Προσρόφηση σε Καταλύτες

Σε ετερογενώς καταλυόμενες αντιδράσεις, ο Langmuir εξήγησε το ρόλο της προσρόφησης στους καταλύτες . Η κατάλυση επαφής αναφέρεται στην προσρόφηση των μορίων των αντιδραστηρίων στις επιφάνειες του καταλύτη. Η ιδέα της προσρόφησης της κατάλυσης υποστήριξε ότι τα αντιδρώντα στην αέρια κατάστασή τους προσροφούνται στην επιφάνεια ενός στερεού καταλύτη. Ο ρυθμός της αντίδρασης επιταχύνεται αυξάνοντας την επιφανειακή συγκέντρωση των αντιδρώντων. Η προσρόφηση των αντιδρώντων στην επιφάνεια του καταλύτη πιστεύεται ότι δημιουργεί ένα ενεργό σύμπλοκο που αποσυντίθεται και απελευθερώνει το προϊόν.

Τι είναι η Κατάλυση;

Η κατάλυση ορίζεται ως η διαδικασία κατά την οποία ο ρυθμός αντίδρασης μεταβάλλεται (είτε αυξάνεται είτε μειώνεται) λόγω της παρουσίας μιας ουσίας που παραμένει χημικά αμετάβλητη κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Ο καταλύτης αναφέρεται στην ουσία που επηρεάζει τον ρυθμό αντίδρασης. Ένας καταλύτης μπορεί να είναι θετικός (αυξάνοντας τον ρυθμό αντίδρασης) ή αρνητικός (μειώνοντας τον ρυθμό αντίδρασης).

Δυνατότητες καταλυτών

1. Ο όγκος και η χημική σύνθεση του καταλύτη παραμένουν αμετάβλητα.
2. Στις αναστρέψιμες διεργασίες, ο καταλύτης δεν επηρεάζει τη σύνθεση ισορροπίας του μείγματος αντίδρασης. Χρησιμεύει απλώς στην επιτάχυνση της διαδικασίας δημιουργίας και διατήρησης της ισορροπίας.

Διαφορετικοί τύποι κατάλυσης

Υπάρχουν τρεις τύποι καταλυτικών αντιδράσεων:

α) Αυτοκατάλυση.

β) Ομογενής Κατάλυση.

γ) Ετερογενής Κατάλυση.

α) Αυτοκατάλυση

Η αυτοκατάλυση λαμβάνει χώρα ενώ ένα από τα προϊόντα μιας διαδικασίας αντίδρασης χρησιμεύει ως καταλύτης.

β) Ομογενής Κατάλυση

Η ομογενής κατάλυση είναι μια καταλυτική διαδικασία κατά την οποία οι καταλύτες και τα αντιδρώντα βρίσκονται όλοι στην ίδια φυσική κατάσταση.

γ) Ετερογενής Κατάλυση

Η ετερογενής κατάλυση μπορεί να οριστεί ως ένας τύπος κατάλυσης όταν η φάση του καταλύτη διαφέρει από τα αντιδρώντα. Μερικές φορές ονομάζεται κατάλυση επιφάνειας ή επαφής. Ο μηχανισμός ενός ετερογενούς καταλύτη εξηγείται χρησιμοποιώντας αυτήν την υπόθεση. Αυτή η θεωρία συνδυάζει την παραδοσιακή προσρόφηση σε καταλύτες θεωρία με την έννοια του σχηματισμού ενδιάμεσης ένωσης.

Οι περισσότεροι ετερογενείς καταλύτες είναι στερεά, ενώ τα περισσότερα αντιδρώντα είναι αέρια ή υγρά. Η ετερογενής κατάλυση είναι ζωτικής σημασίας σε μια μεγάλη ποικιλία ενεργειακών και χημικών βιομηχανιών. Το 1918, ο Fritz Haber και ο Carl Bosch κέρδισαν το Νόμπελ Χημείας για την εργασία τους στην ετερογενή κατάλυση, όπως και ο Irving Langmuir το 1932 και ο Gerhard Ertl το 2007.

Απορρόφηση

Η προσρόφηση είναι συχνά απαραίτητη προϋπόθεση για ετερογενή κατάλυση. Επειδή προσρόφηση σε καταλύτες είναι μια εξώθερμη αντίδραση, η θερμότητα που δημιουργείται κατά τη διαδικασία χρησιμοποιείται επίσης για τη διάλυση ή τη διάσπαση των δεσμών μεταξύ των αντιδρώντων, ευνοώντας έτσι νέους δεσμούς. Η παραγωγή ενδιάμεσης ένωσης εξηγεί την ομοιογενή κατάλυση. Τόσο ο καταλύτης όσο και το αντιδρόν βρίσκονται στο ίδιο στάδιο σε αυτήν την αντίδραση.

Προσρόφηση σε καταλύτες αναφέρεται στη συγκέντρωση μορίων στην επιφάνεια αντί να βρίσκονται σε στερεή ή υγρή μάζα λόγω μη ισορροπημένων δυνάμεων έλξης. Το μοριακό είδος που προσροφάται στην επιφάνεια αναφέρεται ως προσροφητικό και η ουσία στην οποία γίνεται η προσρόφηση αναφέρεται ως προσροφητικό.

(i) Ο άνθρακας απορροφά αέρια O2, H2, C12 και NH3.

(ii) Τα πηκτώματα πυριτίου απορροφούν αποτελεσματικά μόρια νερού από τον αέρα.

Η εκρόφηση είναι η αντιστροφή αυτής της διαδικασίας (κατά την οποία το προσροφητικό διαχωρίζεται από το προσροφητικό). Η προσρόφηση στους καταλύτες είναι το προσροφητικό, ενώ το υποστήριγμα είναι το προσροφητικό.

Ετερογενής Μηχανισμός Κατάλυσης:

Απαιτείται μια διαδικασία πέντε βημάτων για ετερογενή κατάλυση σύμφωνα με την Υπόθεση Επιφανειακής Προσρόφησης:

Βήμα 1:Διάχυση αντιδραστηρίου στην επιφάνεια:

Τα αντιδρώντα μόρια διαχέουν τη στερεά καταλυτική επιφάνεια. Ο ρυθμός επιφανειακής αντίδρασης επηρεάζεται από τη μαζική απορρόφηση και το μέγεθος του στρώματος συνόρων.

Βήμα 2:Προσρόφηση αντιδραστηρίου

Η φυσική προσρόφηση των αντιδρώντων μορίων στην επιφάνεια λαμβάνει χώρα αρχικά. Στη συνέχεια, χημικοαπορροφούνται. Σχηματίζονται δεσμοί καθώς το(τα) αντιδρόν(α) προσροφάται(α) στην καταλυτική επιφάνεια. Αυτά τα μόρια στη συνέχεια προσροφούνται στις προσβάσιμες θέσεις προσρόφησης. Η δυνατότητα ενός ατόμου ή μορίου να εφαρμοστεί σε μια επιφάνεια αναφέρεται ακτινοβόλα ως Συντελεστής Κολλήσεως.

Βήμα 3:Χημική αντίδραση:

Τα γειτονικά χημικά απορροφημένα μόρια αντιδρούν για να σχηματίσουν τα προϊόντα. Όταν τα αντιδρώντα είναι προσκολλημένα στην επιφάνεια, έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να αλληλεπιδράσουν και να σχηματίσουν ένα ενδιάμεσο μόριο. Στο εξωτερικό, αναπτύσσονται δεσμοί μεταξύ ατόμων και μορίων.

Βήμα 4:Εκρόφηση προϊόντος:

Αυτό είναι το αντίστροφο της διαδικασίας προσρόφησης. Τα προκύπτοντα μόρια αρχικά χημικοαπορροφούνται στην επιφάνεια μετά την αντίδραση. Μετά από αυτή τη διαδικασία, η μεταβατική χημική ουσία εκροφάται από την επιφάνεια, η οποία καθίσταται διαθέσιμη για περαιτέρω προσρόφηση πρόσθετων μορίων. Οι δεσμοί σπάνε καθώς το προϊόν εκροφάται. Η φυσική προσρόφηση και ο τελικός διαχωρισμός από την επιφάνεια συμβαίνουν σε αυτό το σημείο.

Βήμα 5:Κυκλοφορία προϊόντος:

Υπάρχει διάχυση μορίων προϊόντος από την επιφάνεια. Η μεταβατική χημική ουσία στη συνέχεια αποσυντίθεται για να δημιουργήσει τα τελικά προϊόντα, διαχέοντας τελικά από τους εσωτερικούς πόρους του καταλύτη και την εξωτερική επιφάνεια. Στη συνέχεια, τα μόρια απορροφώνται από την επιφάνεια του καταλύτη.

Εφαρμογές προσρόφησης

• Για να δημιουργήσετε ένα περιβάλλον υψηλού κενού.
• Οι ανθρακωρύχοι αναπνέουν μέσω μασκών αερίου που περιέχουν ενεργό άνθρακα. Είναι ικανά να προσροφούν επιβλαβή αέρια.
• Προροφητικά όπως πηκτώματα πυριτίου και αλουμινίου συμβάλλουν στη μείωση της υγρασίας.
• Αφαίρεση χρώματος από διαλύματα.
• Είναι ένα καταλυτικό ενδιάμεσο στην ετερογενή κατάλυση.
• Για διαχωρισμό αδρανούς αερίου.
• Όσον αφορά τους δείκτες προσρόφησης.
• Στο πλαίσιο της χρωματογραφικής ανάλυσης.
• Ποιοτική ανάλυση.

Συμπέρασμα

Η Χημεία Επιφανειών είναι ένα υποπεδίο της χημείας που μελετά επιφανειακά φαινόμενα, όπως η διάβρωση:κατάλυση, κρυστάλλωση και παρόμοιες διεργασίες. Η ετερογενής κατάλυση ορίζεται ως ένα επιφανειακό φαινόμενο στο οποίο η καταλυτική δραστηριότητα του καταλύτη συγκεντρώνεται στην επιφάνεια του καταλύτη. Η προσρόφηση στους καταλύτες Η θεωρία εξηγεί γιατί ο καταλύτης δίνει την επιφάνεια και γιατί συμβαίνει η αντίδραση. Το αντιδραστήριο διαχέεται στην επιφάνεια του καταλύτη και προσροφάται στις ενεργές θέσεις του καταλύτη.