Nejčastější chemické látky používané jako katalyzátory

Katalyzátor (z řeckého κατα-λύτης kata(dolu)lýtés) je látka, vstupující do chemické reakce a vystupující z ní nezměněná, zvyšující pravděpodobnost uskutečnění této reakce. Důvodem pro použití katalyzátoru je jednak zvýšení rychlosti dané reakce, jednak vznik specifických produktů.

Katalyzátor tvoří s reaktanty málo stabilní komplex, který se v dalším kroku rozpadá na požadované produkty a katalyzátor. Aktivační energie těchto procesů jsou nižší, než aktivační energie nekatalyzované reakce. Snížení aktivační energie umožňuje provádět reakce za mírnějších podmínek.

Rozdělení katalýz podle stavu a původu

Heterogenní - nejčastěji je katalyzátor pevný a reaktanty jsou plynné. Enzymová - se často považuje za samostatný typ katalýzy, byť se v živých organismech často (avšak zdaleka ne vždy) jedná o homogenní proces. Enzymy se pro využití v průmyslu často imobilizují na vhodném nosiči (např. silikagel), pak se jedná o „heterogenní katalýzy“.

V průmyslu se katalyzátory používají nejméně v 60 % chemických syntéz. Katalyzátor umožní průběh chemické reakce za podmínek, kdy by jinak nebyla možná. Jako katalyzátor se může použít řada sloučenin nebo i některé prvky.

Stavební principy katalyzátorů

Katalyzátor obsahuje katalyticky aktivní složku. Katalyticky aktivních složek může být v jednom katalyzátoru obsaženo i více (např. detoxikační katalyzátory v autech, katalyzátor používaný při reformování benzínů v rafinériích). Krom katalyticky aktivní složky katalyzátory obsahují ve většině případů nosič na jehož povrchu bývá aktivní složka nanesena. Tím je zajištěn veliký povrch katalyzátoru.

Nosič má však zpravidla i jiné úlohy jako je vychytávání katalyzátorových jedů, udržování pH, některé nosiče dokonce participují na katalytickém procesu. Nosiče jsou zpravidla porézní vysokopovrchové materiály, např. aktivní uhlí, různé formy oxidu hlinitého, hořečnatého a v poslední době velmi často synteticky připravené krystalické alumosilikáty - zeolity.

Katalyzátory dále často obsahují kokatalyzátor (sloučeniny pracující spolu s katalyzátorem zpravidla v cyklu/ech) a promotory (složky modifikující různé vlastnosti katalyzátoru, např. kyselost, stálost a těkavost ostatních složek).

Obecné zásady volby aktivní složky

Složení katalyzátoru není prozatím možné odvodit pouze za použití teoretického popisu, experimentální výzkum má v katalýze nezastupitelné místo. Toto složení závisí na procesu, který má být katalyzován.

Klasifikace aktivních složek a katalyzátorů samotných je velmi problematická. Hydrogenačně-dehydrogenační reakce jsou jednou z nejlépe prostudovaných oblastí. Ty bývají katalyzovány kovy např. Pt, Pd, Ni, Cu, ad.

Kovy a jejich sloučeniny jako nejčastější katalyzátory

Hydrogenačně-dehydrogenační reakce jsou jednou z nejlépe prostudovaných oblastí. Ty bývají katalyzovány kovy např. Pt, Pd, Ni, Cu, ad. Dehydrogenace bývají ovšem katalyzovány oxidy těchto kovů, protože je nutné pro termodynamická omezení dehydrogenační procesy provozovat za vyšších teplot nežli hydrogenace a oxidy mají vyšší body tání než kovy (tímto způsobem se zamezí sintraci částic kovu na povrchu nosiče).

V případě hydrogenací, kdy reakční směs zahrnuje sirné nečistoty desaktivující kovové katalyzátory se jako samotný katalyzátor používá zpravidla sulfid příslušného kovu, který je sice ve smyslu hydrogenace méně aktivní než příslušný kov, ale už nepodléhá otravě. Např. Co-Mo-S se používá pro hydrogenační rafinaci produktů primární rektifikace ropy.

K selektivním hydrogenacím např. trojné vazby C-C na dvojnou vazbu se používají selektivní katalyzátory jako např. olovem částečně desaktivovaná platina nebo speciálními Pd katalyzátory. Nikl je katalyticky aktivní ve smyslu hydrogenace až při vyšších teplotách, při kterých však má již značné hydrogenolytické účinky (tedy štěpení C-C a dalších vazeb).

Avšak nikl je velmi aktivní při parním reformování zemního plynu (reversní k methanizaci, taktéž katalytickým niklem). Dále např. měď není dostatečně aktivní na hydrogenaci aromátů avšak je dostatečně aktivní pro redukci NO2 skupin na NH2 skupiny, proto je také hlavní složkou průmyslového katalyzátoru katalyzujícím přímou redukci nitrobenzenu vodíkem na anilín. Tento proces byl vyvinut v Česku profesorem J.

Specifické příklady a aplikace

Dehydrogenace bývají ovšem katalyzovány oxidy těchto kovů, protože je nutné pro termodynamická omezení dehydrogenační procesy provozovat za vyšších teplot nežli hydrogenace a oxidy mají vyšší body tání než kovy (tímto způsobem se zamezí sintraci částic kovu na povrchu nosiče).

V případě hydrogenací, kdy reakční směs zahrnuje sirné nečistoty desaktivující kovové katalyzátory se jako samotný katalyzátor používá zpravidla sulfid příslušného kovu, který je sice ve smyslu hydrogenace méně aktivní než příslušný kov, ale už nepodléhá otravě. Např. Co-Mo-S se používá pro hydrogenační rafinaci produktů primární rektifikace ropy.

K selektivním hydrogenacím např. trojné vazby C-C na dvojnou vazbu se používají selektivní katalyzátory jako např. olovem částečně desaktivovaná platina nebo speciálními Pd katalyzátory.

Tabulka: Příklady často používaných katalytických látek a jejich použití

Speciální případy: pseudokatalyzátory a inhibitory

Paradoxně bývá výjimečně katalyzátorem označen inhibitor. A to ve specifickém případě, kdy popisujeme dvojici či n-tici souběžných reakcí, reakční komplex. V primární reakci vzniká produkt, paralelní sekundární reakce brzdí primární reakci. Je-li přítomen inhibitor sekundární reakce, pak tento inhibitor, z hlediska celého reakčního komplexu, zvyšuje pravděpodobnost-rychlost-množství vznikajícího primárního produktu, a bývá označen za katalyzátor. To je však chemicky nepřesné, lepší termín pro tento případ je pseudokatalyzátor.

Význam nosičů a vysokého povrchu

Nosiče jsou zpravidla porézní vysokopovrchové materiály, např. aktivní uhlí, různé formy oxidu hlinitého, hořečnatého a v poslední době velmi často synteticky připravené krystalické alumosilikáty - zeolity. Tím je zajištěn veliký povrch katalyzátoru. Nosič má však zpravidla i jiné úlohy jako je vychytávání katalyzátorových jedů, udržování pH, některé nosiče dokonce participují na katalytickém procesu.

Role experimentu a průmyslové využití

Složení katalyzátoru není prozatím možné odvodit pouze za použití teoretického popisu, experimentální výzkum má v katalýze nezastupitelné místo. V průmyslu se katalyzátory používají nejméně v 60 % chemických syntéz. Katalyzátor umožní průběh chemické reakce za podmínek, kdy by jinak nebyla možná.

Katalyzátor obsahuje katalyticky aktivní složku. Katalyticky aktivních složek může být v jednom katalyzátoru obsaženo i více (např. detoxikační katalyzátory v autech, katalyzátor používaný při reformování benzínů v rafinériích). Krom katalyticky aktivní složky katalyzátory obsahují ve většině případů nosič na jehož povrchu bývá aktivní složka nanesena.

tags: #nejcastejsi #chemicke #latky #pouzivane #jako #katalyzatory