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

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Chemická katalýza

Historie chemické katalýzy

– první katalyzovanou anorganickou reakci popsal v roce 1552 Valerius Cordus, který pomocí kyseliny sírové provedl konverzi alkoholu na ether

Elizabeth Fulhame (1780 – 1849)

2 4 2 2

2 2 4

R-OH H SO R-SO -OH H O

R-SO -OH HO-R R-O-R H SO

– poprvé se slovo katalýza objevilo v knize Alchymie Andrea Libavia z roku 1597 ve spojení s přeměnou obyčejných kovů na stříbro a zlato

– 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

2 4 2 4Zn + H SO H + ZnSO

– konstrukce vodíkové (Döbereinerovy) lampy

a – skleněná nádoba s kyselinoub – láhev s otevřeným dnemc – závěsd – zineke – uzavírací kohoutf – tryskag – 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

Pt2 2 32 SO O 2 SO

– katalyzátory označil za látky, které pouhou svou přítomností vyvolávají chemické reakce, jež by se jinak neuskutečnily

Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848)

– zavádí katalýzu jako jev i pojem

– katalyzátor je látka, která mění rychlost chemické reakce, aniž se sama stává součástí konečných produktů

Fridrich Wilhelm Ostwald (1853 – 1932)

– katalyzátor ovlivňuje reakční rychlost, nemá však žádnou spojitost s polohou chemické rovnováhy

– katalyzátor urychluje reakci přímou i zpětnou

Mechanismus chemické reakce

– cesta, kterou je proces chemické přeměny realizován na atomární úrovni

– 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

– 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

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

Průmyslová katalýza

– původně tepleným rozkladem síranů (kyzových břidlic)

Výroba kyseliny sírové

2 4 3 2 3 3Fe (SO ) Fe O 3 SO

2 4 3 2 2 7H SO SO H S O

2 2 7 2 2 4H S O H O 2 H SO

– přelom 19. a 20. století, Rudolf Knietsch (BASF) – optimalizace kontaktního způsobu výroby SO3 katalyzovaného původně platinou, později oxidem vanadičným

2 5 2 2 3V O SO 2 VO SO

2 2 2 51/2 O 2 VO V O

S + O2 SO2 nebo 4 FeS2 + 11 O2 8 SO2 + 2 Fe2O3

– 1903 – Fritz Haber, Walther Nernst – klíčový vliv teploty a tlaku

Výroba amoniaku

Fe2 2 3N 3 H 2 NH

– 1905 – Fritz Haber – aplikace katalyzátorů na bázi železa (1918 Nobelova cena)

– výchozími látkami jsou oxid uhelnatý a vodík

Výroba uhlovodíků – Fisher-Tropschova syntéza

kat2 n 2n+2 2(2 1) H CO C H H On n n

– syntéza probíhá při teplotách 200 – 350 °C v přítomnosti katalyzátorů na bázi železa nebo kobaltu

– rozklad uhlovodíků s delšími řetězci na uhlovodíky kratší

Krakování ropy Fluidní reaktor

– 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)

– nízkotlaká a nízkoteplotní polymerace ethylenu a propylenu (1963 Nobelova cena)

Syntéza polymerů – Ziegler-Nattovy katalyzátory

– katalýza v homogenním i heterogenním uspořádání

– homogenní katalyzátory – metalocenové komplexy na bázi Ti, Zr nebo Hf

– heterogenní katalyzátory – sloučeniny na bázi Ti

– mechanismus reakce

– štěpení nenasycených uhlovodíků v místě násobné vazby a následná kombinace vzniklých fragmentů

Metateze neasycených uhlovodíků

– homogenní i heterogenní katalyzátory na bázi W, Mo, Ru nebo Rh

– mechanismus reakce

– Yves Chauvin, Robert H. Grubbs a Richard R. Schrock (2005 Nobelova cena)

Konec

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.

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