Química é a ciência das substâncias e suas transformações, bem como os métodos para obtê-las. Mesmo em um currículo escolar regular, uma questão tão importante quanto os tipos de reações é considerada. A classificação que os escolares são introduzidos no nível básico leva em consideração a mudança no grau de oxidação, a fase do curso, o mecanismo do processo, etc. Além disso, todos os processos químicos são divididos em não catalíticos e catalíticos reações. Exemplos de transformações que ocorrem com a participação de um catalisador são encontrados por uma pessoa na vida comum: fermentação, decadência. Transformações não catalíticas são muito mais raras para nós.
O que é um catalisador
Esta é uma substância química que pode alterar a taxa de interação, mas não participa dela mesma. No caso em que o processo é acelerado com a ajuda de um catalisador, estamos falando de catálise positiva. Caso uma substância adicionada ao processo reduza a velocidade da reação, ela é chamada de inibidor.
Tipos de catálise
A catálise homogênea e heterogênea diferem em fase, emonde estão localizados os materiais de partida. Se os componentes iniciais tomados para interações, incluindo o catalisador, estiverem no mesmo estado de agregação, a catálise homogênea prossegue. No caso em que substâncias de fases diferentes participam da reação, ocorre catálise heterogênea.
Seletividade de ação
A catálise não é apenas um meio de aumentar a produtividade dos equipamentos, ela tem um efeito positivo na qualidade dos produtos resultantes. Esse fenômeno pode ser explicado pelo fato de que, devido à ação seletiva (seletiva) da maioria dos catalisadores, a reação direta é acelerada, os processos secundários são reduzidos. No final, os produtos resultantes são de alta pureza, não há necessidade de purificar ainda mais as substâncias. A seletividade da ação do catalisador proporciona uma redução real nos custos de não produção de matérias-primas, um bom benefício econômico.
Benefícios de usar um catalisador na produção
O que mais caracteriza as reações catalíticas? Exemplos de uma típica escola de ensino médio mostram que o uso de um catalisador permite que o processo seja realizado em temperaturas mais baixas. Experimentos confirmam que ele pode ser usado para reduzir significativamente os custos de energia. Isso é especialmente importante nas condições modernas, quando há f alta de recursos energéticos no mundo.
Exemplos de produção catalítica
Qual indústria usa reações catalíticas? Exemplos de tais produções:produção de ácidos nítrico e sulfúrico, hidrogênio, amônia, polímeros, refino de petróleo. A catálise é amplamente utilizada na produção de ácidos orgânicos, álcoois monohídricos e polihídricos, fenol, resinas sintéticas, corantes e medicamentos.
Qual é o catalisador
Muitas substâncias que estão na tabela periódica dos elementos químicos de Dmitry Ivanovich Mendeleev, assim como seus compostos, podem atuar como catalisadores. Entre os aceleradores mais comuns estão: níquel, ferro, platina, cob alto, aluminossilicatos, óxidos de manganês.
Características dos catalisadores
Além da ação seletiva, os catalisadores possuem excelente resistência mecânica, são capazes de suportar venenos catalíticos e são facilmente regenerados (recuperados).
De acordo com o estado de fase, as reações catalíticas homogêneas são divididas em fase gasosa e fase líquida.
Vamos dar uma olhada nesses tipos de reações. Em soluções, os cátions hidrogênio H+, os íons hidróxidos básicos OH-, os cátions metálicos M+ e as substâncias que contribuem para a formação de radicais livres atuam como aceleradores da transformação química.
A essência da catálise
O mecanismo de catálise na interação de ácidos e bases é que há uma troca entre as substâncias que interagem e os íons positivos do catalisador (prótons). Neste caso, ocorrem transformações intramoleculares. De acordo com issoreações são assim:
- desidratação (descolamento de água);
- hidratação (fixação de moléculas de água);
- esterificação (formação de éster a partir de álcoois e ácidos carboxílicos);
- policondensação (formação de um polímero com a eliminação de água).
A teoria da catálise explica não apenas o processo em si, mas também as possíveis transformações laterais. No caso de catálise heterogênea, o acelerador do processo forma uma fase independente, alguns centros na superfície dos reagentes possuem propriedades catalíticas, ou toda a superfície está envolvida.
Há também um processo microheterogêneo, que envolve a presença de um catalisador em estado coloidal. Esta variante é um estado de transição de um tipo de catálise homogênea para heterogênea. A maioria desses processos ocorre entre substâncias gasosas usando catalisadores sólidos. Eles podem estar na forma de grânulos, comprimidos, grãos.
Distribuição de catálise na natureza
A catálise enzimática é bastante difundida na natureza. É com a ajuda de biocatalisadores que prossegue a síntese de moléculas de proteína, o metabolismo em organismos vivos é realizado. Nem um único processo biológico que ocorre com a participação de organismos vivos contorna as reações catalíticas. Exemplos de processos vitais: síntese de proteínas específicas do corpo a partir de aminoácidos; quebra de gorduras, proteínas, carboidratos.
Algoritmo de catálise
Vamos considerar o mecanismo de catálise. Este processo, que ocorre em aceleradores de interação química sólida porosa, incluialguns estágios elementares:
- difusão de substâncias que interagem para a superfície dos grãos de catalisador a partir do núcleo do fluxo;
- difusão de reagentes nos poros do catalisador;
- quimissorção (adsorção ativada) na superfície de um acelerador de reação química com o aparecimento de substâncias químicas de superfície - complexos catalisador-reagente ativados;
- rearranjo de átomos com o aparecimento de combinações de superfície "produto-catalisador";
- difusão nos poros do acelerador de reação do produto;
- difusão do produto da superfície do grão do acelerador de reação para o fluxo do núcleo.
As reações catalíticas e não catalíticas são tão importantes que os cientistas continuam pesquisando nessa área há muitos anos.
Com catálise homogênea, não há necessidade de construir estruturas especiais. A catálise enzimática na versão heterogênea envolve o uso de equipamentos diversos e específicos. Para seu escoamento, foram desenvolvidos aparelhos de contato especiais, subdivididos de acordo com a superfície de contato (em tubos, em paredes, grades catalíticas); com uma camada de filtro; camada pesada; com catalisador pulverizado em movimento.
A troca de calor nos dispositivos é implementada de diferentes maneiras:
- através do uso de trocadores de calor remotos (externos);
- com a ajuda de trocadores de calor embutidos no aparelho de contato.
Analisando fórmulas em química, também podemos encontrar reações nas quais o catalisador é um dos produtos finais formados durante a interação químicacomponentes originais.
Esses processos são geralmente chamados de autocatalíticos, o fenômeno em si é chamado de autocatálise em química.
A velocidade de muitas interações está associada à presença de certas substâncias na mistura de reação. Suas fórmulas em química são mais frequentemente perdidas, substituídas pela palavra "catalisador" ou sua versão abreviada. Eles não são incluídos na equação estereoquímica final, pois não mudam do ponto de vista quantitativo após a conclusão da interação. Em alguns casos, pequenas quantidades de substâncias são suficientes para afetar significativamente a velocidade do processo. Situações também são bastante aceitáveis quando o próprio recipiente de reação atua como um acelerador da interação química.
A essência do efeito de um catalisador na alteração da velocidade de um processo químico é que essa substância está incluída na composição do complexo ativo e, portanto, altera a energia de ativação da interação química.
Quando este complexo se decompõe, o catalisador é regenerado. O resultado final é que não será gasto, permanecerá no mesmo valor após o término da interação. É por esta razão que uma pequena quantidade da substância ativa é suficiente para realizar a reação com o substrato (substância reagente). Na realidade, quantidades insignificantes de catalisadores ainda são consumidas durante os processos químicos, uma vez que vários processos colaterais são possíveis: seu envenenamento, perdas tecnológicas e uma mudança no estado da superfície de um catalisador sólido. As fórmulas químicas não incluem um catalisador.
Conclusão
Reações em que uma substância ativa (catalisador) participa envolvem uma pessoa, além disso, elas também ocorrem em seu corpo. As reações homogêneas são muito menos comuns do que as interações heterogêneas. Em qualquer caso, os complexos intermediários são formados primeiro, que são instáveis, são gradualmente destruídos e observa-se a regeneração (recuperação) do acelerador do processo químico. Por exemplo, quando o ácido metafosfórico reage com o persulfato de potássio, o ácido iodídrico atua como um catalisador. Quando é adicionado aos reagentes, forma-se uma solução amarela. À medida que você se aproxima do final do processo, a cor desaparece gradualmente. Nesse caso, o iodo atua como produto intermediário, e o processo ocorre em duas etapas. Mas assim que o ácido metafosfórico é sintetizado, o catalisador retorna ao seu estado original. Os catalisadores são indispensáveis na indústria, ajudam a acelerar as transformações e a obter produtos de reação de alta qualidade. Os processos bioquímicos em nosso corpo também são impossíveis sem a sua participação.
