Катализатор принцип работы: Блогер показал работу катализатора изнутри

Содержание

Каталитические нейтрализаторы — Что такое Каталитические нейтрализаторы?

Каталитический нейтрализатор (обиходное название – катализатор) предназначен для снижения токсичности отработавших газов


Нейтрализатор — устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов. 


Основным требованием к успешной работе катализатора является стехиометрическое соотношение топлива и кислорода.


Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах.


Среди них:


  • окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха;


  • углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения — один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива;


  • оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) ­­­­­­- также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.


Принцип работы


Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее.


Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находится керамическая сотовая конструкция.


Соты нужны, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава.


Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим также в выхлопных газах.


В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления.


В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы содержат в основном N2 и СО2.


Катализаторы в дизельных двигателях


Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx.


Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве.


Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток.


Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя.


При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx.


Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода.


Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название.


Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%.

Принцип работы катализатора в автомобиле

На чтение 3 мин. Просмотров 925

Большинство автолюбителей даже не имеют представление о том, что такое автомобильный катализатор и в чем заключается принцип его работы. Именно поэтому сегодня мы попытаемся рассказать что это такое катализатор автомобильный.

Машины являются одним из самых крупных источников загрязнений атмосферы, так как они выбрасывают в атмосферу около 15 000 химических соединений, к которым относится газ и пыль. Компании по производству автомобилей постоянно стараются уменьшить количество вредных выбросов, именно это и привело к созданию автомобильного каталитического нейтрализатора системы выхлопа или как его еще называют катализатор.

Катализатор входит в состав выхлопной системы автомобиля и предназначается для понижения уровня выбросов вредоносных веществ вместе с продуктами горения.

Катализатор автомобильный

В представленной статье мы более подробно поговорим о катализаторе, а именно обсудим такие вопросы:

  • Что такое автомобильный катализатор?
  • Конструкция автомобильного катализатора;
  • В чем заключается принцип работы?
  • Распространенные поломки каталитического нейтрализатора, при которых необходима его полная замена;
  • Признаки неисправности, указывающие на то, что необходима замена;
  • Как правильно проводится замена каталитического нейтрализатора выхлопной системы?

Основная информация о каталитическом нейтрализаторе

Большинство автолюбителей даже не имеют представления о том, что такое автомобильный катализатор и в чем заключается принцип его работы. Именно поэтому сегодня мы попытаемся рассказать основную информацию о каталитическом нейтрализаторе. Итак, автомобильный нейтрализатор это элемент выхлопной системы транспортного средства, снижающий температуру выхлопных газов, очищающий выхлопные газы и обеспечивающий догорание топливной смеси.

Каталитический нейтрализатор используется на бензиновых и дизельных двигателях автомобиля. Представленное устройство чаще всего располагается за коллектором выпускной системы или же перед глушителями.

Схема катализатора автомобильного

Основными элементами катализатора являются: теплоизоляция, корпус и блок-носитель. На сегодняшний момент существует несколько видов нейтрализаторов, которые соответствуют разному содержанию выхлопных газов в автомобильном двигателе.

К основным типам автомобильного катализатора выхлопной системы относятся: восстановительный, окислительный и окислительно-восстановительный.

Для правильной замены каталитического нейтрализатора должны соблюдаться некие условия, для соблюдения этих условий применяется лямбда-зонд. Благодаря данному устройству посылается обновленная информация и регулируется состав топливной смеси.

Признаки неисправности, указывающие на то, что необходима замена

При нормальном функционировании катализатор ломается только после полного сгорания каталитического слоя. Такое формулирование даже не совсем правильно, так как он не ломается, а просто из-за уменьшения каталитического слоя он не может полностью сжигать выхлопные газы. То есть эффективность работы уменьшается, а токсичность продуктов горения повышается. Автомобильный катализатор достаточно редко выходит из строя, но все же каждый автолюбитель должен знать, как поступать в таком случае. Поэтому давайте рассмотрим, как проводится самостоятельная замена каталитического нейтрализатора.

Для начала давайте рассмотрим основные признаки неисправности каталитического нейтрализатора выхлопной системы:

  • Снизилась мощность автомобиля, это свидетельствует о том, что нейтрализатор забит.
  • Во время передвижения транспортного средства на холостых оборотах двигателя заметно плаванье стрелочки тахометра.
  • И выхлопной трубки чувствуется запах аммиака.

Итак, как же правильно проводится замена катализатора?

  1. Открутите болтики, закрепляющие устройство на дополнительном глушителе;
  2. Снимите болтики вместе с шайбой;
  3. Открутите болтики, которые закрепляют устройство на приемной трубке;
  4. Достаньте болтики вместе с пружинными шайбами;
  5. Достаньте устройство под днищем автомобиля;
  6. ПРоведите замену и соберите все в обратном порядке.

Как видите, замена катализатора системы выхлопа довольно проста и с ней сможет справиться даже не очень опытный автолюбитель. Обратите внимание на то, что в момент функционирования он может нагреваться до температуры около 600 градусов. Поэтому прежде чем перейти к замене катализатора дождитесь полного его охлаждения.

Таким образом, выхлопные газы проходят вначале через восстановительный катализатор, внутри которого на молекулярном уровне идет расщепление поступающего вещества на кислород и азот. Этот процесс как раз и выполняют иридий и платина.

Когда работа проделана, в дело вступают окислительные катализаторы, производящие очистку поступивших веществ. Здесь уже совместно с платиной вступает в действие палладий, снижая количество окиси углерода и облегчая реакцию углекислого газа с кислородом.

Маленькие вспомогательные «хитрости»

Как бы ни эффективно очищался выхлоп двигателя, но в ручном режиме регулировать точность выброса в атмосферу было б не просто затруднительно, а в принципе невозможно. Тем более толку от такой системы было б совсем немного: только в рамках информации для общего развития. Дело в том, что вместе с катализаторами выхлопная система оснащена датчиками, входящими в систему управления автомобилем.

Имея связь с компьютером, эти устройства учитывают количество кислорода, поступающего вместе с выхлопом мотора. В том случае, если через катализатор будет проходить воздуха столько, что он не сможет его переработать, забор через воздушный фильтр двигателя уменьшается. Датчики устанавливаются ближе к мотору и замеряют газы непосредственно на выходе.

Недостатки тоже есть

Наличие драгоценных металлов в конструкции катализатора еще не означает того, что оно решает все проблемы. Необходимо еще соблюсти ряд условий для работы.

Опять же, благодаря курсу средней школы, мы все знаем, что любая химическая реакция (а именно на этом принципе основан катализатор) происходит тем быстрее, чем выше температура. Отсюда сами понимаете, что устройство не сможет эффективно функционировать, если температурный режим ниже необходимого. То есть налицо вывод о том, что в момент начала работы автомобильного двигателя катализатор фактически никак не реагирует на количество вредных веществ, выброшенных в атмосферу до тех пор, пока они же не нагреют трубопровод системы.

Видео — как извлечь каталитический нейтрализатор:

Самый простой способ такого нагрева – помещение устройства непосредственно к основанию газоотводной трубы возле стенки двигателя. Но при включении холодного двигателя при такой установке катализатор все равно первое время работать не будет, пока не согреется. Современный и эффективный способ, который заставит его действовать с самого начала – предпусковой подогреватель двигателя, расходующий часть энергии на утепление.

Несмотря на то, что в выхлопной системе дизельных двигателей тоже есть подобные каталитические преобразователи, действуют они не столь впечатляюще. Дело тут также в недостаточной температуре нагрева. Дизели не так зависимы от окружающей среды и имеют возможность работать в зоне таких низких температур, что катализаторы просто не успевают достичь нагрева до степени осуществления химической реакции.

Признаки забитого катализатора

Но эти недостатки – мелочь по сравнению с ситуацией, когда вы садитесь за руль, а машина либо не заводится, либо глохнет, едва только двигатель сделает один-другой поворот коленвала. Понятное дело: мысли в поисках причин такого поведения начинают роиться в голове, и только потом, когда проверено всё и вся, становится понятным, что неполадки как раз с катализатором.

Чтобы проверить правоту своих домыслов, выкрутите датчик, расположенный перед первым катализатором, и попробуйте запустить мотор. Если никаких проблем в работе двигателя нет, то причина как раз в устройстве, о котором мы здесь говорим. Теперь необходимо полным ходом отправляться в автосервис и менять катализатор. Самостоятельно сделать это вряд ли получится, так как необходимо вносить корректировки в бортовой компьютер, чтобы настроить датчик на правильную работу.

Видео — как проверить катализатор на машине:

Если вы знаете свой автомобиль как пять пальцев, то наверняка вас насторожат и такие признаки неисправности каталитического нейтрализатора, как плохой разгон, педаль акселератора, слабо реагирующая на нажатие, рост расхода топлива. Подобное поведение машины говорит о том, что катализатор скоро выработает свой срок.

Проверка катализатора манометром

Как только вы заметили явные изменения в поведении своего авто, примите меры к проверке каталитического нейтрализатора. Признаки, о которых говорилось выше, не всегда могут относиться к тем, что сигнализируют о неисправности именно этого устройства.

Осмотрите катализатор. Если на корпусе имеются сильные вмятины, либо разводы, похожие на круги от воздействия высокой температуры, наверняка причины неполадок кроются внутри. По возможности осмотрите внутренние соты. Если они разрушены, первый «звоночек» уже прозвенел.

Точнее можно проверить с помощью замера манометром. Правда, это не тот прибор, которым проверяют давление в шинах, поэтому лучше также доверить эту операцию специалистам. Сам алгоритм действия следующий: вместо первого кислородного датчика, используя переходник, устанавливается измерительный прибор. После заводится двигатель, обороты поднимаются до 3000 об/мин. Если стрелка на шкале преодолела отметку в 0,3 кгс/см2, то катализатор забит, и наступило время для его замены.

И самое главное – придирчиво относитесь к тому, чтобы топливо и масло всегда были надлежащего качества, иначе весь осадок от них будет накапливаться в катализаторе, что также будет способствовать его скорому выходу из строя.

Как выполняется полировка фар своими руками в домашних условиях узнаете из статьи.

В каких случаях может помочь сумка-холодильник для автомобиля.

Как выбрать автомобильный компрессор https://voditeliauto.ru/poleznaya-informaciya/aksessuary-i-gadzhety-dlya-avto/avtomobilnyj-kompressor.html для подкачки шин.

Видео — проблемы катализаторов на автомобилях ВАЗ:

Может заинтересовать:

Сканер для самостоятельной диагностики автомобиля

Добавить свою рекламу

Сравнить стоимость ОСАГО для своего авто

Добавить свою рекламу

Выбрать видеорегистратор: незаменимый гаджет для водителя

Добавить свою рекламу

Некоторые водители предпочитают видеорегистратор в виде зеркала

Добавить свою рекламу

Устройство катализатора — как он работает?

Выхлопная система в автомобиле предназначается для того, чтобы выпускать все отработанные газы из транспортного средства наружу. В своей конструктивной составной имеет выпускной коллектор, каталитический конвертер и глушитель.

Если вникнуть глубоко в суть и принцип работы выхлопной системы, то можно разобраться для себя, что данное устройство является достаточно простым, а необходимыми знаниями сможет оперировать даже новичок в автомобильном деле. Важнейшим аспектом рассмотрения выхлопной системы – это определение смысла и сущности данного устройство. Так, приоритетной и важнейшей целью эксплуатации данного узла является вывод всех отработанных газов и очищение от тех же газов камеры сгорания. В тот момент, когда начинает открываться выпускной клапан непосредственно во впускной коллектор постепенно начинает направляться массе этих отработанных газов.

Если двигатель внутреннего сгорания выбранного транспортного средства дизельный, то следует учитывать один непоколебимый аспект работы всей системы: все части газов, которые уже являются отработанными, начинают активизировать крыльчатку турбокомпрессора, вследствие чего становится возможным их вывод уже в саму трубу. В том случае, если рассматриваемый автомобиль имеет бензиновый двигатель внутреннего сгорания, то вследствие за прохождением коллектора все газы будут перемещаться непосредственно в трубу приема. Далее они будут попросту следовать по предварительно установленной схеме строения на все выходные позиции.

1. Назначение и общее описание выхлопной системы.

Одним из основных элементов выхлопной системы автомобиля является коллектор. Именно посредством этого узла и происходит вывод всех отработанных газов непосредственно из камеры сгорания. Все отходы, которые выходят, будут поступать в особые трубки, которые являются лишь посредниками и промежуточными звеньями во всей процедуре вывода отработанных газов наружу.

Важно заметить, что именно устройство коллектора в большинстве случаев подвергается тюнингу разными специалистами. Делается это для того, чтобы максимально обеспечивать подачу топлива в цилиндры, вследствие чего в разы увеличиться мощность двигателя внутреннего сгорания.

Вслед за устройством коллектора следует каталитический нейтрализатор. Данное устройство предназначается для того, чтобы обеспечивать наименьший уровень токсичности отработанных газов. Если внедриться непосредственно в структурные особенности устройства катализатора в разрезе, то можно обнаружить, что состоять оно будет из внешней оболочки, выполненной из керамики, и тонких каналов, которые располагаются на ней. Все эти каналы внутри покрываются специальным небольшим платиновым слоем. В более простых случаях платина заменяется на более редкие металлы, такие как родий или палладий.

Важно заметить, что из-за того, что изготовление устройства катализатора предусматривает использование очень дорогих материалов, его себестоимость также является достаточно высокой.
Вслед за устройством катализатора располагается устройство резонатора. Основная функциональная составная данного узла будет заключаться в том, чтобы резко расширить все отработанные газы. Именно из-за этого процесса будет значительно снижаться противодавление канала выхлопа, вследствие чего будет на порядок снижаться возникающая ударная волна.

Заключительным узлом и устройством, который является квинтэссенцией конструкции выхлопной системы автомобиля, является глушитель. Именно данная часть несет ответственность за то, какой именно звук издает автомобиль при езде. В современном мире автомобильные производители используют три вида глушителя, которые имеют свои особенности и свои негативы: ограничитель, отражатель и поглотитель.

После того, как было детально рассмотрено устройство выхлопной системы транспортного средства, следует приступить к разбору схемы, которая обеспечивает успешную работу данной системы.
Принцип работы выхлопной системы является достаточно простым, вследствие чего даже новичок сможет разобраться с этим устройством. Выше мы уже определили, каким именно образом все отработанные газы направляются и попадают наружу, так что повторяться в этой отросли не следует.

Но важно заметить, что если речь идет о двигателе дизельном, а не бензиновом, то все отработанные газы сначала будут активизировать крыльчатку турбокомпрессора, лишь после чего направляться прямиком в трубу.

Тем не менее, очень важной является схема выхлопной системы, так как она напрямую связана с принципом ее работы. Так, данная схема предусматривает, что за приемной трубой газы будут направляться непосредственно в катализатор, где будет происходить очистка на увеличенных температурах, около 250 градусов. Важно заметить, что температура будет полностью контролироваться установленным лямбда-зондом.

Уже в зависимости от того, какие именно показатели будет выдавать температурный специальный датчик, непосредственно в цилиндры двигателя внутреннего сгорания будет направляться и поступать определенное количество топлива и воздуха. После этого отработка газов будет проходить процесс гашения, который проходит в резонаторе, вследствие чего будет произведен прямой вывод газов наружу посредством глушителя.

2. Конструкция катализатора.

Устройство катализатора предназначается для того, чтобы очищать все отработанные выхлопные газы. Являет собою устройство форму емкости, которая изготовлена из металла и имеет внутренний огнеупорный слой. Непосредственно во внутренней части емкости располагается тепло катализатора, которое разделяется условно на две подкатегории – металлическое и керамическое.

Устройство керамического катализатора представляет собою трехкомпонентный нейтрализатор выхлопа. Первым элементом является проволочная сетка, выполненная из нержавеющей стали, которая будет покрывать подушку, которая выполнена из керамического материала. Зачастую это обычный силикат, который сделан из алюминия и имеет частицы слюды. Третьим элементом является теплоизоляция, которую представляет термоустойчивый корпус с двойными стенками. Устройство металлического катализатора располагает гофрированной фольгой, которая покрыта активным слоем (палладий или же платина). В целом, если разобраться, то его конструкция полностью совпадает с катализатором керамического типа.

3. Принцип работы катализатора.

Катализатор, как правило, должен устанавливаться непосредственно после приемной трубы. Довольно часто также встречаются конструкции, где катализатор прикрепляется уже к фланцу устройства выпускного коллектора. Устройство каталитического нейтрализатора имеет корпус, блок носитель и теплоизоляцию. Важно знать, что при ударе корпуса катализатора об бордюр или камень будет происходить разрушение всех керамических сот картриджа, который располагается внутри устройства.

Устройства блока носителя, который состоит из большого количества сот-ячеек, играет основную функциональную роль в устройстве катализатора. Все соты покрываются особым рабочим составом. Важно заметить, что состав начинает свою эффективную работу непосредственно после прогревания, когда температура уже будет достигать 300 градусов.

Посредством устройства катализатора будет осуществляться сдерживание окиси углерода, углеводородов, сажи и иных веществ в выхлопных газах, посредством которых происходит разрушение слизистых оболочек. Важно заметить, что соты оболочки покрываются очень тонкой пленочкой, которая выполняется из платиноиридиевого сплава.

Все несгоревшие остатки нежелательных вредных веществ будут соприкасаться с раскаленной поверхностью каталитического слоя, вследствие чего будет происходить их тотальное истребление – они будут догорать. При непосредственном процессе горения будет использоваться остаток кислорода, который содержится в отработанных газах. Уже на выходе из катализатора будет обретен безвредный продукт из веществ, которые не несут никакой опасности жизни человека и окружающей среде.

Таким образом следует отметить, что именно катализатор является основным и центральным устройством всей выхлопной системы автомобиля, так как именно посредством данного устройства происходит тотальной искоренение всех нежелательных веществ из отработанных выхлопных газов. Принцип работы данного устройства является достаточно простым, так что каждый сможет ознакомиться, а вследствие и разобраться с ним.

Если автомобилист сталкивается с определенными трудностями, или же чувствует фактами, что выхлопная система пришла в негодность или неисправность, то следует незамедлительно обратиться в ближайший профессиональный сервисный центр, так как неисправность данного узла может послужить тотальному краху всей автомобильной системной цепи, ремонт которой обойдется автолюбителю в очень круглую сумму.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как,
Facebook,
Вконтакте,
Instagram,
Pinterest,
Yandex Zen,
Twitter и
Telegram:
все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Для чего нужен катализатор в автомобиле

На сегодняшний день практически во всех автомобилях, сходящих с конвейера, есть один узел, который является причиной серьезных споров, как в среде экспертов, так и среди автолюбителей. Этим узлом является каталитический нейтрализатор или, как его сокращенно называют, катализатор. В этой статье мы постараемся разобраться необходим ли современному авто катализатор, и какую функцию он выполняет.
Для работы двигателя внутреннего сгорания необходимо топливо. В цилиндрах мотора топливо сгорает, а его остатки затем образуют различные газообразные химические соединения (выхлопные газы). Далее эти токсичные газы выбрасываются в окружающую среду. С ростом количества автомобилей на дорогах проблема выбросов выхлопных газов достигла критической отметки. Поэтому автопроизводителей обязали найти меры для уменьшения вредных выбросов. Одним из решений этой проблемы стал именно каталитический преобразователь, с помощью которого удалось многократно уменьшить уровень токсичности выхлопных газов, что позволило заметно улучшить экологическую ситуацию в мире.

Устройство катализатора

Катализатор представляет из себя компактное устройство, которое устанавливается на выхлопную систему автомобиля для преобразования опасных газов, таких как углеводороды, окись углерода и оксиды азота, содержащиеся в выхлопе авто в почти безвредные соединения.
Катализатор обычно монтируется после выходной трубы двигателя, либо же он может быть закреплен непосредственно на фланце выпускного коллектора и выглядит как небольшая металлическая камера, которая собирает все газы, поступающие из выхлопной системы. Устройство катализатора состоит из специального несущего блока, металлического корпуса и теплоизоляционных материалов.
По определению «катализатор» — это вещество, ускоряющее химическую реакцию.
Именно внутри специального несущего блока находятся соты с покрытием из каталитического материала, благодаря которому и возникает каталитическая реакция. На сегодняшний день можно все катализаторы разделить на два типа:
Первый — это катализатор, который использует платину и иридий в сотах для сокращения выбросов NOx. Данный газ очень токсичен и вреден для человека, так как он разрушает слизистые оболочки человека.
Принцип работы катализатора: соты внутри несущего блока нагреваются (до 250 — 350 градусов Цельсия). При прохождении выхлопных газов через катализатор на основе платиново-иридиевого сплава все вредные примеси практически полностью выгорают. В следствии чего из выхлопной системы авто выпускается достаточно чистый по составу газ на основе кислорода и водорода.
Второй тип катализатора является катализатором окисления, в котором для осуществления каталитической реакции используется платина и палладий. Эти достаточно дорогие и редкие вещества необходимы для ускорения процесса окислительной реакции. Именно они помогают многократно ускорить горение углеводородов в корпусе катализатора.
Соты катализатора могут быть изготовлены, как из керамических материалов, так и из металлического сплава. У каждого материала есть и достоинства, и недостатки. Керамика отличный жаропрочный материал, который также не подвержен коррозии. При этом основным его недостатком можно считать – хрупкость. Поэтому не редки случаи, когда в процессе эксплуатации авто соты керамического катализатора просто рассыпаются даже от небольшого механического воздействия. Причиной разрушения катализатора может стать наезд на высокий бордюр, камень и т. д. даже на минимальной скорости.
Да, конечно катализаторы из металлического сплава гораздо крепче, но и их стоимость заметно выше, чем у керамических аналогов. Кроме того, соты катализатора из металлического сплава обладают худшими физико-техническими свойствами.

Рекомендации по эксплуатации катализатора

Если Вы желаете продлить срок службы своего авто и конкретно каталитического нейтрализатора, то Вы должны заправляться только качественным топливом. Топливо низкого качества зачастую содержит примеси, которые способны в короткие сроки уничтожить напыление сот.
Кроме того, Вы должны понимать, что в процессе работы катализатор сильно греется. Именно поэтому не рекомендуется оставлять работающее авто в местах, где находятся легковоспламеняющиеся вещества (сухая трава, промасленная ветошь, бумага и тому подобное).
Также не желательно интенсивно крутить стартер, особенно если не получается завести авто с первого раза. Стоит немного подождать и попробовать завести авто спустя некоторое время.
И последнее, не стоит пытаться запускать двигатель при помощи буксира. Так как это тоже негативно сказывается на сроки службы столь важного и дорогостоящего компонента автомобиля, как каталитический нейтрализатор.

Как умирают катализаторы? | Мастер Глушитель

В этой статье речь НЕ пойдет о том, что такое катализатор, где и зачем он устанавливается, принцип работы и т.п. Об этом полно статей в интернете и их несложно найти.

Вы узнаете:

как именно умирают катализаторы?
как определить причину смерти вашего катализатора?
что с этим всем потом делать?
Зачастую умерший катализатор –это всего лишь следствие другой проблемы.

Итак, рассмотрим несколько катализаторов, снятых с авто. Попытаемся сравнить внешний вид поврежденного катализатора с исправным.

На фото исправный катализатор, мы видим ровные четкие контуры сот катализатора без оплавлений, трещин, разрушений и загрязнений.

Важно также посмотреть через соты на свет, т.к. соты могут быть оплавлены или разбиты внутри и внешне такой катализатор может выглядеть абсолютно нормально.

Выглядеть на просвет катализатор должен так:

Теперь рассмотрим наиболее распространенные случаи, когда катализатор пришел в негодность:

Оплавление сот

Вид катализатора с расплавленными сотами на просвет:

На фото видны многочисленные следы оплавления и спекания сот катализатора. Подобное явление характерно для катализаторов с керамическими сотами.

Как видно из фото выше, катализатор частично сохранил свою пропускную способность, но т.к. площадь поверхности его сот сильно уменьшилась в результате их спекания, подобные повреждения сопровождаются появлением ошибки Р0420, снижением динамики автомобиля, иногда увеличением расхода топлива.

Такие случаи происходят в результате попадания несгоревшей топливовоздушной смеси в катализатор, где она впоследствии сгорает. Температура горения гораздо выше температуры выхлопных газов, на которые рассчитан катализатор, как следствие — оплавление сот.

Причины попадания топливовоздушной смеси в катализатор несколько:

Проблемы с зажиганием.
При пропуске или слишком позднем зажигании топливовоздушная смесь полностью или частично попадает в выхлопную систему и воспламеняется в ней.

На что смотреть?

на свечи
На что обратить внимание: Повреждения или загрязнения изолятора, нагар (его цвет, равномерность, характер), зазор и состояние электрода, давность замены.

на высоковольтные провода
На что обратить внимание: Механические повреждения, слишком высокое сопротивление, давность замены.

катушки зажигания или модули
На что обратить внимание: Неисправность, давность замены.

Прогрев автомобиля на холостых оборотах.
При холодном запуске происходит обогащение топливовоздушной смеси, что вызывает неоптимальное ее сгорание. Сгорает она не полностью, и оставшаяся ее часть попадает в выпускную систему, где топливо конденсируется на холодных ее элементах (катализаторе). Где при прогреве двигателя и повышении температуры выхлопных газов оно воспламеняется и расплавляет соты.

Чтобы этого избежать, греть двигатель нужно В ДВИЖЕНИИ! Это значит ехать на 2-3 передаче с оборотами 2-3 тыс. (для бензиновых авто) до начала движения температурной стрелки. Это наиболее щадящий и быстрый способ прогреть автомобиль.

К сожалению наш менталитет и ложные убеждения мешают большинству людей греть так мотор.

Особенно характерно эта проблема для катализаторов, расположенных близко к двигателю — на коллекторах и приемных трубах (реже).

Проблемы со смесеобразованием.
Проблема возникает при загрязнении форсунок некачественным топливом и как следствие неспособность распылить его нужным образом. Особенно часто встречается в системах непосредственного впрыска.

На что смотреть?

форсунки
подсос воздуха
топливный насос
забитый топливный фильтр
Загрязнение катализатора

На фото катализатор с забитыми черным налетом сотами.
Пропускная способность такого катализатора близка к нулю.
Признаки: масложор, сильное снижение динамики автомобиля, увеличение расхода топлива. Ошибки появляются 50/50.
Такой черный жирный налет в большинстве случаев является следствием износа цпг, маслосъемных колец и повышенном расходе масла. Масло из цилиндров попадает в выпускную систему, оседает на стенках коллектора и катализаторе. Постепенно оно там закоксовывается и забивает его.

На что смотреть?

цпг
На что обратить внимание: Компрессия, состояние маслосъемных колец, состояние стенок цилиндра, наличие черного жирного налета на выпускном коллекторе.
Стоит отметить, что для немцев, которым свойственен повышенный расход масла, данное явление не очень распространено. Производители знают об склонностях своих двигателей к масложору и учитывают это. Их катализаторы гораздо более устойчивы к подобным загрязнениям, у них немного больше ячейки сот, которые менее подвержены накоплению на себе критической массу «масляной сажи», более эффективно дожигая ее. Но и они рассчитаны только на исправный двигатель.

На фото ниже забитые металлические катализаторы с VW Touareg с пробегом более 330 000 км.

Они же с обратной стороны (какими должны быть):

Разрушение катализатора
Керамические катализаторы более подвержены разрушению, чем металлические, ввиду своей хрупкости.
Причины: резкий перепад температур (попадание воды из лужи на горячий катализатор), механические воздействия (удары, вибрация), износ, заводской брак, работа двигателя на предельных режимах.
На фото ниже один из примеров начала разрушения катализатора. Отчетливо видно ровную поверхность (как должно быть) и бугристую (как не должно быть).
Данный катализатор был установлен на Mazda 3 с двигателем 2,0 литра. Сама керамика была еще достаточно прочной на ощупь, но в результате жестких режимов эксплуатации авто и его пробега (около 280 000 км) началась разрушаться.

На фото еще один наглядный пример разрушения катализатора.
Автомобиль Nissan Murano с двигателем 3.5 литра. Пробег 250 000 км. Автомобиль участвовал в ДТП, в котором пострадала передняя часть автомобиля.
У этого автомобиля V-образный двигатель и 3 катализатора. 2 коллекторных катализатора и 1 под днищем.

На фото слева наглядно видно один из разрушенных катализаторов на коллекторе, покрытый трещинами и с отколотым куском. Этот же самый кусок мы нашли перед следующим катализатором. На ощупь керамика была достаточно хрупкая и крошилась двумя пальцами. С ближней к двигателю стороны катализатор имел характерные разрушения, рассмотренные выше. Возможные разрушения вполне могли быть спровоцированы ДТП (т. к. это был катализатор, расположенный со стороны бампера), и усугублены режимом эксплуатации двигателя.

Из катализатора под днищем при снятии высыпалось большое количество керамической пыли. Также отчетливо видны забитые соты (предположительно остатками первого катализатора).

Вывод: Почти всегда катализатор выходит из строя уже как следствие неграмотной эксплуатации, ДТП или других неисправностей двигателя и его систем. Замена или удаление катализатора зачастую не решает первоначальную проблему. Всегда необходимо проанализировать, что послужило причиной этого и устранить ее.

Как работает каталитическая грелка? Принцип работы и инструкция по эксплуaтации

Каталитическая грелка работает по принципу окисления паров бензина на катализаторе, где происходит химическая реакция с выделением тепла,которое передается на металлический корпус грелки.

Перед началом эксплуатации, внимательно изучите данную инструкцию! 

  1. В качестве топлива используйте только специальный очищенный бензин для зажигалок. Использование других типов топливачаще всего приводит к выходу грелки из строя;
  2. Не заправляйте грелку топливом по край. Между катализатором и верхней границей уровня топлива должно оставаться неменее 1 см.;
  3. Если грелка полностью остывает, испарение бензина прекращается и грелка затухает. Используйте имеющийся в комплектечехол для предотвращения полного остывания грелки или всегда держите ее в минимальном тепле;
  4. В комнатных условиях грелка разогревается до 60-70°С. Будьте готовы к тому, что на холоде температура работающей грелкибудет сильно ниже;
  5. В холодное время для запуска грелки рекомендуется подогреть сам корпус грелки, в дополнение к катализатору, это облегчитзапуск;
  6. В вертикальном положении грелка разогревается сильнее всего, из-за более интенсивного испарения топлива, расходкоторого при этом, соответственно, увеличивается;. 
  7. Рекомендуется запустить грелку заранее, еще в комфортных условиях, без ветра и в тепле. Сделать это на холоде,замерзшими пальцами, на ветру будет крайне сложно;   
  8. Не допускайте детей к пользованию грелкой;
  9. Во избежание отравления, не вдыхайте пары топлива и продукты окисления.

Порядок работы каталитической бензиновой грелки

  1. Снимите крышку грелки; 
  2. Cнимите катализатор;
  3. Вставьте в отверстие ёмкости воронку для заливки топлива;
  4. Следите за тем, чтобы рычажок на воронке находился вположении «lock» ;
  5. Установите грелку вертикально и налейте в воронку нужное кол-во топлива. Переместите рычажок на воронке в положение«открыто» и топливо уйдёт внутрь грелки. Если топливо перелилось через край, вытрите грелку сухой салфеткой или тряпкой.Чтобы заправить грелку полностью, необходимо залить 12, 24 или 36 мл. топлива для разных грелок, что соответствует 1, 2или 3 воронкам;
  6. После заправки, установите катализатор на место;
  7. Поверните грелку в горизонтальное положение и поднесите к катализаторузажженную спичку или зажигалку;
  8. Прогревайте катализатор 10 – 15 секунд до ощущения перехода тепла на металлическийкорпус грелки;
  9. Установите на место крышку грелки и поместите ее в чехол;
  10. При остывании грелки, повторите процедуру заправки и прогрева; 
  11. Чтобы остановить процесс нагревания, снимите крышку грелки и аккуратно, при помощи плотной ткани снимите катализатор. Осторожно! Он очень горячий! При контакте с кожей возможен ожог! После остывания установите его на место. Теперь грелкане будет работать, пока вы не разогреете катализатор снова. 

      

Гарантия

Гарантийный срок эксплуатации изделия – 1 год с момента покупки. При обнаружении заводского брака в течение гарантийногосрока, при наличии чека, вы можете вернуть изделие в магазин или обменять его.При покупке, обязательно проверьте работоспособность, комплектность и внешний вид изделия.Использование иного топлива кроме очищенного бензина для зажигалок делает гарантию недействительной.

Посмотреть/купить каталитические грелки

Catalyst

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но не расходуется в ходе реакции. Катализатор появится на стадиях механизма реакции, но не будет появляться в общей химической реакции (поскольку он не является реагентом или продуктом). Как правило, катализаторы существенно изменяют механизм реакции, так что новые барьеры вдоль координаты реакции значительно ниже. При снижении энергии активации константа скорости значительно увеличивается (при той же температуре) по сравнению с некаталитической реакцией.

В мире существует множество типов катализаторов. Многие реакции катализируются на поверхности металлов. В биохимии огромное количество реакций катализируется ферментами. Катализаторы могут быть либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.

Катализаторы

в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами , а катализаторы в разных фазах называются гетерогенными катализаторами .

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.

Еще одна важная идея о катализаторах — их избирательность. То есть катализатор не просто ускоряет все реакции, а только очень конкретную реакцию. Это ключ ко многим химическим превращениям. Когда вы хотите произвести только определенное химическое изменение, вы ищете катализатор, который ускорит эту конкретную реакцию, но не ускорит другие. В этом отношении замечательны ферменты.Живые биологические системы требуют множества специфических химических превращений, и каждый из них катализирует уникальный фермент.


Типы катализаторов

Катализаторы могут находиться в той же фазе, что и химические реагенты, или в отдельной фазе.

Катализаторы в одной и той же фазе называются гомогенными катализаторами, а катализаторы в разных фазах — гетерогенными катализаторами.

Например, если у нас есть металлическая Pt в качестве катализатора реакции газообразного водорода и газообразного этена, тогда Pt является гетерогенным катализатором.Однако фермент в растворе, катализирующий биохимическую реакцию в растворе, является гомогенным катализатором.


Влияние катализаторов

Эффект катализатора заключается в том, что он снижает энергию активации реакции.

Обычно это происходит потому, что катализатор изменяет способ протекания реакции (механизм). Мы можем визуализировать это для простой координаты реакции следующим образом.

В более общем смысле катализируемая реакция может иметь ряд новых барьеров и промежуточных продуктов.Однако самый высокий барьер теперь будет значительно ниже, чем предыдущий самый большой барьер. Например, ниже приведен пример пути реакции, который показывает катализированную и некаталитическую реакцию. Путь с катализатором теперь состоит из двух ступеней и промежуточных частиц. Однако барьеры для обеих стадий намного ниже, чем в некаталитической реакции.


Как работают катализаторы?

Многие катализаторы работают одинаково. Они позволяют молекулам реагента разрывать связи и затем образовывать временные связи с катализатором.Это означает, что катализатор должен быть в некоторой степени реактивным, но не слишком реактивным (поскольку мы не хотим, чтобы эти связи были постоянными). Например, металлическая Pt служит катализатором многих реакций с участием газообразного водорода или газообразного кислорода. Это связано с тем, что поверхность Pt позволяет H 2 или O 2 разорвать свои связи, а затем образовать атомные частицы, которые «связаны» с Pt. Однако эти новые связи могут быть достаточно слабыми, чтобы атомные частицы могли затем реагировать с другими молекулами и покидать поверхность.Таким образом, после реакции металл Pt возвращается в свое первоначальное состояние.

Например, на рисунке ниже изображена реакция этена и газообразного водорода. Водород приземляется на поверхность и разрывает свою связь с образованием атомов H, связанных с поверхностью (2). Двойная связь этена также разорвана, и два атома углерода также связаны с поверхностью (3). Затем атомы H могут мигрировать, пока не столкнутся со связанными частицами углерода и не вступят в реакцию (4) с образованием этана, который затем может покинуть поверхность (5).

Так работают все катализаторы? Нет. + (водн.) \; + \; O_2 (g)} & {\ rm Шаг \; 2} \\

{\ rm Mn (OH) _2 (aq) \; + \; H_2O_2 (l)} \; & \правая стрелка & \; {\ rm MnO_2 (s) \; + 2H_2O (l)} & {\ rm Шаг \; 3} \ end {array} \]

Итак, в чистой реакции нет изменений в MnO 2. Однако во время реакции он превращается в Mn 2+ , а также в Mn (OH) 2 . Катализатор может быть идентифицирован таким образом в механизме реакции, поскольку он сначала появляется в «реагентах», но затем преобразуется позже в реакции.

Катализаторы также могут действовать, «удерживая» молекулы в определенных конфигурациях, одновременно ослабляя некоторые конкретные связи. Это позволяет катализатору существенно «помогать» химии, организуя реакции в благоприятной геометрии, а также ослабляя связи, которые необходимо разорвать по координате реакции.


Ферменты

Ферменты — биологические катализаторы. Это белки, которые складываются в определенные конформации, чтобы ускорить конкретные химические реакции. Для биохимических реакций реагент обычно называют субстратом. Субстрат превращается в продукт. Механизмы многих ферментов очень похожи. Субстрат (ы) и фермент связываются в комплекс. Физическое местоположение на ферменте, в котором связывается субстрат, называется «активным центром».После связывания этот комплекс может затем ослабить определенные связи в субстрате, так что химический процесс образует продукт. Продукт слабо связан с субстратом, так что теперь он диссоциирует, и фермент может свободно связываться с другой молекулой субстрата.

Активные центры в ферментах могут быть очень специфичными, так что фермент будет катализировать только очень специфическую реакцию для очень специфической молекулы. Обычно существует равновесие между связанным комплексом и свободным субстратом и ферментом, так что связывание может быть обратимым.Напротив, как только продукт образуется, обратной реакции обычно не происходит.

Субстрат + фермент ↔ Комплекс → Продукт.

Активность многих ферментов может блокироваться молекулами, имитирующими субстрат, но не участвующими в химии. Затем эти молекулы эффективно «выключают» фермент, блокируя активный сайт и предотвращая связывание субстрата. Таким образом действуют многие фармацевтические препараты. Такие молекулы обычно называют ингибиторами, поскольку они подавляют активность фермента.

17.6: Катализаторы и катализатор — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи, которые были представлены выше. Особенно важно знать точное значение всех выделенных зеленым цветом терминов в контексте этой темы.

  • Что такое катализаторы и как они работают, изменяя параметры реакции?
  • Опишите сходства и различия между тремя основными классами катализаторов.
  • Определите физическую сорбцию и хемосорбцию и объясните роль последней в инициировании каталитического события.
  • В чем смысл и значение Принцип Сабатье ?
  • Каковы принципиальные различия между механизмами гетерогенного катализа Langmuir-Hinshelwood и Eley-Rideal ?
  • Опишите роль комплекса фермент-субстрат .
  • Как особые свойства аминокислот , окружающих активный центр фермента, могут способствовать его каталитическому эффекту?
  • Опишите модели действия ферментов с замком и ключом, и , вызванные соответствием .
  • Объясните функцию и значение аллостерических сайтов на ферменте.

Это почти похоже на волшебство! Смесь газообразных H 2 и O 2 может сосуществовать неопределенно долго без какой-либо обнаруживаемой реакции, но если платиновую проволоку нагреть, а затем погрузить в газовую смесь, реакция протекает мягко, так как выделяющееся при реакции тепло заставляет проволоку светиться докрасна.Катализаторы играют важную роль в нашей современной промышленной экономике, в охране окружающей среды и во всех биологических процессах. Этот урок познакомит вас с удивительным миром катализаторов и поможет понять, что это такое и как работают.

Что такое катализаторы?

Катализаторы не влияют на константу равновесия и, следовательно, на равновесный состав. Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакцию, но не потребляются ею и не появляются в итоговом уравнении реакции.Также — и это очень важно — катализаторы одинаково влияют на скорость прямого и обратного хода ; это означает, что катализаторы не влияют на константу равновесия и, следовательно, на состав состояния равновесия. Таким образом, катализатор (в данном случае серная кислота) может быть использован для ускорения обратимой реакции, такой как образование сложного эфира или его обратный гидролиз сложного эфира:

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Реакции, катализируемые кислотой

Катализатор не влияет на константу равновесия или направление реакции.Направление можно контролировать, добавляя или удаляя воду (принцип Ле Шателье).

Катализаторы функционируют, позволяя реакции протекать через альтернативный механизм, требующий меньшей энергии активации. Это изменение вызвано специфическим взаимодействием между катализатором и компонентами реакции. Вы помните, что константа скорости реакции является экспоненциальной функцией энергии активации, поэтому даже небольшое уменьшение \ (E_a \) может дать впечатляющее увеличение скорости.

Катализаторы обеспечивают альтернативные пути реакции

Катализаторы

условно делятся на две категории: гомогенные и гетерогенные . Ферменты , природные биологические катализаторы, часто включаются в первую группу, но поскольку они обладают некоторыми свойствами обоих, но проявляют некоторые особые свойства, мы будем рассматривать их здесь как третью категорию.

Некоторые общие примеры катализа

Как сжечь сахарный кубик

При нагревании кусочек сахара (сахароза) плавится при 185 ° C, но не горит.Но если натереть кубик сигаретным пеплом, он сгорит перед расплавлением из-за каталитического действия следов металлов в золе.

Платина как катализатор окисления

Поверхность металлической платины является эффективным катализатором окисления многих паров топлива. Это свойство используется в беспламенных походных печах (слева). На изображении справа показана светящаяся платиновая проволока, нагретая за счет медленного горения аммиака на ее поверхности. Однако если окунуть нагретую Pt проволоку в жидкий аммиак , произойдет миниатюрный взрыв: см. Видео ниже.{–1} \]

В отсутствие примесей эта реакция протекает очень медленно, но различные вещества, начиная от йода, оксидов металлов и следовых количеств металлов, значительно ускоряют реакцию, в некоторых случаях почти взрывоопасно из-за быстрого выделения тепла. Самый эффективный катализатор — это фермент каталаза , присутствующий в крови и внутриклеточных жидкостях; добавление капли крови к раствору 30% перекиси водорода вызывает бурную реакцию.

Быстрое выделение O 2 может привести к эффектной пены для ванны, если добавить немного мыла.[Эта же реакция использовалась для запуска гоночного автомобиля!

Иодид калия эффективно катализирует осаждение H 2 O 2 . В этом коротком видео показано, что происходит при объединении цветного мыла, H 2 O 2 и KI. Но «не пробуйте это у себя дома»!

Каждый тип катализатора способствует разному пути со своей собственной энергией активации. Поскольку скорость является экспоненциальной функцией E a (уравнение Аррениуса), даже относительно небольшие различия в E a могут иметь драматическое влияние на скорость реакции.Обратите особое внимание на значения для каталазы; химик по-прежнему остается непрофессионалом по сравнению с тем, что Природа может сделать с помощью естественного отбора!

катализатор

Ea
кДж / моль

относительная ставка
без катализатора 75 1
иодид-ион 56 2140
платина коллоидная 50 24 000
каталаза (фермент) 21 2 900 000 000

Как выражается каталитическая активность

Изменения константы скорости или энергии активации — очевидные способы измерения эффективности катализатора.Но вошли в употребление два других термина, которые имеют особое значение в промышленных приложениях.

Оборотный номер

Число оборотов (TON) — это среднее количество циклов, которое катализатор может пройти до того, как его характеристики ухудшатся (см.). Зарегистрированные значения TON для обычных промышленных катализаторов охватывают очень широкий диапазон от 10 до 10 5 , что приближается к пределам диффузионного переноса.

Частота оборота

Этот термин, который первоначально применялся к реакциям, катализируемым ферментами, получил более широкое распространение.Это просто количество раз, когда общая каталитическая реакция происходит на катализатор (или на активный центр на ферменте или гетерогенном катализаторе) в единицу времени: определяется как

Число активных центров S на гетерогенном катализаторе часто трудно оценить, поэтому его часто заменяют общей площадью открытого катализатора, которую обычно можно измерить экспериментально. TOF для гетерогенных реакций обычно находится в диапазоне от 10 –2 до 10 2 с –1 .

Гомогенный катализ

Как следует из названия, гомогенные катализаторы присутствуют в той же фазе (газ или жидкий раствор), что и реагенты. Гомогенные катализаторы обычно вступают непосредственно в химическую реакцию (путем образования нового соединения или комплекса с реагентом), но высвобождаются в исходной форме после завершения реакции, так что они не появляются в итоговом уравнении реакции.

Катализируемая йодом

цис-транс изомеризация

Если вы не изучаете курс органической химии, на котором ваш инструктор указывает иное, не пытайтесь запоминать эти механизмы. .Они представлены здесь с целью убедить вас, что катализ — это не черная магия, и познакомить вас с некоторыми особенностями каталитических механизмов. Вам должно быть достаточно просто убедить себя, что отдельные шаги имеют химический смысл.

Как вы помните, цис-транс-изомерия возможна, когда атомы, связанные с каждым из двух атомов углерода с двойной связью, могут находиться на одной ( цис ) или противоположных сторонах связи ( транс ).Это отражает тот факт, что вращение вокруг двойной связи невозможно.

Превращение алкена между его формами цис — и транс может происходить только в том случае, если двойная связь временно разорвана, что позволяет двум концам вращаться. Процессы, которые расщепляют ковалентные связи, имеют высокую энергию активации, поэтому реакции цис-транс-изомеризации имеют тенденцию быть медленными даже при высоких температурах. Йод является одним из нескольких катализаторов, которые значительно ускоряют этот процесс, поэтому изомеризация бутена служит хорошим вводным примером гомогенного катализа.

Считается, что механизм реакции, катализируемой йодом, включает атаку атомов йода (образованных равновесием диссоциации на одном из атомов углерода на этапе:

За время своего недолгого существования активированный комплекс в свободном состоянии может вращаться вокруг связи С — С, так что при разложении с высвобождением йода () часть восстановленного бутена будет в его форме транс . Наконец, атом йода рекомбинирует в дийод.Поскольку процессы и нейтрализуются, йод не появляется в общем уравнении реакции — требование для настоящего катализатора.

Кислотно-основной катализ

Многие реакции катализируются присутствием кислоты или основания; во многих случаях и кислоты, и основания катализируют одну и ту же реакцию. Как и следовало ожидать, этот механизм включает добавление или удаление протона, превращая реагент в более кинетически лабильную форму. Простым примером является добавление йода к пропанону

.

I 2 + (CH 3 ) 2 –C = O → (CH 2 I) (CH 3 ) –C = O

Механизм кислотно-катализируемого процесса включает несколько этапов.Роль кислоты заключается в обеспечении протона, который присоединяется к карбонильному кислороду, образуя нестабильный ион оксония. Последний быстро перестраивается в енол (то есть углерод, связанный как с двойной связью ( ен ), так и с гидроксильной ( ol ) группой). Это завершает каталитическую часть процесса, которая в основном представляет собой кислотно-основную группу. (перенос протона) реакция, в которой роль протона заключается в отводе электрона от кислорода кетона.

На второй стадии енол реагирует с йодом.Изогнутые стрелки указывают смещение расположения электронов. Ниже один из атомов молекулы I 2 отводит электрон с π-орбитали двойной связи. Это вызывает сдвиг электронов в последнем, в результате чего половина этой молекулы выбрасывается в виде иодид-иона. Другая половина йода теперь представляет собой ион йодония I + , который вытесняет протон одной из метильных групп. Образовавшийся ион карбония затем вытесняет протон -ОН с получением конечного нейтрального продукта.

Пожалуй, наиболее известной реакцией, катализируемой кислотой, является гидролиз (или образование) сложного эфира — реакция, с которой большинство студентов сталкивается в лабораторных курсах органической химии. Это более сложный процесс, состоящий из пяти шагов; его механизм обсуждается здесь. См. Также этот сайт У. Калгари, который описывает реакцию, катализируемую как кислотой, так и основанием.

Окислительно-восстановительный катализ

Многие реакции окисления-восстановления (переноса электрона), включая прямое окисление молекулярным кислородом, протекают довольно медленно.{2 +}} \]

Эта реакция катализируется либо Cu + , либо Cu 3+ , и скорость пропорциональна концентрации V 3+ и иона меди, но не зависит от концентрации Fe 3+ . Считается, что этот механизм состоит из двух этапов:

1 V 3+ + Cu 2+ V 4+ + Cu + (нормоопределение)
2 Fe 3+ + Cu + Fe 2+ + Cu 2+ (очень быстро)

(Если в качестве катализатора используется Cu + , он сначала окисляется до Cu 2+ на стадии 2.+ \]

Катализаторы гетерогенные

Как следует из названия, гетерогенный катализатор существует как отдельная фаза (почти всегда твердая) от фазы (чаще всего газа), в которой происходит реакция. Каталитический эффект возникает из-за разрушения (часто приводящего к диссоциации) молекул реагента, вызванного их взаимодействием с поверхностью катализатора.

← Модель катализатора, состоящего из кластеров из 8-10 атомов платины (синий цвет), нанесенных на поверхность оксида алюминия.Этот катализатор эффективно удаляет атомы водорода из пропана, превращая его в промышленно важный пропилен. [источник]

Неуравновешенные силы на поверхностях

Вы помните, что одним универсальным свойством материи являются слабые силы притяжения, возникающие, когда две частицы близко подходят друг к другу. (См. Здесь для быстрого обзора.) Когда частицы имеют противоположные электрические заряды или вступают в ковалентную связь, это гораздо более сильное притяжение доминирует и определяет «химию» взаимодействующих частиц.

Молекулярные единицы в объеме твердого тела связаны со своими соседями посредством этих сил, которые действуют в противоположных направлениях, удерживая каждую из них под своего рода «натяжением», которое ограничивает ее движение и способствует связности и жесткости твердого тела.

На поверхности любого конденсированного вещества все обстоит иначе. Атомы или молекулы, которые находятся на поверхности, испытывают несбалансированные силы, которые не позволяют им принимать такие же низкие потенциальные энергии, которые характерны для внутренних единиц.(То же самое происходит с жидкостями и вызывает множество межфазных эффектов, таких как поверхностное натяжение.)

Но в случае твердого тела, в котором силы притяжения обычно сильнее, происходит нечто гораздо более значительное. Молекулярные единицы, которые находятся на поверхности, можно рассматривать как частично погребенные в ней, а их выступающие части (и возникающие из них межмолекулярные притяжения) открыты для внешнего мира. Сила притягивающего силового поля, исходящего от твердой поверхности, различается в зависимости от природы атомов или молекул, составляющих твердое тело.

Не путайте сорбцию d с сорбцией b ; последнее относится к массовому поглощению вещества внутри пористого материала. На микроскопическом уровне, конечно, абсорбция также включает адсорбцию. Процесс, при котором молекулы газа или жидкости вступают в контакт и прикрепляются к твердой поверхности, известен как адсорбция . Адсорбция почти всегда является экзотермическим процессом, и ее сила обычно выражается энтальпией или «теплотой» адсорбции Δ H адс .

Хемосорбция и физическая сорбция

Обычно различают две общие категории адсорбции в зависимости от степени воздействия на электронную или связывающую структуру присоединенной молекулы. Когда силы притяжения возникают из-за относительно слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий, такой эффект невелик, и Δ H ad имеет тенденцию быть малым. Это состояние описывается как физическая адсорбция , (физическая адсорбция , ). Физическая адсорбция газа на поверхности энергетически похожа на конденсацию газа в жидкость, она обычно создает несколько слоев адсорбированных молекул и протекает с нулевой энергией активации.

Более важную роль в каталитических явлениях имеет хемосорбция , при которой адсорбат связан с поверхностью, что составляет химическую связь. Возникающее в результате нарушение электронной структуры адсорбированных частиц «активирует» их и делает их подверженными химической реакции (часто диссоциации), которая не может быть легко достигнута посредством термической активации в газовой или жидкой фазе. В отличие от физадсорбции, хемосорбция обычно включает энергию активации (обеспечиваемую Δ H адсорбцией ), и адсорбированные частицы всегда являются монослоем.

Механизмы реакций на поверхностях

Диссоциативная адсорбция

Простейшим гетерогенным процессом является хемосорбция с последующим разрывом связи, как описано выше. Наиболее распространенным и тщательно изученным из них является диссоциация водорода, которая происходит на поверхности большинства переходных металлов. Одиночный 1 s электрон каждого атома водорода координируется с d орбиталями металла, образуя пару хемосорбционных связей (обозначенных красными пунктирными линиями).Хотя эти новые связи более стабильны, чем простая ковалентная связь, которую они заменяют, образующиеся в результате атомы водорода могут перемещаться по поверхности благодаря непрерывной протяженности орбитальной зоны проводимости d .

Механизм Eley-Rideal

Альтернативный механизм исключает вторую стадию хемосорбции; адатомы кислорода взаимодействуют непосредственно с молекулами газообразного CO , заменяя хемосорбционную связь новой связью C – O, когда они проносятся по поверхности:

Примеры обоих механизмов известны, но механизм Ленгмюра-Хиншелвуда более важен, поскольку он использует активацию адсорбированного реагента.В случае окисления окиси углерода исследования, включающие эксперименты с молекулярными пучками, подтверждают эту схему. Ключевым свидетельством является наблюдение небольшого промежутка времени между контактом молекулы CO с поверхностью и высвобождением CO 2 , что позволяет предположить, что CO остается хемосорбированным в течение этого интервала.

Принцип Сабатье

Чтобы быть эффективными, эти процессы адсорбции, реакции и десорбции должны быть организованы таким образом, чтобы в значительной степени зависеть от свойств катализатора в отношении хемосорбционных свойств (Δ H адс ) реагентов и продуктов.

  • Адсорбция реагента на каталитической поверхности ( 2 ) должна быть достаточно сильной, чтобы нарушить связи внутри частиц, чтобы диссоциировать или активировать их;
  • Если полученные фрагменты должны мигрировать в другие места на поверхности ( 3-4 ), их хемосорбция должна быть достаточно слабой, чтобы позволить это движение, но не настолько малой, чтобы они улетали, прежде чем они успеют отреагировать;
  • Продукт должен иметь достаточно малые значения Δ H адс , чтобы обеспечить их быструю десорбцию с катализатора ( 5 ), чтобы поверхность была освобождена для повторения цикла

Важность выбора катализатора, который обеспечивает надлежащий баланс теплоты адсорбции различных компонентов реакции, известна как Принцип Сабатье , но иногда его называют «правильным» или «принципом Златовласки».Помните историю Златовласки и трех медведей? … или посмотрите это видео на UTube.

В применении к катализу этот принцип часто иллюстрируется «вулканической диаграммой», на которой скорость катализированной реакции представлена ​​как функция Δ H адс субстрата, такого как H 2 , на поверхность переходного металла.

График слева показывает относительную эффективность различных металлов в катализе разложения муравьиной кислоты HCOOH.Вертикальная ось отложена как температура. Идея состоит в том, что чем лучше катализатор, тем ниже температура, необходимая для поддержания заданной скорости.

Каталитический цикл

Этот термин относится к идеализированной последовательности этапов между адсорбцией реагента на катализаторе и десорбцией продукта, завершающейся восстановлением катализатора до исходного состояния. Типичный каталитический цикл гидрирования пропена проиллюстрирован ниже.

Эта конкретная реакция

H 3 C – CH = CH 2 + H 2 → H 3 C – CH 2 –CH 3

происходит спонтанно только в обратном направлении, но он представляет процесс, используемый для гидрогенизации двойных углерод-углеродных связей в растительных маслах с получением твердых насыщенных жиров, таких как маргарин.

Катализатор отравления и поломки

Отравление катализатором, вызванное необратимым связыванием вещества с его поверхностью, может быть постоянным или временным. В последнем случае катализатор можно регенерировать, обычно путем нагревания до высокой температуры. В организмах многие вещества, известные как «яды», действуют как каталитические яды на ферменты. Если катализаторы действительно остаются неизменными, они должны служить вечно, но на практике могут происходить различные события, ограничивающие срок службы многих катализаторов.

  • Примеси в исходном сырье или продуктах побочных реакций могут постоянно связываться с достаточным количеством активных центров, чтобы со временем снижать каталитическую эффективность, «отравляя» катализатор.
  • Физический износ катализатора или его носителя, часто вызываемый высокими температурами, иногда используемыми в промышленных процессах, может уменьшить эффективную площадь поверхности или доступность реагентов к активным центрам.

Катализаторы, как правило, довольно дороги, поэтому желательно, чтобы их можно было повторно обработать или регенерировать для восстановления их активности.Обычной промышленной практикой является периодическая остановка технологических установок для замены отработанных катализаторов.

Как работают гетерогенные катализаторы

Фактические механизмы, с помощью которых адсорбция молекулы на каталитической поверхности облегчает разрыв связи, сильно варьируются от случая к случаю.

Мы приводим здесь только один пример, это диссоциация диксо гена O 2 на поверхности катализатора, способного временно отдавать электрон, который попадает на молекулярную орбиталь, разрывающую кислород, которая явно дестабилизирует связь O – O.(Как только связь разорвана, электрон возвращается к катализатору.)

Типы каталитически активных поверхностей

Гетерогенные катализаторы в основном зависят от одного или нескольких из следующих типов поверхностей:

Некоторые факторы, влияющие на эффективность катализатора

Поскольку для гетерогенного катализа требуется прямой контакт между реагентами и каталитической поверхностью, площадь активной поверхности находится в верхней части списка. В случае металлической пленки это не то же самое, что номинальная площадь пленки, измеренная линейкой; на микроскопическом уровне даже кажущиеся гладкими поверхности очень неровные, а некоторые полости могут быть слишком маленькими для размещения молекул реагентов.

Рассмотрим, например, что куб платины размером 1 см (стоимостью примерно 1000 долларов) имеет номинальную площадь поверхности всего 6 см. 2 . Если его разбить на 10 12 меньших кубов со сторонами 10 –6 м, общая площадь поверхности составит 60 000 см 2 , что в принципе способно увеличить скорость реакции, катализируемой Pt, в раз. из 10 4 . Эти очень тонко измельченные (и часто очень дорогие) металлы, как правило, присоединены к инертным опорной поверхности, чтобы максимизировать их воздействие реагентов.

Топография поверхности. На микроскопическом уровне даже кажущаяся гладкой поверхность имеет ямки и неровности, и некоторые участки будут более активными, чем другие. Проникновение молекул в некоторые из более мелких каналов пористой поверхности и из них может стать ограничивающим скорость.

В остальном гладкая поверхность всегда будет иметь множество дефектов, таких как ступеньки и углы, которые обеспечивают большую открытость и могут быть либо единственными активными центрами на поверхности, либо чрезмерно активными, чтобы постоянно связываться с реагентом, уменьшая активную площадь поверхность.В одном исследовании было определено, что дефекты перегиба, составляющие всего 5 процентов поверхности платины, ответственны за более 90% каталитической активности в определенной реакции.

Стерические факторы

Когда хемосорбция происходит в двух или более местах на реагенте, для эффективного катализа необходимо, чтобы расстояние между активными центрами на каталитической поверхности было таким, чтобы поверхностные связи могли образовываться без значительного углового искажения.

Таким образом, активация двойной связи этилена на поверхности никеля протекает эффективно, поскольку угол между связями C-Ni и C-C близок к тетраэдрическому значению 109.5 ° требуется для углеродного формирования sp 3 гибридного орбитального образования. Точно так же можно ожидать, что гидрирование бензола должно эффективно протекать на поверхности, на которой активные центры расположены в диапазоне от 150 до 250 пм.

Это одна из причин, по которой многие металлические катализаторы проявляют разную каталитическую активность на разных гранях кристаллов.

Гетерогенные катализаторы некоторых специальных типов

Металлокластерные катализаторы

По мере уменьшения размера частиц катализатора доля более открытых ступенчатых, краевых и угловых атомов увеличивается.Крайний случай имеет место с наноразмерными (1-2 нм) металлическими кластерными структурами, обычно состоящими из 10-50 атомов.

[ссылка] →

Металлическое золото, хорошо известное своей химической инертностью, проявляет очень высокую каталитическую активность, когда оно наносится в виде металлических кластеров на оксидный носитель. Например, O 2 легко диссоциирует на кластеры Au 55 , которые, как было обнаружено, эффективно катализируют окисление углеводородов [статья].

Катализаторы цеолитные

Цеолиты представляют собой глиноподобные алюмосиликатные твердые вещества, которые образуют микропористые структуры с открытым каркасом, которые могут содержать связанные клетки, полости или каналы, размеры которых могут быть адаптированы к размерам реагентов и продуктов.Для тех молекул, которые способны диффундировать через эти пространства, цеолиты фактически являются «всей поверхностью», что делает их высокоэффективными. Такая избирательность по размеру делает их важными для адсорбции, разделения, ионного обмена и каталитических применений. Многие цеолиты встречаются в виде минералов, но другие производятся синтетическим путем с целью оптимизации их свойств.

В качестве катализаторов цеолиты обладают рядом преимуществ, которые сделали их особенно важными в операциях «зеленой химии», в которых количество стадий обработки, количество нежелательных побочных продуктов и объемы потоков отходов сведены к минимуму.

Ферменты и биокатализ

«Кувшин вина, буханка хлеба и …» Ферменты!

Это искажение уже искаженного перевода Роберта Фитцджеральда знаменитого катрена из замечательного Рубайят Омара Хайяма подчеркивает центральную роль, которую ферменты и их технологии играли в цивилизации с древних времен.

← Иллюстрация Эдмунда Дюлака (1882-1953)

Ферментация и виноделие были частью истории и культуры человечества не менее 8000 лет, но признание роли катализа в этих процессах пришлось отложить до конца девятнадцатого века.К 1830-м годам было открыто множество подобных агентов, например, тех, которые способствуют перевариванию белков в желудке. Термин «фермент», означающий «из дрожжей», был придуман немецким физиологом Вильгельмом Кюне в 1876 году. В 1900 году Эдуард Бухнер (1860-1917, Нобелевская премия по химии 1907 года) показал, что брожение, которое, как считалось ранее, зависит от загадочного «Жизненная сила», содержащаяся в живых организмах, таких как дрожжи, могла быть достигнута бесклеточным «прессованным соком», который он выжал из дрожжей.

К этому времени было признано, что ферменты являются одной из форм катализаторов (термин, введенный Берцелиусом в 1835 году), но их точная химическая природа оставалась под вопросом. Оказалось, что они связаны с белками, но общее осознание того, что ферменты являются белками , началось только в 1930-х годах, когда был кристаллизован первый чистый фермент, и не стало общепринятым до 1950-х годов. Теперь ясно, что почти все ферменты являются белками, за исключением небольшого, но важного класса ферментов на основе РНК, известных как рибозимы.

Белки состоят из длинных последовательностей аминокислот, связанных амидными связями; эта последовательность определяет первичную структуру белка . Их огромный размер (обычно 200-2000 аминокислотных единиц с общей молекулярной массой 20 000 — 200 000) позволяет им складываться сложными способами (известными как вторичные и третичные структуры), чьи конфигурации необходимы для их каталитической функции.

Поскольку ферменты, как правило, намного больше, чем молекулы реагентов, на которые они действуют (известные в биохимии как субстраты ), ферментативный катализ в некотором роде похож на гетерогенный катализ.Основное отличие состоит в том, что связывание субстрата с ферментом намного более избирательно.

Прекурсоры и кофакторы

Большинство ферментов возникают в виде неактивных предшественников ( зимогенов ), которые превращаются в свои активные формы в то время и в том месте, где они необходимы.

  • Например, ферменты, которые приводят к свертыванию крови, должны оставаться неактивными до фактического начала кровотечения; основным активирующим фактором является воздействие на кровь белков поврежденной стенки сосуда.
  • Фермент, который катализирует образование лактозы (молочного сахара) в молочной железе, образуется во время беременности, но остается неактивным до момента рождения, когда гормональные изменения заставляют элемент-модификатор связываться с ферментом и активировать его.

Превращение в активную форму может включать простое разрушение белка путем гидролиза соответствующей пептидной связи или добавления фосфатной или аналогичной группы к одному из аминокислотных остатков.

Многие ферментные белки также требуют «вспомогательных» молекул, известных как кофакторы , чтобы сделать их каталитически активными.Это могут быть простые ионы металлов (многие из микропитательных ионов Cu, Mn, Mo, V и т. Д.) Или более сложные органические молекулы, которые называются коферментами . Многие из последних — это то, что мы обычно называем витаминами . Другие молекулы, известные как ингибиторы , снижают активность ферментов; Так действуют многие лекарства и яды.

Фермент-субстратный комплекс

Стандартная модель кинетики фермента состоит из двухэтапного процесса, в котором фермент обратимо связывается со своим субстратом S (реагентом) с образованием комплекса фермент-субстрат ES:

Комплекс фермент-субстрат играет роль, аналогичную роли активированного комплекса в традиционной кинетике, но основная функция фермента — стабилизировать переходное состояние.

На второй, по существу необратимой стадии, продукт и фермент высвобождаются:

Общая кинетика процесса была разработана в 1913 году немецким биохимиком Леонором Михаэлисом и его канадской студенткой Мод Ментен.

Основная кинетическая трактовка этого процесса включает предположение, что концентрации [E] и [ES] достигают стационарных значений, которые не меняются со временем. (Подробное лечение, выходящее за рамки этого курса, можно найти здесь.)

Общий процесс описывается уравнением Михаэлиса-Ментен , которое изображено здесь. Константа Михаэлиса k M определена, как показано, но может быть упрощена до константы диссоциации ES k -1 / k 1 в случаях, когда диссоциация комплекса происходит со скоростью предельный шаг. Величина v max напрямую не наблюдается, но может быть определена из k M , как показано здесь.

Ферменты белки

Чтобы понять ферменты и то, как они катализируют реакции, необходимо сначала рассмотреть несколько основных понятий, касающихся белков и аминокислот, из которых они состоят.

Аминокислоты: полярные, неполярные, положительные, отрицательные.

21 аминокислота, из которых состоят белки, обладают основной структурой, показанной здесь, где R представляет собой водород или боковую цепь, которая сама может содержать дополнительные группы –NH 2 или –COOH.Оба типа групп могут образовывать водородные связи с водой и с полярными частями субстратов и, следовательно, вносят свой вклад в полярность и гидофильность аминокислот. Боковые цепи, которые содержат более длинные углеродные цепи, и особенно бензольные кольца, имеют противоположный эффект и имеют тенденцию делать аминокислоту неполярной и гидрофобной.

pK и ионизируемой группы — это pH, при котором половина этих групп будет ионизирована. Например, если группа –COOH имеет pK , то равно 2.5, он будет существовать почти полностью в этой форме при pH около 1,5 или меньше, и в виде отрицательного иона –COO при pH выше около 3,5.

Обе группы –NH 2 и –COOH ионизируются (т. Е. Могут действовать как доноры или акцепторы протонов), и когда они находятся в ионной форме, они будут иметь электрический заряд. Группы –COOH имеют pKa в диапазоне 1,8–2,8 и, следовательно, будут находиться в их ионизированных формах –COO при обычных значениях клеточного pH около 7.4. РКа аминогруппы составляет около 8,8-10,6, поэтому они также обычно находятся в ионизированной форме NH 3 + .

Это означает, что при обычном клеточном pH как карбоксильная, так и аминогруппа будут ионизированы. Но поскольку заряды имеют противоположные знаки, аминокислота, не имеющая дополнительных ионизируемых групп в боковой цепи, будет иметь нулевой заряд. Но если боковая цепь содержит дополнительную амино или карбоксильную группу, аминокислота может нести чистый электрический заряд.На следующей диаграмме показаны типичные аминокислоты, которые попадают в каждую из описанных выше групп.

Для ясности здесь показаны только заряды в боковых цепях, но, конечно, карбоксильные и аминогруппы на головном конце каждой аминокислоты также будут ионизированы. Маленькие зеленые цифры — это значения pK и . См. Здесь полный список аминокислот, которые встречаются в белках.

Белки

Белки состоят из одной или нескольких цепочек аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями за счет удаления молекулы воды.

Продукт, показанный выше, называется пептидом , в частности, это дипептид , потому что он содержит две аминокислоты остатка (то, что остается после удаления воды). Белки — это просто очень длинные полипептидные цепи, или их комбинации. (Различие между длинным полипептидом и маленьким белком довольно нечеткое!)

Глобулярные белки

Большинство ферментов попадают в категорию глобулярных белков .В отличие от волокнистых белков , которые образуют структурные компоненты тканей, глобулярные белки растворимы в воде и редко имеют какие-либо систематические третичные структуры. Они состоят из одной или нескольких аминокислотных цепей (« пептид »), которые складываются в различные формы, которые можно грубо описать как сферические — отсюда термин «глобулярный» и суффикс «глобин», который часто добавляется к их названия, например, «гемоглобин».

Сворачивание белка — это спонтанный процесс, на который влияет ряд факторов.Одна из них, очевидно, является их первичной аминокислотной последовательностью, которая способствует образованию внутримолекулярных связей между аминокислотами в различных частях цепи. Они состоят в основном из водородных связей, хотя нередки дисульфидные связи S-S между серосодержащими аминокислотами.

В дополнение к этим внутримолекулярным силам важную роль играют взаимодействия с окружающей средой. Наиболее важным из них является гидрофобный эффект , который способствует конформациям складывания, в которых полярные аминокислоты (которые образуют водородные связи с водой) находятся снаружи, в то время как так называемые гидрофобные аминокислоты остаются в защищенных местах в пределах складки.

Как работают ферменты: активный центр

Каталитический процесс, опосредованный ферментом, происходит в углублении или щели, которая подвергает субстрат лишь нескольким из сотен и тысяч аминокислотных остатков в белковой цепи. Высокая специфичность и активность ферментного катализа чувствительно зависят от формы этой полости и свойств окружающих аминокислот

В 1894 году, задолго до того, как стало ясно, что ферменты являются белками, немецкий химик Эмиль Фишер предложил так называемую модель блокировки и ключа как способ понимания того, как данный фермент может специфически действовать только на один вид молекул субстрата.Эта модель по существу является развитием той, которую мы все еще используем для объяснения гетерогенного катализа.

Хотя базовая модель с замком и ключом продолжает оставаться полезной, она была изменена в то, что теперь называется моделью с принудительной подгонкой. Это предполагает, что когда субстрат входит в активный сайт и взаимодействует с окружающими частями аминокислотной цепи, он изменяет форму активного сайта (и, возможно, других частей фермента), чтобы он мог более полно взаимодействовать с субстратом.

Одним из важных шагов в этом процессе является выдавливание любых молекул воды, которые связаны с субстратом и могут помешать его оптимальному расположению.

Внутри активного центра специфические взаимодействия между субстратом и соответствующим образом заряженными, гидрофильными и гидрофобными аминокислотами активного центра затем стабилизируют переходное состояние, искажая молекулу субстрата таким образом, чтобы привести к переходному состоянию, имеющему существенно более низкую активацию энергии, чем может быть получен обычным неферментативным катализом.За пределами этой точки основные каталитические стадии являются довольно обычными, причем наиболее распространенными являются кислотно-основной и нуклеофильный катализ.

Для очень ясной и поучительной иллюстрации типичной многоступенчатой ​​последовательности типичной реакции, катализируемой ферментами, см. Эту страницу онлайн-учебника Марка Бишопа, из которого взята эта иллюстрация.

Регулирование и ингибирование ферментов

Если бы все ферменты в организме были активны все время, результатом был бы хаос.Большинство клеточных процессов, таких как производство и использование энергии, деление клеток и расщепление продуктов метаболизма, должны работать в изящно отлаженной и точно настроенной манере, как в большом симфоническом оркестре; Здесь нет места джазовой импровизации!

Природа изобрела различные способы достижения этого; мы описали действие предшественников и коферментов. Здесь мы сосредоточимся на одном из наиболее важных (и химически интересных) регуляторных механизмов.

Аллостерическая регуляция: настройка активного сайта

Существует важный класс ферментов, которые обладают особыми центрами (отличными от каталитически активных центров), с которыми определенные внешние молекулы могут обратимо связываться.Хотя эти аллостерические сайты , как их называют, могут быть довольно далеко от каталитических сайтов, эффект связывания или высвобождения этих молекул должен запускать быстрое изменение в паттерне укладки фермента, которое изменяет форму активный сайт. Эффект состоит в том, чтобы позволить сигнальной или регуляторной молекуле (часто очень маленькой, такой как NO) модулировать каталитическую активность активного центра, эффективно включая или выключая фермент.

В некоторых случаях продукт реакции, катализируемой ферментом, может сам связываться с аллостерическим сайтом, снижая активность фермента и, таким образом, обеспечивая отрицательную обратную связь, которая помогает поддерживать продукт в желаемой концентрации.Считается, что таким образом регулируются концентрации ионов в плазме, таких как кальций, и энергоснабжающего АТФ.

Аллостерические ферменты — это больше, чем просто катализаторы: они действуют как контрольные точки в метаболических и клеточных сигнальных сетях. Аллостерические ферменты часто стоят в начале последовательности ферментов в метаболической цепи или в точках разветвления, где две такие цепи расходятся, действуя очень сильно. как светофоры на перегруженных перекрестках.

Ингибирование ферментов

Как и в случае с гетерогенными катализаторами, некоторые молекулы, отличные от нормального субстрата, могут быть способны проникать в активный сайт и удерживаться в нем, чтобы конкурентно ингибировать активность фермента.Так действуют пенициллин и родственные ему антибиотики; эти молекулы ковалентно связываются с аминокислотными остатками в активном центре фермента, который катализирует образование важного компонента стенок бактериальных клеток. Когда клетка делится, новообразованное потомство по существу распадается.

Ферменты вне клетки

Концепция художника Майка Перкинса об иммобилизованном ферменте внутри функционализированной нанопористой поры кремнезема. Фермент показан зеленым, а положительно заряженные области показаны красным.Синие структуры внутри пор представляют собой отрицательно заряженные функциональные группы, добавленные к мезопористому диоксиду кремния для создания благоприятной химической среды для фермента. Благоприятная среда в каждой поре привлекает молекулу фермента, чтобы двигаться в незанятую пору. Эта среда стабилизирует и увеличивает химическую реактивность фермента, позволяя ему преобразовывать вредные материалы субстрата (фиолетовые частицы) в полезные или безвредные продукты (желтые и красные частицы). [связь]

Ферменты уже очень давно широко используются в пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности и производстве моющих средств, но в основном в виде неочищенных экстрактов целых клеток.

В последние годы развитие биотехнологии и постепенный переход промышленности от нефтяного сырья и растворителей к так называемой «зеленой» химии сделали ферменты более привлекательными в качестве промышленных катализаторов. По сравнению с последними очищенные ферменты имеют тенденцию быть дорогими, трудно перерабатываемыми и нестабильными за пределами довольно узких диапазонов температуры, pH и состава растворителя.

Иммобилизованные ферменты

Многие проблемы, связанные с использованием свободных ферментов, можно решить путем иммобилизации фермента.Это можно сделать несколькими способами:

Связывание фермента с инертным твердым поддерживающим материалом
Впервые это было сделано в 1916 году с использованием древесного угля или гидроксида алюминия. с 1960-х годов, когда этот метод стал более популярным, широкое распространение получили синтетические полимеры, часто предназначенные для конкретного применения. Также были использованы некоторые природные биополимеры, такие как целлюлоза или крахмал, и неорганические твердые вещества, такие как диоксид кремния и оксид алюминия.
Улавливание фермента в пористом материале
Полимеризация акриламида в присутствии фермента дает пористый гель, который обеспечивает свободную диффузию субстрата и продуктов. Другие материалы, используемые для этой цели, включают натуральные гели, такие как альгинат (полученный из морских водорослей), пористый кремнезем или твердые частицы керамики и цеолиты.
Сшитые ферменты
Если фермент химически связан с другим веществом (обычно очень маленькой молекулой), полученное твердое вещество, известное как сшитый агрегат фермента, может сохранять высокую каталитическую эффективность в очень широком диапазоне условий. Более поздняя связанная разработка включает осаждение менее очищенной формы фермента (например, путем добавления этиленгликоля или сульфата аммония) с последующим сшиванием полученных агрегатов.

[изображения ↑]

Ссылки: больше для изучения

Катализ

  1. Гади Ротенберг — Катализ: концепции и экологические приложения (Wiley-VCH, 2008)
  2. Р.А. ван Сантан, М. Нейрок — Молекулярный гетерогенный катализ: концептуальный и вычислительный подход (Wiley-VCH, 2006)
  3. История катализа: список веб-страниц, включая пятьдесят лет катализа — список основных достижений в области 1949–1999. Более подробные страницы истории из Великобритании
  4. Катализ и его приложения — очень удобочитаемый и интересный отчет о приложениях катализа в различных промышленно важных областях.

Авторы и авторство

3.1: Общие принципы катализа

Как видно из уравнения Аррениуса, величина энергии активации \ (E_a \) определяет значение константы скорости \ (k \) при данной температуре и таким образом, общая скорость реакции. Катализаторы служат средством уменьшения \ (E_a \) и увеличения скорости реакции. Катализаторы — это вещества, которые участвуют в химической реакции, но не изменяются и не расходуются.Вместо этого они предоставляют новый механизм возникновения реакции, который имеет более низкую энергию активации, чем реакция без катализатора. Гомогенный катализ относится к реакциям, в которых катализатор находится в растворе по крайней мере с одним из реагентов, тогда как гетерогенный катализ относится к реакциям, в которых катализатор присутствует в другой фазе, обычно в твердом виде, чем реагенты. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показано сравнение энергетических профилей реакции в отсутствие и в присутствии катализатора.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Сравнение энергетических профилей с катализатором и без него.

Рассмотрим некаталитическую элементарную реакцию

\ [\ text {A} \ overset {k} {\ longrightarrow} \ text {P} \]

, который протекает со скоростью \ (k \) при определенной температуре. Скорость реакции можно выразить как

\ [\ dfrac {d \ left [\ text {A} \ right]} {dt} = -k \ left [\ text {A} \ right] \ label {Eq1} \]

В присутствии катализатора \ (\ text {C} \) мы можем записать реакцию как

\ [\ text {A} + \ text {C} \ overset {k_ \ text {cat}} {\ longrightarrow} \ text {P} + \ text {C} \]

, а скорость реакции —

.

\ [\ dfrac {d \ left [\ text {A} \ right]} {dt} = -k \ left [\ text {A} \ right] — k_ \ text {cat} \ left [\ text {A } \ right] \ left [\ text {C} \ right] \ label {Eq2} \]

, где первый член представляет некаталитическую реакцию, а второй член представляет каталитическую реакцию.Поскольку скорость катализированной реакции часто больше, чем скорость некаталитической реакции (то есть \ (k_ \ text {cat} \ gg k \)), первым членом часто можно пренебречь.

Кислотный катализ

Обычным примером гомогенных катализаторов являются кислоты и основания. Например, учитывая общую реакцию \ (\ text {S} \ rightarrow \ text {P} \). Если \ (k \) — ставка, то

\ [\ dfrac {d \ left [\ text {P} \ right]} {dt} = k \ left [\ text {S} \ right] \]

Назначение фермента — увеличить скорость производства продукта \ (\ text {P} \).+ \ right]} {\ left [\ text {A} H \ right]} \ label {Eq9} \]

В данном случае реакция катализируется ионами водорода.

Ферментный катализ

Чтобы жить, расти и размножаться, микроорганизмы претерпевают различные химические изменения. Они изменяют питательные вещества, чтобы они могли проникать в клетку, и меняют их, когда они попадают, чтобы синтезировать части клетки и получить энергию.

Метаболизм относится ко всем организованным химическим реакциям в клетке. Реакции, в которых разлагаются химические соединения, называются катаболическими реакциями , а реакции, в которых синтезируются химические соединения, называются анаболическими реакциями .Все эти реакции находятся под контролем ферментов.

Ферменты — это вещества, присутствующие в клетке в небольших количествах, которые действуют, ускоряя или катализируя химические реакции . На поверхности фермента обычно есть небольшая щель, которая функционирует как активный сайт , или каталитический сайт, с которым могут связываться один или два конкретных субстрата. (Все, с чем обычно сочетается фермент, называется субстратом ). Связывание субстрата с ферментом заставляет гибкий фермент слегка изменять свою форму посредством процесса, называемого индуцированная подгонка , с образованием временного промежуточного соединения, называемого ферментом -субстратный комплекс (рисунок 1).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Ферменты — это вещества, присутствующие в клетке в небольших количествах, которые ускоряют или катализируют химические реакции. Ферменты ускоряют скорость химических реакций, потому что они снижают энергию активации, энергию, которая должна подаваться для того, чтобы молекулы реагировали друг с другом. Ферменты снижают энергию активации, образуя комплекс фермент-субстрат.

Ферменты ускоряют скорость химических реакций, поскольку они снижают энергию активации, энергию, которая должна подаваться, чтобы молекулы реагировали друг с другом (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).Подобно гомогенным катализаторам, рассмотренным выше, ферменты снижают энергию активации, образуя комплекс фермент-субстрат, позволяющий продуктам ферментативной реакции образовываться и высвобождаться (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Фермент ускоряет химическую реакцию, понижая свою энергию активации, энергию, которая должна поступать, чтобы молекулы реагировали друг с другом.

Реакции фермент-субстрат

Ферменты — это вещества, присутствующие в клетке в небольших количествах, которые ускоряют или катализируют химические реакции.Ферменты ускоряют скорость химических реакций, потому что они снижают энергию активации, энергию, которая должна подаваться для того, чтобы молекулы реагировали друг с другом. Ферменты снижают энергию активации, образуя комплекс фермент-субстрат.

Многие ферменты требуют небелкового кофактора , чтобы помочь им в их реакции. В этом случае белковая часть фермента, называемая апоферментом , объединяется с кофактором с образованием всего фермента или галофермента (рисунок \ (\ PageIndex {4} \)).Некоторыми кофакторами являются ионы, такие как Ca ++ , Mg ++ и K + ; другие кофакторы — это органические молекулы, называемые коферментами , которые служат переносчиками химических групп или электронов. NAD + , NADP + , FAD и кофермент A (CoA) являются примерами коферментов.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Апофермент и кофактор объединяются, образуя галоидофермент. Если кофактор представляет собой органическую молекулу, он называется коферментом.

Ферменты, как правило, представляют собой глобулярные белки.(Некоторые молекулы РНК, называемые рибозимами, также могут быть ферментами. Обычно они находятся в ядерной области клеток и катализируют расщепление молекул РНК.) Ферменты — это катализаторы, разрушающие или синтезирующие более сложные химические соединения. Они позволяют химическим реакциям происходить достаточно быстро, чтобы поддерживать жизнь. Ферменты ускоряют скорость химических реакций, потому что они снижают энергию активации, энергию, которая должна подаваться для того, чтобы молекулы реагировали друг с другом. Все, с чем обычно сочетается фермент, называется субстратом.Ферменты очень эффективны, обычно фермент способен катализировать от 1 до 10 000 молекул субстрата в секунду. Это означает, что ферменты должны присутствовать в клетке только в небольших количествах. Они не изменяются во время реакции и очень специфичны для своего субстрата, как правило, с одним специфическим ферментом, предназначенным для каждой конкретной химической реакции.

Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций

    На активность фермента влияет ряд факторов, включая:

    1. Концентрация фермента : при наличии достаточной концентрации субстрата увеличение концентрации фермента увеличит скорость ферментативной реакции.
    2. Концентрация субстрата : При постоянной концентрации фермента и более низких концентрациях субстратов концентрация субстрата является ограничивающим фактором. По мере увеличения концентрации субстрата скорость ферментативной реакции увеличивается. Однако при очень высоких концентрациях субстрата ферменты насыщаются субстратом, и более высокая концентрация субстрата не увеличивает скорость реакции.
    3. Ингибиторы: ингибиторы подавляют активность фермента и снижают скорость реакции.Ингибиторы ферментов будут связываться с активными центрами ферментов и могут изменять химический состав активного сайта, что может препятствовать проникновению субстрата.
    4. Температура : Каждый фермент имеет оптимальную температуру, при которой он работает лучше всего. Более высокая температура обычно приводит к увеличению активности фермента (кинетика Аррениуса). С повышением температуры движение молекул увеличивается, что приводит к большему количеству столкновений молекул. Однако, если температура поднимается выше определенной точки, тепло денатурирует фермент, заставляя его терять свою трехмерную функциональную форму из-за денатурирования его водородных связей.С другой стороны, низкая температура замедляет активность ферментов за счет уменьшения движения молекул.
    5. pH : Каждый фермент имеет оптимальный pH, который помогает поддерживать его трехмерную форму. Изменения pH могут денатурировать ферменты, изменяя заряд фермента. Это изменяет ионные связи фермента, которые способствуют его функциональной форме.
    6. Концентрация соли : Каждый фермент имеет оптимальную концентрацию соли. Изменения в концентрации соли также могут денатурировать ферменты.

    Применение ферментов

    Ферменты необходимы для поддержания гомеостаза, потому что любой сбой фермента может привести к заболеваниям. Поэтому фармацевтические компании изучают ферменты, чтобы манипулировать и синтезировать новые лекарства. Помимо медицинских применений, ферменты важны в промышленности, потому что ферменты помогают расщеплять целлюлозу, отходы и т. Д. Ферменты необходимы в процессе создания новых продуктов во многих отраслях, таких как фармацевтическая, пищевая, бумажная, винная и т. Д.

    Список литературы

    1. «Глава 4 Фермент.» Защищено авторским правом IHW, октябрь 2005 г. Интернет. 5 марта 2011 г. biologymad.com/resources/Ch%2…0-20enzyme.pdf
    2. Чанг, Раймонд. Физическая химия для биологических наук. Саусалито, Калифорния: University Science Books, 2005. Страницы 363-384.

    Авторы и авторство

    12.7 Катализ — химия

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните функцию катализатора с точки зрения механизмов реакции и диаграмм потенциальной энергии
    • Перечислить примеры катализа в природных и промышленных процессах

    Мы видели, что скорость многих реакций может быть увеличена с помощью катализаторов.Катализатор ускоряет скорость реакции за счет снижения энергии активации; кроме того, катализатор регенерируется в процессе. Несколько реакций, которые являются термодинамически благоприятными в отсутствие катализатора, происходят с разумной скоростью только при наличии катализатора. Одной из таких реакций является каталитическое гидрирование, процесс, при котором водород добавляют через связь C = C алкена с получением насыщенного алканового продукта. Сравнение диаграмм координат реакции (также известных как энергетические диаграммы) для каталитического и некаталитического гидрирования алкена показано на рисунке 1.

    Рис. 1. На этом графике сравниваются координаты реакции каталитического и некаталитического гидрирования алкена.

    Катализаторы функционируют, обеспечивая альтернативный механизм реакции, который имеет более низкую энергию активации, чем было бы в отсутствие катализатора. В некоторых случаях каталитический механизм может включать дополнительные стадии, как показано на диаграммах реакций, показанных на рисунке 2. Эта более низкая энергия активации приводит к увеличению скорости, как описано уравнением Аррениуса.Обратите внимание, что катализатор снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции и, следовательно, ускоряет как прямую, так и обратную реакции . Следовательно, присутствие катализатора позволяет системе быстрее достичь равновесия, но не влияет на положение равновесия, что отражается в значении его константы равновесия (см. Следующую главу о химическом равновесии).

    Рис. 2. Эта диаграмма потенциальной энергии показывает влияние катализатора на энергию активации.Катализатор обеспечивает другой путь реакции с более низкой энергией активации. Как показано, катализированный путь включает двухступенчатый механизм (обратите внимание на наличие двух переходных состояний) и промежуточный вид (представленный долиной между двумя переходными состояниями).

    Пример 1

    Использование диаграмм реакций для сравнения каталитических реакций
    Две диаграммы здесь представляют одну и ту же реакцию: одна без катализатора, а другая с катализатором. Определите, какая диаграмма предполагает наличие катализатора, и определите энергию активации катализированной реакции:

    Раствор
    Катализатор не влияет на энергию реагента или продукта, поэтому этими аспектами диаграмм можно пренебречь; они, как и следовало ожидать, идентичны в этом отношении.Однако есть заметная разница в переходном состоянии, которое на диаграмме (b) заметно ниже, чем на (a). Это указывает на использование катализатора на диаграмме (b). Энергия активации — это разница между энергией исходных реагентов и переходного состояния — максимум на координатной диаграмме реакции. Реагенты имеют 6 кДж, а переходное состояние 20 кДж, поэтому энергию активации можно рассчитать следующим образом:

    [латекс] E _ {\ text {a}} = 20 \; \ text {kJ} \; — \; 6 \; \ text {kJ} = 14 \; \ text {kJ} [/ latex]

    Проверьте свои знания
    Определите, какая из двух диаграмм (обе для одной и той же реакции) включает катализатор, и определите энергию активации катализированной реакции:

    Ответ:

    Диаграмма (b) представляет собой катализируемую реакцию с энергией активации около 70 кДж.

    Гомогенный катализатор находится в той же фазе, что и реагенты. Он взаимодействует с реагентом с образованием промежуточного вещества, которое затем разлагается или вступает в реакцию с другим реагентом на одной или нескольких стадиях для регенерации исходного катализатора и образования продукта.

    В качестве важной иллюстрации гомогенного катализа рассмотрим озоновый слой Земли. Озон в верхних слоях атмосферы, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения, образуется, когда молекулы кислорода поглощают ультрафиолетовый свет и вступают в реакцию:

    [латекс] 3 \ text {O} _2 (g) \; {\ xrightarrow {hv}} \; 2 \ text {O} _3 (g) [/ latex]

    Озон — относительно нестабильная молекула, которая разлагается с образованием двухатомного кислорода по обратному этому уравнению.Эта реакция разложения соответствует следующему механизму:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {O} _3 & \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em ] \ text {O} \; + \; \ text {O} _3 & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

    Присутствие оксида азота NO влияет на скорость разложения озона. Оксид азота действует как катализатор по следующему механизму:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _3 (g) & \ text {NO} _2 (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] \ text {O} _3 (g) & \ text {O} _2 (g) \; + \; \ text {O} (g) \\ [0.5em] \ text {NO} _2 (g) \ ; + \; \ text {O} (g) & \ text {NO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) \ end {array} [/ latex]

    Общее химическое изменение для каталитического механизма такое же, как:

    [латекс] 2 \ text {O} _3 (g) \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 (g) [/ latex]

    Оксид азота реагирует и регенерируется в этих реакциях. Он не расходуется постоянно; таким образом, он действует как катализатор. Скорость разложения озона выше в присутствии оксида азота из-за каталитической активности NO.Некоторые соединения, содержащие хлор, также катализируют разложение озона.

    Марио Дж. Молина

    Нобелевскую премию по химии 1995 года разделили Пол Дж. Крутцен, Марио Дж. , Молина (рис. 3) и Ф. Шервуд Роуленд «за их работы в области химии атмосферы, особенно в отношении образования и разложения озона». Молина, гражданин Мексики, выполнял большую часть своей работы в Массачусетском технологическом институте (MIT).

    Рисунок 3. (a) Мексиканский химик Марио Молина (1943 -) разделил Нобелевскую премию по химии в 1995 году за исследование (b) озоновой дыры в Антарктике. (Фото а: любезно предоставлено Марио Молиной; кредит б: модификация работы НАСА)

    В 1974 году Молина и Роуленд опубликовали статью в журнале Nature (одна из основных рецензируемых публикаций в области науки) с подробным описанием угроза хлорфторуглеродных газов стабильности озонового слоя в верхних слоях атмосферы Земли. Озоновый слой защищает Землю от солнечного излучения, поглощая ультрафиолетовый свет.Поскольку химические реакции истощают количество озона в верхних слоях атмосферы, над Антарктидой образуется измеримая «дыра», и увеличение количества солнечного ультрафиолетового излучения, которое во многом связано с распространением рака кожи, достигает поверхности Земли. Работа Молины и Роуленда сыграла важную роль в принятии Монреальского протокола, международного договора, подписанного в 1987 году, который успешно начал поэтапное прекращение производства химических веществ, связанных с разрушением озона.

    Молина и Роуленд продемонстрировали, что атомы хлора из химических веществ, созданных человеком, могут катализировать разрушение озона в процессе, аналогичном процессу, при котором NO ускоряет разрушение озона.Атомы хлора образуются, когда хлороуглероды или хлорфторуглероды, которые когда-то широко использовались в качестве хладагентов и пропеллентов, фотохимически разлагаются ультрафиолетовым светом или реагируют с гидроксильными радикалами. Здесь показан пример механизма с использованием хлористого метила:

    [латекс] \ text {CH} _3 \ text {Cl} \; + \; \ text {OH} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {other \; продукты } [/ латекс]

    Хлорные радикалы разрушают озон и регенерируются с помощью следующего каталитического цикла:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _3 & \ text {ClO} \; + \; \ текст {O} _2 \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} & \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ text {total \; Реакция: \; O} _3 \; + \; \ text {O} & 2 \ text {O} _2 \ end {array} [/ latex]

    Один одноатомный хлор может разрушить тысячи молекул озона. К счастью, большая часть атмосферного хлора существует в виде каталитически неактивных форм Cl 2 и ClONO 2 .

    После получения своей части Нобелевской премии Молина продолжил свою работу в области химии атмосферы в Массачусетском технологическом институте.

    Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

    Ферменты в организме человека действуют как катализаторы важных химических реакций клеточного метаболизма.Таким образом, дефицит определенного фермента может привести к опасному для жизни заболеванию. Дефицит G6PD (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы), генетическое заболевание, которое приводит к нехватке фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, является наиболее распространенной недостаточностью ферментов у людей. Этот фермент, показанный на рисунке 4, является ферментом, ограничивающим скорость метаболического пути, который доставляет НАДФН в клетки (рисунок 5).

    Рисунок 4. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа — это фермент, ограничивающий скорость метаболического пути, который поставляет НАДФН в клетки.

    Нарушение этого пути может привести к снижению содержания глутатиона в эритроцитах; Как только весь глутатион потребляется, ферменты и другие белки, такие как гемоглобин, становятся уязвимыми. Например, гемоглобин может метаболизироваться до билирубина, что приводит к желтухе — состоянию, которое может стать серьезным. Люди, страдающие дефицитом G6PD, должны избегать определенных продуктов и лекарств, содержащих химические вещества, которые могут вызвать повреждение их эритроцитов с дефицитом глутатиона.

    Рисунок 5. В механизме пентозофосфатного пути G6PD катализирует реакцию, регулирующую NAPDH, кофермент, регулирующий глутатион, антиоксидант, защищающий эритроциты и другие клетки от окислительного повреждения.

    Гетерогенный катализатор представляет собой катализатор, который присутствует в другой фазе (обычно в твердой фазе), чем реагенты. Такие катализаторы обычно функционируют, создавая активную поверхность, на которой может происходить реакция. Газовые и жидкофазные реакции, катализируемые гетерогенными катализаторами, происходят на поверхности катализатора, а не внутри газовой или жидкой фазы.

    Гетерогенный катализ имеет не менее четырех этапов:

    1. Адсорбция реагента на поверхности катализатора
    2. Активация адсорбированного реагента
    3. Реакция адсорбированного реагента
    4. Диффузия продукта с поверхности в газовую или жидкую фазу (десорбция).

    Любой из этих шагов может быть медленным и, таким образом, может служить шагом определения скорости. Однако, как правило, в присутствии катализатора общая скорость реакции выше, чем если бы реагенты находились в газовой или жидкой фазе.

    На рисунке 6 показаны этапы, которые, по мнению химиков, происходят в реакции соединений, содержащих двойную углерод-углеродную связь, с водородом на никелевом катализаторе. Никель — это катализатор, используемый при гидрировании полиненасыщенных жиров и масел (которые содержат несколько двойных углерод-углеродных связей) для получения насыщенных жиров и масел (которые содержат только одинарные углерод-углеродные связи).

    Рис. 6. Есть четыре стадии катализа реакции C 2 H 4 + H 2 ⟶C 2 H 6 никелем.(а) Водород адсорбируется на поверхности, разрывая связи H – H и образуя связи Ni – H. (б) Этилен адсорбируется на поверхности, разрывая π-связь и образуя связи Ni – C. (c) Атомы диффундируют по поверхности и при столкновении образуют новые связи C – H. (d) C 2 H 6 молекул ускользают с поверхности никеля, поскольку они не сильно притягиваются к никелю.

    Другие важные промышленные процессы, в которых используются гетерогенные катализаторы, включают получение серной кислоты, получение аммиака, окисление аммиака до азотной кислоты и синтез метанола, CH 3 OH.Гетерогенные катализаторы также используются в каталитических нейтрализаторах большинства автомобилей с бензиновым двигателем (рис. 7).

    Автомобильные каталитические преобразователи

    Ученые разработали каталитические нейтрализаторы для уменьшения количества токсичных выбросов, производимых при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания. Каталитические нейтрализаторы используют все пять факторов, которые влияют на скорость химических реакций, чтобы гарантировать максимальную безопасность выбросов выхлопных газов.

    Используя тщательно подобранную смесь каталитически активных металлов, можно добиться полного сгорания всех углеродсодержащих соединений до диоксида углерода, а также снизить выход оксидов азота.Это особенно впечатляет, если учесть, что один шаг включает добавление кислорода к молекуле, а другой — удаление кислорода (рис. 7).

    Рис. 7. Каталитический нейтрализатор позволяет сжигать все углеродсодержащие соединения до диоксида углерода, в то же время снижая выход оксида азота и других загрязняющих веществ в выбросы от двигателей, работающих на бензине.

    Большинство современных трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов имеют поверхность, пропитанную платино-родиевым катализатором, который катализирует превращение оксида азота в диазот и кислород, а также превращение оксида углерода и углеводородов, таких как октан, в диоксид углерода и водяной пар:

    [латекс] \ begin {array} {r @ {{} \ longrightarrow {}} l} 2 \ text {NO} _2 (g) & \ text {N} _2 (g) \; + \; 2 \ text {O} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {CO} (g) \; + \; \ text {O} _2 (g) & 2 \ text {CO} _2 (g) \\ [0.5em] 2 \ text {C} _8 \ текст {H} _ {18} (g) \; + \; 25 \ text {O} _2 (g) & 16 \ text {CO} _2 (g) \; + \; 18 \ text {H} _2 \ текст {O} (g) \ end {array} [/ latex]

    Для обеспечения максимальной эффективности большинство каталитических нейтрализаторов предварительно нагревается электрическим нагревателем. Это гарантирует, что металлы в катализаторе будут полностью активны даже до того, как выхлопные газы автомобиля станут достаточно горячими для поддержания соответствующих температур реакции.

    «ChemWiki» Калифорнийского университета в Дэвисе дает подробное объяснение того, как работают каталитические нейтрализаторы.

    Структура и функции фермента

    Изучение ферментов — важная взаимосвязь между биологией и химией. Ферменты обычно представляют собой белки (полипептиды), которые помогают контролировать скорость химических реакций между биологически важными соединениями, особенно теми, которые участвуют в клеточном метаболизме. Различные классы ферментов выполняют множество функций, как показано в Таблице 36.

    Класс Функция
    оксидоредуктазы окислительно-восстановительные реакции
    трансферазы перенос функциональных групп
    гидролазы реакции гидролиза
    лиасы удаление группы с образованием двойных связей
    изомеразы изомеризация
    лигазы образование связи при гидролизе АТФ
    Таблица 36. Классы ферментов и их функции

    Молекулы фермента обладают активным центром, частью молекулы, форма которой позволяет ей связываться с определенным субстратом (молекулой реагента), образуя комплекс фермент-субстрат в качестве промежуточного продукта реакции. Есть две модели, которые пытаются объяснить, как работает этот активный сайт. Самая упрощенная модель называется гипотезой замка и ключа, которая предполагает, что молекулярные формы активного центра и субстрата дополняют друг друга и подходят друг к другу, как ключ в замке.Гипотеза индуцированной подгонки, с другой стороны, предполагает, что молекула фермента является гибкой и меняет форму, чтобы приспособиться к связи с субстратом. Однако это не означает, что активный центр фермента полностью податлив. Как модель «замок-и-ключ», так и модель индуцированного соответствия учитывают тот факт, что ферменты могут связываться только с определенными субстратами, поскольку в целом конкретный фермент катализирует только конкретную реакцию (рис. 8).

    Рис. 8. (a) Согласно модели с замком и ключом, форма активного центра фермента идеально подходит для субстрата.(b) Согласно модели индуцированной подгонки, активный центр в некоторой степени гибок и может изменять форму, чтобы соединиться с подложкой.

    Королевское химическое общество представляет собой прекрасное введение в ферменты для студентов и преподавателей.

    Катализаторы влияют на скорость химической реакции, изменяя ее механизм, чтобы обеспечить более низкую энергию активации. Катализаторы могут быть гомогенными (в той же фазе, что и реагенты) или гетерогенными (отличная от реагентов фаза).

    Химия: упражнения в конце главы

    1. Учитывать увеличение скорости реакции, вызванное катализатором.
    2. Сравните функции гомогенных и гетерогенных катализаторов.
    3. Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: Атомы хлора, возникающие в результате разложения хлорфторметанов, такие как CCl 2 F 2 , катализируют разложение озона в атмосфере. Один упрощенный механизм декомпозиции:
      [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \ \ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {Cl} \; {\ longrightarrow} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {ClO} \\ [0.5em] \ text {ClO} \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {Cl} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

      (а) Объясните, почему атомы хлора являются катализаторами газофазного превращения:

      [латекс] 2 \ text {O} _3 \; {\ longrightarrow} \; 3 \ text {O} _2 [/ latex]

      (b) Оксид азота также участвует в разложении озона по механизму:

      [латекс] \ text {O} _3 \; {\ xrightarrow {\ text {солнечный свет}}} \; \ text {O} _2 \; + \; \ text {O} \\ [0.5em] \ text {O} _3 \; + \; \ text {NO} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} _2 \; + \; \ text {O} _2 \\ [0.5em] \ текст {NO} _2 \; + \; \ text {O} \; {\ longrightarrow} \; \ text {NO} \; + \; \ text {O} _2 [/ latex]

      Является ли NO катализатором разложения? Поясните свой ответ.

    4. Определите для каждой из следующих пар диаграмм реакций, какая из пары катализируется:

      (а)

      (б)

    5. Для каждой из следующих пар диаграмм реакций укажите, какая из пар катализируется:

      (а)

      (б)

    6. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E a ) реакции:

      (а)

      (б)

    7. Для каждой из следующих диаграмм реакций оцените энергию активации ( E a ) реакции:

      (а)

      (б)

    8. На основании диаграмм в упражнении 6 «Химия» в конце главы, какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?
    9. На основании диаграмм в упражнении 7 в конце главы «Химия», какая из реакций протекает быстрее всего? У кого самая низкая скорость?

    Глоссарий

    катализатор гетерогенный
    Катализатор присутствует в фазе, отличной от фазы реагентов, обеспечивая поверхность, на которой может происходить реакция
    гомогенный катализатор

    Катализатор

    присутствует в той же фазе, что и реагенты

    Решения

    Ответы на упражнения в конце главы по химии

    1.Общий способ действия катализатора заключается в обеспечении механизма, с помощью которого реагенты могут легче объединяться, выбирая путь с более низкой энергией реакции. Скорость как прямой, так и обратной реакции увеличивается, что приводит к более быстрому достижению равновесия.

    3. (a) Атомы хлора являются катализатором, поскольку они вступают в реакцию на второй стадии, но регенерируются на третьей стадии. Таким образом, они не расходуются, что характерно для катализаторов. (б) NO является катализатором по той же причине, что и в части (а).

    5. Понижение энергии переходного состояния указывает на действие катализатора. а) А; (б) B

    7. Энергия, необходимая для перехода из начального состояния в переходное, составляет: а) 10 кДж; (б) 10 кДж

    9. У обоих одинаковая энергия активации, поэтому у них одинаковая скорость.

    Катализатор, который никогда не должен касаться своего реагента, нарушает учебный принцип | Исследования

    «Мы хотим бросить вызов парадигме из учебников, согласно которой реагенты и катализатор должны связываться друг с другом, чтобы вызвать некоторую химическую реактивность», — говорит Джоэл Юэн-Чжоу из Калифорнийского университета в Сан-Диего, США.Команда Юэнь-Чжоу показала, по крайней мере теоретически, что катализатор, застрявший между двумя зеркалами, может управлять реагентом, застрявшим между двумя соседними зеркалами, без соприкосновения двух друг с другом. Эта концепция может позволить химикам разорвать связи, к которым они не могут получить доступ другими способами.

    Этому способствуют оптические микрополости. Зеркала, установленные на нужном расстоянии — всего несколько микрометров — друг от друга, действуют как резонатор для света. Добавляя молекулы в эти полости, ученые могут создавать так называемые поляритоны.

    ‘Когда свет взаимодействует с материей, мы часто думаем, что он либо отражает, либо преломляет, либо делает что-то довольно независимое от типа оптического возбуждения, с которым он пришел, — пока вы не подумаете о взаимодействии света с материей в действительно малых масштабах, — говорит специалист по вычислительным материалам Принеха Наранг из Гарвардского университета, США, который не участвовал в исследовании. «Свет не похож на свет сам по себе, и материя не похожа на материю сама по себе».

    Поляритоны — это квазичастицы, которые наполовину легкие, наполовину материальные.Подобно молекулярным орбиталям, которые образуются из комбинации атомных орбиталей, поляритоны образуются из комбинации фотонов и молекул. Юэнь-Чжоу и его коллеги Мэтью Ду и Рафаэль Рибейро обнаружили, что они могут использовать эту концепцию, чтобы заставить молекулы разговаривать друг с другом, которые физически разделены в соседних оптических полостях.

    В их теоретической установке одна микрополость содержит глиоксиловую кислоту — катализатор, а другая — цис азотистую кислоту. Когда глиоксиловая кислота возбуждается правильным инфракрасным лазерным светом, она образует поляритоны.Хотя полости физически разделяют соединения, они соединены вместе, потому что имеют общее центральное зеркало.

    «Даже если у вас есть молекулы в двух коробках, вы больше не можете думать о молекулах как о независимых друг от друга», — объясняет Юэнь-Чжоу. «Молекулы в коробках ведут себя как большие супермолекулы, как димеры. Если вы повлияете на одну часть супермолекулы, вы повлияете на другую ».

    В результате образование поляритоновой глиоксиловой кислоты в одной полости на порядок усиливает изомеризацию азотистой кислоты цис транс в другой.«Люди сделали это с неорганическими полупроводниками, но с точки зрения химии это первое предложение такого рода», — говорит Ду.

    Хотя их исследование является полностью теоретическим, исследователи надеются получить экспериментальные доказательства в течение следующих нескольких лет. «Я думаю, что эту конкретную систему сложно реализовать, но есть много других альтернатив», — говорит Юэнь-Чжоу. «В целом концепция очень общая».

    «Я думаю, что [команда Юэнь-Чжоу] проделывает большую работу», — говорит Наранг.«Но когда мы думаем о том, как мы используем оптические резонаторы для модификации химии, я думаю, что мы хотим быть немного осторожными с точки зрения обобщения результатов одной или двух химических реакций на каждую возможную реакцию».

    «Есть надежда — и это еще не было проявлено — что вы можете выбрать, какие пути реакции вы хотите быть благоприятными», — объясняет Наранг. По ее словам, это может быть благом для таких реакций, как восстановление углекислого газа, которым не отдается предпочтение какому-либо конкретному пути.

    «Мы пытаемся найти волшебные шкатулки, в которые нужно поместить молекулы для селективного разрыва связей», — говорит Юэнь-Чжоу. «Вы можете использовать оптические резонаторы для управления реакциями, которые с помощью химических модификаций вы не могли бы».

    Johnson Matthey Catalysts — Education

    The Principles of Catalysis

    Что такое катализатор?

    В химии катализатор — это вещество, которое снижает энергию активации химической реакции, не изменяя себя в конце химической реакции.Катализаторы участвуют в реакциях, но не являются ни реагентами, ни продуктами реакции, которую они катализируют. Катализатор — это вещество, которое может увеличивать скорость химической реакции за счет взаимодействия с молекулами реагентов посредством пути, который делает образование продуктов энергетически более легким.

    Чем отличаются гомогенные и гетерогенные катализаторы?

    Катализаторы можно разделить на две категории:

    Гомогенные катализаторы

    Гомогенные катализаторы находятся в том же физическом состоянии (газ, жидкость, твердое тело), ​​что и реагенты и продукты.Все они могут, например, быть растворены в растворителе, таком как вода, или все они могут быть газами в нашей атмосфере.

    Гетерогенные катализаторы

    Гетерогенные катализаторы находятся в другом физическом состоянии по сравнению с реагентами и продуктами.Например, катализатор может быть твердым, тогда как реагенты и продукты — газы.

    Johnson Matthey Catalysts — образование

    Принципы катализа

    Как работает гетерогенный катализатор?

    Реакция, катализируемая гетерогенным катализатором, может быть представлена ​​блок-схемой и анимированной диаграммой.

    Шаг 1

    реагент + катализатор

    Шаг 2

    комплекс реагент / катализатор

    Шаг 3

    продукт / каталитический комплекс

    Шаг 4

    продукт + катализатор

    Создание и разрыв облигаций

    Молекулы реагента адсорбируются активными центрами на поверхности катализатора.Это включает в себя образование слабых связей между молекулами реагента и катализатором, что вызывает растяжение и ослабление других связей в молекуле реагента. Ослабленная структура превращается в другой комплекс, который по существу является продуктом, прикрепленным к катализатору. Наконец, этот комплекс распадается, высвобождая молекулу продукта, которая удаляется, оставляя поверхность катализатора готовой к взаимодействию с другой молекулой реагента.

    Выбор катализатора

    Выбор подходящего катализатора для конкретной реакции часто зависит от стабильности комплексов, образованных между реагентом и катализатором и продуктом и катализатором.Они должны быть достаточно стабильными, чтобы образовываться и обеспечивать альтернативный путь некаталитической реакции, но они не должны быть слишком стабильными, так как это приведет к увеличению энтальпии активации и замедлит скорость реакции.

    Не серебро или вольфрам

    Например, адсорбция молекул на поверхности вольфрама имеет тенденцию быть слишком сильной, в то время как адсорбция на серебре имеет тенденцию быть слишком слабой, что делает их оба менее полезными в качестве катализаторов в некоторых реакциях по сравнению с никелем или платиной.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *