7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 1/25

Zjawiska

powierzchniowei przemysłowe procesykatalityczne

prof. dr hab. inż. Walerian Arabczyk 

Instytut Technologii Chemicznej Nieorganicznej

i Inżynierii Środowiska

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 2/25

Kinetyka

Badanie szybkości reakcji chemicznej 

szybka wolna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 3/25

Szybkość reakcji chemicznej 

Zmiana stężenia substratów lub produktów w czasie 

dt 

dc

dt 

dcv

  p s

t 

c

c

v

 p

 s

szybkość reakcji 

stężenie substratu

stężenie produktu 

czas

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 4/25

Szybkość reakcji chemicznej 

Szybkość reakcji chemicznej to zmiana ilości moli jakiejś

substancji, która tworzy się w jej wyniku lub ulegaprzekształceniu w jednostce czasu 

C2H4 + H2  C2H6

K = [C2H6]/[C2H4][H2] = k-/k+

r + = k+[C2

H4

][H2

]

r - = k-[C2H6]

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 5/25

Teoria zderzeń aktywnych 

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 6/25

Energia aktywacji

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 7/25

Mechanizm reakcji chemicznej

Znajomość  mechanizmu  reakcji, czyli opisu przebiegu reakcji w

każdym etapie przekształcenia, - które wiązania ulegają rozerwaniu i w jakiej kolejności, - które wiązania powstają i w jakiej kolejności, - jaka jest względna szybkość każdego etapu.

1. Ile produktu można uzyskać w danej reakcji? 

2. Jak szybko można to osiągnąć? 

Ile zależy od stałej równowagi reakcji w danej temperaturze ?(czynniktermodynamiczny)

Jak szybko zależy od stałej szybkości reakcji w danej temperaturze?(czynnik kinetyczny)

CEL CHEMIKÓW uzyskanie pożądanego produktu z jak najwyższąwydajnością tak szybko, jak to możliwe 

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 8/25

Jak można zwiększyć szybkość reakcji? 

• wzrost stężenia substratów

• wzrost temperatury

• wzrost ciśnienia reagentów gazowych 

• mieszanie

• dodanie katalizatora

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 9/25

Sposoby przyspieszenia reakcji

ogrzanie substratów – większy udział atomów o

energii co najmniej równej energii aktywacji dzięki

czemu następuje zwiększenie odsetka zderzeńefektywnych

K t li

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 10/25

Kataliza

K t li

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 11/25

Kataliza

K t li

K t li

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 12/25

Kataliza

C2H4 + H2  C2H6

K = [C2H6]/[C2H4][H2] = k-/k+

r + = k+[C2H4][H2]

r - = k-[C2H6]

w obecności katalizatora r + = k+ (A)[C2H4]

1-p[H2]1+q

r - = k- (A)[C2H6][C2H4]-p[H2]

q 

,,p’’ i ,,q’’ – stałe charakterystyczne dla katalizatorów 

r = k(A) ∙ f(stęż)

bez katalizatora

Kataliza

Schemat energet c n reakcji katalit c nej

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 13/25

Schemat energetyczny reakcji katalitycznej

Schemat energetyczny katalitycznej reakcji syntezy NH

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 14/25

Schemat energetyczny katalitycznej reakcji syntezy NH3

ad  H  H    22 

ad  N  N  ,22  

ad ad    N  N    2,2 

ad ad ad 

  NH  H  N   

ad ad ad    NH  H  NH ,2

aad ad 

  NH  H  NH ,3,2

 

3,3

  NH  NH  ad 

322  23   NH  H  N   

Definicja katalizy

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 15/25

Definicja katalizy

OSTWALD – 1900

Kataliza  jest to zjawisko polegające na przyśpieszeniu powoli biegnącychprocesów chemicznych na skutek obecności obcej substancji. 

Katalizator   jest to substancja, która zmienia szybkość reakcji chemicznej nie

wchodząc w skład jej końcowych produktów. 

Kataliza jest to zjawisko polegające na zwiększeniu szybkości reakcji

chemicznej i/lub skierowanej do różnych produktów, w obecności niewielkich

ilości substancji zwanych katalizatorami. Substancje te oddziaływują chemicznie

z substratami reakcji, tworząc nietrwałe połączenia przejściowe, nie są jednakże

zużywane w reakcji i nie występują w równaniu stechiometrycznym. Katalizator

nie zmienia przy tym położenia równowagi chemicznej, wpływa jedynie naszybkość dochodzenia układu do tego stanu. 

Definicja katalizy

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 16/25

Definicja katalizy

Definicja katalizy według International Union of Pure and

 Applied Chemistry (IUPAC):

Kataliza  jest zjawiskiem, w którym małe ilości pewnej obecnej

substancji, zwanej katalizatorem, zwiększają szybkość reakcji

chemicznej nie zużywając się same.

Katalizator powoduje powstanie nowych elementarnych

procesów (niekiedy zwanych elementarnymi etapami)

przemieniających substraty w produkty; taki proces nie

zachodzi bez udziału katalizatora. 

Aktywność katalizatora

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 17/25

Aktywność katalizatora 

aktywność katalizatora Ak

określa wzrost szybkości reakcji, przebiegającej w

obecności danego katalizatora, v k , w stosunku do

szybkości tej reakcji zachodzącej bez katalizatora, v h

Ak  = v 

k  - v 

h

Selektywność

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 18/25

Selektywność 

selektywność katalizatora 

Zdolność katalizatora do znacznego przyśpieszenia reakcji w

 jednym z termodynamicznie dozwolonych kierunków określamy

mianem specyficzności działania lub selektywności. 

selektywność =

całkowita liczba moli A przereagowanych 

liczba moli A przekształconych do Pi 

Selektywność katalityczna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 19/25

Selektywność katalityczna 

Katalityczna konwersja etanolu w temperaturze około 600K 

katalizator główny produkt 

Cu - metal aldehyd octowy, wodór  

 Al2O3 etylen, woda

MgO – SiO2, (Na2O) butadien, woda

Zeolity ZSM5 wyższe węglowodory, woda 

Selektywność katalityczna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 20/25

Selektywność katalityczna 

CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH2

oxyhydratacja

Podział katalizy

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 21/25

Podział katalizy 

• kataliza homogeniczna

katalizator stanowi odrębną fazę w układzie reagującym, 

a katalizowana reakcja przebiega na granicy faz 

• kataliza heterogeniczna

katalizator stanowi jeden ze składników jednorodnej fazy (gazowej lub ciekłej),

w której zachodzi reakcja 

• kataliza enzymatyczna (biokataliza)

Kataliza homogeniczna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 22/25

Kataliza homogeniczna

utlenianie SO2 do SO3 w komorowej metodzie produkcji

kwasu siarkowego:

SO2 + NO2  SO3 + NO

NO + 1 /2O2  NO2

sumarycznie SO2 + 1 /2O2  SO3 

wszystkie składniki reakcji – substraty (SO2, O2),

katalizator (NO2) oraz produkt SO3 są gazami i tworzą układ jednofazowy.

Kataliza heterogeniczna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 23/25

ata a ete oge c a

reagenty i katalizator znajdują się w różnych fazach 

reakcja na powierzchni katalizatora

Kataliza enzymatyczna

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 24/25

y y

A. NOWORYTA, P. WOJCIECHOWSKI, J. BRYJAK, Politechnika Wrocławska

enzymatyczne upłynnianie skrobi 

Rozwój katalizy 

7/22/2019 W1 2011 definicje

http://slidepdf.com/reader/full/w1-2011-definicje 25/25

o ój ata y

ROK AUTOR ZJAWISKO

1796 van Marum Fermentacje

odwodnienie alkoholi na powierzchni metalu.

1817 Davy, Döbereiner Żarzenie metalu w kontakcie z mieszaniną tlenu igazów palnych. 

1825 Faraday Zapłon wodoru w kontakcie z powierzchnią metalu. 

1831 Phillips Patent. Utlenianie SO2 na katalizatorze

platynowym.

1836 Berzelius Definicja katalizy.

1869 von Hoffman Utlenianie alkoholu metylowego do formaldehydu

na Ag.

1875 Squire, Messel Przełomowe utlenianie SO2, katalizator platynowy.

1894 Takamine Patent na katalizator enzymatyczny.

1899

1901

Ostwald Definicja katalizy i katalizatora

1905 Sabatier, Sandereus Uwadarnianie węglowodorów nienasyconych na Ni, 

1913 Przełomowa synteza NH3 

Niemcy.

1915 Langmuir Pierwsza teoria adsorpcji.

1925 Pierwsza teoria katalizy kontaktowej.