A katalízis fogalma és jellemzői



Hasonló dokumentumok
Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Kémiai reakciók. Kémiai reakció feltételei: Aktivált komplexum:

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Kémiai reakciók sebessége

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

Általános kémia vizsgakérdések

CO 2 aktiválás - a hidrogén tárolásban

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

Osztályozó vizsgatételek. Kémia - 9. évfolyam - I. félév

Környezeti analitika laboratóriumi gyakorlat Számolási feladatok áttekintése

Név: Pontszám: 1. feladat (3 pont) Írjon példát olyan aminosav-párokra, amelyek részt vehetnek a következő kölcsönhatásokban

c A Kiindulási anyag koncentrációja c A0 idő t 1/2 A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Név: Pontszám: / 3 pont. 1. feladat Adja meg a hiányzó vegyületek szerkezeti képletét!

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Kémiai egyensúlyok [CH 3 COOC 2 H 5 ].[H 2 O] [CH3 COOH].[C 2 H 5 OH] K = k1/ k2 = K: egyensúlyi állandó. Tömeghatás törvénye

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI FELVÉTELI FELADATOK 2004.

1. feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: 9

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

1. feladat. Versenyző rajtszáma:

Badari Andrea Cecília

Kémia OKTV I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 2001

Ciklusok bűvöletében Katalizátorok a szintetikus kémia szolgálatában

Versenyző rajtszáma: 1. feladat

Az égés és a füstgáztisztítás kémiája

Kémiai reakciók. Közös elektronpár létrehozása. Általános és szervetlen kémia 10. hét. Elızı héten elsajátítottuk, hogy.

KÉMIA FELVÉTELI DOLGOZAT

6. változat. 3. Jelöld meg a nem molekuláris szerkezetű anyagot! A SO 2 ; Б C 6 H 12 O 6 ; В NaBr; Г CO 2.

A tételek: Elméleti témakörök. Általános kémia

Oldódás, mint egyensúly

Kémia OKTV 2006/2007. II. forduló. A feladatok megoldása

1. feladat Összesen: 26 pont. 2. feladat Összesen: 20 pont

Összesen: 20 pont. 1,120 mol gázelegy anyagmennyisége: 0,560 mol H 2 és 0,560 mol Cl 2 tömege: 1,120 g 39,76 g (2)

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

Energia. Energiamegmaradás törvénye: Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Az energia nem keletkezik, nem is szűnik meg, csak átalakul.

Reakciókinetika és katalízis

SZERVES KÉMIAI REAKCIÓEGYENLETEK

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 12 pont. 3. feladat Összesen: 14 pont. 4. feladat Összesen: 15 pont

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. Általános és szervetlen kémia 9. hét. Elızı héten elsajátítottuk, hogy

1. feladat Összesen: 18 pont. 2. feladat Összesen: 9 pont

7. Kémia egyenletek rendezése, sztöchiometria

1. feladat Összesen: 15 pont. 2. feladat Összesen: 10 pont

2011/2012 tavaszi félév 3. óra

Általános Kémia. Sav-bázis egyensúlyok. Ecetsav és sósav elegye. Gyenge sav és erős sav keveréke. Példa8-1. Példa 8-1

A feladatok megoldásához csak a kiadott periódusos rendszer és számológép használható!

Oldódás, mint egyensúly

Reakciókinetika és katalízis

SZERVETLEN KÉMIAI REAKCIÓEGYENLETEK

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia I. kategória 2. forduló Megoldások

Általános Kémia GY 3.tantermi gyakorlat

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2009/2010. Kémia I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

Curie Kémia Emlékverseny 2018/2019. Országos Döntő 9. évfolyam

Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban

Szent-Györgyi Albert kémiavetélkedő Kód

a. 35-ös tömegszámú izotópjában 18 neutron található. b. A 3. elektronhéján két vegyértékelektront tartalmaz. c. 2 mól atomjának tömege 32 g.

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Kémiai alapismeretek 6. hét

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

1. feladat Összesen 15 pont. 2. feladat Összesen 6 pont. 3. feladat Összesen 6 pont. 4. feladat Összesen 7 pont

Kémiai alapismeretek hét

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 15 pont

Zöld kémia és katalízis

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI-FELVÉTELI FELADATOK (1997)

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

Bevezetés a biokémiába fogorvostan hallgatóknak Munkafüzet 4. hét

Hevesy György Országos Kémiaverseny Kerületi forduló február évfolyam

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

16_kinetika.pptx. Az elemi reakciók sztöchiometriai egyenletéből következik a reakciósebességi egyenletük. Pl.:

Fotoszintézis. fotoszintetikus pigmentek Fényszakasz - gránum/sztrómalamella. Sötétszakasz - sztróma

Kémia fogorvostan hallgatóknak Munkafüzet 11. hét

KARBONIL-VEGY. aldehidek. ketonok O C O. muszkon (pézsmaszarvas)

Kémiai reakciók 2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O. Molekuláris szinten molekulamodellekkel:

6. Monoklór származékok száma, amelyek a propán klórozásával keletkeznek: A. kettő B. három C. négy D. öt E. egy

Minta feladatsor. Az ion neve. Az ion képlete O 4. Szulfátion O 3. Alumíniumion S 2 CHH 3 COO. Króm(III)ion

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

Ni 2+ Reakciósebesség mol. A mérés sorszáma

Javítókulcs (Kémia emelt szintű feladatsor)

Spontaneitás, entrópia

XXIII. SZERVES KÉMIA (Középszint)

XVII. SZERVETLEN KÉMIA (Középszint)

Termokémia. Hess, Germain Henri ( ) A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Részletes beszámoló az elvégzett kutatómunkáról

a réz(ii)-ion klorokomplexének előállítása...

Az anyagi rendszerek csoportosítása

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 2000

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia II. kategória 2. forduló Megoldások

Az 2008/2009. tanévi ORSZÁGOS KÖZÉPISKOLAI TANULMÁNYI VERSENY első (iskolai) fordulójának. feladatmegoldásai K É M I Á B Ó L

Átírás:

A katalízis fogalma és jellemzői

Adalékok a katalízis történetéhez Kirchoff(1814): a savak elısegítik a keményítı glükózzá való átalakítását HumphryDavy(1816): a metán és a levegıelegye láng nélkül is ég finom eloszlású platina (platinaszivacs ) jelenlétében JohannWolfgangDöbereiner(1823): nagy felületőporított platina felévezetett hidrogént, amely levegıjelenlétében szobahımérsékleten (de már 10 o C-onis) meggyulladt, és vízzéégett el. E felfedezés alapján öngyújtókészüléket szerkesztett, melyben a cink és kénsav reakciójában képzıdıhidrogén egy kis csövön át a külsırészen levı platinaszivacshoz jutott, ahol meggyulladt. Döbereiner öngyújtója

Adalékok a katalízis történetéhez (folytatás) RudolphChristianBöttger: a platina veszít gyújtóerejébıl, ha ammónia vagy ammónium-szulfid gızök érik, de hevítés útján az eredeti aktivitás helyreállítható. A mai szóhasználattal katalizátormérgezésnek hívott jelenséget Faraday vizsgálta részletesebben 1834-ben Berzelius(1836): a katalízis névadója ezt az anyagok katalitikus erejének fogom nevezni... A katalitikus erıténylegesen azt jelenti, hogy az anyagok puszta jelenlétük és nem saját affinitásuk következtében képesek az adott hımérsékleten szunnyadó affinitásokat feléleszteni. WilhelmOstwaldelvetette azt, hogy egy anyag a puszta jelenlétével hatna más anyagokra. Definíciója szerint a katalizátor módosítja egy reakcióirányát vagy sebességét, de nem jelenik meg a reakció végtermékei között.

Fontosabb fordulópontok az ipari katalízisben sósav oxidáció, Deacon process 1860 kéndioxid oxidáció 1875 ammónia oxidáció 1902 ammónia szintézis 1905-1912 metanol szintézis 1923 krakkolás, reformálás 1930-1950 Ziegler-Natta etilén polimerizálás 1940- homogén fémkomplex katalízis ipari alkalmazása: Wacker szintézis, ecetsav elıállítás 1950- gépkocsi kipufogó katalizátorok 1970- zeolitok alkalmazása 1960- katalitikus eljárások elterjedése a finomkémiai szintézisekben 1980- sztereoszelektív katalitikus reakciók 1985-

A katalizátor hatása A katalizátor megnöveli a reakció sebességét. Reakcióba lép valamely reaktánssal, és olyan átmeneti vegyületet alkot vele, amely hatékonyabban tud reagálni a másik (vagy a többi) reakciópartnerrel csökken a reakcióaktiválási energiája, és nıa reakciósebessége a reakciók enyhébb körülmények (alacsonyabb hımérséklet, nyomás stb) között játszódnak le. A nem katalizált és katalizált reakció energiaprofilja: A katalizátor a ciklus végén maradandóváltozás nélkül, kémiailag változatlan formában van jelen a rendszerben.

Elvárások a katalizátorral szemben Aktivitás: jelentısen növelje a kívánt reakció sebességét Szelektivitás: növelje a kívánt reakciósebességét, ugyanakkor minimalizálja a más termék(ek)hez vezetı reakció(k) sebességét Stabilitás: hosszú élettartamú legyen, azaz ne dezaktiválódjon pl. - a reaktánsok szennyezıdése - termikus hatások - mechanikai erıhatások - hidrolízis stb. miatt. Aktivitás Indukciós periódus Állandó aktivitás dezaktiválódás idı Egy katalizátor aktivitásának általános változása az idıben

Aktivitás Aktivitás és szelektivitás - katalitikus ciklusok száma (TurnOver Number = TON): megmutatja, hogy adott idı alatt 1 mol katalizátor hány mol szubsztrátumot alakít át - idıegységre jutó katalitikus ciklusok száma (TurnOver Frequency= TOF): kifejezi, hogy adott idıegység alatt (1 óra, 1 másodperc stb.) 1 mol katalizátor hány mol szubsztrátumot alakít át Szelektivitás

A katalitikus folyamatok szelektivitása Kemoszelektivitás: egy vegyületben két (vagy több) hasonlóátalakulásra képes funkciós csoport közül csak az egyik reakcióját segíti elı a katalizátor. Példa: Fahéjaldehid vizes-szerves kétfázisú hidrogénezése P:

Regioszelektív katalízis Többféle lehetséges szerkezeti izomer képzıdése közül a katalizátor csak egynek a képzıdését segíti elı. Példa: Propén hidroformilezése a Rhone Poulenc-Ruhrchemie kétfázisú eljárással

Enantioszelektív katalízis A lehetséges sztereoizomerek közül a katalizátor csak az egyiknek a képzıdését segíti elı. Példa: Ketonok enantioszelektív hidrogénezése Acetofenon(Ar= C 6 H 5, R = CH 3 ): n keton /n katalizátor : 2 400 000 T = 30 o C; p = 45 bar t = 48 óra; hozam: 100 %; ee: 80% TOF: 228 000 h -1 (30 %-os konverziónál) R. Noyori és mts-i: Angew. Chem. Int. Ed., 37, 1703-1707 (1998)

Kinetikus rezolválás(kr) Lényege: ha két enantiomereltérısebességgel reagál ugyanazzal a reagenssel, akkor a kisebb reakciókészségő visszamarad, és túlsúlyban lesz a reakcióelegyben. Marckwald és McKensei(1899): racém mandulasavat észtereztek optikailag aktív mentollal. Az R-mandulasav gyorsabban reagál a nem teljes konverziót elérı oldatban S-mandulasav volt túlsúlyban. Ugyanebbıl a rendszerbıl elkülönített észter hidrolízisekor R-mandulasavbangazdagabb oldathoz jutottak. A teljes konverziót elérı rendszerekben elvégezve a hidrolízist természetesen racém mandulasavat mutattak ki.

Dinamikus kinetikus rezolválás(dkr) A lassabban reagálóreaktánst(a pédában: S R ) gyors racemizációvalfolyamatosan a gyorsabban reagálós S kiindulási anyaggáalakítják. szubsztrátum enzim + átmeneti fém kombinált katalízis királis termék OH OH Ru-katalizátor(4 mol%) Novozym-435 PCPA(3 ekvivalens) toluol, 70 C OAc (R,R) OAc + OAc OAc mezo Ru-katalizátor: Ph Ph O Ph Ph Ru OC OC PCPA: p-klór-fenilalanin H O Ph H Ru CO CO Ph Ph Ph 63%,97%ee (R,R)/mezo=86/14

A katalizátorok és a katalitikus folyamatok osztályozása A katalizátor halmazállapota szerint: gáz, folyadék, szilárd A katalizátor anyaga alapján: szervetlen (gázok, fémek, fémoxidok, szervetlen savak, bázisok stb.) szerves (enzimek, szerves savak stb.) A katalitikus reakció kivitelezése szerint: üstreakció(a katalizátort és a reaktánsokategyidejően juttatják be a reakciótérbe, és adott körülmények között adott ideig hagyják azokat reagálni) folyamatos áramlású(a reaktánsokatadott sebességgel áramoltatják át a rögzített katalizátor ágyon) A katalitikus hatás alapján: sav-bázis katalízis enzimkatalízis fotokatalízis elektrokatalízis stb. A katalizátor és a reaktánsok fázisai szerint: azonosak: homogén katalízis különbözıek: heterogén katalízis

A homogén és a heterogén katalitikus reakciók összehasonlítása HOMOGÉN HETEROGÉN + H 2 [RhCl(PPh 3 ) 3 ] N 2 + 3H 2 2NH 3. Fe/K Al 2 O 3 Reakciókörülmények: enyhe erıteljes Elválasztás: nehézkes egyszerő Aktivitás: igen jó változó Szelektivitás: igen jó változó Élettartam: változó hosszú Mechanizmus: többnyire ismert nehéz felderíteni Diffúzió szerepe: kevésbé meghatározó nagyon fontos

A homogén katalitikus reakciók sebességi egyenlete Homogén katalízisrıl beszélünk akkor, ha a katalizátor a reaktánsokkal azonos fázisban van. Legyen a nem katalizált reakció: A + B P, melynek sebessége: v= k[a][b] C katalizátor hatására lejátszódó reakció A + B + C P + C, melynek sebessége: v C = k C [A][B][C] Tekintve, hogy a két reakció párhuzamosan játszódik le, a teljes folyamatra vonatkozó sebességi egyenlet két tagból áll: v= [A][B] (k+ k C [C]) Az új út megnyílása a k C értékétıl függıen növeli a reakciósebességet, de katalízisrıl általában csak akkor beszélünk, ha k C [C] >> k

Sajátos katalitikus jelenségek Autokatalízis és autoinhibíció Mindkét jelenségre az jellemzı, hogy a termék mennyiségének növekedése befolyásolja a reakció sebességét: autokatalízis esetén a reakció egyre gyorsabb, míg autoinhibíció esetén egyre lassabb lesz. Tekintsünk egy általános reakciót: A + B = P + Q legyen a B reaktánssokkal nagyobb koncentrációban, mint az A azaz a B-re nézve pszeudo-elsırendő reakcióra vonatkozó sebességi reaktáns, egyenlet: v = k[a] Autokatalízisjátszódik le, ha pl. a Q termék katalizálja az A és B reakcióját, és k ak >>k: A + B + Q = P + 2Q v = k ak [A][Q] Ilyen reakció pl. az analitikából ismert permanganát-oxalát reakció, melyben képzıdı Mn(II)-ion katalizálja az oxalát permanganátos oxidációját: 2 MnO 4- + 5 (COO) 2 2- + 16 H + 2 Mn 2+ + 10 CO 2 + 8 H 2 O

Autokatalízis (folytatás) A teljes folyamatra felírhatósebességi egyenlet (a sztöchiometriaiviszonyokat is figyelembe véve): v= k[a] + k ak [A][Q] = k([a] 0 -[P]) + k ak ([A] 0 -[P]) ([Q] 0 +[P]) Az autokatalitikusreakciók jellemzıje, hogy egy indukciós priódustkövetıen a sebesség egy maximális értéket vesz fel (mind az [A] = f(t), mind a [P] = f(t) görbéknek inflexiós pontja van). Az indukciós periódus rövidül, ha növeljük a [Q] 0 értékét. [P] A termék koncentrációjának változása az idıfüggvényében egy autokatalitikus folyamatban t

Autoinhibíció Autoinhibíciótokozhat, ha valamely termék a reaktánsokvalamelyikével olyan komplexet képez, A + Q AQ mely lassabban (vagy egyáltalán nem) reagál a másik reaktánssal: AQ + B P + 2 Q E reakcióra jellemzısebességi együttható(k ai ) sokkal kisebb, mint az alapreakcióé (k). Az AQ képzıdését egy elıegyensúlyi lépésként tekinthetjük: K= [AQ]/([A][Q]), és ha figyelembe vesszük, hogy a sztöchiometria szerint [A] 0 = [A] + [P] + [AQ], akkor K= [AQ]/{([A] 0 -[P] -[AQ]) ([P]-[Q])}

Autoinhibíció (folytatás) A teljes folyamatra vonatkozó reakciósebesség: v = k[a] + k ai [AQ] = k([a] 0 -[P] -[AQ]) + k ai [AQ] Autoinhibícióakkor következhet be, ha k> k ai > 0. Észleléséhez szükséges azonban az is, hogy az egyensúlyi állandó(k) elegendıen nagy legyen. Példa: Elméletileg minden olyan reakcióban várhatóautoinhibíció, ahol jóddal oxidálnak. Az oxidációval egyidejően képzıdıjodidion és a még el nem reagált jód egyensúlyi reakcióban trijodid-iontképez, mely a jódnál lassabban vesz részt az oxidációs folyamatban. A trijodid-ionképzıdése miatt hasonlóan autoinhibícióvárhatóolyan folyamatokban, melyekben jodidion jóddáoxidálódik.

Sajátkatalízis és sajátinhibíció Mindkét jelenség felléphet akkor, ha a reaktánsokvalamelyike nem kizárólagosan monomer formában van jelen. Az asszociátumképzıdése reverzibilis egyensúlyi folyamat: A + A A 2 A dimera monomerhez képest eltérısebességgel reagál a B reaktánssal, így a ksebességi együtthatóval jellemzett alapreakciómellett lejátszódik a k s sebességi együtthatóval jellemzett folyamat is: A 2 + B P + Q + A A két párhuzamos reakció eredményeként v= k[a] + k s [A 2 ] A sebességi egyenlet részletesebb kifejtéséhez felhasználandó az A reaktánsra vonatkozó anyagmérleg és a dimerizációra jellemzı egyensúlyi állandó: [A] 0 = [A] + [P] + 2 [A 2 ]; K= 0,5 ([A] 0 -[A] -[P])/[A] 2 Sajátkatalízis tapasztalható, ha k s > 2k, és sajátinhibíciókövetkezik be, ha 2k> k s 0. A katalitikus hatás mértéke függ a K egyensúlyi állandó nagyságától és az A reaktáns koncentrációjától is: ahogyan halad elıre a reakció, egyre csökken a dimer(a 2 ) relatív és abszolút koncentrációja, és ennek következtében egyre kevésbéérvényesül a sebességre gyakorolt hatása.

Sajátinhibíció a szubsztrátum és a katalizátor kölcsönhatása miatt Példa a benzaldehid redukciója: C 6 H 5 CHO C 6 H 5 CH 2 OH Reakciósebesség (TOF, h -1 ) 1 2 A redukciót mindkét esetben víz-toluol kétfázisúfolyadékelegyben hajtották végre, a redukálószera vizes fázisban oldott Na-formiát(HCOONa) volt. 1.Katalizátorkén a vízben nem oldódó[rucl 2 (PPh 3 ) 3 ] komplexet használtak. Ekkor tehát a szubsztrátum (benzaldehid) és a katalizátor ugyanabban a fázisban voltak. A reakciósebesség éles maximuma a szubsztrátumkoncentrációfüggvényében arra utal, hogy nagy koncentrációban a szubsztrátum katalitikusan inaktív komplexet képez a ruténiummal, ezért a reakciósebesség csaknem nullára csökken. 2. Katalízátorkénta vízoldható[{rucl 2 (mtppms) 2 } 2 ] szolgált, azaz a szubsztrátum és a katalizátor külön fázisban voltak. A benzaldehid koncentrációja a vizes fázisban az oldékonyságának megfelelıen akkor is kicsi volt, ha a két fázisra számított átlagos koncentrációja akár az 1,5 M-t is elérte, ezért a sajátinhibíció nem volt számottevı.