КАТАЛИЗ


Катализатор представляет собой такое вещество, которое изменяет ско­рость химической реакции, но само не подвергается окончательному хи­мическому превращению в результате данного процесса. Почти все ката­лизаторы повышают скорость реакций. Катализаторы участвуют в очень многих реакциях: в большинстве реакций, протекающих в человеческом организме, земной атмосфере, океанах и в промышленных химических процессах.

Многие прикладные химические исследования посвящены поиску новых и более эффективных катализаторов для реакций, имеющих промышлен­ное значение. Значительные усилия исследователей направлены также на отыскание способов ингибирования или удаления катализаторов, способ­ствующих нежелательным реакциям, например реакциям, протекающим при коррозии металлов, при процессах старения.

Катализатор, находящийся в реакционной системе в том же фазовом состоянии, что и основные участники химической реакции, называется Гомогенным катализатором. Например, гомогенный катализатор реакции, протекающей в растворе, должен сам находиться в растворенном состоя­нии.

Если исходить из уравнения Аррениуса [уравнение (13.19)] для скорости химической реакции, то видно, что константа скорости к определяется энергией активации Еа, и частотным фактором А. Влияние катализатора на скорость реакции может заключаться в том, что он изменяет или Еау или А. Катализатор оказывает наиболее сильное влияние на энергию активации Еа. Как правило, катализатор понижает полную энергию активации хи­мической реакции. Понижение Еа катализатором схематически изображено на рис. 13.6.

Обычно катализатор понижает полную энергию активации, открывая для реакции совершенно новый путь.

Известно также, что многие реакции катализируются веществами, ко­торые присутствуют в реакционной системе в иной фазе по сравнению с реагентами.

Гетерогенный катализатор находится в реакционной системе в ином по сравнению с реагирующими веществами фазовом состоянии. Например, реакция между молекулами в газовой фазе может катализироваться тонко измельченным оксидом какого-либо металла. В отсутствие катализатора реакция в газовой фазе протекает медленно. Однако при внесении ка­тализатора реакция на поверхности твердого катализатора значительно ускоряется.

Реакции в растворах также могут катализироваться твердыми веще­ствами. Гетерогенные катализаторы часто изготовляют из тонко измель­ченных металлов или оксидов металлов. Поскольку каталитические реак­ции протекают на поверхности, часто прибегают к специальным методам получения катализаторов с очень большой площадью поверхности.

Исходной стадией гетерогенного катализа обычно является адсорб­ция реагентов. Адсорбцию следует отличать от абсорбции. Адсорбция — это связывание молекул с поверхностью, тогда как абсорбция означает поглощение молекул в объеме другого вещества. Адсорбция происходит вследствие чрезвычайно высокой реакционной способности атомов или ионов на поверхности твердого вещества. В отличие от таких же ча­стиц в объеме твердого вещества они имеют ненасыщенные валентные возможности. Благодаря способности поверхностных атомов или ионов

КАТАЛИЗ

Рис. 13.7. Схема действия каталитического преобразователя на отработавшие газы двига­

Теля

-ЧА

Некатаяитинеская реакция

К

Каталитическая реакция

Путь реакции ^

Рис. 13.в. Изменение пути реак­ции при использовании катализа­тора


К образованию связей молекулы из газовой фазы или раствора могут связываться с поверхностью твердого вещества. В действительности не все атомы или ионы поверхности обладают реакционной способностью, так как на поверхности могут быть адсорбированы различные приме­си (загрязнения), которые занимают многие потенциально реакционно — способные центры и блокируют дальнейшую реакцию. Места поверхно­сти, на которых могут адсорбироваться реагирующие молекулы, назы­ваются активными центрами. Число активных центров, приходящееся на единицу массы катализатора, зависит от природы катализатора, от способа его приготовления и обработки непосредственно перед использо­ванием.

Гетерогенный катализ играет важную роль в борьбе с загрязнением городского воздуха. В образовании фотохимического смога участвуют два компонента автомобильных выхлопных газов — оксиды азота и несго — ревшие углеводороды. Кроме того, выхлопные газы автомобилей могут содержать большое количество монооксида углерода. Даже при самом тщательном проектировании двигателя и подборе характеристик горючего нормальные условия эксплуатации автомобилей не позволяют снизить содержание этих загрязнителей в выхлопных газах двигателя до прием­лемого уровня. Поэтому, прежде чем они попадут в воздух, их необходимо кадим-то образом удалять из выхлопных газов. Для этого предназначен каталитический преобразователь.

Каталитический преобразователь, действие которого схематически изображено на рис. 13.7, должен выполнять две функции:

• окислять СО и несгоревшие углеводороды до С02 и Н20

(СжНу)-^-+С02+Н20;

• восстанавливать оксиды азота до газообразного азота

N0,N02-+N2.

Для выполнения этих двух функций требуется применение двух совер­шенно различных катализаторов. Создание единой успешно действующей
каталитической системы является очень трудной задачей. Участвующие в ней катализаторы должны иметь высокую эффективность в широ­ком интервале температур, быть устойчивыми к отравлению различными примесями, содержащимися в бензине, которые также выбрасываются в составе выхлопных газов, и, наконец, обладать достаточной механической прочностью, чтобы противостоять турбулентному течению выхлопных га­зов и механическим сотрясениям при вождении автомобиля в различных условиях на расстояния в многие тысячи километров.

Восстановлению оксидов азота благоприятствуют термодинамические факторы. Например, они способствуют разложению N0 на N2 и Ог, хотя эта реакция протекает чрезвычайно медленно. Следовательно, для ее осу­ществления необходим катализатор. Наиболее эффективными катализато­рами этой реакции являются оксиды переходных и благородных металлов, т. е. вещества тех же самых типов, которые катализируют окисление СО и углеводородов. Однако катализаторы, эффективно действующие в одной реакции, обычно оказываются гораздо менее активными в другой. Поэтому приходится подбирать каталитическую систему, состоящую из двух различ­ных компонентов.

Активность каталитических преобразователей по мере их использова­ния уменьшается в связи с потерями активного катализатора, его рас­трескиванием и выкрошиванием в результате чередующихся нагревания и охлаждения, а также из-за отравления катализатора. Одним из наиболее активных каталитических ядов является свинец, который входит в состав тетраметилсвинца РЬ(СН3)4 или тетраэтилсвинца РЬ(С2Нб)4, добавляемых к бензину в качестве антидетонаторных присадок. Использование топлива со свинцовыми присадками вызывает настолько сильное отравление ка­тализаторов, что в большинстве стран мира стали применять бензин без свинцовых присадок.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *