Катализатор | это… Что такое Катализатор?

У этого термина существуют и другие значения, см. Катализатор (значения).

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.

Содержание 1 Катализаторы в химии 2 Катализаторы в автомобилях 3 Источники 4 См. также 5 Ссылки

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

Основная статья: Каталитический конвертер

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

• окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха
• углеводороды, также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счёт неполного сгорания топлива
• оксиды азота (NO и NO₂, которые часто объединяют под обозначением NO_x) — также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека. ^[4]

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

• Ингибитор
• Ферментативный ингибитор
• Активатор (катализ)
• Энергия активации
• Катализ

Ссылки

Катализатор автомобильный: работа, типы, конструкция

На чтение 7 мин Просмотров 10. 8к. Опубликовано 15.05.2020 Обновлено

16.04.2022

Каталитический нейтрализатор (катализатор) представляет собой устройство контроля выбросов выхлопных газов, которое превращает токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания в менее токсичные загрязняющие вещества, катализируя окислительно-восстановительную реакцию (реакцию окисления и восстановления).

Катализаторы обычно используются с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе.

Содержание

Принцип работы

В процессе работы автомобильного двигателя образуются выхлопные газы. Эти газы попадают в выпускной коллектор и далее — в каталитический преобразователь.

Выхлопной газ, состоящий из токсичных веществ, проходит через структуру нейтрализатора. Вещества-катализаторы в составе конвертера вызывают химические реакции, преобразующие вредные вещества в безвредные.

Катализатор окисления изготовлен из палладия и платины, а катализатор восстановления — из родия и платины. В результате реакций в каталитическом преобразователе образуются: углекислый газ, азот, вода.

Конструкция

Каталитический преобразователь представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором есть сердцевина с сотовой структурой. Она покрыта драгоценными металлами, такими как платина и родий. Эти металлы реагируют с выхлопными газами двигателя. Они уменьшают содержание токсичных газов, превращая их в углекислый газ и воду.

Керамическая конструкция дешевле в производстве, но у неё есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались.

В первую очередь катализатор реагирует с окисью углерода, образующейся при сгорании бензина. Он также реагирует с углеводородами, образованными несгоревшим топливом и оксидами азота. Таким образом, нейтрализатор превращает эти газы в менее вредные побочные продукты, такие как диоксид углерода, водяной пар и азот.

Чтобы катализатор был эффективным, его температура должна быть около 400 °C. Вот почему они обычно соединены с выпускным коллектором. По этой же причине датчики кислорода имеют нагревательные элементы.

Типы каталитических нейтрализаторов

Есть три разных типа автомобильных катализаторов. Первый тип — катализатор окисления. Он уменьшает вредные загрязнения, такие как угарный газ (CO) и углеводороды топлива (HC) в выхлопе. Одновременно часто используется вторичный впрыск воздуха. Однако катализатор окисления уменьшает только часть загрязняющих веществ.

Двухступенчатый катализатор

Второй тип — двуступенчатый каталитический нейтрализатор, который является более совершенным. Работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены один за другим.

Двусторонний (или «окислительный») каталитический нейтрализатор имеет две одновременные задачи:

1. Окисление оксида углерода до диоксида углерода:
   2CO + O₂ → 2CO₂.
2. Окисление углеводородов (несгоревшего и частично сгоревшего топлива) до диоксида углерода и воды:
   CxH₂x + 2 + [(3x + 1) ⁄ 2] O₂ → xCO₂ + (x + 1) H₂O (реакция горения).

Этот тип автомобильных катализаторов широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и окиси углерода. Они также использовались на бензиновых двигателях в автомобилях американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за неспособности контролировать оксиды азота они были заменены трехступенчатыми нейтрализаторами.

Трёхступенчатый катализатор

Третий тип — это трёхступенчатый каталитический нейтрализатор. Начал использоваться с 1981 г. Он преобразовывает вредные газы, выходящие из двигателя, в безвредные.

Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, которые наносят вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и оксид углерода. Трехступенчатый катализатор превращает их в менее вредный диоксид углерода, воду и азот.

Три ступени очистки выхлопных газов выглядят так:

1. Восстановление оксидов азота до азота (N2):
   2 CO + 2 NO → 2 CO₂ + N₂
   углеводород + NO → CO₂ + H₂O + N₂
   2 H₂ + 2 NO → 2 H₂O + N₂;
2. Окисление угарного газа до углекислого газа:
   2 CO + O₂ → 2 CO₂;
3. Окисление несгоревших углеводородов (HC) до диоксида углерода и воды в дополнение к вышеуказанной реакции NO:
   углеводород + O₂ → H₂O + CO₂;

Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда катализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива. Эффективность преобразования очень быстро падает, когда двигатель работает вне этих пределов.

При бедной смеси выхлоп содержит избыточный кислород и это не способствует реакции восстановления NO_x. При богатой смеси избыточное топливо потребляет весь доступный кислород перед нейтрализатором, оставляя для функции окисления только кислород, находящейся в катализаторе.

Большинство автопроизводителей используют в своих транспортных средствах именно трехступенчатые нейтрализаторы, которые соответствуют строгим нормам выбросов.

Где и как расположен катализатор

В большинстве транспортных средств каталитический нейтрализатор расположен рядом с выпускным коллектором двигателя. Преобразователь быстро нагревается благодаря воздействию очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить вредные выбросы во время прогрева двигателя.

Это достигается путем сжигания избыточных углеводородов, которые образуются в результате обогащенной смеси, необходимой для холодного пуска.

В некоторых трехкомпонентных катализаторах есть системы впрыска воздуха, который подается между первой (восстановление NO_х) и второй (окисление углеводородов и СО) ступенью преобразователя.

Как и в двухступенчатых преобразователях, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Также иногда присутствует точка впрыска воздуха выше по потоку, перед каталитическим нейтрализатором, чтобы обеспечить дополнительный кислород только во время прогрева двигателя.

Это приводит к тому, что несгоревшее топливо воспламеняется в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический конвертер. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для достижения рабочей температуры катализатора.

Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют впрыска воздуха в своих выхлопных трубах. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую топливовоздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обеднённым и обогащённым состоянием.

Датчики кислорода контролируют содержание кислорода в отработавших газах до и после каталитического нейтрализатора, и блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива.

Смотрите также видео о том, как устроен автомобильный катализатор:

 

Катализатор дизельного двигателя

Для двигателей с воспламенением от сжатия (то есть для дизельных двигателей) наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является катализатор окисления дизельного топлива (diesel oxidation catalyst — DOC).

DOC содержат палладий, платину и оксид алюминия, которые окисляют углеводороды и оксид углерода кислородом с образованием углекислого газа и воды.

• 2 CO + O₂ → 2 CO₂
• CxH₂x + 2 + [(3x + 1) / 2] O₂ → x CO₂ + (x + 1) H₂O

Эти преобразователи часто работают с 90-процентной эффективностью, фактически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить видимые частицы (сажу).

Эти конверторы не уменьшают NOx, потому что любой присутствующий восстановитель будет реагировать в первую очередь с высокой концентрацией O₂ в выхлопных газах дизельного топлива.

Раньше сокращение выбросов NOx от дизельных двигателей решалось путем добавления выхлопных газов во впускной коллектор, известное как рециркуляция выхлопных газов (EGR).

В 2010 году большинство производителей дизелей добавили каталитические системы в свои автомобили, чтобы соответствовать новым требованиям по выбросам.

Все транспортные средства, работающие на дизельном топливе и изготовленные после 1 января 2007 года, должны соответствовать ограничениям на выбросы дизельных частиц, что означает, что они должны быть оснащены двухсторонним каталитическим преобразователем и иметь сажевый фильтр.

тепло реакции | Определение и факты

энергетические профили для каталитических и термических (некаталитических) реакций

Просмотреть все средства массовой информации

Ключевые люди:

Юлиус Томсен

Похожие темы:

механизм реакции Закон Гесса

Просмотреть весь связанный контент →

теплота реакции , также называемая энтальпия реакции , количество тепла, которое необходимо добавить или отвести во время химической реакции, чтобы поддерживать все присутствующие вещества при одинаковой температуре.

Если давление в сосуде, содержащем реагирующую систему, поддерживается на постоянном уровне, измеренная теплота реакции также представляет собой изменение термодинамической величины, называемой энтальпией, или теплосодержанием, сопровождающее процесс, т. е. разницу между энтальпией вещества, присутствующие в конце реакции, и энтальпия веществ, присутствующих в начале реакции. Таким образом, теплота реакции, определяемая при постоянном давлении, также обозначается энтальпией реакции, обозначаемой символом Δ Н . Если теплота реакции положительна, то говорят, что реакция эндотермическая; если отрицательный, экзотермический.

Прогнозирование и измерение тепловых эффектов, сопровождающих химические изменения, важны для понимания и использования химических реакций. Если сосуд, содержащий реагирующую систему, изолирован так, что тепло не поступает в систему и не выходит из нее (адиабатические условия), тепловой эффект, сопровождающий превращение, может проявляться в повышении или понижении температуры, в зависимости от обстоятельств.

присутствующих веществ. Точные значения теплот реакций необходимы для правильного проектирования оборудования, используемого в химических процессах.

Подробнее по этой теме

термодинамика: энтальпия и теплота реакции

Как обсуждалось выше, изменение свободной энергии Wmax = -ΔG соответствует максимально возможной полезной…

Поскольку измерение теплоты для каждой протекающей реакции нецелесообразно, а для некоторых реакций такое измерение может быть даже неосуществимым, принято оценивать теплоту реакции на основе подходящих комбинаций скомпилированных стандартных тепловых данных. Эти данные обычно принимают в виде стандартных теплот образования и теплот сгорания. Стандартная теплота образования определяется как количество тепла, поглощенного или выделенного при 25°C (77°F) и давлении в одну атмосферу, когда один моль соединения образуется из составляющих его элементов, причем каждое вещество находится в своем нормальном физическом состоянии. (газообразное, жидкое или твердое).

Теплоте образования элемента произвольно присваивается нулевое значение. Стандартная теплота сгорания определяется аналогичным образом как количество теплоты, выделяющееся при 25°С и давлении в одну атмосферу, когда один моль вещества сгорает в избытке кислорода. Метод расчета теплот реакций по измеренным значениям теплот образования и сгорания основан на принципе, известном как закон суммирования теплот Гесса.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Эриком Грегерсеном.

Министерство энергетики объясняет…Катализаторы | Министерство энергетики

Офис Наука

Реальный катализатор (фоновое изображение) и схема каталитического этапа (переднее изображение). Реагирующие молекулы (слева) приобретают энергию, чтобы преодолевать энергетический барьер и превращаться в молекулы продукта (справа).

Изображение предоставлено Аргоннской национальной лабораторией

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию или снижает температуру или давление, необходимые для ее запуска, при этом само не расходуется во время реакции. Катализ — это процесс добавления катализатора для облегчения реакции.

Во время химической реакции связи между атомами в молекулах разрываются, перестраиваются и перестраиваются, рекомбинируя атомы в новые молекулы. Катализаторы делают этот процесс более эффективным, снижая энергия активации , представляющая собой энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы произошла химическая реакция. В результате катализаторы облегчают разрыв атомов и образование химических связей для образования новых комбинаций и новых веществ.

Использование катализаторов приводит к более быстрым и энергоэффективным химическим реакциям. Катализаторы также обладают ключевым свойством, называемым селективностью , с помощью которого они могут направлять реакцию для увеличения количества желаемого продукта и уменьшения количества нежелательных побочных продуктов. Они могут производить совершенно новые материалы с совершенно новыми потенциальными применениями.

За последние несколько десятилетий ученые разработали все более специализированные катализаторы для важнейших приложений в реальном мире. В частности, мощные катализаторы изменили химическую промышленность. Эти достижения привели к созданию биоразлагаемых пластиков, новых фармацевтических препаратов и экологически безопасных видов топлива и удобрений.

Управление науки Министерства энергетики США: вклад в исследование катализаторов

Программа управления науки Министерства энергетики (DOE) по фундаментальным энергетическим наукам активно поддерживает фундаментальные исследования катализаторов. Министерство энергетики занимается разработкой новых катализаторов и использованием катализаторов для контроля химических превращений на молекулярном и субмолекулярном уровнях. В исследованиях Министерства энергетики особое внимание уделяется пониманию этих реакций и тому, как сделать их более эффективными и целенаправленными. Главной целью Министерства энергетики является разработка новых концепций катализа и новых катализаторов, которые помогут промышленности более эффективно и устойчиво производить топливо и химикаты из ископаемого и возобновляемого сырья. Это исследование помогает продвигать солнечное топливо, которое компании производят, используя солнце и обычные химические вещества, такие как углекислый газ и азот. Это исследование также создает передовые методы преобразования выброшенного пластика в новые продукты.

Краткие факты

• Люди используют катализаторы тысячи лет. Например, дрожжи, которые мы используем для приготовления хлеба, содержат ферменты, которые являются природными катализаторами, способствующими превращению муки в хлеб.
• Нобелевская премия по химии 2005 года была присуждена трем исследователям (Иву Шовену, Роберту Х. Граббсу и Ричарду Р. Шроку) за их работу над катализаторами метатезиса. доктора Граббс и Шрок частично финансировались Министерством энергетики за свои исследования, получившие Нобелевскую премию. Доктор Шрок продолжает финансироваться Министерством энергетики.
• Нобелевская премия по химии 2018 года была присуждена Фрэнсис Х. Арнольд за ее новаторскую работу по управлению эволюцией ферментов для таких приложений, как возобновляемые виды топлива, безвредные для окружающей среды. Она частично финансируется Министерством энергетики.
• Посетите Аргоннскую национальную лабораторию, чтобы узнать еще о семи вещах, которые вы, возможно, не знали о катализе.

Ресурсы

• Программа BES Управления науки Министерства энергетики США
• Узнайте о направлениях исследований Министерства энергетики США в области химических катализаторов.
• Отчет: Потребности в фундаментальных исследованиях для науки о катализе
• Как катализаторы меняют химическую промышленность, солнечное топливо и переработку полимеров.
• Научные достижения: катализ видит свет
• Научное достижение: ученые наблюдают, как свет разрушает модельный фотокатализатор в режиме, близком к реальному времени

 

Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.