Katalyse

I kemi, katalyse (fra den gamle græske κατάλυσις Katalysis, at løsrive) henviser til acceleration eller omlægning af reaktions- kinetikken ved hjælp af en katalysator, og i nogle tilfælde til selektiviteten at dirigere reaktionen i en foretrukken retning (konkurrerende reaktion, produktion af et produkt snarere end et andet). Katalysatoren anvendes i en meget mindre mængde end de reaktive produkter. Det vises generelt ikke i reaktionsrapporten, derfor ikke i den samlede ligning. Imidlertid deltager katalysatormolekylerne i reaktionen i et trin, hvilket forklarer deres indflydelse på reaktionshastigheden, og derefter regenereres de i et efterfølgende trin. Katalysatoren forbliver undertiden fint blandet med slutproduktet.

Katalyse spiller en rolle på mange områder. I mere end hundrede år har det haft anvendelser inden for opvarmning (eksempel: Berger-lampen ): komplet forbrænding , ved lavere temperatur (mindre farlig), næsten uden flamme og med langt mindre farlige forbrændingsrester ( kulilte , nitrogenoxid ). Mere end 80% af industrielle kemiske reaktioner udføres ved hjælp af katalytiske processer, hvilket reducerer deres omkostninger betydeligt. For eksempel udgjorde verdensomspændende salg af katalysatorer inden for motorgasreduktion i 2007 cirka seksten milliarder dollars.

Det populære syn på dette felt af katalysatorer er negativt: forurening, spredning af støv fra sjældne og farlige metaller, tyveri af bilkatalysatorer. Disse videnskabelige områder er dårligt forstået.

I biologien , i cellerne , spiller enzymerne , der er meget talrige, disse roller som accelerator, katalysatorer, i de biokemiske processer: fordøjelsesmetabolisme , reproduktion , transkription af genetisk information , videnskaberne ved genomet , yoghurt , brøddej , etc.

Typologi

Forskellige typer katalyse kan skelnes efter katalysatorens natur:

homogen katalyse , hvis katalysatoren og reagenserne kun danner en fase (ofte flydende);
heterogen katalyse , hvis katalysatoren og reaktanterne danner flere faser (generelt en fast katalysator til reaktanter i gas- eller flydende fase);
enzymatisk katalyse , hvis katalysatoren er et enzym , det vil sige et protein; mange egenskaber ved enzymatisk katalyse (indflydelse af koncentrationen af katalysatoren, typer af succession af trin osv. ) er de samme som dem ved homogen katalyse.

Katalyse kan også klassificeres i henhold til den involverede mekanisme:

syrebasekatalyse (generel eller specifik);
oxidation-reduktion katalyse;
nukleofil katalyse;
faseoverførselskatalyse.

En katalysator ændrer ikke hverken udviklingsretningen for en transformation eller sammensætningen af systemet i den endelige tilstand. Enhver katalysator til en fremadrettet reaktion katalyserer også den omvendte reaktion. Som et resultat tillader en katalysator ikke termodynamisk ringe fortrængte reaktioner at ændre deres endelige hastighed .

For eksempel reaktion af ligning

2 H 2 O→ 2 H 2 + O 2

forekommer ikke i fravær af katalysator (ved stuetemperatur), og ingen katalysator kan få den til at forekomme i tilfredsstillende udbytte.
Men da en katalysator i høj grad kan ændre hastigheden af en reaktion blandt et stort antal mulige konkurrerende reaktioner, kan den fremme en reaktion, som ikke synes at eksistere i dens fravær. Dette er tilfældet med oxidation af ammoniak af dioxygen :

i fravær af en katalysator, reaktionen (ikke interessant ud fra et industrielt synspunkt) er i det væsentlige: 2NH 3+ O 2 ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {3} {2}}}$ → N 2+ 3H 2 O
i nærvær af platin som katalysator, nitrogenmonoxid dannes især (et værdifuldt mellemprodukt til fremstilling af salpetersyre ): 2NH 3+ O 2 ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {5} {2}}}$ → 2NO + 3H 2 O

Nitrogenoxid vises ikke målbart i fravær af platin.

Er ikke katalysatorer ...

Temperaturen, selvom den øger reaktionshastigheden. Katalysator er en kemisk art , temperatur er ikke.
Lys kan igangsætte visse fotokemiske reaktioner , men det er ikke en katalysator, fordi lys ikke er en kemisk art. Derudover kommer lyset ikke uskadt ud, da en del af dets energi vil blive absorberet , og dets bølgelængde vil derfor blive modificeret.
En initiator , selvom det er en kemisk art, at den øger hastigheden, og at den ikke vises i balancen. Faktisk forbruges initiativtager i starten af reaktionen. For eksempel producerer en radikalinitiator de første radikaler, som tillader radikalpolymerisation at forekomme.

Historie

Stadier af opdagelse

Nogle bemærkelsesværdige trin i at opdage og forstå begrebet katalyse er anført her i kronologisk rækkefølge. De første opdagelser er relateret til området biokatalyse :

6000 f.Kr. AD , tekniske processer med alkoholfermentering af sukker, anvendt af sumerne i Mesopotamien : produktion af eddikesyre i alkohol ved hjælp af enzymer.
Acceleration og orientering af mælkefermentering af oste: de relaterede opdagelser gjorde det meget hurtigt muligt at reducere risikoen for kolonisering af patogener og øge varigheden af forbruget af mejeriprodukter markant (på basis af tidsproduktet for basisproduktet, dvs. var en teknik til den største betydning).
De brødfremstillingsegenskaber processer melarterne tillader realiseringen i tykkelsen af bagning i ovn og en modifikation af fordøjeligheden af den basiske komponent.

Efter disse begyndelser, opdagelsen af en række nye katalytiske reaktioner fandt sted i XVIII th og begyndelsen af det XIX th århundrede.

I midten af det XVIII E århundrede udviklede den britiske fysiker John Roebuck en proces, der tillader dannelse af svovlsyre ved oxidation af svovldioxid i luften; reaktionen udføres i nærværelse af en katalysator, nitrosylsvovlsyre , i et blykammer.
Omkring 1780, flere opdagelser Antoine-Augustin Parmentier , militærapoteker, agronom, ernæringsekspert og fransk hygieniker: syrekatalyse af sukker.
1782, Carl Wilhelm Scheele's opdagelse af syrekatalyseret forestring af alkoholer.
1783, Joseph Priestley , transformation af ethanol fra ethylen.
Allerede i 1814 rapporterede Constantin Kirchhoff hydrolyse af stivelse katalyseret af syrer.
I 1817 opdagede Humphry Davy , at introduktionen af varmt platin i en blanding af luft og gasser fra kul førte til, at metallet blev opvarmet til hvidt .
I 1824 rapporterer William Henry forgiftningen af en katalysator: ethylen hæmmer reaktionen mellem brint og ilt på platin. Han bemærker også den selektive oxidation i reaktionen mellem ilt og en gasblanding sammensat af hydrogen, kulilte og methan.
Udtrykket katalyse blev introduceret af Berzelius i 1835 (fra det græske καταλύειν , hvilket betyder at løsne) for at nævne årsagen til en gruppe reaktioner. Denne idé havde ikke kun adepter, og Liebig modsatte sig for eksempel i tilfælde af gæring den teori om katalyse, der blev fremført af Berzelius. For Liebig skyldtes gæringsårsagen transmission af vibrationer fra gæringspartiklerne.
I 1845 viste William Grove , at en platinfilament også er en katalysator for nedbrydning af vand til hydrogen og ilt.
I 1850'erne forstod Kekulé , at loven om masseaktion og katalytiske kræfter var vigtige i kemiske reaktioner, og at de kræfter, der favoriserede foreningen af Aneinanderlagerung- molekyler, også forårsagede deres nedbrydning, og at produkter mellemled kunne isoleres. Se repræsentationen modsat.

I 1871 blev Deacon-processen (in) anvendt til oxidation af saltsyre til chlor udviklet: den bruger en lerstenkatalysator imprægneret med kobbersalte.
Kort efter, i 1877, demonstrerede Clément Georges Lemoine , at nedbrydningen af hydrogeniodid i dihydrogen og iod nåede det samme ligevægtspunkt ved 350 ° C, uanset om reaktionen blev udført med eller uden en katalysator (platin).
Denne egenskab blev bekræftet to år senere af Claude Louis Berthollet med forestring af organiske syrer og hydrolyse af estere , hvis reaktionsligevægt forbliver identisk med eller uden en katalysator.
Omkring 1901 understregede Georg Bredig vigtigheden af at forgifte en katalysator.

Katalyse til udvikling af kemi

Begyndelsen af det XX th århundrede markerer en opdagelse, der fortsætter med at virkningen i dag. Wilhelm Normann udfører hydrogeneringen af oliesyren ( cis -9-octadecenoic C 17 H 33 COOH), flydende, stearinsyre ( syre octadecanoic C 17 H 35 COOH), fast, på nikkelen fint opdelt. Denne hydrogenering stadig almindeligt anvendt i XXI th århundrede i mange områder (mad, apotek, sæbe, parfume, maling, osv ) og nikkel forbliver flagskibet katalysator.

Den syntese af ammoniak (NH 3 ) fra dinitrogen og dihydrogen er udviklet af Fritz Haber under højt tryk, ved middel temperatur og katalyseret af jern ( reduceret Fe 3 O 4 ). Denne ammoniak kan oxideres til nitrogenmonoxid ved oxidation, denne gang katalyseret af platin, til at tjene som en base til fremstilling af salpetersyre (HNO 3 ). I 1923 kontrollerede BASF et produktionsanlæg af methanol fra kulilte og brint over en katalysator baseret på zinkoxid og chromoxid . I samme periode gør Fischer-Tropsch-processen det muligt at opnå alkaner , alkener og alkoholer fra kulilte og hydrogen ved hjælp af en katalysator baseret på jern og cobalt. Katalytisk oxidation af svovldioxid til svovltrioxid på oxid af vanadium (V) (V 2 O 5 ) gør syntese i stor skala af svovlsyre .

I slutningen af 1930'erne dukkede katalytisk krakning op, hvilket gav muligheden for at bryde CC-obligationer . Denne Houdry-proces bruger en lerbaseret katalysator af den syrebehandlede montmorillonit- type og gør det muligt at opdele de store molekyler af råolie, typisk indeholdt i gasolier , i mindre, der udgør benzin. I samme årti, selektiv oxidation af ethylen til ethylenoxid oxid blev over en sølvbaseret katalysator udviklet, udviklet og markedsført af Union Carbide . Alle disse processer giver industriel adgang til basiske kemiske produkter og baner dermed vejen for udvikling af basiske kemikalier og specialkemikalier .

Lige efter anden verdenskrig vil Trente Glorieuses i vid udstrækning være til gavn for kemi med en stor udvikling af alle slags processer til stadig mere diversificerede produktioner. Katalyse vil være en vigtig aktør i denne udvikling. Den Polymerisationen er stærkt udviklet drage fordel af de grundlæggende molekyler produceret. I 1950'erne , polyethylen , polypropylen og polybutadien optrådte navnlig takket være den Ziegler-Natta koordineret polymerisation proces under anvendelse af katalysatorer baseret på organometalliske komplekser af titan og aluminium. Behandlingen af råolie hævder sig med hydroafsvovling på katalysatorer baseret på cobalt og molybdensulfid, hydrobehandlingen af naphthas på cobalt-molybdænkatalysatorer afsat på aluminiumoxid.

1960'erne markerede udseendet af aktive og selektive syntetiske zeolitter til isomerisering af alkaner og katalytisk krakning. Derfor vil disse materialer blive genstand for intense undersøgelser for deres katalytiske egenskaber, og forskere udvikler adskillige zeolitter med egenskaber tilpasset i henhold til reaktionerne, der skal katalyseres, men også til molekylernes form ved at kontrollere kanalernes størrelse. Den reaktioner involveret føring til flere og flere forskellige molekyler: den ammoxidation af propylen på katalysatorer baseret på bismuth og molybdæn oxider fører til fremstilling af acrylonitril , mens oxychlorering af ethylen. På katalysatorer baseret på kobber (II) chlorid fører til vinylchlorid .

I 1970'erne så katalysatoren ud, baseret på platin, rhodium og palladium. På dette tidspunkt blev enzymatisk katalyse udviklet industrielt med immobilisering af enzymer, hvilket tillod udvikling af halvsyntetiske penicilliner eller isomerisering af glucose til fruktose . Den indsats, der blev gjort under opdagelsen af syntetiske zeolitter, afspejles industrielt i 1980'erne , MTG-processen ( methanol til benzin : "methanol til benzin") gør det muligt at fremstille benzin fra methanol takket være H-ZSM5 zeolit, produktion af diesel fra CO og H 2 under anvendelse af kobolt-baserede katalysatorer. Den fine kemiske ikke tilbage med syntesen af vitamin K 4 anvendelse af en membran katalysator baseret på platin.

Listen er stadig meget lang, og molekylerne mere og mere detaljerede.

Generelle overvejelser

Katalysator

I kemi er en katalysator et stof, der øger hastigheden af en kemisk reaktion ; den deltager i reaktionen i et trin, men regenereres i et efterfølgende trin. Det er derfor ikke et af reagenserne. Hvis det er en del af produkterne, siges reaktionen at være autokatalyseret. Dette er f.eks. Tilfældet med ligningens reaktion

2 MnO 4- + 5 H 2 C 2 O 4+ 6 H + → 2 Mn 2+ + 10 CO 2+ 8 H 2 O

for hvilke Mn 2+ -ionerne har en katalytisk rolle.

Når en katalysator bruges til at fremskynde en transformation, siges den at være katalyseret. Katalysatorerne virker kun på forudbestemte produkter. Hvis en katalysator fremskynder reaktionen, siges det at være positiv. Hvis det bremser det, siges det at være negativt.

Katalysatorer bruges i vid udstrækning i industrien og i laboratoriet, fordi de i høj grad øger produktionen af produkter, mens produktionsomkostningerne minimeres. I naturen og i biokemi har visse proteiner katalytisk aktivitet. Dette er enzymerne .

Katalysatoren øger reaktionshastigheden ved at indføre nye reaktionsveje (mekanisme) og ved at sænke dens aktiveringsenergi eller Gibbs fri aktiveringsenergi. Derved gør det det muligt at øge hastigheden eller sænke reaktionstemperaturen. Katalysatoren ændrer ikke den samlede Gibbs frie energi af reaktionen, som er en funktion af systemets tilstand og har derfor ingen indvirkning på ligevægtskonstanten .

Ud over at ændre reaktionshastigheden kan valget af en katalysator være baseret på andre parametre:

selektivitet: en selektiv katalysator fremmer dannelsen af det ønskede produkt i forhold til de sekundære produkter. For eksempel, når metallisk sølv anvendes til at katalysere reaktionen ved dannelse af ethylenoxid fra ilt og ethylen , ledsages denne reaktion af den mere termodynamisk gunstige dannelse af C02 .og H 2 O ;
levetid: katalysatoren skal være i stand efter flere reaktionscyklusser.

Efterfølgningen af trin, der fører til dannelsen af et produkt, er ikke den samme i nærvær og i fravær af en katalysator.

I mangel af en katalysator får det kemiske systems potentielle energi en vigtig værdi, der gør reaktionen langsom (eller analogt den udmattende gang).
På den anden side gør tilstedeværelsen af en katalysator det muligt at opnå den samme endelige tilstand, men ved en række trin, hvoraf ingen har en høj potentialenergi.

Reaktionsvejen er derfor forskellig i nærvær og i fravær af katalysatoren; antallet af trin er generelt højere med katalyse end uden, men alle trin er hurtige.

Mekanisme type

Katalysatoren reagerer generelt med en eller flere reaktanter for at tilvejebringe et mellemprodukt , som tilvejebringer reaktionsproduktet, mens katalysatoren regenereres. For eksempel kan balancen mellem en R → P-reaktion i nærvær af en katalysator (C) skrives:

R + C → RC (1) RC → P + C (2) Disse to trin kan eller ikke være kemiske ligevægte .

Selvom katalysatoren forbruges i trin (1), regenereres den ved trin (2). Summen af de to faser er derfor identisk med den annoncerede saldo:

R → P

Imidlertid forekommer katalysatoren generelt i loven om hastighed . Hvis det kinetisk bestemmende trin i diagrammet ovenfor er det første R + C → RC-trin , vil den katalyserede reaktion være af anden rækkefølge med hastighedsligningen v = k cat [R] [C]. Men den katalyserede mekanisme finder sted parallelt med den ukatalyserede reaktion. Hvis sidstnævnte er elementært , vil dens hastighedsligning være v = k 0 [R], og den samlede hastighedsligning vil være v = k 0 [R] + k cat [R] [C], som kan skrives

v = k [R], hvor k = k 0 + k kat [C].

Her er hastighedskoefficienten ( k ) summen af to termer. Den første faktor, der normalt lille, repræsenterer hastigheden konstant af reaktionen uden katalysator. Det andet udtryk er proportionalt med koncentrationen af katalysatoren, som forbliver konstant i løbet af en reaktion over tid.

Katalyse og reaktionsenergi

En katalysator fungerer ved at tillade en alternativ mekanisme, der involverer forskellige overgangstilstande og lavere aktiveringsenergier. I tilfælde af en simpel bimolekylær reaktion af type A + B erstattes overgangstilstanden således med et reaktionsmellemprodukt med lavere energi ledsaget af to overgangstilstande, selv med lavere energi. Effekten af denne ændring er, at flere molekylære kollisioner har energi til at nå overgangstilstanden. En katalysator gør det således muligt at udføre reaktioner, som, selvom de var termodynamisk gennemførlige, var kinetisk umulige eller markant langsommere. En katalysator sænker derfor aktiveringsenergien ved en reaktion.

En katalysator kan ikke muliggøre en energisk ugunstig reaktion, mere end den kan forstyrre den endelige ligevægt. Reaktionen og den omvendte reaktion katalyseres også (mikroreversibilitetsprincip). Den frie entalpi af reaktionen er uændret.

Klassificering efter katalysatorens art

Heterogen katalyse

Katalyse er heterogen, når katalysatoren og reagenserne ikke er i den samme fase. Langt de fleste tilfælde af heterogen katalyse involverer en katalysator i fast form, hvor reaktanterne derefter er gasformige og / eller flydende. De vigtigste faser af mekanismen er beskrevet i figuren overfor.

Homogen katalyse

I homogen katalyse er reaktanterne og katalysatoren til stede i den samme fase. Denne type katalyse findes ofte i organisk kemi, hvor mange reaktioner finder sted med reagenser i opløsning, i nærværelse af H + -ioner , Lewis-syrer , komplekser osv. , som alle er lige så opløselige.

Enzymatisk katalyse

I biologi er enzymer katalysatorer for metaboliske reaktioner . De har strukturer baseret på proteiner . Opløselige enzymer kan betragtes som mellemprodukter mellem homogene og heterogene katalysatorer; de er homogene på makroskopisk niveau, men på molekylært niveau finder de katalyserede reaktioner sted på overfladen af enzymet som til heterogen katalyse. Enzymerne, der er knyttet til biologiske membraner, er på den anden side heterogene.

Klassificering efter den aktiverede reaktionstype

Syrebasekatalyse

I disse reaktioner fungerer katalysatoren som en syre eller en base . Denne syre eller denne base er generelt H + , HO - ioner , Lewis-syrer eller baser, eller endda metaloxider (Al 2 O 3, V 2 O 5, Etc. ). Der er to tilfælde, afhængigt af om reaktionen accelereres af alle syrer (henholdsvis alle baser), der kaldes generel katalyse, eller om der især kræves en syre (eller en base), hvilket kræver specifik katalyse.

Specifik katalyse

I nogle tilfælde tjener en bestemt syre som en katalysator. Mekanismen går derefter gennem en mekanisme, der er specifik for den, og som ville være anderledes for en anden syre. Dette er tilfældet med halogeneringsreaktionen af propanon :

CH 3 CO-CH 3+ X 2→ CH 3 CO-CH 2 X + HX X = I eller Br

Denne reaktion fremskyndes ved H 3 O + (eller af HO - ). Hastigheden konstant er af formen

k = k 0 + k 1 [H 3 O + ] + k 2 [HO - ]. med k 0 , hastighedskonstanten af ikke-katalyserede reaktion. Værdien af k 0 er meget lav sammenlignet med k 1 og k 2 (dermed den bemærkelsesværdige virkning af stigningen i hastighed med H 3 O + og HO - katalysatorer ).

Tilsætningen af en svag syre kun ændrer hastigheden af variationen af koncentrationen [H 3 O + ], at den tillader, og ikke ved variationen af egen koncentration. Dette indikerer, at det er specifikt H 3 O + katalysatoren, og ikke blot som helst syre.

Den inversion af saccharose er også specifik katalyse art. Dens ligning er:

Saccharose + vand → glucose + fruktose eller C 12 H 22 O 11+ H 2 O→ C 6 H 12 O 6+ C 6 H 12 O 6

Halogeneringen af nitroalkaner er et eksempel på specifik basisk katalyse.

Generel katalyse

For at en katalyse skal være generel syrebase, skal svage syrer (eller baser) også katalysere reaktionen. Denne katalyse skal afhænge af koncentrationen af svag syre og ikke kun af, at denne syre kan frigive H + -ioner .

Hastigheden konstant , i specifik syrekatalyse er derfor af formen:

k = k 0 + k 1 [H 3 O + ] + k 2 [AH]. hvor [AH] er den svage syrekoncentration.

For at vise denne egenskab af almindelig syrekatalyse, er det nødvendigt for eksempel at bestemme afhængigheden af hastigheden (derfor k ) som en funktion af mængden af AH tilsat, men dette i en bufret medium , således at udtrykket k 1 [ H 3 O + ] holdes konstant.

Oxidationsreduktionskatalyse

Af redoxreaktioner kan katalyseres. F.eks. Katalyseres disproportioneringen af hydrogenperoxid af Fe2 + eller Fe3 + -ioner , hydrogeneringen af alkener med Raney-nikkel eller af understøttede ædle metaller. Hydrogenering og hydrodeoxygenering undersøges bredt på grund af deres relevans for valorisering af biobaserede forbindelser. Oxidative processer anvendes til syntese af kemikalier såsom formaldehyd, acetaldehyd, acrylsyre, benzoesyre. En sådan katalyse bringer generelt et redox-par i spil , hvis potentiale vil være mellem potentialet for oxidanten og reduktionsmidlet .

Nukleofil katalyse

Nukleofile substitutionsreaktioner kan accelereres stærkt i nærvær af spor af andre nukleofiler. Det klassiske eksempel er lithiumiodid. I dette salt er iodidionen meget lidt bundet til lithium og er en ret effektiv nukleofil. Jodidionen er også en meget effektiv nukleofuge. Det vil derfor fortrænges hurtigere af hovednukleofilen, end reaktionen ville have fundet sted i fravær af katalysator.

Faseoverførselskatalyse

Her er ideen at bringe kontaktarter, der er i to forskellige faser. Således nukleofile substitutioner, for eksempel

RCl + HO - → ROH + Cl -

ville være opnåelig, hvis basen HO - som er i den vandige fase og RCl-substratet, som i den organiske fase kunne mødes. En kemisk art, der ville transportere hydroxidionen fra den vandige fase til den organiske fase og derefter transportere nucleofugen Cl - tilbage fra den organiske fase til den vandige fase uden at transformere sig selv ville være en katalysator, og i dette tilfælde en katalysator for fase overførsel. En væsentlig regel er, at hver fase skal respektere elektronisk neutralitet, så hvis en kation skifter fase, skal en anion ændre sig på samme tid (eller en kation skal ændre sig samtidig i den anden retning).

Ammoniumkationer substitueret med alkylkæder, for eksempel (C 4 H 9 ) N+ , kan spille en sådan katalytisk rolle. I kraft af deres positive ladning kan de solvatiseres i den vandige fase, og ved deres alkylkæder kan de solvatiseres i den organiske fase. Det første trin er i dette tilfælde overførslen af (C 4 H 9 ) N+ + HO - (globalt neutrale arter). Substitutionsreaktionen kan finde sted i den organiske fase og producere Cl - anionen . De arter (C 4 H 9 ) N+ + Cl - (stadig globalt neutral) kan passere ind i den vandige fase. Ammoniumkationen er derefter igen tilgængelig for en ny HO - ionoverførsel .

Nukleofile substitutioner er ikke de eneste, der kan bringe i spil en faseoverføringskatalyse, f.eks oxidation af styren ved permanganat ioner, i nærvær af (C 4 H 9 ) N+ + HSO 4 - .

Autokatalyse

I visse tilfælde vises katalysatoren i reaktionens balance på produktsiden: reaktionen autokatalyseres derefter . Effekten af en autokatalyse resulterer i en stigning i reaktionshastigheden (mens hastigheden altid falder, når reaktionen skrider frem), før den falder. Stigningen i hastighed skyldes stigningen i katalysatorkoncentrationen og dens fald til den betydelige forsvinden af dens reaktanter.

Nogle eksempler på reaktioner og processer

Et stort antal kemiske processer har mindst et katalyseret trin, hvad enten det drejer sig om fremstilling af syntetiske fibre, lægemidler eller fødevaretilsætningsstoffer, for ikke at nævne alle de biologiske reaktioner, der er katalyseret af enzymer. Ved at fremme lavforurenende reaktioner er katalyse desuden en af søjlerne i grøn kemi . Resten af dette afsnit giver eksempler på katalyserede reaktioner i henhold til anvendelsessektorerne.

Katalyserer i hverdagen

Individuel opvarmning med gas ved katalyse er ikke farlig, fordi den praktisk talt ikke udsender CO.
Den katalysator er uden tvivl den mest kendte eksempel på katalyse.
Brug af bagegær til fremstilling af brød.

Katalyse i store industrielle processer

Ifølge.

De industrielle processer, der bruger katalysatorer, sparer kemikalier (højere udbytter, syntese i færre trin), tid (og derfor penge) og energi ved involvering af processer ved lavere temperaturer. Nogle eksempler på større industrielle processer er:

syntese af ammoniak NH 3 fra dens elementer H 2 og N 2 , katalyseret af jern ( Haber proces );
syntese af svovlsyre ved kontakt proces (oxidation af SO 2 til SO 3 katalyseret af V 2 O 5 );
reformering i petrokemikalier (omdannelse af platin og aluminiumoxid af naphtheniske molekyler til aromatiske molekyler );
krakning i petrokemikalier for at omdanne tunge nedskæringer til små molekyler takket være zeolitter .

Eksperimenter brugt til undervisning i katalyse

Flammeløst lampeeksperiment (oxidation af ethanol med luft i nærværelse af kobber).
Forskellig nedbrydning af hydrogenperoxid af jernioner, platin, mangandioxid, blod, et stykke radise osv.
Reaktioner i organisk kemi ( forestring , hydrolyse osv.) Katalyseret af en stærk syre .

Sjov katalyse

Den aske kan være en katalysator under forbrænding af sukker . Sidstnævnte, opvarmet med en lighter, producerer ingen flamme. Dækket med aske kan den antænde og brænde med en blå flamme.
The Berger lampe eliminerer dårlig lugt ved at diffundere et produkt, der katalyserer det aktive stof i luften .

Noter og referencer

Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch , München / Wien, 1965.
Schuffenecker L., Scacchi G., Proust B. Foucaut J.-F., Martel L. og Bouchy M. (1991), Chemical termodynamik og kinetik , Ed. Tec & doc, koll. “Kemioplysninger”, s. 351 .
(in) Laidler Keith J. Meiser og John H., Physical Chemistry (Benjamin / Cummings 1982), s. 424 ( ISBN 0-8053-5682-7 ) .
(in) Benedict Join, " Catalyse " om forskning ,1 st januar 2007(adgang til 25. oktober 2013 ) .
JR Partington ( 1989), A Short History of Chemistry , red. Dover, s. 196, 213 .
Ibid. , s. 230 .
Ibid. , s. 289 .
Ibid. , s. 341 .
“ Catalyze ” , på www.physique-et-matiere.com (adgang 21. februar 2021 )
Quebec Association of Primary-Secondary Computer Users, " Faktorer, der påvirker hastigheden af en reaktion, " Quebec Association of Elementary-Secondary Computer Users,2005(adgang 31. marts 2009 ) .
Schuffenecker L., Scacchi G., Proust B. Foucaut J.-F., Martel L. og Bouchy M. (1991), Chemical thermodynamics and kinetics , Ed. Tec & doc, koll. “Kemioplysninger”, s. 354 .
Schuffenecker L., Scacchi G., Proust B. Foucaut J.-F., Martel L. og Bouchy M. (1991), Chemical thermodynamics and kinetics , Ed. Tec & doc, koll. “Kemioplysninger”, s. 356 .
(in) Emőke Sikora , Adrienn Kiss , Zsuzsa H. Göndör og Péter Pekker , " Finjustering af den katalytiske aktivitet ved anvendelse af nitrogen-doterede carbon-nanorør som katalysatorunderstøtter til hydrogenering af olefiner " , reaktionskinetik, mekanismer og katalyse ,14. december 2019( ISSN 1878-5204 , DOI 10.1007 / s11144-019-01705-7 , læst online , hørt den 8. februar 2020 ).
(i) Feras Alshehri Clement Feral Kathleen Kirkwood og David S. Jackson , " Lav temperatur hydrogenering og hydrodeoxygenering af oxygen-substituerede aromater end Rh / silica: del 1: phenol, anisol og 4-methoxyphenol " , Reaction Kinetics, Mechanisms og katalyse , vol. 128, n o 1,1 st oktober 2019, s. 23–40 ( ISSN 1878-5204 , DOI 10.1007 / s11144-019-01630-9 , læst online , adgang til 8. februar 2020 ).
(i) Dan Chen , Jing Shi , Yanbin Yao og Shiwen Wang , " Forbedret katalytisk aktivitet mod formaldehydoxidation over Ag-katalysatorer understøttet af carbon-nanorør " , Reaktionskinetik, Mekanismer og katalyse , bind. 127, nr . 1,1 st juni 2019, s. 315–329 ( ISSN 1878-5204 , DOI 10.1007 / s11144-019-01549-1 , læst online , adgang til 8. februar 2020 ).
(i) Mikhail V. Parfenov og Larisa V. Pirutko , " Oxidation af ethylen til acetaldehyd med N2O er Na-modificeret FeZSM-5 zeolit " , reaktionskinetik, mekanismer og katalyse , bind. 127, nr . 21 st august 2019, s. 1025–1038 ( ISSN 1878-5204 , DOI 10.1007 / s11144-019-01610-z , læs online , adgang til 8. februar 2020 ).
(en) " Overfladekemi af fase-ren M1 MoVTeNb-oxid Under drift ved selektiv oxidation af propan til acrylsyre " , J. Catal. , Vol. 285,2012, s. 48-60 ( læs online ).
(in) " Reaktionsnetværket i propanoxidationstrin over rene MoVTeNb M1-oxidkatalysatorer " , J. Catal. ,2014, s. 369-385 ( læs online ).
(in) " multifunktionalitet af krystallinsk MoV (NBPT) M1-oxidkatalysatorer i selektiv oxidation af propan og benzylalkohol " , ACS Catal. , Vol. 3, nr . 6,2013, s. 1103-1113 ( læs online ).
R. Barbe og J.-F. Le Maréchal (2007), Experimental kemi , t. 2 , Dunod, Sciences sup, s. 39 .
Patrick Gélin, La combustion catalytique [PDF] , IRCELyon (adgang til 27. november 2020).
" 3 - Store industrielle processer i heterogen katalyse " [PDF] , på cours.espci.fr (adgang til 28. november 2020 ) .
"Den flammeløse lampe" , på scienceamusante.net .

Se også

Bibliografi

Jacques Angenault, La Chimie - encyklopædisk ordbog , Dunod, 1995 ( ISBN 2-10-002497-3 )

Relaterede artikler

Autokatalytisk reaktion
Katalysator
Hæmmer (kemi) • Katalysatorgift
Kulstof-nitrogen-ilt-cyklus (nukleart fænomen analogt med katalyse og aktiv i stjerner)

eksterne links

Patrick Gélin, katalytisk forbrænding [PDF] , IRCELyon
Katalyse , filmet konference af Christian Minot, Universiteter af al viden
Udvikling af faste katalysatorer , SFRS / CERIMES (gammel uddannelsesfilm, 1970)