Définition – Catalyst Segnaleer Unblème

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catalizzatori eterogenei solidi come in convertitori catalitici automobilistici sono placcati su strutture progettate per massimizzare la loro superficie.

La catalisi è il processo in cui il tasso di una reazione chimica è aumentato o diminuito mediante una sostanza chimica nota come catalizzatore . A differenza di altri reagenti che partecipano alla reazione chimica, un catalizzatore non viene consumato dalla reazione stessa. Il catalizzatore può partecipare a più trasformazioni chimiche. Catalizzatori che velocizzano la reazione sono chiamati catalizzatori positivi. I catalizzatori che rallentano la reazione sono chiamati catalizzatori o inibitori negativi. Le sostanze che aumentano l’attività dei catalizzatori sono chiamate promotori e sostanze che disattivano i catalizzatori sono chiamati capisi catalitici.

La caratteristica generale della catalisi è che la reazione catalitica ha un minor cambiamento di energia limitante a velocità inferiore allo stato di transizione rispetto alla corrispondente reazione non dialacciata, risultando in un tasso di reazione più ampio alla stessa temperatura. Tuttavia, l’origine meccanica della catalisi è complessa. I catalizzatori possono influenzare favorevolmente l’ambiente di reazione, ad es. I catalizzatori acidi per le reazioni dei composti di carbonile costituiscono intermedi specifici che non vengono prodotti naturalmente, come ad esempio gli esteri dell’osmate nell’osmium tetrossido catalizzati diidroxilazione di alcheni, o causano la lisi di reagenti alle forme reattive, come l’idrogeno atomico in idrogenazione catalitica.

Kinetically, le reazioni catalitiche si comportano come reazioni chimiche tipiche, cioè il tasso di reazione dipende dalla frequenza del contatto dei reattivi nella fase di determinazione del tasso. Di solito, il catalizzatore partecipa a questo passo lento e le tariffe sono limitate per quantità di catalizzatore. In catalisi eterogenea, la diffusione dei reagenti alla superficie e la diffusione dei prodotti dalla superficie può essere tasso determinante. Gli eventi analoghi associati al legame di substrato e la dissociazione del prodotto si applicano ai catalizzatori omogenei.

Sebbene i catalizzatori non siano consumati dalla reazione stessa, possono essere inibiti, disattivati o distrutti da processi secondari. In catalisi eterogenea, i tipici processi secondari includono la coking in cui il catalizzatore diventa coperto da prodotti laterali polimerici. Inoltre, i catalizzatori eterogenei possono dissolversi nella soluzione in un sistema solido-liquido o evaporare in un sistema a gas solido.

Contenuti

  • 1 sfondo
  • 2 Principi generali della catalisi
    • 2.1 Meccanismo tipico
    • 2.2 Catalisi e reazione energetica
    • 2.3 Tipici materiali catalitici
  • 3 tipi di catalisi
    • 3.1 Catalizzatori eterogenei
    • 3.2 Catalizzatori omogenei
    • 3.3 Elettrocatalysts
    • 3.4 Organocatalisi
  • 4 Significato della catalisi
    • 4.1 Elaborazione energetica
    • 4.2 Prodotti chimici sfusi
    • 4.3 Prodotti chimici fine
    • 4.4 Elaborazione alimentare
    • 4.5 Biologia
    • 4.6 nell’ambiente
  • 5 Storia
  • 6 inibitori, veleni e promotori
  • 7 Vedi anche
  • 8 Riferimenti
  • 9 Collegamenti esterni

Sfondo

La produzione di sostanze chimiche più industrialmente importanti riguardano la catalisi. Allo stesso modo, i processi più biochimicamente significativi sono catalizzati. La ricerca sulla catalisi è un campo importante nella scienza applicata e coinvolge molte aree di chimica, in particolare nella scienza della chimica e dei materiali organometallici. La catalisi è rilevante per molti aspetti della scienza ambientale, ad es. Il convertitore catalitico nelle automobili e nelle dinamiche del foro di ozono. Le reazioni catalitiche sono preferite nella chimica verde ecologica a causa della ridotta quantità di rifiuti generati, in contrapposizione alle reazioni stechiometriche in cui vengono consumati tutti i reagenti e altri prodotti laterali sono formati. Il catalizzatore più comune è il protone (H +). Molti metalli di transizione e complessi metalli di transizione vengono utilizzati anche nella catalisi. I catalizzatori chiamati enzimi sono importanti in biologia.

Un catalizzatore funziona fornendo un percorso di reazione alternativo al prodotto di reazione. Il tasso della reazione è aumentato in quanto questo percorso alternativo ha un’energia di attivazione inferiore rispetto alla rotta di reazione non mediata dal catalizzatore. La sproporzione del perossido di idrogeno per dare acqua e ossigeno è una reazione che è fortemente influenzata dai catalizzatori:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Questa reazione è favorita nel senso che i prodotti di reazione sono più stabili dell’inizio Materiale, tuttavia la reazione non fatalizzata è lenta.La decomposizione del perossido di idrogeno è infatti così lento che le soluzioni perossido di idrogeno siano disponibili in commercio. Dopo l’aggiunta di una piccola quantità di anidride di manganese, il perossido di idrogeno reagisce rapidamente secondo l’equazione di cui sopra. Questo effetto è prontamente visto dall’effervescenza dell’ossigeno. Il diossido di manganese può essere recuperato invariato e riutilizzato indefinitamente, e quindi non è consumato nella reazione. Di conseguenza, il diossido di manganese catalizza questa reazione.

Principi generali della catalisi

Meccanismo tipico

Articolo principale: Ciclo catalitico

Catalyst generalmente reagire Con uno o più reagenti per formare intermedi che successivamente conferiscono il prodotto di reazione finale, nel processo rigenerante il catalizzatore. Quanto segue è uno schema di reazione tipico, dove c rappresenta il catalizzatore, X e Y sono reagenti, e Z è il prodotto della reazione di x e y:

x + c → xc (1) y + xc → xyc (2) XYC → CZ (3) CZ → C + Z (4)

Sebbene il catalizzatore sia consumato dalla reazione 1, è successivamente prodotto dalla reazione 4, quindi per la reazione complessiva:

x + y → Z

Come catalizzatore viene rigenerato in una reazione, spesso sono necessari solo piccoli importi per aumentare il tasso della reazione. In pratica, tuttavia, i catalizzatori vengono talvolta consumati in processi secondari.

Come esempio di questo processo, nel 2008, i ricercatori danesi hanno rivelato prima la sequenza di eventi quando l’ossigeno e l’idrogeno si combinano sulla superficie del biossido di titanio (Tio2 o titania) per produrre acqua. Con una serie Time-Lapse di immagini di microscopia tunneling di scansione, hanno determinato che le molecole subiscono adsorbimento, dissociazione e diffusione prima di reagire. Gli stati di reazione intermedia erano: HO2, H2O2, quindi H3O2 e il prodotto di reazione finale (dimeri molecole d’acqua), dopodiché la molecola dell’acqua desorbita dalla superficie del catalizzatore.

Catalisi e reazione energetica

Diagramma di energia potenziale generico che mostra l’effetto di un catalizzatore in un’ipotetica reazione chimica esotermica x + y per dare Z. La presenza del catalizzatore apre un percorso di reazione diverso (mostrato in rosso) con un’energia di attivazione inferiore. Il risultato finale e la termodinamica complessiva sono gli stessi.

I catalizzatori lavorano fornendo un meccanismo (alternativo) che coinvolge uno stato di transizione diverso e una bassa energia di attivazione. Di conseguenza, le collisioni più molecolari hanno l’energia necessaria per raggiungere lo stato di transizione. Quindi, i catalizzatori possono consentire reazioni che sarebbero altrimenti bloccate o rallentate da una barriera cinetica. Il catalizzatore può aumentare la velocità di reazione o la selettività o consentire la reazione a temperature più basse. Questo effetto può essere illustrato con un diagramma di distribuzione di Boltzmann e diagramma di profilo energetico.

Catalizzatori non cambiano l’estensione di una reazione: non hanno alcun effetto sull’equilibrio chimico di una reazione perché il tasso di entrambeto e La reazione inversa sono entrambe interessate (vedi anche termodinamica). Il fatto che un catalizzatore non cambi l’equilibrio sia una conseguenza della seconda legge della termodinamica. Supponiamo che c’era un tale catalizzatore che spostò un equilibrio. L’introduzione del catalizzatore al sistema comporterebbe la reazione per passare al nuovo equilibrio, producendo energia. La produzione di energia è un risultato necessario poiché le reazioni sono spontanee se e solo se viene prodotta l’energia libera di Gibbs, e se non c’è barriera energetica, non c’è bisogno di un catalizzatore. Quindi, la rimozione del catalizzatore comporterebbe anche la reazione, producendo energia; I.e. L’aggiunta e il suo processo inverso, la rimozione, produrrebbero entrambi energia. Così, un catalizzatore che potrebbe cambiare l’equilibrio sarebbe una macchina perpetua del movimento, una contraddizione alle leggi della termodinamica.

Se un catalizzatore cambia l’equilibrio, deve essere consumato come procedere alla reazione, e Quindi è anche un reagente. Illustrative è l’idrolisi catalizzata dalla base degli esteri, in cui l’acido carbossilico prodotto reagisce immediatamente con il catalizzatore di base e quindi l’equilibrio di reazione viene spostato verso l’idrolisi.

L’unità derivata da SI per misurare l’attività catalitica di un catalizzatore è il katal, che è talpe al secondo. L’attività di un catalizzatore può anche essere descritta dal numero di svolta (o tonnellata) e dall’efficienza catalitica con la frequenza di svolta (TOF). L’equivalente biochimico è l’unità enzimatica. Per ulteriori informazioni sull’efficienza della catalisi enzimatica, consultare l’articolo sugli enzimi.

Il catalizzatore stabilizza lo stato di transizione più di quanto si stabilizza il materiale di partenza. Diminuisce la barriera cinetica riducendo la differenza di energia tra materiale di partenza e stato di transizione.

Materiali catalitici tipici

La natura chimica dei catalizzatori è diversa come la stessa catalisi, anche se alcune generalizzazioni può essere fatto.Gli acidi protonici sono probabilmente i catalizzatori più ampiamente usati, specialmente per le molte reazioni che coinvolgono acqua, compresa l’idrolisi e il suo retromarcia. I solidi multifunzionali sono spesso cataliticamente attivi, ad es. Zeoliti, allumina e certe forme di carbonio grafitico. I metalli di transizione sono spesso utilizzati per catalizzare le reazioni redox (ossidazione, idrogenazione). Molti processi catalitici, in particolare quelli che coinvolgono l’idrogeno, richiedono metalli di platino.

Alcuni cosiddetti catalizzatori sono davvero precatalisti. I precatalisti si convertono in catalizzatori nella reazione. Ad esempio, il catalizzatore di Wilkinson Rhcl (PPH3) 3 perde un ligando di trifenilfosfina prima di entrare nel vero ciclo catalitico. I precatalisti sono più facili da conservare ma sono facilmente attivati in situ. A causa di questa fase di preattivazione, molte reazioni catalitiche implicano un periodo di induzione.

Specie chimiche che migliorano l’attività catalitica sono chiamate co-catalitiche (cocatalità) o promotori in catalisi cooperativa.

tipi di Catalis

Catalysts può essere eterogeneo o omogeneo, a seconda che sia esistente un catalizzatore nella stessa fase del substrato. I biocataliti sono spesso visti come un gruppo separato.

Catalizzatori eterogenei

Articolo principale: Catalis eterogeneo

Catalyst eterogenei sono quelli che agiscono in una diversa fasa dei reagenti . I catalizzatori più eterogenei sono solidi che agiscono sui substrati in una miscela di reazione liquida o gassosa. Sono noti meccanismi diversi per reazioni sulle superfici, a seconda di come si svolge l’adsorbimento (Langmuir-Hinsheldwood, Eley-Ridish, e Mars-van Krevelen). La superficie totale del solido ha un effetto importante sul tasso di reazione. Più piccola è la dimensione della particella del catalizzatore, maggiore è la superficie della superficie per una determinata massa di particelle.

Ad esempio, nel processo della mercia, ferro finemente diviso funge da catalizzatore per la sintesi dell’ammoniaca da azoto e idrogeno . I gas reagire adsorbirono su “Siti attivi” sulle particelle di ferro. Una volta adsorbiti, le obbligazioni all’interno delle molecole reagire sono indebolite e nuove obbligazioni tra i frammenti risultanti in parte dovuti alla loro stretta vicinanza. In questo modo il triplo legame particolarmente forte in azoto è indebolito e gli atomi di idrogeno e azoto si combinano più velocemente di quanto sarebbe il caso nella fase del gas, quindi aumenta il tasso di reazione.

I catalizzatori eterogenei sono tipicamente “supportati “, Il che significa che il catalizzatore è disperso su un secondo materiale che migliora l’efficacia o riduce al minimo il costo. A volte il supporto è semplicemente una superficie su cui il catalizzatore è distribuito per aumentare la superficie. Più spesso, il supporto e il catalizzatore interagiscono , che colpisce la reazione catalitica.

Catalizzatori omogenei

Articolo principale: Catalizzazione omogenea

Catalizzatori omogenei Funzione nella stessa fase dei reagenti, ma i principi meccanici invocati nella catalisi eterogenea è generalmente applicabile. I catalizzatori tipicamente omogenei vengono dissolti in un solvente con i substrati. Un esempio di catalisi omogenea coinvolge l’influenza di H + sull’esterificazione degli esteri, ad esempio me Thyl Acetato dall’acido acetico e dal metanolo. Per i chimici inorganici, la catalisi omogenea è spesso sinonimo di catalizzatori organometallici.

elettrocatalisti

Articolo principale: elettrocatalista

Nel contesto dell’elettrochimica, in particolare nell’ingegneria di celle a combustibile I vari catalizzatori contenenti metallo vengono utilizzati per migliorare i tassi delle mezze reazioni che comprendono la cella a combustibile. Un tipo comune di elettrocatalisti a celle combustibile si basa su nanoparticelle di platino che sono supportate su particelle di carbonio leggermente più grandi. Quando questo elettrocatalista di platino è a contatto con uno degli elettrodi in una cella a combustibile, aumenta la velocità di riduzione dell’ossigeno all’acqua (o idrossido o perossido di idrogeno).

organocatalisi

Main Articolo: organocatalisi

considerando che i metalli di transizione a volte attraggono la maggior parte dell’attenzione nello studio della catalisi, le molecole organiche senza metalli possono anche possedere proprietà catalitiche. In genere, i catalizzatori organici richiedono un caricamento più elevato (o una quantità di catalizzatore per quantità unitario di reagente) rispetto ai catalizzatori basati su metallo di transizione, ma questi catalizzatori sono solitamente disponibili in commercio alla rinfusa, contribuendo a ridurre i costi. Nei primi anni 2000, gli organocatalisti sono stati considerati “nuova generazione” e sono competitivi ai tradizionali catalizzatori contenenti metalli. Le reazioni enzimatiche operano tramite i principi della catalisi organica.

significato della catalisi

Le stime sono che il 90% di tutti i prodotti chimici prodotti commercialmente coinvolgono catalizzatori ad alcuni stadi nel processo della loro fabbricazione. Nel 2005, i processi catalitici hanno generato circa $ 900 miliardi in prodotti in tutto il mondo. (PDF) La catalisi è così pervasiva che le sottoschetti non sono facilmente classificate. Di seguito sono riportate alcune aree di particolare concentrazione.

Elaborazione energetica

La raffinazione del petrolio rende l’uso intensivo della catalisi per alchilazione, cracking catalitico (rompendo gli idrocarburi a catena a lungo termine in pezzi più piccoli), la riforma della nafta e la riforma del vapore (conversione di idrocarburi in sintesi gas). Anche lo scarico della combustione dei combustibili fossili viene trattato tramite catalisi: convertitori catalitici, tipicamente composti da platino e rodio, abbattere alcuni dei sottoprodotti più dannosi dello scarico automobilistico.

2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

Per quanto riguarda i combustibili sintetici, un processo vecchio ma ancora importante è la sintesi di Fischer-Tropsch di idrocarburi da gas di sintesi, che è trasformata tramite reazioni del cambio a gas dell’acqua, catalizzate da ferro. Il biodiesel e i biocarburanti correlati richiedono l’elaborazione tramite entrambe le cellule inorganiche e biocatali.

Le celle a combustibile si affidano ai catalizzatori per le reazioni anodiche e catodiche.

Chimica Bulk

Alcuni di Le sostanze chimiche più grandi sono prodotte tramite ossidazione catalitica, spesso utilizzando ossigeno. Gli esempi includono l’acido nitrico (da ammoniaca), l’acido solforico (dal biossido di zolfo al triossido di zolfo da parte del processo della camera), acido tereftalico da P-Xylene e acrilonitrile da propano e ammoniaca.

Molti altri prodotti chimici sono generato da una riduzione su larga scala, spesso tramite idrogenazione. L’esempio su scala più grande è l’ammoniaca, che viene preparato tramite il processo dell’iberciatore da azoto. Il metanolo viene preparato dal monossido di carbonio.

polimeri sfusi derivati da etilene e propilene sono spesso preparati tramite Ziegler-Natta Catalisi. Poliestere, poliammidi e isocianati sono derivati tramite catalisi acida-base.

La maggior parte dei processi di carbonilazione richiede catalizzatori di metallo, gli esempi includono il processo di acido acetico monsanto e l’idroformalazione.

Prodotti chimici fini

Molte sostanze chimiche predefinite vengono preparate tramite catalisi; I metodi includono quelli dell’industria pesante e dei processi più specializzati che sarebbero proibitivamente costosi su larga scala. Gli esempi includono la metatesi di Olefin con il catalizzatore di Grubbs, la reazione diavolo e le reazioni di artigianato friedel.

Poiché la maggior parte dei composti bioattivi sono chirali, molti farmaci sono prodotti da enantioselect catalisi.

Elaborazione alimentare

Una delle applicazioni più ovvie della catalisi è l’idrogenazione (reazione con gas idrogeno) dei grassi utilizzando il catalizzatore di nichel per produrre margarina. Molti altri alimenti sono preparati tramite la biocatalisi (vedi sotto).

Biologia

Articolo principale: Biocatalisi

In natura, gli enzimi sono catalizzatori in metabolismo e catabolismo. La maggior parte dei biocatalisti è basata su proteine, cioè enzimi, ma altre classi di biomolecole mostrano anche proprietà catalitiche, compresi i ribozzimi e i deoxiribozymes sintetici.

Biocataliti possono essere pensati come intermedia tra catalizzatori omogenei ed eterogenei, sebbene rigorosamente parlando solubile Gli enzimi sono catalizzatori omogenei e enzimi legati alla membrana sono eterogenei. Diversi fattori influenzano l’attività di enzimi (e altri catalizzatori) comprendente temperatura, pH, concentrazione di enzima, substrato e prodotti. Un reagente particolarmente importante nelle reazioni enzimatiche è l’acqua, che è il prodotto di molte reazioni di formazione di legame e un reagente in molti processi di rottura obbligazionaria.

Gli enzimi sono impiegati per preparare molte sostanze chimiche di materie prime, compreso il mais ad alto contenuto di frutti Sciroppo e acrilammide.

nell’ambiente

La catalisi influisce sull’ambiente aumentando l’efficienza dei processi industriali, ma anche la catalisi svolge un ruolo diretto nell’ambiente. Un esempio notevole è il ruolo catalitico dei radicali liberi del cloro nella rottura dell’ozono. Questi radicali sono formati dall’azione delle radiazioni ultraviolette sui clorofluorocarburi (CFC).

CL · + O3 → CLO · + O2 CLO · + o · → cl · + o2

cronologia

In senso generale, tutto ciò che aumenta il tasso di un processo è un “catalizzatore”, un termine derivato da greco καταλύειν, che significa “annulare” o “a slegare” o “prendere”. La frase I processi catalizzati è stato coniato da Jöns Jakob Berzelius nel 1836 per descrivere le reazioni che sono accelerate da sostanze che rimangono invariate dopo la reazione. Altri farmacie iniziali coinvolti nella catalisi erano Alexander Mitscherlich che si riferivano ai processi di contatto e da Johann Wolfgang Döbereiner che ha parlato di azione di contatto e la cui più leggera basata su idrogeno e una spugna di platino divennero un enorme successo commerciale negli anni 1820. Humphry Davy ha scoperto l’uso del platino in catalisi. Nel 1880, Wilhelm Ostwald presso Lipizig University ha iniziato un’indagine sistematica a reazioni catalizzate dalla presenza di acidi e basi, e ha scoperto che le reazioni chimiche si verificano a tassi finiti e che queste tariffe possono essere utilizzate per determinare i punti di forza degli acidi e delle basi . Per questo lavoro, Ostwald ha ricevuto il premio Nobel del 1909 in chimica.

Inibitori, veleni e promotori

Le sostanze che riducono l’azione dei catalizzatori sono chiamate inibitori del catalizzatore se i veleni reversibili e catalizzatori se irreversibili. I promotori sono sostanze che aumentano l’attività catalitica, in particolare quando non vengono catalizzati a se stessi.

L’inibitore può modificare la selettività oltre al tasso. Ad esempio, nella riduzione dell’ethyne a Ethene, il catalizzatore è Palladium (PD) parzialmente “avvelenato” con piombo (II) Acetato (PB (CH3COO) 2). Senza la disattivazione del catalizzatore, l’Ethene Prodotto sarà ulteriormente ridotto a Ethrane.

L’inibitore può produrre questo effetto da parte ad es. avvelenamento selettivo solo alcuni tipi di siti attivi. Un altro meccanismo è la modifica della geometria della superficie. Ad esempio, nelle operazioni di idrogenazione, ampi piani della funzione di superficie metallica come siti di idrogenolisi Catalisi mentre siti catalizzando l’idrogenazione degli insaturi sono più piccoli. Pertanto, un veleno che copre la superficie tenderà a caso per ridurre il numero di piani grandi incontaminati, ma parte i siti proporzionalmente più più piccoli gratuiti, cambiando così l’idrogenazione contro la selettività dell’idrogenolisi. Sono anche possibili molti altri meccanismi.

I promotori possono coprire la superficie per impedire la produzione di un tappeto di coca cola, o addirittura a rimuovere attivamente tale materiale (ad esempio il renio sul platino in platforming). Possono aiutare la dispersione del materiale catalitico o legarsi ai reagenti.

Vedi anche

Portale di chimica

Portale Biologia

  • AutoCATALISSI
  • Big-NSE (Berlin Laureate School of Natural Sciences and Engineering)
  • Catalizzatori e reazioni catalizzate (un diario di chimica)
  • trigger ambientali
  • enzyme Catalysis
  • Adiuvante farmaceutico
  • Catalisi del limite di fase
  • Catalizzatore di trasferimento di fase
  • ribozyme (biocatalisi dell’RNA)
  • enzimi sumo
  • riduzione programmata a temperatura
  • spettroscopia termica desorbica
  • microscopio di forza della sonda kelvin
  • Unione internazionale di chimica pura e applicata. “catalizzatore”. Compendio di Terminologia chimica Internet Edition.
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  • Aiuto scientifico: Pagina dei catalizzatori per la scienza del livello superiore Scienza
  • WAPresentazione di Herrmann Technische Universität
  • Catalizzatore alumite, laboratorio di Kameyama-Sakurai, Giappone
  • Gruppo di chimica inorganica e catalisi, Università di Utrecht, Paesi Bassi
  • Centro per la chimica superficiale e Catalysis
  • Carbons & Gruppo catalizzatore, Università di Concepcion, Cile
  • Centro per aver abilitato nuove tecnologie tramite Catalisi, un Centro NSF per l’innovazione chimica , USA
  • “Bolle svolgono catalizzatori chimici”, Science News Magazine online, 6 aprile 2009.
v • d • e

meccanismi di reazione di base

Sostituzione nucleofilo
nucleofilo nonimolecolare Sostituzione (SN1) · Nuculo bimolecolare Sostituzione ophilic (SN2) · Sostituzione aromatica nucleofilica (SNAR) · Sostituzione interna nucleofilica (SNI)
REAZIONE DI ELIMINAZIONE
Eliminazione nonMolecolare (E1) · ELIMINAZIONE E1CB Reazione · Eliminazione bimolecolare (E2)
Argomenti correlati
Reazione elementare · Molecularità · Stereochimica · Catalisi · Teoria della collisione · Effetti solventi · Arrow Spinging
Kinetics chimica

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