Разобраться, как устроен катализатор, следует для того, чтобы знать основные причины и признаки неисправности элемента. Этот компонент топливной системы выполняет две важные задачи:
Детали устанавливаются на транспортных средствах с дизельным и бензиновым двигателем, а по материалу изготовления конструктивного элемента делятся на керамические и металлические.
Каталитический нейтрализатор монтируется за выпускным коллектором двигателя. Изделие представляет собой конструкцию из следующих элементов:
Поскольку при производстве нейтрализаторов используются дорогостоящие материалы, их цена достаточно высока. Обратите внимание, что отечественные устройства стоят дешевле импортных, поскольку зарубежные компании используют в качестве напыления платину, в то время как российские производители заменяют ее на менее дорогие металлы.
Нейтрализатор служит для удаления трех токсичных элементов, присутствующих в составе выхлопов:
Достигая определенной концентрации, эти вещества представляют опасность для человека и окружающей среды. Фильтрация происходит следующим образом:
Обратите внимание, что эффективность нейтрализации зависит от температуры устройства — чем она выше, чем лучше «работает» катализатор. Однако стоит заметить, что регулярная эксплуатация при температуре свыше 1000 градусов приводит к преждевременному износу элемента.
Автомобильный катализатор – он же каталитический нейтрализатор – это деталь, которая призвана уменьшить объем вредных веществ, выбрасываемых из выхлопной трубы автомобиля в атмосферу. Достаточно сложное устройство и принцип работы – причины, по которым катализаторы нередко доставляют автовладельцам массу проблем. Что нужно знать об этой детали и надо ли ее убрать?
Выхлопные газы – продукты окисления углеводородного топлива, не полностью сгораемого внутри автомобильного двигателя. В составе выхлопа есть как безвредные, так и токсичные вещества. К первым относится азот, кислород, углекислый газ. Спектр вредных компонентов значительно шире:
Все перечисленные выше вещества являются токсичными, а сажа и бензпирен еще и сильные канцерогены. Неправильная настройка двигателя приводит к тому, что концентрация вредных выбросов увеличивается от двух раз для бензиновых моторов и до двадцати раз для дизельных.
Задача катализатора – нейтрализовать негативное действие углеводородов, оксидов углерода и азота в выхлопных газах, и тем самым снизить вред автомобиля с ДВС для окружающей среды. Сам процесс нейтрализации происходит в ходе окислений либо восстановления в зависимости от типа нейтрализатора. В результате реакций токсины превращаются в свободный азот и углекислый газ.
Для контроля катализатора в выхлопной системе устанавливается особый датчик – лямбда-зонд. Он отслеживает концентрацию кислорода в отработанных газах. Показания кислородного датчика влияют на режим работы двигателя авто, от чего в свою очередь зависит состав выхлопных газов.
Каталитические нейтрализаторы в современных автомобилях имеют весьма простое устройство:
В зависимости от типа детали в качестве наполнителя используются металлические либо керамические мелкие соты, покрытие тончайшим слоем редких металлов – иридия, палладия и родия. Лямбда-зонд устанавливается на входе в катализатор и на выходе, т.е с обеих его сторон.
В обоих перечисленных случаях вредность отработанных газов для природы заметно уменьшается.
В первую очередь каталитические нейтрализаторы классифицируются по принципу работы на два типа – восстанавливающие и окисляющие. Они уже были рассмотрены ранее. Кроме типа реакций, которые протекают внутри этих устройств, оба типа различаются составом. В первых используется платина и родий, во вторых – платина и палладий. Соответственно, это влияет на стоимость детали.
Второй признак, по которому различаются детали – материал, из которого сделана сотовая сетка:
Следующий критерий для классификации каталитических нейтрализаторов – место установки в выхлопной системе автомобиля. По этому признаку устройства делятся всего на две категории:
Исходя из преимуществ, оптимальный вид нейтрализатора – керамический с установкой прямо на приемной трубе выхлопной системы. Если позволяет бюджет, лучше купить металлическую деталь.
В теории катализатор может работать на протяжении многих десятилетий, так как расход редких металлов в его составе очень небольшой. На практике все получается не так радужно. Есть целый ряд причин, по которым каталитический нейтрализатор выхлопных газов может выйти из строя:
Перечисленные причины могут привести к таким распространенным поломкам нейтрализатора, как выгорание активного слоя, оплавление, появление нагара на внутренних стенках устройства.
Эксплуатация автомобиля с неисправным катализатором уменьшает ресурс самого двигателя. По этой причине нельзя откладывать ремонт или замену детали на потом – это выйдет очень дорого.
Не надо быть специалистом, чтобы догадаться о неисправности автомобильного катализатора. На его выход из строя и необходимость замены указывает ряд достаточно специфичных признаков:
Лучший способ диагностики неисправности нейтрализатора – осмотр. Также своего рода средством проверки является приборная панель, а именно лампочка «Check engine» и соответствующий поломке лямбда-зонда или катализатора код ошибки в бортовом компьютере.
Еще один способ – измерить давление выхлопных газов с помощью манометра, после чего сравнить показания с нормативами. Так, нормой считается давление 0,3 кгс/см2. Если это значение больше, скорее всего с деталью есть проблемы, и нужна помощь специалистов из автосервиса.
Засорившийся с течением времени катализатор рекомендуется быстро и тщательно прочистить. В противном случае двигатель начнет «задыхаться», его мощность упадет, а расход топлива, наоборот, вырастет. На необходимость заняться очисткой нейтрализатора указывают признаки:
Визуально на необходимость прочистки нейтрализатора указывает его загрязненность продуктами горения, смолами, маслом и прочими посторонними включениями. Есть два способа его очистки:
В конце жидкостной очистки нужно тщательно просушить нейтрализатор с помощью сжатого воздуха. Если чистота детали вас не удовлетворит, процедура повторяется еще раз с самого начала.
В случае с механической очисткой важно проявить аккуратность и не давить наждачкой на соты слишком сильно. Керамические детали могут треснуть, раскрошиться и от небольшого давления.
Весьма популярна практика самостоятельного удаления катализатора из выхлопной системы авто. Делается это не просто так – демонтаж нейтрализатора предоставляет водителю преимущества:
Автомобиль вполне исправно работает и без каталитического нейтрализатора. Но последствия все же есть, и в первую очередь для окружающей среды. Выхлоп становится грязным и приобретает неприятный запах. В выхлопной системе могут появляться посторонние звуки, шумы и вибрации.
Если удаление было сделано неправильно, на приборной панели регулярно будут отображаться ошибки. Также машина без катализатора не сможет пройти регулярный технический осмотр.
Для демонтажа катализатора потребуется установить автомобиль над смотровой ямой. Далее из положения снизу демонтируется та часть выхлопной трубы, на которой установлен этот элемент. После этого нейтрализатор срезается болгаркой, и труба заваривается, либо разбирается, если такая возможность предусмотрена конструктивно. Последний этап – монтаж пламегасителя. Он обеспечит нормальную работу резонатора выхлопной трубы и устранит ряд плохих последствий.
Сложность удаления катализатора заключается в риске повредить выхлопную трубу, резонатор или выпускной коллектор в зависимости от того, где установлен элемент. Несмотря на возможность самостоятельного демонтажа катализатора, рекомендуется доверять эту работу специалистам из автосервиса. Так риск негативных последствий для автомобиля будет минимальным или нулевым.
Каталитический нейтрализатор, несмотря на благородное предназначение, доставляет водителю больше проблем, нежели пользы. Невысокое качество и чистота топлива делают из теоретически «вечной» детали часто выходящий из строя рудимент. Все больше автовладельцев предпочитают удалять катализатор и устанавливать на его место обманку – такой шаг обходится заметно дешевле.
Каждый автомобилист сам решает, изымать нейтрализатор из выхлопной системы своего авто, или нет. Однако в развитых странах Европы давно приняли решение – наличие катализатора в авто играет большую роль для всей природы и для каждого человека в отдельности. Вот по этой причине катализаторы в обязательном порядке устанавливаются на все современные автомобили мира.
На чтение 7 мин. Просмотров 7.7k. Опубликовано
Каталитический нейтрализатор (конвертер) представляет собой устройство контроля выбросов выхлопных газов, которое превращает токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания в менее токсичные загрязняющие вещества, катализируя окислительно-восстановительную реакцию (реакцию окисления и восстановления).
Катализаторы обычно используются с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе.
В химии катализатор — это вещество, ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом не расходующееся. Такими веществами являются золото, никель, палладий, медь, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлов.
В процессе работы автомобильного двигателя образуются выхлопные газы. Эти газы попадают в выпускной коллектор и далее — в каталитический преобразователь.
Выхлопной газ, состоящий из токсичных веществ, проходит через структуру нейтрализатора. Вещества-катализаторы в составе конвертера вызывают химические реакции, преобразующие вредные вещества в безвредные.
Современный нейтрализатор использует два катализатора, а именно — катализатор восстановления и катализатор окисления.
Катализатор окисления изготовлен из палладия и платины, а катализатор восстановления — из родия и платины. В результате реакций в каталитическом преобразователе образуются: углекислый газ, азот, вода.
Каталитический преобразователь представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором есть сердцевина с сотовой структурой. Она покрыта драгоценными металлами, такими как платина и родий. Эти металлы реагируют с выхлопными газами двигателя. Они уменьшают содержание токсичных газов, превращая их в углекислый газ и воду.
Керамическая конструкция дешевле в производстве, но у неё есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались.
В первую очередь катализатор реагирует с окисью углерода, образующейся при сгорании бензина. Он также реагирует с углеводородами, образованными несгоревшим топливом и оксидами азота. Таким образом, нейтрализатор превращает эти газы в менее вредные побочные продукты, такие как диоксид углерода, водяной пар и азот.
Чтобы катализатор был эффективным, его температура должна быть около 400 °C. Вот почему они обычно соединены с выпускным коллектором. По этой же причине датчики кислорода имеют нагревательные элементы.
Есть три разных типа автомобильных катализаторов. Первый тип — катализатор окисления. Он уменьшает вредные загрязнения, такие как угарный газ (CO) и углеводороды топлива (HC) в выхлопе. Одновременно часто используется вторичный впрыск воздуха. Однако катализатор окисления уменьшает только часть загрязняющих веществ.
Второй тип — двуступенчатый каталитический нейтрализатор, который является более совершенным. Работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены один за другим.
Двусторонний (или «окислительный») каталитический нейтрализатор имеет две одновременные задачи:
Этот тип автомобильных катализаторов широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и окиси углерода. Они также использовались на бензиновых двигателях в автомобилях американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за неспособности контролировать оксиды азота они были заменены трехступенчатыми нейтрализаторами.
Третий тип — это трёхступенчатый каталитический нейтрализатор. Начал использоваться с 1981 г. Он преобразовывает вредные газы, выходящие из двигателя, в безвредные.
Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, которые наносят вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и оксид углерода. Трехступенчатый катализатор превращает их в менее вредный диоксид углерода, воду и азот.
Три ступени очистки выхлопных газов выглядят так:
Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда катализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива. Эффективность преобразования очень быстро падает, когда двигатель работает вне этих пределов.
При бедной смеси выхлоп содержит избыточный кислород и это не способствует реакции восстановления NOx. При богатой смеси избыточное топливо потребляет весь доступный кислород перед нейтрализатором, оставляя для функции окисления только кислород, находящейся в катализаторе.
Трёхступенчатый конвертер является единственным устройством, которое уменьшает количество всех трёх загрязнителей за один раз. Такой способ очистки наиболее экономичный.
Большинство автопроизводителей используют в своих транспортных средствах именно трехступенчатые нейтрализаторы, которые соответствуют строгим нормам выбросов.
В большинстве транспортных средств каталитический нейтрализатор расположен рядом с выпускным коллектором двигателя. Преобразователь быстро нагревается благодаря воздействию очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить вредные выбросы во время прогрева двигателя. Это достигается путем сжигания избыточных углеводородов, которые образуются в результате обогащенной смеси, необходимой для холодного пуска.
В некоторых трехкомпонентных катализаторах есть системы впрыска воздуха, который подается между первой (восстановление NOх) и второй (окисление углеводородов и СО) ступенью преобразователя.
Как и в двухступенчатых преобразователях, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Также иногда присутствует точка впрыска воздуха выше по потоку, перед каталитическим нейтрализатором, чтобы обеспечить дополнительный кислород только во время прогрева двигателя.
Это приводит к тому, что несгоревшее топливо воспламеняется в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический конвертер. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для достижения рабочей температуры катализатора.
Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют впрыска воздуха в своих выхлопных трубах. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую топливовоздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обеднённым и обогащённым состоянием.
Датчики кислорода контролируют содержание кислорода в отработавших газах до и после каталитического нейтрализатора, и блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива.
Смотрите также видео о том, как устроен автомобильный катализатор:
Для двигателей с воспламенением от сжатия (то есть для дизельных двигателей) наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является катализатор окисления дизельного топлива (diesel oxidation catalyst — DOC).
DOC содержат палладий, платину и оксид алюминия, которые окисляют углеводороды и оксид углерода кислородом с образованием углекислого газа и воды.
Эти преобразователи часто работают с 90-процентной эффективностью, фактически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить видимые частицы (сажу).
Эти конверторы не уменьшают NOx, потому что любой присутствующий восстановитель будет реагировать в первую очередь с высокой концентрацией O2 в выхлопных газах дизельного топлива.
Раньше сокращение выбросов NOx от дизельных двигателей решалось путем добавления выхлопных газов во впускной коллектор, известное как рециркуляция выхлопных газов (EGR).
В 2010 году большинство производителей дизелей добавили каталитические системы в свои автомобили, чтобы соответствовать новым требованиям по выбросам.
Дизельный выхлоп содержит высокий уровень твердых частиц (ТЧ). Каталитические нейтрализаторы не удаляют ТЧ, поэтому они очищаются сажевым фильтром (diesel particulate filter — DPF).
Все транспортные средства, работающие на дизельном топливе и изготовленные после 1 января 2007 года, должны соответствовать ограничениям на выбросы дизельных частиц, что означает, что они должны быть оснащены двухсторонним каталитическим преобразователем и иметь сажевый фильтр.
У водителей довольно много вопросов касательно катализатора в автомобиле. Многих интересуют последствия, а также плюсы и минусы удаления каталитического нейтрализатора. В этой статье мы рассмотрим все эти вопросы.
Катализатор автомобиля устанавливается для того, чтобы очистить выхлоп от вредных выбросов и сделать его более экологичным. Проще говоря, катализатор очищает выхлопные газы от вредных соединений (CO, CH и прочих) в более безобидные экологичные вещества (CO2, N2, O2). Таким образом, работа катализатора позволяет сохранить чистоту окружающей среды.
Устройство катализатора довольно простое. Он представляет собой утолщенную трубу, которая внутри имеет длинные и полые соты, выполненные из керамических элементов с напылением из благородных металлов (иридий, родий, палладий).
Как правило, удаление катализатора происходит при тюнинге транспортного средства. Удаление заводского катализатора позволяет улучшить характеристики автомобиля, такие как мощность и расход топлива. Однако, такой метод является временным и не приветствуется в среде профессионалов. Лучше всего использовать спортивные аналоги катализатора – пламегаситель, который увеличивает мощность автомобиля, и при этом сохраняет чистоту выхлопа.
Удаление катализатора может принести целый ряд проблем незадачливому водителю.
Во-первых, отсутствие катализатора, или же его неверная работа, автоматически приравнивает транспортное средство к разряду аварийных, загорается знак «CHECK ENGINE» на приборной панели авто. Результатом снятия катализатора является снижение тяги, троение, сложность запуска двигателя.
Если катализатор оплавился или забился, то отработанные газы не могут через него пройти, а значит, возвращаются в камеру сгорания и делают горючую смесь менее эффективной.
Если катализатор не оплавился, но горит «CHECK ENGINE», скорее всего деталь вышла из строя по причине высоко уровня пробега автомобиля. Все современные авто оборудованы датчиками кислорода, один из которых устанавливается перед канализатором, а другой – после. Один из них улавливает наличие вредных соединений в отработанных газах, второй же, при повышении процента концентрации вредных веществ, подает сигнал о том, что нейтрализатор не работает и требует замены. Как следствие, при неработающем катализаторе некоторые автомобили могут даже не запуститься.
Без катализатора выхлоп автомобиля приобретает неприятных запах, загрязняет окружающую среду, а также вредные газы могут попадать внутрь салона автомобиля и подвергнуть пассажиров влиянию токсических элементов.
Катализатор, как и любой элемент в конструкции автомобиля, нуждается в своевременном техобслуживании и замене. Признаками поломки катализатора могут явиться:
Забитый катализатор обладает рядом заметных симптомов, среди которых наиболее распространены следующие:
Приобретать детали для проведения ремонта или замены вышедших их строя запчастей рекомендуем в магазине IXORA – широкий ассортимент и вежливые консультанты помогут сделать правильный выбор и приобрести запчасть на свой автомобиль на выгодных условиях.
| Производитель | № детали | Наименование детали |
|---|---|---|
| LIQUI MOLY | 3721 | Присадка в масло Liqui Moly антифрикционная Cera Tec, 0,3л |
| LIQUI MOLY | 3919 | Присадка в масло Liqui Moly Hydro-Stossel-Additiv, 0,3л |
| LIQUI MOLY | 1988 | Присадка в масло Liqui Moly антифрикционная Getriebeoil-Additiv, 0,02л |
| HI-GEAR | SMT2514 | Присадка в масло Hi-Gear синтетическая, кондиционер металла, 0,236л |
| Suprotec | 121144 | Присадка триботехнический состав Suprotec Active Plus, бензин, 90мл |
| Suprotec | 121045 | Присадка триботехнический состав Suprotec в АКПП, 80мл |
| Suprotec | 121151 | Присадка триботехнический состав Suprotec Active, дизель, 90мл |
| RAVENOL | 4014835802674 | Присадка-очиститель в моторное масло RAVENOL Professional Engine Cleaner (0,4l) |
| Suprotec | 4660007120734 | Присадка в топливо Suprotec Active Regular, 100мл |
* Применяемость деталей конкретно для Вашего автомобиля уточняйте у менеджеров по телефону: 8 800 555-43-85 (звонок по России бесплатный).
Получить профессиональную консультацию при подборе товара можно, позвонив по телефону 8 800 555-43-85 (звонок по России бесплатный).
Поделиться статьей
15.01.2019
Многие узнают о катализаторе, когда он выходит из строя. Ниже мы расскажем, что это за деталь, зачем она нужна и что делать, если она неисправна.
Что такое катализатор? Его полное название — каталитический нейтрализатор. Это элемент выхлопной системы, отвечающий за концентрацию вредных веществ в выхлопных газах. Он помогает снизить содержание токсичных компонентов: окиси углерода (CO), углеводородов (CH) и оксидов азота (NO и NO2).
Катализатор расположен в выхлопной трубе, в промежутке между двигателем и глушителем. Внизу он закрыт защитным экраном, который частично поглощает тепло (в работе эта деталь сильно нагревается).
Катализаторы — это деталь, которая запускается в процессе движения авто, при работе двигателя вхолостую он не работает. Внутри корпуса находится специальная конструкция из металлических или керамических «сот», покрытых тонким слоем благородных металлов – например, платиноиридиевый сплав. Благодаря такой конструктивной особенности увеличивается плотность этого покрытия (каталитического слоя) с вредными газами перед их выходом наружу.
Как благородные металлы помогают бороться с токсичными веществами? Они вступают в химическую реакцию окисления с CO и CH. В результате из глушителя выходят достаточно безобидные для окружающей среды соединения CO2 и N2.
В тандеме с каталитическим нейтрализатором «трудятся» кислородные датчики. Это они определяют точную концентрацию веществ в горючей смеси. После этого элемента выхлопной системы расположен еще один датчик, который уже оценивает концентрацию газов поступающих в окружающую среду.
Такой подход к очистке выхлопных газов эффективный, но не совершенный. Так как наше устройство работает только при высокой температуре, то в процессе нагрева от него мало пользы.
У него есть три основных состояния:
Когда многие узнают, как он работает катализатор – становится понятно, что у него достаточно большой рабочий ресурс. Автомобиль может проехать от ста до ста пятидесяти тысяч километров прежде чем его придется заменить. В среднем срок эксплуатации составляет пять-семь лет. За это время сотовая конструкция приходит в негодность и фильтр больше не может выполнять свое основное предназначение.
Но чаще выход из строя случается намного раньше из-за некачественного топлива. Недобросовестные продавцы бензина используют свинцовые добавки, чтобы получить необходимое октановое число. В результате при сгорании топлива температура поднимается выше привычной отметки и наше устройство перегревается сильнее положенного. То есть он просто быстрее выгорает, а «соты» забиваются.
Выход один — замена. Очень редко продавцу этой детали удается доказать, что она изначально была некачественная. Скорее всего, он укажет на то, что вы использовали бензин низкого качества, а последствия этого официальная гарантия не распространяется.
На замену в сервисном центре вам могут предложить:
Большинство автовладельцев, которые знают зачем используется катализатор в машине, при выходе этой детали из строя просто избавляются от него. Одни просто пробивают отверстие в корпусе, а другие полностью удаляют. На самом деле, экономить на установке новой детали не стоит: этим вы наносите огромный вред окружающей среде. Если хотите выиграть в цене, лучше обратите внимание на универсальный прибор, особенно в таких случаях:
В остальных случаях можно обойтись пламегасителем, но вы должны четко осознавать, какими будут последствия его установки.
Если в работе транспортного средства возникли проблемы, вы хотите заменить вышедший из строя катализатор, обращайтесь к специалистам сервисного центра «Мастер Глушителей». Запишитесь на ремонт или диагностику в Санкт-Петербурге по телефону, указанному на сайте, и мы обслужим вас с 10:00 до 23:00. Ответственно подходим ко всем видам работ, решаем все вопросы быстро и по доступной цене, имеем большую базу запасных частей для автомобилей разных марок.
Выхлопная система современных автомобилей существенно отличается от транспортных средств, выпускаемых в прошлые десятилетия. Существенное отличие заключается, прежде всего, в том, что в состав выхлопной системы встроена такая деталь, как каталитический нейтрализатор (КН). Функция данной детали заключается в том, чтобы сводить к минимуму количество вредных веществ, которые присутствуют в автомобильных выхлопах.
Двигатель автомобиля устроен таким образом, что в процессе своей работы он вырабатывает вредные химические соединения. Даже новый автомобиль не может работать таким образом, чтобы в выхлопных газах не образовывались вредные для окружающей среды соединения. Вредные выхлопы, которые образуются в результате работы транспортного средства, попадают в атмосферу и разрушают ее. В связи с тем, что состояние экологии ухудшается, было принято решение изменить конструкцию выхлопной системы и сделать все возможное для сокращения объема вредных выбросов.
Автомобильный катализатор — это специализированный вид фильтра, который справляется на «отлично» с этой задачей. Конечно, полностью избавиться от выбросов до сегодняшнего момента невозможно. Однако благодаря установке каталитического нейтрализатора удается сократить количество вредных веществ в автомобильных выхлопах в среднем на 80-90%. А это неплохой показатель.
Как устроен катализатор для автомобиля
Катализатор — это особая автомобильная деталь. В отличие от других она не способствует улучшению его эксплуатационных характеристик. Кроме того, это единственная деталь, которую можно достаточно выгодно продать, когда она придет в негодность. Чтобы понять, зачем покупают старые катализаторы, стоит разобраться в том, как он устроен.
По своему внешнему виду автомобильный нейтрализатор напоминает трубу особой формы.
Состоит деталь из следующих частей:
Именно благодаря наличию каталитического напыления деталь эффективно справляется с возложенными на нее функциями. В состав специального напыления входят ценные металлы, которые способны выступать в качестве катализаторов, т.е. ускорять химические реакция, не принимая в них участия. В данном случае используются платина, палладий и родий.
Вышеназванные металлы становится все тяжелее добывать традиционным способом. В то же время в промышленности без них не обойтись. Поэтому были разработаны специальные способы получения ценных металлов из вторсырья. Одним из таких способов является переработка отработанных катализаторов. Благодаря использованию особых технологий и химикатов появилась возможность добывать из старых катализаторов небольшое количество ценных металлов.
Теперь, когда стало понятно, зачем покупают катализаторы, стоит разобраться в особенностях процедуры сдачи данной детали на переработку.
Как сдать автомобильный нейтрализатор на переработку
Каталитический нейтрализатор уже на протяжении длительного промежутка времени остается одним из самых востребованных видов сырья в пунктах переработки. Редкие и ценные металлы, вошедшие в состав автодетали, оцениваются достаточно высоко.
Прием старых катализаторов осуществляют специализированные компании. Обратившись в специализированную компанию, вы получаете самые выгодные условия сотрудничества.
Стоит сразу отметить, что нет универсальной стоимости на катализатор. Каждая деталь, которая попадает в пункт приема, оценивается в индивидуальном порядке. Все дело в том, что количество ценных металлов в различных нейтрализаторах не одинаково. Поэтому сотрудники компаний, которые принимают катализаторы на переработку, определяют стоимость каждого конкретного катализатора с помощью специальных технологий.
Катализатор, ценность которого определяться наличием в его составе редких ценных металлов, приходит в негодность приблизительно после 170-200 тысяч километров автопробега. После этого ячейки забиваются, и деталь не может работать правильно. О том, что нейтрализатор пришел в негодность, автомобилисту «сообщит» сам автомобиль. При неисправном катализаторе автомобиль начинает работать заметно хуже.
При первых признаках неисправности автомобильного катализатора рекомендуется обратиться в автосервис. Неисправная деталь подлежит удалению, затем ее надо отвезти в пункт приема катализаторов.
Стоимость старого катализатора
Как уже отмечалось выше, стоимость каждого старого катализатора определяется в индивидуальном порядке.
Чтобы определить цену этой детали специалисты оценивают ее по ряду параметров, а именно:
Также в некоторых пунктах переработки автомобильных катализаторов особенно ценят тех клиентов, которые сдают детали в большом количестве. Для постоянных клиентов также предусматриваются дополнительные привилегии.
Зная, зачем скупают катализаторы, всегда можно найти самый выгодный вариант по их реализации. Можно использовать хитрости, которые могут помочь получить высокую цену за сданный катализатор.
Прежде всего, рекомендуется очистить поверхность детали от сажи и любых других видов загрязнений. Только не стоит использовать химические средства, которые имеют агрессивный состав, способный разрушить каталитический слой. Самостоятельно извлекать ценные металлы из детали не рекомендуется. С этой задачей могут справиться только опытные специалисты.
Выхлопные газы автотранспортных средств содержат большое количество токсичных компонентов. Чтобы предотвратить их выброс в окружающую среду, используют специальные устройства, называемые «каталитическими нейтрализаторами» или «катализаторами».
Они устанавливаются под днищем, встраиваясь в систему вывода отработанных газов машин с бензиновыми или дизельными ДВС. Данные устройства способствуют не только сохранению окружающей среды, но и позволяют снизить расход топлива.
Как устроены автокатализаторы и каков их принцип действия? Давайте разбираться вместе.
Катализаторы, представленные на сайте https://autocatalystmarket.com/ua/ru, считаются частью выхлопной системы транспортных средств. Они размещаются дальше выпускного коллектора автомобильного мотора. Нейтрализаторы представлены следующими частями:
Первостепенной функцией катализаторов является нейтрализация наиболее объемных токсических веществ в отработанных газах (по этой причине устройства часто называют трехкомпонентными):
У трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов наблюдается такой принцип функционирования:
Если в автотранспортных средствах используются дизельные моторы, то в паре с катализатором всегда устанавливаются сажевые фильтры, причем иногда данные компоненты могут совмещаться в одном корпусе.
Важное значение в нейтрализации ядовитых газов играет температура катализаторов. Быстрое преобразование ядовитых компонентов выполняется при +300 °С. При этом идеальная температура в плане эффективности и долговечности работы нейтрализатора — от +400 до +800 градусов. Если температура составляет до +1000 °С, внутренние соты ускоренно стареют, поэтому продолжительная работа устройства выше +800 градусов губительно влияет на нейтрализатор.
ИзбранноеКатализатор — это вещество, которое ускоряет скорость химической реакции, но не расходуется в ходе реакции. Катализатор появится на стадиях механизма реакции, но не появится 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 понижении 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 находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.
Катализаторыв одной 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.
Катализаторы могут находиться либо в той же фазе, что и химические реагенты, либо в отдельной фазе.
Катализаторы в одной 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.
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.
Многие катализаторы работают одинаково. Они дают возможность молекулам реагента разорвать связи и затем образовать 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 вступить в реакцию с другими молекулами и покинуть 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, образуя атомы H, связанные 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. Возможности того, как на самом деле работают катализаторы, безграничны. Некоторые катализаторы фактически изменяются в ходе химической реакции, но затем возвращаются в исходное состояние в конце реакции. Например, MnO 2 катализирует разложение H 2 O 2 до воды и газообразного кислорода по следующему механизму. + (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} \]
Таким образом, 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 подвергается риформингу. позже в реакции.
Катализаторы также могут функционировать, «удерживая» молекулы в определенных конфигурациях, одновременно ослабляя некоторые конкретные связи. Это позволяет катализатору существенно «помогать» химии, организуя реакции в благоприятных геометрических формах, а также ослабляя связи, которые необходимо разорвать по координате реакции.
Ферменты — биологические катализаторы. Это белки, которые складываются в определенные конформации, чтобы ускорить определенные 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 ослабить определенные связи в субстрате, что приведет к химическому взаимодействию с образованием продукта. Продукт слабо связан с субстратом, так что теперь он диссоциирует, и фермент может свободно связываться с другой молекулой субстрата.
Активные центры ферментов 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, обратная реакция обычно никогда не происходит.
Субстрат + фермент ↔ Комплекс → Продукт.
Активность многих ферментов может быть заблокирована молекулами, имитирующими субстрат, но не участвующими в химии. Эти молекулы затем эффективно «выключают» фермент, блокируя активный сайт и предотвращая связывание субстрата. Так действуют многие фармацевтические препараты. Такие молекулы обычно называют ингибиторами, поскольку они подавляют активность фермента.
Практически все в вашей повседневной жизни зависит от катализаторов: автомобили, стикеры, стиральный порошок, пиво. Все части вашего сэндвича — хлеб, сыр чеддер, жареная индейка. Катализаторы разрушают бумажную массу, чтобы получить гладкую бумагу в вашем журнале. Они очищают ваши контактные линзы каждую ночь. Они превращают молоко в йогурт, а нефть — в пластиковые молочники, компакт-диски и велосипедные шлемы.
Что такое катализ?Катализаторы ускоряют химическую реакцию, снижая количество энергии, необходимое для ее запуска.Катализ является основой многих промышленных процессов, в которых используются химические реакции для превращения сырья в полезные продукты. Катализаторы являются неотъемлемой частью производства пластмасс и многих других промышленных изделий.
Даже человеческий организм работает на катализаторах. Многие белки в вашем теле на самом деле являются катализаторами, называемыми ферментами, которые делают все: от создания сигналов, которые двигают ваши конечности, до помощи в переваривании пищи. Они действительно важная часть жизни.
Маленькие дела могут иметь большие результаты.В большинстве случаев вам нужно совсем небольшое количество катализатора, чтобы изменить ситуацию. Даже размер частицы катализатора может изменить ход реакции. В прошлом году аргоннская команда, в которую входил ученый-материаловед Ларри Кертисс, обнаружила, что один серебряный катализатор лучше справляется со своей задачей, когда он находится в наночастицах шириной всего в несколько атомов. (Катализатор превращает пропилен в оксиды пропилена, что является первым шагом в производстве антифриза и других продуктов.)
Это может сделать вещи более экологичными.Промышленные процессы производства пластмассы и других предметов первой необходимости часто приводят к появлению неприятных побочных продуктов, которые могут представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды. Лучшие катализаторы могут помочь решить эту проблему. Например, тот же серебряный катализатор на самом деле производит меньше токсичных побочных продуктов, что делает всю реакцию более экологически чистой.
По своей сути катализатор — это способ экономии энергии. А применение катализаторов в больших масштабах могло бы спасти мир лот энергии.Три процента всей энергии, используемой в США каждый год, идет на преобразование этана и пропана в алкены, которые, помимо прочего, используются для производства пластмасс. Это эквивалент более 500 миллионов баррелей бензина.
Катализаторы также являются ключом к открытию биотоплива. Вся биомасса — кукуруза, просо, деревья — содержит твердое соединение, называемое целлюлозой, которое необходимо расщепить для получения топлива. Поиск идеального катализатора для разрушения целлюлозы сделает биотопливо более дешевым и более жизнеспособным в качестве возобновляемого источника энергии.
Вычислительное моделирование открывает перспективы как для лучших катализаторов, так и для красивых изображений, таких как эта модель платинового катализатора, взаимодействующего с атомами кислорода (красный) и атомами водорода (белый). Изображение Риза Ранкина, Центр наномасштабных материалов. Часто мы не понимаем, почему они работают.Точные причины, по которым катализаторы работают, часто остаются загадкой для ученых. Curtiss работает в области вычислительного катализа: использует компьютеры для решения сложного взаимодействия физики, химии и математики, которое объясняет, как работает катализатор.
Разобравшись с процессом, ученые могут попытаться создать катализатор, который работает еще лучше, путем моделирования того, как могут работать различные материалы. Возможные конфигурации новых катализаторов могут составлять тысячи комбинаций, поэтому суперкомпьютеры лучше всего справляются с ними.
Когда Эдисон конструировал лампочку, он испытал буквально сотни различных нитей накала (вероятно, испытав также терпение своих лаборантов), прежде чем обнаружил обугленную нить.Воспользовавшись суперкомпьютерами и современными технологиями, ученые могут ускорить годы испытаний и сократить расходы, чтобы совершить прорыв.
Curtiss проводит моделирование на суперкомпьютере Argonne Blue Gene / P для разработки возможных новых катализаторов. «Поскольку суперкомпьютеры стали быстрее, мы смогли делать то, чего никогда не могли делать 10 лет назад», — сказал он.
Они могут оказаться незаменимыми для следующей большой революции в производстве аккумуляторов.Новые эффективные литий-ионные аккумуляторы помогли превратить неуклюжие автомобильные телефоны в тонкие и элегантные сотовые телефоны и ноутбуки, доступные сегодня.Но ученые уже ищут следующую революцию в аккумуляторных батареях — такую, которая когда-нибудь сможет сделать батарею легкой и достаточно мощной, чтобы проехать 500 миль на машине. Перспективной идеей являются литий- воздушные батареи , в которых в качестве основного компонента используется кислород воздуха. Но эта новая батарея потребует полностью изменить внутреннюю химию, и ей понадобится новый мощный катализатор, чтобы заставить ее работать. Литий-воздушная батарея работает, объединяя атомы лития и кислорода, а затем снова и снова разрушая их.Это ситуация, специально созданная для катализатора, и хороший катализатор ускорит реакцию и сделает батарею более эффективной.
Как сделать новый катализатор?Понимание химии реакций — это первый шаг; затем ученые могут использовать моделирование для разработки новых потенциальных катализаторов и их тестирования в лаборатории. Но этот первый шаг будет трудным, если вы не сможете перейти на атомарный уровень, чтобы увидеть, что происходит во время реакции. Именно здесь блистают крупные научные центры, такие как усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне.
В APS ученые могут использовать самые яркие рентгеновские лучи в Соединенных Штатах, чтобы отслеживать реакции в режиме реального времени. В Центре электронной микроскопии лаборатории исследователи фотографируют атомы во время их реакции. Кертисс и его команда использовали и то, и другое в поисках лучших катализаторов.
Чтобы подвести итог, см. «Разработка топлива»
Ранее упоминалось, что столкновение частиц вызывает реакции на происходят и что только некоторые из этих столкновений успешны. Это потому, что реагент частицы имеют широкий диапазон кинетических энергий, и только небольшая часть частиц будет иметь достаточно энергии (и правильную ориентацию), чтобы фактически разорвать связи, так что химический реакция может иметь место.Минимальная энергия, необходимая для реакции, составляет называется энергией активации . Для получения дополнительной информации об энергии реакций, см. 11 класс (Глава 12).
Минимальная энергия, необходимая для протекания химической реакции.
Даже при фиксированной температуре энергия частиц меняется, что означает, что только некоторые из у них будет достаточно энергии, чтобы участвовать в химической реакции, в зависимости от энергия активации для этой реакции (рис. 7.9). Повышение температуры реакции приводит к увеличению количество частиц с достаточной энергией, чтобы принять участие в реакции, и увеличение скорость реакции.
Рисунок 7.9: Распределение кинетической энергии частиц при фиксированной температура.
Помните, что молекула должна иметь энергию больше энергии активации, а также правильная ориентация, чтобы реакция имела место.
Повышение температуры реакционной смеси увеличивает среднюю кинетическую энергию частицы.Как видно на графике (рис. 7.10), более высокая доля частиц может теперь реагируйте, ускоряя реакцию. С усилением движения молекул также увеличиваются шансы молекулы иметь правильную ориентацию.
Рисунок 7.10: Распределение кинетической энергии частиц при увеличении по температуре. Увеличено количество частиц с достаточная энергия из-за более высокой температуры.
Эндотермическая реакция может быть представлена как:
\ (\ text {Reactants} + \ color {red} {\ text {Energy}} \ to \ text {Products} \) то есть реакция, которая поглощает энергию
Это может быть показано на диаграмме энергии активации (рис. 7.11). Эти графики также иногда называют профилем реакции или график потенциальной энергии.
Рисунок 7.11: Диаграмма энергии активации с энергией реагента ниже энергия продукта, т.е. эндотермический
Экзотермическая реакция может быть представлена как:
\ (\ text {Reactants} \ to \ text {Products} + \ color {red} {\ text {Energy}} \) то есть реакция, которая высвобождает энергию
Это может быть показано на диаграмме энергии активации (рис. 7.12):
Рисунок 7.12: Диаграмма энергии активации с энергией реагента, превышающей энергия продукта, т.е. экзотермический
Пересмотреть этот раздел, начиная с 11-го класса (Активация энергия, раздел 12.3).
Катализатор увеличивает скорость реакции немного иначе, чем другие методы увеличения скорости реакции.Функция катализатора — снизить энергии активации, так что большая часть частиц имеет достаточно энергии для реагировать. Катализатор может снизить энергию активации реакции на:
Некоторые металлы например платина, медь и железо могут действовать как катализаторы в определенных реакции. В нашем собственном организме имеется ферментов, — катализаторов, которые помогают ускоряют биологические реакции.Катализаторы обычно реагируют с одним или несколькими из реагенты с образованием промежуточного химического соединения, которое затем вступает в реакцию с образованием конечного продукта. Промежуточный химический продукт иногда называют активированным комплексом .
Активированный комплекс встречается в реакциях без катализаторов, а также в реакциях с катализаторы.
Ниже приводится пример того, как может протекать реакция с участием катализатора. A и B являются реагентов, \ (\ color {blue} {\ text {C}} \) — катализатор, а D — продукт реакция А и Б.
Шаг 1: \ ({\ text {A}} + \ color {blue} {\ text {C}} \ к \ text {A} \ color {blue} {\ text {C}} \)
Шаг 2: \ (\ text {B} + \ text {A} \ color {blue} {\ text {C}} \ to \ text {A} \ color {blue} {\ text {C}} \ text {B} \)
Шаг 3: \ (\ text {A} \ color {blue} {\ text {C}} \ text {B} \ to \ color {blue} {\ text {C}} + \ text {D} \)
\ (\ text {A} \ color {blue} {\ text {C}} \ text {B} \) представляет собой промежуточное химическое вещество.Хотя катализатор (\ (\ color {blue} {\ text {C}} \)) расходуется реакцией 1, позже он высвобождается снова реакцией 3, так что общая реакция с катализатором выглядит следующим образом:
\ (\ text {A} + \ text {B} + \ color {blue} {\ text {C}} \ to \ text {D} + \ color {blue} {\ text {C}} \)
Из этого видно, что катализатор высвобождается в конце реакции, полностью без изменений.Без катализатора общая реакция будет:
\ (\ text {A} + \ text {B} \) \ (\ to \) \ (\ text {D} \)
Катализатор обеспечивает альтернативный набор стадий реакции, которые мы называем альтернативный путь. Путь с участием катализатора требует меньше энергии активации. и поэтому быстрее.
Это можно увидеть на следующей диаграмме (Рисунок 7.13).
Рисунок 7.13: Доля частиц, у которых достаточно энергии для реакции, равна увеличивается в присутствии катализатора.
Катализатор ускоряет химическую реакцию, не поглощаясь реакция. Увеличивает скорость реакции за счет снижения активации энергия для реакции.
Энергетические диаграммы полезны для иллюстрации влияния катализатора на скорости реакции. Катализаторы уменьшают энергию активации, необходимую для реакции продолжаются (показано меньшим значением энергии активации на энергетической диаграмме на рисунке 7.14), и поэтому увеличьте скорость реакции.Помните, что с катализатором средняя кинетическая энергия молекул остается прежней, но требуемая энергия уменьшается (рис. 7.13).
Рисунок 7.14: Влияние катализатора на энергию активации эндотермическая реакция. Катализатор будет действовать таким же образом для экзотермическая реакция.
Катализатор увеличивает энергию молекул реагента так что может произойти химическая реакция.
Неверно.Катализатор снижает энергию активации реакция, так что химическая реакция может место.
Повышение температуры реакции имеет эффект увеличения количества реагента частицы, которые обладают большей энергией, чем энергия активации.
Катализатор не становится частью конечного продукта в химической реакции.
Почему во время реакции происходит уменьшение массы?
Реакция не проходит в герметичном контейнер, и поэтому водород может уйти из реакционного сосуда.
Эксперимент повторяют, на этот раз используя 5 г порошкообразный цинк вместо кусочков цинка. Как повлияет ли это на среднюю скорость реакция?
Ставка увеличится, так как будет больше площадь поверхности цинка для реакции с кислотой.
Эксперимент повторяется еще раз, на этот раз с использованием \ (\ text {5} \) \ (\ text {g} \) кусочков цинка и \ (\ text {600} \) \ (\ text {cm $ ^ {3} $} \) из \ (\ text {0,5} \) \ (\ text {mol · dm $ ^ {- 3} $} \) соляная кислота.Как средняя скорость эту реакцию сравнить с исходный скорость реакции?
Имеется больший объем соляной кислоты.Однако концентрация не увеличивается и поэтому скорость реакции не меняется.
Как катализатор повлияет на среднюю скорость этой реакции?
(IEB Paper 2 2003)
Средняя скорость реакции увеличится.
Напишите вычисленное химическое уравнение этой реакции.
\ (\ text {CaCO} _ {3} (\ text {s}) + 2 \ text {HCl} (ℓ) \) \ (\ to \) \ (\ text {CaCl} _ {2} (\ text {s}) + \ text {CO} _ {2} (\ text {g}) + \ text {H} _ {2} \ text {O} (ℓ) \)
кусок карбоната кальция такой же массы используется
Площадь поверхности уменьшена, поэтому средняя скорость реакции снизится.{-3} $} \) соляная кислота используется
Средняя скорость реакции зависит от концентрация жидких реагентов и не по объему.Концентрация однако увеличился, поэтому ставка будет увеличивать.
Цели обучения
Катализаторы — это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе. Катализатор, следовательно, не входит в общую стехиометрию реакции, которую он катализирует, но он должен появляться по крайней мере в одной из элементарных реакций в механизме катализированной реакции. Катализируемый путь имеет более низкое значение E a , но чистое изменение энергии, возникающее в результате реакции (разница между энергией реагентов и энергией продуктов), не зависит от присутствия катализатора ( Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Тем не менее, из-за более низкого значения E a скорость реакции катализированной реакции выше, чем скорость реакции некаталитической реакции при той же температуре. Поскольку катализатор уменьшает высоту энергетического барьера, его присутствие увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции на одинаковую величину. В этом разделе мы рассмотрим три основных класса катализаторов: гетерогенные катализаторы, гомогенные катализаторы и ферменты.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Снижение энергии активации реакции катализатором.На этом графике сравниваются диаграммы потенциальной энергии для одностадийной реакции в присутствии и в отсутствие катализатора. Единственный эффект катализатора — снижение энергии активации реакции. Катализатор не влияет на энергию реагентов или продуктов (и, следовательно, не влияет на ΔE). (CC BY-NC-SA; анонимно)Катализатор влияет на E a , а не на Δ E .
В гетерогенном катализе катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов.По крайней мере, один из реагентов взаимодействует с твердой поверхностью в физическом процессе, называемом адсорбцией, таким образом, что химическая связь в реагенте становится слабой, а затем разрывается. Яды — это вещества, которые необратимо связываются с катализаторами, предотвращая адсорбцию реагентов и, таким образом, снижая или разрушая эффективность катализатора.
Примером гетерогенного катализа является взаимодействие газообразного водорода с поверхностью металла, такого как Ni, Pd или Pt. Как показано в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), водородно-водородные связи разрываются и образуют отдельные адсорбированные атомы водорода на поверхности металла.Поскольку адсорбированные атомы могут перемещаться по поверхности, два атома водорода могут сталкиваться и образовывать молекулу газообразного водорода, которая затем может покинуть поверхность в обратном процессе, называемом десорбцией. Адсорбированные атомы H на поверхности металла значительно более активны, чем молекула водорода. Поскольку относительно прочная связь H – H (энергия диссоциации = 432 кДж / моль) уже разорвана, энергетический барьер для большинства реакций H 2 на поверхности катализатора существенно ниже.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе.Когда молекула водорода адсорбируется на поверхности катализатора, связь H – H разрывается, и образуются новые связи M – H. Отдельные атомы H более реакционноспособны, чем газообразный H 2 . Когда молекула этилена взаимодействует с поверхностью катализатора, она вступает в реакцию с атомами H в ступенчатом процессе с образованием этана, который высвобождается. (CC BY-NC-SA; анонимно)На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан процесс, называемый гидрогенизацией , в котором атомы водорода добавляются к двойной связи алкена, такого как этилен, для получения продукт, содержащий одинарные связи C – C, в данном случае этан.Гидрирование используется в пищевой промышленности для преобразования растительных масел, состоящих из длинных цепочек алкенов, в более коммерчески ценные твердые производные, содержащие алкильные цепи. Гидрирование некоторых двойных связей в полиненасыщенных растительных маслах, например, дает маргарин, продукт с температурой плавления, текстурой и другими физическими свойствами, подобными маслу.
Несколько важных примеров промышленных гетерогенных каталитических реакций приведены в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).Хотя механизмы этих реакций значительно сложнее описанной здесь простой реакции гидрирования, все они включают адсорбцию реагентов на твердой каталитической поверхности, химическую реакцию адсорбированных частиц (иногда через ряд промежуточных частиц) и, наконец, десорбцию. изделий с поверхности.
| Коммерческий процесс | Катализатор | Начальная реакция | Готовый коммерческий продукт |
|---|---|---|---|
| контактный процесс | V 2 O 5 или Pt | 2SO 2 + O 2 → 2SO 3 | H 2 SO 4 |
| Процесс Хабера | Fe, K 2 O, Al 2 O 3 | N 2 + 3H 2 → 2NH 3 | NH 3 |
| процесс Оствальда | Pt и Rh | 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O | HNO 3 |
| реакция конверсии вода-газ | Fe, Cr 2 O 3 или Cu | CO + H 2 O → CO 2 + H 2 | H 2 для NH 3 , CH 3 OH и других видов топлива |
| паровой риформинг | Ni | CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 | H 2 |
| синтез метанола | ZnO и Cr 2 O 3 | CO + 2H 2 → CH 3 OH | СН 3 ОН |
| Процесс Sohio | фосфомолибдат висмута | \ (\ mathrm {CH} _2 \ textrm {= CHCH} _3 + \ mathrm {NH_3} + \ mathrm {\ frac {3} {2} O_2} \ rightarrow \ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN} + \ mathrm {3H_2O} \) | \ (\ underset {\ textrm {акрилонитрил}} {\ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN}} \) |
| каталитическое гидрирование | Ni, Pd или Pt | RCH = CHR ′ + h3 → RCH 2 -CH 2 R ′ | частично гидрогенизированные масла для маргарина и т. Д. |
В гомогенном катализе катализатор находится в той же фазе, что и реагент (ы).Число столкновений между реагентами и катализатором максимально, поскольку катализатор равномерно диспергирован по всей реакционной смеси. Многие гомогенные катализаторы в промышленности представляют собой соединения переходных металлов (Таблица \ (\ PageIndex {2} \)), но извлечение этих дорогостоящих катализаторов из раствора было серьезной проблемой. В качестве дополнительного барьера к их широкому коммерческому использованию многие гомогенные катализаторы можно использовать только при относительно низких температурах, и даже в этом случае они имеют тенденцию медленно разлагаться в растворе.Несмотря на эти проблемы, в последние годы был разработан ряд коммерчески жизнеспособных процессов. Полиэтилен высокой плотности и полипропилен производятся методом гомогенного катализа.
| Коммерческий процесс | Катализатор | Реагенты | Конечный продукт |
|---|---|---|---|
| Union Carbide | [Rh (CO) 2 I 2 ] — | СО + СН 3 ОН | CH 3 CO 2 H |
| гидропероксидный процесс | Комплексы Mo (VI) | CH 3 CH = CH 2 + R – O – O – H | |
| гидроформилирование | Rh / PR 3 комплексов | RCH = CH 2 + CO + H 2 | RCH 2 CH 2 CHO |
| адипонитрил процесс | Ni / PR 3 Комплексы | 2HCN + CH 2 = CHCH = CH 2 | NCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CN, используемый для синтеза нейлона |
| полимеризация олефинов | (RC 5 H 5 ) 2 ZrCl 2 | CH 2 = CH 2 | — (CH 2 CH 2 -) n : полиэтилен высокой плотности |
Ферменты, катализаторы, встречающиеся в природе в живых организмах, представляют собой почти все белковые молекулы с типичной молекулярной массой 20 000–100 000 а.е.м.Некоторые из них представляют собой гомогенные катализаторы, которые вступают в реакцию в водном растворе в клеточном отделении организма. Другие представляют собой гетерогенные катализаторы, встроенные в мембраны, которые отделяют клетки и клеточные компартменты от их окружения. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом .
Поскольку ферменты могут увеличивать скорость реакции в огромных количествах (до 10 17 раз по сравнению с некаталитической скоростью) и имеют тенденцию быть очень специфичными, обычно производя только один продукт с количественным выходом, они являются центром активных исследований.В то же время ферменты обычно дороги в получении, они часто перестают функционировать при температурах выше 37 ° C, имеют ограниченную стабильность в растворе и обладают такой высокой специфичностью, что ограничиваются превращением одного конкретного набора реагентов в один конкретный продукт. . Это означает, что для химически подобных реакций необходимо разрабатывать отдельные процессы с использованием разных ферментов, что отнимает много времени и является дорогостоящим. К настоящему времени ферменты нашли лишь ограниченное промышленное применение, хотя они используются в качестве ингредиентов в моющих средствах для стирки, средствах для чистки контактных линз и размягчителях мяса.Ферменты в этих приложениях, как правило, представляют собой протеазы, которые способны расщеплять амидные связи, удерживающие вместе аминокислоты в белках. Например, размягчители мяса содержат протеазу под названием папаин, которую выделяют из сока папайи. Он расщепляет некоторые длинные волокнистые белковые молекулы, которые делают недорогие нарезы говядины жесткими, в результате чего получается более нежный кусок мяса. Некоторые насекомые, такие как жук-бомбадир, несут фермент, способный катализировать разложение перекиси водорода до воды (рис. \ (\ PageIndex {3} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): механизм каталитической защиты. Обжигающий спрей с неприятным запахом, выделяемый этим жуком-бомбардиром, образуется в результате каталитического разложения \ (\ ce {h3O2} \).Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами, путем связывания с определенной частью фермента и, таким образом, замедления или предотвращения реакции. Поэтому необратимые ингибиторы являются эквивалентом ядов в гетерогенном катализе. Одним из старейших и наиболее широко используемых коммерческих ингибиторов ферментов является аспирин, который избирательно подавляет один из ферментов, участвующих в синтезе молекул, вызывающих воспаление.Создание и синтез родственных молекул, более эффективных, более селективных и менее токсичных, чем аспирин, являются важными задачами биомедицинских исследований.
Катализаторы участвуют в химической реакции и увеличивают ее скорость. Они не входят в общее уравнение реакции и не расходуются во время реакции. Катализаторы позволяют реакции протекать по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем некаталитическая реакция. При гетерогенном катализе катализаторы обеспечивают поверхность, с которой реагенты связываются в процессе адсорбции.При гомогенном катализе катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты. Ферменты — это биологические катализаторы, которые приводят к значительному увеличению скорости реакции и имеют тенденцию быть специфичными для определенных реагентов и продуктов. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом. Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами.
Катализатор — это вещество, которое:
Для увеличения скорости реакции требуется очень небольшая масса катализатора.Однако не все реакции имеют подходящие катализаторы.
Катализаторы влияют только на скорость реакции — они не влияют на выход реакции. Катализированная реакция дает такое же количество продукта, что и некаталитическая реакция, но дает продукт с большей скоростью.
Различные вещества катализируют разные реакции. В таблице описаны три распространенных катализатора.
| Катализатор | Катализируемая реакция |
|---|---|
| Железо | Процесс Габера (получение аммиака) |
| Оксид ванадия (V) | Контактный процесс (стадия получения серной кислоты |
Обратите внимание, что эти катализаторы представляют собой переходные металлы или соединения переходных металлов.
Катализатор обеспечивает альтернативный путь реакции, который имеет более низкую энергию активации, чем некаталитическая реакция. Это не меняет частоту столкновений. Однако это увеличивает частоту успешных столкновений, потому что большая часть столкновений теперь превышает эту более низкую энергию активации.
Влияние катализатора на энергию активации показано на диаграмме, которая называется профилем реакции. Это показывает, как изменяется энергия реагентов и продуктов во время реакции.
Профиль реакции для реакции с катализатором и без негоФермент — это биологический катализатор. Ферменты важны для контроля реакций в клетках. Они также важны в промышленности. Использование ферментов позволяет некоторым промышленным реакциям происходить при более низких температурах и давлениях, чем это обычно требуется.
Дрожжи — одноклеточный гриб. Ферменты дрожжей используются для производства вина, пива и других алкогольных напитков путем ферментации сахаров.
PROVIDENCE, R.I. [Университет Брауна] — исследователи из Университета Брауна разработали новую теорию, объясняющую, почему растяжение или сжатие металлических катализаторов может улучшить их работу.Теория, описанная в журнале Nature Catalysis, может открыть новые возможности для разработки новых катализаторов с новыми возможностями.
Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции. Подавляющее большинство промышленного катализа включает твердые поверхности, часто металлы, которые катализируют реакции в жидкостях или газах. Каталитический нейтрализатор на автомобиле, например, использует металлические катализаторы для удаления токсинов из выхлопных газов. Также есть интерес к использованию металлических катализаторов для превращения диоксида углерода в топливо, изготовления удобрений из атмосферного азота и стимулирования реакций в автомобилях с топливными элементами.
Исследования последних лет показали, что приложение деформации к металлическим катализаторам — сжатие или растяжение — может в некоторых случаях изменить способ их работы.
«Штамм — действительно актуальная тема для катализа прямо сейчас, — сказал Эндрю Петерсон, доцент инженерной школы Брауна и соавтор исследования. «Мы начинаем видеть вещи, происходящие в напряжении, которые нелегко объяснить традиционной теорией работы катализаторов. Это заставило нас задуматься об альтернативной структуре для этого вопроса.”
Металлический катализатор работает, заставляя реагенты связываться с его поверхностью, процесс, известный как адсорбция. Адсорбция разрывает химические связи молекул реагентов, позволяя различным стадиям химической реакции протекать на поверхности металла. После завершения стадий реакции конечный продукт выделяется из катализатора посредством обратного процесса, называемого десорбцией.
Ключевым свойством катализатора является его реакционная способность, означающая, насколько прочно он связывает химические молекулы со своей поверхностью.Катализаторы должны быть в некоторой степени реактивными, чтобы произошло связывание, но не слишком реактивными. Слишком высокая реакционная способность приводит к тому, что катализатор слишком плотно удерживает молекулы, что может затруднить некоторые стадии реакции или сделать так, что конечные продукты не смогут десорбироваться.
В последние годы было показано, что приложение напряжения к катализатору может регулировать его реакционную способность, и существует хорошо обоснованная теория того, как это работает. Вообще говоря, теория предсказывает, что деформация при растяжении должна увеличивать реактивность, а сжатие — уменьшать ее.Однако Петерсон и его группа продолжали сталкиваться с системами, которые нелегко объяснить с помощью теории.
Это заставило исследователей задуматься о новом взгляде на проблему. Традиционная теория описывает вещи на уровне электронов и электронных зон. Новая теория немного уменьшает масштаб, вместо этого сосредотачиваясь на механике взаимодействия молекул с атомной решеткой катализатора.
Петерсон и его команда показали, что молекулы, связанные с поверхностью катализатора, будут стремиться либо раздвигать атомы в решетке, либо сближать их, в зависимости от характеристик молекул и мест связывания.Различные силы, создаваемые молекулами, имеют интересные последствия для того, как внешняя деформация должна влиять на реактивность катализатора. Это предполагает, что напряжение, которое растягивает атомную решетку катализатора, должно сделать катализатор более реактивным по отношению к молекулам, которые естественным образом хотят раздвинуть решетку. В то же время натяжение должно снизить реакционную способность молекул, которые хотят стянуть решетку вместе. Сжатие — сжатие решетки — имеет обратный эффект.
Новая теория не только помогает объяснить ранее озадачивающие результаты, но и делает новые важные прогнозы.В частности, он предсказывает способ разрушения традиционных масштабных соотношений между катализаторами и различными типами молекул.
«Соотношения масштабирования означают, что при нормальных обстоятельствах, когда вы увеличиваете реакционную способность катализатора для одного химического вещества, это увеличивает реакционную способность также и для других химикатов», — сказал Петерсон. «Точно так же, если вы уменьшите реактивность для одного химического вещества, вы уменьшите ее для других».
Эти отношения масштабирования приводят к трудным компромиссам при попытке оптимизировать катализатор.Получение идеальной реакционной способности для одного химического вещества может привести к тому, что другое химическое вещество будет связываться слишком сильно (или слишком слабо), потенциально ингибируя некоторые стадии реакции. Но эта новая теория предполагает, что деформация может нарушить эти масштабные соотношения, позволяя катализатору одновременно связывать одно химическое вещество более плотно, а другое — более свободно, в зависимости от естественного взаимодействия химического вещества с атомной решеткой катализатора и способа создания поля деформации на поверхности. поверхность катализатора.
«Теперь вы можете начать думать о действительно тонкой настройке катализаторов, чтобы они лучше работали на разных стадиях реакции», — сказал Петерсон.«Это может значительно улучшить характеристики катализатора, в зависимости от используемых химикатов».
Команда Петерсона начала составлять базу данных по обычным химическим веществам и их взаимодействиям с различными поверхностями катализаторов. Эта база данных может служить руководством для поиска реакций, которые могут выиграть от напряжения и нарушения масштабных соотношений.
Тем временем Петерсон надеется, что проделанная ими работа предоставит этому каталитическому сообществу новый взгляд на напряжение.
«Мы пытаемся дать структуру, которая обеспечивает более интуитивное понимание того, как деформация работает в катализе», — сказал Петерсон. «Поэтому, когда люди разрабатывают новые катализаторы, они могут думать о том, как лучше использовать эти эффекты напряжения».
Исследование было поддержано Исследовательским бюро армии США (W911NF-11-10353). Другими авторами статьи были Алиреза Хоршиди, Джеймс Вайолет и Джавад Хашеми.
.