Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie CZ.1.07/2.2.00/15.0324

1. Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemieCZ.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.

2. 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.

3. 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 AlchymieAndrea 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

4. Mechanismus kyselé hydrolýzy škrobu

5. 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)

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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 SO2nebo 4 FeS2 + 11 O2 8 SO2 + 2 Fe2O3

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

11. 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)

12. 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

14. 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

15. 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.

16. 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