I n v e s t i c e d o r o z v o j e v z d ě l á v á n í Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie CZ.1.07/2.2.00/15.0324 I n v e s t i c e d o r o z v o j e v z d ě l á v á n í Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

I n v e s t i c e d o r o z v o j e v z d ě l á v á n í Chemická katalýza I n v e s t i c e d o r o z v o j e v z d ě l á v á n í Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Historie chemické katalýzy první katalyzovanou anorganickou reakci popsal v roce 1552 Valerius Cordus, který pomocí kyseliny sírové provedl konverzi alkoholu na ether poprvé se slovo katalýza objevilo v knize Alchymie Andrea Libavia z roku 1597 ve spojení s přeměnou obyčejných kovů na stříbro a zlato Elizabeth Fulhame (1780 – 1849) studium procesů spojených s hořením oxidace oxidu uhelnatého probíhá v přítomnosti malého množství vody, které se v průběhu reakce nemění Gottlieb S. Kirchhoff (1764 – 1833) kyselá hydrolýza škrobu Humphry Davy (1778 – 1829) hoření plynů v přítomnosti platiny za teplot nižších než obvyklých

Mechanismus kyselé hydrolýzy škrobu

Johann Wolfgang Döbereiner (1780 – 1849) hoření vodíku s kyslíkem v přítomnosti platiny probíhá již při pokojové teplotě konstrukce vodíkové (Döbereinerovy) lampy a – skleněná nádoba s kyselinou b – láhev s otevřeným dnem c – závěs d – zinek e – uzavírací kohout f – tryska g – platinová houba reakci lze ovlivnit jinými kovy, přičemž průběh reakce je na použitém kovu závislý vliv platiny na hoření vodíku může být omezen její deaktivací (např. účinkem SO2)

Kontaktní způsob výroby kyseliny sírové první patentovaný chemický proces – 1831, Peregrine Phillips Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848) zavádí katalýzu jako jev i pojem katalyzátory označil za látky, které pouhou svou přítomností vyvolávají chemické reakce, jež by se jinak neuskutečnily Fridrich Wilhelm Ostwald (1853 – 1932) katalyzátor ovlivňuje reakční rychlost, nemá však žádnou spojitost s polohou chemické rovnováhy katalyzátor je látka, která mění rychlost chemické reakce, aniž se sama stává součástí konečných produktů katalyzátor urychluje reakci přímou i zpětnou

Mechanismus chemické reakce cesta, kterou je proces chemické přeměny realizován na atomární úrovni počet reakčních kroků může být různý – jednokrokové x vícekrokové reakce mechanismus je reprezentován reakční koordinátou – geometrická veličina vystihující charakter a míru změn ve vzájemném uspořádání atomů v reagujícím systému reakční koordináta může být vyjádřena například měnící se délkou chemické vazby, velikostí vazebného úhlu, v případně složitějších molekul a reakcí potom různými kombinacemi těchto parametrů

Mechanismus katalyzované chemické reakce katalyzátor neovlivňuje rovnováhu chemické reakce katalyzátor do reakce vstupuje, účastní se reakčních přeměn, a po jejich ukončení zase z reakce vystupuje nezměněn mechanismus katalyzované reakce je spojen s překonáváním nižší energetické bariéry homogenní katalýza – reakce se uskutečňuje v jedné fázi (např. roztok) heterogenní katalýza – reakce se uskutečňuje na fázovém rozhraní (kontaktní katalýza, např. plyn/pevný katalyzátor) enzymatická katalýza

S + O2  SO2 nebo 4 FeS2 + 11 O2  8 SO2 + 2 Fe2O3 Průmyslová katalýza Výroba kyseliny sírové původně tepleným rozkladem síranů (kyzových břidlic) přelom 19. a 20. století, Rudolf Knietsch (BASF) – optimalizace kontaktního způsobu výroby SO3 katalyzovaného původně platinou, později oxidem vanadičným S + O2  SO2 nebo 4 FeS2 + 11 O2  8 SO2 + 2 Fe2O3

Výroba amoniaku 1903 – Fritz Haber, Walther Nernst – klíčový vliv teploty a tlaku 1905 – Fritz Haber – aplikace katalyzátorů na bázi železa (1918 Nobelova cena)

Výroba uhlovodíků – Fisher-Tropschova syntéza výchozími látkami jsou oxid uhelnatý a vodík syntéza probíhá při teplotách 200 – 350 °C v přítomnosti katalyzátorů na bázi železa nebo kobaltu Krakování ropy Fluidní reaktor rozklad uhlovodíků s delšími řetězci na uhlovodíky kratší reakce je katalyzovaná katalyzátory na bázi zeolitů, reakční teplota cca 500 °C heterogenní katalýza ve fluidní vrstvě produktem je směs uhlovodíků, které je nutno dále separovat frakční destilací v některých případech, například u ropy bohaté na síru, musí být vstupní surovina čištěna (rafinována)

Syntéza polymerů – Ziegler-Nattovy katalyzátory nízkotlaká a nízkoteplotní polymerace ethylenu a propylenu (1963 Nobelova cena) katalýza v homogenním i heterogenním uspořádání homogenní katalyzátory – metalocenové komplexy na bázi Ti, Zr nebo Hf heterogenní katalyzátory – sloučeniny na bázi Ti mechanismus reakce

Metateze neasycených uhlovodíků štěpení nenasycených uhlovodíků v místě násobné vazby a následná kombinace vzniklých fragmentů Yves Chauvin, Robert H. Grubbs a Richard R. Schrock (2005 Nobelova cena) homogenní i heterogenní katalyzátory na bázi W, Mo, Ru nebo Rh mechanismus reakce

I n v e s t i c e d o r o z v o j e v z d ě l á v á n í Konec Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Použitá literatura Fischer O. a kol.: Fyzikální chemie. SPN, Praha 1983. Panchartek J., Štěrba V., Večeřa M.: Reakční mechanismy v organické chemii. SNTL, Praha 1981. Lindström B., Pettersson L. J., CATTECH 7, 2003, 130. http://runeberg.org/nfbg/0098.html, Hamburg Museum http://www.pslc.ws/macrog/mcene.htm