Классификация каталитических процессов по фазовому принципу и специфика гетерогенных каталитических процессов

Гомогенный катализ – каталитические процессы, при протекании которых реагирующие вещества и катализатор образуют одну фазу.

Гетерогенный катализ – это каталитические процессы, протекающие в системах их нескольких фаз на границе раздела фаз, причем катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

Микрогетерогенный катализ – каталитические процессы в коллоидных системах, в которых реагирующие вещества находятся в растворе, а катализаторами являются большие полимерные молекулы. Данные процессы занимают промежуточное положение между гомогенным и гетерогенным катализом.

Гетерогенно-гомогенный катализ – каталитические процессы, инициируемые на поверхности твердого катализатора и далее продолжающиеся в газовой или жидкой фазе за счет вылета с поверхности активных промежуточных частиц.

Механизм действия твердых катализаторов и катализаторов в гомогенных системах по своей сущности одинаков: ускорение реакции достигается открытием нового реакционного пути благодаря промежуточному химическому взаимодействию реагирующих веществ с катализатором. Однако гетерогенные каталитические процессы имеют свою специфику.

Твердые катализаторы представляют собой совокупность кристаллов (металлы, оксиды соли) или макромолекулы полимерных образований, включающие очень большое число атомов (силикагель, алюмокремнегели, органические и металлорганические полимеры). Химическое взаимодействие реактантов с катализатором в гетерогенной каталитической реакции может приводить лишь к образованию поверхностных соединений. При этом связи поверхностных атомов с остальными атомами катализатора не разрываются полностью и промежуточные соединения и активированные комплексы представляют собой очень сложные многоатомные соединения. Взаимное влияние частиц на поверхности, а также нарушения регулярности в строении поверхности твердых катализаторов, связанные с содержанием примесей или отклонениями от стехиометрии основного состава, вызывают неоднородности энергий связи при поверхностном взаимодействии.

Образование поверхностных соединений в ходе протекания каталитической реакции не исключает возможности изменения состава твердого катализатора в процессе катализа и превращения его в другое соединение, образующее иную фазу. Подобные превращения всегда будут иметь место, если исходный состав катализатора не соответствует стационарному в условиях осуществления каталитической реакции. Поэтому нельзя отрывать кинетические зависимости от катализатора, свойства катализатора от состава реакционной смеси и строго можно говорить лишь о каталитической активности, характерной для всей системы, включающей катализатор и реакционную смесь. При этом в условиях осуществления каталитической реакции под действием реакционной среды катализаторы приходят в определенное одинаковое стационарное состояние независимо от исходного состояния поверхности, определяемого условиями приготовления или предварительной обработки.

Каталитическая активность твердых катализаторов определяется протяженностью границы раздела фаз, на которой протекает взаимодействие реагирующих веществ; другими словами, каталитическая активность твердых катализаторов зависит от величины общей поверхности катализаторов, доступной для реагентов. Однако, удельная каталитическая активность катализаторов одинакового состава приблизительно постоянна.

Промышленные гетерогенные катализаторы обычно представляют собой зерна с очень развитой внутренней поверхностью, площадь которой составляет обычно десятки и даже сотни квадратных метров на грамм катализатора. Поэтому реакция преимущественно протекает на внутренней поверхности, внутри зерен, в связи с чем на процессы гетерогенного катализа могут быть осложнены явлениями тепло- и массопереноса. Реагирующие вещества должны переноситься из реакционной смеси к наружной поверхности зерен и далее, внутрь зерна, а продукты реакции – в обратном направлении. Если протекание реакции связано с тепловым эффектом, то возникает и тепловой поток из центра зерна наружу в случае экзотермических реакций и в обратном направлении при эндотермических реакциях. Гетерогенно-каталитическая реакция может быть осложнена явлениями тепло- и массопереноса.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 156; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!