efectul catalizator asupra vitezei de reactie

7/22/2019 Efectul Catalizator Asupra Vitezei de Reactie

1/8

Badeanu AlexandraClasa a XII-a D

1

Efectul catalizator asupra vitezei de reactie

1. Ce sunt catalizatorii?Catalizatoruleste o substan care modificviteza unei reacii chimice fr a participa la reacie i

fr ca ea nsi s sufere modificri. Pentru meritele sale din domeniul catalizatorilor luiWilhelmOstwald i s-a decernatPremiul Nobel.

Se bnuiete c n urm cu 5000 de ani asirienii foloseau catatalizatori n fermentaia alcoolic.Abia n 1835,Jns Jakob Berzelius obsearv c o serie de reacii chimice nu au loc numai n prezena unoranumite substane, care ns n timpul reaciei nu se consum sau nu-i schimb compoziia chimic. n1900 Wilhelm Ostwald definete catalizatorul ca o substan n prezena creiea este mrit viteza reacieichimice, fr ca ea s se consume sau s influeneze echilibriul termodinamic al reaciei chimice.

n chimie s-a observat c un catalizator activeaz energia reaciei chimice printr-un mecanism depotenare. Se consider c n timpul reaciei structura catalizatorului se schimb, el ns se reface n finalul

reaciei chimice. Reacia are loc n dou etape dup modelul:

n natur se pot ntlni frecvent fenomenul decataliz,ca exemplu procesul de biosintez proteica vieuitoarelor. De asemenea n procesul de respiraie, sau la procesul de obinere a energiei din hran.Frecvent catalizatorii n natur sunt anumite proteine, enzime. Circa n procent de 80% sunt folosiicatalizatori n reaciile chimice din industrie. Fr catalizatori anumite reacii chimice ar foarte lente saunu ar avea loc.

2. Care sunt proprietatile catalizatorilor?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 desubstante 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 labaza interpretarii fenomenului de cataliza.

Pentru un anumit proces chimic, activitatea catalitica depinde de o multitudine de parametri aiprocesului ct si de proprietatile fizice ale catalizatorului. Ea este functie de concentratia catalizatorului, aactivatorilor, a reactantilor si a produsilor de reactie, a impuritatilor, de temperatura, presiune, suprafataspecifica a catalizatorului, de raza medie a porilor granulei de catalizator, de diametrul mediu algranulelor, de viteza liniara a fluxului reactant gazos, de greutatea moleculara a reactantilor si a produsilorde reactie.

Determinarea experimentala a activitatii catalitice functie de un anumit parametru se face pastrndconstante celelalte variabile independente mentionate.

O activitate ridicata este reflectata de productivitati ridicate cnd se folosesc fie reactoare sivolume de catalizator relativ mici, fie conditii de operare blnde n special temperaturi scazute, care ducela cresterea selectivitatii si stabilitatii daca sunt favorabile conditiile termodinamice.

2. SelectivitateaProprietatea catalizatorilor de a dirija transformarea chimica, preferential spre o directie anumita,din mai multe posibile termodinamic, se numesteselectivitate.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Cataliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwaldhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwaldhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Premiul_Nobelhttp://ro.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jakob_Berzeliushttp://ro.wikipedia.org/wiki/Cataliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Cataliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Cataliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jakob_Berzeliushttp://ro.wikipedia.org/wiki/Premiul_Nobelhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwaldhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwaldhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Cataliz%C4%83


2/8

2

Ca si activitatea, selectivitatea depinde de mai multi factori, cei mai importanti fiind compozitiaamestecului de reactie si temperatura.

Selectivitatea ridicata conduce la cantitati mari din produsii doriti, n conditiile n care suntsuprimate reactiile consecutive si competitive. Aceasta nseamna ca textura catalizatorului, n particularvolumul 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.

Curba care exprima variatia n timp a activitatii prezinta trei paliere caracteristice.I) Perioada de inductie, care caracterizeaza intrarea n regim normal de functionare, cu atingerea

valorii de activitate maxima. Ea dureaza de la cteva secunde pna la cteva zeci de ore.

II) Perioada de activitate costanta, variaza de la cteva minte la luni sau ani. Este de dorit sa seextinda ct mai mult n timp.

III) Perioada de dezactivare, caracteristica scaderii activitatii n mod progresiv, pna la pierdereatotala a activitatii

Un catalizator cu o buna stabilitate se va modifica foarte putin de-a lungul timpului n conditiile ncare dupa utilizare se si regenereaza. Numai n teorie exista catalizatori care ramn nealterati n timpulreactiei. Practica nsa este departe de o comportare ideala.

Motivele pentru care un catalizator poate sa-si piarda din activitate, selectivitate sau stabilitateamecanica sunt: formarea cocsului ca urmare a unor reactii nedorite ca hidrogenoliza, polimerizarea, ciclizarea,

ransferul de hidrogen; reactantii sau produsii de reactie pot constitui pentru catalizator otravuri care pot ataca agentii

activi sau suportul; cristalele metalelor depuse se pot mari sau se pot regrupa. O schimbare n structura cristalina a

suportului poate cauza pierderea tariei mecanice; adsorbtia progresiva a urmelor de otravuri n fluxul de alimentare sau n produsi poate conduce la

scaderea activitatii.

4. Morfologia

Caracteristicile morfologice externe ale unui catalizator, ca de ex. forma si dimensiunea granulelor,trebuie sa fie astfel alese nct sa corespunda procesului respectiv. Forma sferica a granulelor este de

preferat n reactoarele cu pat mobil sau pat cu fierbere, fiindca se reduc problemele de frecare si uzura. npat fluidizat, pulberea cu granule sferice este de asemenea de preferat pentru limitarea problemenor deuzura, iar granulele trebuie sa aiba o distributie bine determinata a dimensiunilor pentru a se obtine o buna


3/8

3

fluidizare. (Fluidizarea - o tehnica de contact ntre solide (granulate sau sub forma de pulbere) si gaze,fiind o operatie n care o masa de solid este mentinuta ntr-o stare turbulenta, prin dispersarea particulelorntr-un curent ascendent de gaz, care comunica masei solide curenti asemanatori fierberii unuilichid.Fluidizarea este fenomenul prin care un strat pulverulent sau granular este adus n stare de strat

fluidzat, avnd proprietati asemanatoare unui fluid unic. Prin fluidizare se realizeaza un contact mai

intim ntre gaze si particulele solide, cu gradient termic neglijabil ntre granule, ceea ce are o importanta

deosebita n procesele catalitice eterogene)n pat fix, se pot folosi margelele, inelele, tabletele, extrudatele sau fulgii. Forma si dimensiunile

vor avea influenta asupra caderii de presiune asupra patului de catalizator. Astfel, pentru un diametruechivalent optim, catalizatorii pot fi clasificati n raport cu caderea de presiune pe care o provoaca, dupacum urmeaza:

Inele < margele < tablete < extrudate < sfarmaturiCaderea de presiune trebuie sa fie suficient de mare nct sa asigure o distributie uniforma a

fluidului reactant de-a lungul patului catalitic, dar nu att de mare nct sa cauzeze costuri mari pentrucomprimarea si reciclarea gazelor folosite.

5. Rezistenta mecanica

Rezistenta mecanica a catalizatorului este demonstrata prin rezistenta la sfarmare, care i daposibilitatea catalizatorului sa treaca nemodificat prin toate constrngerile, voite sau accidentale, care auloc n interiorul patului catalitic.

Rezistenta mecanica este de asemenea demonstrata de rezistenta granulelor de catalizator la uzuraprin sfarmare care conduce la granulatii mai mici si care pot cauza cresteri ale caderilor de presiune pepatul catalitic. n cazul catalizatorilor sub forma de pulbere utilizati n pat fluidizat sau la fierbere, estenecesara de asemenea o buna rezistenta la frecarea de pereti.

6. Caracteristici termice

Fara doar si poate, trebuie sa luam n considerare si conductivitatea termica si caldura specificacare caracterizeaza catalizatorii.

O conductivitate termicaridicata a masei de catalizator conduce la reducerea gradientului detemperatura de-a lungul stratului de granule, la fel n patul catalitic, pentru reactiile endo sau exoterme

prin mbunatatirea transferului de caldura. Pentru unii catalizatori, caldura specificaare mai mareimportanta; o caldura specifica mare permite de exemplu catalizatorilor pentru cracarea catalitica satransfere o cantitate mare de energie de la combustia cocsului napoi la reactia endoterma de cracare unde

poate fi refolosita.

7. RegenerabilitateaAsa cum s-a mai spus, numai n teorie se poate spune ca un catalizator poate fi regasit intact la

sfrsitul unei reactii. Toti catalizatorii mbatrnesc; iar cnd activitatea sau selectivitatea nu mai sunt celedorite, ei trebuie regenerati printr-un tratament care sa le refaca o parte din proprietatile catalitice. Cel mai

ntlnit tratament este arderea cocsului depus, dar si trecerea unui curent de gaz este folosita, n acest felantrennd eventualele otravuri depuse pe catalizator. Cnd tratamentul nu include arderea depozitului decocs, spunem ca se face rentinerirea acestuia.

Nu este suficient nsa sa facem doar o revenire la activitatea sau selectivitatea catalizatorului,trebuie de asemenea sa se mentina rezistenta mecanica de-a lungul regenerarilor si rentineririlor repetate.

8. Reproductibilitatea

Reproductibilitatea este o preocupare ndeosebi a utilizatorilor industriali, care vor sa asigureaceleasi caracteristici pentru sarje succesive de catalizatori. De asemenea este o preocupare si pentrucercetatorii care vor sa aplice catalizatorii obtinuti n laborator la scara industriala.

Prepararea catalizatorilor n general are loc n cteva etape complexe care depind de un marenumar de variabile, care sunt dificil de controlat simultan.


4/8

4

Rezultatele care se obtin sunt indispensabile n vederea unei verificari rapide a reproductibilitatii,fiind necesar sa se tina minte formula dezvoltata n laborator si care sa fie capabila sa fie extrapolata la ostatie pilot si mai apoi la scara industriala n conditii economice accetabile.

9. Originalitatea

Este foarte important ca un catalizator si un proces n care este folosit catalizatorul respectiv sa fieexploatat legal, cu licenta. Acest lucru este posibil daca acel catalizator este original, sau daca apartineunui domeniu public, caz mai frecvent ntlnit. n primul caz, catalizatorul poate fi protejat ca urmare aobtinerii unui patent; n al doilea caz, posibilele patente pot fi folosite numai pentru eventualembunatatiri.

10. CosturileChiar si cnd catalizatorii poseda caracteristicile mai sus enumerate, mai ramne totusi o cerinta: el

trebuie sa fie comparativ cu catalizatorii deja existenti din punct de vedere al costurilor de productie, saucel putin costurile sa nu-l faca sa fie o povara prea grea din punct de vedere economic pentru procesul ncare este utilizat.

3. Ce rol au catalizatorii?- folositi in cantitati mici , sunt de cele mai multe ori suficienti pentru a produce reactia intre cantitatimari de reactanti;- catalizatorul nu modifica echilibrul chimic ci determina atingerea lui mai rapida.Catalizatorulaccelereaza in acelasi timpo si aceeasi masura atat reactia directa cat si inversa , astfel ca echilibrul chimicnu se deplaseaza ci se stabileste mai repede ;- are rolul de micsora energia de activare a reactantilor ;- modifica macanismul reactiei schimband si ordinul de reactie.De exemplu descumpunerea aciduluiiodhidric , reactie de ordinul II , in faza gazoasa devine reactie de ordinul I in prezenta platinei catalizator ;- selectivitatea catalizatorilor se caracterizeaza prin capacitatea lor de a alege numai un anumit tip de

reactie din mai multe posibile dintr-un sistem de reactie.

4. Exemple de substante utilizate drept catalizatoriEnzimele sunt unii dintre cei mai puternici catalizatori, care joaca un rol esential in organismele

vii, unde accelereaza reactiile care altfel ar necesita tempreraturi care ar distruge majoritatea materieiorganice. Pana acum s-au descoperit mai mult de 700 de enzime.

Fermentatia alcoolica este fara indoiala cea mai veche reactie enzimatica. Aceasta si fenomenesimilare au fost considerate a fi reactii spontane pana in 1857 cand francezul chimist Louis Pasteur adovedit ca fermentatia se intampla doar in prezenta celulelor vii.

Fermentatia alcoolica si alte procese industriale depind de actiunea enzimelor care sunt sintetizatede drojdii si bacterii folosite in procesul de productie. Unele enzime sunt folosite in scopuri medicinale.Unele sunt folositoare in tratarea unor zone de inflamarea locala; trypsin este folosit in degajarea materieistraine si a tesutului mord de pe rani si arsuri.

Uzul medical al enzimelor este demonstrat de cercetarea pentru L-asparaginase, care esteconsiderata a fi o potentiala arma in tratamentul leucemiei si pendru deficientele emzimelor care ar

putea avea legatura cu boli ca anemia si diabetul.Toate enzimele sunt proteine globulare care se combina rapid cu alte substante, numite substraturi,

pentru a cataliza numeroasele reactii chimice in organism. Ele sunt raspunzatoare de metabolism sistabilitatea acestuia, ele controlandu-l in tot corpul. Metabolismul unui organism este dependent de o seriede reactii care sunt indeplinite,controlate , terminate de enzime specifice, si fiecare reactie este coordonatain acelasi timp cu celelalte reactii de metabolism din organism.


5/8

5

In ingineria genetica , oamenii de stiinta folosesc enzimele pentru a izola un segment de DNA carecontine gena de interes (vezi ilustratie).

ImportantaIn prezent peste 90 % din procesele tehnologice ale industriei chimice sa bazeaza pe folosirea

catalizatorilor, substante simple sau amestecuri de substante.In prezent se fac cercetari in cataliza enzimatica. Enzimele naturale sunt folosite de mult timp in

putine industrii, dar mai putin de de 20 de enzime sunt in prezent disponibile in cantitati industriale.Biotehnologii cauta moduri de extindere a acestei resurse si tot odata cauta sa dezvolte enzimelesemisintetice pentru sarcini specifice.

Nu e de lasat la o parte importanta din domeniul medical, in combaterea anumitor boli.

5. Clasificare a reactiilor dupa catalizatorii utilizatiCatalizatorii 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 alcooluluietilic poate duce la etena sau la eter etilic, in functie de catalizatorii folositi. In prezenta de A1203sau Si02,

reactia predominanta conduce la formarea de etilena, iar folosind drept catalizator H2S04sau H3P04reactiacu viteza mai mare este cea de formare a eterului,


6/8

6

Al2O3, SiO2C2H5OH--------------------C2H4+ H2O

H3P04, H2S042C2H5OH ------------------(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 areactiei chimice. Catalizaiorii sint deci substante careschimba viteza de reactie.prin participarea la reactiichimice intermediare cu componentii reactiei: recuperarea lor are loc dupa fiecare ciclu de reactie.

Schimbarea vitezei reactiei catalizate se explica prin scaderea energiei de activare a etapelor saleintermediare. Sa presupunem pentru exemplificare ca substantele A si B potforma un compus AB:

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

Datorita energiei de activare inalta, starea de complex activat nu se

poate realiza, incat reactia se produce cu viteza mica (practic zero). Daca consideram existao substanta, K (catalizatorul), carepoate 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 catalizatorramine 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 inlant.

Astfel, oxidarea CO prin oxigen: 2 CO + O2=2C02este catalizata de prezenta vaporilor de apa, ca

urmare a dezvoltarii lanturilor datorita radicaiilor liberi HO- si H-HO + CO = CO2+ HH + O2 = HO + O

CO + O = CO2

Sistemele catalitice se clasifica insisteme omogene si eterogene, in functie de starea de agregare acatalizatorului si a reactantilo

In cataliza omogena, catalizatorul si substantele care reactioneazaformeaza o singura faza (gazoasasau lichida).Exemple de catiliza omogena sunt: oxidarea CO la CO2in faza gazoasa in prezenta vaporilor de apa, sau

oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de sulf, in prezenta oxizilor de azot drept catalizator (la obtinereaH2S04prin metoda camerelor de plumb). In ultimul caz, reactia de oxidare are loc in urmatoarele etape:O2+ 2NO = 2 NO2 NO2+ S02= SO3+ NO

A-f*

AK+B


7/8

7

Mecanismul reactiei catalitice, ce are loc cu viteza apreciabila, se explica prin formarea unor compusjiintermediari intre reactanti si catalizator. Astfel, la obtinerea trioxidului de sulf (C) reactantii, oxigen (A)si dioxid de sulf (B), pot reactiona cu viteza mica, conform reactiei:A + B = C

In prezenta catalizatorului K(NO), oxigenul va forma cu acesta un produs intermediar AK(NO2),care impreuna cu B va reactiona rapid, cu regenerarea catalizatorului si formarea produsului finalC(SO

3)

Reactiile care ilustreaza acest mecanism vor fi:A + K- -> AK si AK + B --> C + K

Cataliza eterogena se caracterizeaza prin existenta suprafetelor de separatie in sistemul respectiv,catalizatorul si substantele care reactioneaza apar-tinind unor faze diferite. De obicei, catalizatorul estesolid, iar reactantii sint in faza gazoasa sau lichida. Exemplu: sinteza amoniacului din azot si hidrogen,foloseste catalizatorul format din 9697% oxizi de fier, 2% A12O3, 1% K2O si 1 % CaO, MgO sau SiO2.

Reactiile catalitice au loc in stratul superficial al catalizatorului,procesul complex ce are locdecurgind in mai multe etape:1)Adsorbtia moleculelor de reactanti pe suprafata catalizatorului,prin reali-zarea unor legaturi chimiceintre moleculele de reactant si catalizator (chemo-sorbtie). Prin adsorbtie are loc o deformare si olabilizare a legaturilor intre atomii moleculelor reactante.

2) Reactia chimica propriu-zisa, cu formarea de produsi intermediari ne-stabili cu catalizatorul, aceastaducind la micsorarea energiei de activare a reactiei.3) Desorbtia produsilor de reactie, cu eliberarea suprafetei catalizatorului pentru un nou ciclu. Desorbtiaare loc rapid, astfel incit o cantitate mica de catalizator poate transforma, o cantitate mare de reactanti.

O importanta deosebita. o are marimea suprafetei catalizatorului si in acelasi timp natura acesteisuprafete.Nu toata. suprafata catalizatorului poseda. o activitate uniforma., ci exista puncte (virfuri simuchii ale cristalelor, pori, diverse neregularitati), in care este concentrata activitatea catalizatorului,numite centre active.

Pentru a avea un numar cit mai mare de centri activi pe suprafata cataliza-torului, se folosesc uneleadaosuri la catalizator, sau se folosescsuporturi pentru catalizator, adica substante cu suprafata mare pecare se depune catalizatorul in forma, fin div


8/8

8

efectul catalizator asupra vitezei de reactie

Documents