212950617-catalizatorii-viitorului

8/10/2019 212950617-Catalizatorii-Viitorului

1/4

Catalizatorii Viitorului

Cataliza este un fenomen fizico-chimic in care viteza de reactie se modifica in prezenta unor mici

cantitati de diferite substante, denumite catalizatori.

Catalizatorii sunt substante de felul metalelor (Ni,Pt,Co,etc), oxizilor, acizilor (HCl,etc), bazelor

(NaOH, KOH,etc), sarurilor, etc., care introduse in mediul de reactie in cantitati mici sau foarte mici,

modifica viteza de reactie, iau parte la reactia chimica intr-un anumit stadiu al ei, dar care la sfarsitulreactiei se regasesc in cantitatea initiala fara sa fi suferit vreo transformare chimica.

Istoric

Observatii despre astfel de substante au fost facute inca din antichitate de Aristotel

Notiunea de catalizator a fost introdusa in chimie de savantul suedez Jacob Jons Berzelius in 1835.

Karl Ziegler (1898-1973), chimist german si laureat Nobel. Prin cercetarile sale in domeniul

catalizei si catalizatorilor, a adus valoroase contributii domeniului maselor plastice, ajutand la

dezvoltarea unor produse ca polypropylenul, fibre artificiale si cauciucul sintetic. Pentru descoperirea

unui catalizator care produce un plastic mai dur care a revolutionat industria, a primit Premiul Nobel in

chimie in 1963.

Paul Sabatier (1854-1941), chimist francez si laureat Nobel, cunoscut pentru descoperirile sale in

folosirea catalizatorilor pentru intensificarea reactiilor chimice. A fost nascut in Carcassonne, Franta.A descoperit ca marind suprafata catalizatorilor precum nichelul si arama a marit efectul lor. In 1897 el

si chimistul francez Jean Baptiste Senderens au dezvoltat procesul hidrogenarii catalitice a uleiurilor,

care a devenit important in industrie. Sabatier a casticat Premiul Nobel in chimie in 1912.

Industrial, primul catalizator folosit a fost apa in 1838 la oxidarea dioxidului de sulf cu acid azotic.

Catalizatorul influenteaza numai reactiile care s-ar produce cu o viteza mica sau chiar foarte mica

si fara el dar intr-un timp mai lung.

De exemplu sinteza apei din H2si O2 nu are loc la temperatura camerei. Daca insa in amestecul

gazos de oxigen si hidrogen, introducem platina , fin divizata, reactia se produce rapid. La sfarsitul

reactiei se observa ca platina a ramas neschimbata in cantitatea initiala.

O importanta a catalizatorilor este aceea de a micsora energia de activare a reactiilor.

Catalizatorii pot fi pozitivi si negativi: primii maresc viteza de reactie, iar ceilalti o micsoreaza(inhibitori).

Catalizatorul nu modifica echilibrul chimic al unei reactii reversibile si accelereaza sau

micsoreaza in acelasi timp si in aceeasi masura viteza de reactie a celor doua reactii contrare; el

determina atingerea mai rapida a acestui echilibru. Dupa starea de agregare a catlizatorului, cataliza

poate fi de doua feluri si anume:

- cataliza omogena , in care atat catalizatorul numit strat , cat si substantele ce reactioneaza numite

substrat, formeaza un sistem omogen constituit dintr-o singura faza , gazoasa sau lichida.

- cataliza eterogena , in care catalizatorul si reactantii formeaza un sistem eterogen alcatuit din mai

multe faze; in cataliza eterogena, catalizatorul este de obicei in stare solida iar reactantii in stare

gazoasa sau lichida.

Cataliza eterogena are loc in trei stadii consecutive :

-

adsorbtia moleculelor reactantilor pe suprafata catalizatorului;

- reactia dintre moleculele adsorbite;

- desorbtia produsilor de reactie, adica trecerea in mediul inconjurator a substantelor adsorbite.

Absorbtia este de doua feluri : adsorbtie prin forte van der Waals si adsorbtie activata (chemosorbtie).

Adsorbtia prin forte van der Waals se face rapid si are loc la temperaturi joase. Caldurile de adsorbtie

van der Waals sunt mici. Adsorbtia activata sau chemosorbtia este lenta si insotita de o mai mare

degajare de caldura decat in cazul precedent deoarece in urma interactiunii dintre atomii centrelor

active ai catalizatorului si moleculele substratului se stabilesc legaturi de natura chimica rezultand

adevarate combinatii chimice.

CLASIFICAREA CATALIZATORILOR

Catalizatori fizici:

- crbune de lemn fin divizat

- crbune animal fin divizat


2/4

Catalizatori chimici:- Acizi (H 3O+)hidroliz, esterificare, eterificare

- Bazici (OH -)saponificare, reducere

- Sruri (Mn, Ce, W, Mo) oxidare

- Metale (VIII b: Fe, Co, Ni)reacii de reducere

- Oxizi anhidri (Al2O3, V2O5, TiO2)deshidratare, esterificare, dehidrogenare

Catalizatori biochimici:

- Vitamine

- Hormoni

- EnzimeAceti catalizatori sunt implicai n reacii de hidroliz, redox, acido-bazice etc. Enzimele au un suport

coloidalapoenzima, de care se leag grupa activ propriu zis coenzim. Apoenzima asigur

legtura dintre coenzim i substrat i determin specificitateaenzimei.

Vitaminele regleaza una sau mai multe faze ale metabolismului intermediar,influenteaza activitatea

enzimelor sau intervin direct in procese redox sau chiar in sinteza enzimelor;

Vitaminele sunt substante organice indispensabile vietii si este necesar sa le aducem in alimentatia

zilnica in cantitate suficienta.

Acestea sunt sintetizate, in principal, de catre organismele vegetale si de catre microrganisme, si

numai in foarte mica masura de catre unele specii de animale. Alaturi de enzime si de hormoni,

vitaminele fac parte din grupa catalizatorilor biologici, care contribuie decisiv la reglarea si stimularea

proceselor metabolice.

Intr-adevar, corpul nostru nu le fabrica, cu exceptia vitaminei D, care este sintetizata de piele sub

actiunea radiatiilor solare. Cu toate ca vitaminele nu sunt sursa vietii insesi, ele sunt indispensabile in

majoritatea reactiilor biochimice care permit mentinerea vietii celulare. Vitaminele servesc

transformarii alimentelor in energie.

Astfel, fiecare tesut are in mod specific nevoie de anumite vitamine. De exemplu, ochii au nevoie de

vitaminele A si B; pielea - de vitaminele A,B,C si E; globulele rosii - de vitaminele B si E; mucoasele -

de vitaminele B si E; ficatul - de vitaminele K si B; creierul si inima - de vitaminele B si F; oasele - devitamina D; globulele albe - de vitaminele B si C etc.

Numeroase studii stiintifice dovedesc ca, cu cat absorbtia de proteine, de zaharuri si de grasimi este

mai mare, cu atat este mai necesara marirea aportului de vitamine naturale. Deficitul vitaminic se

traduce prin oboseala, dureri musculare, iritabilitate, insomnie, tulburari de crestere si risc crescut de

infectii.

Horminii acetia acioneaz ca reglatori chimici si bio-catalizatori, influiennd dezvoltarea,

creterea, viaa psihic i fizic. Un nivel echilibrat al hormonilor din snge este condiia de baz a

funcionrii a organismului.

Enzimele sunt catalizatori biochimici propriu-zisi, asadar sunt compusi care maresc viteza

reactiilor chimice ce se desfasoara in sistemele biologice, fara sa se consume in cursul lor.Din cea mai indepartata antichitate sunt cunoscute procese enzimatice cum sunt fermentatia vinului,

dospirea painii etc. Dar cunostinte sistematice in acest domeniu s-au obtinut incepand cu identificarea

primelor enzime: amilaza din malt(Kirchoff, 1814), amilaza salivara(Leuchs, 1831) si

pepsina(Schwann, 1836). Ulterior, progrese importante s-au realizat prin lucrarile privind cataliza si

biocataliza ale lui Berzelius Liebig, prin studiile asupra cineticii ale lui Michaelis si Menten(1912),

prin obtinerea enzimelor in stare cristalizata(Sumner, 1926).

S-au efectuat lucrari numeroase de-a lungul anilor dovedindu-se prin acestea ca enzimologia constituie

studiul bazelor moleculare ale vietii.

Proprietatile si caracteristicile catalizatorilor


3/4

Proprietatile fundamentale care definesc un catalizator sunt: activi tatea, selectivitatea si

stabilitatea. Pe lnga acestea, n aplicatiile industriale sunt necesare si alte proprietati ca:

regenerabilitate, reproductibilitate, stabilitate mecanica si termica, anumite caracteristici

morfologice.

1. Activitatea

Activitatea catalitica este o marime care exprima masura n care o substanta sau un amestec

de substante de o anumita compozitie, poate cataliza o reactie chimica. Formularea cantitativa a acestei

proprietati este deseori neunitara fie din motive formale, fie din cauza conceptiilor diferite care stau la

baza interpretarii fenomenului de cataliza.Pentru un anumit proces chimic, activitatea catalitica depinde de o multitudine de parametri

ai procesului ct si de proprietatile fizice ale catalizatorului. Ea este functie de concentratia

catalizatorului, a activatorilor, a reactantilor si a produsilor de reactie, a impuritatilor, de temperatura,

presiune, suprafata specifica a catalizatorului, de raza medie a porilor granulei de catalizator, de

diametrul mediu al granulelor, de viteza liniara a fluxului reactant gazos, de greutatea moleculara a

reactantilor si a produsilor de reactie.

Determinarea experimentala a activitatii catalitice functie de un anumit parametru se face

pastrnd constante celelalte variabile independente mentionate.

O activitate ridicata este reflectata de productivitati ridicate cnd se folosesc fie reactoare si

volume de catalizator relativ mici, fie conditii de operare blnde n special temperaturi scazute, care

duce la cresterea selectivitatii si stabilitatii daca sunt favorabile conditiile termodinamice.

2. Selectivitatea

Proprietatea catalizatorilor de a dirija transformarea chimica, preferential spre o directie

anumita, din mai multe posibile termodinamic, se numesteselectivitate.

Ca si activitatea, selectivitatea depinde de mai multi factori, cei mai importanti fiind

compozitia amestecului de reactie si temperatura.

Selectivitatea ridicata conduce la cantitati mari din produsii doriti, n conditiile n care sunt

suprimate reactiile consecutive si competitive. Aceasta nseamna ca textura catalizatorului, n

particular volumul si distributia porilor, poate fi modificata/mbunatatita astfel nct sa se reduca

difuzia interna, care n cazul reactiilor consecutive reduce selectivitatea.

3. StabilitateaActivitatea catalizatorilor solizi este rareori constanta n timp. Fiecare catalizator prezinta,

ntr-o anumita reactie, o perioada de functionare optima.

Reactii cataliticeMajoritatea reactiilor chimice, ca si o serie de procese tehnologice (fabricarea NH3, H2S04, HN03,

cracarea fractiilor grele din titei etc.) folosesc cantitati mici de substante straine care maresc viteza de

reactie sau chiar determina sensul unei reactii. Catalizatorii sunt substante care adangate in cantitate

mica, modifica viteza unei reactii chimice (reactie termodinamic posibila si in absenta catalizatorului).

Catalizatorii au o actiune selectiva, determinind in unele cazuri chiar sensul transformarii chimice, de

unde se trage concluzia ca ei intervin chimic in reactie. De exemplu, reactia de deshidratare a

alcoolului etilic poate duce la etena sau la eter etilic, in functie de catalizatorii folositi. In prezenta de

A1203 sau Si02, reactia predominanta conduce la formarea de etilena, iar folosind drept catalizatorH2S04 sau H3P04 reactia cu viteza mai mare este cea de formare a eterului,

Al2O3, SiO2

C2H5OH --------------------->C2H4 + H2O

H3P04, H2S04

2C2H5OH ------------------->(C2H5)2O + H2O

Prin masurarea vitezelor de reactie, in prezenta si in absenta catalizatorilor, calculandu-se energia de

activare a proceselor, s-a ajuns la concluzia: catalizatorii actioneaza cinetic, modificind mecanismul

proceselor chimice si prin aceasta micsorind energia de activare a reactiei chimice. Catalizaiorii sint

deci substante care schimba viteza de reactie. prin participarea la reactii chimice intermediare cucomponentii reactiei: recuperarea lor are loc dupa fiecare ciclu de reactie.

Schimbarea vitezei reactiei catalizate se explica prin scaderea energiei de activare a etapelor sale

intermediare. Sa presupunem pentru exemplificare ca substantele A si B pot forma un compus AB:


4/4

A + B --> A .... B --> AB (Complex activat)

AK+B

Datorita energiei de activare inalta, starea de complex activat nu se poate realiza, incat reactia se

produce cu viteza mica (practic zero). Daca consideram exista o substanta, K (catalizatorul), care poate

reactiona usor cu A, pentru a forma compusul AK (energia de activare este joasa, interactia intre A si

K fiind de natura diferita celei intre A si B):

A+K -->A K --> AK (Complex activat)Daca compusul AK reactioneaza usor cu B se obtine:

B +AK- -> B .... AK --> AB + K (Complex activat)

Insumind aceste ecuatii, se observa ca substanta folosita drept catalizator ramine neschimbata in

reactie:

A + B = AB

este evident ca o reducere a sa accelereaza mult viteza de reactie.

In unele reactii, catalizatorul actioneaza ca donor de radicali liberi, reactia capatind un mecanism

in lant. Astfel, oxidarea CO prin oxigen: 2 CO + O2 =2C02 este catalizata de prezenta vaporilor de

apa, ca urmare a dezvoltarii lanturilor datorita radicaiilor liberi HO- si H-

HO + CO = CO2 + H

H + O2 = HO + O

CO + O = CO2

Convertorul catalitic

Convertorul catalitic este un dispozitiv utilizat pentru a reduce toxicitatea emisiilor provenite de la

motoarele cu ardere interna. Folosit pe scara larga pentru prima oara in productia de serie de

Automobile pe piata americana, in anul 1975 model pentru a se conforma cu nasprirea reglementarilor

EPA, cu privire la evacuare auto, convertoare catalitice sunt nca cel mai frecvent utilizate n sistemele

de evacuare ale autovehiculelor. Un convertor catalitic ofera un mediu pentru o reactie chimica toxicacombustie de unde produsele sunt convertite n mai putin de substante toxice.

Convertorul catalitic a fost inventat de Eugene Houdry, un inginer mecanic francez care a trit n

Statele Unite. In jurul anului 1950, atunci carnd rezultatele studiilor preliminare asupra smogului din

Los Angeles au fost publicate, Houdry a devenit ingrijorat in privinta rolului pe care il are sistemul de

evacuare al automobilelor asupra poluarii aerului i a fondat o companie special, Oxy-Catalyst, pentru

a dezvolta convertoare catalitice, pentru motoarele pe benzin - o idee foarte inovativa pentru pe care a

si patentat-o . Problema catalizatoarelor timpurii era ca bezina utilizata continea tetraetil de plumb, un

compus antidetonant puternic care din pacate aproape anula efectul catalizatoarelor si le distrugea.

Convertorul catalitic este format din mai multe componente:

Nucleul sau miezul. Nucleul este adesea un fagure ceramic n convertoarele catalitice moderne, dar

sunt utilizati si faguri din oel inoxidabil, de asemenea. Fagurele crete cantitatea de suprafadisponibila pentru a sprijini catalizatorul, i, prin urmare, este adesea numit un suport de "catalizator".

Strat auxiliar. Stratul auxiliar este utilizat pentru a face convertoare mai eficiente, de multe ori ca un

amestec de siliciu i alumin. Stratul, atunci cnd este adugat nucleului, formeaz o suprafata

neregulate, dura, care are o arie mult mai mare dect suprafaa de baz plana, care apoi permite

existenta a mult mai multor locuri pentru depunerea substantelor catalizatoare.

Catalizatoruln sine este cel mai adesea un metal preios. Platinum este catalizatorul cel mai activ i

este utilizat pe scar larg. Acesta nu este potrivit pentru toate aplicaiile, din cauza unor reacii

nedorite suplimentare i / sau a costurilor. Paladiu si rodiu sunt dou alte metale preioase utilizate.

Platin i rodiu sunt folosite ca un catalizator de reducere, n timp ce platin i paladiu sunt folosite ca

un catalizator de oxidare. Ceriul, fierul, manganul i nichelul sunt deasemenea folosite, cu toate c

fiecare are propriile sale limitri. De exemplu, nichelul nu este legal pentru a fi utilizat n cadrul

Uniunii Europene (din cauza reaciei cu monoxidul de carbon),in timp ce de cupru pot fi folosit, dar

utilizarea sa este ilegal n America de Nord ca urmare a formrii de dioxin.

212950617-catalizatorii-viitorului

Documents