La química es la ciencia de las sustancias y sus transformaciones, así como los métodos para obtenerlas. Incluso en un currículo escolar regular, se considera un tema tan importante como los tipos de reacciones. La clasificación que se presenta a los escolares en el nivel básico tiene en cuenta el cambio en el grado de oxidación, la fase del curso, el mecanismo del proceso, etc. Además, todos los procesos químicos se dividen en no catalíticos y catalíticos. reacciones Una persona encuentra ejemplos de transformaciones que tienen lugar con la participación de un catalizador en la vida ordinaria: fermentación, descomposición. Las transformaciones no catalíticas son mucho más raras para nosotros.
¿Qué es un catalizador?
Esta es una sustancia química que puede cambiar la tasa de interacción, pero no participa en ella misma. En el caso de que el proceso se acelere con la ayuda de un catalizador, estamos hablando de catálisis positiva. En el caso de que una sustancia añadida al proceso reduzca la velocidad de la reacción, se denomina inhibidor.
Tipos de catálisis
La catálisis homogénea y heterogénea difieren en fase, enque se encuentran los materiales de partida. Si los componentes iniciales tomados por interacciones, incluido el catalizador, están en el mismo estado de agregación, procede la catálisis homogénea. En el caso de que en la reacción participen sustancias de diferentes fases, se produce una catálisis heterogénea.
Selectividad de acción
La catálisis no es solo un medio para aumentar la productividad de los equipos, tiene un efecto positivo en la calidad de los productos resultantes. Este fenómeno puede explicarse por el hecho de que debido a la acción selectiva (selectiva) de la mayoría de los catalizadores, la reacción directa se acelera y los procesos secundarios se reducen. Al final, los productos resultantes son de alta pureza, no hay necesidad de purificar más las sustancias. La selectividad de la acción del catalizador proporciona una reducción real de los costes no productivos de las materias primas, un buen beneficio económico.
Beneficios de usar un catalizador en la producción
¿Qué más caracteriza las reacciones catalíticas? Los ejemplos de una escuela secundaria típica muestran que el uso de un catalizador permite que el proceso se lleve a cabo a temperaturas más bajas. Los experimentos confirman que se puede utilizar para reducir significativamente los costos de energía. Esto es especialmente importante en las condiciones modernas, cuando hay escasez de recursos energéticos en el mundo.
Ejemplos de producción catalítica
¿Qué industria utiliza reacciones catalíticas? Ejemplos de tales producciones:producción de ácidos nítrico y sulfúrico, hidrógeno, amoníaco, polímeros, refinación de petróleo. La catálisis se utiliza ampliamente en la producción de ácidos orgánicos, alcoholes monohídricos y polihídricos, fenol, resinas sintéticas, colorantes y medicamentos.
¿Qué es el catalizador?
Muchas sustancias que se encuentran en la tabla periódica de elementos químicos de Dmitry Ivanovich Mendeleev, así como sus compuestos, pueden actuar como catalizadores. Entre los aceleradores más comunes se encuentran: níquel, hierro, platino, cob alto, aluminosilicatos, óxidos de manganeso.
Características de los catalizadores
Además de la acción selectiva, los catalizadores tienen una excelente resistencia mecánica, son capaces de resistir venenos catalíticos y se regeneran (recuperan) fácilmente.
Según el estado de fase, las reacciones catalíticas homogéneas se dividen en fase gaseosa y fase líquida.
Echemos un vistazo más de cerca a este tipo de reacciones. En soluciones, los cationes de hidrógeno H+, los iones básicos de hidróxido OH-, los cationes metálicos M+ y las sustancias que contribuyen a la formación de radicales libres actúan como aceleradores de la transformación química.
La esencia de la catálisis
El mecanismo de catálisis en la interacción de ácidos y bases es que hay un intercambio entre las sustancias que interactúan y los iones positivos del catalizador (protones). En este caso, tienen lugar transformaciones intramoleculares. De acuerdo a estolas reacciones son así:
- deshidratación (desprendimiento de agua);
- hidratación (fijación de moléculas de agua);
- esterificación (formación de ésteres a partir de alcoholes y ácidos carboxílicos);
- policondensación (formación de un polímero con eliminación de agua).
La teoría de la catálisis explica no solo el proceso en sí, sino también las posibles transformaciones secundarias. En el caso de la catálisis heterogénea, el acelerador del proceso forma una fase independiente, algunos centros en la superficie de los reactivos poseen propiedades catalíticas o toda la superficie está involucrada.
También existe un proceso microheterogéneo, que implica la presencia de un catalizador en estado coloidal. Esta variante es un estado de transición de un tipo de catálisis homogénea a una heterogénea. La mayoría de estos procesos tienen lugar entre sustancias gaseosas utilizando catalizadores sólidos. Pueden estar en forma de gránulos, tabletas, granos.
Distribución de la catálisis en la naturaleza
La catálisis enzimática está bastante extendida en la naturaleza. Es con la ayuda de biocatalizadores que procede la síntesis de moléculas de proteína, se lleva a cabo el metabolismo en los organismos vivos. Ni un solo proceso biológico que ocurre con la participación de organismos vivos pasa por alto las reacciones catalíticas. Ejemplos de procesos vitales: síntesis de proteínas específicas del organismo a partir de aminoácidos; descomposición de grasas, proteínas, carbohidratos.
Algoritmo de catálisis
Consideremos el mecanismo de la catálisis. Este proceso, que tiene lugar en aceleradores de interacción química sólidos porosos, incluyeusted mismo algunas etapas elementales:
- difusión de sustancias que interactúan a la superficie de los granos de catalizador desde el núcleo del flujo;
- difusión de reactivos en los poros del catalizador;
- quimisorción (adsorción activada) en la superficie de un acelerador de reacción química con la apariencia de sustancias químicas superficiales - complejos activados catalizador-reactivo;
- reordenamiento de átomos con aparición de combinaciones superficiales "catalizador-producto";
- difusión en los poros del producto acelerador de reacción;
- difusión del producto desde la superficie del grano del acelerador de reacción hacia el flujo del núcleo.
Las reacciones catalíticas y no catalíticas son tan importantes que los científicos han continuado investigando en esta área durante muchos años.
Con catálisis homogénea, no es necesario construir estructuras especiales. La catálisis enzimática en la versión heterogénea implica el uso de varios y específicos equipos. Para su flujo se han desarrollado aparatos especiales de contacto, subdivididos según la superficie de contacto (en tubos, sobre paredes, rejillas catalizadoras); con una capa de filtro; capa pesada; con catalizador pulverizado en movimiento.
El intercambio de calor en los dispositivos se implementa de diferentes maneras:
- mediante el uso de intercambiadores de calor remotos (externos);
- con la ayuda de intercambiadores de calor integrados en el aparato de contacto.
Al analizar fórmulas en química, también se pueden encontrar reacciones en las que el catalizador es uno de los productos finales que se forman durante la interacción químicacomponentes originales.
Tales procesos suelen denominarse autocatalíticos, el fenómeno en sí mismo se denomina autocatálisis en química.
La tasa de muchas interacciones está asociada con la presencia de ciertas sustancias en la mezcla de reacción. Sus fórmulas en química se pierden con mayor frecuencia, reemplazadas por la palabra "catalizador" o su versión abreviada. No se incluyen en la ecuación estereoquímica final, ya que no cambian desde un punto de vista cuantitativo después de la finalización de la interacción. En algunos casos, pequeñas cantidades de sustancias son suficientes para afectar significativamente la velocidad del proceso. Las situaciones también son bastante aceptables cuando el propio recipiente de reacción actúa como un acelerador de la interacción química.
La esencia del efecto de un catalizador al cambiar la velocidad de un proceso químico es que esta sustancia está incluida en la composición del complejo activo y, por lo tanto, cambia la energía de activación de la interacción química.
Cuando este complejo se descompone, el catalizador se regenera. La conclusión es que no se gastará, permanecerá en la misma cantidad después del final de la interacción. Es por esta razón que una pequeña cantidad de sustancia activa es suficiente para llevar a cabo la reacción con el sustrato (sustancia reactiva). En realidad, todavía se consumen cantidades insignificantes de catalizadores durante los procesos químicos, ya que son posibles varios procesos secundarios: su envenenamiento, pérdidas tecnológicas y un cambio en el estado de la superficie de un catalizador sólido. Las fórmulas químicas no incluyen un catalizador.
Conclusión
Las reacciones en las que participa una sustancia activa (catalizador) rodean a una persona, además, también ocurren en su cuerpo. Las reacciones homogéneas son mucho menos comunes que las interacciones heterogéneas. En cualquier caso, primero se forman complejos intermedios, que son inestables, se destruyen gradualmente y se observa la regeneración (recuperación) del acelerador del proceso químico. Por ejemplo, cuando el ácido metafosfórico reacciona con el persulfato de potasio, el ácido yodhídrico actúa como catalizador. Cuando se agrega a los reactivos, se forma una solución amarilla. A medida que se acerca al final del proceso, el color desaparece gradualmente. En este caso, el yodo actúa como producto intermedio y el proceso ocurre en dos etapas. Pero tan pronto como se sintetiza el ácido metafosfórico, el catalizador vuelve a su estado original. Los catalizadores son indispensables en la industria, ayudan a acelerar las transformaciones y obtener productos de reacción de alta calidad. Los procesos bioquímicos en nuestro cuerpo también son imposibles sin su participación.
