Aktivita katalyzátoru nebo katalytická aktivita je charakteristika katalyzátoru , která vyjadřuje jeho vlastnost urychlovat chemickou reakci . [1] Čím vyšší je aktivita katalyzátoru, tím větší rychlosti chemické reakce lze s tímto katalyzátorem dosáhnout.
Hlavním požadavkem na to je vysoká aktivita katalyzátoru [2] . Aktivita katalyzátoru se však může měnit v důsledku působení mnoha faktorů, což má velký praktický význam. Níže jsou uvedeny některé z faktorů, které mohou ovlivnit katalytickou aktivitu.
Aktivita závisí na množství aktivních složek ve složení katalyzátoru. Nárůst jejich obsahu zvyšuje počet aktivních center, což s sebou nese zvýšení celkové aktivity katalyzátoru, přičemž aktivita každého jednotlivého centra zůstává nezměněna [3] .
Aktivita katalyzátorů při heterogenní katalýze silně závisí na velikosti a stavu jejich povrchu, proto je v mnoha případech důležitý způsob výroby katalyzátoru. Takže například měděný katalyzátor připravený tepelným rozkladem solí mědi za nerovnovážných podmínek má významnou katalytickou aktivitu při reakci hydratace alkoholu . Naproti tomu elektrolyticky a chemicky vyloučená měď prakticky nevykazuje katalytické vlastnosti ve stejné reakci [4] .
Aktivita katalyzátoru se může také změnit v důsledku desorpce materiálu. Například zvýšení katalytické aktivity zeolitu bylo pozorováno během desorpce amoniaku z povrchu katalyzátoru při krakovací reakci kumenu [5] .
Ke změně katalytické aktivity může významně přispět i teplota . Například katalyzátor může být aktivní v určitém teplotním rozmezí a mnohem méně aktivní mimo tento teplotní rozsah. Například optimální aktivity niklového katalyzátoru je dosaženo při 320 °C a při teplotách nad 450 °C nikl výrazně ztrácí své katalytické vlastnosti [6] . Platino-fluorový katalyzátor s přídavkem oxidu hlinitého při izomerační reakci n - pentanu je optimálně aktivní při teplotě 450°C a s poklesem nebo zvýšením teploty katalytická aktivita klesá [7] .
Aktivita katalyzátoru klesá v důsledku procesu běžně označovaného jako stárnutí katalyzátoru. Tento proces s největší pravděpodobností probíhá jak chemicky a tepelně, tak i mechanicky a je spojen s rekrystalizací povrchu katalyzátoru, jeho povlékáním prachem, usazováním cizích látek na něm atd. [8]
Katalytická aktivita se také mění při použití promotorů a katalytických jedů (viz níže)
Aktivita je kvantifikována jako rozdíl mezi rychlostí reakce za daných podmínek a rychlostí stejné reakce v nepřítomnosti katalyzátoru. Hodnota aktivity se používá pro srovnávací hodnocení katalyzátorů při jejich výběru a také pro charakterizaci kvality katalyzátoru. V závislosti na typu katalýzy se aktivita obvykle vyjadřuje jako rychlost reakce na jednotku koncentrace, objemu nebo hmotnosti katalyzátoru. [jeden]
Homogenní se nazývá katalýza, ve které jsou katalyzátor a reaktanty ve stejné fázi . Při homogenní katalýze se pro srovnání a charakterizaci katalyzátoru používá reakční rychlost na jednotku koncentrace katalyzátoru. [jeden]
Při heterogenní katalýze jsou katalyzátor a reaktanty v různých fázích. Obvykle je katalyzátorem v tomto případě pevná látka a všechny reakce probíhají na povrchu katalyzátoru. V tomto případě se katalytická aktivita vypočítá na jednotku povrchu katalyzátoru a nazývá se specifická aktivita katalyzátoru. V praxi se obvykle snaží nanést katalyzátor na porézní povrch, čímž se zvětší plocha aktivního povrchu katalyzátoru a zvýší se účinnost katalyzátoru při zachování jeho lineárních rozměrů.
Aktivita jednotky objemuKatalytickou aktivitu jednotkového objemu katalyzátoru lze vyjádřit následujícím vzorcem [9] :
W = A × S × η,
kde
W je katalytická aktivita na jednotku objemu katalyzátoru; A je specifická aktivita katalyzátoru, S je celková plocha povrchu katalyzátoru na jednotku objemu; η je stupeň využití katalyzátoru.
Plocha povrchu jednotky objemu katalyzátoru může být určena velikostí částic, které tvoří jedno zrno katalyzátoru, a jejich hustotou. Pokud se velikost částic zmenšuje, zvyšuje se aktivita na jednotku objemu katalyzátoru pouze v oblasti relativně velkých částic. S dalším zmenšováním jejich velikosti začíná být aktivita ovlivňována vnitřní difúzí , která probíhá nejprve podle molekulárního zákona a poté je popsána Knudsenovými difúzními zákony .
Další zvýšení aktivity je možné při přechodu na tzv. bidisperzní struktury sestávající z malých hustých částic spojených do větších porézních částic. Přechod na bidisperzní struktury umožňuje zvýšit katalytickou aktivitu 5–8násobně [10] .
Počet otáčekAktivitu katalyzátorů lze také charakterizovat obratovým číslem katalyzátoru , které se považuje za rovné počtu molekul reaktantu přeměněných jednou molekulou katalyzátoru za sekundu [11] . Pro nukleofilní a bazické katalyzátory za normálních podmínek je toto číslo 10–7–10–2 s – 1 , pro kyselé a elektrofilní katalyzátory 10–4–10–1 s – 1 , pro enzymy až 106 s– 1 [ 12] , a v případě katalyticky dokonalých enzymů - až 4×10 7 , jako v případě katalázy [13] .
Konstantní hodnotyPro srovnání řady katalyzátorů se také používají hodnoty konstant rychlosti reakce (při použití různých katalyzátorů beze změny) nebo aktivační energie reakce při zachování faktoru A (charakterizujícího frekvenci molekulárních srážek) v Arrheniova rovnice [1] .
Hlavní článek: Cathal
Podle Mezinárodního systému jednotek (SI) je jednotkou měření aktivity katalyzátoru katal. 1 katal se rovná aktivitě katalyzátoru, při které se rychlost chemické reakce zvyšuje o 1 mol za sekundu.
Hlavní článek: Promotéři
Hlavní článek: Katalytické jedy
Látka, která zvyšuje katalytickou aktivitu, se nazývá promotor . Například katalytická aktivita oxidu vanadičného (V) s ohledem na oxidační reakci oxidu siřičitého se zvyšuje s přidáním malého množství síranů alkalických kovů [14] .
Cizí látky, které drasticky snižují aktivitu katalyzátoru, se nazývají katalytické jedy . Zpravidla se jedná o vodu nebo škodlivé nečistoty , ze kterých se reagencie snaží před katalytickou reakcí odstranit.