KATALIZA

1

18351835. . –– BerzeliusBerzelius pregled eksperimentalnihpregled eksperimentalnihrezultata reakcija u prisustvu supstancirezultata reakcija u prisustvu supstancikoje se u procesu nisu menjale.koje se u procesu nisu menjale.Kataliza Kataliza –– katalizatorikatalizatori

Kraj 19.Kraj 19.veka veka -- Razrañen je kontaktni proces za Razrañen je kontaktni proces za

dobijanje Hdobijanje H22SOSO44

1918.1918. -- Haber i BoschHaber i Bosch rereššili su problem ili su problem sinteze sinteze amonijaka amonijaka –– katalizator na bazi Fekatalizator na bazi Fe

II sv. rat II sv. rat –– razvijeni su katalitirazvijeni su katalitiččki postupci zaki postupci zaproizvodnju proizvodnju benzinabenzina, , sintetisintetiččke gumeke gume iidrugih drugih stratestratešških materijalakih materijala

Danas Danas –– 70%70% celokupne celokupne hemijskehemijske industrijeindustrijeNovi proizvodiNovi proizvodi –– kataliza u kataliza u 90%90%

Haber1918 Nobelova nagrada

Berzelius Jons (1779-1848)

2

••Homogena katalizaHomogena kataliza

•• Heterogena katalizaHeterogena kataliza

Kataliza je promena brzine hemijske rekcijeKataliza je promena brzine hemijske rekcijeu prisustvu katalizatora.u prisustvu katalizatora.

Katalizator:Katalizator:-- stupa u intermedijarnu reakciju sa reaktantima,stupa u intermedijarnu reakciju sa reaktantima,-- menja brzinu hemijske reakcijemenja brzinu hemijske reakcije-- na kraju reakcije ostaje hemijski nepromenjenna kraju reakcije ostaje hemijski nepromenjen

OSOBINE KATALIZATORAOSOBINE KATALIZATORA

1.Katalizator UBRZAVA ili USPORAVA hemijsku

reakciju:

- POZITIVNA kataliza

- NEGATIVNA kataliza

Inhibicija ≠ negativna kataliza

1.1.Katalizator UBRZAVA ili USPORAVA hemijsku Katalizator UBRZAVA ili USPORAVA hemijsku

reakciju:reakciju:

-- POZITIVNA katalizaPOZITIVNA kataliza

-- NEGATIVNA katalizaNEGATIVNA kataliza

Inhibicija Inhibicija ≠≠ negativna katalizanegativna kataliza

3


2.2.Katalizatori OSTAJU HEMIJSKI NEPROMENJENI Katalizatori OSTAJU HEMIJSKI NEPROMENJENI posle izvrposle izvrššene reakcije,ene reakcije,

ali se FIZIali se FIZIČČKI MOGU PROMENITIKI MOGU PROMENITI

((Pt Pt –– rereššetka posle kraetka posle kraćće upotrebe postaje grubae upotrebe postaje gruba ))


3.3.KATALIZATOR NE UTIKATALIZATOR NE UTIČČE NA TERMODINAMIE NA TERMODINAMIČČKE KE USLOVE POD KOJIMA SE ODIGRAVAJU HEMIJSKE USLOVE POD KOJIMA SE ODIGRAVAJU HEMIJSKE

REAKCIJE (REAKCIJE (∆∆∆∆∆∆∆∆G)G)

Reakcija se odigrava spontano ako je Reakcija se odigrava spontano ako je

∑∑∑∑∑∑∑∑ −−−−====∆∆∆∆ RP GGG

∑∑∑∑∑∑∑∑ <<<< RP GG

0====∆∆∆∆ rkatalizatoG KPKR ++++→→→→++++

4

OSOBINE KATALIZATORAOSOBINE KATALIZATORA4.4.

KATALIZATOR NE UTIKATALIZATOR NE UTIČČE NA POLOE NA POLOŽŽAJ RAVNOTEAJ RAVNOTEŽŽE KOD E KOD POVRATNIH REAKCIJAPOVRATNIH REAKCIJA

Katalizator podjednako ubrzava (ili usporava) reakciju u oba Katalizator podjednako ubrzava (ili usporava) reakciju u oba smera, ali ne utismera, ali ne utičče na poloe na položžaj ravnoteaj ravnotežže, tj. na Ke, tj. na K

DCBAk

k++++++++ →→→→

←←←←1

2 2

1

kk

K ====

KRTG ln−−−−====∆∆∆∆0====∆∆∆∆ rkatalizatoG .constG ====∆∆∆∆ .constK ====


5.5.

KATALITIKATALITIČČKO DEJSTVO NE PODRAZUMEVA KO DEJSTVO NE PODRAZUMEVA STEHIOMETRIJSKI ODNOS IZMEðU KATALIZATORA I STEHIOMETRIJSKI ODNOS IZMEðU KATALIZATORA I

REAKTANTAREAKTANTA

KoliKoliččine katalizatora su veoma male u odnosu naine katalizatora su veoma male u odnosu nakolikoliččine reaktanata ine reaktanata

(0.5 mol koloid(0.5 mol koloidnene Pt Pt -- 10108 8 dmdm33 HH22OO22))

5


6.6.

SELEKTIVNOSTSELEKTIVNOST

Dva katalizatora mogu jednu hemijsku reakciju usmer iti Dva katalizatora mogu jednu hemijsku reakciju usmer iti u DVA RAZLIu DVA RAZLI ČČITA PRAVCAITA PRAVCA

PtPt

MnOMnO22

OHNOONHPt

223 6454 ++++++++ →→→→←←←←

OHONONHMnO

2223 62442

++++++++ →→→→←←←←


7.7.

AKTIVNOSTAKTIVNOST

Jednog katalizatora ograniJednog katalizatora ograni ččene je naene je na-- samo jednu reakcijusamo jednu reakciju

-- vivi šše grupa hemijskih reakcijae grupa hemijskih reakcija(okdidoreakcije, dehidratacije, polimerizacija...)(okdidoreakcije, dehidratacije, polimerizacija...)

6

MEHANIZAM KATALITIMEHANIZAM KATALITIČČKOG DEJSTVAKOG DEJSTVA

•• SloSložženiji mehanizameniji mehanizam

•• Broj i priroda intermedijarnih reakcija zavise od prirode Broj i priroda intermedijarnih reakcija zavise od prirode reakcije, vrste katalizatora i uslova rada.reakcije, vrste katalizatora i uslova rada.

•• Reakcija se odigrava Reakcija se odigrava ““zaobilaznimzaobilaznim”” putem, a brzina putem, a brzina reakcije je mnogo vereakcije je mnogo većća! Kako objasniti?a! Kako objasniti?

•• Odgovor:Odgovor:

BROJ EFIKASNIH SUDARA MOLEKULABROJ EFIKASNIH SUDARA MOLEKULA


•• SudarSudar –– potreban ali ne i potreban ali ne i dovoljan uslov za reakciju.dovoljan uslov za reakciju.

•• EEa a –– energija aktivacijeenergija aktivacije

•• Ako je Ako je ĒĒ < < EEaa mali broj mali broj efikasnih sudara efikasnih sudara –– reakcija reakcija tetečče sporo.e sporo.

•• CILJ: CILJ: POVEPOVEĆĆATI BRZINU REAKCIJEATI BRZINU REAKCIJE

RTaE

eAk−−−−

⋅⋅⋅⋅====

7


1.1. POVEPOVEĆĆANJE BROJAANJE BROJA MOLEKULA KOJI IMAJU MOLEKULA KOJI IMAJU POTREBNU ENERGIJU EPOTREBNU ENERGIJU Eaa

2.2. VOðENJE REAKCIJE NOVIM PUTEM KOJI VOðENJE REAKCIJE NOVIM PUTEM KOJI TETEČČE PREKO E PREKO MANJIH ENERGETSKIH MANJIH ENERGETSKIH BARIJERABARIJERA

POVEPOVEĆĆANJE BROJA MOLEKULA KOJI IMAJU ANJE BROJA MOLEKULA KOJI IMAJU POTREBNU ENERGIJU EPOTREBNU ENERGIJU Eaa

•• PrimerPrimer: dobijanje vode iz vodonika i kiseonika, veliko E: dobijanje vode iz vodonika i kiseonika, veliko Eaa•• Katalizator PtKatalizator Pt: razlaganje H: razlaganje H22 i Oi O22 na povrna površšini i stvaranja ini i stvaranja hidroksida koji sadrhidroksida koji sadržži akumuliranu energiju prethodne i akumuliranu energiju prethodne reakcije.reakcije.

•• Atom vodonika ima akumuliranu energijuAtom vodonika ima akumuliranu energiju

•• Aktivni OH ponovo gradi vodu, a aktivni kiseonik sa HAktivni OH ponovo gradi vodu, a aktivni kiseonik sa H2 2 gradi nove aktivne oblike gradi nove aktivne oblike –– lanlanččana reakcijaana reakcija

•• Uloga katalizatora: da omoguUloga katalizatora: da omogućći stvaranje aktivnih oblika i stvaranje aktivnih oblika koji mogu da akumuliraju energiju i produkoji mogu da akumuliraju energiju i produžže lanace lanac

HOHOHH ++++→→→→++++ 22

OOHOH ++++→→→→++++ 2

HOHHO ++++→→→→++++ 2

8

VOðENJE REAKCIJE NOVIM PUTEM KOJI TEVOðENJE REAKCIJE NOVIM PUTEM KOJI TEČČE E PREKO MANJIH ENERGETSKIH BARIJERAPREKO MANJIH ENERGETSKIH BARIJERA

•• PovePoveććava se broj efikasnih sudara molekula ava se broj efikasnih sudara molekula reaktanata.reaktanata.

•• Stvaraju se nestabilni intermedijeri izmeñuStvaraju se nestabilni intermedijeri izmeñu

reaktanata i katalizatora.reaktanata i katalizatora.

•• Intermedijeri se veoma brzo transformiIntermedijeri se veoma brzo transformiššu.u.

Veliki broj intermedijernih stupnjeva sa malim energijama Veliki broj intermedijernih stupnjeva sa malim energijama aktivacije aktivacije –– krajnji rezultat brzina znatno vekrajnji rezultat brzina znatno većća od one a od one kojom bi se odigrala direktna reakcija bez katalizatora.kojom bi se odigrala direktna reakcija bez katalizatora.

9

KABBAKKBA ++++→→→→++++→→→→++++++++

Primer: Primer: hidrogenovanje etilenahidrogenovanje etilena

rkatalizatočvrst 2

22

L

L

L

K

HB

CHCHA ====

KatalizatoriKatalizatori NiNi,, PdPd,, PtPt,, Ru,Ru, Rh,Rh, CoCo

1Reaktanti su u

rastvoru

2Reaktanti se adsorbuju, veze u molekulima reaktanata slabe

10

3Veze u molekulima reaktanta se raskidaju

4Formiraju se nove veze izmeñu adsorbovanih H i C atoma

5Formira se i druga C-H veza, zasićeni proizvod difunduje sa površine katalizatora i oslobaña površinu za nove reaktante.

Proizvode ove reakcije Proizvode ove reakcije koristite svakodnevno!koristite svakodnevno!

Hidrogenacijom biljnih ulja Hidrogenacijom biljnih ulja nastaje nastaje margarinmargarin..

11

HOMOGENA KATALIZAHOMOGENA KATALIZA

•• Homogene katalitiHomogene katalitiččke reakcije odigravaju se u ke reakcije odigravaju se u JEDNOJ FAZI.JEDNOJ FAZI.

•• U istoj fazi su svi uU istoj fazi su svi uččesnici reakcije: katalizator, esnici reakcije: katalizator, reaktanti, intermedijeri i proizvodi reakcije.reaktanti, intermedijeri i proizvodi reakcije.

•• U GASNOJ FAZIU GASNOJ FAZI

•• U TEU TEČČNOJ FAZINOJ FAZI

HOMOGENA KATALIZA U GASNOJ FAZIHOMOGENA KATALIZA U GASNOJ FAZI

•• Primer: Primer:

Uticaj pare joda kao katalizatora naUticaj pare joda kao katalizatora na razlaganje etrarazlaganje etra(nekoliko % J(nekoliko % J2 2 povepoveććava brzinu nekoliko stotina puta)ava brzinu nekoliko stotina puta)

Katalizator smanjuje energiju aktivacijeKatalizator smanjuje energiju aktivacijesa sa EEa a = 222 kJmol= 222 kJmol--11 na na EEa a = 142 kJmol= 142 kJmol--11

[[[[ ]]]] 222 ProizvodietarEtar JJJ ++++→→→→⋅⋅⋅⋅→→→→++++

12

HOMOGENA KATALIZA U TEHOMOGENA KATALIZA U TE ČČNOJ FAZINOJ FAZI•• NajNajččeeššćće e -- kiselinskokiselinsko--bazna kataliza bazna kataliza

(primanje i odavanje protona)(primanje i odavanje protona)

•• Primer: Primer: Inverzija saharoze uzInverzija saharoze uz kiselinu kao katalizator kiselinu kao katalizator

•• KatalitiKatalitiččko dejstvo ko dejstvo kiseline kiseline –– prenos protona sa kiseline na prenos protona sa kiseline na reaktantereaktante

•• KatalitiKatalitiččko dejstvo ko dejstvo baze baze –– prenos protona sa reaktanta na bazuprenos protona sa reaktanta na bazu

→→→→++++++++ HAOHOHC 2112212

HAOHC ++++→→→→ 61262

[[[[ ]]]] →→→→++++⋅⋅⋅⋅→→→→ OHHAOHC 2112212

HETEROGENA KATALIZAHETEROGENA KATALIZA

•• Reaktanti i proizvodiReaktanti i proizvodi reakcije nalaze se reakcije nalaze se -- u istoj fazi (gasnoj ili teu istoj fazi (gasnoj ili teččnoj) ili noj) ili -- u gasnou gasno--teteččnoj fazinoj fazi

•• KatalizatorKatalizator je u je u ččvrstoj fazi.vrstoj fazi.

•• KatalitiKatalitiččke reakcijeke reakcije se odigravaju na povrse odigravaju na površšini ini ččvrste vrste fazefaze

•• Primer:Primer: hidrogenovanje etilenahidrogenovanje etilena

**

13

Anodna reakcijaAnodna reakcija

HH22 2H2H++++ 2e2e--

Katodna reakcijaKatodna reakcija

½½OO22 ++ 2H2H++ ++ 2e2e-- HH22OO

Ukupna reakcijaUkupna reakcija

HH22 ++½½OO22 HH22OO

14

NEGATIVNA KATALIZANEGATIVNA KATALIZA

•• Usporava hemijsku reakcijuUsporava hemijsku reakciju

•• Negativni katalizatoriNegativni katalizatori

•• Mehanizam:Mehanizam:

1. Negativni katalizator jedini se sa pozitivnim i 1. Negativni katalizator jedini se sa pozitivnim i uklanja ga iz reakcije.uklanja ga iz reakcije.

2. Negativni katalizator prekida odvijanje 2. Negativni katalizator prekida odvijanje reakcionih lanacareakcionih lanaca

KATALITIKATALITIČČKI OTROVIKI OTROVI

•• Strane supstance Strane supstance –– neneččistoistoćće.e.

•• Prisutne u vrlo malim koliPrisutne u vrlo malim količčinama.inama.

•• Inhibiraju katalitiInhibiraju katalitiččku reakciju.ku reakciju.

•• MehanizamMehanizam•• Adsorbuju se na povrAdsorbuju se na površšini katalizatora i blokiraju je.ini katalizatora i blokiraju je.

•• Imaju izrazite adsorpcione osobine.Imaju izrazite adsorpcione osobine.

•• Primer: CO je otrov za Pt.Primer: CO je otrov za Pt.

15

PROMOTORI ili AKTIVATORIPROMOTORI ili AKTIVATORI•• Supstance koje pojaSupstance koje pojaččavaju aktivnost katalizatoraavaju aktivnost katalizatora

•• PovePoveććavaju broj aktivnih centara na povravaju broj aktivnih centara na površšini ini katalizatora gde nastaju intermedijarni kompleksikatalizatora gde nastaju intermedijarni kompleksi

KatalizatorKatalizator –– Magnetit FeMagnetit Fe33OO44

PromotPromotoori:ri:•• 1% Ca 1% Ca –– hemijski promotorhemijski promotor povepoveććava ava

elektronsku gustinu Fe, poveelektronsku gustinu Fe, poveććava ava

reaktivnostreaktivnost

•• 3% Al3% Al22OO33 -- strukturni promotorstrukturni promotor –– šštiti titi

da porozna povrda porozna površšina ne preñe u ina ne preñe u

neporoznu masu na visokoj T u reaktoruneporoznu masu na visokoj T u reaktoru.

ENZIMSKA KATALIZAENZIMSKA KATALIZA

•• Enzimi su globularni proteini 10Enzimi su globularni proteini 1044 < M < 10< M < 1077..•• SadrSadržže odreñene grupe kao aktivne centree odreñene grupe kao aktivne centre..•• Velika katalitiVelika katalitiččka aktivnost.ka aktivnost.

Aktivni Aktivni centarcentar SupstratSupstrat

16

Enzimi su veoma efikasni i visoko selektivni. Enzimi su veoma efikasni i visoko selektivni. Aktivni centarAktivni centar prihvata samoprihvata samo odreñeni supstrat odreñeni supstrat..

MEHANIZAM ENZIMSKE KATALIZEMEHANIZAM ENZIMSKE KATALIZE

PEEPESSE ++++→→→→→→→→→→→→++++

17

Ibuprofen Ibuprofen –– nesteroidninesteroidniantiinflamatorni analgetikantiinflamatorni analgetik

Kristali ibuprofena Kristali ibuprofena pod mikroskopompod mikroskopom

Nalazi se u obliku smeNalazi se u obliku sme ššee((LL) I () I (DD) izomera) izomera

((LL) ) –– izomer je oko 100 izomer je oko 100 puta aktivniji od (puta aktivniji od ( DD) )

Razdvajanje (Razdvajanje ( LL) i () i (DD) ) oblika vroblika vr šši se uz enzim kao i se uz enzim kao katalizatorkatalizator

L-ibuprofen

D

L

L/D

18

PRIMENA KATALIZEPRIMENA KATALIZE

1.1. Hemijska industrijaHemijska industrija

2.2. Prerada naftePrerada nafte

3.3. Industrija polimeraIndustrija polimera

4.4. Proizvodnja hemikalijaProizvodnja hemikalija

5.5. Proizvodnja lekovaProizvodnja lekova

6.6. ..................... .....................

Documents

KATALIZA