образом Mn 2+ увеличивает скорость реакции?

  8. В тексте указано несколько факторов, ограничивающих промышленное применение ферментов.Тем не менее, существует большой интерес к пониманию того, как ферменты работают для разработки катализаторов для промышленного применения. Почему?

  9. Большинство ферментов имеют оптимальный диапазон pH; однако следует соблюдать осторожность при определении влияния рН на активность ферментов. Снижение активности может быть связано с влиянием изменения pH на группы в каталитическом центре или с влиянием на группы, расположенные в другом месте фермента.Оба примера наблюдаются в химотрипсине, пищеварительном ферменте, представляющем собой протеазу, гидролизующую полипептидные цепи. Объясните, как изменение рН может повлиять на каталитическую активность из-за (а) эффектов в каталитическом центре и (б) эффектов в других частях фермента. ( Подсказка : помните, что ферменты состоят из функциональных аминокислот.)

Ответы

  1. Катализатор снижает энергию активации реакции.Некоторые катализаторы также могут ориентировать реагенты и тем самым увеличивать коэффициент частоты. Катализаторы не влияют на изменение потенциальной энергии реакции.

  2. При адсорбции реагент прочно связывается с поверхностью. Поскольку межмолекулярные взаимодействия между поверхностью и реагентом ослабляют или разрывают связи в реагенте, его реакционная способность увеличивается, а энергия активации реакции часто снижается.

    1. Гетерогенные катализаторы легче восстанавливать.
    2. Частота столкновений выше для гомогенных катализаторов.
    3. Гомогенные катализаторы часто более чувствительны к температуре.
    4. Гомогенные катализаторы часто дороже.
  3. Ион Mn 2+ отдает два электрона Ce 4+ по одному, а затем принимает два электрона от Tl + . Поскольку Mn может существовать в трех степенях окисления, разделенных одним электроном, он может сочетать одноэлектронные и двухэлектронные реакции переноса.

Численные задачи

  1. В какой-то момент во время ферментативной реакции концентрация активированного комплекса, называемого комплексом фермент-субстрат (ES), и других промежуточных продуктов, участвующих в реакции, почти постоянна.Когда задействован один субстрат, реакция может быть представлена ​​следующей последовательностью уравнений:

    фермент (E) + субстрат (S)⇌ферментно-субстратный комплекс (ES)⇌фермент (E) + продукт (P)

    Это также может быть показано следующим образом:

    E + S⇌k−1k1ES⇌k−2k2E+P

    Используя молярные концентрации и константы скорости, напишите выражение для скорости исчезновения фермент-субстратного комплекса.Как правило, концентрации ферментов малы, а концентрации субстратов высоки. Если бы вы определяли закон скорости, изменяя концентрации субстрата в этих условиях, каков был бы ваш очевидный порядок реакции?

  2. Было обнаружено, что конкретная реакция протекает по следующему механизму:

    А + В → С + D 2С → Е Э + А → 3В + Ф

    Какова общая реакция? Является ли эта реакция каталитической, и если да, то какие вещества являются катализатором? Определите промежуточные продукты.

  3. Конкретная реакция имеет два доступных пути (A и B), каждый из которых способствует превращению X в другой продукт ( Y и Z соответственно). В некаталитических условиях предпочтение отдается пути А, но в присутствии катализатора предпочтение отдается пути В. Путь B является обратимым, а путь A — нет. Какой продукт предпочтительнее в присутствии катализатора? без катализатора? Нарисуйте схему, иллюстрирующую, что происходит с катализатором и без него.

  4. Кинетику реакции, катализируемой ферментом, можно проанализировать, построив график зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Этот тип анализа называется лечением Михаэлиса-Ментен. При низких концентрациях субстрата график показывает поведение, характерное для кинетики первого порядка, но при очень высоких концентрациях субстрата поведение показывает кинетику нулевого порядка.Объясните это явление.

Ответы

  1. Δ[ES]Δt=-(k2+k-1)[ES]+k1[E][S]+k-2[E][P]≈0; нулевой порядок по подложке.

  2. В обоих случаях предпочтение отдается продукту пути А.Все Z , произведенные в катализируемом обратимом пути B, в конечном итоге будут преобразованы в X , поскольку X необратимо преобразуется в Y путем A.

    Z⇌BX→AY

Биологическая энергия

Катализаторы и ускоряющие реакции

Прежде чем начнется химическая реакция, реагирующие молекулы должны столкнуться друг с другом с достаточной силой, чтобы разорвать их первоначальные связи, войти в состояние перехода с более высокой энергией, а затем сформировать новые связи молекул-продуктов.Если они просто столкнутся друг с другом, они просто отскочат, и ничего не произойдет. Никакой химической реакции не произойдет.

Даже в случае химических реакций, подчиняющихся второму закону термодинамики, таких как реакция между газообразным водородом и газообразным кислородом с образованием воды, реагенты просто сталкиваются друг с другом, и никакой наблюдаемой химической реакции не происходит. Это очень неприятно, если вы человек-химик, ожидающий образования продукта в пробирке, или дрожжевая клетка, ожидающая, пока сахар в виноградном соке распадется.Естественно, оба организма хотели бы найти способы ускорить химические реакции, чтобы за разумный период времени образовалось разумное количество продукта.

Есть четыре способа ускорить химическую реакцию.

  1. Реагирующим молекулам можно добавить дополнительную энергию, чтобы увеличить их кинетическую энергию, они двигались быстрее, сталкивались с большей силой и, таким образом, производили требуемые продукты. Нагрев реакционной смеси является обычным и удобным способом.

  2. Больше молекул реагентов может быть приведено в более тесный контакт друг с другом. Чем больше и больше молекул, все ближе и ближе друг к другу, тем больше шансов на продуктивное столкновение. Увеличение концентрации реагентов увеличивает количество столкновений и увеличивает количество реакций. Образуется больше продукта.

  3. Те молекулы продукта, которые образуются, можно удалить.Это предотвращает их повторное формирование исходных молекул (таким образом нарушая цель реакции). В сильно экзергонических реакциях это может не сильно помочь, но в умеренно экзэргонических реакциях уменьшение концентрации продуктов «подтянет» реакцию в направлении большего количества молекул продукта.

  4. Количество дополнительной энергии, энергии активации, необходимой для начала реакции, можно уменьшить. Если требуется меньше энергии активации, то у большего количества молекул реагентов будет достаточно энергии для совершения продуктивных столкновений, и скорость реакции увеличится. Катализатор — это агент, снижающий энергию активации реакции. Таким образом, в присутствии катализатора скорость реакции увеличивается.

Многие чистые металлы, такие как ртуть или платина, являются хорошими неорганическими катализаторами . Эти агенты обеспечивают большие поверхности, на которых молекулы реагентов поглощаются и ориентируются друг к другу. При правильном соотношении молекул реагентов требуется меньше энергии активации, чтобы сделать столкновение продуктивным, поэтому химическая реакция может протекать быстрее при более низких температурах.Катализаторы широко используются в производстве всего, от резины до маргарина, и большинство современных автомобилей имеют «каталитические нейтрализаторы» как часть своих выхлопных систем. Опасные химические вещества, образующиеся в двигателе автомобиля, проходят через платиновый катализатор, прежде чем попасть в воздух. На поверхности металла опасные химические вещества вступают в реакцию и становятся менее вредными.

Катализаторы снижают энергию активации химической реакции, увеличивают скорость (скорость) реакции без постоянного изменения самих себя.

Полученные данные расширяют понимание взаимосвязи между катализатором и промежуточной реакцией — ScienceDaily

Исследовательская группа Северо-Западного университета открыла новый подход к проведению химических реакций, не требующий прямого контакта с катализатором.

В типичных каталитических реакциях катализатор — вещество, которое увеличивает скорость химической реакции — и реагенты-субстраты должны присутствовать в одной и той же среде и находиться в прямом контакте друг с другом, чтобы вызвать реакцию.Новая система исследовательской группы демонстрирует химическую реакцию, происходящую через посредника, созданного отдельной химической реакцией. Выводы могут найти применение в восстановлении окружающей среды и производстве топлива.

«Улучшение нашего понимания отношений между катализатором и промежуточной реакцией может значительно расширить возможности каталитических реакций», — сказал Гарольд Кунг, профессор химической и биологической инженерии Уолтера П. Мерфи в Инженерной школе Маккормика, который руководил исследованием.«Узнав, что химическая реакция может протекать без прямого контакта с катализатором, мы открываем дверь для использования катализаторов из распространенных в земле элементов для проведения реакций, которые они обычно не катализируют».

Исследование под названием «Бесконтактный катализ: инициирование селективного окисления этилбензола путем эпоксидирования циклооктена с помощью кластера Au» было опубликовано 31 января в журнале Science Advances . Мейфейр Кунг, доцент кафедры химической и биологической инженерии, был соавтором статьи.Линда Бродбелт, профессор химической и биологической инженерии Сары Ребекки Роланд и заместитель декана по исследованиям, также внесла свой вклад в исследование.

Исследование основано на предыдущей работе, в которой группа исследовала селективное окисление циклооктена — типа углеводорода — с использованием золота (Au) в качестве катализатора. Исследование показало, что реакция катализируется растворенными нанокластерами золота. Удивленные, исследователи решили выяснить, насколько хорошо кластеры золота могут катализировать селективное окисление других углеводородов.

Используя разработанную ими платформу под названием «Система бесконтактного катализа» (NCCS), исследователи проверили эффективность золотого катализатора в отношении этилбензола, органического соединения, используемого в производстве многих пластмасс. Хотя этилбензол не подвергался какой-либо реакции в присутствии кластеров золота, команда обнаружила, что, когда кластеры золота реагируют с циклооктеном, полученная молекула является необходимым посредником для окисления этилбензола.

«Эти две реакции полностью независимы друг от друга», — сказал Кунг.«Мы увидели, что нанокластеры золота и циклооктен были неэффективны для окисления этилбензола сами по себе. Прямой контакт не вызывал протекания реакции. Таким образом, промежуточная реакция была необходима».

Демонстрируя, как обычно неэффективные катализаторы можно сделать эффективными в реакции через посредника, исследователи полагают, что можно разработать системы, использующие катализаторы, которые физически отделены от реакционной среды, что в противном случае нанесло бы вред катализатору.Этот новый подход может обеспечить эффективный обходной путь при восстановлении окружающей среды, например, при очистке загрязненной реки, когда некоторые компоненты в воде могут быть ядовитыми для катализатора.

«Можно использовать мембрану для отделения катализатора от среды, а затем использовать катализатор для создания посредника, который может проходить через мембрану и более безопасно разлагать загрязняющие вещества», — сказал Кунг.

Работа также открывает двери для большей свободы в промышленном химическом производстве.Возможность проведения связанных параллельных реакций без ограничений традиционной стехиометрии — строгих количественных соотношений между продуктами реакции — может сделать промышленные процессы совместного окисления углеводородов более универсальными, эффективными и экономичными. Эти процессы жизненно важны для производства бензина и преобразования природного газа в жидкое топливо и другие химические вещества.

Следующим шагом исследовательской группы является определение реакционной способности золота по отношению к другим углеводородам с различной силой связи.Они также надеются узнать, применимо ли подобное явление к другим металлам, таким как серебро или медь.

«Мы еще не совсем там, но как только мы поймем взаимосвязь между реакционной способностью золотых кластеров по отношению к углеводородам и силой связи, мы сможем прогнозировать и проектировать другие системы химических реакций», — сказал Кунг.

Работа выполнена при поддержке Управления фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США (номер гранта DOE DE-FG02-03-ER15457).

Что такое катализатор? — Chemistry Review (Video)

Привет! Добро пожаловать на это видео о катализаторах! Катализаторы бывают разных форм и размеров, но в конечном итоге все они выполняют одну и ту же функцию: ускоряют химические реакции. Итак, чтобы действительно понять, как работают катализаторы, нам нужно сделать краткий обзор кинетики. Затем мы поговорим о различных типах катализаторов и посмотрим, как они могут повлиять на скорость реакции. Давайте начнем!

Начнем с химических реакций.Есть две основные вещи, которые мы хотим знать о любой конкретной реакции. Во-первых, мы хотим знать степень реакции. Другими словами, мы хотим знать, когда закончится реакция и сколько продукта мы получим. Это подпадает под изучение термодинамики. Во-вторых, мы хотим знать, как быстро будет протекать реакция. Это относится к кинетике.

Реакции могут быть невероятно сложными, с множеством переходных состояний и промежуточных звеньев, но сейчас мы сосредоточимся на довольно простой теоретической реакции.

Обратите внимание, что для этой реакции наши реагенты имеют более высокую энергию, чем наши продукты. Это говорит нам о том, что реакция высвобождает энергию по пути, что означает, что изменение энтальпии отрицательно, а реакция является экзотермической. Это термодинамика реакции, которая напрямую влияет на равновесие, другими словами, на то, сколько реагента в конечном итоге превратится в продукт.

Теперь обратимся к кинетике реакции. По мере того как реагенты превращаются в продукты, энергия системы увеличивается, поскольку связи начинают растягиваться и разрываться, достигая пика в высокоэнергетическом переходном состоянии, прежде чем достичь своей новой низкоэнергетической конфигурации.Высота этого барьера представляет собой энергию активации и определяет скорость реакции k.

Чем больше барьер, тем медленнее реакция и наоборот.

Так какое место во всем этом занимают катализаторы? Ну, когда мы говорим об ускорении реакции, мы говорим об изменении энергии активации или создании альтернативного пути с меньшей энергией. Именно это и делают катализаторы!

В нашей простой координате реакции, если бы мы добавили катализатор, это либо снизило бы энергию переходного состояния, либо обеспечило бы альтернативный механизм реакции, который может быть более сложным, но все же имеет более низкую общую энергию активации.

Важно отметить, что катализаторы не изменяют энергию реагентов или продуктов, поэтому они не влияют на термодинамические характеристики реакции, такие как энтальпия или константа равновесия . То есть, когда вы добавляете катализатор, вы не получите больше продукта, вы просто получите этот продукт намного быстрее. Мы можем перефразировать это, чтобы включить понятие равновесия. Помните, что большинство реакций достигают равновесия с некоторым постоянным количеством продукта и реагента, где скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.Когда катализатор снижает энергию активации, он снижает ее как для прямой, так и для обратной реакции. Таким образом, ускоряя прямую реакцию, мы также ускоряем обратную реакцию, заставляя нас быстрее приходить в равновесие.

Обратите внимание: поскольку катализаторы не изменяют реагенты или продукты, они не участвуют в общей реакции, что означает, что они не изменяются химически или физически в процессе. Другими словами, они восстанавливаются после каждого использования и могут свободно двигаться дальше и помогать другому реагенту.Следовательно, катализаторы добавляются в нестехиометрических количествах, а это означает, что вам не нужен катализатор на каждый моль реагента. Это одна из тех вещей, где немного действительно имеет большое значение. И поскольку они не являются частью общей реакции, вы обычно видите катализаторы, перечисленные над стрелкой реакции в химических уравнениях.

Теперь, когда мы рассмотрели теорию работы катализаторов, давайте рассмотрим, как они выглядят и когда используются.

Как я упоминал ранее, катализаторы бывают всех форм и размеров.Например, синтетических катализаторов можно разделить на две категории: гетерогенные и гомогенные, причем термины относятся к их фазам. Гомогенные катализаторы существуют в той же фазе, что и реагенты. В органическом синтезе кислоты, основания и комплексы переходных металлов часто используются для катализа реакций в фазе раствора. Они особенно важны в промышленных процессах. Например, иридиевый катализатор используется в крупномасштабном производстве уксусной кислоты.Катализатор находится в растворе с реагентами и регенерируется после каждого цикла.

И наоборот, гетерогенные катализаторы существуют в отдельной фазе от реагентов. Эти катализаторы часто представляют собой твердые вещества, которые катализируют реагенты в газовой или жидкой фазе. Например, при массовом производстве аммиака из газообразного азота и водорода твердое железо и оксиды калия и алюминия катализируют очень медленную реакцию.

Этот механизм показывает, как поверхность железа обеспечивает место для стабилизации азота и водорода, когда они расщепляются на отдельные атомы.

Как видите, без катализаторов многие химические вещества, которые мы ежедневно используем в сельском хозяйстве, фармацевтике и дома, были бы недоступны!

Хорошо, прежде чем мы пойдем, давайте рассмотрим вопрос для быстрого обзора:

Правда или ложь: Катализаторы не изменяют энергию реагентов или продуктов.

Правильный ответ — Верно! Катализаторы могут либо понизить энергию переходного состояния, либо обеспечить альтернативный механизм реакции, но они не изменяют энергию реагентов или продуктов.

Надеюсь, отзыв был полезен! Спасибо за просмотр и удачной учебы!

Катализ — Citizendium

В химии и химическом машиностроении катализ представляет собой процесс, в котором используется внешнее вещество (катализатор ) для увеличения скорости химической реакции посредством непрерывного и повторяющегося цикла элементарных стадий до тех пор, пока последняя стадия не регенерирует катализатор в его исходном состоянии. оригинальная форма. Катализатор обычно присутствует в относительно небольших количествах и не расходуется в процессе. [1] В химической промышленности каталитические процессы имеют большое экономическое значение, причем нефтяная промышленность является крупнейшим потребителем.

В качестве катализаторов могут выступать многие вещества, в том числе: металлы (в частности, переходные металлы), химические соединения (например, оксиды металлов, сульфиды, нитриды), металлоорганические комплексы и ферменты. Хотя катализатор может быть газообразным, жидким или твердым, большинство катализаторов, используемых в промышленных химических реакциях, являются гетерогенными (см. ниже) и имеют форму пористых гранул.Поскольку не все части твердого катализатора участвуют в каталитическом цикле, те части, которые участвуют, называются активными центрами . Одна пористая таблетка может иметь 10 18 активных каталитических центров. [1]

В этой статье не обсуждается ферментативный или биохимический катализ (информацию об этих типах катализа см. в статьях о ферментах, биохимии и органокатализе).

(PD) Диаграмма: Милтон Бейчок
Рис. 1: Цикл катализа и его элементарные этапы.

Механизм катализа

На рис. 1 показаны этапы типичного цикла катализа. Как показано, молекулы реагентов A и B вступают в реакцию с образованием желаемого продукта P. Цикл катализа начинается с связывания молекул реагентов A и B с катализатором. На рисунке катализатор показан в виде небольшого кусочка твердого вещества (гетерогенный катализ), на котором адсорбированы А и В, но катализатором также может быть соединение С, растворенное в реагирующей смеси ( гомогенный катализ ).В этом случае A и B временно химически связаны с C. Затем A и B реагируют, будучи связанными с катализатором C, с образованием продукта P, который также связан с C. На последнем этапе катализатор C регенерируется побочным продуктом. P отделяется от него. Физическими или химическими методами разделения из смеси удаляют целевой продукт Р. Затем регенерированный катализатор С снова начинает цикл, связываясь с двумя новыми молекулами реагента. [2]

(PD) Диаграмма: Милтон Бейчок
Рис.2: Действие катализатора на гипотетическую химическую реакцию. [3]

В химии энергия активации [4] — это энергия, которую необходимо преодолеть, чтобы произошла химическая реакция. Энергия активации также может быть определена как минимальная энергия, необходимая для начала определенной химической реакции. Обозначается E a в килоджоулях на моль (кДж/моль). Его можно рассматривать как энергетический барьер , который необходимо преодолеть, чтобы начать химическую реакцию.Согласно теории Аррениуса, скорость реакции экспоненциально (очень круто) зависит от высоты энергетического (также известного как переходный) барьера. Небольшое снижение переходного барьера может привести к резкому увеличению скорости.

Для того чтобы химическая реакция протекала с разумной скоростью, должно существовать заметное количество реагентов (молекул, атомов, ионов и т. д.) с энергией, равной или превышающей энергию активации реакции, что означает, что температура реагентов должна быть настолько высокой, чтобы достаточное количество реагентов обладало тепловой энергией, достаточной для преодоления барьера.Чем выше температура, тем больше молекул (или атомов и т. д.) имеют эту энергию и будут реагировать, и тем быстрее протекает реакция. То есть скорость реакции сильно (фактически экспоненциально) зависит от температуры. [3] Катализатор не снижает энергию активации реакции, вместо этого он обеспечивает альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации. Катализатор изменяет химическую кинетику реакции, но не химическую термодинамику. Присутствие катализатора не влияет на термодинамическую (свободную Гиббса) энергию реагентов и продуктов.

На рис. 2 показано, как катализируемая реакция протекает по пути с более низкой энергией активации, чем та же реакция по пути с более высокой энергией активации, когда она не катализируется. В целом, как катализированный путь, так и некаталитический путь имеют одинаковое изменение свободной энергии Гиббса между реагентами и продуктом реакции.

Энергетическая диаграмма на рисунке 2 иллюстрирует несколько важных моментов: [2]

  • Наличие катализатора обеспечивает альтернативный путь реакции, который определенно более сложен (см. рис. 1), поскольку включает катализатор, но энергетически гораздо более выгоден.
  • Энергия активации катализируемой реакции значительно меньше энергии активации некаталитической реакции. Учитывая его экспоненциальную зависимость от энергии активации, скорость катализируемой реакции значительно выше.
  • Поскольку общее изменение свободной энергии Гиббса для катализируемой реакции такое же, как и для некаталитической реакции, константа равновесия реакции (которая является функцией только свободных энергий Гиббса реагентов и продуктов) не зависит от катализатора.Как отмечалось выше, катализатор не изменяет химическую термодинамику реакции. Таким образом, если реакция термодинамически невыгодна, катализатор не может изменить эту ситуацию.

Термин «частота оборотов» (TOF) довольно часто используется в технической литературе для характеристики активности катализаторов. Однако определение TOF в литературе непоследовательно и довольно широко варьируется. Например, в литературе есть два определения (первое часто используется для гомогенного, а второе для гетерогенного катализа):

  • Моль продукта, образующегося в секунду на моль катализатора [5]
  • молей реагентов превращается в секунду на активный центр. [2]

В обоих приведенных выше определениях единицей времени иногда является час, а не секунда.

Другим термином каталитической активности является катал, производная единица SI, которая используется в основном в биохимии для характеристики активности ферментов. [6]

Типы катализа и примеры

Катализ можно разделить на два основных типа: гетерогенный и гомогенный. В гетерогенном катализе катализатор находится в одной фазе [7] , тогда как реагенты и продукты находятся в другой фазе или, в некоторых случаях, в двух разных фазах.При гомогенном катализе катализатор находится в одной фазе с реагентами и продуктами. [8]

Гетерогенный катализ [8] [9] [10]

Типичные примеры гетерогенных катализаторов включают реакции с жидкими или твердыми газами. Отделить продукты от катализатора относительно легко. Однако катализатор в гетерогенном катализе часто менее селективен, чем в гомогенном катализе.

Несколько конкретных примеров гетерогенного катализа: [8] [9] [10]

  • Процесс Габера N 2 +3H 2 → 2NH 3 . Катализатор представляет собой пористое железо, полученное путем восстановления магнетита Fe 3 O 4 с добавлением гидроксида калия (КОН) в качестве промотора (см. ниже).

Гомогенный катализ [8] [9] [10]

Типичные примеры гомогенного катализа содержат все катализатор, реагент и продукты. .Отделение продуктов от катализатора относительно сложно. Однако катализатор в гомогенном катализе часто более селективен, чем в гетерогенном катализе.

Несколько примеров гомогенных катализаторов: [8] [9] [10]

  • Истощение озона (O 3 ) в озоновом слое атмосферы Земли свободными радикалами хлора (Cl · ) является примером, когда все присутствует в газовой фазе. Свободные радикалы хлора, образующиеся в результате медленного распада искусственных хлорфторуглеводородов (CFC), таких как CCl 2 F 2 , выбрасываемых в атмосферу, действуют как реагент и катализатор при преобразовании газообразного озона в газообразный кислород (O 2 ).

Активаторы, ингибиторы и яды

Промоторы – это вещества, небольшие количества которых могут повышать активность катализатора. Например, активность железного (Fe) катализатора, используемого в процессе Габера для синтеза аммиака, повышается за счет добавления небольшого количества калия (K) в качестве промотора.

Небольшие количества некоторых веществ могут снижать активность катализатора. Если снижение активности обратимо, вещества называются ингибиторами .Если снижение активности необратимо, вещества называются ядами . [11]

Ингибиторы иногда используются для повышения селективности катализатора путем замедления нежелательных реакций. Например, при превращении ацетилена (C 2 H 2 ) в этилен (C 2 H 4 ) каталитическим гидрированием в качестве катализатора используется палладий и ацетат свинца (Pb(CH 3 COO) ). 2 ) в качестве ингибитора. Без частичной дезактивации катализатора ингибитором полученный этилен будет далее гидрироваться до нежелательного этана.

В качестве примера мер предосторожности, принимаемых во избежание отравления катализатора, дорогостоящий платиновый (Pt) и рениевый (Re) катализатор в процессе каталитического риформинга для производства высококачественного бензина на нефтеперерабатывающих заводах подвергается необратимой дезактивации серой, азотом и соединения мышьяка. Из-за этого сырье нефтяной нафты для установок каталитического риформинга всегда обрабатывается для удаления таких соединений перед подачей в установки риформинга.

Приложения

Переработка нефти

Химия и нефтехимия

Прочее

История

Катализаторы использовались в лаборатории до 1800 года Джозефом Пристли в Англии и голландским химиком Мартинусом ван Марумом, оба из которых проводили наблюдения за дегидрированием спирта с помощью металлических катализаторов.Однако кажется, что оба они рассматривали металл просто как источник тепла.

Вот некоторые из химиков, чья работа в 1800-х годах привела к развитию современной технологии катализаторов: [12] [13]

  • В 1813 году французский химик Луи Жак Тенар обнаружил, что аммиак полностью разлагается на азот и водород при пропускании через различные раскаленные металлы.
  • В 1817 году сэр Хамфри Дэви, английский химик, опубликовал статью о своей работе по беспламенному окислению угольного газа в присутствии предварительно нагретых горячих платиновых проволок.Эта статья содержала, возможно, первое ясное понимание того, что химическая реакция между двумя газообразными реагентами может происходить на поверхности металла без химического изменения металла. [15]
  • В 1820 году Эдмунд Дэви, профессор химии из Корка в Ирландии и двоюродный брат сэра Хамфри Дэви, приготовил окончательно разделенный платиновый катализатор, обладавший такой высокой активностью, что действовал при комнатной температуре без предварительного нагрева. .
  • В 1823 году Иоганн Вольфганг Доберейнер, профессор химии Йенского университета в Германии, продемонстрировал, что водород и атмосферный воздух самовозгораются в присутствии платиновой губки. [16] [17] Затем он применил свою работу для создания огненной палки (или Feuerzeug на немецком языке), которая представляла собой зажигалку на основе водорода и катализатора из платиновой губки, которая имела коммерческий успех в 1820-е годы.
  • В 1836 году шведский химик Йонс Якоб Берцелиус ввел термин катализ для описания эффекта, заключающегося в ускорении реакций веществами, которые остаются неизменными после реакции. [18] [19]
  • В 1838 г. К.Ф. Кульманн из Франции первым окислил аммиак с использованием платинового катализатора для получения оксидов азота, которые он затем абсорбировал водой для получения азотной кислоты. Однако его процесс тогда не был коммерциализирован, потому что аммиак был слишком дорог в то время по сравнению с чилийской селитрой (нитрат калия), которая использовалась в то время для производства азотной кислоты.
  • В 1880-х годах Вильгельм Оствальд из Лейпцигского университета в Германии начал систематическое исследование реакций, катализируемых присутствием кислот и оснований, и обнаружил, что химические реакции протекают с конечной скоростью и что эти скорости можно использовать для определения силы кислот и оснований.
  • В 1894 г. Оствальд дал первое современное определение: [20] Катализ – это ускорение медленно протекающей химической реакции в присутствии постороннего вещества. За свою работу по катализу Оствальд был удостоен Нобелевской премии по химии 1909 года. [21]

С самого начала возникли крупные отрасли промышленности и накоплен огромный объем научной информации. Экономический вклад катализа столь же примечателен, как и само явление.Четыре сектора мировой экономики — это нефть, производство энергии, производство химикатов и пищевая промышленность; и все они критически зависят от использования катализаторов. По оценкам, катализ составляет более 35% мирового ВВП; большая часть этого вклада приходится на производство высокоэнергетического топлива, которое зависит от использования небольшого количества катализаторов на мировых нефтеперерабатывающих заводах. [22]

Ссылки

  1. 1.0 1.1 Комиссия по физическим наукам, математике и приложениям (CPSMA), Национальные академии (1992). Катализ смотрит в будущее . Издательство национальных академий. ISBN 0-309-04584-3.   Доступно в Интернете по адресу Executive Summary
  2. 2,0 2,1 2,2 И. Чоркендорф и Дж. В. Нимантсвердриет (2007). Концепции современных катализаторов и кинетики , 2-е издание. Wiley-ВЧ. ISBN 3-527-31672-8.
  3. 3.0 3.1 Влияние катализаторов на скорость реакции С веб-сайта, предоставленного Джимом Кларком, бывшим главой химического факультета, а затем научным руководителем школы Труро в Корнуолле, Соединенное Королевство.
  4. ↑ Термин, введенный в 1889 году шведским ученым Сванте Аррениусом.
  5. Хидео Куросава и Акио Ямамото (2003). Основы молекулярного катализа , 1-е издание. Эльзевир Наука. ISBN 0-444-50921-6.
  6. Р. Дыбкаер (2001).«Установка «катал» для каталитической активности (Технический отчет IUPAC)». Чистое приложение. хим. 73 (6): 927-931.
  7. ↑ Если существует граница между катализатором и реакционной системой (т. е. между реагентами и продуктами), то система состоит из двух фаз. В этом контексте фаза отличается от наиболее известных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, если бы жидкий катализатор и жидкая реакционная система были взаимно нерастворимы, между катализатором и реакционной системой существовала бы граница.Это будет представлять собой две фазы в контексте катализа, тогда как это будет рассматриваться как одно состояние вещества, а именно жидкость.
  8. 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Типы катализа С веб-сайта, предоставленного Джимом Кларком, главой химического факультета в отставке, а затем руководителем отдела науки Соединенного Королевства в Школе Труро в Корнуолле.
  9. 9.0 9.1 9.2 9.3 Объяснение химии Энциклопедия химии
  10. 10.0 10.1 10.2 10.3 Катализатор Лекция 12 Химический факультет Силезского технологического университета, Польша
  11. ↑ Lecture Notes С веб-сайта Юго-западного медицинского центра Техасского университета.
  12. ↑ Ранняя история катализа А. Дж. Б. Робертсон, химический факультет Королевского колледжа, Лондон.
  13. ↑ Иоганн Вольфганг Доберейнер, Feuerzeug Джордж П. Кауфманн, химический факультет Калифорнийского государственного университета, Фресно, Калифорния.
  14. ↑ CB Désormes and N. Clément (1806 г.), Annals Chim. 59 (329)
  15. ↑ Х. Дэви (1817 г.), Фил. Транс. Рой. соц. 107 (77)
  16. ↑ Дж. В. Доберейнер (1823 г.), Ann. физ. 74 (269)
  17. ↑ Дж. В. Доберейнер (1823 г.), Ann. Чим. 24 (91)
  18. ↑ Дж. Дж. Берцелиус, Некоторые идеи о новой силе, действующей в органических соединениях , Annales chimie physiques, 1836, vol. 61 , 146–151. Переведено Генри М. Лестером и Гербертом С. Кликштейном, Справочник по химии 1400–1900 (1952), с. 267. Google книги
  19. Кейт Дж. Лейдлер и Джон Х. Мейзер (1982). Физическая химия , 1-е издание. Издательство Бенджамин-Каммингс, стр. 423. ISBN 0-8053-5682-7.
  20. ↑ В. Оствальд, Zeitschrift für physikalische Chemie, том 15, страницы 705-706 (1894)
  21. М. В. Робертс (2000). «Рождение каталитической концепции (1800-1900)». Catalysis Letters 67 (1): 1–4.
  22. ↑ Что такое катализ или катализ, и что? С сайта Североамериканского общества катализа.