La chimie est la science des substances et de leurs transformations, ainsi que des méthodes pour les obtenir. Même dans un programme scolaire régulier, une question aussi importante que les types de réactions est prise en compte. La classification à laquelle les écoliers sont initiés au niveau de base prend en compte le changement du degré d'oxydation, la phase du cours, le mécanisme du processus, etc. De plus, tous les processus chimiques sont divisés en processus non catalytiques et catalytiques réactions. Des exemples de transformations ayant lieu avec la participation d'un catalyseur sont rencontrés par une personne dans la vie ordinaire: fermentation, décomposition. Les transformations non catalytiques sont beaucoup plus rares pour nous.
Qu'est-ce qu'un catalyseur
Il s'agit d'une substance chimique qui peut modifier le taux d'interaction, mais qui n'y participe pas elle-même. Dans le cas où le processus est accéléré à l'aide d'un catalyseur, on parle de catalyse positive. Dans le cas où une substance ajoutée au processus réduit la vitesse de la réaction, on l'appelle un inhibiteur.
Types de catalyse
Catalyse homogène et hétérogène diffèrent en phase, enoù se trouvent les matières premières. Si les composants initiaux pris pour les interactions, y compris le catalyseur, sont dans le même état d'agrégation, la catalyse homogène se déroule. Dans le cas où des substances de phases différentes participent à la réaction, une catalyse hétérogène se produit.
Sélectivité d'action
La catalyse n'est pas seulement un moyen d'augmenter la productivité des équipements, elle a un effet positif sur la qualité des produits obtenus. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait qu'en raison de l'action sélective (sélective) de la plupart des catalyseurs, la réaction directe est accélérée, les processus secondaires sont réduits. Au final, les produits obtenus sont d'une grande pureté, il n'est pas nécessaire de purifier davantage les substances. La sélectivité de l'action du catalyseur donne une réelle réduction des coûts hors production des matières premières, un bon avantage économique.
Avantages de l'utilisation d'un catalyseur en production
Quoi d'autre caractérise les réactions catalytiques ? Des exemples tirés d'un lycée typique montrent que l'utilisation d'un catalyseur permet de réaliser le processus à des températures plus basses. Les expériences confirment qu'il peut être utilisé pour réduire considérablement les coûts énergétiques. Ceci est particulièrement important dans les conditions modernes, alors qu'il y a un manque de ressources énergétiques dans le monde.
Exemples de production catalytique
Quelle industrie utilise les réactions catalytiques ? Exemples de telles productions:production d'acides nitrique et sulfurique, hydrogène, ammoniac, polymères, raffinage du pétrole. La catalyse est largement utilisée dans la production d'acides organiques, d'alcools monohydriques et polyhydriques, de phénol, de résines synthétiques, de colorants et de médicaments.
Quel est le catalyseur
De nombreuses substances qui figurent dans le tableau périodique des éléments chimiques de Dmitry Ivanovich Mendeleev, ainsi que leurs composés, peuvent agir comme catalyseurs. Parmi les accélérateurs les plus courants figurent: le nickel, le fer, le platine, le cob alt, les aluminosilicates, les oxydes de manganèse.
Caractéristiques des catalyseurs
En plus d'une action sélective, les catalyseurs ont une excellente résistance mécanique, ils sont capables de résister aux poisons catalytiques et sont facilement régénérés (récupérés).
Selon l'état de phase, les réactions catalytiques homogènes sont divisées en phase gazeuse et en phase liquide.
Examinons de plus près ces types de réactions. Dans les solutions, les cations hydrogène H+, les ions de base hydroxyde OH-, les cations métalliques M+ et les substances qui contribuent à la formation de radicaux libres agissent comme un accélérateur de transformation chimique.
L'essence de la catalyse
Le mécanisme de la catalyse dans l'interaction des acides et des bases est qu'il y a un échange entre les substances en interaction et les ions positifs du catalyseur (protons). Dans ce cas, des transformations intramoléculaires ont lieu. Selon celes réactions vont comme ceci:
- déshydratation (détachement d'eau);
- hydratation (fixation des molécules d'eau);
- estérification (formation d'esters à partir d'alcools et d'acides carboxyliques);
- polycondensation (formation d'un polymère avec élimination d'eau).
La théorie de la catalyse explique non seulement le processus lui-même, mais aussi les transformations secondaires possibles. Dans le cas de la catalyse hétérogène, l'accélérateur du processus forme une phase indépendante, certains centres à la surface des réactifs possèdent des propriétés catalytiques, ou toute la surface est impliquée.
Il existe également un processus microhétérogène, qui implique la présence d'un catalyseur à l'état colloïdal. Cette variante est un état de transition d'un type homogène à un type hétérogène de catalyse. La plupart de ces processus se déroulent entre des substances gazeuses à l'aide de catalyseurs solides. Ils peuvent se présenter sous forme de granulés, de comprimés, de grains.
Répartition de la catalyse dans la nature
La catalyse enzymatique est assez répandue dans la nature. C'est à l'aide de biocatalyseurs que se déroule la synthèse des molécules protéiques, le métabolisme dans les organismes vivants s'effectue. Pas un seul processus biologique qui se produit avec la participation d'organismes vivants ne contourne les réactions catalytiques. Exemples de processus vitaux: synthèse de protéines propres à l'organisme à partir d'acides aminés; décomposition des graisses, protéines, glucides.
Algorithme de catalyse
Considérons le mécanisme de la catalyse. Ce processus, qui se déroule sur des accélérateurs d'interactions chimiques solides poreux, comprendquelques étapes élémentaires:
- diffusion de substances en interaction à la surface des grains de catalyseur depuis le cœur de l'écoulement;
- diffusion de réactifs dans les pores du catalyseur;
- chimisorption (adsorption activée) à la surface d'un accélérateur de réaction chimique avec apparition de substances chimiques de surface - complexes catalyseur-réactif activés;
- réarrangement des atomes avec apparition de combinaisons de surface "catalyseur-produit";
- diffusion dans les pores de l'accélérateur de réaction du produit;
- diffusion du produit de la surface du grain de l'accélérateur de réaction dans le flux central.
Les réactions catalytiques et non catalytiques sont si importantes que les scientifiques ont poursuivi leurs recherches dans ce domaine pendant de nombreuses années.
Avec la catalyse homogène, il n'est pas nécessaire de construire des structures particulières. La catalyse enzymatique en version hétérogène implique l'utilisation d'équipements divers et spécifiques. Pour son écoulement, des appareils de contact spéciaux ont été développés, subdivisés selon la surface de contact (en tubes, sur parois, grilles catalytiques); avec une couche filtrante; couche pesée; avec catalyseur pulvérisé en mouvement.
L'échange de chaleur dans les appareils est mis en œuvre de différentes manières:
- grâce à l'utilisation d'échangeurs de chaleur à distance (externes);
- à l'aide d'échangeurs de chaleur intégrés à l'appareil de contact.
En analysant les formules en chimie, on peut également trouver de telles réactions dans lesquelles le catalyseur est l'un des produits finaux qui se forme lors de l'interaction chimiquecomposants d'origine.
Ces processus sont généralement appelés autocatalytiques, le phénomène lui-même est appelé autocatalyse en chimie.
Le taux de nombreuses interactions est associé à la présence de certaines substances dans le mélange réactionnel. Leurs formules en chimie sont le plus souvent omises, remplacées par le mot "catalyseur" ou sa version abrégée. Ils ne sont pas inclus dans l'équation stéréochimique finale, car ils ne changent pas d'un point de vue quantitatif après la fin de l'interaction. Dans certains cas, de petites quantités de substances sont suffisantes pour affecter de manière significative la vitesse du processus. Les situations sont également tout à fait acceptables lorsque le réacteur lui-même agit comme un accélérateur d'interaction chimique.
L'essence de l'effet d'un catalyseur sur la modification de la vitesse d'un processus chimique est que cette substance est incluse dans la composition du complexe actif et modifie donc l'énergie d'activation de l'interaction chimique.
Lorsque ce complexe se décompose, le catalyseur est régénéré. L'essentiel est qu'il ne sera pas dépensé, il restera au même montant après la fin de l'interaction. C'est pour cette raison qu'une petite quantité de la substance active est tout à fait suffisante pour effectuer la réaction avec le substrat (substance réactive). En réalité, des quantités insignifiantes de catalyseurs sont encore consommées au cours des procédés chimiques, puisque divers processus secondaires sont possibles: son empoisonnement, des pertes technologiques, et un changement de l'état de surface d'un catalyseur solide. Les formules chimiques n'incluent pas de catalyseur.
Conclusion
Les réactions auxquelles participe une substance active (catalyseur) entourent une personne, en plus, elles se produisent également dans son corps. Les réactions homogènes sont beaucoup moins fréquentes que les interactions hétérogènes. Dans tous les cas, des complexes intermédiaires sont d'abord formés, qui sont instables, sont progressivement détruits et la régénération (récupération) de l'accélérateur du processus chimique est observée. Par exemple, lorsque l'acide métaphosphorique réagit avec le persulfate de potassium, l'acide iodhydrique agit comme catalyseur. Lorsqu'il est ajouté aux réactifs, une solution jaune se forme. À mesure que vous approchez de la fin du processus, la couleur disparaît progressivement. Dans ce cas, l'iode agit comme un produit intermédiaire et le processus se déroule en deux étapes. Mais dès que l'acide métaphosphorique est synthétisé, le catalyseur revient à son état d'origine. Les catalyseurs sont indispensables dans l'industrie, ils permettent d'accélérer les transformations et d'obtenir des produits de réaction de haute qualité. Les processus biochimiques dans notre corps sont également impossibles sans leur participation.
