Катализатор что это такое


Умер катализатор. Что будет, если вырезать его — журнал За рулем

Ваша машина станет очень вонючей. И это только одно следствие.

Как это работает?

Материалы по теме

Каталитический нейтрализатор призван очищать выхлопные газы методом доокисления до водяного пара и углекислого газа. Процесс проходит на поверхности керамических сот, покрытых тончайшей пленкой благородных металлов (платины, родия и палладия). Перед блоком каталитического нейтрализатора установлен первый, управляющий, датчик кислорода (лямбда-зонд). Он измеряет количество свободного кислорода в выпускных газах, и блок управления двигателем обеспечивает процесс сгорания в цилиндрах так, чтобы кислорода оставалось достаточно для доокисления вредных веществ в нейтрализаторе. За нейтрализатором ставят второй, диагностический, лямбда-зонд. Он проверяет, как прошел процесс нейтрализации — много ли осталось кислорода.

Почему вообще возникает идея вырезать каталитический нейтрализатор отработавших газов? Ведь очень немногие отключают сами у себя климат-контроль или, например, систему АБС. Чем же это сравнительно новое устройство помешало?

Характерный пример расположения каталитического нейтрализатора под днищем автомобиля. Так выглядит большинство недорогих машин фирмы Renault на платформе Global Access/B0. На фото — Nissan Almera, автомобиль, созданный на той же платформе.

Характерный пример расположения каталитического нейтрализатора под днищем автомобиля. Так выглядит большинство недорогих машин фирмы Renault на платформе Global Access/B0. На фото — Nissan Almera, автомобиль, созданный на той же платформе.

Материалы по теме

Пока каталитические нейтрализаторы располагались под днищем автомобиля, они были безопасны для двигателей. Они честно очищали выхлоп от вредных примесей. Скончавшись, начинали мешать нормальной езде — и их вырезали. Керамический блок нейтрализатора при этом либо разваливался на куски, либо запекался коркой. В обоих случаях проход отработавших газов был затруднен.

Под днищем вместо нейтрализатора обычно вваривали трубу либо просто выбивали керамическую начинку. Пустая «бочка» могла «бубнить», придавала басовитости звуку выхлопа, и тогда в нее вваривали трубу с отверстиями, за которыми располагалась стальная проволока-путанка или стекловата. Это смягчало неприятный звуковой эффект.

Но прогресс не стоит на месте. Для более быстрого прогрева каталитический нейтрализатор стали устанавливать как можно ближе к двигателю. Все процессы нейтрализации, идущие при высокой температуре, при этом начнутся раньше. Нейтрализатор, совмещенный с выпускным коллектором, называется катколлектором.

Типичный катколлектор — такой ставят на популярнейшие автомобили Hyundai Solaris и Kia Rio.

Типичный катколлектор — такой ставят на популярнейшие автомобили Hyundai Solaris и Kia Rio.

Так вот в близости катколлектора и двигателя заключена главная опасность. Керамическая основа со временем начинает крошиться — образовавшиеся частички могут попадать в цилиндры двигателя. А цилиндропоршневая группа и абразивные частицы керамики — вещи несовместимые. Возникают большие износы пары цилиндр-поршень и даже задиры. Мотор может потребовать капитального ремонта задолго до выработки среднего ресурса. Виновны в выкрашивании керамической основы нейтрализатора и низкое качество керамики, и плохое топливо, догорающее в катколлекторе, и присадки к бензину, которые использовал владелец автомобиля.

У разных производителей степень опасности повреждений моторов очень различается.

На отечественных моторах ВАЗ с шестнадцати- и восьмиклапанными моторами керамика достаточно крепкая, да и заброс частиц из-за особенностей газодинамических процессов практически невозможен.

На отечественных моторах ВАЗ с шестнадцати- и восьмиклапанными моторами керамика достаточно крепкая, да и заброс частиц из-за особенностей газодинамических процессов практически невозможен.

Другой пример — Kia Ceed. Вероятность повреждения мотора частицами керамики, если она начала сыпаться, относительно велика.

Другой пример — Kia Ceed. Вероятность повреждения мотора частицами керамики, если она начала сыпаться, относительно велика.

Решение или вредительство?

Каталитические нейтрализаторы на некоторых моторах начинают разрушаться при пробегах меньше 50 000 км. И владельцы, начитавшись страшилок, едут их ликвидировать.

www.zr.ru

Что такое катализатор? — Формула Скорости на DRIVE2

Что такое катализатор?

Все чаще и чаще в общении в автолюбительской среде появляются выражения типа «забился катализатор, хочу его выбить», «горит чек по катализатору», «планирую перевести на Е2». О том, что же это за странное устройство — «катализатор», для чего оно нужно и какие неисправности могут быть связаны с ним, и пойдет дальнейшая речь.

Начнем с того, что правильное название устройства – каталитический конвертер. Внешне он представляет собой этакий металлический тяжеленький бочонок типа «глушитель», расположенный сразу за выпускным коллектором.

Близкое расположение к выпускному коллектору обусловлено тем, что для работы конвертера нужна высокая температура, которую обеспечивают горячие выхлопные газы. По этой же причине в современных автомобилях все чаще и чаще применяются каталитические конвертеры, встроенные непосредственно в выпускной коллектор.

Каталитическими конвертерами с завода комплектуются автомобили с заявленными нормами токсичности, соответствующими стандарту Евро-2 (далее — "Е2") и выше. В зависимости от автомобиля может применятся несколько каталитических конвертеров, расположенных друг за другом.

Для чего же нужен этот странный «бочонок»?

Ни для кого не секрет, что при работе двигателя внутреннего сгорания выделяется масса токсичных «вредных» газов. К наиболее «вредным» относятся CO, CH, NОx.

СО – бесцветный газ без запаха. В большой концентрации вызывает тяжелое отравление организма вплоть до смерти.

NOx – оксиды азота. Вступая в реакцию с водой образуют азотную и азотистую кислоты. Именно с этими газами связанно то, что стоя рядом с автомобилем без каталитического конвертера, мы испытываем резь в глазах и першение в горле. При большом скоплении, взаимодействуя с влагой в облаках, оксиды азота способствуют образованию кислотных дождей. Среди оксидов азота также можно выделить NO2 — бурый газ, вызывающий тяжелые болезни легких .

CH – углеводороды. Очень много токсичных комбинаций.

Теперь представьте огромное скопление автомобилей, например, пробки в мегаполисах в час пик. И что бы творилось вблизи, если бы не каталитический конвертер?!

Как же он помогает справиться с этими ужасами цивилизации?

Самая главная рабочая часть в конвертере – каталитические вещества. Обратившись к школьному курсу химии вспоминаем, что есть такие катализаторы – вещества, которые ускоряют или делают возможной реакцию, но при этом сами в реакцию не вступают.

В каталитических конвертерах используются:

Платина и палладий. Это окислительные катализаторы. Они окисляют углеводороды СН (вода из выхлопной трубы – один из продуктов этой реакции) и СО до СО2.

Родий. Это восстановительный катализатор. Занимается восстановлением NOx до обычного азота, составляющего основную часть нашей атмосферы. Одним из продуктов реакции восстановления является кислород, который также участвует в окислении СО и СН.

Как конвертер устроен внутри?

Если мы снимем конвертер и заглянем вовнутрь, то увидим, что внутренности состоят из блока в виде огромного количества продольных ячеек. В поперечном сечении будет мелкая сеточка. На поверхности этих продольных ячеек и нанесены катализаторы. Такая конструкция обеспечивает наибольшую площадь соприкосновения выхлопных газов с катализаторами.

Для изготовления блока сот используют либо металл, либо керамику.

Каким образом приходит в негодность каталитический конвертер?

Прежде всего конвертер может «отравиться». Это происходит, когда катализаторы вступают в необратимую реакцию с другими веществами (например, входящими в состав этилированного бензина).
Катализаторы может просто «сорвать» с поверхностей сот выхлопными газами. Это происходит в следствие некачественного изготовления.
Механическое разрушение сот конвертера. В основном такое может произойти в конвертерах с керамическим блоком сот. Удар в конвертер снизу, попадание большого количества несгоревшего топлива, вызывающее перегрев и оплавление сот, разрушение из-за неравномерного теплового расширения корпуса и блока сот (например, после интенсивного разгона попадание в глубокую лужу).

Какие могут быть последствия?

В первых двух вышеописанных случаях (мы назовем их общим термином «потеря эффективности работы») Вы просто почувствуете, что усилился неприятный запах из выхлопной трубы, на щитке приборов загорится сигнализатор «проверь двигатель», автомобиль станет менее приемистым, увеличится расход топлива.

Механическое же разрушение сот наиболее опасно. Куски сот забивают выхлопную систему, автомобиль перестает развивать мощность, перегревается. Если выхлопная система забита сильно, двигатель может даже не запуститься. Керамическая крошка при обратном движении выхлопных газов попадает в цилиндры и повреждает рабочие поверхности, действуя как наждачная бумага.

Вывод о механической неисправности каталитического конвертера должен сделать профессиональный диагност! Не доверяйте «специалистам», говорящим что-то вроде: «Давай катализатор выбьем может поможет». Эта в общем-то нехитрая процедура может и результата не принести и впоследствии больно ударить по вашему кошельку. Помните, что каталитический конвертер – это очень дорогостоящая запчасть!

Используя современное оборудование можно выявить механический дефект конвертера с вероятностью 99% процентов. Завершающим же этапом проверки является визуальный контроль, когда конвертер снимают и осматривают изнутри.

Что же делать?

В случае потери эффективности работы у Вас есть три варианта действий :

Заменить на оригинальный. Тут вопрос в цене. Оригинальные конвертеры могут стоить от 20 до 100 т.р.
Заменить на неоригинальный. В последнее время рынок наводнили дешевые конвертеры, как марочные, так и универсальные. Стоимость их от 5 до 10 т.р. Отличительная особенность таких конвертеров в том, что их, как правило, в лучшем случае хватает на три-четыре месяца эксплуатации. После чего повторяется эпопея описанная в последствиях «потери эффективности». Каталитические вещества очень дорогие и, следовательно, существует прямая зависимость — чем дешевле конвертер, тем меньше их используется.
Отключить катализатор в микропрограмме блока управления двигателем — так называемый "перевод на Е2". Блок управления двигателем при этом перестанет проверять конвертер на исправность, не будет зажигать лампу «проверь двигатель» и работать по аварийной подпрограмме.
Здесь хочется отметить, что данную процедуру следует доверять только опытному специалисту, поскольку неправильное отключение диагностики конвертера может принести неприятные последствия. Вопреки еще одному распространенному заблуждению перевод на Е2 мощности двигателю не прибавит и расход топлива не убавит. Этого можно добиться только после программного тюнинга — комплексной перенастройки параметров микропрограммы по которой работает двигатель. Перевод на Е2 можно совместить с программным тюнингом, что, в общем-то, и делает большинство автовладельцев.

В случае с механическими дефектами действия те же, только к отключению катализатора можно добавить удаление остатков блока сот и установка вместо корпуса конвертера трубы, либо пламегасителя. В случае использования пламегасителя Вы избавитесь от неприятного бурчания выхлопных газов в пустоте.

Что выбрать — думать и решать Вам, уважаемый пользователь. Выбор полностью лежит на вашей совести и гражданской ответственности.

«Выбью – попрёт?»

Нет, конечно. Бытует расхожее мнение, что «катализатор душит мотор» и если его выбить и перевести на Е2, то «мотор начнет дышать и нереально попрёт». На самом деле сопротивление потоку выхлопных газов в зоне рабочих оборотов очень небольшое и прибавка в мощности будет ничтожная. Зато в комплекте Вы получите зачастую дорогостоящую проблему с программным отключением катализатора и дурно пахнущий автомобиль.

Сделайте лучше качественный программный тюнинг, отключите катализатор и оставьте конвертер в покое.

ADACT

www.drive2.ru

Катализатор - это... Что такое Катализатор?

Схема протекания реакции с катализатором

Катализа́тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции[1]. Количество катализатора, в отличие от реагентов, после реакции не изменяется. Важно понимать, что катализатор не участвует в реакции. Они обеспечивают более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно повторяется.

Катализаторы в химии

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный — образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества [1]. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO [1].

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со+3, V2O5+MoO3). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

Если катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

В современной науке и технике часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции [2][3]. Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня (Имянитов).

В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

Катализаторы следует отличать от инициаторов. Например, перекиси распадаются на свободные радикалы, которые могут инициировать радикальные цепные реакции. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

Ингибиторы иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ. Отрицательный катализ в принципе невозможен: он обеспечивал бы для реакции более медленный путь, но реакция, естественно, пойдёт по более быстрому, в данном случае, не катализированному, пути.

Катализаторы в автомобилях

Задачей автомобильного катализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них:

Источники

  1. 1 2 3 Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 335, 337. — ISBN 5-85270-035-5.
  2. Имянитов Н. С. Системы из нескольких катализаторов в металлокомплексном катализе. // Координационная химия. 1984. — Т. 10. — № 11 — С. 1443—1454. — ISSN 0132-344X.
  3. Temkin O.N., Braylovskiy S. M. / The mechanism of catalysis in homogeneous polyfunctional catalytic systems. // Fundamental Research in Homogeneous Catalysis. — Ed. by A.E. Shilov. — New York etc: Gordon and Breach Science Publishers, 1986. — Vol. Two. — P.621- 633.
  4. Автомобильный катализатор и его роль в выхлопной системе. AutoRelease.ru. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Активность катализатора — Википедия

Активность катализатора, или каталитическая активность, — характеристика катализатора, выражающая его свойство ускорять химическую реакцию.[1] Чем выше активность катализатора, тем большей скорости химической реакции можно с помощью данного катализатора добиться.

Высокая активность катализатора — главное требование, предъявляемое к нему[2]. Однако активность катализатора может изменяться в результате действия множества факторов, что имеет большое практическое значение. Ниже перечислены некоторые факторы, способные влиять на каталитическую активность.

Активность зависит от количества активных компонентов в составе катализатора. Увеличение их содержания повышает количество активных центров, что влечет за собой возрастание общей активности катализатора при том, что активность каждого отдельного центра остается неизменной[3].

Активность катализаторов при гетерогенном катализе сильно зависит от размера и состояния их поверхности, поэтому во многих случаях важен способ изготовления катализатора. Так, например, медный катализатор, приготовленный путём термического разложения медных солей в неравновесных условиях, обладает существенной каталитической активностью в реакции гидратации спирта. В противоположность этому электролитическая и химически осажденная медь каталитических свойств в той же самой реакции практически не проявляет[4].

Активность катализатора может также изменяться вследствие десорбции вещества. К примеру, наблюдалось увеличение каталитической активности цеолита при десорбции аммиака с поверхности катализатора в реакции крекинга кумола[5].

Значительный вклад в изменение каталитической активности может внести также и температура. К примеру, катализатор может быть активным в определенном температурном диапазоне и гораздо менее активным вне данных температурных пределов. Например, оптимальная активность никелевого катализатора достигается при 320°С, а при температуре более 450°С никель существенно теряет свои каталитические свойства[6]. Платиново-фторовый катализатор с добавкой оксида алюминия в реакции изомеризации н-пентана оптимально активен при температуре 450°С, а при снижении или повышении температуры каталитическая активность снижается[7].

Активность катализатора снижается в результате процесса, который принято называть старением катализатора. Этот процесс, наиболее вероятно, идет как химически и термически, так и механически, и связан с перекристаллизацией поверхности катализатора, покрытием её пылью, оседанием на ней посторонних веществ и т. д.[8]

Также каталитическая активность изменяется при использовании промоторов и каталитических ядов (см. ниже)

Определение активности катализатора[править | править код]

Количественно активность определяют, как разницу между скоростью реакции в данных условиях и скоростью той же реакции при отсутствии катализатора. Значение активности используют для сравнительной оценки катализаторов при их подборе, а также для характеристики качества катализатора. В зависимости от вида катализа активность обычно выражают через скорость реакции, отнесенную к единице концентрации, объёма или массы катализатора.[1]

Гомогенный катализ[править | править код]

Гомогенным принято называть катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе. При гомогенном катализе для сравнения и характеристики катализатора используют скорость реакции, отнесенную к единице концентрации катализатора.[1]

Гетерогенный катализ[править | править код]

При гетерогенном катализе катализатор и реагенты находятся в разных фазах. Обычно катализатором в этом случае служит твёрдое вещество, и все реакции протекают на поверхности катализатора. В этом случае каталитическую активность считают к единице поверхности катализатора, и называют удельной активностью катализатора. На практике обычно стараются наносить катализатор на пористую поверхность, что способствует увеличению площади активной поверхности катализатора и повышает эффективность катализатора при неизменности его линейных размеров.

Активность единицы объема[править | править код]

Каталитическую активность единицы объёма катализатора можно выразить следующей формулой[9]:

W=A×S×η,

где

W — каталитическая активность единицы объёма катализатора; A — удельная активность катализатора, S — полная поверхность катализатора в единице объёма; η — степень использования катализатора.

Поверхность единицы объёма катализатора можно определить размером частиц, составляющих единичное зерно катализатора, и плотностью их размещения. Если размер частиц уменьшается, то активность единицы объёма катализатора растет только в области относительно крупных частиц. При дальнейшем уменьшении их размера на активность начинает влиять внутренняя диффузия, которая осуществляется вначале по молекулярному закону, а далее описывается законами диффузии Кнудсена.

Дальнейшее увеличение активности возможно при переходе к т. н. бидисперсным структурам, состоящим из мелких плотных частиц, соединенных в более крупные пористые частицы. Переход к бидисперсным структурам позволяет увеличить каталитическую активность в 5-8 раз[10].

Число оборотов[править | править код]

Активность катализаторов также можно охарактеризовать числом оборотов (англ. Turnover number) катализатора, который принято считать равным числу молекул реагентов, превращенных одной молекулой катализатора в секунду[11]. Для нуклеофильных и основных катализаторов при нормальных условиях это число составляет 10−7 — 10−2 с− 1, для кислотных и электрофильных — 10−4 — 10−1 с−1, для ферментов — до 106 с−1[12], а в случае каталитически совершенных ферментов — и до 4×107, как в случае с каталазой[13].

Значения констант[править | править код]

Для сравнения ряда катализаторов используют также значения констант скорости реакции (при неизменности её порядка при использовании различных катализаторов) или энергию активации реакции при сохранении множителя А (характеризующего частоту соударений молекул) в уравнении Аррениуса[1].

Основная статья: Катал

Согласно Международной системе единиц (СИ) единицей измерения активности катализатора является катал. 1 катал равен активности катализатора, при которой скорость химической реакции увеличивается на 1 моль в секунду.

Основная статья: Промоторы

Основная статья: Каталитические яды

Вещество, повышающее каталитическую активность, называют промотором. Например, каталитическая активность оксида ванадия (V) по отношению к реакции окисления диоксида серы повышается при добавлении небольших количеств сульфатов щелочных металлов[14].

Посторонние вещества, резко снижающие активность катализатора, называют каталитическими ядами. Как правило, это вода или вредные примеси, от которых реагенты перед каталитической реакцией стремятся очистить.

  1. 1 2 3 4 Активность // Химик.ру — химическая энциклопедия.
  2. ↑ Краткая химическая энциклопедия / Кнунянц И. Л.(гл. редактор) — М: Советская Энциклопедия, 1961—1967 гг. — Т.2, С.483
  3. ↑ Гидрообессеривание остаточного нефтяного сырья. — Коллектив авторов. — Выпуск 17. — М.: ЦНИИТЭнефтехим.— 1978 г. — С.150.
  4. Голиков Г. А.— Руководство по физической химии. — М.: Высшая школа, 1983. — С.350
  5. Топчиева К. В., Логинов A.M., Костиков С. В. // Современные проблемы физической химии. М.: Изд-во МГУ.— Т.8 — C.24
  6. Вульфсон Н. С. (ред.) Препаративная органическая химия. — Перевод с польского. — М.: ГХИ, 1959.
  7. Бурсиан Н. Р. — Технология изомеризации парафиновых углеводородов. — Ленинград, Химия, 1985. — C.51
  8. ↑ Старение катализаторов // Катализ в промышленности. / Под ред. Б. Лича. — М.: Мир, 1986. — Т. 2 — C. 264—265.
  9. ↑ Катализаторы и каталитические процессы. — Сборник научных трудов. — Новосибирск, 1977.— С. 29—56
  10. Боресков Г. К. — Пористая структура катализаторов и процессы переноса в гетерогенном катализе. — Новосибирск: Наука, 1970. — с. 5-15.
  11. ↑ Гетерогенный катализ / Химик.ру — химическая энциклопедия.
  12. Швец В. Ф. — Введение в химию каталитических реакций. — Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева. — 1996.
  13. Reginald Garrett,Charles Grisham — Biochemistry. 5th edition — Brooks/Cole Cengage Learning. — 2009. — С.419, 444.
  14. ↑ Краткая химическая энциклопедия / Кнунянц И. Л.(гл. редактор) — М: Советская Энциклопедия, 1961—1967 гг. — Т.2, С.459

ru.wikipedia.org

КАТАЛИЗ - это... Что такое КАТАЛИЗ?

Существенно, что третичные карбений-ионы более стабильны, чем первичные или вторичные. Вследствие этого на поверхности катализатора присутствуют в основном именно они, а потому основным продуктом изомеризации бутана является изобутан. Кислотные катализаторы широко применяются при переработке нефти - крекинге, алкилировании, полимеризации и изомеризации углеводородов

(см. также

).

Установлен механизм действия карбений-ионов, играющих роль катализаторов в этих процессах. При этом они участвуют в целом ряде реакций, включая образование малых молекул путем расщепления больших, соединение молекул (олефина с олефином или олефина с изопарафином), структурную перегруппировку путем изомеризации, образование парафинов и ароматических углеводородов путем переноса водорода. Одно из последних применений кислотного катализа в промышленности - получение этилированных топлив присоединением спиртов к изобутилену или изоамилену. Добавление кислородсодержащих соединений в бензин уменьшает концентрацию оксида углерода в выхлопных газах. Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) с октановым числом смешения 109 тоже позволяет получить высокооктановое топливо, необходимое для работы автомобильного двигателя с высокой степенью сжатия, не прибегая к введению в бензин тетраэтилсвинца. Организовано также производство топлив с октановыми числами 102 и 111.

Активность катализаторов обусловливается их основными свойствами. Давним и хорошо известным примером таких катализаторов является гидроксид натрия, применяющийся для гидролиза или омыления жиров при получении мыла, а один из последних примеров - катализаторы, используемые при производстве полиуретановых пластиков и пенопластов. Уретан образуется при взаимодействии спирта с изоцианатом, а ускоряется эта реакция в присутствии оснвных аминов. В ходе реакции происходит присоединение основания к атому углерода в молекуле изоцианата, в результате чего на атоме азота появляется отрицательный заряд и его активность по отношению к спирту повышается. Особенно эффективным катализатором является триэтилендиамин. Полиуретановые пластики получают при взаимодействии диизоцианатов с полиолами (полиспиртами). Когда изоцианат реагирует с водой, ранее образовавшийся уретан разлагается с выделением CO2. При взаимодействии смеси полиспиртов и воды с диизоцианатами образующийся пенополиуретан вспенивается газообразным CO2.

Эти катализаторы ускоряют реакции двух типов и дают лучшие результаты, чем при пропускании реагентов последовательно через два реактора, каждый из которых содержит только один тип катализатора. Это связано с тем, что активные центры катализатора двойного действия находятся очень близко друг к другу, и промежуточный продукт, образующийся на одном из них, тут же превращается в конечный продукт на другом. Хороший результат дает объединение катализатора, активирующего водород, с катализатором, способствующим изомеризации углеводородов. Активацию водорода осуществляют некоторые металлы, а изомеризацию углеводородов - кислоты. Эффективным катализатором двойного действия, который применяется при переработке нефти для превращения нафты в бензин, является мелкодисперсная платина, нанесенная на кислый глинозем. Конверсия таких составляющих нафты, как метилциклопентан (МЦП), в бензол повышает октановое число бензина. Сначала МЦП дегидрируется на платиновой части катализатора в олефин с тем же углеродным остовом; затем олефин переходит на кислотную часть катализатора, где изомеризуется до циклогексена. Последний переходит на платиновую часть и дегидрируется до бензола и водорода. Катализаторы двойного действия существенно ускоряют риформинг нефти. Их используют для изомеризации нормальных парафинов в изопарафины. Последние, кипящие при тех же температурах, что и бензиновые фракции, ценны тем, что обладают более высоким октановым числом по сравнению с неразветвленными углеводородами. Кроме того, превращение н-бутана в изобутан сопровождается дегидрированием, способствуя получению МТБЭ.

Важной вехой в истории катализа явилось открытие каталитической полимеризации a-олефинов с образованием стереорегулярных полимеров. Катализаторы стереоспецифической полимеризации были открыты К.Циглером, когда он пытался объяснить необычные свойства полученных им полимеров. Другой химик, Дж.Натта, предположил, что уникальность полимеров Циглера определяется их стереорегулярностью. Эксперименты по дифракции рентгеновских лучей показали, что полимеры, полученные из пропилена в присутствии катализаторов Циглера, высококристалличны и действительно имеют стереорегулярную структуру. Для описания таких упорядоченных структур Натта ввел термины "изотактический" и "синдиотактический". В том случае, когда упорядоченность отсутствует, используется термин "атактический":


Стереоспецифическая реакция протекает на поверхности твердых катализаторов, содержащих переходные металлы групп IVA-VIII (такие, как Ti, V, Cr, Zr), находящиеся в неполностью окисленном состоянии, и какое-либо соединение, содержащее углерод или водород, который связан с металлом из групп I-III. Классическим примером такого катализатора является осадок, образующийся при взаимодействии TiCl4 и Al(C2H5)3 в гептане, где титан восстановлен до трехвалентного состояния. Эта исключительно активная система катализирует полимеризацию пропилена при обычных температуре и давлении.
Каталитическое окисление. Применение катализаторов для управления химизмом процессов окисления имеет большое научное и практическое значение. В некоторых случаях окисление должно быть полным, например при нейтрализации СО и углеводородных загрязнений в выхлопных газах автомобилей. Однако чаще нужно, чтобы окисление было неполным, например во многих широко применяемых в промышленности процессах превращения углеводородов в ценные промежуточные продукты, содержащие такие функциональные группы, как -СНО, -СООН, -С-СО, -СN. При этом применяются как гомогенные, так и гетерогенные катализаторы. Примером гомогенного катализатора является комплекс переходного металла, который используется для окисления пара-ксилола до терефталевой кислоты, эфиры которой служат основой производства полиэфирных волокон.
Катализаторы гетерогенного окисления. Эти катализаторы обычно являются сложными твердыми оксидами. Каталитическое окисление проходит в два этапа. Сначала кислород оксида захватывается адсорбированной на поверхности оксида молекулой углеводорода. Углеводород при этом окисляется, а оксид восстанавливается. Восстановленный оксид взаимодействует с кислородом и возвращается в исходное состояние. Используя ванадиевый катализатор, неполным окислением нафталина или бутана получают фталевый ангидрид.
Получение этилена путем дегидродимеризации метана. Синтез этилена посредством дегидродимеризации позволяет превращать природный газ в более легко транспортируемые углеводороды. Реакцию 2Ch5 + 2O2 -> C2h5 + 2h3O проводят при 850° С с использованием различных катализаторов; наилучшие результаты получены с катализатором Li-MgO. Предположительно реакция протекает через образование метильного радикала путем отщепления атома водорода от молекулы метана. Отщепление осуществляется неполностью восстановленным кислородом, например О22-. Метильные радикалы в газовой фазе рекомбинируют с образованием молекулы этана и в ходе последующего дегидрирования превращаются в этилен. Еще один пример неполного окисления - превращение метанола в формальдегид в присутствии серебряного или железомолибденового катализатора.
Цеолиты. Цеолиты составляют особый класс гетерогенных катализаторов. Это алюмосиликаты с упорядоченной сотовой структурой, размер ячеек которой сравним с размером многих органических молекул. Их называют еще молекулярными ситами. Наибольший интерес представляют цеолиты, поры которых образованы кольцами, состоящими из 8-12 ионов кислорода (рис. 2). Иногда поры перекрываются, как у цеолита ZSМ-5 (рис. 3), который используется для высокоспецифичного превращения метанола в углеводороды бензиновой фракции. Бензин содержит в значительных количествах ароматические углеводороды и поэтому имеет высокое октановое число. В Новой Зеландии, например, с помощью этой технологии получают треть всего потребляемого бензина. Метанол же получают из импортируемого метана.

Рис. 2. СТРУКТУРА ЦЕОЛИТОВ с большими и малыми порами.

Рис. 3. ЦЕОЛИТ ZSM-5. Схематическое представление структуры в виде пересекающихся трубок.
Катализаторы, составляющие группу Y-цеолитов, существенно повышают эффективность каталитического крекинга благодаря в первую очередь своим необычным кислотным свойствам. Замена алюмосиликатов цеолитами позволяет увеличить выход бензина более чем на 20%. Кроме того, цеолиты обладают селективностью в отношении размера реагирующих молекул. Их селективность обусловлена размером пор, через которые могут проходить молекулы лишь определенных размеров и формы. Это касается как исходных веществ, так и продуктов реакции. Например, вследствие стерических ограничений пара-ксилол образуется легче, чем более объемные орто- и мета-изомеры. Последние оказываются "запертыми" в порах цеолита (рис. 4).

Рис. 4. СХЕМА, объясняющая селективность цеолитов в отношении реагентов (а) и продуктов (б).
Применение цеолитов произвело настоящую революцию в некоторых промышленных технологиях - депарафинизации газойля и машинного масла, получении химических полупродуктов для производства пластмасс алкилированием ароматических соединений, изомеризации ксилола, диспропорционировании толуола и каталитическом крекинге нефти. Особенно эффективен здесь цеолит ZSM-5.
Катализаторы и охрана окружающей среды. Применение катализаторов для уменьшения загрязнения воздуха началось в конце 1940-х годов. В 1952 А. Хаген-Смит установил, что углеводороды и оксиды азота, входящие в состав выхлопных газов, реагируют на свету с образованием оксидантов (в частности, озона), которые оказывают раздражающее действие на глаза и дают другие нежелательные эффекты. Примерно в это же время Ю.Хоудри разработал способ каталитической очистки выхлопных газов путем окисления CO и углеводородов до CO2 и Н2О. В 1970 была сформулирована Декларация о чистом воздухе (уточненная в 1977, расширенная в 1990), согласно которой все новые автомобили, начиная с моделей 1975, должны снабжаться каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов. Были установлены нормы для состава выхлопных газов. Поскольку соединения свинца, добавляемые в бензин, отравляют катализаторы, принята программа поэтапного отказа от них. Обращалось внимание и на необходимость снижения содержания оксидов азота. Специально для автомобильных нейтрализаторов созданы катализаторы, в которых активные компоненты нанесены на керамическую подложку с сотовой структурой, через ячейки которой проходят выхлопные газы. Подложку покрывают тонким слоем оксида металла, например Al2O3, на который наносят катализатор - платину, палладий или родий. Содержание оксидов азота, образующихся при сжигании природных топлив на теплоэлектростанциях, можно уменьшить добавлением в дымовые газы малых количеств аммиака и пропусканием их через титанованадиевый катализатор.
Ферменты. Ферменты - это природные катализаторы, регулирующие биохимические процессы в живой клетке. Они участвуют в процессах энергообмена, расщеплении питательных веществ, реакциях биосинтеза. Без них не могут протекать многие сложные органические реакции. Ферменты функционируют при обычных температуре и давлении, обладают очень высокой селективностью и способны увеличивать скорость реакций на восемь порядков. Несмотря на эти преимущества, лишь ок. 20 из 15 000 известных ферментов применяются в широких масштабах. Человек тысячелетиями использовал ферменты при выпечке хлеба, получении алкогольных напитков, сыра и уксуса. Сейчас ферменты применяются и в промышленности: при переработке сахара, получении синтетических антибиотиков, аминокислот и белков. Протеолитические ферменты, ускоряющие процессы гидролиза, добавляют в детергенты. С помощью бактерий Clostridium acetobutylicum Х. Вейцман осуществил ферментативное превращение крахмала в ацетон и бутиловый спирт. Этот способ получения ацетона широко использовался в Англии во время Первой мировой войны, а во время Второй мировой войны с его помощью в СССР изготавливали бутадиеновый каучук. Исключительно большую роль сыграло применение ферментов, продуцируемых микроорганизмами, для синтеза пенициллина, а также стрептомицина и витамина B12. Этиловый спирт, получаемый ферментативным путем, широко используют в качестве автомобильного топлива. В Бразилии более трети из примерно 10 млн. автомобилей работают на 96%-ном этиловом спирте, получаемом из сахарного тростника, а остальные - на смеси бензина и этилового спирта (20%). Хорошо отработана технология производства топлива, представляющего собой смесь бензина и спирта, в США. В 1987 из зерен кукурузы было получено ок. 4 млрд. л спирта, из них примерно 3,2 млрд. л было использовано в качестве топлива. Разнообразное применение находят и т.н. иммобилизованные ферменты. Эти ферменты связаны с твердым носителем, например силикагелем, над которым пропускают реагенты. Преимущество этого метода состоит в том, что он обеспечивает эффективное контактирование субстратов с ферментом, разделение продуктов и сохранение фермента. Один из примеров промышленного использования иммобилизованных ферментов - изомеризация D-глюкозы во фруктозу.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Современные технологии невозможно представить без применения катализаторов. Каталитические реакции могут протекать при температурах до 650° С и давлениях 100 атм и более. Это заставляет по-новому решать проблемы, связанные с контактированием между газообразными и твердыми веществами и с переносом частиц катализатора. Чтобы процесс был эффективным, при его моделировании необходимо учитывать кинетические, термодинамические и гидродинамические аспекты. Здесь широко используются компьютерное моделирование, а также новые приборы и методы контроля за технологическими процессами. В 1960 был достигнут значительный прогресс в производстве аммиака. Применение более активного катализатора позволило понизить температуру получения водорода при разложении водяного пара, благодаря чему удалось понизить давление и, следовательно, уменьшить производственные затраты, например за счет применения более дешевых центробежных компрессоров. В результате стоимость аммиака упала более чем вдвое, произошло колоссальное увеличение его производства, а в связи с этим - увеличение производства пищевых продуктов, поскольку аммиак - ценное удобрение.
Методы. Исследования в области катализа проводят с использованием как традиционных, так и специальных методов. Применяются радиоактивные метки, рентгеновская, инфракрасная и рамановская (КР) спектроскопия, электронно-микроскопические методы; проводятся кинетические измерения, изучается влияние способов получения катализаторов на их активность. Большое значение имеет определение площади поверхности катализатора по методу Брунауэра - Эммета - Теллера (метод БЭТ), основанному на измерении физической адсорбции азота при разных давлениях. Для этого определяют количество азота, необходимого для образования монослоя на поверхности катализатора, и, зная диаметр молекулы N2, вычисляют суммарную площадь. Помимо определения общей площади поверхности проводят хемосорбцию разных молекул, что позволяет оценить число активных центров и получить информацию об их свойствах. В распоряжении исследователей имеются разные методы изучения структуры поверхности катализаторов на атомном уровне. Уникальную информацию позволяет получить метод EXAFS. Среди спектроскопических методов все шире применяются УФ-, рентгеновская и оже-фотоэлектронная спектроскопия. Большой интерес представляет масс-спектрометрия вторичных ионов и спектроскопия ионного рассеяния. Для исследования природы каталитических комплексов применяются измерения ЯМР. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет увидеть расположение атомов на поверхности катализатора.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Все более широкое применение находят катализаторы для нейтрализации веществ, загрязняющих окружающую среду. Возрастает роль катализаторов в производстве углеводородов и кислородсодержащих синтетических топлив из газа и угля. Весьма перспективным представляется создание топливных элементов для экономичного преобразования энергии топлива в электрическую энергию. Новые концепции катализа позволят получать полимерные материалы и другие продукты, обладающие многими ценными свойствами, усовершенствовать методы получения энергии, увеличить производство пищевых продуктов, в частности путем синтеза белков из алканов и аммиака с помощью микроорганизмов. Возможно, удастся разработать генно-инженерные способы получения ферментов и металлоорганических соединений, приближающихся по своей каталитической активности и селективности к природным биологическим катализаторам.
ЛИТЕРАТУРА
Гейтс Б.К. Химия каталитических процессов. М., 1981 Боресков Г.К. Катализ. Вопросы теории и практики. Новосибирск, 1987 Ганкин В.Ю., Ганкин Ю.В. Новая общая теория катализа. Л., 1991 Токабе К. Катализаторы и каталитические процессы. М., 1993

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

dic.academic.ru

КАТАЛИЗАТОР - это... Что такое КАТАЛИЗАТОР?

  • катализатор — ускоритель, энзим, фермент Словарь русских синонимов. катализатор сущ., кол во синонимов: 11 • биокатализатор (1) • …   Словарь синонимов

  • КАТАЛИЗАТОР — КАТАЛИЗАТОР, вещество, которое способствует ускорению химической реакции, однако не участвует в ней. Многие промышленные процессы основываются на действии катализаторов, например, в ПРОЦЕССЕ ГАБЕРА по производству АММИАКА катализатором служит… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • КАТАЛИЗАТОР — КАТАЛИЗАТОР, катализатора, муж. (см. катализ) (хим.). Вещество, ускоряющее или замедляющее химическую реакцию, само при этом не изменяющееся. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • КАТАЛИЗАТОР — КАТАЛИЗАТОР, а, муж. (спец.). Вещество, изменяющее скорость химической реакции. | прил. катализаторный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • катализатор — вещество, ускоряющее или замедляющее реакцию, но остающееся при этом неизменным. Биол. К. являются ферменты. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) …   Словарь микробиологии

  • КАТАЛИЗАТОР ФС-26/6 — катализатор, применяемый в составе песчано смоляных смесей при изготовлении стержней с фенолокарбамидными связующими в нагреваемой оснастке. Представляет собой водный раствор карбамида, хлористого и бромистого аммония и уротропина. Прозрачная… …   Металлургический словарь

  • катализатор — Вещество, изменяющее скорость химических реакций. [ГОСТ Р 51953 2002] Тематики крахмал и крахмалопродукты …   Справочник технического переводчика

  • катализатор — – вещество, влияющее на скорость химической реакции или возбуждающее ее, но в конечном итоге остающееся неизменным и неизрасходованным. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] …   Химические термины

  • Катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию, не будучи реагентом или продуктом реакции. [Ушеров Маршак А. В. Бетоноведение: лексикон. М.: РИФ Стройматериалы. 2009. – 112 с.] Рубрика термина: Общие термины Рубрики энциклопедии: Абразивное… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • КАТАЛИЗАТОР — вещество, ускоряющее хим. реакцию. Вещество, замедляющее реакцию называют (см.). К. дают новые направления хим. реакции, они могут образовывать с реагирующими веществами промежуточные соединения, однако сами не входят в состав конечных продуктов …   Большая политехническая энциклопедия

  • Катализатор — (Catalyst) Определение катализатора, механизм действия катализатора Определение катализатора, механизм действия катализатора, применение катализатора Содержание Содержание 1. в химии Виды катализаторов Механизм действия катализаторов Требования,… …   Энциклопедия инвестора

  • psychology_dictionary.academic.ru


    Смотрите также