สารใดเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา อะไรคือตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยา

คำว่า "catalysis" ถูกนำมาใช้ในปี 1835 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน Jöns Jakob Berzelius

ปรากฏการณ์ของการเร่งปฏิกิริยาเป็นเรื่องปกติในธรรมชาติ (กระบวนการส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี (ในการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี ในการผลิตกรดซัลฟิวริก แอมโมเนีย กรดไนตริก ฯลฯ) ส่วนใหญ่ของปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมทั้งหมดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

หลักการพื้นฐานของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยาไปเป็นกลไกที่เอื้ออาทรมากกว่า กล่าวคือ จะลดพลังงานกระตุ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาก่อตัวเป็นสารประกอบขั้นกลางที่มีโมเลกุลของสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่ง ซึ่งพันธะเคมีจะอ่อนตัวลง สิ่งนี้อำนวยความสะดวกในการทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ที่สอง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาย้อนกลับได้ทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับ

ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตามอิทธิพลของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาจะแบ่งออกเป็นค่าบวก (อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น) และค่าลบ (อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง) ในกรณีหลังนี้ กระบวนการยับยั้งจะเกิดขึ้น ซึ่งไม่ถือว่าเป็น "ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ" เนื่องจากตัวยับยั้งถูกใช้ไปในระหว่างปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดขึ้น เป็นเนื้อเดียวกันและ ต่างกัน(ติดต่อ). ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในเฟสเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันจะแตกต่างกันไปตามเฟส

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ต่อหน้าไอโอดีนไอออน ปฏิกิริยาดำเนินไปในสองขั้นตอน:

H 2 O 2 + I → H 2 O + IO H 2 O 2 + IO → H 2 O + O 2 + ฉัน

ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดจากการที่มันทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นเพื่อสร้างสารประกอบขั้นกลาง ซึ่งจะทำให้พลังงานกระตุ้นลดลง

ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกัน

ในการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน ความเร่งของกระบวนการมักจะเกิดขึ้นบนพื้นผิว ร่างกายที่แข็งแรง- ตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับขนาดและคุณสมบัติของพื้นผิว ในทางปฏิบัติ ตัวเร่งปฏิกิริยามักจะได้รับการสนับสนุนด้วยการรองรับรูพรุนที่เป็นของแข็ง

กลไกของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันนั้นซับซ้อนกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน กลไกของตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันประกอบด้วยห้าขั้นตอน ซึ่งทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้

การแพร่กระจายของสารตั้งต้นสู่พื้นผิวของของแข็ง
การดูดซับทางกายภาพบนตำแหน่งแอคทีฟของพื้นผิวแข็งของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาแล้วตามด้วยเคมีดูดซับ
ปฏิกิริยาเคมีระหว่างโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา
การดูดซับผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาสู่กระแสทั่วไป

ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันคือการเกิดออกซิเดชันของ SO 2 ถึง SO 3 บนตัวเร่งปฏิกิริยา V 2 O 5 ในการผลิตกรดซัลฟิวริก (วิธีสัมผัส)

ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา

โลหะแพลตตินัม (แสดงโดยลูกศร) ทำให้เสถียรบนตัวพา - อะลูมิเนียมออกไซด์

ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา, มิฉะนั้นพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) (ตัวพาหรือตัวรองรับภาษาอังกฤษ) - วัสดุเฉื่อยหรือใช้งานต่ำที่ทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพของอนุภาคของเฟสตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานอยู่บนพื้นผิวของมัน

บทบาทของตัวสนับสนุนในการเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันคือการป้องกันการเกาะตัวเป็นก้อนหรือการเผาผนึกของส่วนประกอบออกฤทธิ์ ซึ่งทำให้สามารถรักษาพื้นที่สัมผัสที่สูงระหว่างสารออกฤทธิ์ (ดูระยะเร่งปฏิกิริยา) และสารตั้งต้นได้ ปริมาณของตัวพาโดยทั่วไปจะมากกว่าปริมาณของสารออกฤทธิ์ที่ใช้กับสารดังกล่าว ข้อกำหนดหลักสำหรับสื่อคือ สี่เหลี่ยมใหญ่พื้นผิวและความพรุน, ความคงตัวทางความร้อน, ความเฉื่อยของสารเคมี, ความแข็งแรงเชิงกลสูง ในบางกรณี ตัวพาจะส่งผลต่อคุณสมบัติของเฟสแอคทีฟ (ผลของ "ปฏิกิริยาระหว่างตัวพาโลหะที่แข็งแกร่ง") ในฐานะที่เป็นพาหะ ใช้ทั้งวัสดุธรรมชาติ (ดินเหนียว หินภูเขาไฟ ไดอะตอมไมต์ ใยหิน ฯลฯ) และวัสดุสังเคราะห์ (ถ่านกัมมันต์ ซิลิกาเจล อะลูมิโนซิลิเกต ออกไซด์ของอะลูมิเนียม แมกนีเซียม เซอร์โคเนียม ฯลฯ)

เคมีของตัวเร่งปฏิกิริยา

เคมีของตัวเร่งปฏิกิริยาศึกษาสารที่เปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สารที่ทำให้ปฏิกิริยาช้าลงเรียกว่า สารยับยั้ง. เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่อยู่ในความสัมพันธ์เชิงปริมาณสัมพันธ์กับผลิตภัณฑ์ และถูกสร้างขึ้นใหม่หลังจากแต่ละรอบของการแปลงสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ แม้จะมีวิธีการใหม่ในการกระตุ้นโมเลกุล (เคมีในพลาสมา รังสีและเลเซอร์ และอื่นๆ) ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นพื้นฐานของการผลิตสารเคมี (สัดส่วนสัมพัทธ์ของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาคือ 80-90%)

ปฏิกิริยาที่เลี้ยงมนุษยชาติ (การแก้ปัญหาของไนโตรเจนที่ถูกผูกมัด) คือวัฏจักรฮาเบอร์-บอช แอมโมเนียผลิตโดยตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กที่มีรูพรุน เกิดขึ้นที่ P = 30 MPaและ Т = 420-500 °C

3H 2 + N 2 \u003d 2NH 3

ไฮโดรเจนสำหรับการสังเคราะห์ NH 3 ได้มาจากกระบวนการเร่งปฏิกิริยาสองกระบวนการต่อเนื่อง: การแปลง CH 4 (CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2) บนตัวเร่งปฏิกิริยา Ni และการแปลงคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ได้ (CO + H 2 O → CO 2 + H 2) . เพื่อให้ได้การแปลงระดับสูง ปฏิกิริยาสุดท้ายจะดำเนินการในสองขั้นตอน: อุณหภูมิสูง (315-480 °C) - บน Fe - Cr - ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์และอุณหภูมิต่ำ (200-350 °C) - บน Cu - Zn - ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ จากแอมโมเนีย กรดไนตริก และสารประกอบไนโตรเจนอื่นๆ ได้มาจากยาและปุ๋ยไปจนถึงวัตถุระเบิด

แยกแยะการเร่งปฏิกิริยา "" เป็นเนื้อเดียวกัน, ต่างกัน, ส่วนต่อประสาน, ไมเซลล่าร์, เอนไซม์.

พลังงานกระตุ้น E ของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาจะน้อยกว่าปฏิกิริยาเดียวกันในกรณีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น สำหรับการสลายตัวที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาของ NH 3 เป็น N 2 + H 2 E ~ 320 กิโลจูลต่อโมล, สำหรับการสลายตัวแบบเดียวกันต่อหน้า Pt Е ~ 150 กิโลจูลต่อโมล. เนื่องจาก E ลดลง ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาจะถูกเร่งเมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา

วรรณกรรม

Boreskov G.K.ตัวเร่งปฏิกิริยา คำถามเกี่ยวกับทฤษฎีและการปฏิบัติ - โนโวซีบีสค์, 1987.
ประตูข.เคมีของกระบวนการเร่งปฏิกิริยา / B. Gates, J. Ketzir.
วารสาร "จลนศาสตร์และการเร่งปฏิกิริยา".
Kolesnikov I. M.ตัวเร่งปฏิกิริยาและการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยา - ม.: เทคนิค, 2547. - 399 น.
ชุยต์ จี.- M .: Mir, 1981. - 551 น.
Yablonsky G. S. , Bykov V. I. , Gorban A. N.แบบจำลองจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา - โนโวซีบีสค์: วิทยาศาสตร์ (สาขาไซบีเรีย), 2526 - 255 หน้า

ดูสิ่งนี้ด้วย

ลิงค์

มูลนิธิวิกิมีเดีย 2010 .

คำพ้องความหมาย:

ดูว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยา" ในพจนานุกรมอื่นๆ คืออะไร:

ตัวเร่งปฏิกิริยา- ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา Catalyzator เป็นชื่อที่ใช้ในวิทยาศาสตร์โดย Berzelius (Berzelius; 1835) เพื่ออ้างถึงสารที่ก่อให้เกิดหรือเร่งปฏิกิริยาเคมี ดำเนินไปโดยไม่ได้มีส่วนในการมองเห็น ต่อมา Ostwald (CH а1с1) และโรงเรียนของเขา ... ... สารานุกรมทางการแพทย์ขนาดใหญ่

- (จากการทำลายคาตาไลซิสของกรีก) การเร่งปฏิกิริยาเคมีเมื่อมีสารตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ แต่ไม่ถูกบริโภคในปฏิกิริยาและไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน รีเอเจนต์เริ่มต้นและ ... ... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

CATALYSIS การเปลี่ยนแปลงอัตราของปฏิกิริยาเคมีโดยการเพิ่มสาร CATALYST ที่ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา ผลของตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้กลไกการเกิดปฏิกิริยาชัดเจนขึ้น ใช้ในหลายกระบวนการทางอุตสาหกรรม... วิทยาศาสตร์และเทคนิค พจนานุกรมสารานุกรม

- (จากการทำลายคาตาไลซิสของกรีก) การเร่งปฏิกิริยาเคมีต่อหน้าสารเร่งปฏิกิริยาที่ทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ แต่ไม่ถูกบริโภคในปฏิกิริยาและไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ...... สารานุกรมสมัยใหม่

ตัวเร่งปฏิกิริยา, ตัวเร่งปฏิกิริยา, สามี. (จากกรีกเร่งปฏิกิริยาละลาย) (เคมี). เร่งหรือชะลอปฏิกิริยาเคมีภายใต้อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยา พจนานุกรมอธิบายของ Ushakov ดี.เอ็น. อูชาคอฟ. 2478 2483 ... พจนานุกรมอธิบายของ Ushakov

มีอยู่ จำนวนคำพ้องความหมาย: 4 autocatalysis (2) biocatalysis (1) photocatalysis (1) ... พจนานุกรมคำพ้องความหมาย

การเร่งหรือลดความเร็วของสารเคมี ปฏิกิริยาด้วยความช่วยเหลือของสารออกฤทธิ์บางอย่าง (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ที่สามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาระยะสั้นซ้ำ ๆ กับสารประกอบที่ทำปฏิกิริยาได้ซึ่งอำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยา สาระสำคัญของการกระทำ ... ... สารานุกรมธรณีวิทยา

ตัวเร่งปฏิกิริยา- a, m. เร่งปฏิกิริยา f. กรัม การยุติการเร่งปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีภายใต้อิทธิพลของสารบางชนิด (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ALS 1. ยืมมาจาก fr. แลง ในปี 1837 บันทึกครั้งแรกใน Mining Journal of 1837 (2 5 380) ในการแปล ... ... พจนานุกรมประวัติศาสตร์ของ Gallicisms ของภาษารัสเซีย

ตัวเร่งปฏิกิริยา- — หัวข้อของการเร่งปฏิกิริยาเทคโนโลยีชีวภาพ EN … คู่มือนักแปลทางเทคนิค

ตัวเร่งปฏิกิริยา- - การเปลี่ยนแปลงอัตราหรือการกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีโดยตัวเร่งปฏิกิริยาของสาร เคมีทั่วไป: ตำรา / A.V. Zholnin ... ศัพท์เคมี

ตัวเร่งปฏิกิริยา- [กรัม การทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา] ปรากฏการณ์การเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่อหน้าสารที่ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างปฏิกิริยา [Usherov Marshak A. V. วิทยาศาสตร์คอนกรีต: พจนานุกรม มอสโก: RIF วัสดุก่อสร้าง. 2552. - 112 น.] ... ... สารานุกรมคำศัพท์คำจำกัดความและคำอธิบายของวัสดุก่อสร้าง

พบตัวเร่งปฏิกิริยา ประยุกต์กว้างในอุตสาหกรรมเคมีโดยเฉพาะในเทคโนโลยีสารอนินทรีย์ ตัวเร่งปฏิกิริยา- การกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงความเร็วภายใต้อิทธิพลของสาร - ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมีซ้ำ ๆ กับผู้เข้าร่วมในปฏิกิริยาและถูกเรียกคืนหลังจากแต่ละรอบของการมีปฏิสัมพันธ์ องค์ประกอบทางเคมี. มีสารที่ลดอัตราการเกิดปฏิกิริยาซึ่งเรียกว่าตัวยับยั้งหรือตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนสถานะของความสมดุลในระบบ แต่อำนวยความสะดวกให้สำเร็จเท่านั้น ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเร่งทั้งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับได้พร้อมกัน แต่ค่าคงที่สมดุลยังคงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่สามารถเปลี่ยนสมดุลของปฏิกิริยาย้อนกลับที่ไม่เอื้ออำนวยทางอุณหพลศาสตร์ได้ โดยที่สมดุลจะเปลี่ยนไปทางวัสดุเริ่มต้น

สาระสำคัญของการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการลดพลังงานกระตุ้น E a ของปฏิกิริยาเคมีโดยการเปลี่ยนเส้นทางปฏิกิริยาเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาของการแปลง A เป็น B เส้นทางปฏิกิริยาสามารถแสดงได้ดังนี้:

A + K  AK

VK  วี + K

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 1 ระยะที่สองของกลไกกำลังถูกจำกัด เนื่องจากมีพลังงานกระตุ้นสูงสุด Еcat แต่ต่ำกว่าสำหรับกระบวนการที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา ENecat อย่างมาก การลดลงของพลังงานกระตุ้นเกิดขึ้นเนื่องจากการชดเชยพลังงานของการทำลายพันธะของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาด้วยพลังงานของการก่อตัวของพันธะใหม่กับตัวเร่งปฏิกิริยา ลักษณะเชิงปริมาณของการลดลงของพลังงานกระตุ้น และด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา สามารถเป็นระดับของการชดเชยพลังงานของพันธะหัก Di:

 \u003d (Di - E cat) / Di (1)

ยิ่งพลังงานกระตุ้นของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาต่ำ ระดับการชดเชยก็จะยิ่งสูงขึ้น

พร้อมกันกับการลดลงของพลังงานกระตุ้น ในหลายกรณี ลำดับของปฏิกิริยาจะลดลง ลำดับปฏิกิริยาที่ลดลงอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาจะดำเนินผ่านขั้นตอนพื้นฐานหลายขั้นตอน ซึ่งลำดับอาจน้อยกว่าลำดับของปฏิกิริยาที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา

ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตามสถานะเฟสของสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการเร่งปฏิกิริยาจะแบ่งออกเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำปฏิกิริยาอยู่ในเฟสเดียวกัน (ก๊าซหรือของเหลว) ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันจะอยู่ในเฟสที่ต่างกัน บ่อยครั้ง ระบบทำปฏิกิริยาของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันประกอบด้วยสามเฟสในการรวมกันที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น สารตั้งต้นสามารถอยู่ในเฟสของแก๊สและของเหลว และตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถอยู่ในของแข็ง

กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ (ชีวภาพ) ซึ่งพบได้ทั่วไปในธรรมชาติและใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อการผลิตโปรตีนจากอาหารสัตว์ กรดอินทรีย์ แอลกอฮอล์ ตลอดจนในการบำบัดน้ำเสีย แบ่งออกเป็นกลุ่มพิเศษ

ตามประเภทของปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาแบ่งออกเป็นรีดอกซ์และกรดเบส ในปฏิกิริยาที่ดำเนินการตามกลไกรีดอกซ์ ปฏิกิริยาระหว่างกลางกับตัวเร่งปฏิกิริยาจะมาพร้อมกับการแตกพันธะของพันธะอิเล็กตรอนสองอิเล็กตรอนในสารตั้งต้นและการก่อตัวของพันธะกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ของหลัง ตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์คือโลหะหรือออกไซด์ของวาเลนซ์แปรผัน

ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยากรดเบสเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาโปรโตไลติกระดับกลางของสารตั้งต้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาหรืออันตรกิริยาที่เกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาคู่เดียวของอิเล็กตรอน (เฮเทอโรไลติก) ตัวเร่งปฏิกิริยาเฮเทอโรไลติกดำเนินการด้วยการแตกของพันธะโควาเลนต์ ซึ่งตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาโฮโมไลติก คู่อิเล็กตรอนที่ทำให้พันธะยังคงอยู่ทั้งหมดหรือบางส่วนที่อะตอมหรือกลุ่มของอะตอม กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความสะดวกในการถ่ายโอนโปรตอนไปยังตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวเร่งปฏิกิริยาของกรด) หรือโปรตอนถูกแยกออกจากตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวเร่งปฏิกิริยาพื้นฐาน) ในการเร่งปฏิกิริยาครั้งแรก ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของการไฮโดรไลซิส ความชุ่มชื้น และการคายน้ำ โพลิเมอไรเซชัน การควบแน่น การเกิดอัลคิเลชัน ไอโซเมอไรเซชัน ฯลฯ ดำเนินการตามกลไกของกรด-เบส สารประกอบของโบรอน ฟลูออรีน ซิลิกอน อะลูมิเนียม กำมะถัน และองค์ประกอบอื่นๆ ที่มีคุณสมบัติเป็นกรดหรือสารประกอบของ องค์ประกอบของกลุ่มที่หนึ่งและกลุ่มที่สองของระบบธาตุที่มีคุณสมบัติพื้นฐาน การให้น้ำเอทิลีนตามกลไกของกรด-เบสโดยมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยากรด HA ดำเนินการดังนี้: ในระยะแรกตัวเร่งปฏิกิริยาทำหน้าที่เป็นผู้ให้โปรตอน

CH 2 \u003d CH 2 + HA  CH 3 -CH 2 + + A -

ขั้นตอนที่สองคือการให้ความชุ่มชื้นที่แท้จริง

CH 3 -CH 2 + + HOH  CH 3 CH 2 OH + H +

ขั้นตอนที่สามคือการฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยา H + + A -  HA

ปฏิกิริยารีดอกซ์และกรด-เบสสามารถพิจารณาได้ตามกลไกของราก ตามกลไกของพันธะแลตทิซของโมเลกุล-ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการดูดซับเคมีช่วยให้การแยกตัวของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาไปเป็นอนุมูลอิสระ ในการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน อนุมูลอิสระจะเคลื่อนตัวไปบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ที่เป็นกลาง ซึ่งจะถูกดูดซับ

นอกจากนี้ยังมีโฟโตคะตาไลซิสเมื่อกระบวนการเริ่มต้นโดยการกระทำของแสง

เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันบนตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งเป็นปัจจัยที่พบบ่อยที่สุดในเคมีอนินทรีย์ เราจะพูดถึงรายละเอียดเพิ่มเติม กระบวนการสามารถแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน:

1) การแพร่กระจายภายนอกของสารตั้งต้นจากแกนของการไหลไปยังพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม การแพร่กระจายแบบปั่นป่วน (การพาความร้อน) มักจะมีชัยเหนือการแพร่กระจายของโมเลกุล

2) การแพร่กระจายภายในในรูพรุนของเม็ดตัวเร่งปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับขนาดของรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาและขนาดของโมเลกุลของตัวทำปฏิกิริยา การแพร่กระจายอาจเกิดขึ้นตามกลไกของโมเลกุลหรือตามกลไกของคนุดเซ่น (ด้วยการเคลื่อนไหวที่จำกัด );

3) การดูดซับที่ถูกกระตุ้น (ทางเคมี) ของสารตั้งต้นหนึ่งตัวหรือมากกว่าบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยการก่อตัวของสารประกอบเคมีที่พื้นผิว

4) การจัดเรียงอะตอมใหม่ด้วยการก่อตัวของสารตัวเร่งปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์พื้นผิว

5) การสลายตัวของผลิตภัณฑ์ตัวเร่งปฏิกิริยาและการสร้างใหม่ของศูนย์กลางของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนหนึ่งไม่ใช่พื้นผิวทั้งหมดของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานอยู่ แต่แยกพื้นที่ - ศูนย์ที่ใช้งานอยู่

6) การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์ในรูขุมขนของตัวเร่งปฏิกิริยา

7) การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเกรนเข้าสู่การไหลของก๊าซ

อัตราโดยรวมของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันนั้นกำหนดโดยอัตราของแต่ละระยะและถูกจำกัดโดยกระบวนการที่ช้าที่สุด เมื่อพูดถึงขั้นตอนที่จำกัดกระบวนการ ถือว่าขั้นตอนที่เหลือดำเนินไปอย่างรวดเร็วจนในแต่ละขั้นตอนจะถึงจุดสมดุล ความเร็วของแต่ละขั้นตอนจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ของกระบวนการทางเทคโนโลยี ตามกลไกของกระบวนการโดยรวม รวมถึงปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาและขั้นตอนการแพร่กระจายของการถ่ายโอนสาร กระบวนการที่เกิดขึ้นในจลนศาสตร์ การแพร่กระจายภายนอก และบริเวณภายในจะมีความโดดเด่น โดยทั่วไปความเร็วของกระบวนการจะถูกกำหนดโดยนิพจน์:

d/d = k c (2)

โดยที่ c เป็นแรงขับเคลื่อนของกระบวนการ ซึ่งเท่ากับผลคูณของความเข้มข้นที่มีประสิทธิผลของสารตั้งต้น สำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นในเฟสของแก๊ส แรงผลักดันจะแสดงออกมาในแรงกดดันบางส่วนของสารตั้งต้น р; k คือค่าคงที่อัตรา

โดยทั่วไป ค่าคงที่อัตราขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย:

k = f (k 1 , k 2 , k pob, …..D i, D i / , D p, .) (3)

โดยที่ k 1 , k 2 , k pob - ค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาโดยตรงย้อนกลับและด้านข้าง D และ, D และ / , D p - สัมประสิทธิ์การแพร่ของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ซึ่งกำหนดค่าของ k ในพื้นที่การแพร่กระจายภายนอกหรือภายในของกระบวนการ

ที่ พื้นที่จลนศาสตร์ k ไม่ได้ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ สมการจลนศาสตร์ทั่วไปสำหรับอัตราของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของก๊าซโดยคำนึงถึงผลกระทบต่ออัตราของพารามิเตอร์หลักของระบอบเทคโนโลยี:

u = kvpP n  0 = k 0 e -Ea/RT vpP n  0 (4)

โดยที่ v คืออัตราการไหลของก๊าซ p คือแรงผลักดันของกระบวนการที่ Р0.1 MPa (1 atm) P คืออัตราส่วนของแรงดันใช้งานต่อความดันบรรยากาศปกติ นั่นคือ ค่าไร้มิติ  0 คือ ปัจจัยการแปลงเป็นความดันและอุณหภูมิปกติ n คือลำดับของปฏิกิริยา

เอ็ม
กลไกของขั้นตอนทางเคมีถูกกำหนดโดยธรรมชาติของสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการนี้สามารถถูกจำกัดโดยเคมีดูดซับของสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่งโดยพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาหรือโดยการคายการดูดซับของผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาสามารถควบคุมได้โดยการก่อตัวของสารเชิงซ้อนที่มีประจุ ในกรณีเหล่านี้ การชาร์จของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้การกระทำของปัจจัยบางอย่างมีผลอย่างมากต่อวิถีของปฏิกิริยา ในภูมิภาคจลนศาสตร์ กระบวนการส่วนใหญ่เกิดขึ้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาเม็ดละเอียดที่มีกิจกรรมต่ำซึ่งมีรูพรุนขนาดใหญ่ที่การไหลของสารตั้งต้นอย่างปั่นป่วน เช่นเดียวกับที่อุณหภูมิต่ำใกล้กับอุณหภูมิจุดติดไฟของตัวเร่งปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาในของเหลว การเปลี่ยนผ่านไปยังบริเวณจลนศาสตร์สามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเนื่องจากความหนืดของของเหลวลดลง และทำให้เกิดการเร่งความเร็วของการแพร่กระจาย เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ระดับของความสัมพันธ์ การละลาย และความชุ่มชื้นของโมเลกุลรีเอเจนต์ในสารละลายจึงลดลง ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของค่าสัมประสิทธิ์การแพร่และทำให้เปลี่ยนจากบริเวณการแพร่กระจายไปยังบริเวณจลนศาสตร์ สำหรับปฏิกิริยา คำสั่งทั่วไปซึ่งสูงกว่าความเป็นเอกภาพ การเปลี่ยนจากบริเวณการแพร่กระจายไปยังบริเวณจลนศาสตร์เป็นลักษณะเฉพาะที่มีความเข้มข้นของรีเอเจนต์เริ่มต้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญ การเปลี่ยนแปลงของกระบวนการจากบริเวณจลนศาสตร์ไปยังบริเวณการแพร่กระจายภายนอกสามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออัตราการไหลลดลง ความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

ใน เขตการแพร่กระจายภายนอกประการแรก กระบวนการดำเนินการกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีฤทธิ์สูง ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาที่รวดเร็วและได้ผลผลิตที่เพียงพอในช่วงเวลาที่สัมผัสกับตัวทำปฏิกิริยากับตัวเร่งปฏิกิริยา โดยวัดเป็นเศษเสี้ยววินาที ปฏิกิริยาที่รวดเร็วมากเกิดขึ้นเกือบทั้งหมดบนพื้นผิวด้านนอกของตัวเร่งปฏิกิริยา ในกรณีนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะใช้เมล็ดพืชที่มีรูพรุนที่มีพื้นผิวด้านในที่พัฒนาขึ้นอย่างมาก และจำเป็นต้องพยายามพัฒนาพื้นผิวด้านนอกของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นในการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียบนแพลตตินัม แบบหลังถูกใช้ในรูปแบบของกริดที่บางที่สุดที่มีเส้นลวดแพลตตินั่มหลายพันเส้น ที่สุด เครื่องมือที่มีประสิทธิภาพการเร่งความเร็วของกระบวนการที่เกิดขึ้นในพื้นที่ของการแพร่กระจายภายนอกคือการผสมรีเอเจนต์ซึ่งมักจะทำได้โดยการเพิ่ม ความเร็วเชิงเส้นรีเอเจนต์ กระแสความปั่นป่วนที่รุนแรงนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของกระบวนการจากบริเวณการแพร่กระจายภายนอกไปยังบริเวณอินทราดิฟฟิวชัน (สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุนเนื้อละเอียดหยาบ) หรือบริเวณจลนศาสตร์

โดยที่ G คือปริมาณของสารที่ถ่ายโอนเมื่อเวลาผ่านไป  ในทิศทาง x ซึ่งตั้งฉากกับพื้นผิวของเกรนตัวเร่งปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นของส่วนประกอบที่กระจายตัวในแกนกลางของการไหลของสารตั้งต้น S คือพื้นผิวด้านนอกอิสระของตัวเร่งปฏิกิริยา dc /dx คือการไล่ระดับความเข้มข้น

มีการเสนอวิธีการและสมการจำนวนมากเพื่อกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของสารในสื่อต่างๆ สำหรับสารผสมไบนารีของสาร A และ B ตาม Arnold

(6) โดยที่ T - อุณหภูมิ K; MA, M B - มวลโมลาร์ของสาร A และ B, g / mol; v A, v B - ปริมาณโมลาร์ของสาร P - แรงดันรวม (0.1 M Pa); C A+B คือค่าคงที่ของ Sutherland

ค่าคงที่ซัทเทอร์แลนด์คือ:

C A + B \u003d 1.47 (TA / + T B /) 0.5 (7)

โดยที่ T A / , T B / คือจุดเดือดของส่วนประกอบ A และ B, K

(8) สำหรับก๊าซ A และ B ที่มีค่าปริมาตรโมลาร์ใกล้เคียงกัน สามารถใช้ =1 ได้ และมีค่าแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่าง 1

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในตัวกลางของเหลว D W สามารถกำหนดได้โดยสูตร

โดยที่  คือความหนืดของตัวทำละลาย PaС; M และ v - มวลโมลาร์และปริมาตรโมลาร์ของสารกระจาย x เป็นพารามิเตอร์ที่คำนึงถึงความสัมพันธ์ของโมเลกุลในตัวทำละลาย

ที่

เกี่ยวกับ ภูมิภาคอินทราดิฟฟิวชั่นนั่นคือเมื่ออัตราโดยรวมของกระบวนการถูกจำกัดโดยการแพร่กระจายของสารตั้งต้นในรูพรุนของเกรนตัวเร่งปฏิกิริยา มีหลายวิธีในการเร่งกระบวนการ เป็นไปได้ที่จะลดขนาดของเมล็ดพืชเร่งปฏิกิริยาและดังนั้นเส้นทางของโมเลกุลไปยังตรงกลางของเมล็ดพืชจึงเป็นไปได้หากพวกมันผ่านจากชั้นกรองไปยังชั้นเดือดพร้อม ๆ กัน เป็นไปได้ที่จะผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่สำหรับเตียงคงที่โดยไม่ลดขนาดเกรนเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มความต้านทานไฮดรอลิก แต่ในกรณีนี้ พื้นผิวด้านในจะลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และด้วยเหตุนี้ ความเข้มข้นของการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดลง เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุนขนาดใหญ่เนื้อละเอียด สามารถใช้มวลสัมผัสรูปวงแหวนที่มีความหนาของผนังน้อยได้ สุดท้าย ตัวเร่งปฏิกิริยา bidisperse หรือ polydisperse ซึ่งรูขุมขนกว้างเป็นเส้นทางการขนส่งไปยังพื้นผิวที่พัฒนาอย่างมากซึ่งสร้างขึ้นโดยรูขุมขนที่ละเอียด ในทุกกรณี พวกเขามุ่งมั่นที่จะลดความลึกของการแทรกซึมของรีเอเจนต์เข้าไปในรูพรุน (และผลิตภัณฑ์จากรูพรุน) จนถึงระดับที่จะกำจัดการยับยั้ง intradiffusion และเคลื่อนไปยังบริเวณจลนศาสตร์ เมื่ออัตราของกระบวนการถูกกำหนดโดยอัตราเท่านั้น ของปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นจริงของการเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือ การดูดซับรีเอเจนต์โดยศูนย์ออกฤทธิ์ การก่อตัวของผลิตภัณฑ์และการคายดูดซับ กระบวนการทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในแผ่นกรองจะถูกยับยั้งโดยการแพร่กระจายภายใน เช่น กระบวนการเร่งปฏิกิริยาขนาดใหญ่สำหรับการปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ การเปลี่ยนรูปของคาร์บอนมอนอกไซด์ การสังเคราะห์แอมโมเนีย เป็นต้น

เวลา  ที่จำเป็นสำหรับการแพร่กระจายของส่วนประกอบเข้าไปในรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาจนถึงระดับความลึก l สามารถกำหนดได้โดยสูตรของไอน์สไตน์:

 \u003d l 2 / 2D e (10)

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ที่มีประสิทธิภาพในรูพรุนนั้นขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของขนาดรูพรุนและเส้นทางว่างเฉลี่ยของโมเลกุล ในตัวกลางที่เป็นก๊าซ เมื่อเส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลส่วนประกอบ  น้อยกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนที่เท่ากัน d=2r (2r) จะถือว่าการแพร่กระจายของโมเลกุลปกติเกิดขึ้นในรูพรุน D e = D ซึ่งคำนวณโดย สูตร: (11)

พี
ในโหมดการเคลื่อนไหวที่ จำกัด เมื่อ 2r กำหนด D e \u003d D ตามสูตร Knudsen โดยประมาณ:

โดยที่ r คือรัศมีตามขวางของรูพรุน

การแพร่กระจายในรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาในตัวกลางที่เป็นของเหลวนั้นทำได้ยากมากเนื่องจากความหนืดของสารละลายที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในช่องแคบ (ความหนืดผิดปกติ) ดังนั้นจึงมักใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่กระจายตัว กล่าวคือ อนุภาคขนาดเล็กที่ไม่มีรูพรุน ตัวเร่งปฏิกิริยาในของเหลว ในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาหลายอย่าง ด้วยการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของส่วนผสมของปฏิกิริยาและพารามิเตอร์กระบวนการอื่น ๆ กลไกของตัวเร่งปฏิกิริยา ตลอดจนองค์ประกอบและกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงความเป็นไปได้ ของการเปลี่ยนแปลงลักษณะและอัตราของกระบวนการ แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์เพียงเล็กน้อยก็ตาม

ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเพิ่มอัตราคงที่ของปฏิกิริยาได้อย่างไม่มีกำหนด อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ส่งผลต่ออัตราการแพร่ ต่างจากอุณหภูมิ ดังนั้น ในหลายกรณี ด้วยอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก อัตราโดยรวมยังคงต่ำเนื่องจากการจัดหาส่วนประกอบไปยังโซนปฏิกิริยาช้า

การเร่งปฏิกิริยาเป็นวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในวิชาเคมีเพื่อเร่งปฏิกิริยาเคมี

ตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงที่เลือกในอัตราของปฏิกิริยาเคมีต่อหน้าสาร (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ซึ่งมีส่วนร่วมในกระบวนการระดับกลางจะถูกสร้างขึ้นใหม่ในระหว่างปฏิกิริยาและไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกหรือง่ายๆ ตัวเร่งปฏิกิริยา, -นี่เป็นอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก เช่น การผลิตกรดซัลฟิวริกหรือการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียต่อหน้าแพลตตินัม ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบหรือ การยับยั้ง, -นี่คือการชะลอตัวของปฏิกิริยาเช่นปฏิกิริยาของสารละลายโซเดียมซัลไฟต์กับออกซิเจนในบรรยากาศต่อหน้าเอทิลแอลกอฮอล์หรือการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ความเข้มข้นต่ำของกรดซัลฟิวริก (สารยับยั้งตามลำดับเอทิลแอลกอฮอล์และกรดซัลฟิวริก) .

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา

การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเปลี่ยนระบบเคมีไม่เพียงเท่านั้น การเร่งความเร็ว,แต่ยัง นำทาง: ถ้าระบบเคมีตั้งต้นสามารถพัฒนาไปในทิศทางที่เป็นไปได้ทางอุณหพลศาสตร์ได้หลายทิศทางภายใต้สภาวะที่กำหนด ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเร่งหนึ่งในนั้นให้เร็วขึ้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาและหนึ่งในวัสดุเริ่มต้นรูปแบบ คอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งาน- สารประกอบขั้นกลางที่ทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอื่นเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาและสร้างโมเลกุลตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นใหม่

ให้ปฏิกิริยา A + B = AB มีพลังงานกระตุ้นสูงมาก อี อาจึงดำเนินไปอย่างช้าๆ แผนภาพพลังงานของมันแสดงในรูปที่ 4.4, ก.

ข้าว. 4.4.การเปลี่ยนแปลงของเอนทัลปีระหว่างปฏิกิริยา: a - ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา: ข- มีตัวเร่งปฏิกิริยา

หากปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา K (รูปที่ 4.4, b) ก็จะเข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่ง (เช่น A) ซึ่งเป็นผลมาจากแบตเตอรี่ที่เปิดใช้งาน ซับซ้อน * ไม่เสถียร สารประกอบเคมี AK ตามปฏิกิริยา A + K = AK พลังงานกระตุ้นของกระบวนการนี้ อี"น้อยกว่านั้นในกรณีที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา (ดังนั้น ปฏิกิริยาจึงดำเนินไปอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ AK ระดับกลางผ่านคอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งานอื่น AVK * โต้ตอบกับวัสดุเริ่มต้นที่สอง B: AK + B \u003d AB + K ในกรณีนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะกลับสู่ สภาพเดิม พลังงานกระตุ้นของกระบวนการนี้ยังมีน้อย (E "ที่ทำให้ไหลด้วย ความเร็วสูง. เมื่อสรุปทั้งสองกระบวนการที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกัน จะได้สมการสุดท้ายของปฏิกิริยาที่ไหลเร็ว: A + B (+ K) \u003d AB (+ K) ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกระบุไว้ในสมการนี้เพื่อเน้นย้ำถึงความเป็นจริงของการฟื้นฟูเท่านั้น

โดยทั่วไปสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดคือ พวกมันจะเปลี่ยนพลังงานกระตุ้นเสมอ โดยลดลงด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวก กล่าวคือ ลดความสูงของอุปสรรคพลังงาน ในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา คอมเพล็กซ์ที่ถูกกระตุ้นจะถูกสร้างขึ้นด้วย more ระดับต่ำพลังงานมากกว่าที่ไม่มีมันส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ตามคุณลักษณะของเฟส ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน (เป็นเนื้อเดียวกัน) และต่างกัน (ไม่สม่ำเสมอ) มีความแตกต่างกัน การเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์จะพิจารณาแยกกัน

ที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นสร้างเฟสเดียว (ก๊าซหรือสารละลาย) ซึ่งไม่มีส่วนต่อประสาน (ขอบเขตเฟส) กระบวนการเร่งปฏิกิริยาในก๊าซและของเหลวมีจำนวนมาก ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันในเฟสของแก๊สคือตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของซัลเฟอร์ออกไซด์ (IV) ในวิธีแชมเบอร์สำหรับการผลิตกรดซัลฟิวริก การเกิดออกซิเดชันของซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นไตรออกไซด์ตามปฏิกิริยา:

ไหลช้าๆ การแนะนำตัวเร่งปฏิกิริยา NO เปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยา:

และลดพลังงานกระตุ้น ดังนั้นจึงเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา

ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา ข้อเสียของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันในสารละลายคือช่วงอุณหภูมิที่จำกัด และในบางกรณี ความยากลำบากในการแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา

ที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันตัวเร่งปฏิกิริยา (โดยปกติคือของแข็ง) อยู่ในระบบเป็นเฟสอิสระ กล่าวคือ มีส่วนต่อประสานระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้น (ก๊าซหรือของเหลว) ดังนั้นการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนีย (เฟสก๊าซ) จะดำเนินการต่อหน้าแพลตตินัม (เฟสของแข็ง) และการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (เฟสของเหลว) จะถูกเร่งโดยถ่านหินหรือแมงกานีส (IV) ออกไซด์ซึ่งมีอยู่ในรูปของ เฟสของแข็ง:

ในการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน ปฏิกิริยาทั้งหมดดำเนินที่ขอบเขตเฟส กล่าวคือ บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งกิจกรรมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพื้นผิว - ขนาดของพื้นที่องค์ประกอบทางเคมีความบกพร่องของโครงสร้างและสถานะ คุณสมบัติของจลนพลศาสตร์ของกระบวนการถูกกำหนดโดยการแพร่กระจายและการดูดซับ

พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวดูดซับ) เป็นเนื้อเดียวกันและมีสิ่งที่เรียกว่า ศูนย์ปฏิบัติการซึ่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกิดขึ้นเนื่องจากการดูดซับของสารตั้งต้น (adsorbates) บนศูนย์กลางเหล่านี้และการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ส่วนหนึ่งทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม สาเหตุหลักของการเพิ่มขึ้นของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในกิจกรรมทางเคมีของโมเลกุลที่ดูดซับ ซึ่งพันธะระหว่างอะตอมจะลดลงภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งทำให้โมเลกุลเหล่านี้มีปฏิกิริยาตอบสนองมากขึ้น ความเร่งของปฏิกิริยาในกรณีนี้ก็เกิดขึ้นจากการลดลงของพลังงานกระตุ้น ซึ่งการก่อตัวของตัวกลางที่พื้นผิวก็มีส่วนสนับสนุนเช่นกัน

สารที่เป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง ได้แก่ การลดหรือทำลายกิจกรรมอย่างสมบูรณ์เรียกว่า สารพิษที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตัวอย่างเช่น สารประกอบของสารหนู ปรอท ตะกั่ว ไซยาไนด์ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินั่มที่เป็นพิษซึ่งจะต้องสร้างใหม่ภายใต้เงื่อนไขการผลิตในกรณีนี้

สารที่เสริมการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนด แต่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่า โปรโมเตอร์เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว เช่น การส่งเสริมตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินั่มด้วยการเติมธาตุเหล็ก อะลูมิเนียม ฯลฯ

หัวกะทิ (หัวกะทิ) ของการกระทำการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงออกโดยเฉพาะอย่างยิ่งในความจริงที่ว่าด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันจากสารเดียวกัน ดังนั้นเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา Al 2 O e ที่ 300 ° C น้ำและเอทิลีนจะได้มาจากเอทิลแอลกอฮอล์:

แต่ถ้าใช้ผงทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิเดียวกันเอทิลแอลกอฮอล์จะสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและอะซีตัลดีไฮด์:

ดังนั้น สำหรับแต่ละปฏิกิริยาจะมีตัวเร่งปฏิกิริยา

ด้วยการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ เอนไซม์ที่ซับซ้อน กระบวนการทางเคมีในสิ่งมีชีวิตของพืชและสัตว์ ตัวอย่างเช่น น้ำลายมีเอ็นไซม์ ptyalin ซึ่งกระตุ้นการเปลี่ยนแป้งเป็นน้ำตาล และเปปซินซึ่งมีอยู่ในน้ำย่อยช่วยส่งเสริมการสลายตัวของโปรตีน ร่างกายมนุษย์มีเอ็นไซม์ประมาณ 3,000 ชนิด ซึ่งแต่ละเอ็นไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสำหรับปฏิกิริยาที่สอดคล้องกัน

ตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิดโดยเฉพาะเอ็นไซม์มี เป็นรายบุคคลล้วนๆตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นเหตุที่เรียกว่า เฉพาะรายบุคคล

เนื้อหาของบทความ

ตัวเร่งปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยาเคมีภายใต้การกระทำของสารจำนวนเล็กน้อย (ตัวเร่งปฏิกิริยา) ซึ่งตัวเองไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างปฏิกิริยา กระบวนการเร่งปฏิกิริยามีบทบาทอย่างมากในชีวิตของเรา ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่เรียกว่าเอนไซม์มีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมกระบวนการทางชีวเคมี กระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายอย่างเป็นไปไม่ได้หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการเลือก; ความสามารถในการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีบางอย่างเท่านั้นจากหลาย ๆ อย่างที่เป็นไปได้ ซึ่งช่วยให้เกิดปฏิกิริยาที่ช้าเกินไปภายใต้สภาวะปกติที่จะนำไปใช้ได้จริง และทำให้มั่นใจถึงการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ

การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยามีส่วนทำให้เกิดการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมเคมี มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการกลั่นน้ำมัน รับผลิตภัณฑ์ต่างๆ สร้างวัสดุใหม่ (เช่น พลาสติก) ซึ่งมักถูกกว่าที่เคยใช้ ประมาณ 90% ของการผลิตสารเคมีสมัยใหม่ใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยา กระบวนการเร่งปฏิกิริยามีบทบาทพิเศษในการปกป้องสิ่งแวดล้อม

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ดำเนินการที่ความดันและอุณหภูมิที่แน่นอนโดยการส่งผ่านส่วนผสมของปฏิกิริยาซึ่งอยู่ในสถานะก๊าซหรือของเหลว ผ่านเครื่องปฏิกรณ์ที่เต็มไปด้วยอนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยา แนวคิดต่อไปนี้ใช้เพื่ออธิบายสภาวะของปฏิกิริยาและกำหนดลักษณะของผลิตภัณฑ์ ความเร็วอวกาศคือปริมาตรของก๊าซหรือของเหลวที่ไหลผ่านหน่วยปริมาตรของตัวเร่งปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลา กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาคือปริมาณของสารตั้งต้นที่แปลงเป็นผลิตภัณฑ์โดยตัวเร่งปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลา การแปลงคือสัดส่วนของสารที่แปลงในปฏิกิริยาที่กำหนด หัวกะทิคืออัตราส่วนของปริมาณของผลิตภัณฑ์หนึ่งๆ ต่อจำนวนรวมของผลิตภัณฑ์ (มักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์) ผลผลิตคืออัตราส่วนของปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่กำหนดต่อปริมาณของวัสดุตั้งต้น (มักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์) ผลผลิตคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นต่อหน่วยปริมาตรต่อหน่วยเวลา

ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกจำแนกตามลักษณะของปฏิกิริยาที่ส่งเสริม องค์ประกอบทางเคมี หรือคุณสมบัติทางกายภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา เกือบทั้งหมด องค์ประกอบทางเคมีและสาร - ด้วยตัวเองหรือบ่อยขึ้นในรูปแบบต่างๆ ด้วยตัวเอง คุณสมบัติทางกายภาพตัวเร่งปฏิกิริยาแบ่งออกเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันคือของแข็งที่เป็นเนื้อเดียวกันและกระจายตัวในตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลวเดียวกันกับสารตั้งต้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันจำนวนมากประกอบด้วยโลหะ โลหะบางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่ม VIII ของระบบธาตุเป็นระยะ มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาในตัวเอง ตัวอย่างทั่วไปคือแพลตตินัม แต่โลหะส่วนใหญ่มีคุณสมบัติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในองค์ประกอบของสารประกอบ ตัวอย่างคืออลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์ Al 2 O 3)

คุณสมบัติที่ผิดปกติของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันจำนวนมากคือพื้นที่ผิวที่ใหญ่ พวกมันเต็มไปด้วยรูขุมขนมากมายซึ่งบางครั้งพื้นที่ทั้งหมดถึง 500 ม. 2 ต่อ 1 กรัมของตัวเร่งปฏิกิริยา ในหลายกรณี ออกไซด์ที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะถูกสะสมในรูปแบบของกระจุกขนาดเล็ก สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพของรีเอเจนต์ในเฟสแก๊สหรือของเหลวกับโลหะที่เร่งปฏิกิริยา ซีโอไลต์ แร่ธาตุที่เป็นผลึกของกลุ่มอะลูมิโนซิลิเกต (สารประกอบซิลิกอนและอะลูมิเนียม) เป็นกลุ่มพิเศษของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันจำนวนมากจะมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่ แต่โดยปกติแล้วจะมีจุดแอคทีฟไซต์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งถือเป็นส่วนเล็กๆ ของพื้นที่ผิวทั้งหมด ตัวเร่งปฏิกิริยาอาจสูญเสียกิจกรรมเมื่อมีสารประกอบทางเคมีจำนวนเล็กน้อยที่เรียกว่าสารพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา สารเหล่านี้จับกับศูนย์ที่ใช้งานอยู่และปิดกั้นไว้ การกำหนดโครงสร้างของศูนย์ที่ใช้งานอยู่เป็นเรื่องของการวิจัยที่เข้มข้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันมีลักษณะทางเคมีที่แตกต่างกัน - กรด (H 2 SO 4 หรือ H 3 PO 4) เบส (NaOH) เอมีนอินทรีย์ โลหะ ส่วนใหญ่มักจะเปลี่ยนผ่าน (Fe หรือ Rh) ในรูปแบบของเกลือสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกหรือคาร์บอนิล . เอนไซม์ยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โมเลกุลโปรตีนควบคุมปฏิกิริยาทางชีวเคมี ศูนย์กลางการทำงานของเอนไซม์บางชนิดประกอบด้วยอะตอมของโลหะ (Zn, Cu, Fe หรือ Mo) เอนไซม์ที่ประกอบด้วยโลหะกระตุ้นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลขนาดเล็ก (O 2 , CO 2 หรือ N 2) เอนไซม์มีกิจกรรมและความสามารถในการคัดเลือกสูงมาก แต่ทำงานภายใต้สภาวะบางอย่างเท่านั้น เช่น ปฏิกิริยาที่เกิดในสิ่งมีชีวิต อุตสาหกรรมมักใช้สิ่งที่เรียกว่า เอนไซม์ตรึง

ตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานอย่างไร

พลังงาน.

ปฏิกิริยาเคมีใด ๆ สามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสารตั้งต้นสามารถเอาชนะอุปสรรคด้านพลังงานได้และด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงต้องได้รับพลังงานบางอย่าง ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา X ® Y ประกอบด้วยชุดของระยะที่ต่อเนื่องกัน แต่ละคนต้องการพลังงานในการทำงาน อีเรียกว่าพลังงานกระตุ้น การเปลี่ยนแปลงของพลังงานตามพิกัดปฏิกิริยาแสดงในรูปที่ หนึ่ง.

ก่อนอื่นให้พิจารณาเส้นทาง "ความร้อน" ที่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น พลังงานศักย์ของโมเลกุล X ต้องเกินอุปสรรคพลังงาน อี t. ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาประกอบด้วยสามขั้นตอน ประการแรกคือการก่อตัวของ X-Cat complex (เคมีดูดซับ) ซึ่งเป็นพลังงานกระตุ้นซึ่งก็คือ อีโฆษณา ขั้นตอนที่สองคือการจัดเรียงใหม่ X-Cat ® วาย-แคท ด้วยพลังงานกระตุ้น อีแมวและในที่สุดที่สาม - การสลายตัวด้วยพลังงานกระตุ้น อีเดส์; อีโฆษณา อีแคทและ อีเล็กกว่ามาก อี m. เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับพลังงานกระตุ้นแบบทวีคูณ ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาจึงดำเนินไปเร็วกว่าอัตราความร้อนที่อุณหภูมิหนึ่งมาก

ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเปรียบได้กับมัคคุเทศก์ผู้แนะนำนักปีนเขา (ที่ทำปฏิกิริยากับโมเลกุล) ผ่านทิวเขา เขานำกลุ่มหนึ่งผ่านด่านแล้วกลับมาอีก เส้นทางผ่านช่องนั้นต่ำกว่าเส้นทางที่อยู่ด้านบนมาก (ช่องระบายความร้อนของปฏิกิริยา) และกลุ่มทำให้การเปลี่ยนแปลงเร็วกว่าไม่มีตัวนำ (ตัวเร่งปฏิกิริยา) เป็นไปได้ด้วยซ้ำว่ากลุ่มของพวกเขาจะไม่สามารถเอาชนะสันเขาได้เลย

ทฤษฎีการเร่งปฏิกิริยา

มีการเสนอทฤษฎีสามกลุ่มเพื่ออธิบายกลไกของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ เรขาคณิต อิเล็กทรอนิกส์ และเคมี ในทฤษฎีทางเรขาคณิต ความสนใจหลักจะจ่ายให้กับการติดต่อระหว่างโครงร่างทางเรขาคณิตของอะตอมของศูนย์กลางของตัวเร่งปฏิกิริยาและอะตอมของส่วนหนึ่งของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาซึ่งมีหน้าที่จับกับตัวเร่งปฏิกิริยา ทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์มีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดที่ว่าการดูดซับเคมีเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุ กล่าวคือ ทฤษฎีเหล่านี้เชื่อมโยงกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยากับ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ตัวเร่ง. ทฤษฎีเคมีพิจารณาว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสารประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติเฉพาะซึ่งสร้างพันธะเคมีกับสารตั้งต้น ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงซ้อนที่ไม่เสถียร หลังจากการสลายตัวของคอมเพล็กซ์ด้วยการปล่อยผลิตภัณฑ์ตัวเร่งปฏิกิริยาจะกลับสู่สถานะเดิม ทฤษฎีหลังนี้ถือว่าเหมาะสมที่สุดแล้ว

ที่ระดับโมเลกุล ปฏิกิริยาของเฟสก๊าซเร่งปฏิกิริยาสามารถแสดงได้ดังนี้ โมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาหนึ่งจะจับกับตำแหน่งแอคทีฟของตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่อีกโมเลกุลหนึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลนั้นในขณะที่อยู่ในเฟสของแก๊สโดยตรง กลไกทางเลือกก็เป็นไปได้เช่นกัน: โมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาจะถูกดูดซับบนไซต์แอคทีฟที่อยู่ใกล้เคียงของตัวเร่งปฏิกิริยาแล้วโต้ตอบซึ่งกันและกัน เห็นได้ชัดว่านี่คือปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ดำเนินไป

แนวคิดอีกประการหนึ่งชี้ให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างการจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยากับกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยา อัตราของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาบางอย่าง รวมถึงปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันจำนวนมาก ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ ตำแหน่งสัมพัทธ์อะตอมที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิว ในทางตรงกันข้ามความเร็วของผู้อื่นเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ของอะตอมของพื้นผิว ตัวอย่างคือไอโซเมอไรเซชันของนีโอเพนเทนถึงไอโซเพนเทนและการแตกร้าวพร้อมกันของไอโซบิวเทนและมีเทนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา Pt-Al 2 O 3

การประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม

การเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมที่เรากำลังประสบอยู่ในปัจจุบันคงเป็นไปไม่ได้หากไม่มีการพัฒนาเทคโนโลยีเคมีใหม่ๆ ในวงกว้าง ความก้าวหน้านี้ถูกกำหนดโดยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างแพร่หลาย ด้วยความช่วยเหลือซึ่งวัตถุดิบคุณภาพต่ำจะถูกแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาคือศิลาอาถรรพ์ของนักเล่นแร่แปรธาตุสมัยใหม่ เพียงแต่ไม่เปลี่ยนตะกั่วเป็นทองคำ แต่วัตถุดิบเป็นยา พลาสติก สารเคมี เชื้อเพลิง ปุ๋ย และผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์อื่นๆ

บางทีกระบวนการเร่งปฏิกิริยาแรกที่มนุษย์เรียนรู้ที่จะใช้คือการหมัก สูตรทำอาหาร เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ชาวสุเมเรียนรู้จักตั้งแต่ 3500 ปีก่อนคริสตกาล ซม. ไวน์; เบียร์.

ก้าวสำคัญใน การใช้งานจริงตัวเร่งปฏิกิริยาคือการผลิตมาการีนโดยเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของน้ำมันพืช เป็นครั้งแรกที่ปฏิกิริยาในระดับอุตสาหกรรมนี้เกิดขึ้นราวปี 1900 และตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1920 วิธีการเร่งปฏิกิริยาได้รับการพัฒนาทีละส่วนสำหรับการผลิตวัสดุอินทรีย์ชนิดใหม่ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพลาสติก จุดสำคัญคือการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาของโอเลฟินส์ ไนไตรล์ เอสเทอร์ กรด ฯลฯ - "อิฐ" สำหรับ "อาคาร" เคมีของพลาสติก

คลื่นลูกที่สามของการใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 และเกี่ยวข้องกับการกลั่นน้ำมัน ในแง่ของปริมาณการผลิตนี้ในไม่ช้าก็ทิ้งคนอื่นไว้เบื้องหลัง การกลั่นน้ำมันประกอบด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาหลายอย่าง: การแตกร้าว, การปฏิรูป, ไฮโดรซัลโฟเนชัน, ไฮโดรแคร็กกิ้ง, ไอโซเมอไรเซชัน, โพลีเมอไรเซชันและอัลคิเลชัน

และสุดท้าย คลื่นลูกที่สี่ในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการรักษาสิ่งแวดล้อม ความสำเร็จที่มีชื่อเสียงที่สุดในพื้นที่นี้คือการสร้างเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาสำหรับไอเสียรถยนต์ เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาซึ่งได้รับการติดตั้งในรถยนต์ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2518 มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพอากาศและช่วยชีวิตผู้คนจำนวนมากในลักษณะนี้

ได้รับรางวัลโนเบลประมาณโหลสำหรับการทำงานในด้านตัวเร่งปฏิกิริยาและสาขาที่เกี่ยวข้อง

ความสำคัญในทางปฏิบัติของกระบวนการเร่งปฏิกิริยานั้นเห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าส่วนแบ่งของไนโตรเจน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบที่มีไนโตรเจนที่ได้จากอุตสาหกรรม คิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของไนโตรเจนทั้งหมดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์อาหาร ปริมาณของสารประกอบไนโตรเจนที่ผลิตตามธรรมชาตินั้นมีจำกัด ดังนั้นการผลิตโปรตีนในอาหารจึงขึ้นอยู่กับปริมาณไนโตรเจนที่ใช้กับดินด้วยปุ๋ย เป็นไปไม่ได้เลยที่จะเลี้ยงมนุษย์ได้ครึ่งหนึ่งโดยปราศจากแอมโมเนียสังเคราะห์ ซึ่งผลิตโดยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของ Haber-Bosch เกือบทั้งหมด

ขอบเขตของตัวเร่งปฏิกิริยามีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง สิ่งสำคัญคือตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเทคโนโลยีที่พัฒนาก่อนหน้านี้ได้อย่างมาก ตัวอย่างคือการปรับปรุงการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ซีโอไลต์

ไฮโดรจีเนชั่น

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาจำนวนมากเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นอะตอมไฮโดรเจนและโมเลกุลอื่นๆ ซึ่งนำไปสู่ปฏิกิริยาทางเคมีของพวกมัน กระบวนการนี้เรียกว่าไฮโดรจิเนชันและรองรับหลายขั้นตอนของการกลั่นน้ำมันและการผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากถ่านหิน (กระบวนการเบอร์จิอุส)

การผลิตน้ำมันเบนซินสำหรับการบินและเชื้อเพลิงยานยนต์จากถ่านหินได้รับการพัฒนาในประเทศเยอรมนีในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เนื่องจากประเทศนี้ไม่มีแหล่งน้ำมัน กระบวนการเบอร์จิอุสคือการเติมไฮโดรเจนลงในคาร์บอนโดยตรง ถ่านหินถูกทำให้ร้อนภายใต้แรงดันเมื่อมีไฮโดรเจนและได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลว ซึ่งจะถูกแปรรูปเป็นน้ำมันเบนซินสำหรับการบินและเชื้อเพลิงยานยนต์ ออกไซด์ของเหล็กถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเช่นเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยาตามดีบุกและโมลิบดีนัม ในช่วงสงคราม ได้เชื้อเพลิงเหลวประมาณ 1,400 ตันต่อวันที่โรงงาน 12 แห่งของเยอรมนีโดยใช้กระบวนการเบอร์จิอุส

กระบวนการอื่น Fischer-Tropsch ประกอบด้วยสองขั้นตอน ประการแรกถ่านหินถูกทำให้เป็นแก๊สเช่น ทำปฏิกิริยากับไอน้ำและออกซิเจนและได้ส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนออกไซด์ ส่วนผสมนี้จะถูกแปลงเป็นเชื้อเพลิงเหลวโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีธาตุเหล็กหรือโคบอลต์ เมื่อสิ้นสุดสงคราม การผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์จากถ่านหินในเยอรมนีก็หยุดลง

อันเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของราคาน้ำมันตามการห้ามส่งน้ำมันในปี 2516-2517 จึงมีความพยายามอย่างมากในการพัฒนาวิธีการผลิตน้ำมันเบนซินจากถ่านหินที่ได้ผลทางเศรษฐกิจ ดังนั้น การทำให้ถ่านหินเป็นของเหลวโดยตรงสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้กระบวนการสองขั้นตอน โดยที่ถ่านหินจะถูกสัมผัสครั้งแรกกับตัวเร่งปฏิกิริยาอลูมินา-โคบอลต์-โมลิบดีนัมที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำและที่อุณหภูมิสูงขึ้น ค่าใช้จ่ายของน้ำมันเบนซินสังเคราะห์นั้นสูงกว่าน้ำมันที่ได้จากน้ำมัน

แอมโมเนีย

กระบวนการไฮโดรจิเนชันที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งจากมุมมองทางเคมีคือการสังเคราะห์แอมโมเนียจากไฮโดรเจนและไนโตรเจน ไนโตรเจนเป็นสารเฉื่อยมาก ในการทำลายพันธะ N–N ในโมเลกุลนั้น จำเป็นต้องมีพลังงาน 200 กิโลแคลอรี/โมล อย่างไรก็ตาม ไนโตรเจนจับกับพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กในสถานะอะตอม และต้องใช้เพียง 20 กิโลแคลอรี/โมล ไฮโดรเจนจับกับเหล็กได้ง่ายยิ่งขึ้น การสังเคราะห์แอมโมเนียดำเนินการดังนี้:

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการเร่งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและถอยหลังอย่างเท่าเทียมกัน กล่าวคือ ความจริงที่ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนตำแหน่งสมดุลของปฏิกิริยาเคมี

ไฮโดรจีเนชันของน้ำมันพืช

ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในทางปฏิบัติคือการเติมไฮโดรเจนที่ไม่สมบูรณ์ของน้ำมันพืชเป็นมาการีน น้ำมันปรุงอาหาร และผลิตภัณฑ์อาหารอื่นๆ น้ำมันพืชที่ได้จากถั่วเหลือง เมล็ดฝ้าย และพืชผลอื่นๆ ประกอบด้วยเอสเทอร์ ได้แก่ ไตรกลีเซอไรด์ กรดไขมันกับ องศาที่แตกต่างไม่อิ่มตัว กรดโอเลอิก CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH มีพันธะคู่หนึ่ง C \u003d C กรดไลโนเลอิกมีสองและกรดลิโนเลนิกมีสาม การเติมไฮโดรเจนเพื่อทำลายพันธะนี้จะป้องกันไม่ให้น้ำมันออกซิไดซ์ (หืน) สิ่งนี้จะเพิ่มจุดหลอมเหลว ความแข็งของผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ที่ได้รับขึ้นอยู่กับระดับของไฮโดรเจน ไฮโดรจิเนชันจะดำเนินการต่อหน้าผงละเอียดของนิกเกิลที่สะสมอยู่บนพื้นผิวหรือตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลของ Raney ในบรรยากาศไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง

ดีไฮโดรจีเนชัน

ดีไฮโดรจีเนชันยังเป็นปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรม แม้ว่าขนาดของการใช้งานจะเล็กลงอย่างหาที่เปรียบไม่ได้ ด้วยความช่วยเหลือเช่นสไตรีนซึ่งเป็นโมโนเมอร์ที่สำคัญ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ dehydrogenate ethylbenzene ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเหล็กออกไซด์ โพแทสเซียมและสารทำให้คงตัวของโครงสร้างบางชนิดก็มีส่วนทำให้เกิดปฏิกิริยาเช่นกัน ในระดับอุตสาหกรรม โพรเพน บิวเทน และอัลเคนอื่นๆ จะถูกขจัดไฮโดรเจน การดีไฮโดรจีเนชันของบิวเทนเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมินา-โครเมียมทำให้เกิดบิวทีนและบิวทาไดอีน

ตัวเร่งปฏิกิริยากรด

กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทใหญ่เกิดจากคุณสมบัติที่เป็นกรด จากข้อมูลของ I. Bronsted และ T. Lowry กรดเป็นสารประกอบที่สามารถให้โปรตอนได้ กรดแก่สามารถบริจาคโปรตอนไปยังเบสได้อย่างง่ายดาย แนวคิดเรื่องความเป็นกรดได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมในผลงานของ G. Lewis ผู้กำหนดกรดเป็นสารที่สามารถรับคู่อิเล็กตรอนจากสารผู้บริจาคด้วยการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์เนื่องจากการขัดเกลาทางสังคมของอิเล็กตรอนคู่นี้ แนวคิดเหล่านี้ร่วมกับแนวคิดเกี่ยวกับปฏิกิริยาที่ก่อตัวเป็นคาร์บีเนียมไอออน ช่วยให้เข้าใจกลไกของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรคาร์บอน

ความแข็งแรงของกรดสามารถกำหนดได้โดยใช้ชุดของเบสที่เปลี่ยนสีเมื่อเติมโปรตอน ปรากฎว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญทางอุตสาหกรรมบางตัวทำตัวเหมือนกรดที่แรงมาก ซึ่งรวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts เช่น HCl-AlCl 2 O 3 (หรือ HAlCl 4) และอะลูมิโนซิลิเกต ความแรงของกรดเป็นคุณลักษณะที่สำคัญมาก เนื่องจากเป็นตัวกำหนดอัตราการโปรตอน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาของกรด

กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น อะลูมิโนซิลิเกตที่ใช้ในการแตกตัวของน้ำมันนั้นพิจารณาจากการมีอยู่ของกรดบรอนสเต็ดและลิวอิสบนผิวของพวกมัน โครงสร้างของมันคล้ายกับโครงสร้างของซิลิกา (ซิลิกอนไดออกไซด์) ซึ่งอะตอม Si 4+ บางตัวจะถูกแทนที่ด้วยอะตอม Al 3+ ประจุลบส่วนเกินที่เกิดขึ้นในกรณีนี้สามารถถูกทำให้เป็นกลางโดยไอออนบวกที่เกี่ยวข้อง ถ้าไพเพอร์เป็นโปรตอน อะลูมิโนซิลิเกตจะมีพฤติกรรมเหมือนกรดบรอนสเตด:

กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยากรดถูกกำหนดโดยความสามารถในการทำปฏิกิริยากับไฮโดรคาร์บอนด้วยการก่อตัวของคาร์บีเนียมไอออนเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลาง ไอออนของอัลคิลคาร์บีเนียมประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่มีประจุบวกถูกพันธะกับหมู่อัลคิลและ/หรือไฮโดรเจนสามหมู่ พวกมันมีบทบาทสำคัญในฐานะตัวกลางที่เกิดขึ้นในหลายปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารประกอบอินทรีย์ กลไกการออกฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยากรดสามารถแสดงให้เห็นได้โดยตัวอย่างของปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชัน น-บิวเทนเป็นไอโซบิวเทนต่อหน้า HCl-AlCl 3 หรือ Pt-Cl-Al 2 O 3 ประการแรก โอเลฟิน C 4 H 8 จำนวนเล็กน้อยจับไฮโดรเจนไอออนที่มีประจุบวกของตัวเร่งปฏิกิริยากรดเพื่อสร้างคาร์บีเนียมไอออนในระดับอุดมศึกษา จากนั้นไฮไดรด์ไอออนที่มีประจุลบ H - แยกออกจาก น-บิวเทนเพื่อสร้างไอโซบิวเทนและบิวทิลคาร์บีเนียมไอออนทุติยภูมิ อันเป็นผลมาจากการจัดเรียงใหม่กลายเป็นคาร์บีเนียมไอออนระดับอุดมศึกษา สายโซ่นี้สามารถดำเนินต่อไปได้ด้วยการกำจัดไฮไดรด์ไอออนออกจากโมเลกุลถัดไป น- บิวเทน ฯลฯ :

อย่างมีนัยสำคัญ คาร์บีเนียมไอออนในระดับอุดมศึกษามีความเสถียรมากกว่าไอออนปฐมภูมิหรือทุติยภูมิ เป็นผลให้ส่วนใหญ่มีอยู่บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นผลิตภัณฑ์หลักของไอโซเมอไรเซชันของบิวเทนคือไอโซบิวเทน

ตัวเร่งปฏิกิริยากรดใช้กันอย่างแพร่หลายในการกลั่นน้ำมัน - การแตกร้าว, ด่าง, โพลีเมอไรเซชันและไอโซเมอไรเซชันของไฮโดรคาร์บอน กลไกการออกฤทธิ์ของคาร์บีเนียมไอออนซึ่งมีบทบาทเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเหล่านี้ได้รับการจัดตั้งขึ้น ในเวลาเดียวกัน พวกมันมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาหลายอย่าง รวมถึงการก่อตัวของโมเลกุลขนาดเล็กโดยการแยกโมเลกุลขนาดใหญ่ การรวมกันของโมเลกุล (โอเลฟินกับโอเลฟินหรือโอเลฟินกับไอโซพาราฟิน) การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ด้วยไอโซเมอไรเซชัน การก่อตัวของพาราฟินและอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน โดยการถ่ายโอนไฮโดรเจน

การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรดในอุตสาหกรรมล่าสุดอย่างหนึ่งคือการผลิตเชื้อเพลิงที่มีสารตะกั่วโดยการเติมแอลกอฮอล์ลงในไอโซบิวทิลีนหรือไอโซเอมิลีน การเติมสารประกอบออกซิเจนลงในน้ำมันเบนซินช่วยลดความเข้มข้นของคาร์บอนมอนอกไซด์ในไอเสีย เมทิล- tert-บิวทิลอีเทอร์ (MTBE) ที่มีค่าออกเทนผสม 109 ยังช่วยให้ได้รับเชื้อเพลิงออกเทนสูงที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์รถยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงโดยไม่ต้องหันไปใช้ตะกั่วเตตระเอทิลในน้ำมันเบนซิน มีการจัดการผลิตเชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทน 102 และ 111 ด้วย

ตัวเร่งปฏิกิริยาหลัก

กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยคุณสมบัติพื้นฐานของพวกมัน ตัวอย่างเก่าและเป็นที่รู้จักกันดีของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวคือโซเดียมไฮดรอกไซด์ซึ่งใช้ในการไฮโดรไลซ์หรือสร้างไขมันในการผลิตสบู่ และตัวอย่างล่าสุดคือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการผลิตพลาสติกโพลียูรีเทนและโฟม ยูรีเทนเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างแอลกอฮอล์กับไอโซไซยาเนต และปฏิกิริยานี้จะถูกเร่งเมื่อมีเอมีนเป็นเบส ในระหว่างการทำปฏิกิริยา เบสจะยึดติดกับอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลไอโซไซยาเนต อันเป็นผลมาจากการที่มีประจุลบปรากฏบนอะตอมไนโตรเจนและกิจกรรมของมันเกี่ยวกับแอลกอฮอล์เพิ่มขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะคือไตรเอทิลีนไดเอมีน พลาสติกโพลียูรีเทนได้มาจากการทำปฏิกิริยาไดไอโซไซยาเนตกับโพลิออล (polyalcohols) เมื่อไอโซไซยาเนตทำปฏิกิริยากับน้ำ ยูรีเทนที่ก่อตัวก่อนหน้านี้จะสลายตัวเพื่อปล่อย CO 2 เมื่อส่วนผสมของโพลีแอลกอฮอล์และน้ำทำปฏิกิริยากับไดไอโซไซยาเนต โฟมโพลียูรีเทนที่เป็นผลลัพธ์จะเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีก๊าซ CO 2

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบคู่

ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้เร่งปฏิกิริยาสองประเภทและให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการส่งตัวทำปฏิกิริยาแบบอนุกรมผ่านเครื่องปฏิกรณ์สองเครื่องซึ่งแต่ละเครื่องมีตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงประเภทเดียว นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าไซต์ที่ใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ double-acting อยู่ใกล้กันมากและผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่เกิดขึ้นจากหนึ่งในนั้นจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายในทันที

การรวมตัวเร่งปฏิกิริยากระตุ้นไฮโดรเจนกับไอโซเมอไรเซชันของไฮโดรคาร์บอนที่ส่งเสริมตัวเร่งปฏิกิริยาให้ผลลัพธ์ที่ดี การกระตุ้นของไฮโดรเจนนั้นกระทำโดยโลหะบางชนิด และการทำไอโซเมอไรเซชันของไฮโดรคาร์บอนด้วยกรด ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกฤทธิ์สองทางที่มีประสิทธิภาพซึ่งใช้ในการกลั่นน้ำมันเพื่อเปลี่ยนแนฟทาเป็นน้ำมันเบนซิน คือแพลตตินัมที่กระจายตัวอย่างประณีตบนกรดอลูมินา การเปลี่ยนส่วนประกอบแนฟทา เช่น เมทิลไซโคลเพนเทน (MCP) เป็นเบนซีนจะเพิ่มค่าออกเทนของน้ำมันเบนซิน ประการแรก MCP ถูกดีไฮโดรจิเนตบนส่วนแพลตตินัมของตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นโอเลฟินที่มีแกนหลักคาร์บอนเดียวกัน จากนั้นโอเลฟินจะผ่านไปยังส่วนที่เป็นกรดของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยที่ไอโซเมอไรซ์จะกลายเป็นไซโคลเฮกซีน ส่วนหลังผ่านไปยังส่วนแพลตตินัมและดีไฮโดรจีเนตไปยังเบนซินและไฮโดรเจน

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ Dual Action ช่วยเร่งการปฏิรูปน้ำมันได้อย่างมาก ใช้เพื่อแยกพาราฟินปกติให้เป็นไอโซพาราฟิน การต้มที่อุณหภูมิเดียวกับเศษส่วนของน้ำมันนั้นมีค่าเพราะมีค่าออกเทนสูงกว่าเมื่อเทียบกับไฮโดรคาร์บอนแบบตรง นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลง น-บิวเทนเป็นไอโซบิวเทนจะมาพร้อมกับดีไฮโดรจีเนชัน ซึ่งมีส่วนช่วยในการผลิต MTBE

พอลิเมอไรเซชันแบบสเตอริโอ

เหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน เอ-โอเลฟินส์เพื่อสร้างโพลีเมอร์แบบสเตริโอเรกูลาร์ K. Ziegler ค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันแบบ Stereospecific เมื่อเขาพยายามอธิบายคุณสมบัติที่ผิดปกติของโพลีเมอร์ที่เขาได้รับ นักเคมีอีกคนหนึ่งชื่อ J. Natta ได้แนะนำว่าเอกลักษณ์ของโพลีเมอร์ Ziegler นั้นพิจารณาจากความสม่ำเสมอของพวกมัน การทดลองการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ได้แสดงให้เห็นว่าพอลิเมอร์ที่เตรียมจากโพรพิลีนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler นั้นเป็นผลึกสูงและมีโครงสร้างแบบสเตอริโอเรกูลาร์ ณัฐฐาแนะนำคำว่า "ไอโซแทคติก" และ "ซินดิโอแทคติก" เพื่ออธิบายโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งดังกล่าว ในกรณีที่ไม่มีคำสั่งให้ใช้คำว่า "atactic":

ปฏิกิริยาความจำเพาะแบบสเตอริโอเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งที่มีโลหะทรานซิชันของกลุ่ม IVA–VIII (เช่น Ti, V, Cr, Zr) ในสถานะออกซิไดซ์ที่ไม่สมบูรณ์ และสารประกอบใดๆ ที่มีคาร์บอนหรือไฮโดรเจน ซึ่งเกี่ยวข้องกับโลหะจาก กลุ่ม I–III ตัวอย่างคลาสสิกตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นการตกตะกอนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานร่วมกันของ TiCl 4 และ Al(C 2 H 5) 3 ในเฮปเทน โดยที่ไททาเนียมถูกลดสถานะเป็นไตรวาเลนต์ ระบบที่แอคทีฟอย่างยิ่งนี้จะเร่งปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของโพรพิลีนที่อุณหภูมิและความดันปกติ

ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน

การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อควบคุมเคมีของกระบวนการออกซิเดชันมีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์และทางปฏิบัติอย่างมาก ในบางกรณี การเกิดออกซิเดชันจะต้องสมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น เมื่อทำให้ CO และสารปนเปื้อนไฮโดรคาร์บอนเป็นกลางในไอเสียรถยนต์ อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้ง เป็นที่พึงปรารถนาที่การเกิดออกซิเดชันไม่สมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น ในหลายกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่มีคุณค่าซึ่งประกอบด้วย กลุ่มงานเช่น -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. ในกรณีนี้จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชันที่ใช้ในการออกซิไดซ์ คู่-ไซลีนเป็นกรดเทเรฟทาลิก ซึ่งเป็นเอสเทอร์ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตเส้นใยโพลีเอสเตอร์

ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเกิดออกซิเดชันที่ต่างกัน

ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มักจะเป็นของแข็งออกไซด์ที่ซับซ้อน ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นในสองขั้นตอน อย่างแรก ออกซิเจนออกไซด์ถูกจับโดยโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่ดูดซับบนผิวออกไซด์ ไฮโดรคาร์บอนถูกออกซิไดซ์และออกไซด์จะลดลง ออกไซด์ที่ลดลงทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและกลับสู่สภาพเดิม การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวาเนเดียม phthalic anhydride ได้มาจากการออกซิเดชันบางส่วนของแนฟทาลีนหรือบิวเทน

การผลิตเอทิลีนโดยใช้ก๊าซมีเทนดีไฮโดรไดเมอไรเซชัน

การสังเคราะห์เอทิลีนผ่านกระบวนการดีไฮโดรไดเมอไรเซชันช่วยให้ก๊าซธรรมชาติถูกแปลงเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เคลื่อนย้ายได้ง่ายกว่า ปฏิกิริยา 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O ดำเนินการที่ 850 ° C โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจะได้รับด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Li-MgO สันนิษฐานได้ว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นจากการก่อตัวของเมทิลเรดิคัลโดยแยกอะตอมไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลมีเทน ความแตกแยกเกิดจากออกซิเจนที่ลดลงอย่างไม่สมบูรณ์ เช่น O 2 2– เมทิลแรดิคัลในเฟสของแก๊สจะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างโมเลกุลอีเทนและถูกแปลงเป็นเอทิลีนในระหว่างการดีไฮโดรจีเนชันที่ตามมา อีกตัวอย่างหนึ่งของการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์คือการเปลี่ยนเมทานอลไปเป็นฟอร์มัลดีไฮด์โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาเงินหรือเหล็ก-โมลิบดีนัม

ซีโอไลต์

ซีโอไลต์เป็นชั้นพิเศษของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน เหล่านี้เป็นอะลูมิโนซิลิเกตที่มีโครงสร้างแบบรังผึ้งซึ่งมีขนาดเซลล์ซึ่งเทียบได้กับขนาดของโมเลกุลอินทรีย์หลายชนิด พวกเขาจะเรียกว่าตะแกรงโมเลกุล สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือซีโอไลต์ที่มีรูพรุนประกอบด้วยวงแหวนที่ประกอบด้วยออกซิเจนไอออน 8-12 (รูปที่ 2) บางครั้งรูพรุนทับซ้อนกัน เช่นเดียวกับในซีโอไลต์ ZSM-5 (รูปที่ 3) ซึ่งใช้สำหรับการแปลงเมทานอลที่มีความจำเพาะสูงเป็นไฮโดรคาร์บอนเศษส่วนน้ำมันเบนซิน น้ำมันเบนซินมีปริมาณมาก อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนและมีค่าออกเทนสูง ตัวอย่างเช่น ในนิวซีแลนด์ หนึ่งในสามของการใช้น้ำมันเบนซินทั้งหมดได้มาจากการใช้เทคโนโลยีนี้ เมทานอลได้มาจากมีเทนที่นำเข้า

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบกันเป็นกลุ่มของ Y-zeolite เพิ่มประสิทธิภาพของการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากคุณสมบัติที่ผิดปกติของพวกมันเป็นหลัก คุณสมบัติของกรด. การแทนที่อะลูมิโนซิลิเกตด้วยซีโอไลต์ทำให้สามารถเพิ่มผลผลิตของน้ำมันเบนซินได้มากกว่า 20%

นอกจากนี้ ซีโอไลต์ยังได้รับการคัดเลือกโดยคำนึงถึงขนาดของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา การเลือกของพวกเขานั้นเกิดจากขนาดของรูขุมขนที่โมเลกุลที่มีขนาดและรูปร่างที่แน่นอนเท่านั้นที่สามารถผ่านได้ สิ่งนี้ใช้ได้กับทั้งวัสดุตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น เนื่องจากข้อจำกัดที่เข้มงวด คู่-ไซลีนเกิดได้ง่ายกว่าปริมาณมาก ortho- และ เมต้า-ไอโซเมอร์ หลังถูก "ล็อค" ในรูขุมขนของซีโอไลต์ (รูปที่ 4)

การใช้ซีโอไลต์ทำให้เกิดการปฏิวัติอย่างแท้จริงในเทคโนโลยีอุตสาหกรรมบางอย่าง - การล้างน้ำมันแก๊สและน้ำมันเครื่อง การผลิตสารเคมีตัวกลางสำหรับการผลิตพลาสติกโดยอัลคิเลชันของสารประกอบอะโรมาติก ไซลีนไอโซเมอไรเซชัน สัดส่วนของโทลูอีนและการแตกตัวเร่งปฏิกิริยา ของน้ำมัน Zeolite ZSM-5 มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษที่นี่

ตัวเร่งปฏิกิริยาและการปกป้องสิ่งแวดล้อม

การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อลดมลพิษทางอากาศเริ่มขึ้นในปลายทศวรรษ 1940 ในปี 1952 A. Hagen-Smith พบว่าไฮโดรคาร์บอนและไนโตรเจนออกไซด์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของก๊าซไอเสีย ทำปฏิกิริยากับแสงเพื่อสร้างสารออกซิแดนท์ (โดยเฉพาะโอโซน) ซึ่งทำให้ระคายเคืองตาและให้ผลที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ ในช่วงเวลาเดียวกัน J. Houdry ได้พัฒนาวิธีการในการทำให้บริสุทธิ์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของก๊าซไอเสียโดยออกซิไดซ์ CO และไฮโดรคาร์บอนให้เป็น CO 2 และ H 2 O ในปี 1970 ปฏิญญาอากาศสะอาดได้รับการกำหนดขึ้น (แก้ไขในปี 2520 ขยายในปี 2533) ตามที่รถใหม่ทุกคัน ซึ่งเริ่มตั้งแต่รุ่นปี 1975 จะต้องติดตั้งเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา มีการกำหนดบรรทัดฐานสำหรับองค์ประกอบของก๊าซไอเสีย เนื่องจากสารประกอบตะกั่วที่เติมลงในตัวเร่งปฏิกิริยาพิษของน้ำมันเบนซิน จึงได้มีการนำโปรแกรมการเลิกใช้ชั่วคราวมาใช้ ยังให้ความสนใจกับความจำเป็นในการลดเนื้อหาของไนโตรเจนออกไซด์

ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกสร้างขึ้นโดยเฉพาะสำหรับคอนเวอร์เตอร์ยานยนต์ ซึ่งส่วนประกอบที่ใช้งานจะถูกสะสมไว้บนพื้นผิวเซรามิกที่มีโครงสร้างแบบรังผึ้ง ผ่านเซลล์ที่ก๊าซไอเสียผ่านเข้าไป พื้นผิวถูกปกคลุมด้วยชั้นบาง ๆ ของโลหะออกไซด์เช่น Al 2 O 3 ซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา - แพลตตินัมแพลเลเดียมหรือโรเดียม เนื้อหาของไนโตรเจนออกไซด์ที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงธรรมชาติที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มแอมโมเนียจำนวนเล็กน้อยลงในก๊าซไอเสียแล้วส่งผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาไททาเนียม-วานาเดียม

เอนไซม์.

เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาตามธรรมชาติที่ควบคุมกระบวนการทางชีวเคมีในเซลล์ที่มีชีวิต พวกเขามีส่วนร่วมในกระบวนการแลกเปลี่ยนพลังงาน การสลายสารอาหาร ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ปฏิกิริยาอินทรีย์ที่ซับซ้อนหลายอย่างไม่สามารถดำเนินต่อไปได้หากไม่มีพวกมัน เอ็นไซม์ทำงานที่อุณหภูมิและความดันปกติ มีการคัดเลือกที่สูงมาก และสามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้แปดลำดับของขนาด แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ จากเอนไซม์ที่รู้จัก 15,000 ตัว มีการใช้ 20 ชนิดในปริมาณมาก

มนุษย์ใช้เอนไซม์มาหลายพันปีในการอบขนมปัง ผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ ชีส และน้ำส้มสายชู ตอนนี้เอนไซม์ยังใช้ในอุตสาหกรรม: ในการแปรรูปน้ำตาลในการผลิตยาปฏิชีวนะสังเคราะห์กรดอะมิโนและโปรตีน เอนไซม์โปรตีโอไลติกที่เร่งกระบวนการไฮโดรไลซิสจะถูกเติมลงในผงซักฟอก

ด้วยความช่วยเหลือของแบคทีเรีย Clostridium acetobutylicum H. Weizmann ดำเนินการเปลี่ยนแป้งด้วยเอนไซม์เป็นอะซิโตนและบิวทิลแอลกอฮอล์ วิธีการรับอะซิโตนนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอังกฤษในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่งและในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองยางบิวทาไดอีนถูกสร้างขึ้นด้วยความช่วยเหลือในสหภาพโซเวียต

การใช้เอ็นไซม์ที่ผลิตโดยจุลินทรีย์เพื่อสังเคราะห์เพนิซิลลินมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง เช่นเดียวกับสเตรปโตมัยซินและวิตามินบี 12

เอทิลแอลกอฮอล์ที่ผลิตขึ้นด้วยเอนไซม์ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถยนต์อย่างแพร่หลาย ในบราซิล รถยนต์มากกว่าหนึ่งในสามของประมาณ 10 ล้านคันใช้เอทิลแอลกอฮอล์ 96% ที่ได้จากอ้อย และส่วนที่เหลือเป็นส่วนผสมของน้ำมันเบนซินและเอทิลแอลกอฮอล์ (20%) เทคโนโลยีสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงซึ่งเป็นส่วนผสมของน้ำมันเบนซินและแอลกอฮอล์ได้รับการพัฒนาอย่างดีในสหรัฐอเมริกา ในปี 2530 ประมาณ แอลกอฮอล์ 4 พันล้านลิตร ซึ่งใช้ประมาณ 3.2 พันล้านลิตรเป็นเชื้อเพลิง แอปพลิเคชั่นต่าง ๆ นั้นยังพบในสิ่งที่เรียกว่า เอนไซม์ตรึง เอ็นไซม์เหล่านี้สัมพันธ์กับตัวพาที่เป็นของแข็ง เช่น ซิลิกาเจล ซึ่งตัวทำปฏิกิริยาจะถูกส่งผ่าน ข้อดีของวิธีนี้คือช่วยให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวสัมผัสกับเอนไซม์อย่างมีประสิทธิภาพ การแยกผลิตภัณฑ์และการถนอมรักษาของเอนไซม์ ตัวอย่างหนึ่งของการใช้เอ็นไซม์ที่ทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้ในอุตสาหกรรมคือ การทำไอโซเมอไรเซชันของดี-กลูโคสให้เป็นฟรุกโตส

ด้านเทคโนโลยี

เทคโนโลยีสมัยใหม่ไม่สามารถจินตนาการได้หากปราศจากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 650 °C และความดัน 100 atm หรือมากกว่า ทำให้จำเป็นต้องแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสระหว่างสารที่เป็นก๊าซและของแข็ง และการถ่ายโอนอนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปแบบใหม่ เพื่อให้กระบวนการมีประสิทธิภาพ การสร้างแบบจำลองต้องคำนึงถึงด้านจลนศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ และอุทกพลศาสตร์ การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายที่นี่ เช่นเดียวกับเครื่องมือและวิธีการใหม่ในการควบคุมกระบวนการทางเทคโนโลยี

ในทศวรรษที่ 1960 มีความก้าวหน้าอย่างมากในการผลิตแอมโมเนีย การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แอคทีฟมากขึ้นทำให้สามารถลดอุณหภูมิของการผลิตไฮโดรเจนระหว่างการสลายตัวของไอน้ำได้ ซึ่งทำให้ความดันลดลงและทำให้ลดลง ต้นทุนการผลิตตัวอย่างเช่น ผ่านการใช้คอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงราคาถูก เป็นผลให้ค่าใช้จ่ายของแอมโมเนียลดลงมากกว่าครึ่งหนึ่งมีการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมากและด้วยเหตุนี้การผลิตอาหารที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากแอมโมเนียเป็นปุ๋ยที่มีคุณค่า

วิธีการ

การวิจัยในด้านตัวเร่งปฏิกิริยาดำเนินการโดยใช้ทั้งวิธีการแบบดั้งเดิมและแบบพิเศษ ฉลากกัมมันตภาพรังสี, เอ็กซ์เรย์, อินฟราเรดและรามัน (Raman) สเปกโตรสโคปี, วิธีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกนำมาใช้; ทำการวัดจลนศาสตร์ศึกษาอิทธิพลของวิธีการรับตัวเร่งปฏิกิริยาต่อกิจกรรมของพวกเขา สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือการกำหนดพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยวิธี Brunauer-Emmett-Teller (วิธี BET) โดยอิงจากการวัดการดูดซับทางกายภาพของไนโตรเจนที่ความดันต่างๆ ในการทำเช่นนี้ ให้กำหนดปริมาณไนโตรเจนที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของโมโนเลเยอร์บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา และเมื่อทราบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุล N 2 แล้ว ให้คำนวณพื้นที่ทั้งหมด นอกเหนือจากการกำหนดพื้นที่ผิวทั้งหมดแล้ว ยังมีการดูดซับเคมีของโมเลกุลต่างๆ ซึ่งทำให้สามารถประมาณจำนวนศูนย์ปฏิบัติการและรับข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของพวกมันได้

นักวิจัยมีไว้คอยบริการ วิธีการต่างๆศึกษาโครงสร้างพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในระดับอะตอม สามารถรับข้อมูลเฉพาะได้โดยใช้วิธี EXAFS ในบรรดาวิธีการทางสเปกโตรสโกปีนั้น UV, X-ray และ Auger photoelectron spectroscopy กำลังถูกใช้เพิ่มมากขึ้น สิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่งคือการวิเคราะห์มวลไอออนทุติยภูมิและสเปกโตรสโคปีการกระเจิงไอออน การวัด NMR ใช้เพื่อศึกษาธรรมชาติของสารเชิงซ้อนของตัวเร่งปฏิกิริยา กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนช่วยให้คุณเห็นการจัดเรียงของอะตอมบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา

มุมมอง

ขนาดของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมเพิ่มขึ้นทุกปี มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยามากขึ้นเพื่อต่อต้านมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม บทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตไฮโดรคาร์บอนและเชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่มีออกซิเจนจากก๊าซและถ่านหินกำลังเติบโตขึ้น ดูเหมือนว่ามีแนวโน้มมากที่จะสร้างเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับการแปลงพลังงานเชื้อเพลิงเป็นพลังงานไฟฟ้าอย่างประหยัด

แนวคิดใหม่ของการเร่งปฏิกิริยาจะทำให้ได้วัสดุโพลีเมอร์และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่มีคุณสมบัติอันมีค่ามากมาย ปรับปรุงวิธีการผลิตพลังงาน เพิ่มการผลิตอาหาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการสังเคราะห์โปรตีนจากอัลเคนและแอมโมเนียด้วยความช่วยเหลือของจุลินทรีย์ อาจเป็นไปได้ที่จะพัฒนาวิธีการดัดแปลงพันธุกรรมสำหรับการผลิตเอนไซม์และสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกที่เข้าใกล้ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพตามธรรมชาติในกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาและการคัดเลือก

วรรณกรรม:

เกทส์ บี.เค. เคมีของกระบวนการเร่งปฏิกิริยา. ม., 1981
Boreskov G.K. ตัวเร่งปฏิกิริยา คำถามเกี่ยวกับทฤษฎีและการปฏิบัติ. โนโวซีบีสค์, 1987
กันคิน วี.ยู. กันคิน หยู.วี. ทฤษฎีทั่วไปใหม่ของตัวเร่งปฏิกิริยา. L., 1991
โทคาเบะ เค ตัวเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการเร่งปฏิกิริยา. ม., 1993

Catamlis-การเร่งความเร็วแบบเลือกได้ของหนึ่งในทิศทางที่เป็นไปได้ทางอุณหพลศาสตร์ที่เป็นไปได้ของปฏิกิริยาเคมีภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีระดับกลางซ้ำ ๆ กับผู้เข้าร่วมในปฏิกิริยาและคืนค่าองค์ประกอบทางเคมีของมันหลังจากแต่ละรอบของปฏิกิริยาเคมีระดับกลาง . คำว่า "catalysis" ถูกนำมาใช้ในปี 1835 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน Jöns Jakob Berzelius

ปรากฏการณ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นที่แพร่หลายในธรรมชาติ (กระบวนการส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา) และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี (ในการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี ในการผลิตกรดซัลฟิวริก แอมโมเนีย กรดไนตริก ฯลฯ) ปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาสารที่เปลี่ยนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเรียกว่า

ตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมาก - ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวกหรือเพียงแค่ตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวอื่นช้าลง - ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวก ได้แก่ การผลิตกรดซัลฟิวริก การออกซิเดชันของแอมโมเนียเป็นกรดไนตริกโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม เป็นต้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันได้ (สัมผัส) ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในเฟสเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันจะแตกต่างกันไปตามเฟส

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ตัวอย่างตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันคือการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ต่อหน้าไอโอดีนไอออน ปฏิกิริยาดำเนินไปในสองขั้นตอน:

H2 O2+ฉัน> H2O+ไอโอ H2O2+io> H2O + O2+ ฉัน

ในการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดจากการที่มันทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นเพื่อสร้างสารประกอบขั้นกลาง ซึ่งทำให้พลังงานกระตุ้นลดลง

ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกัน

ในการเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน การเร่งความเร็วของกระบวนการมักจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง - ตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับขนาดและคุณสมบัติของพื้นผิวของมัน ในทางปฏิบัติ ตัวเร่งปฏิกิริยามักจะได้รับการสนับสนุนด้วยการรองรับรูพรุนที่เป็นของแข็ง

1. การแพร่กระจายของสารตั้งต้นสู่พื้นผิวของของแข็ง
2. การดูดซับทางกายภาพบนตำแหน่งแอคทีฟของพื้นผิวของสารที่เป็นของแข็งของโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาแล้วตามด้วยเคมีดูดซับ
3. ปฏิกิริยาเคมีระหว่างโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยา
4. การดูดซับผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา
5. การแพร่กระจายของผลิตภัณฑ์จากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาสู่การไหลทั่วไป

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกิดขึ้นกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีรูพรุน ซึ่งพื้นผิวด้านในประกอบด้วยรูพรุนและช่องต่างๆ ที่มีขนาดและความยาวต่างกัน รูขุมขนเหล่านี้อาจถูกแยกออกหรือเชื่อมต่อถึงกัน ปัจจัยหลักที่กำหนดอัตราและลักษณะของการเคลื่อนที่ของก๊าซในรูพรุนของตัวเร่งปฏิกิริยาคือขนาดรูพรุน ความเร็ว เคลื่อนไหวอย่างอิสระโมเลกุลสามารถเข้าถึง 1,000 m / s และการชะลอตัวของการเคลื่อนที่ในรูพรุนนั้นสัมพันธ์กับการชนกันระหว่างโมเลกุลของแก๊สกับผนังของรูพรุน

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เป็นแบบไม่คัดเลือก ซึ่งกำหนดข้อจำกัดที่ทราบเกี่ยวกับวิธีการวิเคราะห์ทางจลนศาสตร์

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับอะตอมและโมเลกุลหลายประเภท การกำหนดกลไกของปฏิกิริยาและธรรมชาติของแรงที่กระทำระหว่างอะตอมและโมเลกุลเหล่านี้และระหว่างพวกมันกับพื้นผิวนั้นเป็นงานที่ยากแน่นอน แต่สามารถทำให้ง่ายขึ้นได้โดยการศึกษาพฤติกรรมการดูดซับของอะตอมหรือโมเลกุลชนิดหนึ่ง . การศึกษาดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าเมื่อโมเลกุลบางตัวถูกดูดซับบนตัวดูดซับบางชนิด พันธะในโมเลกุลจะแตกออกและมีพันธะสองพันธะกับตัวดูดซับปรากฏขึ้น ในกรณีนี้ โมเลกุลที่ดูดซับจะเปลี่ยนเป็นอะตอมที่ถูกดูดซับสองอะตอม กระบวนการนี้เป็นเพียงผิวเผิน ปฏิกิริยาเคมีและอะตอมที่ถูกดูดซับที่เกิดขึ้นมักจะเรียกว่าอะตอมที่ถูกดูดซับด้วยเคมี หากปฏิกิริยาดังกล่าวไม่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอและโมเลกุลที่ถูกดูดซับไม่สลายตัวเป็นอะตอมที่ถูกดูดซับสองอะตอม โมเลกุลดังกล่าวจะเรียกว่าการดูดซับทางกายภาพ