Понятие и классификация катализаторов
Катализатором является вещество, участвующее в элементарных химических и физических стадиях процесса катализа, которое изменяет путь и скорость протекания отдельно взятой стадии химической реакции, но после окончания химического превращения выделяется в первоначальной структуре и неизменном химическом составе.
Активный центр катализатора - это химическое вещество (изолированной или агрегированной с другими веществами структуры), которое имеет структуру и состав, гарантирующие его реакционную способность образовывать интермедиаты (промежуточные вещества), необходимые для трансформации исходных веществ в продукты реакции.
Выбирая оптимальный состав катализатора, можно регулировать соотношение целевой и побочных реакций для достижения максимальной эффективности процесса.
Температура реакционного процесса может быть значительно снижена за счет проведения реакции в присутствии катализатора.
ВАЖНО: реакции, которые термодинамически невозможно провести, также невозможно провести в присутствии катализатора.
Катализаторы задействованы в физических процессах, в которых выделяются такие элементарные стадии как:
- сорбция молекул на поверхности жидкости и твёрдых тел;
- благоприятная ориентация молекул реагирующих веществ в поле активного центра и в химических реакциях;
- последующая активация молекулы реагирующего вещества, посредством перевода её из основного в возбуждённое состояние;
- участие в элементарных каталитических – химических стадиях с формированием каталитических комплексов, молекул продуктов реакции и побочных продуктов;
- десорбция молекул исходных веществ и продуктов реакции с поверхности катализаторов с их восстановлением.
Свойства катализаторов
Любой катализатор, в первую очередь, характеризуется тремя основными
параметрами: активностью, селективностью и стабильностью.
Активность катализатора – это его производительность, которая характеризует какое количество исходного реагента может пройти целевое превращение на катализаторе в единицу времени.
Скорость каталитической реакции значительно больше некаталитической в обычном случае, поэтому реакция характеризуется удельной скоростью, рассчитываемой по формуле:
Формально активность катализатора допустимо оценивать по соотношению скоростей каталитической и некаталитической реакций в заданных условиях.
Катализатор, не смещая равновесия, сокращает время до его достижения, а значит каталитическую активность можно оценить по изменению энергии ак-
тивации при условии протекания реакций в одинаковых условиях условиях:
Активность катализатора определяется количеством и природой активных центров Nац, которые принимают участие в каталитическом процессе. Поэтому в идеальных условиях, при участии в катализе всех активных центров, активность определяется, как наибольшее количество молекул Nмол, которое прореагирует на 1 активном центре в единицу времени t:
Данная величина называется абсолютной активностью, или TOF (turnover
frequency) – «частотой оборотов».
Активность катализатора при гетерогенном катализе величина пропорциональная площади работающей поверхности, на которой размещаются активные центры:
- для непористых катализаторов величины работающей и общей поверхности равны;
- для пористых катализаторов рабочей является только поверхность доступная для реагентов;
- число активных центров чаще всего неизвестно даже на доступной поверхности.
В качестве характеристики активности катализатора также применима
величина TОN (turnover number) – «число оборотов», рассчитываемая как коли-
чество молей продукта, которые образовались на одном моле катализатора до момента полной потери катализатором своей активности. У идеального
катализатора параметр TОN равен бесконечности.
Значение каталитической активности требуется для технологических расчетов при:
- масштабировании процесса (при переходе от лабораторной установки к пилотной, полупромышленной и далее к промышленному реактору);
- чтобы производить сравнительную оценку катализаторов при их подборе.
Селективностью называется характеристика катализатора, которая определяет его способность ускорять химические превращения исходных веществ в сторону образования конкретного продукта из числа возможных.
Селективность катализатора объясняется следующим:
- вещества, способные к превращению с получением различных продуктов, могут формировать на разных активных центрах катализатора активированные комплексы отличающейся конфигурации;
- отличия в конфигурациях активированного комплекса становится причиной изменения пути протекания процесса и образования разных продуктов;
- из нескольких возможных реакций катализатор ускоряет не обязательно ту, для которой убыль потенциальной энергии наибольшая;
- для гетерогенных катализаторов может достигаться также и за счет их пористой структуры.
Стабильность – важнейшая характеристика катализатора определяемая его
способностью сохранять начальную величину активности и селективности по прошествии времени, т. е. иметь достаточный период эксплуатации с неизменной активностью и общую продолжительность работы. Характеристикой стабильности является величина TОN.
Период устойчивой работы для разных катализаторов может сильно отличаться, например:
- активность промышленных железных катализаторов синтеза аммиака сохраняется на протяжении нескольких лет;
- алюмосиликатные катализаторы крекинга требуют регенерации через несколько секунд.
Неограниченное время может функционировать лишь идеальный катализатор, но на практике даже наиболее активные катализаторы по прошествии времени дезактивируются. Специальная обработка катализаторов в заданных условиях, или регенерация, позволяет восстановить их активность.
Если статья была вам интересной и полезной, ставьте лайк, а если хотите ежедневно получать новые статьи и узнавать больше о нефтепереработке, то подписывайтесь на канал.
