Katalizator

Katalizator to substancja, która dodana do układu reakcyjnego przyspiesza (katalizuje) reakcję i odtwarza się po każdym elementarnym przekształceniu substratu w produkt, zgodnie z równaniami:

Reakcja bez katalizatora:

A + B --> AB

Reakcja z katalizatorem:

A + K --> AK

AK + B --> AB + K

Katalizator nie wpływa na położenie równowagi reakcji odwracalnej, ponieważ w równym stopniu zwiększa szybkość reakcji w obie strony. Katalizator może zwiększać selektywność reakcji, jeżeli zwiększa szybkość tworzenia się produktu głównego, a nie przyspiesza reakcji ubocznych (lub słabiej je przyspiesza).

Katalizatory wpływają na przebieg reakcji zmieniając jej mechanizm. Zwykle odbywa się to poprzez reakcję katalizatora z jednym z substratów prowadzącą do nowego, przejściowego związku chemicznego, który następnie reaguje z drugim substratem dając produkt końcowy i odtworzony katalizator.

Spis treści

[edytuj] Rodzaje katalizatorów

Katalizator homogeniczny to taki, który znajduje się w tej samej fazie, co reagenty (np. rozpuszczony w roztworze), natomiast katalizator heterogeniczny tworzy odrębną fazę (np. katalizator kontaktowy V₂O₅ utleniania SO₂ do SO₃).

Całkowicie błędne jest twierdzenie, spotykane w niektórych szkolnych podręcznikach, że katalizator nie bierze udziału w reakcji. Przeciwnie: katalizator bierze udział w reakcji, ale musi odtwarzać się po jej zakończeniu. W przypadku nieodtworzenia katalizatora po reakcji należałoby traktować go jak substrat.

Przykładem metody prowadzenia reakcji z użyciem katalizatora jest kataliza przeniesienia międzyfazowego (ang. Phase Transfer Catalysis – PTC).

Pojawiające się w niektórych podręcznikach szkolnych pojęcie "katalizator ujemny" (i, odpowiednio, "kataliza ujemna") jest zupełnie błędne, ponieważ mechanizm działania substancji zmniejszających szybkość reakcji jest inny niż mechanizm katalizy. W szczególności, inhibitor – w przeciwieństwie do katalizatora – jest zużywany (w stechiometrycznej ilości) i nie odtwarza się po reakcji.

Katalizator zazwyczaj nie inhibituje danej reakcji, ale istotnie zwiększa szybkość innej reakcji, nawet do 10000 razy, przez co powstaje wrażenie zahamowania danej reakcji.

[edytuj] Katalizator heterogeniczny

Katalizator heterogeniczny składa się ze:

składnika aktywnego (składnik który de facto wpływa na przyspieszenie reakcji)
nośnika katalizatora (substancji, służącej do rozwinięcia powierzchni katalizatora, nie bierze on udziału w procesie przyspieszania reakcji)
promotorów (składniki dodawane w niewielkich ilościach polepszających strukturę geometryczną składnika aktywnego)

Rozróżniamy kilka typów katalizatorów heterogenicznych stosowanych w przemyśle:

katalizator nośnikowy
katalizator współstrącany

Katalizator nośnikowy naniesiony jest na niebiorący w reakcji składnik. Składnik aktywny występuje na powierzchni katalizatora w postaci wysepek, warstewek, kryształów. Nośnik ma za zadanie rozwinięcie powierzchni katalizatora. Istotne jest to o tyle, iż reakcja katalizowana przebiega jedynie na powierzchni katalizatora, a zatem z punktu widzenia katalizy, wnętrze granulki katalizatora nie bierze udziału w procesie. Najpopularniejszym przykładem takiego katalizatora jest katalizator samochodowy.

Katalizator stopowy powstaje podczas spiekania składnika aktywnego z promotorami, które mają za zadanie dopomóc w tworzeniu struktury o dużej powierzchni aktywnej katalizatora. Prekursor stopowy chłodzi się do temperatury pokojowej. Zazwyczaj powierzchniowa warstwa utlenia się na powietrzu i tworzy się warstewka pasywacyjna, pokrywająca powierzchnię katalizatora. Przed właściwym procesem z wykorzystaniem takiego katalizatora (uformowanego wcześniej w granulki, cząstki, itp.) przeprowadza się redukcję warstwy powierzchniowej. Zazwyczaj do reaktora wypełnionego katalizatorem wpuszcza się mieszaninę zawierającą wodór. Po zredukowaniu warstwy katalizator staje się aktywny i można zacząć prowadzić konkretny proces.

Katalizator współstrącany powstaje poprzez strącanie składnika aktywnego i nośnika z roztworu soli. Strącony osad przemywa się suszy, mieli, poddaje kalcynacji, a w końcowym etapie aktywacji.

[edytuj] Inne typy katalizatorów

Istnieją pewne typy katalizatorów, które zużywają się w reakcji i nie mogą być wydzielane ze środowiska reakcji. Przykładem takich katalizatorów są katalizatory Zieglera-Natty, używane w procesie polimeryzacji. Katalizatory te zapoczątkowują reakcję i determinują sposób wzrostu polimeru. Stanowią pewnego rodzaju klatkę, w którą mery mogą mogą wchodzić tylko w określony geometrycznie sposób. W ten sposób powstają związki bez rozwidleń, polimery o określonej budowie.

Problemem związanym z tymi katalizatorami jest ich odzyskiwanie. Polimer jest ciałem stałym, a zatem nie można rozdzielić katalizatora od produktu bez uszkodzenia struktury produktu.