Общие представления о понятии «механизм химической реакции»

Роль катализа в промышленности и экологии

 

Основным потребителем катализаторов являются нефтепереработка, нефтехимия, химия и экология.

Маркет катализаторов в год составляет около 700 тысяч тонн. Примерно половина – катализаторы каталитического крекинга. Потребности химической промышленности – около одной трети, экологии – десятая часть.

Если средняя стоимость катализаторов – 4$ за килограмм, а средняя доля в себестоимости – 0,3%, то с помощью катализаторов производят продуктов на сумму не менее 1000 миллиардов $.

Катализ позволяет экономить сырье и энергию, а также не загрязнять окружающую среду.

Определение катализа

 

Катализ – это ускорение одного или нескольких возможных направлений превращения химических веществ.

Термодинамика дает ответ на вопрос, как далеко может пройти конкретная химическая реакция. Этот ответ не зависит от пути реакции. На вопрос, с какой скоростью будет достигаться это конечное состояние, отвечает кинетика.

Скорость зависит от пути реакции!

Например, смесь 1,5 % бутана с воздухом при бесконечном по времени их контакте при температуре 450⁰ С превратится в смесь диоксида углерода, воды и остатка воздуха. В присутствии катализатора, состоящего из смеси V, P и O, в течение 2-3 секунд примерно половина бутан окислится в малеиновый ангидрид.

Катализаторы ускоряют один или несколько термодинамически возможных превращений участников реакции, создавая, как правило, новый, энергетически более выгодный путь.

СН₃---СН₂---СН₂--- СН₃ + 3,5 О₂ ==

HC        C ==O

O

HC        C ==O

Новый путь появляется за счет того, что реагенты образуют химические (промежуточные) соединения с катализатором.

Селективность

 

Если превращения этих соединений протекает через более низкие энергетические барьеры, то каталитический путь может оказаться быстрее, чем некаталитический.

Путь, по которому превращаются или образуются интересующие нас вещества, часто называю механизмом.

Что значит «более низкие энергетические барьеры»?

Число соударений молекул газа между собой при атмосферном давлении в 1 см³ в 1 сек из кинетической теории газов равно примерно 10³⁰_.

Число ударов молекул газа при атмосферном давлении об 1 см² поверхности в 1 сек равно примерно 10²³. Если внешняя поверхность гранул катализатора в 1 см³ равна 100 см², то для того, чтобы каталитический путь был более быстрым, необходимо, чтобы Е_кат было бы примерно на 60 кДж/моль меньше, чем Е_нк.

 

Реакция	Е нк, кДж/моль	Е кат, кДж/моль	Кат-р
2HJ ® H2 + J2   2N2O ® 2N2 + O2	184   245	105 59 121 134	Au Pt Au Pt

 

Общие представления о понятии «механизм химической реакции»

 

Лимитирующая стадия.

Схемы механизма – химическая, физическая и кинетическая.

Физико-химический механизм реакции окисления бутана в малеиновый ангидрид.

 

 

Микрокинетическая модель паровой конверсии метана.