Catalisador: Définição de Catalyst et sinônimos de catalisador (Anglais) | Sublimis
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catalisadores heterogêneos sólidos, como em conversores catalíticos de automóveis, são banhados estruturas projetadas para maximizar sua área de superfície.
Catálise é o processo em que a taxa de uma reação química é aumentada ou diminuída por meio de uma substância química conhecida como um catalisador . Ao contrário de outros reagentes que participam da reação química, um catalisador não é consumido pela própria reação. O catalisador pode participar de várias transformações químicas. Catalisadores que aceleram a reação são chamados de catalisadores positivos. Catalisadores que retardam a reação são chamados catalisadores negativos ou inibidores. Substâncias que aumentam a atividade de catalisadores são chamadas promotores e substâncias que desativam catalisadores são chamados de venezianas catalisadores.
A característica geral da catálise é que a reação catalítica tem uma mudança de energia livre de baixa taxa para o estado de transição do que a reação incatalisada correspondente, resultando em uma taxa de reação maior à mesma temperatura. No entanto, a origem mecanicista da catálise é complexa. Os catalisadores podem afetar favoravelmente o ambiente de reação, e. Catalisadores ácidos para reações de compostos carbonilo formam intermediários específicos que não são produzidos naturalmente, como ésteres de osmate em di-hidroxilação catalisada de tetroxida de ósmio, ou causa lise de reagentes a formas reativas, como hidrogenação atômica em hidrogenação catalítica.
Cineticamente, as reações catalíticas se comportam como reações químicas típicas, ou seja, a taxa de reação depende da frequência de contato dos reagentes na etapa determinante da taxa. Normalmente, o catalisador participa dessa etapa lenta, e as taxas são limitadas pela quantidade de catalisador. Na catálise heterogênea, a difusão de reagentes à superfície e difusão de produtos da superfície pode ser determinante. Eventos análogos associados à ligação de substrato e dissociação do produto aplicam-se a catalisadores homogêneos.
Embora os catalisadores não sejam consumidos pela própria reação, eles podem ser inibidos, desativados ou destruídos por processos secundários. Em catálise heterogênea, processos secundários típicos incluem coque em que o catalisador se torna coberto por produtos laterais poliméricos. Além disso, os catalisadores heterogêneos podem se dissolver na solução em um sistema sólido-líquido ou evaporar em um sistema de gás sólido.
li> 1 fundo
2 princípios gerais de catálise
2.2 energética de catálise e reação
2.3 materiais catalíticos típicos
3 tipos de catálise
3.1 catalisadores heterogêneos
3.2 catalisadores homogêneos
3.3 Electrocatalissts
3.4 Organocalysis
4 significado da catálise
4.1 processamento de energia
4.2 produtos químicos em massa
4.4 Processamento de alimentos
4.6 no ambiente
6 inibidores, venenos e promotores
A produção de produtos químicos mais importantes involui a catálise. Da mesma forma, a maioria dos processos bioquimicamente significativos são catalisados. A pesquisa sobre a catálise é um campo importante na ciência aplicada e envolve muitas áreas de química, nomeadamente na ciência de química e materiais organometálicos. Catálise é relevante para muitos aspectos da ciência ambiental, e. o catalisador em automóveis e a dinâmica do buraco do ozônio. As reações catalíticas são preferidas na química verde ecologicamente correta, devido à quantidade reduzida de resíduos gerados, em oposição a reações estoichiométricas nas quais todos os reagentes são consumidos e mais produtos laterais são formados. O catalisador mais comum é o próton (H +). Muitos metais de transição e complexos de transição são usados na catálise também. Catalisadores chamados de enzimas são importantes em biologia.
Um catalisador funciona, fornecendo uma via de reação alternativa para o produto de reação. A taxa da reacção é aumentada como esta rota alternativa tem uma energia de ativação mais baixa do que a rota de reação não mediada pelo catalisador. A desproporcionação do peróxido de hidrogênio para dar água e oxigênio é uma reacção que é fortemente afetada por catalisadores:
Esta reação é favorecida no sentido de que os produtos de reação são mais estáveis do que o material, no entanto, a reação não catástalada é lenta.A decomposição do peróxido de hidrogênio é de fato tão lenta que as soluções de peróxido de hidrogênio estão comercialmente disponíveis. Após a adição de uma pequena quantidade de dióxido de manganês, o peróxido de hidrogênio reage rapidamente de acordo com a equação acima. Este efeito é prontamente visto pela efervescência do oxigênio. O dióxido de manganês pode ser recuperado inalterado e reutilizado indefinidamente, e assim não é consumido na reação. Por conseguinte, o dióxido de manganês catalisa esta reacção.
princípios gerais de catálise
Catalysts geralmente reagem Com um ou mais reagentes para formar intermediários que, subsequentemente, dão ao produto final de reação, no processo regenerando o catalisador. O seguinte é um esquema de reação típico, onde C representa o catalisador, x e y são reagentes, e Z é o produto da reação de x e y:
x + c → xc (1) y + xc → xC (2) XYC → CZ (3) CZ → C + Z (4) Embora o catalisador seja consumido pela reação 1, é posteriormente produzido pela reação 4, portanto, para a reação geral: x + y → z
Como catalisador é regenerado em uma reação, muitas vezes apenas pequenos montantes são necessários para aumentar a taxa da reação. Na prática, no entanto, os catalisadores são por vezes consumidos em processos secundários.
Como um exemplo desse processo, em 2008 pesquisadores dinamarqueses revelaram primeiro a sequência de eventos quando oxigênio e hidrogênio se combinam na superfície do dióxido de titânio (TIO2 ou Titania) para produzir água. Com uma série de lapso de tempo de escaneamento de imagens de microscopia de tunelamento, eles determinaram as moléculas sofrem adsorção, dissociação e difusão antes de reagir. Os estados de reação intermediária foram: HO2, H2O2, depois H3O2 e o produto de reação final (dímeros de molécula de água), após o qual a molécula de água desorbs da superfície do catalisador.
Catálise e reação energética
Diagrama energético potencial genérico mostrando o efeito de um catalisador em uma reação química exotérmica hipotética X + Y para dar Z. A presença do catalisador abre uma via de reação diferente (mostrado em vermelho) com uma energia de ativação inferior. O resultado final e a termodinâmica geral são os mesmos.
Catalysts trabalham, fornecendo um mecanismo (alternativo) envolvendo um estado de transição diferente e menor energia de ativação. Consequentemente, mais colisões moleculares têm a energia necessária para atingir o estado de transição. Portanto, os catalisadores podem permitir reações que, de outra forma, seriam bloqueadas ou retardadas por uma barreira cinética. O catalisador pode aumentar a taxa de reação ou a seletividade, ou permitir a reação a temperaturas mais baixas. Este efeito pode ser ilustrado com um diagrama de distribuição e energia de Boltzmann.
Os catalisadores não alteram a extensão de uma reação: eles não têm efeito sobre o equilíbrio químico de uma reação porque a taxa do avanço e A reação reversa é afetada (ver também termodinâmica). O fato de que um catalisador não altera o equilíbrio é uma conseqüência da segunda lei da termodinâmica. Suponha que haja um catalisador que mudou um equilíbrio. A introdução do catalisador ao sistema resultaria em reação para mudar para o novo equilíbrio, produzindo energia. A produção de energia é um resultado necessário, uma vez que as reações são espontâneas se e somente se a energia livre de Gibbs for produzida, e se não houver barreira energética, não há necessidade de um catalisador. Então, removendo o catalisador também resultaria em reação, produzindo energia; isto é, a adição e seu processo inverso, remoção, ambos produziriam energia. Assim, um catalisador que poderia mudar o equilíbrio seria uma máquina de movimento perpétuo, uma contradição às leis da termodinâmica.
Se um catalisador mudar o equilíbrio, então deve ser consumido como a reação prossegue e Assim, também é um reagente. Ilustrativo é a hidrólise catalisada base de ésteres, onde o ácido carboxílico produzido reage imediatamente com o catalisador de base e, portanto, o equilíbrio de reação é deslocado para a hidrólise.
A unidade derivada SI para medir a atividade catalítica de um catalisador é o katal, que é moles por segundo. A atividade de um catalisador também pode ser descrita pelo número de número (ou tonelada) e a eficiência catalítica pela mudança sobre a frequência (TOF). O equivalente bioquímico é a unidade enzimática. Para obter mais informações sobre a eficiência da catálise enzimática, consulte o artigo sobre enzimas.
O catalisador estabiliza o estado de transição mais do que estabiliza o material de partida. Diminui a barreira cinética diminuindo a diferença de energia entre material de partida e estado de transição.
A natureza química dos catalisadores é tão diversa quanto a própria catálise, embora algumas generalizações pode ser feito.Os ácidos protóis são provavelmente os catalisadores mais utilizados, especialmente para as muitas reações envolvendo água, incluindo hidrólise e seu inverso. Os sólidos multifuncionais geralmente são cataliticamente ativos, e. zeólitos, alumina e certas formas de carbono grafítico. Os metais de transição são frequentemente usados para catalisar reações redox (oxidação, hidrogenação). Muitos processos catalíticos, especialmente aqueles que envolvem hidrogênio, exigem metais de platina.
Alguns chamados catalisadores são realmente precacionissts. Precionalysts convertem para catalisadores na reação. Por exemplo, o catalisador de Wilkinson RHCL (PPH3) 3 perde um ligante de trifenilfosfina antes de entrar no ciclo catalítico verdadeiro. Precadostalysts são mais fáceis de armazenar, mas são facilmente ativados in situ. Devido a este passo de preactivação, muitas reações catalíticas envolvem um período de indução.
As espécies químicas que melhoram a atividade catalítica são chamadas co-catalisadores (cocatalisas) ou promotores em catálise cooperativa.
Tipos de Catalisia
Os catalisadores podem ser heterogêneos ou homogêneos, dependendo se um catalisador existe na mesma fase que o substrato. Os biocatalisos são frequentemente vistos como um grupo separado.
Os catalisadores heterogêneos são aqueles que atuam em diferentes fases do que os reagentes . A maioria dos catalisadores heterogêneos são sólidos que atuam em substratos em uma mistura de reação líquida ou gasosa. Mecanismos diversos para reações em superfícies são conhecidos, dependendo de como a adsorção ocorre (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Riário e Marte-Van Krevelen). A área total de superfície do sólido tem um efeito importante na taxa de reação. Quanto menor o tamanho de partícula do catalisador, maior a área de superfície para uma determinada massa de partículas.
Por exemplo, no processo de Haber, o ferro finamente dividido serve como catalisador para a síntese de amônia de nitrogênio e hidrogênio . Os gases reagentes adsorvam em "sites ativos" nas partículas de ferro. Uma vez adsorvido, os laços dentro das moléculas de reação são enfraquecidos, e novas obrigações entre os fragmentos resultantes em parte devido à sua proximidade. Deste modo, a ligação tripla particularmente forte em nitrogênio é enfraquecida e os átomos de hidrogênio e nitrogênio combinam mais rápido do que seria o caso na fase gasosa, por isso a taxa de reacção aumenta.
Os catalisadores heterogêneos são tipicamente "suportados ", O que significa que o catalisador é disperso em um segundo material que aumenta a eficácia ou minimiza seu custo. Às vezes o suporte é meramente uma superfície sobre a qual o catalisador é espalhado para aumentar a área de superfície. Mais frequentemente, o suporte e o catalisador interagem , afetando a reação catalítica.
Catalisadores homogêneos funcionam na mesma fase que os reagentes, mas os princípios mecanicistas invocados Na catálise heterogênea são geralmente aplicáveis. Os catalisadores tipicamente homogêneos são dissolvidos em um solvente com os substratos. Um exemplo de catálise homogêneo envolve a influência de H + sobre a esterificação de ésteres, por exemplo, acetato de thyl de ácido acético e metanol. Para químicos inorgânicos, a catálise homogênea é muitas vezes sinônimo de catalisadores organometálicos.
eletrocatalissts
Artigo principal: eletrocatalisador
No contexto de eletroquímica, especificamente em engenharia de células de combustível , vários catalisadores contendo metal são usados para melhorar as taxas das meias reações que compõem a célula de combustível. Um tipo comum de eletrocatalisador de células de combustível é baseado em nanopartículas de platina que são suportadas em partículas de carbono ligeiramente maiores. Quando este eletrocatalisador de platina está em contato com um dos eletrodos em uma célula de combustível, aumenta a taxa de redução de oxigênio à água (ou hidróxido ou peróxido de hidrogênio).
Organocalysis
Artigo: Organocalise
Considerando que os metais de transição às vezes atraem a maior parte da atenção no estudo da catálise, moléculas orgânicas sem metais também podem possuir propriedades catalíticas. Normalmente, os catalisadores orgânicos exigem um carregamento mais alto (ou quantidade de catalisador por quantidade de reagente) do que os catalisadores baseados em metal de transição, mas esses catalisadores são geralmente comercialmente disponíveis a granel, ajudando a reduzir os custos. No início dos anos 2000, os organocatalistos foram considerados "nova geração" e são competitivos aos tradicionais catalisadores contendo metal. Reações enzimáticas operam através dos princípios da catálise orgânica.
Significância da catálise
As estimativas são que 90% de todos os produtos químicos produzidos comercialmente envolvem catalisadores em algum momento no processo de fabricação. Em 2005, os processos catalíticos geraram cerca de US $ 900 bilhões em produtos em todo o mundo. (PDF) A catálise é tão difundida que as subáreas não são prontamente classificadas. Algumas áreas de concentração particular são pesquisadas abaixo.
O refino de petróleo torna o uso intensivo de catálise para alquilação, cracking catalítico (quebrando hidrocarbonetos de cadeia longa em pedaços menores), reforma de nafta e reforma a vapor (conversão de hidrocarbonetos em síntese gás). Até mesmo o escape da queima de combustíveis fósseis é tratado via catálise: conversores catalíticos, normalmente compostos de platina e ródio, quebram alguns dos subprodutos mais prejudiciais de escape automobilístico.
No que diz respeito a combustíveis sintéticos, um processo antigo, mas ainda importante é a síntese de hidrocarbonetos de fiscer-tropsch do gás de síntese, que em si é processada através de reações de mudança de gás de água, catalisadas por ferro. Biodiesel e biocombustíveis relacionados requerem processamento através de ambas as células inorgânicas e biocatalistas.
As células de combustível dependem de catalisadores para as reações anódicas e catódicas.
Os produtos químicos de maior escala são produzidos via oxidação catalítica, muitas vezes usando oxigênio. Os exemplos incluem ácido nítrico (de amônia), ácido sulfúrico (de dióxido sulfúrico para trióxido de enxofre pelo processo de câmara), ácido tereftálico de p-xileno e acrilonitrilo de propano e amônia.
Muitos outros produtos químicos são gerado por redução de larga escala, muitas vezes via hidrogenação. O exemplo de maior escala é a amônia, que é preparada através do processo de Haber de nitrogênio. O metanol é preparado a partir de monóxido de carbono.
Os polímeros em massa derivados de etileno e propileno são frequentemente preparados via catálise ziegler-natta. Os poliésteres, poliamidas e isocianatos são derivados via catálise ácida-base.
A maioria dos processos de carbonilação requer catalisadores de metal, exemplos incluem o processo de ácido acético monsanto e hidroformilação.
Muitos produtos químicos finos são preparados via catálise; Os métodos incluem os de indústria pesada, bem como processos mais especializados que seriam proibitivamente caros em larga escala. Exemplos incluem a metatese de olefina utilizando o catalisador do Grubbs, a reacção de heck e as reaces de artesanato de Friedel.
porque a maioria dos compostos bioactivos são quirais, muitos produtos farmacêuticos são produzidos por catálise enantioselectiva.
Uma das aplicações mais óbvias da catálise é a hidrogenação (reação com gás de hidrogênio) de gorduras usando catalisador de níquel para produzir margarina. Muitos outros alimentos são preparados via biocatálise (veja abaixo).
Artigo principal: Biocatálise
Na natureza, enzimas são catalisadores no metabolismo e catabolismo. A maioria dos biocatalistas são baseadas em proteínas, ou seja, enzimas, mas outras classes de biomoléculas também exibem propriedades catalíticas, incluindo ribozimas, e desoxirrobiozimas sintéticas.
Biocatalisos podem ser considerados como intermediários entre catalisadores homogêneos e heterogêneos, embora estritamente falando solúvel As enzimas são catalisadores homogêneos e enzimas ligadas à membrana são heterogêneas. Vários fatores afetam a atividade de enzimas (e outros catalisadores), incluindo temperatura, pH, concentração de enzima, substrato e produtos. Um reagente particularmente importante em reações enzimáticas é a água, que é o produto de muitas reações formadoras de vínculo e um reagente em muitos processos de quebra de vínculo.
enzimas são empregados para preparar muitos produtos químicos de commodities, incluindo milho de alta frutose xarope e acrilamida.
A catálise impacta o ambiente, aumentando a eficiência dos processos industriais, mas a catálise também desempenha um papel direto no ambiente. Um exemplo notável é o papel catalítico dos radicais livres de cloro no colapso do ozônio. Esses radicais são formados pela ação de radiação ultravioleta em clorofluorocarbonos (CFCs).
Em um sentido geral, qualquer coisa que aumenta a taxa de um processo é um "catalisador", um termo derivado do grego καταλύειν, significado "para anular" ou "para desatar" ou "para pegar". As frases processos catalisados foram catalisadas por Jöns Jakob Berzelius em 1836 para descrever reações que são aceleradas por substâncias que permanecem inalteradas após a reação. Outros primeiros químicos envolvidos na catálise foram Alexander Mitscherlich que se referiu aos processos de contato e Johann Wolfgang Döberereiner que falou de ação de contato e cujo isqueiro baseado em hidrogênio e uma esponja de platina tornou-se um enorme sucesso comercial na década de 1820. Humphry Davy descobriu o uso de platina na catálise. Na década de 1880, Wilhelm Ostwald na Universidade de Leipzig iniciou uma investigação sistemática sobre as reações que foram catalisadas pela presença de ácidos e bases, e descobriu que as reações químicas ocorrem a taxas finitas e que essas taxas podem ser usadas para determinar os pontos fortes de ácidos e bases . Para este trabalho, o Ostwald recebeu o prêmio Nobel de 1909 em química.
inibidores, venenos e promotores
Substâncias que reduzem a ação dos catalisadores são chamados de inibidores do catalisador, se reversíveis e catalisadores forem irreversíveis. Os promotores são substâncias que aumentam a atividade catalítica, particularmente quando não são catalisadores para si mesmos.
O inibidor pode modificar a seletividade para além da taxa. Por exemplo, na redução da etia a eteno, o catalisador é paládio (PD) parcialmente "envenenado" com o acetato de chumbo (II) (PB (CH3COO) 2). Sem a desativação do catalisador, o eteno produzido será ainda mais reduzido a etano.
O inibidor pode produzir este efeito por e. envenenando seletivamente apenas certos tipos de sites ativos. Outro mecanismo é a modificação da geometria superficial. Por exemplo, em operações de hidrogenação, grandes planos de função de superfície de metal como locais de catálise hidrogenólise, enquanto os locais catalisando a hidrogenação de insatures são menores. Assim, um veneno que cobre a superfície aleatoriamente tenderá a reduzir o número de grandes planos incontaminados, mas deixa locais proporcionalmente mais menores, alterando assim a hidrogenação vs. hidrogenólise seletividade. Muitos outros mecanismos também são possíveis.
Os promotores podem encobrir a superfície para evitar a produção de uma esteira de coque, ou até mesmo remover ativamente esse material (e.g. Rhenium na platina em plataforma). Eles podem ajudar a dispersão do material catalítico ou vincular a reagentes.
autocatalise
big-nse (escola de pós-graduação de Berlim de ciências naturais e engenharia)
catalisadores e reações catalisadas (um diário de química)
enzima catálise
adjuvante farmacêutico
catálise limite de fase
ribozyme (biocatalia de RNA)
enzimas de sumo
Redução programada de temperatura
espectroscopia de dessorção térmica
microscópio da força da sonda de Kelvin
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ciência ajuda: catalisadores para ciência do ensino médio
waHerrmann Technische Universität apresentação
catalisador de alumite, kameyama-sakurai laboratory, Japão
Grupo de química inorgânica e catálise, Universidade Utrecht, Países Baixos
centro de química de superfície e Catálise
carbonos & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile
centro para permitir novas tecnologias através da catálise, um centro NSF para inovação química , EUA
"Bubbles Ligue os catalisadores químicos", a revista de notícias científicas on-line, 6 de abril de 2009.
mecanismos de reação básicos
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