Что в катализаторе за металл


Состав автомобильных катализаторов - Katalizator1

Каталитические нейтрализаторы – неотъемлемая часть выхлопной системы транспортного средства, необходимая для очистки выхлопов от токсичных компонентов. Фильтрация газов происходит за счет напыления из драгоценных металлов. Благодаря дорогостоящему составу автомобильные катализаторы представляют ценность даже после истечения срока эксплуатации. Поступая во вторичную переработку, они используются в различных отраслях промышленности – от нефтехимии до изготовления ювелирных украшений.

Состав автомобильного катализатора

Внутри стального корпуса устройства расположен металлический или керамический носитель из множества ячеек, покрытых напылением из редкоземельных металлов. Палладий, платина, родий характеризуются высокой стоимостью, поскольку получение этих элементов в природе – трудоемкий процесс, отнимающий у добывающих предприятий массу ресурсов. Драгоценное покрытие обеспечивает фильтрацию выхлопов, окисляя вредные компоненты и преображая:

  • Углеводород – в водяной пар.
  • Азотные оксиды – в азот.
  • Угарный газ – в углекислый.

В результате в воздух выбрасываются вещества, не представляющие угрозы для окружающей среды и здоровья человека.

Обратите внимание, что по мере использование ценное напыление стирается – в среднем, катализаторы подлежат замене после прохождения 100 – 120 тысяч километров. Срок службы изделий зависит от изначального количества драгоценных металлов в составе. Самыми «насыщенными» и качественными считаются запчасти импортного производства, которые изготавливаются в соответствии со строгими экологическими требованиями. В России стандарты экологичности продукции пока не так высоки, поэтому отечественные производители нередко заменяют драгметаллы на более дешевые элементы.

Можно ли извлечь металлы из катализатора в домашних условиях

Самостоятельная добыча драгметаллов из автокатализатора – сложная процедура, требующая практических навыков и знаний. Существует несколько технологий извлечения ценных элементов:

  1. Выщелачивание с помощью окислителей.
  2. Использование «царской водки».
  3. Разогрев металла с последующим фторированием.
  4. Гальванический метод.

Применение этих способов целесообразно лишь в том случае, если вы работаете с крупной партией катализаторов. В противном случае, стоимость продажи металлов не окупят расходы на их получение.  Гораздо проще и удобнее сдать отработанные детали в пункт приема металлоконструкций, где всю работу за вас сделают профессиональные сотрудники – вам останется только дождаться оценки драгметаллов и получить вознаграждение.

Понравилась информация? Поделись с друзьями

Катализ переходных металлов

- MSE 5317

Катализаторы широко используются во многих отраслях химии, и поиск лучших катализаторов бесконечен. Основная цель этой работы - познакомить людей с базовой концепцией катализа в конкретной области катализаторов переходных металлов. Некоторые примеры химической реакции на катализаторах из переходных металлов проиллюстрированы для объяснения роли переходного металла. Кроме того, был проиллюстрирован принцип сохранения орбитальной симметрии и его применение в превращениях, катализируемых переходными металлами.

1.1 Справочная информация

Катализаторы очень широко используются в промышленности. Наиболее важные в промышленном отношении химические реакции включают катализ. Кроме того, катализируются большинство биохимически значимых процессов. Исследования катализа - важная область прикладной науки, охватывающая многие области химии, особенно металлоорганическую химию и материаловедение. Каталитические реакции предпочтительны в экологически чистой «зеленой» химии из-за меньшего количества образующихся отходов, в отличие от стехиометрических реакций, в которых расходуются все реагенты и образуется больше побочных продуктов.Катализаторы могут ускорить реакцию, которую вы хотите. Это сводит к минимуму количество нежелательных побочных продуктов и быстро производит желаемый материал [1].

Используются два основных типа катализатора: гомогенный и гетерогенный. Гомогенный катализатор существует в той же фазе, что и реагенты и продукты. Таким образом, если реакция проводится в растворе, каталитически активные частицы также будут в растворе. Гетерогенный катализатор существует в фазе, отличной от реагентов и продуктов.Обычно катализатор представляет собой твердое вещество, а реагенты и продукты - жидкости / газы. Реакция протекает на твердой поверхности [2].

1.2 Генеральный директор

1.2.1 Энергия реакции

Катализаторы работают, изменяя энергию активации реакции, то есть минимальную энергию, необходимую для протекания реакции. Это достигается путем предоставления нового механизма или пути реакции, по которому реакция может протекать. Когда новый путь реакции имеет более низкую энергию активации, скорость реакции увеличивается, и говорят, что реакция катализируется [3].Этот рисунок может ясно показать, какой катализатор вносит в реакцию. Катализатор не имеет отношения к термодинамике процесса [4].

Катализатор - это вещество, которое увеличивает скорость реакции, но не расходуется на нее, поэтому катализатор может вызвать химическую реакцию с меньшими затратами энергии.

1.2.2 Процесс катализа

Все технологически важные химические реакции включают разрыв или образование химической связи [5]. Возьмем, к примеру, окисление CO.Процесс катализа можно проиллюстрировать на следующем рисунке [4]. катализ будет предпочтительным, если молекулы реагента более прочно связываются с поверхностью катализатора, чем молекулы продукта. В идеале молекулы реагента концентрируются на поверхности катализатора, где они подвергаются гораздо более частым столкновениям, чем если бы они находились в газовой фазе. Предполагается, что, когда реагент связан с поверхностью катализатора, ковалентные связи, удерживающие его атомы вместе, искажаются и ослабевают, что делает их более восприимчивыми к разрыву.На самом деле, механистическое происхождение катализа является сложным. Вообще говоря, катализатор вмешивается, изменяя механизм реакции, обеспечивая пути, которые требуют более низкой энергии активации, тем самым увеличивая скорость реакции [6].

Кинетически каталитические реакции ведут себя как типичные химические реакции, то есть скорость реакции зависит от частоты контакта реагентов на стадии, определяющей скорость. Обычно катализатор участвует в этой медленной стадии, и скорость ограничена количеством катализатора.При гетерогенном катализе диффузия реагентов к поверхности и диффузия продуктов с поверхности могут быть определяющими [1].

2.1 что такое переходный металл?

d-орбитали - это то, что придает переходным металлам их выдающиеся свойства. Ионы переходных металлов на крайних d-орбиталях не полностью заполнены электронами, поэтому они могут легко отдавать и принимать электроны. Это делает переходные металлы главными кандидатами на катализ. Внешние s- и p-орбитали обычно пусты и поэтому менее полезны для переноса электронов [2].Ниже представлены представления d-орбиталей [7].

2.2 Превосходные свойства переходного металла

Основные причины, по которым переходные металлы являются важным ингредиентом каталитических систем, можно обобщить в виде следующих заголовков [2]:

(a) Связывающая способность
(b) Католический выбор лигандов
(c) Эффекты лигандов
(d) Изменчивость степени окисления
(e) Изменчивость координационного числа

Ион металла с d-блоком имеет девять орбиталей валентной оболочки для размещения его валентных электронов и образования гибридных молекулярных орбиталей, связанных с другими группами.D-орбитали показаны на следующем рисунке [8]. Специальная конфигурация позволяет d-металлу образовывать как σ-, так и π-связи, что является одним из ключевых факторов в придании каталитических свойств переходным металлам и их комплексам.

2.3 Комплексы переходных металлов

Существует два широко используемых подхода к описанию связи в координационных комплексах переходных металлов: «Теория кристаллического поля» и теория молекулярных орбиталей. Теория кристаллического поля - это электростатический подход, при котором мы рассматриваем лиганды как точечные отрицательные заряды и задаемся вопросом, каков будет эффект отталкивания между этими зарядами и d-электронами на ионы металлов.Теория молекулярных орбиталей более сложна, чем теория кристаллического поля, но позволяет более полно объяснить наблюдаемые физические свойства.

Комплексы переходных металлов играют важную роль в катализе. Когда соединения этих металлов образуют стабильные комплексы с лигандами на основе оснований Льюиса, координация обмена электронными парами на молекулах лиганда может приводить к координационно насыщенной (18-электронной) или ненасыщенной (16, 14 или меньше электронов) валентной конфигурации оболочки. Соединения переходных металлов имели бы ограниченный интерес и важность, если бы они не вступали в химические реакции [9].

2.4 Принцип Сабатье

Принцип Сабатье назван в честь французского химика Поля Сабатье. В нем говорится, что взаимодействия между катализатором и субстратом должны быть «правильными»; то есть ни слишком сильным, ни слишком слабым. Если взаимодействие слишком слабое, субстрат не сможет связываться с катализатором, и реакция не произойдет. С другой стороны, если взаимодействие слишком сильное, катализатор блокируется субстратом или продуктом, который не может диссоциировать [4,10].

На следующем рисунке показан вулканический график разложения муравьиной кислоты с использованием различных переходных металлов в качестве катализаторов [4].

2.5 Пример: адсорбция CO на переходном металле

Адсорбция

CO - важная механистическая стадия на пути химических реакций многих гетерогенных каталитических реакций [11]. В этих каталитических реакциях переходные металлы играют центральную роль в значительном увеличении скорости реакции, которая включает стадии адсорбции, диффузии и диссоциации связей монооксида углерода.Рассмотрим случай адсорбции окиси углерода на переходном металле, показанный на рис. 5, который был широко исследован [4].

Компонента σ формируется при взаимодействии пустой металлической σ-орбитали и заполненной sp-углеродной орбитали. Π-компонента образуется в результате взаимодействия между заполненной металлической d π- или гибридной dp π-орбиталью и одним из наборов пустых антисвязывающих p π-орбиталей монооксида углерода. Σ-компонент приводит к чистому переносу электронной плотности от лиганда к металлу, а π-компонент - к чистому переносу в противоположном направлении.Связывание является синергическим и приводит к снижению порядка связи C-O [2].

Из приведенного выше примера должно быть ясно, что катализаторы на основе переходных металлов могут легко образовывать прочные связи с соединениями, содержащими π-электронные системы или имеющие орбитали подходящей симметрии / энергии для образования dπ-связей.

3.1 Сохранение симметрии молекулярной орбиты

Вудворд и Хоффманн опубликовали серию сообщений, расширяющих простую теорию молекулярных орбиталей на область химии реакций [12].Стереохимия перициклических реакций, основанная на орбитальной симметрии, может быть предсказана этим правилом. К ним относятся электроциклические реакции, циклоприсоединения и сигматропные реакции. Хоффманн был удостоен Нобелевской премии по химии 1981 года за эту работу, вместе с Кеничи Фукуи, разработавшим аналогичную модель, а Вудворд умер за два года до того, как смог получить вторую Нобелевскую премию по химии [13].

Согласно этому правилу, реакция разрешена только тогда, когда все связывающие электроны реагента переносятся без барьера симметрии на связывающие орбитали продуктов.Объясняет взаимосвязь между структурой и конфигурацией реагента, условиями (термическими или фотохимическими), в которых протекает реакция, и конфигурацией продуктов [14].

Рассмотрим реакцию бутадиен -> циклобутен. Если мы рассмотрим раскрытие кольца циклобутена, есть два пути: конротаторный и дисротационный. На диаграмме эти пути показаны с учетом двух возможных вращений групп CH 2 .

Поворотное движение поддерживает симметрию C 2 , а вращательное движение поддерживает симметрию Cs.Поэтому мы можем нарисовать диаграмму корреляции орбитальной энергии, в которой орбитали бутадиена классифицированы по симметрии Cs и симметрии C 2 . Участвующие связи циклобутена показаны в середине. Затем проводятся линии, соединяющие орбитали циклобутена при симметрии Cs и симметрии C 2 . Диаграмма ясно показывает, что дисротационный путь предпочтителен фотохимически, а конротативный путь - термически [14].

3.2 Применение в переходном металле

Постулат Вудворда-Хоффмана, разделяющий молекулярные превращения на «разрешенные» и «запрещенные» категории, оказался мощным инструментом для понимания большого объема сложной химии.Это сообщение расширяет концепцию сохранения симметрии на катализ переходными металлами.

Согласованное слияние двух олефинов с циклобутановым кольцом в основном состоянии требует введения двух электронов
на орбиталь AS олефина и удаления двух электронов с орбитали SA олефина (A = антисимметричный;
S = симметричный). Металлическая система, содержащая d-орбитали с достаточной энергией и обладающая соответствующим числом d-электронов, может выполнять эти операции.
Рассмотрим комплекс металл-диолефин I.

Металлические орбитали соответствующей энергии могут объединяться с олефиновыми орбиталями, давая набор новых молекулярных орбиталей той же самой классификации симметрии; связь между металлом и олефином, таким образом, может привести к электронному заселению связывающих молекулярных орбиталей. Диаграмма корреляции для циклобутанирования связанных с лигандом олефинов проиллюстрирована на следующем рисунке, который описывает орбитальный путь для размещения электрона. пары в σ-связи циклобутана и для удаления соответствующих π-электронов олефина [15].

Применение концепций сохранения симметрии к выбранным реакциям вводит новый механизм, включающий роль переходного металла, уникального для катализа. Это предполагает, что определенные металлические системы, содержащие орбитальные конфигурации с необходимой энергией, способны вызывать в противном случае запрещенные реакции циклоприсоединения, разрешенные путем предоставления шаблона атомных орбиталей, через которые электронные пары трансформирующихся углеводородных лигандов и металлических систем могут обмениваться местами и течь в требуемые области пространства. .

Ссылка
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Catalysis
[2] Кристофер Мастерс, Гомогенный переходный металл-катализ, нежное искусство, Чепмен и Холл, Нью-Йорк. 1981.
[3] http://www.infoplease.com/ce6/sci/A0857209.html
[4] http://www.catalysis.nl/kica/files/What_is_Catalysis.pdf
[5] Элизабет Сантос , Вольфганг Шмиклер, "Катализ с d-полосой в электрохимии", ChemPhysChem 2006, 7, 2282-2285.
[6] http://www.physchem.co.za/OB12-che/catalysis.htm
[7] http: // www.chemeddl.org/collections/TSTS/Stahl/Stahlpg5-8/PeriodicTable5to8.html
[8] http://cnx.org/content/m15057/latest/
[9] http://web.chemistry.gatech.edu /~wilkinson/Class_notes/spring_2004_1311_page/slides/Transition%20metal%20coordination%20chemistry%201%20up.pdf
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Sabatier_principle
[11] Константинос Д. Зединалипур- , Эндрю Л. Кукси, Ангелос М. Эфстатиу, "Адсорбция CO на кластерах переходных металлов: тенденции теории функционала плотности", Surface Science, 2008, 602, 1858–1862.
[12] Роальд Хоффманн, Роберт Б. Вудворд, "Сохранение орбитальной симметрии", Acc. Chem. Res., 1968, 1 (1), 17-22.
[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Woodward-Hoffmann_rules
[14] http://www-theor.ch.cam.ac.uk/people/nch/lectures/T0new/node18.html
[15] Франк Д. Манго, Джерри Х. Шахтшнайдер, «Сохранение симметрии молекулярной орбиты в превращениях, катализируемых переходными металлами», J. Am. Chem. Soc., 1967, 89 (10), 2484-2486.

.

видов катализа

Катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Обычно все присутствует в виде газа или содержится в одной жидкой фазе. Примеры содержат по одному из них. . .

Примеры гомогенного катализа

Реакция между персульфат-ионами и иодид-ионами

Это реакция раствора, которую вы можете встретить только в контексте катализа, но это прекрасный пример!

Персульфат-ионы (пероксодисульфат-ионы), S 2 O 8 2- , являются очень сильными окислителями.Иодид-ионы очень легко окисляются до йода. И все же реакция между ними в растворе в воде очень медленная.

Если вы посмотрите на уравнение, легко понять, почему это так:

Для реакции требуется столкновение двух отрицательных ионов. Этому серьезно помешает отталкивание!

Катализированная реакция полностью устраняет эту проблему. Катализатором могут быть ионы железа (II) или железа (III), которые добавляются в один и тот же раствор.Это еще один хороший пример использования соединений переходных металлов в качестве катализаторов из-за их способности изменять степень окисления.

Для аргументации в качестве катализатора примем ионы железа (II). Как вы вскоре увидите, на самом деле не имеет значения, используете ли вы ионы железа (II) или железа (III).

Ионы персульфата окисляют ионы железа (II) до ионов железа (III). В процессе ионы персульфата восстанавливаются до ионов сульфата.

Ионы железа (III) являются достаточно сильными окислителями, чтобы окислять иодид-ионы до йода.В процессе они снова восстанавливаются до ионов железа (II).

Обе эти отдельные стадии в общей реакции включают столкновение между положительными и отрицательными ионами. Это будет гораздо более успешным, чем столкновение двух отрицательных ионов в некаталитической реакции.

Что произойдет, если в качестве катализатора использовать ионы железа (III) вместо ионов железа (II)? Просто реакции происходят в другом порядке.

 

Разрушение атмосферного озона

Это хороший пример гомогенного катализа, где все присутствует в виде газа.

Озон, O 3 , постоянно образуется и снова распадается в высоких слоях атмосферы под действием ультрафиолетового света. Обычные молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и распадаются на отдельные атомы кислорода. Они имеют неспаренные электроны и известны как свободные радикалы . Они очень реактивны.

Кислородные радикалы могут затем соединяться с обычными молекулами кислорода с образованием озона.

Озон также можно снова разделить на обычный кислород и кислородный радикал, поглощая ультрафиолетовый свет.

Это образование и разрушение озона происходит постоянно. Взятые вместе, эти реакции останавливают большое количество вредного ультрафиолетового излучения, проникающего в атмосферу и достигающего поверхности Земли.

Каталитическая реакция, в которой мы заинтересованы, разрушает озон и, таким образом, останавливает поглощение им ультрафиолета.

Хлорфторуглероды (CFC), такие как CF 2 Cl 2 , например, широко использовались в аэрозолях и в качестве хладагентов.При их медленном распаде в атмосфере образуются атомы хлора - свободные радикалы хлора. Они катализируют разрушение озона.

Это происходит в два этапа. В первом случае озон расщепляется и образуется новый свободный радикал.

Катализатор на основе хлор-радикала регенерируется второй реакцией. Это может происходить двумя способами в зависимости от того, попадает ли радикал ClO в молекулу озона или радикал кислорода.

Если он попадает в кислородный радикал (полученный в результате одной из реакций, которые мы рассмотрели ранее):

Или, если он попадает в молекулу озона:

Поскольку радикал хлора продолжает регенерироваться, каждый из них может разрушить тысячи молекул озона.

.

Определение катализатора - Химический словарь

Что такое катализатор?

Катализатор - это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции; следовательно, катализатор может быть восстановлен химически без изменений в конце реакции, которую он использовал для ускорения, или катализатора .


Обсуждение

Чтобы химические вещества вступили в реакцию, их связи должны быть перегруппированы, потому что связи в продуктах отличаются от связей в реагентах.Самый медленный шаг в перегруппировке связи приводит к так называемому переходному состоянию. - химическое соединение, которое не является ни реагентом, ни продуктом, но является промежуточным звеном между ними.

Реагент ⇄ Переходное состояние ⇄ Продукт

Для формирования переходного состояния требуется энергия. Эта энергия называется энергией активации или E a . Чтение приведенной ниже диаграммы слева направо показывает прогресс реакции, когда реагенты проходят через переходное состояние и становятся продуктами.

Преодолевая барьер

Энергию активации можно рассматривать как барьер для химической реакции, барьер, который необходимо преодолеть. Если барьер высокий, немногие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы столкнуться, сформировать переходное состояние и пересечь барьер. Реагенты с энергией ниже E a не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции с более низким E - .Катализаторы снижают энергетический барьер. Другой путь позволяет упростить перегруппировку связей, необходимую для превращения реагентов в продукты, с меньшим потреблением энергии. В любой заданный интервал времени присутствие катализатора позволяет большей части реагентов набрать достаточно энергии, чтобы пройти через переходное состояние и стать продуктами.

Пример 1. Процесс Габера
Процесс Габера, который используется для получения аммиака из водорода и азота, катализируется железом, которое обеспечивает атомные центры, в которых связи реагентов могут легче перестраиваться с образованием переходного состояния.

N 2 (газ) + 3H 2 (газ) ⇌ 2NH 3 (газ)

Пример 2: Ферменты
В нашем организме и в других живых существах ферменты используются для ускорения биохимических реакций. Фермент - это разновидность катализатора. Сложная жизнь была бы невозможна без ферментов, позволяющих протекать реакциям с подходящей скоростью. Формы ферментов вместе с местами на ферменте, которые связываются с реагентами, обеспечивают альтернативный путь реакции, позволяя конкретным молекулам объединяться, чтобы сформировать переходное состояние с пониженным энергетическим барьером активации.

На схеме ниже длинноцепочечный фермент обеспечивает места для молекул реагентов, которые собираются вместе, чтобы сформировать переходное состояние с низкой энергией активации.

Катализаторы не могут изменить положение химического равновесия - прямая и обратная реакции ускоряются, так что константа равновесия K eq остается неизменной. Однако, удаляя продукты из реакционной смеси по мере их образования, на практике можно увеличить общую скорость образования продукта.

.

Что такое катализатор? (с иллюстрациями)

Катализатор - это любое вещество, которое ускоряет химическую реакцию. Он может быть органическим, синтетическим или металлическим. Процесс, при котором это вещество ускоряет или замедляет реакцию, называется катализом.

Ученые часто добавляют катализатор в химический раствор, чтобы вызвать реакцию.

Для любого процесса требуется энергия, известная как энергия активации. Без помощи катализатора количество энергии, необходимое для разжигания конкретной реакции, велико. Когда он присутствует, энергия активации снижается, благодаря чему реакция протекает более эффективно. Вещество обычно работает либо путем изменения структуры молекулы, либо путем связывания с молекулами реагентов, заставляя их объединяться, реагировать и выделять продукт или энергию. Например, для соединения газов кислорода и водорода с образованием воды требуется катализатор.

Катализаторы важны как в лаборатории, так и на производстве и в промышленности.

Без помощи катализатора химические реакции могут никогда не произойти или на их прохождение потребуется значительно больше времени.Когда происходит химическая реакция, сам катализатор не изменяется и не является частью конечного результата. В большинстве случаев его можно многократно использовать в последующих реакциях.

Иногда вместо ускорения реакции катализатор замедляет реакцию, которая обычно не происходит или происходит очень медленно.Этот тип вещества является отрицательным катализатором, который также называют ингибитором. Ингибиторы важны в медицине, где они имеют решающее значение при лечении психических заболеваний, высокого кровяного давления, рака и множества других проблем со здоровьем.

Катализатор используется в двух типах условий: химических или биохимических.Наиболее часто в биохимических реакциях используются ферменты. Ферменты - это узкоспециализированные белки, которые ускоряют определенные химические реакции. Они делают жизнь возможной. Например, фермент, содержащийся в слюне, при контакте расщепляет пищу для переваривания. Без этого человеку потребовались бы недели, чтобы переварить нашу пищу.

Катализаторы

также важны в лаборатории, а также в производстве и промышленности.Одним из самых известных является каталитический нейтрализатор, который помогает предотвратить автомобильные выбросы и снизить расход топлива. Удобрения также являются катализаторами, ускоряющими рост растений.

Катализаторы ускоряют химическую реакцию. .

Смотрите также