Разное

Катализатор принцип работы: Каталитический нейтрализатор: устройство и принцип работы

Содержание

Принцип работы катализатора в автомобиле

На чтение 3 мин. Просмотров 1k.

Большинство автолюбителей даже не имеют представление о том, что такое автомобильный катализатор и в чем заключается принцип его работы. Именно поэтому сегодня мы попытаемся рассказать что это такое катализатор автомобильный.

Машины являются одним из самых крупных источников загрязнений атмосферы, так как они выбрасывают в атмосферу около 15 000 химических соединений, к которым относится газ и пыль. Компании по производству автомобилей постоянно стараются уменьшить количество вредных выбросов, именно это и привело к созданию автомобильного каталитического нейтрализатора системы выхлопа или как его еще называют катализатор.

Катализатор входит в состав выхлопной системы автомобиля и предназначается для понижения уровня выбросов вредоносных веществ вместе с продуктами горения.

Катализатор автомобильный

В представленной статье мы более подробно поговорим о катализаторе, а именно обсудим такие вопросы:

  • Что такое автомобильный катализатор?
  • Конструкция автомобильного катализатора;
  • В чем заключается принцип работы?
  • Распространенные поломки каталитического нейтрализатора, при которых необходима его полная замена;
  • Признаки неисправности, указывающие на то, что необходима замена;
  • Как правильно проводится замена каталитического нейтрализатора выхлопной системы?

Основная информация о каталитическом нейтрализаторе

Большинство автолюбителей даже не имеют представления о том, что такое автомобильный катализатор и в чем заключается принцип его работы. Именно поэтому сегодня мы попытаемся рассказать основную информацию о каталитическом нейтрализаторе. Итак, автомобильный нейтрализатор это элемент выхлопной системы транспортного средства, снижающий температуру выхлопных газов, очищающий выхлопные газы и обеспечивающий догорание топливной смеси.

Каталитический нейтрализатор используется на бензиновых и дизельных двигателях автомобиля. Представленное устройство чаще всего располагается за коллектором выпускной системы или же перед глушителями.

Схема катализатора автомобильного

Основными элементами катализатора являются: теплоизоляция, корпус и блок-носитель. На сегодняшний момент существует несколько видов нейтрализаторов, которые соответствуют разному содержанию выхлопных газов в автомобильном двигателе.

К основным типам автомобильного катализатора выхлопной системы относятся: восстановительный, окислительный и окислительно-восстановительный.

Для правильной замены каталитического нейтрализатора должны соблюдаться некие условия, для соблюдения этих условий применяется лямбда-зонд. Благодаря данному устройству посылается обновленная информация и регулируется состав топливной смеси.

Признаки неисправности, указывающие на то, что необходима замена

При нормальном функционировании катализатор ломается только после полного сгорания каталитического слоя. Такое формулирование даже не совсем правильно, так как он не ломается, а просто из-за уменьшения каталитического слоя он не может полностью сжигать выхлопные газы. То есть эффективность работы уменьшается, а токсичность продуктов горения повышается. Автомобильный катализатор достаточно редко выходит из строя, но все же каждый автолюбитель должен знать, как поступать в таком случае. Поэтому давайте рассмотрим, как проводится самостоятельная замена каталитического нейтрализатора.

Для начала давайте рассмотрим основные признаки неисправности каталитического нейтрализатора выхлопной системы:

  • Снизилась мощность автомобиля, это свидетельствует о том, что нейтрализатор забит.
  • Во время передвижения транспортного средства на холостых оборотах двигателя заметно плаванье стрелочки тахометра.
  • И выхлопной трубки чувствуется запах аммиака.

Итак, как же правильно проводится замена катализатора?

  1. Открутите болтики, закрепляющие устройство на дополнительном глушителе;
  2. Снимите болтики вместе с шайбой;
  3. Открутите болтики, которые закрепляют устройство на приемной трубке;
  4. Достаньте болтики вместе с пружинными шайбами;
  5. Достаньте устройство под днищем автомобиля;
  6. ПРоведите замену и соберите все в обратном порядке.

Как видите, замена катализатора системы выхлопа довольно проста и с ней сможет справиться даже не очень опытный автолюбитель. Обратите внимание на то, что в момент функционирования он может нагреваться до температуры около 600 градусов. Поэтому прежде чем перейти к замене катализатора дождитесь полного его охлаждения.

Иная ситуация в дизельных двигателях. Как и в бензиновых установках, реакторы окисляют соединения СН и СО, но они не уменьшают вредные оксиды азота одновременно.

Последние уменьшаются за счет рециркуляции выхлопных газов в самом двигателе. Так называемый твердые (сажа) частицы, которые могут быть уменьшены путем перезарядки.

Когда это работает?

Катализатор не работает сразу после запуска двигателя: минимальная температура, при которой он начинает уменьшать количество вредных веществ в выхлопных газах, составляет около 300 градусов по Цельсию (катализаторы размещаются как можно ближе к выпускному коллектору для быстрого нагрева).

В свою очередь, фактическая рабочая температура составляет около 800 градусов Цельсия. В последних моделях автомобилей используются два катализатора: первый работает в так называемых холодный старт, второй при нормальной работе двигателя.

Что ломается?

Средний катализатор сохраняет свои свойства до 100 000 километров пробега (в некоторых случаях долговечность каталитического вклада может быть намного выше). Небрежность в результате отсутствия технических проверок и механических повреждений способствуют значительному сокращению срока его службы.

В первом случае это o масло или охлаждающая жидкость, попавшие в выпускную систему, в другом — быстрое охлаждение катализатора (например, после вождения в глубокую лужу на проезжей части) или его повреждение, например, в результате внезапного столкновения с высокой бордюром.

В дизельных двигателях проблема с катализатором также может быть связана с отсутствием его проходимости.

Почему? Установки, работающие на дизельном топливе, выделяют большее количество твердых частиц, что увеличивает вероятность засорения конвертера. Для оценки проходимости катализатора, измерение так называемого противодавление выхлопных газов при работающем двигателе на холостых оборотах.

Катализатор и LPG

В правильно функционирующей газовой установке смесь пропан-бутан не оказывает неправильного воздействия на каталитическую систему. Проблема может заключаться в установках СНГ самого старого поколения без электронного регулирования состава газовоздушной смеси.

В этих установках используется смеситель (так называемое сопло Вентури), и состав выхлопных газов зависит от его регулирующих свойств, что во многих случаях неуместно. Как следствие, это приводит к быстрому снижению каталитических свойств и повреждению самого реактора.

устройство, принцип работы, виды, неисправности

Автомобильный катализатор – прямой ответ инженеров на всё более и более строгие требования к экологической чистоте транспорта. Можно сколько угодно рассуждать о полном сгорании топлива, высчитывать параметры стехиометрической смеси топлива и воздуха, улучшать качество моторных масел, но рано или поздно наступает предел для таких улучшений. А результат всё равно не идеален: то топливо не слишком чистое, то сбоит система подачи, то свечи зажигания начинают шалить… А требования к составу выхлопа только ужесточаются. Часто катализаторы подвергаются замене, для того чтобы обеспечить экологичный выхлоп автомобиля. Приём катализаторов в Самаре и в других городах осуществляется специализированной фирмой, которая занимается утилизацией данных каталитических нейтрализаторов.

Так были созданы системы доочистки: каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр, система дожига. Они помогли добиться того, чего так хотят защитники природы – минимального количества вредных веществ, выбрасываемых автомобилем в атмосферу. В этой статье мы приподнимем тайну и раскроем все секреты устройства и принципа работы автомобильного катализатора.

Что такое катализатор и для чего он нужен?

Катализатор – это устройство нейтрализации вредных веществ, входящих в состав выхлопных газов. В процессе сгорания топлива образуются углеводороды CH (именно их присутствие окрашивает выхлоп в черный цвет), оксид азота NO и NO2 (он вызывает так называемые кислотные дожди) и оксид углерода CO (угарный газ, отбирающий кислород из воздуха для полного окисления). Именно с этими соединениями борются экологи.

Каталитический нейтрализатор, встроенный в выхлопную систему, проводит окислительно-восстановительную химическую реакцию, в результате которой образуются безвредные вещества азот N2, углекислый газ CO2 и вода h3O. Автокатализаторы, выполняющие нейтрализацию всех трех вредных элементов выхлопа, называют трехкомпонентными или трехступенчатыми, и именно их устанавливают в современные автомобили.

Расположение катализатора в системе выхлопа автомобиля

Для своей работы нейтрализатор не требует никаких дополнительных источников энергии, все реакции происходят благодаря активному покрытию. Однако он имеет достаточно высокую рабочую температуру, поэтому он находится за выпускным коллектором, но на таком расстоянии от двигателя, чтобы не перегреться (примерно под передним пассажирским сиденьем). Так он разогревается от раскаленных выхлопных газов и выходит на рабочий режим.

Для контроля работы катализатора (и двигателя тоже) устанавливаются датчики кислорода: один перед входом в катализатор, другой – на выходе из него. По количеству остаточного кислорода в выхлопе система ЭБУ делает выводы о режиме работы двигателя, и в случае необходимости корректирует подачу воздуха и топлива в камеры сгорания.

Устройство и принцип работы катализатора

Устройство типового автомобильного катализатора

Автокатализатор имеет довольно простое устройство.

  1. Стальной корпус с термоизолирующим слоем находится позади выпускного коллектора.
  2. Внутренний наполнитель – сотовая (сотово-трубчатая) структура, покрытая внутри активным слоем (в качестве каталитического вещества может использоваться платина, платиново-иридиевый сплав, родий, палладий). Сотовая структура позволяет повысить площадь контакта выхлопных газов с активным веществом, а значит, более эффективно провести химические реакции.
  3. Материал наполнителя – керамика или металл, в зависимости от конструкции и стоимости катализатора.

Принцип работы по своей сути простой, и подробно описан на видео, ниже.

  • Драгоценные металлы, нанесенные на внутреннюю поверхность сот катализатора, активируют процессы окисления.
  • Оксид азота NO разлагается на составляющие атомы: азот N и кислород O. Атомы азота соединяются между собой, образуя устойчивый азот N2. Кислород присоединяется к угарному газу CO и образует углекислоту CO2.
  • Захватывая остаточный кислород из выхлопных газов, катализатор расщепляет углеводороды CH, после чего углерод C соединяется с двумя молекулами кислорода, образуя всё тот же CO2, а оставшийся водород присоединяется к кислороду и получается вода h3O.
  • Остаточный кислород фиксирует лямбда-зонд на выходе из катализатора, и это дает бортовому компьютеру информацию о работе устройства.

В идеальных условиях автокатализатор ничего не накапливает внутри: все поступающие в него вещества покидают сотовую структуру. Однако добиться идеальных условий практически невозможно, значит, каталитический нейтрализатор со временем «деградирует» и хуже справляется со своей задачей.

Классификация нейтрализаторов

По функционалу катализаторы-нейтрализаторы делятся на двух- и трехкомпонентные.

  1. Двухкомпонентный каталитический нейтрализатор работает только с обезвреживанием угарного газа и углеводородов. Это устаревшая модель, которая уже не используется в новых автомобилях.
  2. Трехкомпонентный автокатализатор получил еще и функцию нейтрализации оксида азота. Новый вид, который быстро «взяли на вооружение» инженеры автоконцернов.

По материалу изготовления катализаторы бывают керамические, металлические и спортивные.

  1. Керамические – намного дешевле, чем их металлические аналоги, но при этом более хрупкие (удар по корпусу гарантировано разбивает дорогую сердцевину), страдают от перепадов температур (достаточно заехать с раскаленным катализатором в достаточно глубокую лужу) и страдают от сбоев в системе зажигания (детонация или позднее зажигание разрушает соты). Кроме того, керамический автокатализатор может разрушаться не сразу, а постепенно, образуя мелкую пыль. Эта керамическая пыль (очень твердая) может попасть в двигатель через выпускной коллектор и вызвать поломки, требующие капитального ремонта.
  2. Металлические – более дорогие, но и более надежные устройства, выполненные из металлической сотовой структуры, упругой и устойчивой к механическим воздействиям. Кроме того, металл не образует мелких частиц, а значит, более безопасен для двигателя.
  3. И еще одна, отдельная категория катализаторов – спортивные. Так называют устройства с повышенной пропускной способностью, благодаря которой двигатель прибавляет несколько процентов мощности. Спортивные автокатализаторы устанавливаются в прямоточные выхлопные системы и считаются самыми надежными, хоть и самыми дорогими.

Неисправности катализатора, их признаки

В нормальном, «европейском» режиме эксплуатации катализатор служит примерно 150-200 тысяч километров (если верить производителям), после чего требует замены. У нас же условия для этого девайса далеко не курортные: низкое качество бензина, поддельные моторные масла, установка ГБО сокращают и так не слишком большой срок его жизни. А это означает, что нужно разбираться в том, как именно автокатализатор дает сигнал о неисправности.

1. Нагар внутри катализатора. Это проблема номер один для тех, кто ездит на некачественном (этилированном) топливе. Причиной нагара может стать и неисправная система зажигания: пропуски зажигания заставляют двигатель выбрасывать несгоревший бензин в выхлопную трубу, и он забивает катализатор.

Нагар на катализаторе

Также нагар может появляться, если большое количество моторного масла попадает в камеру сгорания. В этом случае дым становится густо-черным, и катализатор попросту не справляется с таким количеством углеводородов. На сотах образуется нагар и они перестают пропускать выхлопные газы.

Первый признак забитого нейтрализатора – снижение динамики автомобиля. Машина всё хуже набирает скорость, особенно после полноценного прогрева. Растет расход топлива, вплоть до прибавки нескольких литров на 100 километров, а также быстрей уходит на угар моторное масло. В конце-концов автомобиль однажды просто не заводится.

2. Оплавление автокатализатора. Это проблема керамических катализаторов, менее устойчивых к высоким температурам, чем металлические. Причиной оплавления сот может стать сбой в системе зажигания, когда огонь попадает в выпускной коллектор. А также система ГБО, у которой температура выхлопа выше, чем у бензина (но выясняется это, конечно, уже пост-факту).

Оплавление нейтрализатора

Внешне, катализатор может выглядеть нормально, однако если внутренняя часть пострадала от слишком высоких температур, использовать его больше нельзя.

3. И третья проблема – выгорание активного слоя внутри сот. Сделать с этим ничего нельзя: автокатализатор имеет свой срок службы, и расход каталитического вещества, к сожалению, у него тоже есть.

Во всех трех случаях катализатор меняют на новый. Некоторые водители предпочитают вообще удалить его из выхлопной системы автомобиля, оставив «обманку» для ЭБУ. Что ж, это вопрос личной ответственности и перед природой, и перед будущими поколениями.

Как проверить катализатор?

На видео, ниже, есть несколько лайфхаков по проверке каталитического нейтрализатора.

https://www.youtube.com/watch?v=RcvEdfisc_Y

Понять, почему машина стала хуже ездить, а на приборной панели горит «чек», могут в сервисе после детальной компьютерной проверки всех систем. Но и самостоятельно можно провести элементарную диагностику работы катализатора.

  1. Посмотреть на цвет выхлопа: черный цвет указывает на то, что катализатор не работает, поскольку пропускает вредные углеводороды наружу.
  2. Оценить давление выходящих выхлопных газов «наощупь» – приложить руку к отверстию выхлопной трубы. Низкий напор говорит о том, что катализатор пора менять.
  3. Заглянуть под машину после длительной поездки: если корпус катализатора раскален, это говорит о снижении его пропускной способности.
  4. Следующая диагностика уже делается в сервисе: проверка давления выхлопа и сравнение показателя с эталонными данными. Манометр для определения давления устанавливается на место лямбда-зонда.
  5. И, наконец, визуальный осмотр демонтированного нейтрализатора выхлопных газов на предмет засорения, выгорания или оплавления.

Замена катализатора делается после того, как будет установлено, что в проблемах виноваты забитые или оплавленные соты. Однако и причину оплавления или засорения катализатора нужно найти и устранить, иначе новый нейтрализатор постигнет та же участь. Именно поэтому в современных автомобилях настолько взаимосвязаны все системы и установлено множество контролирующих датчиков.

Полезные советы

На видео с популярного канала «Главная дорога» очень доходчиво показано зачем катализаторы в автомобилях, как их правильно эксплуатировать, можно ли без них и чем это грозит.

Подытожив видео, несколько полезных советов, ниже, для тех, у кого в автомобиле установлен катализатор.

  1. Высокая цена нейтрализатора объясняется использованием драгоценных металлов в конструкции катализатора. Сейчас инженеры и химики пытаются использовать золото, которое немного дешевле, чем металлы, что уже применяются для производства катализаторов.
  2. Бережное отношение ко всем системам автомобиля – залог долгой их службы. Катализатор связан с другими узлами автомобиля, и зависит от их адекватной работы.
  3. Выбор моторного масла для автомобиля с катализатором – отдельная история. Нужно только то масло, что помечено как «подходящее для современных систем доочистки выхлопных газов», то есть катализаторов на бензиновом двигателе и сажевых фильтров – на дизельном.
  4. Залегание поршневых колец означает не только перерасход масла, но и скорый выход катализатора из строя.
  5. А сам неисправный автокатализатор, наоборот, влияет на работу двигателя. Забитые соты способствуют перегреву ЦПГ, поскольку не дают нормально отводить выхлопные газы.
  6. Катализатор, который демонтирован с автомобиля (если его меняют из-за преждевременного выхода из строя) содержит в своем составе драгоценные металлы. Так что можно либо попросить за него скидку на работу мастера, либо забрать с собой (правда, непонятно, что делать дальше с этим «сокровищем»). И только полностью отработанное устройство не стоит ничего.

Заключение

Пока что у нас каталитический нейтрализатор считается в основном проблемой: бензин грязный, и из-за этого катализатор служит недолго. Есть уже налаженный бизнес по замене штатного устройства на пламегаситель-«обманку», который никак не влияет на чистоту выхлопа, но и не отнимает деньги.

Правильно ли это? Каждый решает для себя, что ему выгодней и легче: дышать вредными испарениями или периодически оплачивать ремонт или замену фильтра. Однако в странах Европы давно просчитали, что именно в конечном итоге выгодней каждому гражданину, и теперь наличие катализатора в системах доочистки выхлопа является обязательным на всех новых автомобилях.

Скупка катализаторов в Волгограде | Автомобильный катализатор: принцип работы, плюсы и минусы

Число автомобилей на современных дорогах неумолимо растет, а вместе с этим возникает проблема загазованности и, как следствие, отравления окружающей среды. В определенной степени с отравлением атмосферы борется устройство под названием каталитический нейтрализатор, который преобразует вредные вещества выхлопной системы в безобидные воду и углекислый газ. Но, как и любое устройство, автокат выходит со временем из строя и потому скупка катализаторов в Волгограде является не только выгодным предприятием, но и необходимым.

Впервые каталитический преобразователь выхлопных газов начал активно применяться в 1975 году. Эта деталь выхлопной системы рассчитана на трансформацию углеродных окислов и продуктов горения азота в нейтральные вещества. Устройство со специальной сотовой структурой, покрытое изнутри минимальным количеством платины, родия и палладия, доводит выхлоп до допустимых экологических норм.

Именно металлы платиновой группы и являются катализаторами токсинов, которые трансформируются в безвредные вещества, и потому сдать катализатор в Волгограде для последующей утилизации очень выгодно.

Так азот разлагается посредством платины и родия, которые разрушают его молекулярную структуру, разделяя азот и кислород. В результате катализа атомы азота преобразуются в газообразное вещество, а кислород соединяется с выхлопными газами и пропускается через второй элемент нейтрализатора, покрытый платиной и палладием. На выходе из угара получается нейтральная двуокись углерода.

Автомобильный катализатор активизируется при высоких температурах, и поэтому при полностью нагретом двигателе его эффективность увеличивается. При этом на дизельных моторах производительность автоката снижается, так температура выхлопа в этом случае значительно ниже. Однако при посредничестве нашей компании можно продать дизельные катализаторы в Волгограде, наряду с устройствами от бензиновых авто. Чтобы повысить эффективность каталитического нейтрализатора в дизельных авто катализатор размещают ближе к мотору, однако слишком близкое расположение автоката к силовому агрегату снижает ресурс первого.

Достоинства и недостатки автомобильных катализаторов

Единственным  и главным преимуществом автоката является его влияние на снижение токсичности выхлопных газов и автомобили без каталитического преобразователя выхлопа не разрешено использовать в странах Евросоюза.

Минусов такой обязательной установки немного больше, к примеру:

— из-за небольшого размера ячеек сотовой внутренности автоката снижается производительность и приемистость двигателя и в результате энергия мотора частично расходуется на продавливание выхлопа наружу

— невысокий срок эксплуатации автомобильного катализатора, который в России редко превышает 50-70 тысяч километров пробега

— стоимость нового нейтрализатора при замене, но в этом случае можно выгодно продать катализаторы в Волгограде, что частично компенсирует затраты на новое устройство.

Важно помнить, что автомобили без каталитического преобразователя официально не проходят технический осмотр.

Факторы, влияющие на состояние автоката

На ресурс автомобильного нейтрализатора выхлопной системы влияет любая неисправность силового агрегата, например сильный «жор» масла. Как утверждают специалисты, переработка катализатора в Волгограде грозит, если потребление моторного масла достигает 200 г на тысячу километров и выше.

Также на срок эксплуатации нейтрализатор влияет систем зажигания и проблемы связанные с ней в частности. При каждом отклонении наблюдается недожиг топливной смеси, приводящий к увеличению содержания токсинов в выхлопных газах. В результате неполноценной работы системы зажигания, соты катализатора забиваются, и сопротивление движению газов нарастает.

Также на работу катализатора влияет качество горючего. Идеальным соотношением топливновоздушной смеси для бензинового агрегата считается 14,7:1.

Определить состояние автомобильного преобразователя выхлопных газов можно самостоятельно, но лучше довериться профессионалам, и если устройство действительно неисправно, то лучший выход – сдать его в прием катализаторов в Волгограде от нашей компании.

Catalyst

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но не расходуется в ходе реакции. Катализатор появится на стадиях механизма реакции, но не появится в общей химической реакции (поскольку он не является реагентом или продуктом). Как правило, катализаторы существенно изменяют механизм реакции, так что новые барьеры вдоль координаты реакции значительно ниже. При понижении энергии активации константа скорости значительно увеличивается (при той же температуре) по сравнению с некаталитической реакцией.

В мире существует множество типов катализаторов. Многие реакции катализируются на поверхности металлов. В биохимии огромное количество реакций катализируется ферментами. Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы

в одной фазе называются гомогенными катализаторами , а катализаторы в разных фазах называются гетерогенными катализаторами .

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.

Еще одна важная идея о катализаторах — их избирательность. То есть катализатор не просто ускоряет все реакции, а только очень конкретную реакцию. Это ключ ко многим химическим превращениям. Когда вы хотите произвести только определенное химическое изменение, вы ищете катализатор, который ускорит эту конкретную реакцию, но не ускорит другие. В этом отношении замечательны ферменты.Живые биологические системы требуют множества специфических химических превращений, и каждый из них катализирует уникальный фермент.


Типы катализаторов

Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами, а катализаторы в разных фазах — гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.


Влияние катализаторов

Эффект катализатора заключается в том, что он снижает энергию активации реакции.

Обычно это происходит потому, что катализатор изменяет способ протекания реакции (механизм). Мы можем визуализировать это для простой координаты реакции следующим образом.

В более общем смысле катализируемая реакция может иметь ряд новых барьеров и промежуточных продуктов.Однако самый высокий барьер теперь будет значительно ниже, чем предыдущий самый большой барьер. Например, ниже приведен пример пути реакции, который показывает катализированную и некаталитическую реакцию. Путь с катализатором теперь состоит из двух ступеней и промежуточных частиц. Однако барьеры для обеих стадий намного ниже, чем в некаталитической реакции.


Как работают катализаторы?

Многие катализаторы работают одинаково. Они дают возможность молекулам реагента разорвать связи и затем образовать временные связи с катализатором.Это означает, что катализатор должен быть в некоторой степени реактивным, но не слишком реактивным (поскольку мы не хотим, чтобы эти связи были постоянными). Например, металлическая Pt служит катализатором многих реакций с участием газообразного водорода или газообразного кислорода. Это связано с тем, что поверхность Pt позволяет H 2 или O 2 разорвать свои связи, а затем образовать атомные частицы, которые «связаны» с Pt. Однако эти новые связи могут быть достаточно слабыми, чтобы атомные частицы могли затем вступить в реакцию с другими молекулами и покинуть поверхность.Таким образом, после реакции металл Pt возвращается в свое первоначальное состояние.

Например, на рисунке ниже изображена реакция этена и газообразного водорода. Водород приземляется на поверхность и разрывает свою связь, образуя атомы H, связанные с поверхностью (2). Двойная связь этена также разорвана, и два атома углерода также связаны с поверхностью (3). Затем атомы H могут мигрировать, пока не столкнутся со связанными частицами углерода и не вступят в реакцию (4) с образованием этана, который затем может покинуть поверхность (5). + (водн.) \; + \; O_2 (g)} & {\ rm Шаг \; 2} \\

{\ rm Mn (OH) _2 (aq) \; + \; H_2O_2 (l)} \; & \правая стрелка & \; {\ rm MnO_2 (s) \; + 2H_2O (l)} & {\ rm Шаг \; 3} \ end {array} \]

Таким образом, в чистой реакции нет изменений в MnO 2. Однако во время реакции он превращается в Mn 2+ , а также в Mn (OH) 2 . Катализатор может быть идентифицирован таким образом в механизме реакции, поскольку он сначала появляется в «реагентах», но затем подвергается риформингу. позже в реакции.

Катализаторы также могут функционировать, «удерживая» молекулы в определенных конфигурациях, одновременно ослабляя некоторые конкретные связи. Это позволяет катализатору существенно «помогать» химическим процессам, располагая реакции в благоприятных геометрических формах, а также ослабляя связи, которые необходимо разорвать по координате реакции.


Ферменты

Ферменты — биологические катализаторы. Это белки, которые складываются в определенные конформации, чтобы ускорить определенные химические реакции. Для биохимических реакций реагент обычно называют субстратом. Субстрат превращается в продукт. Механизмы многих ферментов очень похожи. Субстрат (ы) и фермент связываются в комплекс. Физическое местоположение на ферменте, в котором связывается субстрат, называется «активным центром».После связывания этот комплекс может ослабить определенные связи в субстрате, так что происходит химический процесс с образованием продукта. Продукт слабо связан с субстратом, так что теперь он диссоциирует, и фермент может свободно связываться с другой молекулой субстрата.

Активные центры ферментов могут быть очень специфичными, так что фермент будет катализировать только очень специфическую реакцию для очень специфической молекулы. Обычно существует равновесие между связанным комплексом и свободным субстратом и ферментом, так что связывание может быть обратимым.Напротив, как только продукт образуется, обратная реакция обычно никогда не происходит.

Субстрат + фермент ↔ Комплекс → Продукт.

Активность многих ферментов может быть заблокирована молекулами, имитирующими субстрат, но не участвующими в химии. Эти молекулы затем эффективно «выключают» фермент, блокируя активный сайт и предотвращая связывание субстрата. Так действуют многие фармацевтические препараты. Такие молекулы обычно называют ингибиторами, поскольку они подавляют активность фермента.

Определение катализаторов и принцип их работы

Катализатор — это химическое вещество, которое влияет на скорость химической реакции, изменяя энергию активации, необходимую для протекания реакции. Этот процесс называется катализом. Катализатор не расходуется в реакции и может одновременно участвовать в нескольких реакциях. Единственное различие между каталитической реакцией и некаталитической реакцией состоит в том, что энергия активации различается. Не влияет на энергию реагентов или продуктов.ΔH для реакций одинакова.

Как работают катализаторы

Катализаторы допускают альтернативный механизм превращения реагентов в продукты с более низкой энергией активации и другим переходным состоянием. Катализатор может позволить реакции протекать при более низкой температуре или увеличить скорость или селективность реакции. Катализаторы часто реагируют с реагентами с образованием промежуточных продуктов, которые в конечном итоге дают те же продукты реакции и регенерируют катализатор. Обратите внимание, что катализатор может быть израсходован на одном из промежуточных этапов, но он будет создан снова до завершения реакции.

Положительные и отрицательные катализаторы (ингибиторы)

Обычно, когда кто-то обращается к катализатору, они имеют в виду положительный катализатор , который является катализатором, который ускоряет скорость химической реакции за счет снижения его энергии активации. Существуют также отрицательные катализаторы или ингибиторы, которые замедляют скорость химической реакции или делают ее менее вероятной.

Промоторы и каталитические яды

Промотор — это вещество, повышающее активность катализатора.Каталитический яд — это вещество, инактивирующее катализатор.

Катализаторы в действии

  • Ферменты — это биологические катализаторы, специфичные для реакции. Они реагируют с субстратом с образованием нестабильного промежуточного соединения. Например, карбоангидраза катализирует реакцию:
    H 2 CO 3 (водн.) ⇆ H 2 O (l) + CO 2 (водн.)
    Фермент позволяет реакции быстрее достичь равновесия. В случае этой реакции фермент позволяет диоксиду углерода диффундировать из крови в легкие, чтобы его можно было выдохнуть.
  • Перманганат калия является катализатором разложения перекиси водорода на газообразный кислород и воду. Добавление перманганата калия увеличивает температуру реакции и ее скорость.
  • Некоторые переходные металлы могут действовать как катализаторы. Хороший пример использования платины в автомобильном катализаторе. Катализатор позволяет превратить токсичный оксид углерода в менее токсичный диоксид углерода. Это пример гетерогенного катализа.
  • Классическим примером реакции, которая не протекает с заметной скоростью, пока не добавлен катализатор, является реакция между газообразным водородом и газообразным кислородом.Если смешать два газа вместе, ничего особенного не произойдет. Однако, если вы добавите тепло от зажженной спички или искры, вы преодолеете энергию активации, чтобы начать реакцию. В этой реакции два газа реагируют с образованием воды (взрывоопасно).
    H 2 + O 2 ↔ H 2 O
  • Реакция горения аналогична. Например, когда вы зажигаете свечу, вы преодолеваете энергию активации, применяя тепло. Как только реакция начинается, тепло, выделяющееся в результате реакции, преодолевает энергию активации, необходимую для ее протекания.

17.6: Катализаторы и катализатор — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи, представленные выше. Особенно важно, чтобы вы знали точное значение всех выделенных зеленым цветом терминов в контексте этой темы.

  • Что такое катализаторы и как они действуют, изменяя параметры реакции?
  • Опишите сходства и различия между тремя основными классами катализаторов.
  • Определите физисорбцию и хемосорбцию и объясните роль последней в инициировании каталитического события.
  • В чем смысл и значение Принцип Сабатье ?
  • Каковы принципиальные различия между механизмами гетерогенного катализа Langmuir-Hinshelwood и Eley-Rideal ?
  • Опишите роль комплекса фермент-субстрат .
  • Каким образом особые свойства аминокислот , окружающих активный центр фермента, могут способствовать его каталитическому эффекту?
  • Опишите модели действия ферментов с замком и ключом, и , индуцированные подгонкой, .
  • Объясните функцию и значение аллостерических сайтов фермента.

Это почти похоже на волшебство! Смесь газообразных H 2 и O 2 может сосуществовать неопределенно долго без какой-либо обнаруживаемой реакции, но если платиновую проволоку нагреть, а затем погрузить в газовую смесь, реакция протекает мягко, так как выделяющееся при реакции тепло заставляет проволоку светиться докрасна.Катализаторы играют важную роль в нашей современной индустриальной экономике, в заботе об окружающей среде и во всех биологических процессах. Этот урок познакомит вас с удивительным миром катализаторов и поможет понять, что они из себя представляют и как работают.

Что такое катализаторы?

Катализаторы не влияют на константу равновесия и, следовательно, на равновесный состав. Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакцию, но не потребляются ею и не фигурируют в итоговом уравнении реакции.Также — и это очень важно — катализаторы одинаково влияют на скорость прямого и обратного хода ; это означает, что катализаторы не влияют на константу равновесия и, следовательно, на состав состояния равновесия. Таким образом, катализатор (в данном случае серная кислота) может быть использован для ускорения обратимой реакции, такой как образование сложного эфира или его обратный гидролиз сложного эфира:

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Реакции, катализируемые кислотой

Катализатор не влияет на константу равновесия или направление реакции.Направление можно контролировать, добавляя или удаляя воду (принцип Ле Шателье).

Катализаторы функционируют, позволяя реакции протекать через альтернативный механизм, требующий меньшей энергии активации. Это изменение вызвано особым взаимодействием между катализатором и компонентами реакции. Вы помните, что константа скорости реакции является экспоненциальной функцией энергии активации, поэтому даже небольшое уменьшение \ (E_a \) может дать впечатляющее увеличение скорости.

Катализаторы обеспечивают альтернативные пути реакции

Катализаторы

условно делятся на две категории: гомогенные и гетерогенные . Ферменты , природные биологические катализаторы, часто включаются в первую группу, но поскольку они обладают некоторыми свойствами обоих, но проявляют некоторые особые свойства, мы будем рассматривать их здесь как третью категорию.

Некоторые общие примеры катализа

Как сжечь сахарный кубик

При нагревании кусочек сахара (сахароза) плавится при 185 ° C, но не горит.Но если натереть кубик сигаретным пеплом, он сгорит перед расплавлением из-за каталитического действия следов соединений металлов в золе.

Платина как катализатор окисления

Поверхность металлической платины является эффективным катализатором окисления многих паров топлива. Это свойство используется в беспламенных походных печах (слева). Изображение справа показывает светящуюся платиновую проволоку, нагретую за счет медленного горения аммиака на ее поверхности. Однако если окунуть нагретую Pt проволоку в жидкий аммиак , получится миниатюрный взрыв: см. Видео ниже.{–1} \]

В отсутствие примесей эта реакция протекает очень медленно, но различные вещества, начиная от йода, оксидов металлов и следовых количеств металлов, значительно ускоряют реакцию, в некоторых случаях почти взрывоопасно из-за быстрого выделения тепла. Наиболее эффективным катализатором из всех является фермент каталаза , присутствующий в крови и внутриклеточных жидкостях; добавление капли крови к раствору 30% перекиси водорода вызывает бурную реакцию.

Быстрое выделение O 2 может привести к эффектной пены для ванны, если добавить немного мыла.[Эта же реакция использовалась для запуска гоночного автомобиля!

Иодид калия эффективно катализирует осаждение H 2 O 2 . В этом коротком видео показано, что происходит при объединении цветного мыла, H 2 O 2 и KI. Но «не пробуйте это у себя дома»!

Каждый тип катализатора способствует разному пути со своей собственной энергией активации. Поскольку скорость является экспоненциальной функцией от E a (уравнение Аррениуса), даже относительно небольшие различия в E a могут иметь драматическое влияние на скорость реакции.Обратите особое внимание на значения для каталазы; химик по-прежнему остается непрофессионалом по сравнению с тем, что природа может сделать с помощью естественного отбора!

катализатор

Ea
кДж / моль

относительная скорость
без катализатора 75 1
иодид-ион 56 2140
платина коллоидная 50 24 000
каталаза (фермент) 21 2 900 000 000

Как выражается каталитическая активность

Изменения константы скорости или энергии активации — очевидные способы измерения эффективности катализатора.Но вошли в употребление два других термина, которые имеют особое значение в промышленных приложениях.

Оборотный номер

Число оборотов (TON) — это среднее количество циклов, которое катализатор может пройти до того, как его характеристики ухудшатся (см.). Зарегистрированные значения TON для обычных промышленных катализаторов охватывают очень широкий диапазон от 10 до 10 5 , что приближается к пределам диффузионного переноса.

Частота оборота

Этот термин, который первоначально применялся к реакциям, катализируемым ферментами, вошел в более широкое употребление.Это просто количество раз, когда общая каталитическая реакция происходит на катализатор (или на активный центр на ферменте или гетерогенном катализаторе) в единицу времени: определяется как

Число активных центров S на гетерогенном катализаторе часто трудно оценить, поэтому его часто заменяют общей площадью открытого катализатора, которую обычно можно измерить экспериментально. TOF для гетерогенных реакций обычно находится в диапазоне от 10 –2 до 10 2 с –1 .

Гомогенный катализ

Как следует из названия, гомогенные катализаторы присутствуют в той же фазе (газ или жидкий раствор), что и реагенты. Гомогенные катализаторы обычно вступают непосредственно в химическую реакцию (путем образования нового соединения или комплекса с реагентом), но высвобождаются в исходной форме после завершения реакции, так что они не появляются в итоговом уравнении реакции.

Катализируемая йодом

цис-транс изомеризация

Если вы не изучаете курс органической химии, на котором ваш инструктор указывает иное, не пытайтесь запоминать эти механизмы .Они представлены здесь с целью убедить вас, что катализ — это не черная магия, и познакомить вас с некоторыми особенностями каталитических механизмов. Вам должно быть достаточно просто убедить себя, что отдельные шаги имеют химический смысл.

Как вы помните, цис-транс-изомерия возможна, когда атомы, связанные с каждым из двух атомов углерода с двойной связью, могут находиться на одной ( цис, ) или противоположных ( транс, ) сторонах связи.Это отражает тот факт, что вращение вокруг двойной связи невозможно.

Превращение алкена между его формами цис — и транс может происходить только в том случае, если двойная связь временно разорвана, что позволяет двум концам вращаться. Процессы, которые расщепляют ковалентные связи, имеют высокую энергию активации, поэтому реакции цис-транс-изомеризации имеют тенденцию быть медленными даже при высоких температурах. Йод является одним из нескольких катализаторов, которые значительно ускоряют этот процесс, поэтому изомеризация бутена служит хорошим вводным примером гомогенного катализа.

Считается, что механизм реакции, катализируемой йодом, включает атаку атомов йода (образованных равновесием диссоциации на одном из атомов углерода на этапе:

За время своего недолгого существования свободно-редикальный активированный комплекс может вращаться вокруг связи С — С, так что, когда он разлагается с высвобождением йода (), часть восстановленного бутена будет в его форме транс . Наконец, атом йода рекомбинирует в дийод.Поскольку процессы и нейтрализуются, йод не появляется в общем уравнении реакции — требование для настоящего катализатора.

Кислотно-щелочной катализ

Многие реакции катализируются присутствием кислоты или основания; во многих случаях и кислоты, и основания катализируют одну и ту же реакцию. Как и следовало ожидать, механизм включает добавление или удаление протона, превращая реагент в более кинетически лабильную форму. Простым примером является добавление йода к пропанону

.

I 2 + (CH 3 ) 2 –C = O → (CH 2 I) (CH 3 ) –C = O

Механизм кислотно-катализируемого процесса включает несколько этапов.Роль кислоты заключается в обеспечении протона, который присоединяется к карбонильному кислороду, образуя нестабильный ион оксония. Последний быстро перегруппировывается в енол (т.е. углерод, связанный как с двойной связью ( ен ), так и с гидроксильной ( ol ) группой). Это завершает каталитическую часть процесса, которая в основном представляет собой кислотно-основную группу. (перенос протона) реакция, в которой роль протона состоит в том, чтобы отнимать электрон от кислорода кетона.

На второй стадии енол реагирует с йодом.Изогнутые стрелки указывают на сдвиги в расположении электронов. Ниже электрон отводится с π-орбитали двойной связи одним из атомов молекулы I 2 . Это вызывает сдвиг электронов в последнем, в результате чего половина этой молекулы выбрасывается в виде иодид-иона. Другая половина йода теперь представляет собой ион йодония I + , который вытесняет протон одной из метильных групп. Образовавшийся ион карбония затем вытесняет протон -ОН с получением конечного нейтрального продукта.

Возможно, наиболее известной реакцией, катализируемой кислотой, является гидролиз (или образование) сложного эфира — реакция, с которой большинство студентов сталкивается в лабораторных курсах органической химии. Это более сложный процесс, состоящий из пяти шагов; его механизм обсуждается здесь. См. Также этот сайт У. Калгари, который описывает реакцию, катализируемую как кислотой, так и основанием.

Окислительно-восстановительный катализ

Многие реакции окисления-восстановления (переноса электрона), включая прямое окисление молекулярным кислородом, протекают довольно медленно.{2 +}} \]

Эта реакция катализируется либо Cu + , либо Cu 3+ , и скорость пропорциональна концентрации V 3+ и иона меди, но не зависит от концентрации Fe 3+ . Считается, что этот механизм состоит из двух этапов:

1 V 3+ + Cu 2+ V 4+ + Cu + (нормировочная)
2 Fe 3+ + Cu + Fe 2+ + Cu 2+ (очень быстро)

(Если в качестве катализатора используется Cu + , он сначала окисляется до Cu 2+ на стадии 2.+ \]

Гетерогенные катализаторы

Как следует из названия, гетерогенный катализатор существует как отдельная фаза (почти всегда твердая) от фазы (чаще всего газа), в которой происходит реакция. Каталитический эффект возникает из-за разрушения (часто приводящего к диссоциации) молекул реагента, вызванного их взаимодействием с поверхностью катализатора.

← Модель катализатора, состоящего из кластеров из 8-10 атомов платины (синий цвет), нанесенных на поверхность оксида алюминия.Этот катализатор эффективно удаляет атомы водорода из пропана, превращая его в промышленно важный пропилен. [источник]

Неуравновешенные силы на поверхностях

Как вы помните, одно универсальное свойство материи — это слабые силы притяжения, возникающие, когда две частицы близко подходят друг к другу. (См. Здесь для быстрого обзора.) Когда частицы имеют противоположные электрические заряды или вступают в ковалентную связь, это гораздо более сильное притяжение доминирует и определяет «химию» взаимодействующих частиц.

Молекулярные единицы в объеме твердого тела связаны со своими соседями посредством этих сил, которые действуют в противоположных направлениях, удерживая каждую из них под своего рода «натяжением», которое ограничивает ее движение и способствует связности и жесткости твердого тела.

На поверхности любого конденсированного вещества все обстоит иначе. Атомы или молекулы, которые находятся на поверхности, испытывают несбалансированные силы, которые не позволяют им принимать такие же низкие потенциальные энергии, которые характерны для внутренних единиц.(То же самое происходит с жидкостями и вызывает множество межфазных эффектов, таких как поверхностное натяжение.)

Но в случае твердого тела, в котором силы притяжения обычно сильнее, происходит нечто гораздо более значительное. Молекулярные единицы, которые находятся на поверхности, можно рассматривать как частично погруженные в нее, а их выступающие части (и возникающие из них межмолекулярные притяжения) открыты внешнему миру. Сила притягивающего силового поля, которое исходит от твердой поверхности, варьируется в зависимости от природы атомов или молекул, составляющих твердое тело.

Не путайте сорбцию d с сорбцией b ; последнее относится к массовому поглощению вещества внутри пористого материала. На микроскопическом уровне, конечно, поглощение также связано с адсорбцией. Процесс, при котором молекулы газа или жидкости вступают в контакт и прикрепляются к твердой поверхности, известен как адсорбция . Адсорбция почти всегда является экзотермическим процессом, и ее сила обычно выражается энтальпией или «теплотой» адсорбции Δ H адс .

Хемосорбция и физическая сорбция

Обычно различают две общие категории адсорбции, в зависимости от степени воздействия на электронную или связывающую структуру присоединенной молекулы. Когда силы притяжения возникают из-за относительно слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий, такой эффект невелик, и Δ H ad имеет тенденцию быть малым. Это состояние описывается как физическая адсорбция , (физическая адсорбция , ). Физическая адсорбция газа на поверхности энергетически похожа на конденсацию газа в жидкость, она обычно создает несколько слоев адсорбированных молекул и протекает с нулевой энергией активации.

Более важную роль в каталитических явлениях имеет хемосорбция , при которой адсорбат связывается с поверхностью, что составляет химическую связь. Возникающее в результате нарушение электронной структуры адсорбированных частиц «активирует» их и делает их подверженными химической реакции (часто диссоциации), которая не может быть легко достигнута посредством термической активации в газовой или жидкой фазе. В отличие от физадсорбции, хемосорбция обычно включает энергию активации (обеспечиваемую Δ H адсорбцией ), и адсорбированные частицы всегда являются монослоем.

Механизмы реакций на поверхностях

Диссоциативная адсорбция

Простейшим гетерогенным процессом является хемосорбция с последующим разрывом связи, как описано выше. Наиболее распространенным и тщательно изученным из них является диссоциация водорода, которая происходит на поверхности большинства переходных металлов. Одиночный 1 s электрон каждого атома водорода координируется с d орбиталями металла, образуя пару хемосорбционных связей (обозначенных красными пунктирными линиями).Хотя эти новые связи более стабильны, чем простая ковалентная связь, которую они заменяют, образующиеся в результате атомы водорода могут перемещаться по поверхности благодаря непрерывной протяженности орбитальной зоны проводимости d .

Механизм Eley-Rideal

Альтернативный механизм исключает вторую стадию хемосорбции; адатомы кислорода взаимодействуют непосредственно с газообразными молекулами CO , заменяя хемосорбционную связь новой связью C – O, когда они проносятся по поверхности:

Примеры обоих механизмов известны, но механизм Ленгмюра-Хиншелвуда более важен, поскольку он использует активацию адсорбированного реагента.В случае окисления окиси углерода исследования, включающие эксперименты с молекулярными пучками, подтверждают эту схему. Ключевым свидетельством является наблюдение короткого промежутка времени между контактом молекулы CO с поверхностью и высвобождением CO 2 , что позволяет предположить, что CO остается хемосорбированным в течение этого интервала.

Принцип Сабатье

Чтобы быть эффективными, эти процессы адсорбции, реакции и десорбции должны быть организованы таким образом, чтобы в значительной степени зависеть от свойств катализатора по отношению к хемосорбционным свойствам (Δ H адс ) реагентов и продуктов.

  • Адсорбция реагента на каталитической поверхности ( 2 ) должна быть достаточно сильной, чтобы нарушить связывание внутри частиц, диссоциировать или активировать его;
  • Если полученные фрагменты должны мигрировать в другие места на поверхности ( 3-4 ), их хемосорбция должна быть достаточно слабой, чтобы допустить это движение, но не настолько малой, чтобы они ускользнули, прежде чем они успеют отреагировать;
  • Продукт должен иметь достаточно малые значения Δ H адс , чтобы обеспечить их быструю десорбцию с катализатора ( 5 ), чтобы поверхность была освобождена для повторения цикла

Важность выбора катализатора, который обеспечивает надлежащий баланс теплоты адсорбции различных компонентов реакции, известна как принцип Сабатье , но иногда его называют «правильным» или «принципом Златовласки».Помните историю Златовласки и трех медведей? … или посмотрите это видео на UTube.

В применении к катализу этот принцип часто иллюстрируется «вулканической диаграммой», на которой скорость катализированной реакции представлена ​​как функция Δ H адс субстрата, такого как H 2 , на поверхность переходного металла.

График слева показывает относительную эффективность различных металлов в катализе разложения муравьиной кислоты HCOOH.На вертикальной оси отложена температура. Идея состоит в том, что чем лучше катализатор, тем ниже температура, необходимая для поддержания заданной скорости.

Каталитический цикл

Этот термин относится к идеализированной последовательности этапов между адсорбцией реагента на катализаторе и десорбцией продукта, завершающейся восстановлением катализатора до его исходного состояния. Типичный каталитический цикл гидрирования пропена проиллюстрирован ниже.

Эта конкретная реакция

H 3 C – CH = CH 2 + H 2 → H 3 C – CH 2 –CH 3

происходит спонтанно только в обратном направлении, но он представляет процесс, используемый для гидрогенизации двойных углерод-углеродных связей в растительных маслах с получением твердых насыщенных жиров, таких как маргарин.

Катализатор отравления и поломки

Отравление катализатором, вызванное необратимым связыванием вещества с его поверхностью, может быть постоянным или временным. В последнем случае катализатор можно регенерировать, обычно путем нагревания до высокой температуры. В организмах многие вещества, известные нам как «яды», действуют как каталитические яды на ферменты. Если катализаторы действительно остаются неизменными, они должны работать вечно, но на практике могут происходить различные события, ограничивающие срок службы многих катализаторов.

  • Примеси в исходном сырье или продуктах побочных реакций могут постоянно связываться с достаточным количеством активных центров, чтобы со временем снижать каталитическую эффективность, «отравляя» катализатор.
  • Физический износ катализатора или его носителя, часто вызываемый высокими температурами, иногда используемыми в промышленных процессах, может уменьшить эффективную площадь поверхности или доступность реагентов к активным центрам.

Катализаторы, как правило, довольно дороги, поэтому желательно, чтобы их можно было повторно обработать или регенерировать для восстановления их активности.Обычной промышленной практикой является периодическая остановка технологических установок для замены отработанных катализаторов.

Как работают гетерогенные катализаторы

Фактические механизмы, с помощью которых адсорбция молекулы на каталитической поверхности способствует разрыву связи, сильно варьируются от случая к случаю.

Мы приводим здесь только один пример — диссоциацию диксо гена O 2 на поверхности катализатора, способного временно отдавать электрон, который попадает на молекулярную орбиталь, разрывающую кислород, которая явно дестабилизирует связь O – O.(Как только связь разорвана, электрон возвращается к катализатору.)

Типы каталитически активных поверхностей

Гетерогенные катализаторы в основном зависят от одного или нескольких из следующих типов поверхностей:

Некоторые факторы, влияющие на эффективность катализатора

Поскольку гетерогенный катализ требует прямого контакта между реагентами и каталитической поверхностью, площадь активной поверхности идет вверху списка. В случае металлической пленки это не то же самое, что номинальная площадь пленки, измеренная линейкой; на микроскопическом уровне даже кажущиеся гладкими поверхности очень неровны, а некоторые полости могут быть слишком маленькими для размещения молекул реагентов.

Рассмотрим, например, что куб платины размером 1 см (стоимостью примерно 1000 долларов) имеет номинальную площадь поверхности всего 6 см. 2 . Если его разбить на 10 12 меньших кубов со сторонами 10 –6 м, общая площадь поверхности составит 60 000 см 2 , что в принципе способно увеличить скорость реакции, катализируемой Pt, в раз. из 10 4 . Эти очень мелкоизмельченные (и часто очень дорогие) металлы обычно прикрепляются к инертной опорной поверхности для максимального воздействия на них реагентов.

Топография поверхности. На микроскопическом уровне даже кажущаяся гладкой поверхность ямчатая и неровная, и некоторые участки будут более активными, чем другие. Проникновение молекул в некоторые из более мелких каналов пористой поверхности и из них может стать ограничивающим скорость.

В остальном гладкая поверхность всегда будет иметь множество дефектов, таких как ступеньки и углы, которые обеспечивают большую открытость и могут быть либо единственными активными участками на поверхности, либо чрезмерно активными, чтобы постоянно связываться с реагентом, уменьшая активную площадь поверхность.В одном исследовании было определено, что дефекты перегиба, составляющие всего 5 процентов поверхности платины, ответственны за более 90% каталитической активности в определенной реакции.

Стерические факторы

Когда хемосорбция происходит в двух или более местах на реагенте, для эффективного катализа необходимо, чтобы расстояние между активными центрами на каталитической поверхности было таким, чтобы поверхностные связи могли образовываться без значительного углового искажения.

Таким образом, активация двойной связи этилена на поверхности никеля происходит эффективно, потому что угол между связями C-Ni и C-C близок к тетраэдрическому значению 109.5 ° требуется для углеродного образования sp 3 гибридного орбитального образования. Точно так же можно ожидать, что гидрирование бензола должно эффективно протекать на поверхности, на которой активные центры расположены в диапазоне от 150 до 250 пм.

Это одна из причин, по которой многие металлические катализаторы проявляют разную каталитическую активность на разных поверхностях кристаллов.

Некоторые специальные типы гетерогенных катализаторов

Металлокластерные катализаторы

По мере уменьшения размера частиц катализатора доля более открытых ступенчатых, краевых и угловых атомов увеличивается.Крайний случай имеет место с наноразмерными (1-2 нм) металлическими кластерными структурами, обычно состоящими из 10-50 атомов.

[ссылка] →

Металлическое золото, хорошо известное своей химической инертностью, проявляет очень высокую каталитическую активность, когда оно осаждается в виде металлических кластеров на оксидном носителе. Например, O 2 легко диссоциирует на кластеры Au 55 , которые, как было обнаружено, эффективно катализируют окисление углеводородов [статья].

Цеолитные катализаторы

Цеолиты представляют собой глиноподобные алюмосиликатные твердые вещества, которые образуют микропористые структуры с открытым каркасом, которые могут содержать связанные клетки, полости или каналы, размеры которых могут быть адаптированы к размерам реагентов и продуктов.Для тех молекул, которые способны диффундировать через эти пространства, цеолиты фактически являются «всей поверхностью», что делает их очень эффективными. Такая избирательность по размеру делает их важными для адсорбции, разделения, ионного обмена и каталитических применений. Многие цеолиты встречаются в виде минералов, но другие производятся синтетическим путем, чтобы оптимизировать их свойства.

В качестве катализаторов цеолиты обладают рядом преимуществ, которые сделали их особенно важными в операциях «зеленой химии», в которых количество стадий обработки, количество нежелательных побочных продуктов и объемы потоков отходов сведены к минимуму.

Ферменты и биокатализ

«Кувшин вина, буханка хлеба и…» Ферменты!

Это искажение уже искаженного перевода Роберта Фитцджеральда знаменитого катрена из чудесного Рубайят Омара Хайяма подчеркивает центральную роль, которую ферменты и их технологии играли в цивилизации с древних времен.

← Иллюстрация Эдмунда Дюлака (1882-1953)

Ферментация и виноделие были частью истории и культуры человечества не менее 8000 лет, но признание роли катализа в этих процессах пришлось отложить до конца девятнадцатого века.К 1830-м годам были обнаружены многочисленные подобные агенты, например, те, которые способствуют перевариванию белков в желудке. Термин «фермент», означающий «дрожжевой», был придуман немецким физиологом Вильгельмом Кюне в 1876 году. В 1900 году Эдуард Бухнер (1860-1917, Нобелевская премия по химии 1907 года) показал, что брожение, которое, как ранее считалось, зависит от загадочного «Жизненная сила», содержащаяся в живых организмах, таких как дрожжи, может быть достигнута бесклеточным «прессованным соком», который он выжал из дрожжей.

К этому времени было признано, что ферменты являются формой катализаторов (термин, введенный Берцелиусом в 1835 году), но их точная химическая природа оставалась под вопросом. Оказалось, что они связаны с белками, но общее осознание того, что ферменты — это белки, началось только в 1930-х годах, когда был кристаллизован первый чистый фермент, и не стало общепринятым до 1950-х годов. Теперь ясно, что почти все ферменты являются белками, за исключением небольшого, но важного класса ферментов на основе РНК, известных как рибозимы.

Белки состоят из длинных последовательностей аминокислот, связанных амидными связями; эта последовательность определяет первичную структуру , белка. Их огромный размер (обычно 200-2000 аминокислотных единиц с общим молекулярным весом 20 000 — 200 000) позволяет им складываться сложными способами (известными как вторичные и третичные структуры), чьи конфигурации необходимы для их каталитической функции.

Поскольку ферменты обычно намного больше, чем молекулы реагентов, на которые они действуют (известные в биохимии как субстраты ), ферментативный катализ в некотором смысле похож на гетерогенный катализ.Основное отличие состоит в том, что связывание субстрата с ферментом происходит гораздо более избирательно.

Прекурсоры и кофакторы

Большинство ферментов возникают в виде неактивных предшественников ( зимогенов ), которые превращаются в свои активные формы в то время и в том месте, где они необходимы.

  • Например, предполагается, что ферменты, которые приводят к свертыванию крови, остаются неактивными до фактического начала кровотечения; основным активирующим фактором является воздействие на кровь белков поврежденной стенки сосуда.
  • Фермент, который катализирует образование лактозы (молочного сахара) в молочной железе, образуется во время беременности, но остается неактивным до момента рождения, когда гормональные изменения заставляют элемент-модификатор связываться с ферментом и активировать его.

Превращение в активную форму может включать простое разрушение белка путем гидролиза соответствующей пептидной связи или добавления фосфатной или аналогичной группы к одному из аминокислотных остатков.

Многие ферментные белки также нуждаются в «вспомогательных» молекулах, известных как кофакторы , чтобы сделать их каталитически активными.Это могут быть простые ионы металлов (многие из микропитательных ионов Cu, Mn, Mo, V и т. Д.) Или более сложные органические молекулы, которые называются коферментами . Многие из последних — это то, что мы обычно называем витаминами . Другие молекулы, известные как ингибиторы , снижают активность фермента; Так действуют многие лекарства и яды.

Ферментно-субстратный комплекс

Стандартная модель кинетики фермента состоит из двухэтапного процесса, в котором фермент обратимо связывается со своим субстратом S (реагентом) с образованием комплекса фермент-субстрат ES:

Фермент-субстратный комплекс играет роль, аналогичную роли активированного комплекса в традиционной кинетике, но основная функция фермента заключается в стабилизации переходного состояния.

На второй, по существу необратимой стадии, продукт и фермент высвобождаются:

Общая кинетика процесса была разработана в 1913 году немецким биохимиком Леонором Михаэлисом и его канадской ученицей Мод Ментен.

Основная кинетическая трактовка этого процесса включает предположение, что концентрации [E] и [ES] достигают стационарных значений, которые не меняются со временем. (Подробное лечение, выходящее за рамки этого курса, можно найти здесь.)

Общий процесс описывается уравнением Михаэлиса-Ментен , которое изображено здесь. Константа Михаэлиса k M определяется, как показано, но может быть упрощена до константы диссоциации ES k -1 / k 1 в случаях, когда диссоциация комплекса является скоростной. предельный шаг. Величина v max не наблюдается напрямую, но может быть определена из k M , как показано здесь.

Ферменты белки

Чтобы понять ферменты и то, как они катализируют реакции, сначала необходимо рассмотреть несколько основных понятий, касающихся белков и аминокислот, из которых они состоят.

Аминокислоты: полярные, неполярные, положительные, отрицательные.

21 аминокислота, из которых состоят белки, обладают основной структурой, показанной здесь, где R представляет собой водород или боковую цепь, которая сама может содержать дополнительные группы –NH 2 или –COOH.Оба типа групп могут образовывать водородные связи с водой и с полярными частями субстратов и, следовательно, вносят свой вклад в полярность и гидофильную природу аминокислоты. Боковые цепи, которые содержат более длинные углеродные цепи и особенно бензольные кольца, имеют противоположный эффект и имеют тенденцию делать аминокислоту неполярной и гидрофобной.

pK и ионизируемой группы — это pH, при котором половина этих групп будет ионизирована. Например, если группа –COOH имеет pK , то это , равное 2.5, он будет существовать почти полностью в этой форме при pH примерно 1,5 или меньше, и как отрицательный ион –COO при pH выше примерно 3,5.

Обе группы –NH 2 и –COOH ионизируются (т.е. они могут действовать как доноры или акцепторы протонов), и когда они находятся в ионной форме, они будут иметь электрический заряд. Группы –COOH имеют pKa в диапазоне 1,8–2,8 и, следовательно, будут находиться в их ионизированных формах –COO при обычных значениях клеточного pH около 7.4. РКа аминогруппы составляет около 8,8-10,6, поэтому они также обычно находятся в ионизированных формах NH 3 + .

Это означает, что при обычном клеточном pH как карбоксильная, так и аминогруппа будут ионизированы. Но поскольку заряды имеют противоположные знаки, аминокислота, не имеющая дополнительных ионизируемых групп в боковой цепи, будет иметь нулевой заряд. Но если боковая цепь содержит дополнительную амино- или карбоксильную группу, аминокислота может нести чистый электрический заряд.На следующей диаграмме показаны типичные аминокислоты, которые попадают в каждую из описанных выше групп.

Для ясности здесь показаны только заряды в боковых цепях, но, конечно, карбоксильные и аминогруппы в головном конце каждой аминокислоты также будут ионизированы. Маленькие зеленые цифры — это значения pK и . См. Здесь полный список аминокислот, которые встречаются в белках.

Белки

Белки состоят из одной или нескольких цепочек аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями путем удаления молекулы воды.

Продукт, показанный выше, называется пептидом , в частности, это дипептид , потому что он содержит две аминокислоты остатка (то, что осталось после удаления воды). Белки — это просто очень длинные полипептидные цепи, или их комбинации. (Различие между длинным полипептидом и маленьким белком довольно нечеткое!)

Глобулярные белки

Большинство ферментов попадают в категорию глобулярных белков .В отличие от волокнистых белков , которые образуют структурные компоненты тканей, глобулярные белки растворимы в воде и редко имеют какие-либо систематические третичные структуры. Они состоят из одной или нескольких аминокислотных цепей (« пептид »), которые складываются в различные формы, которые можно грубо описать как сферические — отсюда термин «глобулярный» и суффикс «глобин», который часто добавляется к их названия, например, «гемоглобин».

Сворачивание белка — это спонтанный процесс, на который влияет ряд факторов.Одна из них, очевидно, является их первичной аминокислотной последовательностью, которая способствует образованию внутримолекулярных связей между аминокислотами в различных частях цепи. Они состоят в основном из водородных связей, хотя нередки дисульфидные связи S-S между серосодержащими аминокислотами.

Помимо этих внутримолекулярных сил, важную роль играют взаимодействия с окружающей средой. Наиболее важным из них является гидрофобный эффект , который способствует конформациям складчатости, в которых полярные аминокислоты (которые образуют водородные связи с водой) находятся снаружи, в то время как так называемые гидрофобные аминокислоты остаются в защищенных местах в пределах складки.

Как работают ферменты: активный центр

Каталитический процесс, опосредованный ферментом, происходит в углублении или щели, в результате чего субстрат подвергается воздействию только нескольких из сотен и тысяч аминокислотных остатков в белковой цепи. Высокая специфичность и активность ферментативного катализа чувствительно зависят от формы этой полости и свойств окружающих аминокислот

В 1894 году, задолго до того, как стало ясно, что ферменты — это белки, немецкий химик Эмиль Фишер предложил так называемую модель блокировки и ключа как способ понять, как данный фермент может специфически действовать только на один вид молекул субстрата.Эта модель, по сути, является развитием той, которую мы все еще используем для объяснения гетерогенного катализа.

Хотя базовая модель с замком и ключом продолжает оставаться полезной, она была модифицирована в то, что теперь называется моделью с принудительной подгонкой, . Это предполагает, что, когда субстрат входит в активный сайт и взаимодействует с окружающими частями аминокислотной цепи, он изменяет форму активного сайта (и, возможно, других частей фермента), чтобы он мог более полно взаимодействовать с субстратом.

Одним из важных шагов в этом процессе является выдавливание любых молекул воды, которые связаны с субстратом и могут помешать его оптимальному расположению.

В активном центре специфические взаимодействия между субстратом и соответствующим образом заряженными, гидрофильными и гидрофобными аминокислотами активного центра затем стабилизируют переходное состояние, искажая молекулу субстрата таким образом, чтобы привести к переходному состоянию, имеющему существенно более низкую активацию. энергии, чем может быть получен обычным неферментативным катализом.Помимо этого, основные каталитические стадии являются довольно обычными, причем наиболее распространенными являются кислотно-щелочной и нуклеофильный катализ.

Для очень ясной и поучительной иллюстрации типичной многоступенчатой ​​последовательности типичной реакции, катализируемой ферментами, см. Эту страницу онлайн-учебника Марка Бишопа, из которого взята эта иллюстрация.

Регулирование и ингибирование ферментов

Если бы все ферменты в организме были активны все время, результатом был бы хаос.Большинство клеточных процессов, таких как производство и использование энергии, деление клеток и расщепление продуктов метаболизма, должны работать в изящно поставленной, точно настроенной манере, во многом как в большом симфоническом оркестре; Здесь нет места джазовой импровизации!

Природа придумала различные способы достижения этого; мы описали действие предшественников и коферментов. Здесь мы сосредоточимся на одном из наиболее важных (и химически интересных) регуляторных механизмов.

Аллостерическая регуляция: настройка активного сайта

Существует важный класс ферментов, которые обладают особыми сайтами (отличными от каталитически активных сайтов), с которыми могут обратимо связываться определенные внешние молекулы.Хотя эти аллостерические сайты , как их называют, могут быть довольно далеко от каталитических сайтов, эффект связывания или высвобождения этих молекул должен запускать быстрое изменение в паттерне укладки фермента, которое изменяет форму активный сайт. Эффект состоит в том, чтобы позволить сигнальной или регуляторной молекуле (часто очень маленькой, такой как NO) модулировать каталитическую активность активного сайта, эффективно включая или выключая фермент.

В некоторых случаях продукт катализируемой ферментом реакции может сам связываться с аллостерическим сайтом, снижая активность фермента и, таким образом, обеспечивая отрицательную обратную связь, которая помогает поддерживать продукт в желаемой концентрации.Считается, что таким образом регулируются концентрации ионов в плазме, таких как кальций, и энергоснабжающего АТФ.

Аллостерические ферменты — это больше, чем катализаторы: они действуют как контрольные точки в метаболических и клеточных сигнальных сетях. Аллостерические ферменты часто стоят в начале последовательности ферментов в метаболической цепи или в точках разветвления, где две такие цепи расходятся, действуя очень сильно. как светофоры на перегруженных перекрестках.

Ингибирование ферментов

Как и в случае с гетерогенными катализаторами, некоторые молекулы, отличные от нормального субстрата, могут быть способны проникать и удерживаться в активном центре, чтобы конкурентно ингибировать активность фермента.Так работают пенициллин и родственные ему антибиотики; эти молекулы ковалентно связываются с аминокислотными остатками в активном центре фермента, который катализирует образование важного компонента стенок бактериальных клеток. Когда клетка делится, новообразованное потомство по существу распадается.

Ферменты вне клетки

Концепция художника Майка Перкинса об иммобилизованном ферменте внутри функционализированной нанопористой поры кремнезема. Фермент показан зеленым цветом, а положительно заряженные области показаны красным.Синие структуры внутри пор представляют собой отрицательно заряженные функциональные группы, добавленные к мезопористому диоксиду кремния, чтобы создать благоприятную химическую среду для фермента. Благоприятная среда в каждой поре привлекает молекулу фермента в незанятую пору. Эта среда стабилизирует и увеличивает химическую активность фермента, позволяя ему преобразовывать вредные материалы субстрата (фиолетовые частицы) в полезные или безвредные продукты (желтые и красные частицы). [ссылка]

Ферменты уже очень давно широко используются в пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности и производстве моющих средств, но в основном в виде неочищенных экстрактов целых клеток.

В последние годы развитие биотехнологии и постепенный переход промышленности от нефтяного сырья и растворителей к так называемой «зеленой» химии сделали ферменты более привлекательными в качестве промышленных катализаторов. По сравнению с последними очищенные ферменты имеют тенденцию быть дорогими, трудно перерабатываемыми и нестабильными за пределами довольно узких диапазонов температуры, pH и состава растворителя.

Иммобилизованные ферменты

Многие проблемы, связанные с использованием свободных ферментов, можно решить путем иммобилизации фермента.Это можно сделать несколькими способами:

Связывание фермента с инертным твердым поддерживающим материалом
Впервые это было сделано в 1916 году с использованием древесного угля или гидроксида алюминия. С 1960-х годов, когда этот метод стал более популярным, широкое распространение получили синтетические полимеры, часто предназначенные для конкретного применения. Также были использованы некоторые природные биополимеры, такие как целлюлоза или крахмал, и неорганические твердые вещества, такие как диоксид кремния и оксид алюминия.
Улавливание фермента в пористом материале
Полимеризация акриламида в присутствии фермента дает пористый гель, который обеспечивает свободную диффузию субстрата и продуктов. Другие материалы, используемые для этой цели, включают натуральные гели, такие как альгинат (полученный из морских водорослей), пористый диоксид кремния или керамические твердые частицы и цеолиты.
Сшитые ферменты
Если фермент химически связан с другим веществом (обычно очень маленькой молекулой), полученное твердое вещество, известное как сшитый агрегат фермента, может сохранять высокую каталитическую эффективность в очень широком диапазоне условий. Более недавняя связанная разработка включает осаждение менее очищенной формы фермента (например, путем добавления этиленгликоля или сульфата аммония) с последующим сшиванием полученных агрегатов.

[изображений ↑]

Ссылки: больше для изучения

Катализ

  1. Гади Ротенберг- Катализ: концепции и экологические приложения (Wiley-VCH, 2008)
  2. Р.А. ван Сантан, М. Нейрок — Молекулярный гетерогенный катализ: концептуальный и вычислительный подход (Wiley-VCH, 2006)
  3. История катализа: список веб-страниц, включая пятьдесят лет катализа — список основных достижений в области 1949–1999. Более подробные страницы истории из Великобритании
  4. Катализ и его приложения — очень читаемый и интересный отчет о приложениях катализа в различных промышленно важных областях.

Авторы и авторство

Катализатор окисления дизельного топлива

Катализатор окисления дизельного топлива

W. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат : Катализаторы окисления дизельного топлива способствуют химическому окислению CO и HC, а также органической фракции (OF) твердых частиц дизельного топлива.Они также окисляют диоксид серы, который присутствует в выхлопных газах дизельных двигателей при сгорании серосодержащего топлива. Окисление SO 2 приводит к образованию твердых частиц сульфата и может значительно увеличить общие выбросы твердых частиц, несмотря на уменьшение органической фракции. В современных системах нейтрализации дизельных двигателей важной функцией DOC является повышение содержания NO 2 в выхлопных газах для поддержки работы катализаторов SCR и сажевых фильтров.

Каталитические реакции

Катализатор окисления дизельного топлива (DOC) обязан своим названием своей способности способствовать окислению компонентов выхлопных газов кислородом, который в больших количествах присутствует в выхлопных газах дизельных двигателей. При прохождении над катализатором окисления окись углерода (CO), газовая фаза углеводородов (HC), органическая фракция дизельных твердых частиц (OF), а также нерегулируемые выбросы, такие как альдегиды или ПАУ, могут окисляться до безвредные продукты, и, следовательно, их можно контролировать с помощью DOC.В современных системах нейтрализации дизельных двигателей важной функцией DOC является окисление оксида азота (NO) до диоксида азота (NO 2 ) — газа, необходимого для поддержки работы сажевых фильтров и катализаторов SCR, используемых для снижения NOx. . Подробное обсуждение реакций DOC, кинетики реакций и других аспектов технологии можно найти в литературе [3829] .

Механизм реакции над дизельным катализатором окисления объясняется наличием активных каталитических центров на поверхности носителя катализатора, которые обладают способностью адсорбировать кислород.В целом реакция каталитического окисления включает следующие три стадии:

  1. кислород связан с каталитическим центром
  2. реагенты, такие как CO и углеводороды, диффундируют к поверхности и реагируют со связанным кислородом, а
  3. продуктов реакции, таких как CO 2 и водяной пар, десорбируются с каталитического центра и диффундируют в основную часть выхлопного газа.

Окисление углеводородов и CO в выбросах дизельного топлива можно описать следующими химическими реакциями:

[Углеводороды] + O 2 = CO 2 + H 2 O (1)

C n H 2m + (n + m / 2) O 2 = nCO 2 + mH 2 O (1a)

2CO + O 2 = 2CO 2 (2)

Углеводороды окисляются с образованием диоксида углерода и водяного пара, как описано реакцией (1) или — более стехиометрически строго — реакцией (1а).Фактически реакции (1) и (1а) представляют собой два процесса: окисление газовой фазы HC, а также окисление соединений OF. Реакция (2) описывает окисление монооксида углерода до диоксида углерода. Поскольку углекислый газ и водяной пар считаются безвредными, вышеуказанные реакции приносят очевидную выгоду от выбросов. Окисление углеводородов также приводит к уменьшению запаха дизельного топлива.

Однако катализатор окисления будет способствовать окислению всех соединений восстановительного характера; некоторые из реакций окисления могут приводить к образованию нежелательных продуктов и, по сути, быть контрпродуктивными по отношению к назначению катализатора.Окисление диоксида серы до триоксида серы с последующим образованием серной кислоты (H 2 SO 4 ), описываемое реакциями (3) и (4), возможно, является наиболее важным из этих процессов.

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 (3)

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 (4)

Когда выхлопные газы выпускаются из выхлопной трубы и смешиваются с воздухом либо в окружающей среде, либо в туннеле для разбавления, который используется для отбора проб твердых частиц, их температура снижается.В таких условиях газообразный H 2 SO 4 соединяется с молекулами воды и зародышеобразователями, образуя (жидкие) частицы, состоящие из гидратированной серной кислоты. Этот материал, называемый сульфатными частицами, способствует общему выбросу твердых частиц из двигателя. Каталитическое образование сульфатов, особенно в сочетании с дизельным топливом с высоким содержанием серы, может значительно увеличить общие выбросы ТЧ и, таким образом, стать препятствием для применения катализатора.

Окисление NO до NO 2 необходимо для работы современных систем контроля за выбросами дизельного топлива, где DOC является вспомогательным катализатором, поддерживающим работу других типов катализаторов, расположенных после катализатора окисления, для которых требуется повышенное содержание NO . 2 / NO соотношение.

2НО + O 2 = 2НО 2 (5)

Двуокись азота требуется для повышения эффективности некоторых типов катализаторов SCR, а также для содействия пассивной регенерации сажевых фильтров (DPF). DOC, используемые в приложениях DPF / SCR, обычно оптимизированы для производства с высоким содержанием NO 2 .

Повышенные отношения NO 2 / NO с катализаторами окисления — хотя и необходимы для работы систем нейтрализации дизельных двигателей — также были источником разногласий.Среди двух компонентов выбросов NOx NO 2 проявляет более высокую токсичность, чем NO. В некоторых случаях повышенные выбросы NO 2 могут способствовать ухудшению качества воздуха. Этот потенциальный вредный эффект DOC был впервые обнаружен в подземных рудниках [159] . Эта проблема также может иметь значение в «уличных каньонах» с высокой интенсивностью движения, даже если термодинамическое равновесие реакции (5) может быть достигнуто быстрее в присутствии солнечного света, а NO может быстро окисляться озоном.

###

Химические реакции и катализаторы — Science Learning Hub

Химическая реакция включает химическое изменение, которое происходит при взаимодействии двух или более частиц (которые могут быть молекулами, атомами или ионами). Например, когда железо и кислород вступают в реакцию, они превращаются в новое вещество, оксид железа (ржавчину). Оксид железа имеет химические свойства, отличные от железа и кислорода. Это отличается от физического изменения. Например, вода может превратиться в лед, но лед остается водой в другом физическом состоянии — лед и вода имеют одинаковые химические свойства.

Когда химические вещества вступают в реакцию, частицы должны сталкиваться друг с другом с достаточной энергией, чтобы произошла реакция. Чем чаще они сталкиваются, тем больше вероятность их реакции. Не все столкновения приводят к реакции — часто для этого не хватает энергии.

Некоторые реакции происходят быстрее других. Скорость зависит от вероятности столкновения частиц. На скорость реакции влияет ряд вещей.

  • Концентрация — Чем больше частиц, тем больше вероятность столкновения.
  • Температура — Частицы перемещаются больше при более высоких температурах, поэтому вероятно больше столкновений, и столкновения будут иметь больше энергии.
  • Давление — Частицы в газах очень разбросаны. Если вы увеличиваете давление, частицы сталкиваются друг с другом, поэтому вероятность столкновения увеличивается.
  • Площадь поверхности — Если одно из реагирующих химикатов является твердым, столкнуться могут только частицы на поверхности. Чем больше поверхность, тем быстрее реакция.Более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности для своего размера, чем более крупные. Это объясняет, почему порошок обычно реагирует быстрее, чем комки.
  • Катализаторы — Катализатор — это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но остается химически неизменным в конце реакции. Ингибитор делает обратное — замедляет химические реакции.

Катализаторы

Катализаторы играют важную роль во многих химических процессах. Они увеличивают скорость реакции, не расходуются в реакции и необходимы только в очень небольших количествах.

Есть два основных способа работы катализаторов.

Адсорбция

Частицы прилипают к поверхности катализатора (так называемая адсорбция), а затем перемещаются, поэтому они с большей вероятностью столкнутся и вступят в реакцию. Хорошим примером является то, как платиновый катализатор в автомобильном каталитическом нейтрализаторе превращает токсичный монооксид углерода в менее токсичный диоксид углерода.

Промежуточные соединения

В этом процессе катализатор сначала соединяется с химическим веществом, образуя новое соединение.Это новое соединение нестабильно, поэтому оно разрушается, высвобождая другое новое соединение и оставляя катализатор в его первоначальной форме. Так работают многие ферменты (специальные биологические катализаторы). Многие промышленные химические процессы используют такие катализаторы.

Один из примеров катализатора, который включает промежуточное соединение, можно найти высоко в атмосфере Земли. Там, наверху, химический озон (с молекулами, содержащими три атома кислорода) помогает защитить Землю от вредного ультрафиолетового излучения. Но есть еще и хлор, который попадает в атмосферу из химических веществ (хлорфторуглеродов, CFC), используемых в некоторых холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках.

Хлор — это катализатор, который отбирает атом кислорода у озона (O 3 ), оставляя стабильный кислород (O 2 ). В то же время он образует нестабильное промежуточное хлор-кислородное соединение, которое распадается с выделением кислорода. Это оставляет хлор свободным, чтобы повторить процесс. Один атом хлора может уничтожить около миллиона молекул озона каждую секунду. Это может сильно повлиять на способность атмосферы защищать нас от УФ-излучения.

Полезная ссылка

Посмотрите демонстрацию того, как платина действует как катализатор, с объяснением использования платины в каталитических преобразователях в этом видео от BBC.

7 фактов о катализе, которых вы можете не знать

Практически все в вашей повседневной жизни зависит от катализаторов: автомобили, стикеры, стиральный порошок, пиво. Все части вашего сэндвича — хлеб, сыр чеддер, жареная индейка. Катализаторы разрушают бумажную массу, чтобы получить гладкую бумагу в вашем журнале. Они очищают ваши контактные линзы каждую ночь. Они превращают молоко в йогурт, а нефть — в пластиковые молочники, компакт-диски и велосипедные шлемы.

Что такое катализ?

Катализаторы ускоряют химическую реакцию, снижая количество энергии, необходимое для ее запуска.Катализ является основой многих промышленных процессов, в которых используются химические реакции для превращения сырья в полезные продукты. Катализаторы являются неотъемлемой частью производства пластмасс и многих других промышленных изделий.

Даже человеческий организм работает на катализаторах. Многие белки в вашем теле на самом деле являются катализаторами, называемыми ферментами, которые делают все: от создания сигналов, которые двигают ваши конечности, до помощи в переваривании пищи. Они действительно важная часть жизни.

Маленькие дела могут иметь большие результаты.

В большинстве случаев вам нужно совсем небольшое количество катализатора, чтобы изменить ситуацию. Даже размер частицы катализатора может изменить ход реакции. В прошлом году аргоннская команда, в которую входил ученый-материаловед Ларри Кертисс, обнаружила, что один серебряный катализатор лучше справляется со своей задачей, когда он находится в наночастицах шириной всего в несколько атомов. (Катализатор превращает пропилен в оксиды пропилена, что является первым шагом в производстве антифриза и других продуктов.)

Это может сделать вещи более экологичными.

Промышленные процессы производства пластмассы и других предметов первой необходимости часто приводят к появлению неприятных побочных продуктов, которые могут представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды. Лучшие катализаторы могут помочь решить эту проблему. Например, тот же серебряный катализатор на самом деле производит меньше токсичных побочных продуктов, что делает всю реакцию более экологически чистой.

По своей сути катализатор — это способ экономии энергии. А применение катализаторов в больших масштабах могло бы спасти мир на лотов и единиц энергии.Три процента всей энергии, используемой в США каждый год, идет на преобразование этана и пропана в алкены, которые, помимо прочего, используются для производства пластмасс. Это эквивалент более 500 миллионов баррелей бензина.

Катализаторы также являются ключом к открытию биотоплива. Вся биомасса — кукуруза, просо, деревья — содержит твердое соединение, называемое целлюлозой, которое необходимо расщепить для получения топлива. Поиск идеального катализатора для дезинтеграции целлюлозы сделает биотопливо более дешевым и более жизнеспособным в качестве возобновляемого источника энергии.

Вычислительное моделирование открывает перспективы для создания лучших катализаторов и красивых изображений, таких как эта модель платинового катализатора, взаимодействующего с атомами кислорода (красный) и атомами водорода (белый). Изображение Риза Ранкина, Центр наномасштабных материалов.

Часто мы не понимаем, почему они работают.

Точные причины, по которым катализаторы работают, часто остаются загадкой для ученых. Curtiss работает в области вычислительного катализа: использует компьютеры для решения сложного взаимодействия физики, химии и математики, которое объясняет, как работает катализатор.

Как только они выяснят процесс, ученые могут попытаться создать катализатор, который работает еще лучше, путем моделирования того, как могут работать различные материалы. Возможные конфигурации новых катализаторов могут составлять тысячи комбинаций, поэтому суперкомпьютеры лучше всего справляются с ними.

Когда Эдисон конструировал лампочку, он испытал буквально сотни различных нитей накала (вероятно, испытав терпение своих лаборантов), прежде чем обнаружил обугленную нить.Воспользовавшись суперкомпьютерами и современными технологиями, ученые могут ускорить годы испытаний и сократить расходы, чтобы совершить прорыв.

Curtiss проводит моделирование на суперкомпьютере Argonne Blue Gene / P для разработки возможных новых катализаторов. «Поскольку суперкомпьютеры стали быстрее, мы смогли делать то, чего никогда не могли делать 10 лет назад», — сказал он.

Они могут оказаться незаменимыми для следующей большой революции в производстве аккумуляторов.

Новые эффективные литий-ионные аккумуляторы помогли превратить неуклюжие автомобильные телефоны в тонкие и элегантные сотовые телефоны и ноутбуки, доступные сегодня.Но ученые уже ищут следующую революцию в аккумуляторных батареях — такую, которая когда-нибудь сможет сделать батарею легкой и достаточно мощной, чтобы проехать 500 миль на машине. Перспективной идеей являются литий- воздушные батареи , в которых в качестве основного компонента используется кислород воздуха. Но эта новая батарея потребует полностью изменить внутреннюю химию, и ей понадобится новый мощный катализатор, чтобы заставить ее работать. Литий-воздушная батарея работает, объединяя атомы лития и кислорода, а затем снова и снова разрушая их.Это ситуация, специально созданная для катализатора, и хороший катализатор ускорит реакцию и сделает батарею более эффективной.

Как сделать новый катализатор?

Понимание химии реакций — это первый шаг; затем ученые могут использовать моделирование для разработки новых потенциальных катализаторов и их тестирования в лаборатории. Но этот первый шаг будет трудным, если вы не сможете перейти на атомарный уровень, чтобы увидеть, что происходит во время реакции. Именно здесь блистают большие научные объекты, такие как усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне.

В APS ученые могут использовать самые яркие рентгеновские лучи в Соединенных Штатах, чтобы отслеживать реакции в режиме реального времени. В Центре электронной микроскопии лаборатории исследователи фотографируют атомы во время их реакции. Кертисс и его команда использовали и то, и другое в поисках лучших катализаторов.

Понимание катализа — обзоры химического общества (RSC Publishing)

Подавляющее большинство химических соединений подверглось по крайней мере одной каталитической стадии во время синтеза.Хотя общеизвестно, что катализаторы увеличивают скорость реакции за счет снижения энергии активации, часто неясно, как катализаторы достигают этого. Этот обзор учебного пособия объясняет некоторые фундаментальные принципы катализа и то, как изучаются механизмы. Диссоциация муравьиной кислоты на H 2 и CO 2 служит для демонстрации того, как молекула воды может открыть новый путь реакции при более низкой энергии, как погружение в жидкую воду может повлиять на распределение заряда и энергетику, а также чем катализ на металлических поверхностях отличается от катализа в газовой фазе.Обсуждаются обратимость каталитических реакций, влияние предварительного равновесия адсорбции и компенсирующие эффекты энтропии и энтальпии адсорбции на параметры Аррениуса. Показано, что на эти параметры влияет гибкость каталитического центра и остаточная динамика субстрата на поверхности. Объясняется принцип Сабатье оптимальной адсорбции подложки, селективности формы в порах молекулярных сит и эффекта поляризации на границе раздела металл-носитель.Наконец, показано, что приложение напряжения смещения в электрохимии предлагает дополнительный параметр для стимулирования или подавления реакции.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент…

Что-то пошло не так.

You May Also Like

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *