Transcript prezentace ve formátu PPT

Investice do rozvoje vzdělávání
Inovace profesní přípravy budoucích
učitelů chemie
CZ.1.07/2.2.00/15.0324
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Investice do rozvoje vzdělávání
Chemická katalýza
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Historie chemické katalýzy
– první katalyzovanou anorganickou reakci popsal v roce 1552 Valerius Cordus, který
pomocí kyseliny sírové provedl konverzi alkoholu na ether
R-OH  H2SO4 
 R-SO2 -OH  H2O
R-SO2 -OH  HO-R 
 R-O-R  H2SO4
– poprvé se slovo katalýza objevilo v knize Alchymie Andrea Libavia
z roku 1597 ve spojení s přeměnou obyčejných kovů
na stříbro a zlato
Elizabeth Fulhame (1780 – 1849)
– studium procesů spojených s hořením
– oxidace oxidu uhelnatého probíhá v přítomnosti malého
množství vody, které se v průběhu reakce nemění
Gottlieb S. Kirchhoff (1764 – 1833)
– kyselá hydrolýza škrobu
Humphry Davy (1778 – 1829)
– hoření plynů v přítomnosti platiny za teplot nižších
než
Mechanismus kyselé hydrolýzy škrobu
Johann Wolfgang Döbereiner (1780 – 1849)
– hoření vodíku s kyslíkem v přítomnosti platiny probíhá již při pokojové teplotě
– konstrukce vodíkové (Döbereinerovy) lampy
Zn + H2SO4 
 H2 + ZnSO4
a
b
c
d
e
f
g
– skleněná nádoba s kyselinou
– láhev s otevřeným dnem
– závěs
– zinek
– uzavírací kohout
– tryska
– platinová houba
– reakci lze ovlivnit jinými kovy, přičemž průběh reakce je na použitém kovu závislý
– vliv platiny na hoření vodíku může být omezen její deaktivací (např. účinkem SO2)
Kontaktní způsob výroby kyseliny sírové
– první patentovaný chemický proces – 1831, Peregrine Phillips
Pt
2 SO2  O2 
 2 SO3
Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848)
– zavádí katalýzu jako jev i pojem
– katalyzátory označil za látky, které pouhou svou přítomností vyvolávají chemické
reakce, jež by se jinak neuskutečnily
Fridrich Wilhelm Ostwald (1853 – 1932)
– katalyzátor ovlivňuje reakční rychlost, nemá však žádnou spojitost s polohou
chemické rovnováhy
– katalyzátor je látka, která mění rychlost chemické reakce, aniž se sama stává
součástí konečných produktů
– katalyzátor urychluje reakci přímou i zpětnou
Mechanismus chemické reakce
– cesta, kterou je proces chemické přeměny realizován na atomární úrovni
– počet reakčních kroků může být různý – jednokrokové x vícekrokové reakce
– mechanismus je reprezentován reakční koordinátou – geometrická veličina
vystihující charakter a míru změn ve vzájemném uspořádání atomů v reagujícím
systému
– reakční koordináta může být vyjádřena například měnící se délkou chemické vazby,
velikostí vazebného úhlu, v případně složitějších molekul a reakcí potom různými
kombinacemi těchto parametrů
Mechanismus katalyzované chemické reakce
– katalyzátor neovlivňuje rovnováhu chemické reakce
– katalyzátor do reakce vstupuje, účastní se reakčních přeměn, a po jejich ukončení
zase z reakce vystupuje nezměněn
– mechanismus katalyzované reakce je spojen s překonáváním nižší energetické
bariéry
– homogenní katalýza – reakce se uskutečňuje v jedné fázi (např. roztok)
– heterogenní katalýza – reakce se uskutečňuje na fázovém rozhraní (kontaktní
katalýza, např. plyn/pevný katalyzátor)
– enzymatická katalýza
Průmyslová katalýza
Výroba kyseliny sírové
– původně tepleným rozkladem síranů (kyzových břidlic)
Fe2 (SO4 )3 
 Fe2O3  3 SO3
H2SO4  SO3 
 H2S2O7
H2S2O7  H2O 
 2 H2SO4
– přelom 19. a 20. století, Rudolf Knietsch (BASF) – optimalizace kontaktního
způsobu výroby SO3 katalyzovaného původně platinou, později oxidem vanadičným
S + O2  SO2
nebo
4 FeS2 + 11 O2  8 SO2 + 2 Fe2O3
V2O5  SO2 
 2 VO2  SO3
1/2 O2  2 VO2 
 V2O5
Výroba amoniaku
– 1903 – Fritz Haber, Walther Nernst – klíčový vliv teploty a tlaku
– 1905 – Fritz Haber – aplikace katalyzátorů na bázi železa (1918 Nobelova cena)
Fe
N2  3 H2 
 2 NH3
Výroba uhlovodíků – Fisher-Tropschova syntéza
– výchozími látkami jsou oxid uhelnatý a vodík
kat
(2n  1) H2  n CO 

 CnH2n+2  n H2O
– syntéza probíhá při teplotách 200 – 350 °C v přítomnosti katalyzátorů na bázi železa
nebo kobaltu
Krakování ropy
– rozklad uhlovodíků s delšími řetězci na
uhlovodíky kratší
– reakce je katalyzovaná katalyzátory na bázi
zeolitů, reakční teplota cca 500 °C
– heterogenní katalýza ve fluidní vrstvě
– produktem je směs uhlovodíků, které je nutno
dále separovat frakční destilací
– v některých případech, například u ropy
bohaté na síru, musí být vstupní surovina
čištěna (rafinována)
Fluidní reaktor
Syntéza polymerů – Ziegler-Nattovy katalyzátory
– nízkotlaká a nízkoteplotní polymerace ethylenu a propylenu (1963 Nobelova cena)
– katalýza v homogenním i heterogenním uspořádání
– homogenní katalyzátory – metalocenové komplexy na bázi Ti, Zr nebo Hf
– heterogenní katalyzátory – sloučeniny na bázi Ti
– mechanismus reakce
Metateze neasycených uhlovodíků
– štěpení nenasycených uhlovodíků v místě násobné vazby a následná kombinace
vzniklých fragmentů
– Yves Chauvin, Robert H. Grubbs a Richard R. Schrock (2005 Nobelova cena)
– homogenní i heterogenní katalyzátory na bázi W, Mo, Ru nebo Rh
– mechanismus reakce
Investice do rozvoje vzdělávání
Konec
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Použitá literatura
Fischer O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, Praha 1983.
Panchartek J., Štěrba V., Večeřa M.: Reakční mechanismy v organické chemii. SNTL,
Praha 1981.
Lindström B., Pettersson L. J., CATTECH 7, 2003, 130.
http://runeberg.org/nfbg/0098.html, Hamburg Museum
http://www.pslc.ws/macrog/mcene.htm