Методы приготовления катализаторов

Катализатор — это вещества, изменяющие скорость химических реакций. Активность катализаторов обусловливается их основными свойствами. Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со+3, V2O5+MoO3). Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ.

Методы приготовления катализаторов

Случай, когда катализатором является один из продуктов реакции или её исходных веществ, называют автокатализом. Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом.

Химические катализаторы

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Энергия активации E каталитических реакций значительно меньше, чем для той же реакций в отсутствие катализатора.

В качестве катализатора используют оксид железа, а также катализаторы на основе олова и молибдена. Оказывается, некоторые промышленно важные катализаторы ведут себя как очень сильные кислоты. К ним относится катализатор процесса Фриделя — Крафтса, такой, как HCl-AlCl2O3 (или HAlCl4), и алюмосиликаты. Активность таких катализаторов, как алюмосиликаты, применяющихся при крекинге нефти, определяется присутствием на их поверхности кислот Брёнстеда и Льюиса.

Механизм действия кислотных катализаторов можно проиллюстрировать на примере реакции изомеризации н-бутана в изобутан в присутствии HCl-AlCl3 или Pt-Cl-Al2O3. Сначала малое количество олефина С4Н8 присоединяет положительно заряженный ион водорода кислотного катализатора с образованием третичного карбений-иона.

Катализаторы крекинга

Вследствие этого на поверхности катализатора присутствуют в основном именно они, а потому основным продуктом изомеризации бутана является изобутан. Кислотные катализаторы широко применяются при переработке нефти — крекинге, алкилировании, полимеризации и изомеризации углеводородов.

Гидрирование проводят в присутствии мелкодисперсного порошка никеля, нанесенного на подложку, или никелевого катализатора Ренея в атмосфере водорода высокой степени очистки. Дегидрирование — это тоже важная в промышленном отношении каталитическая реакция, хотя масштабы её применения несравнимо меньше.

Для этого дегидрируют этилбензол в присутствии катализатора, содержащего оксид железа; протеканию реакции способствуют также калий и какой-нибудь структурный стабилизатор. Однако азот связывается с поверхностью железного катализатора в атомарном состоянии, и для этого нужно всего 20 ккал/моль. Уретан образуется при взаимодействии спирта с изоцианатом, а ускоряется эта реакция в присутствии оснóвных аминов.

В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды. Ингибиторы иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Особенно эффективным катализатором является триэтилендиамин. Установлен механизм действия карбений-ионов, играющих роль катализаторов в этих процессах. Эту смесь превращают в жидкое топливо с помощью катализаторов, содержащих железо или кобальт. Дегидрированием бутана в присутствии алюмохромового катализатора получают бутены и бутадиен.

Читайте еще: