Таблетки с ускорением — Санкт-Петербургский государственный университет

Последние сто лет интенсивно развивалась область катализа, где в качестве катализаторов используются комплексы металлов. Металлокомплексный катализ сделал органический синтез дешевле, а химические процессы — экологичнее.

Михаил, для начала уточним, что такое катализ?

Катализ — это ускорение химических реакций под действием малого количества вещества (катализатора), которое само в ходе реакции не изменяется. Вы удивитесь, но возникновение и существование живой природы связано самым непосредственным образом с катализом. Это движущая сила природы.

В 2010 году ученые из США и Японии (Хек, Негиши и Сузуки) получили Нобелевскую премию как раз за металлокомплексный катализ — палладиевый катализ реакций кросс-сочетания. Можно сказать, что их открытия совершили революцию в химии и фармакологии?

Да, естественно. Во-первых, реакции кросс-сочетания упростили синтез сложных органических соединений. Если вам надо синтезировать сложное лекарство, то, применяя классические методы, требуется пройти несколько стадий. Если стадий, к примеру, пять, а результативность каждой — 90 %, то общая эффективность — всего 45 %. А палладиевый катализатор делает то же самое за одну стадию, и выход реакции достигает 90 %. Приведу аналогию с лестницей и лифтом. По лестнице надо преодолевать пролеты, двигаясь то вправо, то влево. На лифте — с первого этажа сразу на последний. Реакции кросс-сочетания — это и есть лифт.

Во-вторых, простота метода позволяет синтезировать больше веществ в единицу времени, а значит — открыть больше новых лекарств. Ведь как происходит их поиск? Основываясь на каких-то соображениях, химики синтезируют в лаборатории новые вещества. Но далеко не все из них оказываются биологически активными и полезными. Соответственно, чем меньше стадий, тем быстрее поиск новых препаратов.

Как ученые пришли к этому открытию?

Не совсем правильно говорить, что палладиевый катализ открыла эта троица. Реакции кросс-сочетания — это целое семейство реакций с участием арилгалогенида и еще одного реагента. Много классов соединений способны выступать в роли этого второго реагента в реакциях кросс-сочетания, но именно алкены (реакция Хека), соединения бора (реакция Сузуки) и соединения цинка (реакция Негиши) оказались наиболее востребованными в лабораторных синтезах и в фармпромышленности.

Российские химики тоже были среди тех, кто занимался этой темой. Группа академика РАН Ирины Петровны Белецкой использовала соединения олова. Результаты опубликовали на русском языке в журнале «Известия Академии наук» — по понятным причинам статью за рубежом прочитали поздно, поэтому широкого резонанса работа не вызвала.

Исследования реакций кросс-сочетания связаны с тремя волнами.

В начале XIX века ученые поняли, что малоактивные арилгалогениды можно использовать в реакциях конструирования углеродного скелета, то есть для создания новых связей углерод-углерод. Однако открытые тогда реакции приводили в основном к гомосочетанию: соединялись одинаковые фрагменты из одного и того же исходного вещества. Поэтому на первом этапе внимание исследователей было сосредоточено на выявлении того металла, который будет селективно приводить к соединению двух различных фрагментов разных веществ (кросс-сочетание). Изначально пробовали соединения никеля, но у палладиевых селективность оказалась выше. И исследования перешли с более дешевого никеля на более дорогой палладий.

Далее стали искать партнеров — легкодоступные вещества, которые могут быть вовлечены в перекрестное сочетание вместе с арилгалогенидами. В 2010 году Нобелевскую премию по химии вручили Ричарду Хеку, Акире Сузуки и Эйити Негиши «за применение реакций кросс-сочетания, катализируемых палладиевыми соединениями, в тонком органическом синтезе». Во всех трех реакциях, носящих теперь фамилии ученых, атомы углерода из разных фрагментов соединяются между собой с помощью комплекса палладия. Атом палладия является своеобразным посредником, сближающим атомы углерода достаточно близко друг к другу для того, чтобы между ними произошло химическое взаимодействие.

Третий этап — непрерывное совершенствование каждой открытой реакции кросс-сочетания путем дизайна новых палладиевых катализаторов и тонкой настройки их свойств. Сегодня исследовательская группа из СПбГУ занимается принципиально новым, четвертым этапом — работой сразу двух катализаторов, которые еще эффективнее всех предыдущих.

Какие типы катализаторов разработали на основе комплексов палладия?

Ключевых — три. Фосфиновые комплексы, где к палладию координирован атом фосфора, и диаминокарбеновые — к палладию координирован атом углерода, связанный с двумя атомами азота, — циклические и ациклические. Последние за счет структурной гибкости способны менять свой объем и, тем самым, подстраиваться под разные этапы каталитического цикла.

Предыдущие поколения катализаторов были слишком неудобны для использования. Для работы с ними требовались высокие температуры, ядовитые вспомогательные реагенты и токсичные растворители. Работая с современными типами катализаторов, мы используем безопасные вспомогательные реагенты (например, обычную соду) и растворители — воду и спирт. Переход от органических растворителей к воде делает наши системы настолько «дружелюбными», что они подходят для модификации биомолекул, синтеза протеинов и неприродных аминокислот.

Для каких известных лекарств важны палладиевые катализаторы?

Современные лекарства — это большие сложные органические молекулы, которые, попадая в организм, должны невредимыми доходить до пораженного участка и там уже действовать. Молекула собрана из различных блоков, как корпус крейсера, сваренный из металла: каждый элемент выполняет свою задачу. И если технология сборки больших кораблей перешла от метода «заклепок» к сварке больше столетия назад, то «сварка» отдельных молекул — процесс более сложный и тонкий — до сих пор находится в приоритете научных исследований.

Сейчас на долю катализируемых палладием реакций кросс-сочетания приходится четверть от всех реакций, используемых для создания фармпрепаратов. В их числе, например, «Валсартан» — в 2008–2010 годах самое назначаемое в мире средство для лечения артериальной гипертензии в мире.

Метод может работать везде, где нужны большие сложные органические молекулы, — например, в производстве светодиодов, дисплеев, оптоэлектроники.

Михаил Кинжалов на церемонии вручения свидетельств на право получения гранта президента РФ молодым ученым.

В 2016 году вас и вашу коллегу Светлану Каткову наградили Медалью РАН для молодых ученых. Расскажите подробнее о вашей работе.

По правилам, на соискание премии для молодых ученых подаются работы, выполненные в соавторстве со старшими коллегами. Большую часть работы я проделал в аспирантуре под руководством профессора Вадима Павловича Боярского. Результаты меня настолько вдохновили, что я продолжил двигаться в этом направлении в родном университете, тем более что фундаментальные исследования и преподавание меня всегда привлекали. Светлана — великолепный синтетик, она приехала в Петербург по программе постдоков СПбГУ и сразу влилась в работу.

Нам удалось понизить загрузку катализатора с типичных 1–5 % до 0,0001–0,01 %, то есть количество используемого палладиевого комплекса в разработанных системах стало близко к гомеопатическому. Что это значит? В теории катализатор не расходуется в ходе реакции и достаточно одной молекулы, которая будет проводить «сшивку» бесконечное число раз. Но в реальности молекулы катализаторов не бессмертны, и со временем реакции «портятся». Кроме того, если эта молекула работает медленно, то и ждать придется бесконечно долго. Поэтому используют ощутимое количество катализатора — 1–5 %, то есть одна молекула катализатора «сшивает» 20–100 молекул продукта.

Лиганды помогают атому палладия работать быстрее и оберегают от деструктивных процессов. Разные лиганды делают это с разным успехом: чем лучше они справляются со своей миссией, тем меньше катализатора необходимо, тем дешевле конечный продукт. Мы в этом отношении добились рекордно низкого количества катализатора.

Расскажите, пожалуйста, о вашей кафедре.

Кафедра физической органической химии примечательна двумя вещами: механизмы и металлы, в сокращении получается ММ, как название вашего журнала (смеется). Каждая из этих особенностей связана с конкретным человеком. Первый — это Алексей Евграфович Фаворский, который работал в университете в начале прошлого века. Раньше органик-синтетик придерживался единственного правила: «Греешь больше — выход больше». Алексей Евграфович внес в органическую химию стремление изучать ее механизм, чтобы тонко ею управлять. Именно для развития его идей и была создана наша кафедра — мы стремимся знать максимум о наших реакциях и детально изучаем их механизмы.

Второй — это нынешний заведующий кафедрой, Вадим Юрьевич Кукушкин, член-корреспондент РАН, сын академика Юрия Николаевича Кукушкина, всемирно известного специалиста по химии платиновых металлов. Страсть к механизмам и любовь к металлам — вот два ключевых фактора, которые вдохновляют нас синтезировать молекулы с полезными свойствами.

Вы продолжаете работу и уже сами руководите студентами?

Да. Сейчас в моей команде работает семь студентов и аспирантов, у каждого из них своя часть работы в общей теме. Например, недавно нам с Анжеликой Ереминой удалось синтезировать иридиевые катализаторы, позволяющие получать термоустойчивые (до 320 °С) силиконы. Благодаря иридию такой силикон светится зеленым в ультрафиолете, что позволяет определять толщину силиконового покрытия бесконтактно и сразу по всему изделию. Это тот редкий случай, когда катализатор, выполнив свою основную работу, продолжает нести полезную нагрузку.

Отрадно, что светлых голов хватает. Провал, который в 90-е годы образовался между поколениями, сейчас стирается, ученые молодеют — это уже люди 20–30 лет, и многие больше не уезжают, остаются работать здесь. Почему? Заграница дает шанс после учебы поехать работать в другие места, чтобы набраться опыта, побывать в разных лабораториях. Так можно путешествовать десять лет, по два года работая на одном месте. Но за это время у тебя не будет наработок по собственному исследованию. А без своего задела 30—40-летний ученый сейчас никому не нужен. Поэтому я остаюсь в России и работаю над своей темой.

Какие были трудности и препятствия в процессе исследований?

В университете хороший Научный парк, а это уже полдела в успешном исследовании. С другой стороны, научные трудности всегда добавляют азарта: чем сложнее поставленная задача, тем воодушевленнее ищется решение. Поэтому сложности в основном технические, например, общая у российских ученых проблема в том, что большая часть реактивов импортные и на их покупку может уйти много времени, вплоть до года.

Химику надо не меньше набить руку, чем повару, черпающему рецепты из поваренной книги.

Когда мы начали работать с иридием, это был 2014 год. Иридий мне достался в виде бруска металла. Растворять иридий научились несколько столетий назад, однако это один из самых сложных для растворения металлов. Два с половиной года мы не знали, как к этому бруску подойти.

Как звучит по классике растворение иридия? Одна из стадий — перевести иридий со степенью окисления 4 в иридий со степенью окисления 3. Для этого темно-коричневый раствор необходимо кипятить с оксалатом калия до тех пор, пока он не станет зеленым.

Как приличный химик, я собрал установку: колба, обратный холодильник (чтобы выпариваемая вода конденсировалась и возвращалась обратно), залил раствор. Кипячу. Час кипячу, два, три. Терпение кончается, ничего не меняется.

Благо, я нашел людей, которые уже это делали. Звоню, спрашиваю: кипячу, ничего не происходит. «А ты как кипятишь?» — «Колба, обратный холодильник…» — «Так нельзя: вода должна выкипать. Надо ее периодически подливать». Кипячу снова. Доливаю, кипячу, доливаю — ничего. Опять звоню. «А ты сколько кипятишь?» — «Два дня…» — «Ха! Надо два месяца».

Здоровому человеку такое на ум не придет. Ведь написано просто: «до изменения окраски».

Учитывая, что параллельно мы вели работу над палладием, работа с иридием растянулась еще и по этой причине. К счастью, были люди, которые методично бились над решением задачи, в частности, Анжелика сидела и растворяла иридий.

Отличная история. А было ли что-то еще?

В науке, как и везде, многое от психологии исследователя зависит. Шикарно, когда команда разношерстная, — тогда коллектив способен реализовать амбициозные проекты. Мне всегда больше нравился синтез, работа с веществами. А вот усидчивости мне не хватает. Девушки, как правило, наоборот: легко могут выполнить множество схожих экспериментов.

Например, как происходит оптимизация условий реакции? Необходимо последовательно варьировать один из параметров и наблюдать за изменениями. Для каждого катализатора это около ста схожих опытов, то есть 100 баночек, и надо в каждую отмерить на весах 5 мг одного вещества, 5 мг другого, третьего, добавить 1 мл растворителя, забить пробочкой, подписать, поставить в баню, вытащить, упарить, проанализировать результаты, записать в таблицу. Тут терпение — главный помощник. Я мог себя заставить этим заниматься только раз в три дня. А Светлане, наоборот, такое было по душе: она, напевая, взвешивала эти 100 баночек, составляла табличку, думая о своем, о девичьем, — у нее это занимало полдня, и дальше она была счастлива и свободна. Так что в таком сотрудничестве в результате мы и добились успеха.

Сейчас вы работаете над кооперативным катализом, причем с использованием солнечной энергии. Расскажите, это как?

Тренд развития синтетической химии понятен — стремление получать все более сложные молекулы из все более простых и доступных, при этом с минимальными затратами. Но еще более простые и доступные реагенты слишком инертны и даже в палладий-катализируемые реакции кросс-сочетания не вступают. Перевести их в активное состояние возможно при помощи локально направленной энергии. Например, солнечной энергии в виде света. Здесь требуются уже два катализатора в одной реакции: один — палладиевый, а другой — вещество, преобразующее энергию Солнца. Это и называется кооперативным катализом.

Но чтобы заставить энергию Солнца работать, надо ее сначала собрать. Мы используем для этого катализаторы на основе соединений иридия. Комплексы иридия активируются поглощением света и «сшибают» часть исходной органической молекулы так, чтобы она могла прикрепиться «срезанной» стороной к палладию. Собственно, сейчас мы и занимаемся поиском лигандов, которые могут менять свойства иридия, делая его способным поглощать энергию Солнца и затем ее отдавать.

Отслеживаете ли вы наработки иностранных коллег по этой теме? Какие успехи у них?

Реакции кросс-сочетания — горячая область химии. Множество научных групп по всему миру ищут новые комплексы палладия, чтобы проводить реакции кросс-сочетания с высокими выходами и в экологически безопасных условиях. Каждый год разрабатывают сотни новых катализаторов, и только единицы из них находят применение в промышленности — это связано с их низкой эффективностью и высокой стоимостью. Поэтому отслеживать работы коллег приходится регулярно, буквально каждую неделю. Бывает так, что над идеей, над которой работаем мы, трудится кто-то еще, и этот кто-то оказывается чуть проворнее нас. Тогда, конечно, немного обидно, но унывать нельзя — значит, мы на верном пути. Наши исследования на уровне, бывает и так, что мы опережаем иностранных коллег перед самым финишем.

история развития технологии производства в «Газпром нефти» — Журнал «Сибирская нефть» — №176 (ноябрь 2020)

В 1965 году в Омске заработала первая в СССР катализаторная фабрика, и была получена первая промышленная партия собственного товарного аморфного алюмосиликатного катализатора каталитического крекинга. Сегодня «Газпром нефть» строит в Омске новый завод, который должен стать крупнейшим в России производством катализаторов. А между этими двумя событиями — долгая история, в которой были и драматические эпизоды, и крупные научные открытия

В поиске технологий

История катализаторной фабрики неразрывно связана с историей ОНПЗ: завод всегда был главным заказчиком и определял вектор развития катализаторов, в частности основного продукта — катализаторов каталитического крекинга (см. врез). Долгое время существенной предпосылкой для создания новых катализаторов оставалась заинтересованность завода в увеличении отбора бензиновых фракций в процессе каткрекинга. Здесь главным прорывом стал переход с выпуска простых микросферических катализаторов на содержащие цеолит гидратированные алюмосиликаты щелочных элементов. Известны своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другое важное свойство цеолитов — способность к ионному обмену, то есть селективному выделению и впитыванию различных веществ, а также обмену катионами. Искусственно синтезированные цеолиты используются, кроме прочего, в качестве сырья для производства катализаторов различных химических процессов. . Первый вариант катализатора микросферического цеолитсодержащего (КМЦ-8) был разработан в Грозненском нефтяном научно-исследовательском институте. Этот продукт имел определенные недостатки, и значительная часть производимого катализатора не удовлетворяла техническим условиям.

В 1986 году началось сотрудничество Омского завода по производству катализаторов — в те годы предприятия «ОмскНефтеоргсинтез» — с омским филиалом Института катализа Сибирского отделения РАН, который, в частности, занимался синтезом цеолитов. По приглашению руководства предприятия специалисты Института катализа Владимир Доронин и Татьяна Сорокина разработали катализатор КМЦ-8у с усовершенствованной технологией синтеза цеолита. С 1987 года новый катализатор стали загружать на установку каткрекинга 43–103, и серия катализаторов КМЦ (марки от КМЦ-90 до КМЦ-99) в течение многих лет успешно применялась на предприятии.

До конца 80-х на ОНПЗ использовались катализаторы с однокомпонентной алюмосиликатной матрицей. В 1991 году омские ученые разработали двухкомпонентную матрицу из аморфного алюмосиликата и оксида алюминия. Улучшение качества цеолита и применение двухкомпонентной матрицы позволило повысить выход бензинов с 29 до 33%.

Следующим этапом разработок стал поиск технологий, которые позволили бы повысить как активность катализатора, так и улучшить его физические характеристики. «В 1995 году в результате совместной работы специалистов нашего института и омского завода был разработан и внедрен процесс ультрастабилизации, или деалюминирования цеолита — модификации цеолита для повышения его активности и термической стабильности, — рассказывает кандидат технических наук, заведующий лабораторией цеолитного катализа Института проблем переработки углеводородов СО РАН Владимир Доронин. — В это же время была получена и внедрена в производство трехкомпонентная матрица, в которую вошел природный катализатор — бентонитовая глина». За комплекс работ по совершенствованию катализаторов крекинга в 1996 году специалистам Омского филиала ИК СО РАН и ОНПЗ присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники.

Впрочем, несмотря на бурное развитие каталитического производства и появление новых марок катализаторов, не все шло гладко. В середине 90-х объем производства на ОНПЗ резко снизился: не хватало сырья, и каталитическая фабрика оказалась на грани закрытия. Затем пришлось отвоевывать место под солнцем у иностранных катализаторов, которые были объективно лучше. Их начали использовать на секции каталитического крекинга С-200 комплекса глубокой переработки мазута КТ-1/1, введенного в эксплуатацию в 1994 году. Новая установка крекинга с контактом катализаторов в движущемся слое требовала их более высокой активности и прочности. В России таких не было.

Но уже в ноябре 1999 года на установку КТ-1/1 был загружен катализатор КМЦ-96, который продемонстрировал более высокий отбор бензина и более высокое октановое число по сравнению со многими импортными аналогами. На испытаниях КМЦ-96 показал результаты, близкие к катализатору фирмы «Энгельгардт» — одного из мировых лидеров по поставкам катализаторов крекинга. «После того как собственный продукт был признан конкурентоспособным, от закупки импортного катализатора каткрекинга постепенно отказались, — вспоминает Сергей Гурьевских, начальник общезаводского хозяйства „Газпромнефть-ОНПЗ“, до 2019 года руководивший катализаторным производством. — С 1999 года на двух установках каталитического крекинга Омского НПЗ применяется только свой катализатор».

Катализаторы каталитического крекинга

Катализаторы используются в процессе крекинга, в ходе которого тяжелое сырье, например вакуумный газойль, с высокими пределами выкипания (от 350 до 560–580 градусов) и крупными молекулами (с количеством атомов углерода 30–40) распадается на более мелкие молекулы. Ключевые составляющие катализатора крекинга — цеолитный компонент и матрица. Матрица обеспечивает первичный крекинг, то есть распад сырья на более мелкие молекулы с числом атомов до 20. Затем уже функция цеолита — еще раз разбить эти осколки, превратив их в бензиновую фракцию. Кроме того, матрица обеспечивает транспорт реагирующих молекул к цеолиту и механическую прочность всей конструкции микросферы.

Новые времена

На примере развития катализаторов каткрекинга можно четко проследить эволюцию рынка нефтепродуктов в СССР и потом в России. Сначала речь шла о повышении отбора светлых нефтепродуктов, затем появился спрос на более высокое октановое число и, наконец, с 2010-х годов началась гонка за улучшенными экологическими характеристиками.

Еще в 2004 году в Омске была освоена технология производства катализаторов на основе ультрастабильного цеолита, обладающих высокой каталитической активностью и обеспечивающих отбор бензиновой фракции до 56%. Очень хороший показатель по тем временам. Эта серия катализаторов, получившая название «Люкс», по многим характеристикам превосходила зарубежные аналоги и применялась до 2010 года.

В 2010 году была внедрена технология бицеолитных катализаторов с использованием высококремнеземного цеолита типа ZSM-5 в качестве второго активного компонента, обладающего свойствами, повышающими октановые характеристики бензина крекинга. Кроме того, новый катализатор позволял снизить содержание серы в получаемом продукте. «Экологические стандарты „Евро-3“, „Евро-4“ и т. д. предполагают последовательное снижение серы в топливе. Для этого необходимо уменьшить уровень содержания серы в вакуумном газойле, сырье каталитического крекинга, но при этом сохранить высокое октановое число бензина при переработке такого сырья, — объясняет Владимир Доронин. — Одновременное решение этих задач считается противоречивым и требует компромиссного подхода при моделировании катализаторной композиции. За счет вовлечения в состав катализатора высококремнеземного цеолита типа ZSM-5 нам удалось решить эту проблему».

В дальнейшем технология была усовершенствована, и в 2016 году «Газпром нефть» выпустила катализаторы под маркой «Авангард». За счет улучшенных характеристик катализатор «Авангард» позволил увеличить выпуск компонентов высокооктановых бензинов стандарта «Евро-5», при этом себестоимость производства нового катализатора удалось снизить по сравнению с продуктами предыдущей серии. В частности, после загрузки нового катализатора на установку каталитического крекинга Московского НПЗ выход бензина увеличился на 3–4%.

Для производства катализаторов серии «Авангард» на омском производстве был смонтирован дополнительный блок фильтрации и стабилизации цеолитов. Улучшенная структура производимых цеолитов дала возможность моделировать композиции катализатора с учетом параметров нефтяного сырья и качества выпускаемой продукции, модифицируя его под потребности заказчиков.

В центре испытаний

«Мировой опыт показывает: для того, чтобы конкурировать с лидерами рынка, необходимо регулярно обновлять линейку катализаторов, проводить исследования и вносить изменения в технологию производства, — объясняет Сергей Гурьевских. — Это сложная работа, включающая лабораторные испытания в институте, затем опытно-промышленные испытания на производстве». До 2016 года испытания новых марок катализаторов проводились непосредственно на установках каткрекинга ОНПЗ. Результат пробега опытной партии катализатора можно было получить только через год, что несло определенные риски.

С 2016 года в «Газпром нефти» начал работу центр испытаний катализаторов, оснащенный экспериментальной лабораторией и исследовательским стендом, по сути, опытной мини-установкой — полным аналогом промышленной установки каткрекинга. Сегодня в центре разрабатываются и апробируются новые рецептуры катализаторов каталитического крекинга и добавок к ним, адаптированные под сырье и оборудование заказчика. «Для каждого заказчика создается своя модификация катализатора. В процессе разработки мы учитываем и качество сырья, на котором будет работать катализатор, и технологические особенности установки», — говорит Сергей Гурьевских. Как отмечает эксперт, найти два одинаковых завода — и даже две одинаковых установки — невозможно. Везде есть свои нюансы: разные сырье, состав технологических цепочек, производственные планы и требования к качеству нефтепродуктов. Поэтому индивидуальный подход к каждому заказчику очень важен. Это дает компании существенные конкурентные преимущества, а клиентам позволяет быть уверенными в том, что произведенные для них катализаторы покажут максимальную эффективность.

Рынок ждет

В 2019 году в Омске стартовал ключевой проект импортозамещения в российской нефтеперерабатывающей отрасли: «Газпром нефть» приступила к активной фазе строительства нового завода по производству катализаторов. Мощность предприятия составит 21 тыс. т в год: 15 тыс. т катализаторов каталитического крекинга, 4 тыс. т катализаторов гидроочистки и 2 тыс. т катализаторов гидрокрекинга.

Новое производство предполагает и расширение номенклатуры катализаторов. В 2018 году «Газпром нефть» испытала и успешно ввела в эксплуатацию катализаторы, разработанные учеными Института катализа совместно со специалистами компании и получившие название «Селектум». Промышленный пробег состоялся на установках каталитического крекинга Омского НПЗ.

В отличие от катализаторов предыдущих поколений и западных аналогов, новый катализатор обладает активной ультраматрицей. В пористую основу катализаторной микрочастицы встроены активные компоненты, что увеличивает эффективность превращения молекул углеводородного сырья в ценные продукты. Вместе с высокой активностью, катализаторы нового поколения более устойчивы к повышенным температурам. Перед промышленным пробегом катализатор прошел опытные испытания на пилотной установке каталитического крекинга, подтвердив рост отбора качественного бензина и повышение октанового числа продукта. Под брендом «Селектум» «Газпром нефть» намерена выпускать не только улучшенные катализаторы каткрекинга, но также катализаторы гидропроцессов — гидроочистки и гидрокрекинга.

Завоевание российского рынка — не единственная цель для катализаторного производства «Газпром нефти». Совместно с учеными компания продолжает разработки новых марок катализаторов, отвечающих уже принципиально другим задачам. «Если говорить о дальнейших направлениях развития катализаторного производства, то в мировой нефтепереработке растет тенденция к освоению запасов тяжелой нефти, — говорит Владимир Доронин. — В ней содержится много металлов, в основном ванадия и никеля, которые отравляют катализатор крекинга, снижая его активность. Чтобы этого избежать, нужны специфические катализаторы с так называемыми ловушками для вредных тяжелых металлов. У Института катализа уже есть соответствующая разработка, которая ждет внедрения на новом производстве». Еще одна тенденция — развитие нефтехимии, которая все глубже интегрируется с нефтепереработкой, что предполагает в числе прочего спрос на соответствующие катализаторы крекинга для получения пропиленов, бутиленов и легких олефинов.

История | Haldor Topsoe

Хальдор Топсе основал компанию в 1940 г. с целью соединения фундаментальных научных разработок с задачами промышленности. Эта цель стала актуальной как никогда после Второй мировой войны. Интерес Доктора Топсе к физической химии и катализаторам возник во время обучения под руководством выдающегося физика профессора Нильса Бора в Институте его имени в Копенгагене. Именно здесь Доктор Топсе впервые увидел потенциал катализа.

 

Первый продукт Топсе – катализатор для производства серной кислоты – появился на рынке в 1944 г. В 1958 г. Хальдор Топсе приобрел ферму Линдерупгард в Фредерикссунде, где сейчас расположен завод по производству катализаторов. Производство катализаторов началось уже в следующем году.

С 1975 г. штаб-квартира находится в Раунхольме, к северу от Копенгагена. Окрестная местность очень красива и полностью соответствует концепции Доктора Топсе: Компания Топсе была и остается прекрасным местом для работы.

Сотрудники Топсе независимы в своих действиях и могут решать задачи, используя свои творческие способности и стремление к знаниям. Это также означает, что они несут ответственность за результаты принятых решений. Наши сотрудники гордятся быть частью такой необыкновенной команды.

История развития
1940 г. Хальдор Топсе основывает компанию 10 апреля.
1944 г. Изготовлена первая партия катализатора для производства серной кислоты.
1948 г. Изготовлена первая партия катализатора на основе никеля.
1957 г. Запуск первой установки парового риформинга.
1958 г. Компания Хальдор Топсе приобретает участок Линдерупгард в Фредериксунде, где сейчас расположен завод по производству катализаторов.
1961 г. Дочерняя компания Хальдор Топсе основана в США.
1966 г. Запуск первой в мире одноконтурной установки для производства аммиака мощностью 1000 тонн в сутки с первой колонной синтеза с радиальным ходом газа производства Хальдор Топсе для компании Агрико в г. Блайтвилле (США).
2007 г. Компания переходит во владение семьи Топсе на 100 процентов.
2013 г. Доктор Хальдор Топсе ушел из жизни незадолго до 100-летнего юбилея.

Wolflubes — The Vital Lubricant — Блог

Эксперты в области фильтрации: DOC и DPF

DOC, или дизельный катализатор окисления, — это каталитический нейтрализатор, предназначенный для снижения уровня выбросов вредных углеводородов и окиси углерода. Конструкция DOC предусматривает ячеистую структуру для гарантии максимальной площади контакта между отработавшими газами и металлическими каталитическими нейтрализаторами, что приводит к разрушению углеводородов и распаду окиси углерода на CO2 и h3O. DOC — это разумное вложение средств, с которым ваш автомобиль становится экологически безопаснее. Вы сами увидите и почувствуете влияние DOC на качество отработавших газов вашего автомобиля.

Как и DOC, DPF, или дизельный сажевый фильтр, является мастером своего дела. Этот фильтр собирает и сжигает частицы, содержащиеся в отработавших газах. Аналогично DOC, эффективность окисления обеспечивается ячеистой структурой компонента. Для сжигания собранных частиц DPF использует тепло, выделяемое двигателем и DOC. Но не забывайте, что засорение DPF может привести к потере достигнутых экологических преимуществ. DPF работает в тесной смычке с DOC: для надлежащей работы фильтра без засоров в него не должно поступать слишком много углеводородов, а сжигание частиц происходит за счет тепла, выделяемого DOC. Какая слаженная работа!

Снижение содержания NOx

SCR, или селективный каталитический нейтрализатор, представляет собой каталитический нейтрализатор, предназначенный для снижения содержания оксидов азота (NOx) в отработавших газах. Для этого используется одна из трех дополнительных жидкостей: мочевина, безводный аммиак или водный аммиак. Отработавшие газы и жидкость-катализатор подаются в систему и проходят через конструкцию с металлическими каталитическими нейтрализаторами, которые стимулируют распад NOx на множество менее вредных веществ за счет присутствия мочевины.

Важность моторного масла

Система дополнительной обработки отработавших газов не соединена напрямую с циркулирующим в автомобиле моторным маслом. Другими словами, моторное масло не проходит через компоненты системы очистки. Но не стоит недооценивать важность выбора правильного масла, совместимого с вашей системой дополнительной обработки отработавших газов.

Сгорание топлива каждый раз сопровождается сжиганием небольшого количества моторного масла. Остатки сгоревшей смазки проходят через систему дополнительной обработки отработавших газов и могут повредить каталитические нейтрализаторы или стать причиной засорения одного из фильтров.

Постоянные инвестиции в инновационные технологии позволяют компании Wolf предлагать самую различную продукцию, совместимую с системами дополнительной обработки отработавших газов. Вся продукция, соответствующая категориям ACEA C1-C4 и E6/E9, гарантирует комплексную защиту совместимых дизельных двигателей и систем дополнительной обработки отработавших газов. Кроме того, наш ассортимент инновационной продукции в скором времени будет расширен за счет добавления спецификации ACEA C5.

Поиск подходящего моторного масла порой вызывает все больше трудностей. Но компания Wolf всегда готова помочь вам. Функция поиска продуктов от компании Wolf — это удобный инструмент, который поможет вам найти оптимальное моторное масло всего за несколько секунд. Просто укажите марку и тип дизельного автомобиля, чтобы узнать, какое моторное масло защитит не только ваш двигатель, но и систему дополнительной обработки отработавших газов.

Моторные масла

Описанные выше компоненты системы дополнительной обработки отработавших газов позволяют добиться большей экологичности двигателя, но вместе с тем остаются крайне уязвимыми. Именно поэтому выбор подходящей смазки для вашего автомобиля имеет столь большое значение. При работе двигателя сгорает небольшое количество моторного масла, остатки которого попадают во все три компонента очистки. Эти остатки могут засорить фильтр или помешать работе жидкости-катализатора или металлических каталитических нейтрализаторов. С автомобилями, оборудованными этими фильтрами, прежде всего несовместимы моторные масла, содержащие сульфатную золу. По этой причине ACEA (Ассоциация европейских производителей автомобилей) составила классификацию стандартов масел. Под категории C1-C4, E6 и E9 подпадают моторные масла для автомобилей, оснащенных системой дополнительной обработки отработавших газов. Недавно к ним добавился стандарт C5. Современная и инновационная продукция категории C5 обеспечивает комплексную защиту систем дополнительной обработки отработавших газов и еще большую экономию топлива. Специалисты Wolf Oil непрерывно занимаются разработкой новой продукции, поэтому советуем вам внимательно следить за нашими объявлениями о новых смазочных материалах!

Различные спецификации, множество тонкостей и непонятные сокращения могут сделать поиск подходящего моторного масла весьма утомительным. Именно поэтому компания Wolf разработала инструмент, который поможет найти моторное масло, оптимально подходящее для вашего автомобиля и обеспечивающее также защиту системы дополнительной обработки отработавших газов. Нажмите несколько кнопок — и вы найдете идеальное масло для вашего двигателя. Как производитель моторного масла, мы считаем своим долгом помочь каждому клиенту подобрать подходящую смазку, не забывая при этом об окружающей среде. Ведь мы сможем добиться экологичного будущего и умных технологий передвижения только все вместе.

Химик РУДН создал «зеленый» катализатор для фармацевтики и промышленной химии

Для производства пластмасс, лекарств и других материалов используют нанокатализаторы с дорогим и неэкологичным в получении палладием. Химик РУДН придумал, как сократить расход палладия и сделать производство экологичнее — для этого он создал катализаторы на основе вещества, которое получают из растительных остатков. Они позволяют сократить потребление палладия в два раза. Более того, их можно использовать многократно без потери эффективности.

Кросс-сочетания — класс реакций, в которых соединяются атомы углерода из разных органических молекул — самый распространенный тип реакции в промышленной химии. Их используют для синтеза пластмасс, лекарств и других соединений — только в медицинской химии на него приходится 17% всех реакций. Главный компонент кросс-сочетания — наночастицы палладия. Палладий — один из самых редких элементов, поэтому использовать его в качестве такого катализатора дорого. Более того, его получают в основном на горнорудных предприятиях — крупнейших загрязнителях окружающей среды. Химик РУДН предложил способ, который решит сразу все эти проблемы — поможет использовать меньше дорогого и неэкологичного палладия.

Расход палладия в кросс-сочетании увеличивается из-за того, что частицы катализатора, которые его содержат, слипаются между собой. Предотвратить слипание можно двумя способами. Первый, химический, — модифицировать химические свойства частиц так, чтобы ослабить взаимодействие их поверхностей, когда они соприкасаются. Второй — физически удерживать металл, например, с помощью каркаса или решетки. Химик РУДН использовал второй способ и зафиксировал частицы металла с помощью многослойной структуры с магнитным ядром в центре.

Ядро нового нанокатализатора состоит из оксида железа с сильными магнитными свойствами. Сверху его покрывает полимер на основе катехола — вещества, которое содержится в стенках растительных клеток, его получают из отходов растениеводства. Оба эти слоя вспомогательные, они не обладают каталитической активностью. В ускорении реакции участвует третий компонент — наночастицы палладия. Их вкрапления химики РУДН внедрили во второй слой. Полимер служит якорем для частиц металлов, благодаря ему частицы нанокатализатора не слипаются.

Структура катализатора, которую предложил химик РУДН, позволяет использовать вдвое меньше металла — 1,5% от общего веса наночастицы вместо 3-6%. Более того, после нескольких циклов реакции сердцевину нанокомпозита можно очистить и использовать заново. Это поможет не только уменьшить воздействие на окружающую среду, но и удешевить производство лекарств, пластмасс и других веществ, в которых применяют кросс-сочетание.

«Химики проявляют повышенный интерес к созданию „зеленых“ катализаторов. Наши нанокатализаторы содержат вещество, которое получают из отходов растениеводства, и при этом эффективно действуют в реакции кросс-сочетания. Таким образом, наши катализаторы не только смогут уменьшить расход палладия и таким образом удешевить химическое производство, но и снизить воздействие на окружающую среду. Интересно также, что мы показали универсальность полимеров на основе растительных катехолов — этот же подход можно распространить на другие металлы, например, платину, серебро, золото и использовать для разработки нанокатализаторов, направленных на другие органические реакции», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН

Результаты опубликованы в Molecular Catalysis.

Катализ в промышленности

Научно-практический рецензируемый журнал

Журнал «Катализ в промышленности» был учрежден ЗАО «Калвис» в 2001 году и зарегистрирован в Министерстве РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций (свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № 77-7794 от 30 апреля 2001 г.), номер международной регистрации ISSN 1816-0387. Тираж 150 экз. Объем номера 80 полос (10 печ. листов).

С 2009 г. PLEIADES PUBLISHING, LTD издает, а издательство Springer распространяет англоязычную версию журнала — “Catalysis in Industry”.

 Журнал включен в Перечень научных изданий для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук (по состоянию на 30.11.2018). Журнал распространяется в Российской Федерации и странах СНГ. С 2001 г. он внесен в реестр подписных изданий: подписной индекс 80677 — по каталогу  ОАО «Роспечать», 40958 — по Объединенному каталогу АПР.

Журнал знакомит читателей с результатами оригинальных научных и прикладных исследований по перспективным направлениям в области катализа, с опытом промышленной эксплуатации катализаторов и каталитических технологий, с актуальными проблемами в сфере производства и  способами их решения; освещает итоги прошедших научных форумов, информирует  о предстоящих значимых событиях.

К публикации принимаются  статьи российских и зарубежных авторов.

Все статьи проходят рецензирование.

С 2001 года решением ВАК Минобразования России журнал «Катализ в промышленности» входит в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в РФ, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук».

Журнал «Catalysis in Industry» включен в международную базу SCOPUS, индексируется в Web of Science Emerging Sources Citation Index.

Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год по тематике «Химическая технология. Химическая промышленность» – 3. Место в рейтинге SCIENCE INDEX за 2017 год по тематике «Химия» – 10. Импакт-фактор РИНЦ, – 0,550. Двухлетний  импакт-фактор РИНЦ с учетом переводной версии по состоянию на 2017 г. – 1,292. Пятилетний импакт-фактор РИНЦ – 1,168 (информация на сайте http://elibrary.ru/title_profile.asp?id=7328). Журнал «Катализ в промышленности» индексируется в Web of Science Emerging Sources Citation Index.

Рассматриваемые тематики:

• Теоретические основы промышленного катализа
• Кинетика и динамика промышленных реакций
• Совмещенные каталитические процессы
• Промышленные реакторы
• Математическое моделирование всех стадий каталитического процесса
• Вопросы эксплуатации катализаторов
• Загрузка, пуск и выгрузка
• Дезактивация, регенерация, пассивация, восстановление
• Утилизация и рециклинг отработанных катализаторов
• Методики и аппараты для испытаний, контроля качества и физико-химических исследований катализаторов
• Катализ и охрана окружающей среды
• Ферменты как катализаторы биохимических процессов
• Катализ и новый тип конструкционных материалов
• Вопросы экономики и бизнеса в промышленном катализе
• История и перспективы промышленного катализа
• Технологии приготовления катализаторов, носителей и сорбентов
• Оборудование для производства и вопросы качества сырья

Катализаторы — KNT Group

Нефть и продукты ее переработки являются основным источником энергии в промышленности и транспорте. Процессы нефтепереработки по масштабу стоят на первом месте среди всех каталитических процессов. Они поставляют наибольшее количество органического сырья для химической и нефтехимической промышленности. Компания “КНТ групп” производит катализаторы для гидрогенизационных процессов (гидрокрекинг, гидроочистка), каталитического крекинга с флюидизированным катализатором FCC, а также катализаторы для нефтехимии.

Важнейшим процессом нефтепереработки является каталитический крекинг. Крекинг углеводородов – наиболее многотоннажный промышленный каталитический процесс. С помощью крекинга из нефти получается жидкое моторное топливо: бензин, дизельное и реактивное топливо. В 1949г. появились первые установки с кипящим слоем микросферического катализатора (процесс FCC), которые стали главными после перехода промышленности в 80-х гг. на новое сырье – вакуумный газойль, вместо фракций дизельного топлива. Каталитический крекинг с флюидизированным катализатором (FCC) использует мелкий порошковый катализатор, взвешенный в нефтяных парах или газе, который действует как жидкость. Катализатор крекинга FCC производимый нами — это микросферический катализатор, имеющий очень хорошую прочность к истираемости, высокую активность и не содержит добавок цеолита по типу ZSM-5.

Одной из основных тенденций развития структуры нефтепереработки является вовлечение в глубокую переработку все более тяжелых фракций нефти. В связи с этим в последнее время рост промышленности гидрокрекинга. Гидрокрекинг сочетает каталитический крекинг и каталитическое гидрирование. В катализаторах гидрокрекинга должны сочетаться гидрирующие и кислотные функции. В промышленности получили распространение катализаторы гидрокрекинга двух типов: аморфные и цеолитсодержащие. В качестве гидрирующих металлов они содержат никель, кобальт, молибден. Для усиления расщепляющей активности в катализаторы вводят аморфный алюмосиликат или цеолитсодержащий компонент. Расщепляющие и гидрирующие свойства катализаторов регулируют варьированием количества и природой соответствующих компонентов.

Гидроочистку сырья применяют для получения малосернистых бензинов, реактивных, дизельных и печных топлив, а также подготовки сырья каталитического крекинга, риформинга, гидрокрекинга. При гидроочистке происходит гидрогенолиз связей C–S, C–N, C–O, гидрирование ненасыщенных и ароматических соединений, а также разрушение металлоорганических соединений. Катализаторы гидроочистки широко распространены в основном в виде алюмокобольтмолибденовых и алюмоникельмолибденовых. В качестве носителя (матрицы) чаще всего используется активный оксид алюминия. Для различных видов сырья выбирается оптимальное количество оксидов никеля, молибдена и кобальта, вид и количество промотирующей добавки, а так же другие способы активации и модификации.

Технологические и производственные возможности компании КНТ групп позволяют выпускать широкий спектр катализаторов, отвечающих евростандартам, а также индивидуальным требованиям заказчика.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, называемое энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления в ходе реакции, оно называется катализатором или катализатором . Действие катализатора называется катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции.При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах. В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях.В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей. Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение.Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в употребление в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что определенные химические вещества ускоряют реакцию. Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих упомянул «контактные процессы», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии».«Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, названная лампой Доберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом общей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции.Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их.Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии.Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор — это катализатор, который находится в той же фазе, что и реагенты.Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Гетерогенные катализаторы

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. ^[1] Химические связи в подложке становятся достаточно ослабленными для образования новых. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены. Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Гомогенные катализаторы

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ). Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются.Вот некоторые из простейших реакций.

Cl • + O ₃ → ClO • + O ₂

ClO • + O ₃ → Cl • + 2 O ₂

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Большинство ферментов являются белками, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, называемые дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью.Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией. Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что каталитический путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо более высокими скоростями, определенными способами или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции.Они оказывают № влияние на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей СИ для измерения «каталитической активности» катализатора является катал (моль в секунду). В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON).В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным. Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его.Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. ^[2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей. «Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление окиси углерода до двуокиси углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Другие примеры катализаторов и их применения следующие.

• Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.

• Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях методом, известным как контактный процесс .

• Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших молекул углеводорода на более простые — процесса, известного как крекинг .

• Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализаторами , а их действие называется биокатализ .

• Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.

• Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта.Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.

• Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.

• Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Список литературы

1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества.В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателя и редактора переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, называемое энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления в ходе реакции, оно называется катализатором или катализатором . Действие катализатора называется катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции.При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах. В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях.В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей. Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение.Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в употребление в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что определенные химические вещества ускоряют реакцию. Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих упомянул «контактные процессы», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии».«Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, названная лампой Доберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом общей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции.Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их.Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии.Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор — это катализатор, который находится в той же фазе, что и реагенты.Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Гетерогенные катализаторы

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. ^[1] Химические связи в подложке становятся достаточно ослабленными для образования новых. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены. Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Гомогенные катализаторы

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ). Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются.Вот некоторые из простейших реакций.

Cl • + O ₃ → ClO • + O ₂

ClO • + O ₃ → Cl • + 2 O ₂

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Большинство ферментов являются белками, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, называемые дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью.Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией. Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что каталитический путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо более высокими скоростями, определенными способами или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции.Они оказывают № влияние на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей СИ для измерения «каталитической активности» катализатора является катал (моль в секунду). В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON).В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным. Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его.Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. ^[2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей. «Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление окиси углерода до двуокиси углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Другие примеры катализаторов и их применения следующие.

• Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.

• Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях методом, известным как контактный процесс .

• Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших молекул углеводорода на более простые — процесса, известного как крекинг .

• Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализаторами , а их действие называется биокатализ .

• Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.

• Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта.Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.

• Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.

• Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Список литературы

1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества.В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателя и редактора переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, называемое энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления в ходе реакции, оно называется катализатором или катализатором . Действие катализатора называется катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции.При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах. В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях.В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей. Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение.Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в употребление в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что определенные химические вещества ускоряют реакцию. Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих упомянул «контактные процессы», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии».«Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, названная лампой Доберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом общей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции.Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их.Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии.Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор — это катализатор, который находится в той же фазе, что и реагенты.Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Гетерогенные катализаторы

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. ^[1] Химические связи в подложке становятся достаточно ослабленными для образования новых. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены. Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Гомогенные катализаторы

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ). Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются.Вот некоторые из простейших реакций.

Cl • + O ₃ → ClO • + O ₂

ClO • + O ₃ → Cl • + 2 O ₂

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Большинство ферментов являются белками, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, называемые дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью.Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией. Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что каталитический путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо более высокими скоростями, определенными способами или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции.Они оказывают № влияние на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей СИ для измерения «каталитической активности» катализатора является катал (моль в секунду). В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON).В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным. Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его.Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. ^[2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей. «Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление окиси углерода до двуокиси углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Другие примеры катализаторов и их применения следующие.

• Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.

• Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях методом, известным как контактный процесс .

• Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших молекул углеводорода на более простые — процесса, известного как крекинг .

• Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализаторами , а их действие называется биокатализ .

• Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.

• Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта.Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.

• Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.

• Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Список литературы

1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества.В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателя и редактора переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Catalyst — New World Encyclopedia

Каталитический преобразователь на Saab 9-5.

Для химической реакции требуется определенное минимальное количество энергии, называемое энергией активации . Если вещество может снизить эту энергию активации без изменения или потребления в ходе реакции, оно называется катализатором или катализатором . Действие катализатора называется катализ .

Катализатор снижает энергию активации, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции.При этом каталитический агент заставляет реакцию протекать быстрее и при более низкой температуре, чем некаталитическая реакция. Кроме того, если данная реакция может давать множество продуктов, катализатор может помочь направить реакцию на образование определенной подгруппы продуктов.

Катализаторы играют важную роль в биологических системах и промышленных процессах. В живых организмах ферменты катализируют многочисленные биохимические реакции, поддерживающие жизнь, и участвуют в росте и репродуктивных функциях.В промышленности катализаторы используются в широком спектре производственных процессов, включая производство аммиака, серной кислоты, полимеров и заменителей нефтепродуктов. В промышленно развитых странах, пожалуй, наиболее известным примером использования катализаторов является каталитический нейтрализатор — устройство, разрушающее вредные вещества в выхлопных газах автомобилей. Исследования катализа и использования катализаторов продолжают оставаться в центре внимания многих исследователей в чистых и прикладных науках.

В более общем смысле термин катализатор может применяться к любому агенту (включая человека или группу), который вызывает ускоренное изменение.Например, кого-то можно назвать «катализатором политических перемен».

История и этимология

Термин катализ был введен в употребление в 1835 году Йенсом Якобом Берцелиусом, который отметил, что определенные химические вещества ускоряют реакцию. Слово происходит от греческого существительного κατάλυσις, связанного с глаголом καταλύειν, означающим «растворяться», «аннулировать», «развязывать» или «поднимать».

Примерно в то же время химик Александр Мичерлих упомянул «контактные процессы», а Иоганн Вольфганг Доберейнер говорил о «контактном действии».«Доберейнер работал над использованием платины в качестве катализатора и изобрел зажигалку, которая зажигалась под действием водорода на платиновую губку. Эта зажигалка, названная лампой Доберейнера, имела огромный коммерческий успех в 1820-х годах.

Общий каталитический процесс

Катализатор участвует в одной или нескольких стадиях реакции, но обычно он не является реагентом или продуктом общей реакции, которую он катализирует. Исключением из этого правила является процесс, известный как автокатализ , в котором продукт реакции действует как катализатор реакции.Вещество, подавляющее действие катализатора, называется ингибитором ; тот, который ускоряет действие катализатора, называется промотором .

Катализатор может реагировать с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного химического соединения, которое впоследствии вступает в реакцию с образованием конечного продукта реакции. В общем процессе катализатор регенерируется. В качестве альтернативы катализатор может обеспечивать поверхность, с которой связываются реагенты, облегчая их реакцию, сближая их.Образующиеся продукты высвобождаются из катализатора.

Рассмотрим следующую схему реакции, в которой C представляет собой катализатор, A и B являются реагентами, а D является продуктом реакции A и B.

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Здесь катализатор (C) расходуется на реакцию на первой стадии, но регенерируется на четвертой стадии.Таким образом, общую реакцию можно записать как:

A + B + C → D + C

Типы катализаторов

Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными. Биологические катализаторы (или биокатализаторы) часто выделяют в отдельную группу.

Гетерогенный катализатор — это катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов. Например, твердый катализатор можно использовать в жидкой реакционной смеси. С другой стороны, гомогенный катализатор — это катализатор, который находится в той же фазе, что и реагенты.Например, катализатор может быть растворен в жидкой реакционной смеси.

Гетерогенные катализаторы

Простая модель гетерогенного катализа включает катализатор, обеспечивающий поверхность, на которой реагенты (или субстраты) временно адсорбируются. ^[1] Химические связи в подложке становятся достаточно ослабленными для образования новых. По мере того как продукты образуются, они относительно слабо связываются с катализатором и, следовательно, высвобождаются. Известны различные возможные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция.

Например, рассмотрим процесс Габера по производству аммиака из азота и водорода. В этом случае мелкодисперсное железо действует как гетерогенный катализатор. Поскольку молекулы реагента (водород и азот) связываются с катализатором, этот процесс связывания имеет два эффекта: во-первых, молекулы сближаются ближе, чем они были бы в газовой фазе; во-вторых, их внутренние связи ослаблены. Таким образом, катализатор позволяет молекулам реагента реагировать быстрее, чем если бы они оставались в газовой фазе.

Гомогенные катализаторы

При гомогенном катализе сам катализатор может быть преобразован на ранней стадии реакции, и он регенерируется к концу реакции. Примером может служить разложение озона свободными радикалами хлора (свободными атомами хлора). Свободные радикалы хлора образуются под действием ультрафиолетового излучения на хлорфторуглероды (ХФУ). Эти свободные радикалы реагируют с озоном с образованием молекул кислорода, а свободные радикалы хлора регенерируются.Вот некоторые из простейших реакций.

Cl • + O ₃ → ClO • + O ₂

ClO • + O ₃ → Cl • + 2 O ₂

Биологические катализаторы

В природе ферменты являются катализаторами биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Большинство ферментов являются белками, но некоторые ферменты, называемые рибозимами , состоят из РНК. Было обнаружено, что некоторые молекулы ДНК, называемые дезоксирибозимами , обладают каталитической активностью.Кроме того, некоторые антитела, обычно полученные искусственно, обладают каталитической активностью и называются абзимами .

Энергетика реакций

Катализаторы

работают, обеспечивая альтернативный механизм химической реакции — механизм, который снижает энергию активации по сравнению с некаталитической реакцией. Это означает, что катализаторы уменьшают количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Кроме того, «переходное состояние» (нестабильный переходный промежуточный продукт), образованное реагентами во время каталитической реакции, обычно отличается от того, которое образуется во время некаталитической реакции.

Диаграмма энергетического профиля справа показывает, что каталитический путь (красный) имеет более низкую энергию активации, чем некаталитический путь (синий). Кроме того, это показывает, что чистое изменение энергии для всей реакции одинаково, независимо от того, используется ли катализатор или нет.

Таким образом, катализаторы могут позволить реакциям протекать с гораздо более высокими скоростями, определенными способами или при более низких температурах. Кроме того, некоторые реакции протекают только в присутствии катализатора.

Катализаторы не могут вызвать энергетически неблагоприятные реакции.Они оказывают № влияние на химическое равновесие реакции, потому что на скорость прямой и обратной реакций в равной степени влияет катализатор.

Производной единицей СИ для измерения «каталитической активности» катализатора является катал (моль в секунду). В биохимии каталитическая активность фермента измеряется в единицах фермента.

Активность катализатора также может быть описана оборотным числом (TON).В энзимологии число оборотов определяется как максимальное количество молей субстрата, которое фермент может преобразовать в продукт на один каталитический сайт (фермента) в единицу времени. В других областях химии число оборачиваемости (TON) определяется как количество молей субстрата, которое моль катализатора может преобразовать до того, как катализатор станет инактивированным. Термин частота оборота (TOF) используется для обозначения оборота в единицу времени, как в энзимологии.

Отравление катализатора

Катализатор может быть отравлен, если другое соединение (подобное ингибитору) изменяет его химически или связывается с ним, но не высвобождает его.Такие взаимодействия эффективно разрушают полезность катализатора, поскольку он больше не может участвовать в реакции, которую он должен был катализировать. Обычными каталитическими ядами являются свинец, сера, цинк, марганец и фосфор.

Приложения

По некоторым оценкам, 60% всех промышленных химических продуктов требуют катализаторов на той или иной стадии в процессе их производства. ^[2] Наиболее эффективными катализаторами обычно являются переходные металлы или комплексы переходных металлов.

Каталитический нейтрализатор автомобиля — хорошо известный пример использования катализаторов. В этом устройстве в качестве катализаторов могут использоваться платина, палладий или родий, поскольку они помогают разрушать некоторые из наиболее вредных побочных продуктов выхлопных газов автомобилей. «Трехкомпонентный» каталитический нейтрализатор выполняет три задачи: (а) восстановление оксидов азота до азота и кислорода; (б) окисление окиси углерода до двуокиси углерода; и (c) окисление несгоревших углеводородов до диоксида углерода и воды.

Другие примеры катализаторов и их применения следующие.

• Массовое производство полимера, такого как полиэтилен или полипропилен, катализируется агентом, известным как катализатор Циглера-Натта, который основан на хлориде титана и соединениях алкилалюминия.

• Оксид ванадия (V) представляет собой катализатор для производства серной кислоты в высоких концентрациях методом, известным как контактный процесс .

• Оксид алюминия и кремнезем являются катализаторами расщепления больших молекул углеводорода на более простые — процесса, известного как крекинг .

• Ряд ферментов используется для химических превращений органических соединений. Эти ферменты называются биокатализаторами , а их действие называется биокатализ .

• Электроды топливного элемента покрыты катализатором, таким как платина, палладий или наноразмерный порошок железа.

• Процесс Фишера-Тропша — это химическая реакция, в которой окись углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды в присутствии катализаторов на основе железа и кобальта.Этот процесс в основном используется для производства синтетического нефтяного заменителя топлива или смазочного масла.

• Реакции гидрирования, которые включают добавление водорода к органическим соединениям, таким как алкены или альдегиды, требуют катализатора, такого как платина, палладий, родий или рутений.

• Ряд химических реакций катализируется кислотами или основаниями.

См. Также

Список литературы

1. ↑ Обратите внимание, что термин «адсорбция» означает связывание с поверхностью вещества.В этом случае реагенты связываются с поверхностью катализатора.
2. ↑ «Признание лучших в инновациях: прорывный катализатор», R&D Magazine , сентябрь 2005 г., стр. 20.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 17 января 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателя и редактора переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Определение катализатора от Merriam-Webster

кошка · а · Lyst | \ Ka-tə-ləst \

1 : вещество, которое позволяет химической реакции протекать обычно с большей скоростью или в других условиях (например, при более низкой температуре), чем это возможно в других случаях.

2 : агент, который провоцирует или ускоряет значительные изменения или действия. Этот водный путь стал катализатором индустриализации области.Он был катализатором восстания туземцев.

Катализатор: Ссылки — История

ИСТОРИЯ ХИМИИ

---

(Все ссылки на внешние сайты будут открываться в отдельном окне браузера)

Временная шкала атомной структуры
Хороший сайт, в котором рассказывается об основных моментах открытия атомной структуры.
http://www.watertown.k12.wi.us/hs/teachers/buescher/atomtime.asp

Выпуск
, посвященный 75-летию C&EN «… C&EN существовала на протяжении периода значительного роста и жизнеспособности химического предприятия — периода, в течение которого химия изменил лицо мира. Этот специальный выпуск посвящен тому, чтобы запечатлеть суть и аромат тех 75 лет ». очень хорошая история химии в этом выпуске Chemical & Engineering News. Ниже приведены интересные ссылки.
http://pubs.acs.org/hotartcl/cenear/980112/master.html

Фонд химического наследия
Фонд химического наследия (CHF) стремится продвигать наследие химического и молекулярного науки, управляя исторической исследовательской библиотекой; обнаружение и распространение информации об исторических ресурсах; поощрение исследований, стипендий и популярной литературы; издательский исторические материалы; ведение устных историй; создание экспонатов; и принимая другие подходящие шаги по популяризации достижений ученых и инженеров-химиков и молекулярных специалистов, а также смежные науки, технологии и отрасли.Фонд занимается широким спектром образовательные мероприятия и программы, ориентированные на широкую публику, студентов и ученых. Швейцарский франк была основана Американским химическим обществом и Американским институтом инженеров-химиков. Чтобы получить представление о работе, которую производит CHF, ознакомьтесь с публикациями «Химические достижения», часть раздела «Образовательные услуги» на их веб-сайте.
http://www.chemheritage.org/

Фотогалерея ChemTeam
Эта страница сайта ChemTeam представляет собой меню со списком имеющихся у них изображений людей и вещей, имеющих отношение к открытиям в химии.
http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/Gallery/GalleryMenu.html

Классическая химия
Основная цель сайта Классической химии Кармен Джунта — разместить тексты нескольких классических статей из история химии. Этот сайт также содержит указатели на несколько других сайтов, связанных с химией, и ссылку «На этой неделе в История химии », включая ссылки на сайты, посвященные указанному человеку или событиям.
http://webserver.lemoyne.edu/faculty/giunta/

Открытие электрона
Этот сайт описывает историю электрона и его первооткрывателя Дж.Дж. Томсон.
http://www.aip.org/history/electron/

Дмитрий Менделеев Онлайн
Этот веб-сайт является частью веб-сайта МГУ и представляет собой «исчерпывающий обзор великого русского химика. Дмитрий Менделеев ».
http://www.chem.msu.ru/rus/misc/mendeleev/welcome.html

Elementistory
Эта периодическая таблица содержит исторические данные, относящиеся к элементам.
http://smallfry.dmu.ac.uk/chem/periodic/elementi.html

Elementymology & Elements Multidict
Этот сайт содержит страницу, на которой приведены (по странам) даты открытия и первооткрывателя каждого химического элемента. Есть также информация о происхождении названий химических элементов и многоязычный словарь названий элементов на более чем 40 языках.
http://www.vanderkrogt.net/elements/

History of the Periodic Table
Очень хорошая страница, описывающая историю периодической таблицы Менделеева.
http://www.periodictable.com/pages/AAE_History.html

История науки
Этот сайт разбит на разные периоды истории химии. Каждый период содержит много информации. и дополнительную отдельную страницу с подробной информацией для большинства упомянутых людей. (Из Технологического университета Мичигана)
http://chemistry.mtu.edu/PAGES/HISTORY/HomePage.html

Домашняя страница Авогадро
Эта страница посвящена Амадео Авогадро и дает прекрасную небольшую справку об этом человеке, его вкладе в химия, и номер назван в его честь.
http://avogadro.che.hw.ac.uk/avoga.html

HyperChemistry в Интернете — Краткая история химии
Этот сайт содержит информацию, касающуюся истории химии, восходящей к доисторическим временам. Он разбивает эту историю на четыре основных сегмента.
http://library.thinkquest.org/2690/hist/history.html

Празднование столетия Линуса Полинга
Комитет по наследию Полинга при Университете штата Орегон предоставил эти страницы информации об этом человеке и его достижениях.
http://pauling.library.orst.edu/index.htm

Мария Склодовская-Кюри
Этот сайт посвящен Марии Склодовской-Кюри и содержит большое количество информации, ссылок и многого другого.
http://hum.amu.edu.pl/~zbzw/ph/sci/msc.htm

Периодическая таблица элементов в Национальной лаборатории Лос-Аламоса
Эта периодическая таблица элементов предоставляет историческую информацию о каждом из элементов.
http://pearl1.lanl.gov/periodic/

Выдающиеся деятели физики
На этой странице представлена ​​биографическая информация о многих выдающихся физиках на протяжении всей истории.В этот список включены физики. кто повлиял на область химии.
http://www.newlisbon.k12.wi.us/physicists/home.html

Радиоактивность: исторические фигуры
Веб-статья, посвященная четырем основным ученым, ответственным за открытие радиоактивности. Связанная статья на том же сайте («Открытие радиоактивности: рассвет ядерного века») предоставляет дополнительные информация об обнаружении радиоактивности.
http: // www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.html
http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/radioactivity.html

SCETI: Skeptical Chymist Роберта Бойля (1661)
Этот сайт содержит виртуальное факсимиле оригинальной копии книги Бойля The Skeptical Chymist .
http://dewey.library.upenn.edu/sceti/printedbooksNew/index.cfm?textID=boyle_chymist&PagePosition=1

Научная филателия: отборная история науки на марках
Этот интересный сайт содержит поистине уникальное путешествие по истории каждой научной дисциплины, дополненное изображениями многих марок.
http://ublib.buffalo.edu/libraries/asl/exhibits/stamps/

Гленн Т. Сиборг

• Жизнь Гленна Т. Сиборга
  Центр Гленна Т. Сиборга является частью Колледжа искусств и наук Университета Северного Мичигана. Они предоставляют эти страницы информации о человеке и его достижениях.
  http://seaborg.nmu.edu/gts/
• Гленн Сиборг — Его жизнь и вклад
  «Этот веб-сайт ведет хронику монументальной жизни Гленна Сиборга.»Он имеет значительное количество информация, в том числе руководство для учителя.
  http://www.lbl.gov/seaborg/

На этой неделе в истории химии

Эти ссылки содержат важные исторические события, связанные с химическим составом на текущую неделю.
Сайт классической химии Кармен Джунты
Американское химическое общество

1992 WWNFF Институт истории химии
Институт истории химии 1992 г. при Принстонском университете собрал 50 участников из школ со всех концов США.Они собрались поделиться идеями о включении истории в школьную программу химии. На этом сайте собраны плоды их труда, в том числе биографические очерки известных химиков. и письменные задания учителя для использования в классе.
http://step.sdsc.edu/projects95/chem.in.history/introduction.html

История химии: 1992 Летний институт WWNFF
Национальный фонд стипендий Вудро Вильсона отвечал за Институт истории химии 1992 года (вверху).Теперь у них есть эта информация на своих собственный сайт. Этот сайт также содержит результаты семинара, в том числе биографические очерки об известных химиках и письменные задания учителей для использования в классе.
http://www.woodrow.org/teachers/ci/1992/

100 выдающихся европейских химиков
Федерация европейских химических обществ инициировала в качестве Проекта тысячелетия празднование Дня выдающихся химиков. Европейские химики на протяжении более двухсот лет, начиная с конца 18 века.Этот был их окончательный список. Вместе с каждым именем приводится краткая биография и подробности их достижений.
http://www.chemsoc.org/networks/enc/fecs/100chemists.htm

[вверху]

История | Хальдор Топсе

Почти 80 лет назад Хальдор Топсе основал новую компанию, основанную на катализе. Интерес доктора Топсе к химии и катализу возник во время его изучения физики у известного профессора Нильса Бора в Институте Нильса Бора в Копенгагене.Именно здесь доктор Топсе впервые увидел потенциал катализа.

В 1940 году катализ был малоиспользуемым химическим процессом, но доктор Топсе полагал, что однажды он сможет удовлетворить огромные неудовлетворенные потребности промышленности и в то же время принести пользу обществу. Эта идея оказалась пророческой, учитывая огромное значение катализа сегодня.

В 1944 году, всего через четыре года после основания компании, она поставила покупателям свой первый продукт, что позволило использовать катализ для ускорения производства серной кислоты.Этот продукт — первый из того, что впоследствии станет серией катализаторов VK Топсе, — был воплощен в жизнь путем объединения фундаментальных научных исследований в области катализа с потребностями конкретной промышленности для разработки высокоэффективных продуктов.

В 1958 году Хальдор Топсе купил ферму Linderupgaard в Фредериксунде, где сегодня находится завод по производству катализаторов. Производство катализатора началось в следующем году.

С 1975 года штаб-квартира находится в Равнхольме к северу от Копенгагена.Окрестности прекрасны — полностью соответствуют идее доктора Топсе: Топсе должно быть хорошим местом для работы — и для работы.

Мир сильно изменился, но видение, на основе которого доктор Топсе основал свою компанию, подразумевающее использование потенциала катализа и научных результатов и их применение в промышленности, по-прежнему остается основой компании. Катализ стал неотъемлемой частью современного мира. Фактически, сейчас он используется для производства 90% всех промышленных химических продуктов.Катализ может удешевить дорогие процессы, помочь накормить голодных, превратить бесполезные отходы в ценные товары и даже очистить воздух, которым мы дышим.

Сегодня Haldor Topsoe поставляет широкий спектр катализаторов и технологических процессов, необходимых для производства чистого топлива из сырой нефти и отходов, удаления вредных выбросов электростанций и повышения эффективности промышленных процессов.

Катализаторы Haldor Topsoe используются при производстве 50% мировых удобрений, помогая сельскохозяйственной отрасли удовлетворить мировой спрос на продукты питания.