Kataliza jest to zjawisko polegające na zwiększeniu szybkości reakcji chemicznej i/lub skierowaniu reakcji na jedną z kilku możliwych termodynamicznie dróg prowadzących do różnych produktów, w obecności niewielkich ilości substancji zwanych katalizatorami. Substancje te tworząc nietrwałe połączenia przejściowe, nie są jednakże zużywane w reakcji i nie występują w jej równaniu stechiometrycznym. Katalizator nie zmienia przy tym położenia równowagi chemicznej, wpływa jedynie na szybkość dochodzenia układu do tego stanu. Katalizator definiuje się więc jako substancję, która zwiększa szybkość z jaką reakcja chemiczna osiąga stan równowagi, sama się jednak nie zużywa i której symbol nie występuje w równaniu stechiometrycznym. Przyśpieszenie reakcji przez katalizator polega na zmniejszeniu energii aktywacji w porównaniu z reakcją nie katalityczną. Dla reakcji zachodzącej bez katalizatora:

mamy energię aktywacji
. Tą samą reakcję przebiegającą przy udziale katalizatora
można opisać równaniami:

Jeżeli reakcja bez katalizatora wymaga energii aktywacji
to w obecności katalizatora
, dwie reakcje wykazują energię aktywacji
i
przy czym każda z nich jest mniejsza od
.

Wzrost szybkości reakcji wynika z niższej energii aktywacji kolejnych etapów w porównaniu z energią aktywacji jednoetapowej przemiany bez katalizatora. Im szybciej katalizator doprowadza daną reakcję do stanu równowagi tym jest aktywniejszy. Aktywność katalizatora A określa się jako różnicę między szybkościami reakcji chemicznej zachodzącej w obecności katalizatora,
i bez niego
:

Katalizator im bardziej przyspiesza określoną reakcję danego substratu tym jest bardziej selektywny. Selektywny katalizator przyspieszając przebieg reakcji tylko w jednym kierunku pozwala otrzymać produkt o dużej czystości, przy małym jednostkowym zużyciu surowców. Selektywność katalizatora S definiuje się jako stosunek ilości
jednego z kilku możliwych produktów (
) reakcji do całkowitej ilości produktów
:

Schemat badanej reakcji przedstawiono poniżej:

Celem ćwiczenia był pomiar aktywności i selektywności katalizatorów w złożonej próbie katalitycznej. W tym celu reaktor wypełniono kolejno w dwóch próbach dwoma różnymi katalizatorami. W pierwszym przypadku wprowadzono do reaktora 60mg katalizatora
, a w drugim 60mg katalizatora
. Następnie układ przepłukano obojętnym gazem nośnym helem dozowanym z prędkością 80ml/min. Następnie dodawano etylobenzenu z prędkością 100μl/h oraz parę wodną 200μl/h. Układ był odpowiednio ogrzewany, a cały proces prowadzono dla trzech obserwowanych temperatur 550^oC, 600^oC oraz 650^oC. Wyniki odczytano za pomocą chromatografu gazowego z detektorem TCD. Dane doświadczalne zebrano w poniższych tabelkach dla katalizatora
:

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,412	4531
Benzen	19,272	3053
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,887	186333
Styren	-	-

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,387	4946
Benzen	19,218	7219
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,796	343586
Styren	-	-

Pomiar 3:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,376	5212
Benzen	19,219	3345
Toluen	21,229	440
Nieprzereagowany etylobenzen	25,632	264746
Styren	-	-

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,384	7469
Benzen	19,243	4950
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,823	179152
Styren	28,869	38254

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,396	89236
Benzen	19,264	4509
Toluen	21,392	245
Nieprzereagowany etylobenzen	25,768	129091
Styren	28,542	41350

Pomiar 3:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,387	89428
Benzen	19,224	4709
Toluen	21,431	967
Nieprzereagowany etylobenzen	25,698	200147
Styren	28,695	58277

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,386	58438
Benzen	19,243	8533
Toluen	21,868	1365
Nieprzereagowany etylobenzen	25,719	106056
Styren	28,887	142541

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,384	58188
Benzen	19,277	32279
Toluen	21,736	241
Nieprzereagowany etylobenzen	25,608	138691
Styren	28,627	194244

Pomiar 3:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,369	55525
Benzen	19,246	7581
Toluen	21,827	2821
Nieprzereagowany etylobenzen	25,707	58216
Styren	28,78	133465

oraz dla katalizatora
:

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,403	5635
Benzen	19,153	3735
Toluen	23,321	505
Nieprzereagowany etylobenzen	25,088	259726
Styren	-	-

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,356	5850
Benzen	19,091	4668
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,031	304681
Styren	-	-

Pomiar 3:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,381	5315
Benzen	19,154	5242
Toluen	23,521	554
Nieprzereagowany etylobenzen	25,154	288233
Styren	27,99	4798

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,359	8675
Benzen	19,114	6263
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,055	201995
Styren	27,529	67016

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,367	7980
Benzen	19,133	4995
Toluen	23,832	207
Nieprzereagowany etylobenzen	25,448	196731
Styren	28,312	55419

Temperatura
:

Pomiar 1:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,376	13538
Benzen	19,123	7770
Toluen	23,533	741
Nieprzereagowany etylobenzen	25,466	92409
Styren	28,373	129866

Pomiar 2:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,371	15688
Benzen	19,156	7513
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,423	84674
Styren	28,292	125841

Pomiar 3:

Związek	Czas pojawienia się piku(czas retencji)	Pole powierzchni piku
Dwutlenek węgla	5,371	14532
Benzen	19,146	7406
Toluen	-	-
Nieprzereagowany etylobenzen	25,308	105107
Styren	28,022	138992

Liczbę moli poszczególnych związków obliczono mnożąc średnie pole powierzchni piku pochodzącego od danego związku przez odpowiedni współczynnik kalibracyjny:

Związek	Współczynnik kalibracyjny
Dwutlenek węgla	0,00000000007092
Benzen	0,00000000002894
Toluen	0,00000000003499
Nieprzereagowany etylobenzen	0,00000000003720
Styren	0,00000000003063

W obliczeniach zastosowano poniższe wzory:

a stopień dysocjacji nieprzereagowanego etylobenzenu obliczono z:

Wyniki obliczeń zebrano w poniższych tabelkach dla katalizatora
:

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,392	4896	3,47248E-07	0,184275	0,004302
Benzen	19,236	4539	1,76749E-07	0,750365	0,017518
Toluen	21,229	440	1,53956E-08	0,06536	0,001526
Nieprzereagowany etylobenzen	25,772	264888	9,85385E-06	-	-
Styren	-	-	-	-	-

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,389	7219	4,40018E-06	0,2543	0,064961
Benzen	19,244	4723	1,83901E-07	0,085025	0,02172
Toluen	21,412	606	2,12039E-08	0,009804	0,002504
Nieprzereagowany etylobenzen	25,763	169463	6,30404E-06	-	-
Styren	28,702	45960	1,40777E-06	0,650871	0,166266

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,380	12542	4,06965E-06	0,08493	0,052194
Benzen	19,255	16131	6,28141E-07	0,10487	0,064448
Toluen	21,810	1476	5,16336E-08	0,00862	0,005298
Nieprzereagowany etylobenzen	25,678	100988	3,75674E-06	-	-
Styren	28,765	156750	4,80125E-06	0,80158	0,492614

oraz dla katalizatora
:

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,380	5600	3,97152E-07	0,126563	0,004528
Benzen	19,133	4548	1,77112E-07	0,451533	0,016153
Toluen	23,421	530	1,85272E-08	0,047234	0,00169
Nieprzereagowany etylobenzen	25,091	284213	1,05727E-05	-	-
Styren	27,990	4798	1,46963E-07	0,37467	0,013403

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,363	8328	5,90586E-07	0,033936	0,007697
Benzen	19,124	5629	2,19193E-07	0,100762	0,022852
Toluen	23,832	207	7,24293E-09	0,00333	0,000755
Nieprzereagowany etylobenzen	25,252	199363	7,4163E-06	-	-
Styren	27,921	61218	1,87509E-06	0,861972	0,195492

Temperatura
:

Związek	Średni czas pojawienia się piku(czas retencji)	Średnie pole powierzchni piku	Liczba moli	Selektywność	Wydajność
Dwutlenek węgla	5,372	14586	1,03444E-06	0,028865	0,016206
Benzen	19,142	7563	2,94503E-07	0,065743	0,036911
Toluen	23,533	741	2,59276E-08	0,005788	0,00325
Nieprzereagowany etylobenzen	25,399	94063	3,49916E-06	-	-
Styren	28,229	131566	4,02988E-06	0,899604	0,505075

Z poniższych wykresów wyciągamy następujące wnioski:

• na wykresie zależności f(x)=K_EB/T widać, że wartości stopnia konwersji dla obydwu katalizatorów są zbliżone i początkowo rosną liniowo równolegle do momentu przecięcia się w temperaturze ok. 620^oC. Początkowo konwersja dla katalizatora
  jest nieznacznie wyższa od katalizatora bez dodatku ok. 2% Ce, jednak po przekroczeniu temperatury ok. 620^oC linia jego wzrostu konwersji przecina linie katalizatora bez dodatku ok. 2% Ce, odchyla się i w temperaturze 650^oC obserwujemy jej niższą wartość od wartości katalizatora bez dodatku Ce.

• wykres zależności f(x)=W_B/T pokazuje, że stosując katalizator
  w temperaturze 650^oC otrzymamy niższą wydajność benzenu niż jakbyśmy zastosowali katalizator bez dodatku Ce

• na wykresie zależności f(x)=W_T/T obserwujemy łagodny spadek wydajności toluenu do temperatury 600^oC jeśli zastosujemy katalizator
  , następnie następuje wzrost tej wydajności, lecz jest on już znacznie niższy w każdym następnym punkcie temperatury od wydajności toluenu otrzymanej z katalizatorem bez dodatku Ce

• wykres zależności f(x)=W_S/T możemy porównywać tylko w temperaturach od 600^oC do 650^oC ponieważ dla katalizatora bez dodatku Ce nie zaobserwowaliśmy piku dla styrenu w temperaturze 550^oC. W tym zakresie temperatur obie linie nakładają się na siebie, świadczy to, że bez względu na zastosowany katalizator wydajność w zakresie temperatur od 600^oC do 650^oC jest niemalże identyczna

• na wykresie zależności f(x)=W_CO2/T widzimy, że pomimo niewielkiego spadku wydajności otrzymanego CO₂ w niższych temperaturach to w temperaturze 650^oC jest ona znacznie wyższa jeśli zastosujemy katalizator
  

• wykres zależności f(x)=S_B/T pokazuje że selektywność otrzymanego benzenu znacznie spada wraz z wzrostem temperatury przy zastosowaniu obydwu katalizatorów jednak selektywność z zastosowaniem katalizatora bez dodatku Ce jest minimalnie wyższa w końcowej temperaturze pomimo wcześniejszej niższej selektywności w niższy temperaturach

• na wykresie zależności f(x)=S_T/T obserwujemy podobnie jak na wykresie f(x)=S_B/T spadek selektywności z wraz ze wzrostem temperatury z tą różnicą, że wykresy się nie schodzą i nie przecinają, selektywność otrzymanego toluenu jest wyższa przy użyciu katalizatora bez dodatku Ce

• odwrotną sytuacje obserwujemy na wykresie f(x)=S_S/T jednak z powodu braku obserwacji piku dla styrenu w temperaturze 550^oC dla katalizatora bez dodatku Ce, porównujemy zakres temperatur od 600^oC do 650^oC. Widać, że reakcja jest selektywna dla styrenu o czym świadczy wysoka wartość selektywności styrenu w wyższych temperaturach w przypadku obydwu katalizatorów, jednak w przypadku katalizatora
  jest ona wyższa

• wykres zależności f(x)=S_CO2/T pokazuje, że selektywność otrzymanego CO₂ maleje wraz ze wzrostem temperatury przy zastosowaniu obydwu katalizatorów jednak przy zastosowaniu katalizatora bez dodatku Ce, spadek jest gwałtowniejszy i w końcowej obserwowanej temperaturze 650^oC selektywność jest niższa niż gdybyśmy zastosowali katalizator
  

Badana reakcja:

jest reakcją o dużej selektywności dla styrenu, pomimo, że nie zależnie od użytych katalizatorów: w pierwszym przypadku
oraz w drugim
otrzymaliśmy mieszaninę następujących produktów:

1. dwutlenek węgla - czas retencji ok.5,28

2. benzen - czas retencji ok.19,3

3. toluen - czas retencji ok. 21,7

4. nieprzereagowany etylobenzen - czas retencji ok. 25,6

5. styren - czas retencji ok. 28,6

co świadczy o tym, że wyżej wymienione katalizatory są katalizatorami selektywnymi, ponieważ przyspieszają tylko jednego rodzaju reakcję spośród wszystkich możliwych.

Wydajność reakcji jest znacznie większa dla toluenu i benzenu przy użyciu katalizatora
, niemalże identyczna dla styrenu oraz znacznie większa dla CO₂ przy zastosowaniu katalizatora
. Z przeprowadzonych obliczeń i wykreślonych wykresów widzimy, że lepszą wydajność i selektywność uzyskujemy przy użyciu katalizatora
niż
.

---