Каталізатори в хімії. Хто вони? Які їх види?

Які речовини можуть бути каталізаторами?

Хімічні процеси та реакції, які каталізуються, відбуваються в присутності певних специфічних речовин , які називаються каталізаторами. Їх першочерговим завданням в системах є зменшення енергії активації, що безпосередньо збільшує швидкість процесу. Вибір каталізатора є ключовим питанням, від якого залежить, наприклад, ефективність процесу. В якості каталізаторів зазвичай використовують специфічні хімічні сполуки або системи типу «ядро-оболонка». Основні властивості каталізаторів та їх функції в системах:

• Присутність каталізатора в реакції не включається в молекулярне рівняння хімічної реакції , оскільки він не реагує з субстратами або продуктами .
• Після закінчення реакції каталізатор відновлюється. Таким чином, каталітичну реакцію можна охарактеризувати як циклічну.
• Каталізатор повинен легко відділятися від отриманих продуктів хімічної реакції.
• Каталізатор ніяк не впливає на рівноважний стан реакції і тому не змінює її термодинаміку.
• Каталізатори повинні мати три основні характеристики: висока активність, висока селективність і стабільність у часі.
• Каталізатори повинні відповідати ряду основних припущень щодо їх будови, включаючи правильний розмір пор, кристалічну фазу, міцність на роздавлювання, ступінь відновлення, властивості псевдозрідження, зносостійкість, середній хімічний склад, ефективну площу поверхні, розмір зерна та інші.

Читайте також: каталіз .

Приклади каталізаторів

метали

Метали є дуже хорошими каталізаторами, які легко використовуються в промисловості. Перехідні метали викликають особливий інтерес, оскільки вони можуть існувати в двох або більше ступенях окислення, наприклад, залізо в оксиді заліза (II) або оксиді заліза (III). Ці метали мають неповністю заповнені d-орбіталі, що дозволяє їм легко віддавати та приймати електрони від інших молекул. В останні роки каталізатори, сформовані на основі металевих наночастинок, набувають все більшого значення завдяки своїм унікальним властивостям. Платина – метал, який використовується, наприклад, у процесах гідрування або дегідрування функціональних груп в органічному синтезі. Речовина хімічно інертна і стійка в окисних середовищах і має високий вміст вологи. При температурах вище 450 ᵒC на його поверхні утворюється плівка діоксиду платини . Платина в сполуках зустрічається в декількох ступенях окислення, але зазвичай, як каталізатор, приймає значення II або IV. Крім використання в хімічній технології, платина також використовується в автомобільних каталітичних нейтралізаторах. Він має здатність зв’язувати атоми кисню з токсичним оксидом вуглецю(II) у вихлопних газах автомобіля. При цьому утворюється значно менше шкідливого вуглекислого газу. Паладій . Паладієві каталізатори беруть участь у ряді органічних реакцій, таких як циклізація, гідрування, окислення, ізомеризація, радикальні реакції та інші. Вони виявляють високу толерантність до різних функціональних груп і часто здатні забезпечувати відмінну стереоселективність, допомагаючи уникнути потреби в конкретних захисних групах . Крім того, паладієві каталізатори особливо ефективні, наприклад, у селективному гідруванні, що дає змогу отримати бажані продукти в одному реакційному циклі. Нікель . Як каталізатор нікель відіграє ключову роль у багатьох органічних перетвореннях, таких як окислення, відновлення, циклізація, утворення зв’язків вуглець-гетероатом тощо. Він зустрічається в декількох ступенях окислення в сполуках II, III і IV. Нікель є відносно реакційноздатним елементом, який також демонструє високу хімічну стабільність. Цей метал має велику перевагу – він дешевший за інші каталізатори на основі перехідних металів, тому його часто використовують як альтернативу паладієвим, наприклад, у реакціях сполучення. Золото . Деякі каталітичні реакції відбуваються в присутності золота. Його каталітична активність сильно залежить від розміру та структури кристалітів. Їх дія залежить і від способу приготування. Золоті каталізатори зазвичай є конгломератами цього елемента разом з відповідним носієм, який, наприклад, постачає достатню кількість кисню для подальшого підвищення активності золота. Комплекси цього металу є дуже хорошими каталізаторами вуглець-вуглецевих, вуглець-азотних або вуглець-кисневих зв’язків, оскільки вони можуть легко активувати подвійні та потрійні зв’язки, наприклад, у вуглецевих ланцюгах. Приклади реакцій, що каталізуються золотом, включають окислення карбон(II) оксиду, окислення спиртів і альдегідів , реакції епоксидування, гідрування альдегідів та інші.

Неорганічні сполуки

Прикладами неорганічних каталізаторів є неорганічні сполуки, зокрема оксиди металів і неметалів, окремі солі та кислоти. Як правило, ці речовини наносяться на спеціальні носії, які є пористими матеріалами (наприклад, вуглець, кремнезем або оксид алюмінію), які підтримують їх каталітичні властивості (чим більша площа поверхні носія, тим більша площа контакту між реагентами). Важливим аспектом при виборі неорганічної сполуки в якості каталізатора є орієнтація на кількість активних центрів, які вона має. Наявність великої кількості активних центрів, з якими зв’язуються реагенти, що беруть участь у каталізованої реакції, підвищує вихід реакції. Оксид ванадію(V) – Каталізатори з V ₂ O ₅ як основний компонент ефективні майже в усіх реакціях окислення. Вони відіграють важливу роль у сучасній хімічній промисловості . Одним із найважливіших застосувань цих каталізаторів є виробництво сірчаної кислоти. Ванадій(V) оксид каталізує реакцію окиснення сульфур(IV) оксиду до сульфур(VI) оксиду, який потім поглинається сульфатною кислотою. У цих процесах ванадієвий каталізатор називають так званим контактним, оскільки він знаходиться в іншій фазі, ніж інші реагенти. У промисловості зазвичай використовується у вигляді носія з нанесеною на його поверхню активною фазою. Його основні переваги включають низьку температуру займання, стабільність під час процесу або високий коефіцієнт поглинання пилу. Окрім виробництва сульфатної кислоти, ванадій(V) оксид використовують також як каталізатор у виробництві гуми, крекінгу нафти та синтезі деяких високомолекулярних сполук. Хлорид алюмінію . Найпоширенішим використанням хлориду алюмінію як каталізатора в органічному синтезі є реакція алкілування Фріделя-Крафтса. AlCl ₃ знаходиться в іншому агрегатному стані (твердій фазі), ніж інші реагенти, тому в цьому випадку це гетерогенний каталіз. Його каталітичні властивості в основному засновані на тому факті, що це так звана кислота Льюїса щодо її хімічної структури та властивостей. Його головною особливістю є здатність приймати електронні пари від основ Льюїса. Алюміній хлорид як каталізатор і кислота Льюїса з’єднуються з виділеними молекулами або їх фрагментами, після чого утворюються перехідні комплекси, які потім розпадаються до карбокатіонів. Сірчана кислота – Сірчана кислота проявляє каталітичні властивості навіть у невеликих кількостях для окремих хімічних реакцій. Прикладами такого перетворення є реакція етерифікації оцтової кислоти етанолом або реакція нітрування ароматичних сполук. Тоді кислота діє як гомогенний каталізатор і, отже, знаходиться в системі в тій самій фазі, що й інші реагенти. Будучи дуже сильною кислотою, при введенні в реакційне середовище вона виділяє іони водню, які прискорюють процеси. Крім того, додатковою властивістю сірчаної кислоти є її гігроскопічність. Молекули води, що утворюються в процесі етерифікації, зв’язуються кислотою, і це зміщує рівновагу, завдяки чому утворюється більше продуктів. Пам’ятайте, однак, що це не є наслідком каталізації реакції, а лише через зміну стану рівноваги.

Біокаталізатори

Біокаталізатори – це хімічні сполуки, які каталізують реакції, що відбуваються і виникають в організмі людини. Вони є ключовими елементами всіх біохімічних перетворень. Вони не тільки прискорюють такі перетворення, але й виявляють певну вибірковість у каталізі обраних реакцій. На сьогодні найбільшу групу біокаталізаторів складають ферменти, включаючи небілкові каталізатори, а саме рибозими. Їх особливістю є здатність до автокаталізу. Ферменти – це високоселективні каталізатори, які значно підвищують як швидкість, так і вибірковість метаболічних реакцій. Вони беруть участь у всіх хімічних реакціях організму. Як органічні каталізатори (або інакше біокаталізатори) ферменти виробляються клітинами. Це можуть бути як прості білки, так і складні білки. Для них характерна наявність двох груп: простетичної та аоферментної. Ферменти каталізують реакції окиснення і відновлення складних органічних сполук, перенесення функціональних груп, гідроліз зв’язків різних типів, руйнування хімічних зв’язків, зміну ізомеризації молекул або утворення нових ковалентних зв’язків. Їх роль в організмі людини неможливо переоцінити. Вони беруть участь практично у всіх життєво важливих процесах, як анаболічних, так і катаболічних. Каталізуючи вибрані реакції, вони значно впливають на метаболічні шляхи в організмі.