Под процессами прямого восстановления железа понимают такие процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды металлическое железо, минуя доменную печь. Способы прямого получения железа позволяют вести процесс не расходуя металлургический кокс, заменяя его другими видами топлива.

Известно, что использование железа прямого восстановления при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл без примесей серы и фосфора, пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.). В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа.

Железо прямого восстановления (или губчатое железо) в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных СDRI (Сool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа НBI (Hot Briquetted Iron).

Рис.38. Внешний вид железа прямого восстановления СDRI (а),HDRI (б) и НBI (в)

Окатыши СDRI (рис. 38 а) получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь.

Окатыши HDRI (рис. 38 б) выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположенную рядом электропечь при температуре 600º С и выше.

Горячебрикетированное железо НBI (рис. 38 в) получается путем прессования брикетов размерами 30×50×110 мм в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700º С.

Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Установки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР.

Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем.

Менее известна технология Finmet, которая позволяет использовать железорудную мелочь без предварительного окускования в процессе газового восстановления в кипящем (псевдосжиженном) слое. По этой технологии пока действует только одно предприятие — Orinoco Iron в Венесуэле.

Для получения железа прямого восстановления также применяется целый ряд угольных технологий — SL/RN, Jindal, DRC, SIIL, Tisco, Codir и др. В основном все они действуют на базе печей с вращающимся подом с использованием угля или пылеугольной смеси.

Такие предприятия работают в Индии, а также в ЮАР, Китае, Перу и в некоторых других странах. Хотя экологичность таких производств и качество получаемого металла существенно ниже, чем у «газовых» предприятий, однако они дешевле, что и обеспечивает им значительную долю в структуре мирового производства DRI.

Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.


Рис. 39. Доля способов производства железа прямого восстановления в мире

Структура производства железа прямого восстановления в мире в последние годы приведена на рис. 39.

Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

В шахтных печах получают губчатое железо газообразными восстановителями в толстом слое железосодержащих окатышей. Схема производства различных видов железа прямого восстановления с использованием шахтной печи приведена на рис. 40.


Рис. 40. Технологическая схема производства железа прямого восстановления в шахтных печах

Процесс производства железа осуществляют в противотоке железорудных материалов, загружаемых в агрегат сверху, и нагретых восстановительных газов, подаваемых снизу. Работа агрегата в противотоке дает возможность достигать высокой производительности при хорошем использовании газа.

В качестве восстановителей применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном из водорода (H 2) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают в кислородном реакторе (реформере), путем неполного сжигания природного газа в кислороде. Полученный газ, содержащий 29% CO, 55% H 2 и 13% окислителей (H 2 O и CO 2) освобождают частично от окислителей, затем нагревают, до температуры 1100…1150 °С и через фурмы подают в печь.

Добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера загружают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в среднюю часть печи по трубопроводу подают конвертированный природный газ. В восстановительной зоне печи создается температура 1000…1100 °C, при которой H 2 и CO восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей, снизу печи в зону охлаждения печи подают воздух. Охлаждённые окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах. Если производятся горячие окатыши или горячебрикетированное железо, то охлаждение восстановленного железа в нижней зоне печи не производится.

Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

Еще одним способом производства железа прямого восстановления является процесс в периодически действующих ретортах, используемых в качестве агрегатов восстановления. На установке таких реторт четыре (рис. 41). Емкость каждой реторты 100…150 т.


Рис. 41. Схема установки HYL: 1 – десульфуратор природного газа; 2 – установка конверсии; 3 – котел-утилизатор; 4 –
барабан для производства пара; 5 – воздушный охладитель; 6 – воздуходувка; 7 – скруббер; 8 – воздухонагреватель; 9 – загрузочный бункер; 10 – нагреватель газа; 11 – реторты (I – IV); 12 – скруббер; 13 – конвейер подачи руды; 14 – конвейер уборки губчатого железа; 15 – сборный бункер губчатого железа

Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обуславливает циклический характер процесса, состоящего из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают газ сверху. В качестве сырья используют чистые руды, содержащие не менее 60 % железа, крупностью 12…50 мм.

Восстановление ведется в неподвижном слое кусковой руды или окатышей при избыточном давлении 0,35…0,4 МПа и температуре 870…1040 °С. Нагрев руды и компенсация тепловых потерь процесса осуществляют за счет физического тепла восстановительного газа, который нагревают до 980…1240 ºС. При выдержке 4…6 часов средняя степень металлизации железа составляет 85 %. Выгрузку губчатого железа производят снизу с помощью специальных скребков. Губчатое железо поступает на конвейер транспортирующий губку в сталеплавильное отделение. На рис. 42 показана схема стационарной реторты со съемной крышкой и откидным днищем.

Рис. 42. Конструкция реторты: 1 – гидравлический цилиндр; 2 – тележка; 3 – привод; 4 – кожух; 5 – крышка; 6 – загрузочная
горловина; 7 – площадка для обслуживания; 8 – резец с рычагом
для удаления губчатого железа; 9 – губчатое железо; 10 – футеровка; 11 – механизм управления откидным днищем; 12 – откидное днище; 13 – разгрузочный желоб

В каждой из четырех реторт протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный нагрев и восстановление шихты газом, выходящим из других реторт. В двух ретортах происходит довосстановление железа подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание губчатого железа. Готовое железо поступает на конвейер, а в освобожденную реторту загружают исходную шихту.

К недостаткам метода относят:

  • периодичность процесса;
  • неравномерность металлизации по высоте;
  • низкая степень металлизации в сравнении с процессами, осуществляемыми в шахтных печах.

Производство железа на движущейся колосниковой решетке

Процесс получения железа на движущейся колосниковой решетке (рис. 43) несколько напоминает работу агломерационной машины. В этом случае конвертируемый газ проходит сверху вниз через слой шихты.


Рис. 43. Схема процесса получения железа на движущейся колосниковой решётке: 1 – обжиговая конвейерная машина, 2 – шихта, 3 – зона сушки, 4 – зона обжига и восстановления, 5 – электропечь, 6 – ковш для жидкого металла, 7 – ковш для шлака

Существует разновидность процесса получения железа на движущейся колосниковой решетке, когда вместо конвертированного газа используют твердый восстановитель (каменный уголь, кокс и т.д.).

В этом случае сырые окатыши в головной части установки сушат рециркулируемыми газами, после чего окатыши поступают в зону обжига, где в результате просасывания горячих газов происходит нагрев и восстановление оксидов железа. Основным преимуществом этого процесса является возможность подавать в установку для восстановления неупрочненные обжигом окатыши. Недостатком этого процесса является загрязнение губчатого железа пустой породой, серой и фосфором твердого топлива.

Производство железа во вращающихся трубчатых печах

Другой разновидностью процесса с использованием твердого восстановителя является способ получения железа во вращающихся трубчатых печах (рис. 44).


Рис. 44. Схема установки с применением трубчатых вращающихся печей: 1 – элеватор; 2 – исходная шихта; 3 – вращающаяся печь; 4– вибропитатель; 5 – пылеуловитель; 6 – уборка пыли; 7 – зона горения топлива и плавления материалов; 8 – горелка

По этому способу во вращающуюся трубчатую печь, установленную под небольшим углом к горизонту, загружается шихта, состоящая из руды, твердого топлива и доломита или известняка. Доломит и известняк используются для десульфурации. Печь отапливается газообразным или жидким топливом при помощи горелок, установленных на разгрузочном конце печи.

По мере продвижения шихты от загрузочного конца печи к разгрузочному, навстречу газообразным продуктам горения, происходит восстановление оксидов железа. Восстановление протекает в основном через газовую фазу при участии твердого углерода. На разгрузочном конце печи восстановленный материал для предупреждения окисления охлаждается в специальном вращающемся охладителе и после дробления и последующего магнитного обогащения используется в сталеплавильном производстве.

Производство железа в реакторах кипящего слоя

В основу этого способа положен эффект так называемого кипящего слоя, при котором создаются условия для хорошего контакта мелких железорудных материалов с газообразным восстановителем.

Сущность явления кипящего слоя заключается в следующем. Если через слой зернистого материала пропускать восходящий поток газа, то при небольших скоростях газа твердые частицы будут оставаться неподвижными. Слой будет выполнять роль фильтрующего пористого элемента.

Для создания кипящего слоя под горизонтальную решетку реактора, на которую загружают исходный железорудный материал, подается горячий восстановительный газ с определенной скоростью.

Чтобы предотвратить спекание восстановленного железа процесс ведется при низкой температуре (около 500 °С). Железо полученное при этой температуре, характеризуется повышенной пирофорностью (самовозгораемостью на воздухе). Для предотвращения пирофорности полученное железо нагревают до 820…880 °С с последующим охлаждением в восстановительной или нейтральной атмосфере.

Агрегаты FASTMET и ITmk3

В данных агрегатах осуществляется получение железа из руды и некосующегося угля. В агрегатах FASTMET также могут утилизироваться побочные продукты (пыли и шламы), содержащие железо, которые образуются на заводах с полным металлургическим циклом. Развитие этой технологии привело к созданию в 1996 г. процесса ITmk3 производства «передельного чугуна высшего качества» из окатышей или брикетов, схема процессов приведена на рис. 45.


Рис. 45. Схема процессов FASTMET, FAST MELT и ITmk3:1-бункера с компонентами шихты; 2 — окомкование; 3 —
сушка; 4 — брикетирование; 5 — печь с вращающимся подом; 6 — компрессор; 7 – регенератор; 8 – воздух для горелки; 9 – топливо для горелки; 10 – газоочистка; 11 – дымовая труба; 12 — электросталеплавильная печь; 13 – сепаратор

Технология получения железа следующая. Из мелкой железной руды после ее смешивания с углем получают гранулы, которые высушивают и загружают в печь с вращающимся подом. Процесс по существу выполняется на большом поворотном столе, который вращается в пределах тороидального огражденного пространства.

Гранулы из шихты загружаются на вращающийся под печи одним или двумя слоями и во время вращения нагреваются горелками, расположенными над слоем, где также происходит дожигание оксида углерода и летучих угля, выделяющихся при нагреве и восстановлении оксидов. Один оборот вращающейся печи осуществляется за 10 мин.

В случае процесса FASTMET продукцией является губчатое железо, FASTMELT – жидкая сталь, а в процессе ITmk3 данные комки плавятся в последней зоне этого пода, тем самым получая гранулы чугуна и шлак. Конечным этапом является разделение чугунных комков и шлака.

Химико-термический способ получения железа

Данный метод применяется для получения очень чистого железа из труднообогатимого рудного сырья, содержащего большое количество вредных примесей. Он может быть использован также для получения легированной железной губки из комплексных руд.

Схема технологического процесса получения железа по этому методу включает следующие операции (рис. 46).

Рис. 46. Схема технологического процесса прямого получения железа химико-термическим способом: 1 – печь восстановительного обжига; 2 – реакторы растворения; 3, 5 – промежуточные ёмкости; 4 – фильтры; 6 – выпарные аппараты; 7 – кристаллизаторы; 8 – центрифуга; 9 – вакуум-сушилка; 10 – печь сушки хлоридов; 11 – печь окисления хлоридов; 12 – гранулятор; 13 – печь восстановления хлоридов

Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение, а затем в печь обжига. Для ускорения процесса обжиг руды проводится с использованием твердого восстановителя. Для этого приёмные бункеры мельниц оборудуются дозаторами для приготовления шихты, состоящей из руды и твердого восстановителя.

Подготовленная шихта поставляется в печь для восстановительного обжига. Обжиг проводится при температуре 900…1000 °С. После обжига руда поступает в реакторы растворения руды, заполненные соляной кислотой. Начальная стадия растворения происходит очень бурно и сопровождается выделением водорода. По мере снижения концентрации кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса на конечном этапе реакционный объём подогревается паром с температурой 80…90 °С, подаваемом в паровые рубашки реакторов.

Выделяющийся при растворении водород после очистки направляется в печь восстановления хлоридов, где используется как газообразный восстановитель. Пары соляной кислоты, сконденсировавшиеся в процессе растворения, поступают в систему сбора кислоты, откуда направляются в реактор растворения.

Полученная в результате растворения пульпа подаётся в фильтры для отделения раствора от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает в выпарные аппараты, где проводится выпаривание до насыщения по хлористому железу. Далее раствор направляется в кристаллизаторы, из которых смесь кристаллов и раствора подается на центрифуги. Из центрифуг кристаллы направляются в печь сушки и затем в печь восстановления хлоридов, отапливающуюся природным газом.

Для восстановления хлоридов используется водород. Температура восстановления составляет 600…700 °С. В результате, после восстановления, образуется химически чистое железо.

Отходящий из печей газ, содержащий водород и пары воды, подвергается осушке, очистке и используется как восстановитель при восстановлении хлоридов. Кислота, образующаяся в результате охлаждения и очистки отходящих газов, поступает в систему сбора соляной кислоты, откуда направляется в реакторы растворения руды.

Таким образом, процесс построен максимально рационально, поскольку обеспечивается рециркуляция всех реагентов, участвующих в процессе.

Восстановление и окисление являются неразрывно связанными процессами . Если одно из участвующих в реакции веществ восстанавливается, то другое окисляется. Поэтому отнесение одних реакций к реакциям окисления, а других – к реакциям восстановления связано с тем, какое вещество является в данном случае целевым продуктом.

Восстановлением называют процесс, в результате которого атом или группа атомов приобретают электроны. Наоборот, окисление заключается в потере электронов.

Более точно, речь идет об изменении плотности электронного облака , которое окружает рассматриваемую группировку атомов. При восстановлении оно увеличивается , а при окислении уменьшается . Примером может служить реакция между ионом иода и молекулой хлора:

Для определения величины электронного облака у атома или группы атомов пользуются понятием «степень окисления».

В окислительно-восстановительных процессах наряду с перераспределением электронного облака молекулы, обычно изменяется и её состав . Например, при восстановлении двойной связи молекула приобретает два атома водорода :

а при восстановлении спиртов или нитросоединений молекула теряет атомы кислорода :

Многочисленные методы восстановления и окисления можно разделить на четыре группы : химические, каталитические, электролитические и биохимические (микробиологические) . Все эти методы находят широкое применение в фармацевтической промышленности
^

Химические методы


Химические методы восстановления можно разделить на несколько групп по типу восстановителя.

1. Восстановление металлами и солями металлов

^

1.1. Восстановление натрием
А) Восстановление натрием в спирте (по Буво - Блану) используется для восстановления сложных эфиров карбоновых кислот до соответствующих спиртов. Наибольшее значение метод имеет в синтезе высших алифатических спиртов, получить которые другим путем трудно. У многоосновных кислот восстанавливаются только этерифицированные карбоксильные группы .

Суммарное уравнение реакции имеет вид:

Механизм восстановления можно представить следующим образом:

Выход целевых продуктов, как правило, не превышает 80% . Потери обусловлены непосредственной реакцией между натрием и спиртом. Выделяющийся водород неактивен, а образующиеся алкоголяты вызывают конденсацию и переэтерификацию и образование высококипящих побочных продуктов.

Методика восстановления по Буво и Блану простая, но опасная.

К кипящей смеси сложного эфира и пятикратного количества абсолютного спирта порциями добавляют кусочки металлического натрия, взятого в небольшом избытке. После загрузки всего натрия и необходимой выдержки, реакционную массу выливают в воду для разложения образовавшихся алкоголятов. Спирт отгоняют, а продукты реакции извлекают экстракцией.

Отвод тепла является сложной технической проблемой, т.к. тепловой эффект реакции очень высок (520 кДж/моль). Необходимо обязательно использовать хорошо действующий (эффективный) обратный холодильник . Чтобы облегчить задачу охлаждения реакционной массы и снизить опасность процесса, можно поднять температуру процесса заменой этилового спирта высококипящими спиртами , включая амиловый. Так, восстановление диэтилового эфира себациновой кислоты проводят в 1-бутаноле.

Диэтиловый эфир себациновой кислоты растворяют в безводном бутиловом спирте, затем при 70°С и энергичном перемешивании в несколько приемов добавляют натрий. Температуру поднимают до 100-125°С. Выход продукта 72%.

Для снижения опасности восстановления этилового эфира дифенилпропионовой кислоты в производстве дифрила порядок загрузки реагентов обратный, а именно, спиртовой раствор эфира прибавляют к натрию:

Это позволяет полностью использовать металлический натрий, который при стандартном способе может частично не прореагировать и остаться в реакционной массе, что создает опасность при разбавлении реакционной массы водой.

^ Б) Восстановление натрием в жидком аммиаке - применяется для восстановления:

а) сложных эфиров до спиртов (лучше, чем по методу Буво-Блана)

Б) алкинов до олефинов (при этом тройная связь на конце цепи не восстанавливается)

В) органических галогенидов, которое идет в двух направлениях:

Механизм аналогичен механизму восстановления по Буво-Блану

Щелочные металлы (калий, натрий и литий) хорошо растворяются в аммиаке и позволяют работать в широком интервале концентраций . Низкая степень диссоциации аммиака делает возможным восстановление соединений, которые гидролизуются в воде. Аммиак с натрием может образовывать амид, но в отсутствие катализаторов и при наличии соединений, способных восстанавливаться, этот процесс практического значения не имеет.

Для ведения процесса необходима специальная аппаратура, т.к. температура кипения аммиака очень низка (-33,5°С). При более высокой температуре реакцию проводят в автоклаве . Для достижения гомогенности смеси необходимо энергичное перемешивание .

В) Восстановление амальгамой натрия (раствором натрия в ртути)

Амальгама натрия не только раствор натрия в ртути. Ртуть образует со щелочными и щелочноземельными металлами меркуриды МеHg x (например, NaHg 2 , KHg 2 , MgHg).

Амальгама, содержащая меньше 1,25% натрия , при комнатной температуре жидкая . При более высокой концентрации натрия амальгама при комнатной температуре становится твердой и ее можно измельчать механически.

Процесс растворения натрия в ртути ведут под слоем толуола и в атмосфере азота, чтобы предохранить теплую амальгаму от воздействия кислорода воздуха. Следует отметить, что процесс растворения натрия в ртути является экзотермичным. Отвод тепла реакции вызывает определенные трудности, т.к. использование воды в качестве хладагента исключено. Обычно получение амальгамы проводят при 40-50°С, получая таким образом 2-3%-ую амальгаму .

Наиболее чистую жидкую и однородную амальгаму, содержащую до 0,5% натрия, получают электролитическим методом .

^ Амальгамой натрия восстанавливают :

а) сопряженные двойные связи (но не изолированные)

б) отдельные представители аренов, например, фталевые кислоты, ароматические полициклические углеводороды (до ди- или тетрагидропроизводных).

В) карбонильную группу в альдегидах и кетонах до соответствующих спиртов (очень легко!).

Г) Нитро - и другие азотсодержащие группы (очень легко), но практического значения этот метод не получил вследствие наличия более доступных восстановителей.

Механизм восстановления амальгамой натрия - ионный . В адсорбционном слое на поверхности металла к молекуле субстрата присоединяются один или два электрона. Затем образующиеся анионные радикалы или двухзарядные анионы соединяются с протонами:

Методика восстановления: субстрат растворяют или суспендируют в спирте или воде, т.к. амальгама натрия реагирует с водой медленно. Для ускорения реакции в некоторых случаях применяют органические растворители , смешивающиеся с водой и спиртом, для лучшего растворения субстрата, или эмульгирующие средства. К смеси постепенно добавляют избыток амальгамы (25-40% от теоретического) . После полного разложения амальгамы, выделившую ртуть отделяют декантацией и промывают водой или спиртом.

Скорость , а иногда и состав продуктов восстановления зависят от величины рН , которая по ходу реакции повышается, при этом скорость реакции замедляется. Точный и непрерывный контроль значения рН осуществляют потенциометрически. Величину рН регулируют пропусканием СО 2 .
^

1.2. Восстановление оловом и хлоридом олова (II)


– простой и давно известный способ восстановления нитро-, нитрозо-, гидроксиамино-, азо- и диазо групп. Он широко применяется в лабораторной практике, но не в промышленности (по экономическим соображениям).

^ A) Восстановление оловом особенно удобно для превращения ароматических нитросоединений (а также нитрозосоединений и алкилгидроксиламинов) в амины , которые находят широкое применение в качестве промежуточных соединений при синтезе фармацевтических препаратов. Восстановление протекает ступенчато через ряд промежуточных соединений:

Уравнение процесса :

Образующийся первоначально хлорид олова (II) может взаимодействовать с нитросоединениями в качестве восстановителя:

^ Восстановление оловом . К раствору или суспензии нитросоединения в концентрированной соляной кислоте, взятой в небольшом избытке, добавляют порциями гранулированное олово. Реакцию начинают, осторожно нагревая на водяной бане реакционную смесь после загрузки первой порции олова. Если загрузить много олова, реакция начнется слишком бурно и потребуется быстрое охлаждение реакционной массы для предотвращения ее выброса. Реакцию, как правило, ведут, поддерживая спокойное кипение реакционной массы (обратный холодильник) до получения прозрачного раствора. Затем быстро фильтруют горячий раствор от не прореагировавшего олова через фильтр, устойчивый к действию соляной кислоты. Фильтрат, содержащий амин в виде комплексной соли с хлоридами олова, подщелачивают аммиаком или щелочью. Если продукт реакции перегоняется с водяным паром, то его отгоняют прямо из реакционной массы. В других случаях амин экстрагируют подходящим растворителем.

^ Б) Восстановление хлоридом олова (II) позволяет оказать более сильное и специфическое восстанавливающее действие и часто дает лучшие результаты, чем восстановление металлическим оловом.

Хлорид олова (II) восстанавливает нитро - и азосоединения до аминов, соли диазония до арилгидразина, избирательно восстанавливает нитрогруппы в полинитро-, гетероциклических и галогеннитросоединениях:

Наиболее отчетливо избирательность восстановления проявляется в трехзамещенных производных бензола с двумя нитрогруппами в положениях 2 и 4 относительно третьего заместителя. Так, в 2,4-динитротолуоле хлорид олова восстанавливает нитрогруппу в положении 2, практически не затрагивая нитрогруппу в положении 4.

Метод позволяет вести восстановление в гомогенной среде, т.к. хлорид олова растворяется в воде и в этиловом спирте. Благодаря этому восстановление идет быстро, с хорошими выходами и при низких температурах, хотя реакцию можно вести и при температуре кипения. Проведение восстановления хлоридом олова не вызывает особых затруднений и в основном не отличается от методики восстановления оловом. Порядок загрузки реагентов особой роли не играет.

Регенерацию олова лучше всего осуществлять электрохимическим методом. Этот способ позволяет вернуть в цикл практически все олово. В лабораторной практике иногда пользуются осаждением олова в виде нерастворимого сульфида при пропускании сероводорода через реакционную массу.
^

1.3. Восстановление цинком


Восстановление цинком в промышленности проводят как в кислой, так и щелочной среде. Для восстановления используют также амальгаму цинка.

^ А) Цинк в кислой среде восстанавливает : карбонильные соединения до спиртов, аренсульфохлориды до тиофенолов, двойную связь в -ненасыщенных карбонильных соединениях, однако практическое значение имеет лишь восстановление нитро-, нитрозо- и других азотсодержащих групп – до соответствующих аминов.

В синтезе сарколизина цинковой пылью в солянокислой среде восстанавливают "азлактон", после чего образующейся бензоилсарколизин гидролизуют:


Восстановление в среде муравьиной кислоты может сопровождаться формилированием образующейся аминогруппы:

Б) Цинк в щелочной среде восстанавливает:

а) карбонильные соединения до спиртов

б) галогенопроизводные в углеводороды

в ) нитроарены в азо-, гидразосоединения и далее в амины:

При получении гидразосоединений обычно используют цинковую пыль , которая обладает большой удельной поверхностью, и загружают её на 10-15% больше теоретически рассчитанного количества. Едкий натр в реакции практически не расходуется, т.к. образующийся цинкат в условиях реакции гидролизуется, давая гидроксиды цинка и натрия. Поэтому щелочи берут в 5-100 раз меньше, чем необходимо по теории.

Высокая концентрация щелочи может привести к образованию амина наряду с гидразосоединением. Однако при недостаточной щелочности восстановление идет вяло. Поэтому процесс разделяют на две стадии . Сначала ведут восстановление в концентрированной щелочи при 80-90°С до образования азокси- и азосоединений, причем цинковую пыль и щелочь строго дозируют. Затем образовавшиеся соединения восстанавливают новой порцией цинковой пыли, но уже в разбавленном растворе щелочи при 65-70°С.

При восстановлении контролируют температуру, рН среды и окраску раствора. Образующиеся в процессе восстановления азосоединения имеют интенсивную окраску, а при дальнейшем восстановлении они дают неокрашенные гидразосоединения. Реакцию прекращают сразу после обесцвечивания раствора , так как дальнейшее восстановление может привести к появлению аминов в реакционной массе.

Гидразосоединение выпадает в виде осадка вместе с гидроксидом цинка. Гидроксид растворяют осторожным подкислением реакционной массы до нейтральной реакции и гидразосоединение отфильтровывают .

Для успешного проведения восстановления необходимо энергично перемешивать довольно вязкую массу, в которую для уменьшения вязкости иногда добавляют органические растворители. При этом продукты реакции переходят в раствор, что облегчает их выделение.

Восстановление нитросоединений цинком в щелочной среде проводят в стальных или чугунных аппаратах с якорной мешалкой и рубашкой.

^ В) Амальгама цинка в соляной кислоте (метод Клемменсена ) замещает кислород карбонильной группы двумя атомами водорода:

Реакция проходит при нагревании в водно-спиртовых средах , в некоторых случаях в среде уксусной кислоты или в инертных растворителях.

Гидроксисоединения в этих условиях не восстанавливаются, что свидетельствует о том, что восстановление СО-группы проходит не через стадию образования спирта
^

1.4. Восстановление железом


А) Железо в присутствии электролитов - восстанавливает ароматические нитросоединения до соответствующих аминов (один из распространенных промышленных методов). При этом одновременно протекает четыре реакции :

Скорость процесса восстановления лимитируется первой стадией, которая аналогична процессу влажной коррозии железа. Поэтому восстановление ведут в среде электролита , как правило, в слабокислой среде . При повышении величины рН среды скорость реакции уменьшается. При рН > 12 процесс практически прекращается.

Электролиты вводят в реакционную массу в готовом виде (хлорид аммония) или получают в самом реакторе при протравливании чугунной стружки соляной кислотой. Наиболее активным электролитом является хлорид аммония, менее активным хлорид железа (II), сульфат аммония и т.д.

Для восстановления лучше всего использовать стружку серого чугуна , которая является отходом металлообрабатывающих производств. Активность серого чугуна объясняется возникновением в присутствии электролитов гальванической пары на границе раздела: железо - графит. Вследствие зернистого строения серый чугун в процессе восстановления распадается на мелкие частицы, что ведет к ускорению реакции.

Чугунная стружка должна быть специально подготовлена для реакции. После измельчения и просева, а также удаления пыли, чугунную стружку обезжиривают и протравливают небольшим количеством соляной кислоты, что увеличивает ее активность вследствие образования хлоридов.

Процесс восстановления чугунной стружкой ведут при температуре кипения реакционной массы . Обогрев чаще всего производят острым паром.

Обычно к нагретой до температуры кипения суспензии чугунной стружки в растворе электролита постепенно загружают нитропродукт. Каждую следующую порцию вводят лишь после того, как прореагирует предыдущая. В некоторых случаях порядок загрузки может быть изменен.

Если получающийся амин летуч с водяным паром, то часть его отгоняется во время процесса с водяным паром. Смесь паров воды и амина конденсируется в холодильнике, после чего поступает в отстойник для разделения. Остальную часть амина отгоняют с водяным паром после окончания процесса восстановления и подщелачивания реакционной массы. Иногда предварительно выделившийся амин сифонируют после отстаивания реакционной массы в редукторе. Амины, плохо перегоняющиеся с водяным паром, экстрагируют из реакционной массы органическими растворителями.

В производстве восстановление проводят в стальных или чугунных аппаратах (редукторах ), футерованных диабазовой плиткой на кислотоупорной замазке и снабженных мешалкой (лопастной или сошниковой) и барботером для подачи острого пара.

Этот метод используют при производстве анестезина, новокаина, дифенилсульфона и ряда других препаратов:

Достоинства метода : простота технологии, дешевизна сырья, высокий выход целевого продукта реакции. Недостатки : сокращение сырьевой базы и нестабильное качество чугунной стружки; трудности по утилизации образующегося шлама (фильтрация, транспортировка плохо фильтрующегося тяжелого и содержащего абразивные частицы осадка).

^ Б) Железные опилки в среде соляной или уксусной кислот - восстанавливают нитросоединения , азосоединения и альдегиды .

Процесс ведут при температуре кипения, медленно добавляя нитросоединение к суспензии железа в слабокислой водной или водно-спиртовой среде . Концентрация спирта может иметь большое значение. Наилучшие результаты получают при работе с железом , восстановленным водородом. Добавление небольшого количества хлорида никеля ускоряет реакцию.

^ В) Сульфат железа (II) в присутствии аммиака - восстанавливает нитрогруппу в молекулах соединений, содержащих и другие способные к восстановлению группы. Этот метод дает хорошие результаты при восстановлении ароматических нитрокарбоновых кислот и нитроальдегидов.

^

1.5. Восстановление алкоголятами алюминия (метод Меервейна-Понндорфа-Верлея)


Алкоголяты алюминия восстанавливают ароматические и алифатические карбонильные соединения в соответствующие спирты, не затрагивая другие функциональные группы.

Схема реакции:

Для восстановления обычно используют изопропилат алюминия в изопропиловом спирте; реже – этилат алюминия в этиловом спирте (для восстановления альдегидов).

Восстановление идет за счет спиртового радикала алкоголята , который окисляется до карбонильного соединения. Образовавшийся новый алкоголят алюминия может подвергаться алкоголизу под действием растворителя, благодаря чему регенерируется изопропилат алюминия. Поэтому алкоголяты выполняют в основном роль катализатора. Однако лучшие результаты получаются при применении алкоголята в количествах 1 и более моль на моль субстрата.

Целевой продукт (спирт) выделяют , обрабатывая образовавшийся алкоголят алюминия разбавленной серной кислотой. Выходы целевых продуктов обычно составляют 80-95%.

Альдегиды восстанавливаются значительно легче , чем кетоны из-за меньшего влияния пространственного фактора и большей электрофильности карбонильного атома углерода. Такие альдегиды как, например, фурфурол, восстанавливаются на холоду.

Процесс восстановления алкоголятами алюминия обратимый, поэтому обычно его проводят при нагревании с отгонкой низкокипящего компонента (ацетона), что способствует образованию целевого продукта.

Продолжительность реакции сильно зависит от природы субстрата. При слишком большой длительности процесса можно поднять температуру реакции, используя растворитель с более высокой температурой кипения (толуол, ксилол). Однако повышение температуры увеличивает скорость побочных реакций в большей степени, чем основной. Значительно ускорить реакцию и увеличить выход целевого продукта можно добавлением к реакционной смеси никеля Ренея или хлорида алюминия . При длительном процессе восстановления альдегида или при образовании неустойчивых на воздухе продуктов, через реакционную массу пропускают азот или водород.

Восстановление по Меервейну-Понндорфу используется при синтезе левомицетина, мезатона, фетанола и ряда других препаратов:


^

1.6. Восстановление гидридами металлов


Гидриды металлов, особенно алюмогидрид лития (LiAlH 4) и боргидрид лития LiBH 4 или натрия NaBH 4 , обладают сильными восстановительными свойствами и используются для восстановления полярных соединений, имеющих двойные связи углерод - гетероатом.

^ А) Алюмогидрид лития – комплексное солеобразное соединение с формулой Li  AlH 4 - , которое медленно растворяется в эфирах с образованием новых коплексов – эфиратов .

Алюмогидрид лития восстанавливает:


карбонильные соединения, карбоновые кислоты и все их кислород и галогенсодержащие производные до спиртов , азотсодержащие производные и алифатические нитросоединения – до аминов, а также галогениды и спирты - до углеводородов.

По легкости восстановления субстраты можно расположить в следующем порядке: альдегиды > кетоны > эфиры > ангидриды > кислоты > нитрилы > амиды > нитрогруппы.

Алюмогидрид лития восстанавливает практически все связи углерод-гетероатом, но не двойные связи углерод-углерод . Такая селективность позволяет восстановить функциональные группы в ненасыщенных углеводородах.

Восстановление протекает в мягких условиях и обычно с высокими выходами . Добавление к алюмогидриду лития эквимолярного количества хлорида алюминия значительно увеличивает его восстанавливающее действие, что, по-видимому, связано с образованием гидрида алюминия и хлорида лития.

Восстановление алюмогидридом лития протекает в безводной среде , как правило, в эфире . Вместо диэтилового эфира в качестве растворителей можно использовать тетрагидрофуран, дибутиловый эфир, морфолин и др. Применение этих растворителей позволяет проводить восстановление при более высокой температуре, чем в диэтиловом эфире. Для увеличения растворимости субстрата эфиры иногда смешивают с бензолом или толуолом.

Работа с алюмогидридом лития требует особых мер предосторожности . Важно избегать контакта алюмогидрида лития с водой, так как это вызывает бурное разложение продукта с выделением немедленно воспламеняющегося водорода. Тщательное обезвоживание растворителей является обязательным условием для работы с алюмогидридом лития.

Алюмогидрид лития применяют:

а) для восстановления этилового эфира себациновой кислоты с лучшим выходом, чем в других методах (в синтезе противогрибкового препарата декамин ):

Б) в одном из способов синтеза пиримидиновой компоненты витамина В 1 :

В) в синтезе октадина:

Г) в синтезе стероидных препаратов:

^ Б) Боргидриды натрия (калия) являются менее активными реагентами, чем алюмогидрид лития, но восстанавливают в таких полярных растворителях , как вода, метанол, пиридин, ацетонитрил. Они обычно восстанавливают только хлорангидриды кислот, карбонильные соединения и основания Шиффа .

Борогидриды натрия и калия широко используют для избирательного восстановления карбонильных групп в присутствии других функциональных групп и непредельных связей:

^

2. Восстановление соединениями серы


В промышленности применяются редко , т.к. имеются более удобные восстановители и утилизация сточных вод, содержащих вредные соединения серы (сероводород), вызывает серьезные трудности (недостаток ). Впервые сульфид для этой цели применил Н.Н.Зинин, получивший анилин при восстановлении нитробензола сульфидом аммония.
^

2.1. Восстановление нитросоединений до аминов сульфидами щелочных металлов
Для этих целей используют - сульфид и полисульфиды натрия Na 2 S n (n = 2, 3…) и гидросульфид (сульфгидрат) натрия NaHS.

Полисульфиды натрия получают нагреванием раствора Na 2 S с рассчитанным количеством серы:

^ Схемы реакций восстановления сульфидами щелочных металлов:

При восстановлении нитросоединений сульфидом натрия возрастает щелочность среды, что благоприятствует образованию азокрасителей и снижает выход целевого продукта и ухудшает его качество.

Восстановление трисульфидом Na 2 S 3 проходит с выделением серы, освобождение от которой представляет значительные трудности.

Восстановление гидросульфидом и дисульфитом натрия значительно удобнее, однако, их приходится приготавливать перед использованием, насыщая водный или спиртовый раствор едкого натра рассчитанным количеством сероводорода либо сплавлением сульфида натрия с серой.

^ Методика восстановления. К нагретой до температуры 80-90°С или до кипения эмульсии или суспензии нитросоединения в воде постепенно, при сильном перемешивании приливают 15-25% раствор сульфида. Избыток сульфида должен составлять 20-40% (при полном восстановлении), а при частичном восстановлении – не более нескольких процентов. Длительность восстановления сильно зависит от температуры и обычно составляет несколько часов.

Амины выделяют: твердые нерастворимые – фильтрацией или центрифугированием (нутч-фильтры, центрифуги); жидкие нерастворимые - отстаиванием в делительных воронках; растворимые экстракцией или высаливанием.

Маточники обрабатывают кислородом воздуха для окисления оставшихся сульфидов до Na 2 S 2 O 3 . Полученный раствор тиосульфата упаривают и очищают активированным углем. Полученный горячий концентрированный раствор охлаждают и выделяют технический тиосульфат, который очищают перекристаллизацией.

Среда не является коррозионной, поэтому в качестве редуктора может быть использован стальной или чугунный аппарат с рубашкой и пропеллерной или турбинной мешалкой . Поскольку процесс проходит при кипении реакционной массы вследствие разложения сульфидов может выделяться сероводород и реактор должен быть оборудован обратным холодильником и системой улавливания сероводорода.

Восстановление ароматических нитросоединений сернистыми щелочами применяется в производствах о - и п -анизидинов, о - и п -фенетидинов, аминосалициловой кислоты, аминофенолов, м -нитроанилина (из м -динитробензола), 1-нафтиламина и др.

При восстановлении о -нитроанизола чугунной стружкой возникают значительные трудности при выделении продукта. Все эти трудности отпадают при восстановлении о -нитроанизола сульфидом или гидросульфидом натрия. Поэтому, несмотря на снижение выхода продукта до 86-87% и экологических трудностей, данный метод применяется в промышленности.

^ Достоинства метода : продукт реакции выделяется легче , технология проще , коррозия оборудования значительно меньше, большая селективность, чем при использовании чугунной стружки. Метод позволяет избирательно восстанавливать одну нитрогруппу в полинитросоединениях, не затрагивая остальные, либо все нитрогруппы, а в нитроазосоединениях восстанавливать нитрогруппу, не затрагивая азогруппы.

Недостатки : производство опасное, требуется особая герметизация оборудования, экологические трудности.
^

2.2. Восстановление нитрогруппы серой в щелочной среде.


Интересно тем, что в отдельных случаях (например, восстановление п -нитротолуола в производстве солютизона) проходит с одновременным окислением метильной группы до альдегидной:

^

2.3. Восстановление сернистой кислотой и ее солями


Сернистая кислота и ее соли являются мягкими восстановителями в водных и органических средах и восстанавливают: а) сульфохлориды до соответствующих кислот; б) хиноны - до гидрохинонов; в) нитрозосоединения - до аминосульфонатов; г) восстановление солей диазония до арилгидразинов :

^ Восстановление солей диазония является одной из наиболее важных реакций, осуществляемых с помощью сульфита натрия.

Обычно к свежеприготовленному (из NaOH и SO 2) и охлажденному раствору сульфита приливают раствор соли диазония. Далее реакционную массу осторожно при перемешивании подкисляют соляной кислотой и нагревают на водяной бане. К концу реакции оранжевый цвет реакционной массы должен смениться на желтый. Небольшое количество образующихся смолообразных продуктов отфильтровывают, а из охлажденного фильтрата выделяют продукт.

Для восстановления диазосоединений можно использовать также гидросульфит или сернистую кислоту. Выход арилгидразинов обычно высок и достигает 90-95%.
^

2.4. Восстановление дитионитом натрия


Дитионистая кислота (H 2 S 2 O 4) в свободном виде неустойчива и применяется в виде солей. Дитионит натрия восстанавливает дикетоны до гидроксипроизводных; алифатические нитросоединения – до оксимов , а ароматические – до аминов ; а также очень легко и с высоким выходом азосоединения до аминов :

Реакцию обычно проводят в водном щелочном растворе при 40-90°С.
^

Каталитическое восстановление водородом


Восстановление органических соединений водородом в присутствии катализаторов приобретает с каждым годом все большее значение. Достоинствами метода являются: 1)универсальность; 2)высокая скорость процесса; 3)чистота получаемых продуктов и 4)простота их выделения, а недостатками , препятствующими широкому распространению этого метода, - 1)дефицитность применяемого электролитического водорода и катализаторов, 2)большая пожаро- и взрывоопасность процесса и 3)необходимость использования во многих случаях автоклавов.

^ Скорость восстановления водородом на поверхности катализатора (контактно-каталитического восстановления) зависит от структуры субстрата . Легкость гидрирования отдельных групп , как правило, уменьшается в следующей последовательности: двойные связи > нитро > карбонильные > нитрильные > ароматические и гетероциклические системы > гидроксильные > карбоксильные группы.

Это позволяет проводить избирательное гидрирование .

^ Направление и выход реакции зависят как от условия ведения процесса, так и от активности и метода приготовления катализатора. Активность катализаторов можно увеличивать или уменьшать, добавляя специальных вещества (промоторы и ингибиторы )

Чаще других используют металлические катализаторы , особенно металлы VIII группы периодической системы элементов, их окислы, сульфиды, хлориды. В зависимости от способа приготовления различают следующие виды катализаторов :

А) черни – очень мелкодисперсный металл, как правило, осажденный из раствора его соли восстановлением;

Б) катализаторы Адамса – тонкоизмельченные платина или палладий, полученные восстановлением их оксидов водородом;

В) скелетные катализаторы (катализаторы Ренея) – получаются в виде пористой ("губчатой") массы из двойных сплавов (никеля, железа, меди или кобальта соответственно с алюминием или кремнием) путем растворения одного компонента сплава в кислоте или щелочи;

Г) катализаторы на носителях – металл в виде черни, окислов или солей, осажденный на пористый носитель (пемза, силикагель, уголь, карбонаты щелочноземельных металлов и т.д.) для увеличения поверхности и уменьшения расхода дорогостоящего благородного металла;

Д) окисные и сульфидные катализаторы – хромиты меди, цинка, сульфиды молибдена, вольфрама и др. устойчивые и относительно дешевые промышленные катализаторы.

Существует довольно большое число гипотез , пытающих объяснить закономерности каталитического восстановления водородом. Часть этих гипотез рассматривает прежде всего структуру катализатора, не касаясь вопроса о причинах образования хемосорбционной связи между реагентами и катализатором. Наоборот – электронные гипотезы катализа обращают основное внимание на природу и закономерности образования связей между реагентами и поверхностью катализатора в зависимости от электронного строения последних. Очевидно, однако, что роль катализатора заключается в активации реагентов – восстанавливаемого соединения и молекулярного водорода .
^

1. Восстановление на никелевых катализаторах


Никелевые катализаторы (катализатор Сабатье, никель Ренея и др.) и катализаторы на основе никеля (медно-никелевые, карбонат никеля и т.д.) широко применяют в синтезе лекарственных субстанций.

^ А) Непирофорный никелевый катализатор получают : разложением формиата никеля в среде парафина при температуре 250-270°С; восстановлением нитрата никеля водородом при высокой температуре (катализатор Сабатье ) и др. методами:

Активность никелевого катализатора Сабатье зависит от температуры его приготовления. Оптимальная температура 300-320°С .

Восстановление по методу Сабатье и Сендерена ведут в газовой фазе, пропуская над никелем (или через слой катализатора) смесь водорода с парами восстанавливаемого вещества.

^ Б) Скелетный катализатор никель Ренея готовят из сплава никеля и алюминия, растворением алюминия в водной щелочи в виде алюмината (20%-ная щелочь при 50°С). Никель Ренея имеет специфическую пористую структуру и содержит большое количество сорбированного водорода и гидрида никеля . Он пирофорен (способен к самовозгоранию на воздухе), поэтому его хранят под слоем воды. Активность катализатора зависит от способа получения (концентрации щелочи, температуры, продолжительности выщелачивания и способа промывки) и при хранении катализатора уменьшается.

Восстановление водородом в присутствии никеля Ренея проводят под давлением в автоклавах , как правило, в спиртовой среде. Поскольку катализатор имеет большую плотность и быстро оседает на дно реактора, необходимо хорошее перемешивание . После окончания восстановления, о котором судят по количеству поглощенного водорода, катализатор отделяют фильтрованием, а спирт - отгоняют.

^ В) Никелевые катализаторы широко используют для восстановления самых разных соединений. Глубина восстановления зависит от условий ведения процесса и активности катализатора. Так, например, при восстановлении нитробензола водородом в присутствии никеля Ренея под давлением 1 атм. получают анилин, а при 95 атм. циклогексиламин:

Правильно выбранные условия реакции и активность катализатора никеля Ренея позволяют реализовать следующие процессы:

^ 1. Восстановление изолированных кратных связей, не затрагивая ароматическую систему и другие функциональные группы ведут при 10 – 30 атм и температуре до 50 о С: ведут при 150 ± 30°С и давлении выше 70 атм , например, в синтезе ментола из тимола:

В аналогичных условиях восстанавливают производные пиридина:

Не смотря на сильные отличия условий восстановления, следует отметить, что ароматические кольца восстанавливаются наиболее трудно: при 70-100 атм и температурах выше 100 о С. Остальные функции - при давлении до 30 атм и температурах ниже 100 о С.

^ 6. Восстановительное аминирование (реакция альдегидов и кетонов с аммиаком и водородом в присутствии никеля Ренея) используется в синтезах асалина, изопротана, бутамида, бензамона, фенамина и др.:

Метилбензилкетон, 12-15% водный аммиак и никель Ренея нагревают в автоклаве и при 60-65°С пропускают водород 1 час под небольшим давлением. Затем водород вытесняют азотом, катализатор отфильтровывают под слоем водного аммиака, фильтрат упаривают и получают техническое основание фенамина. Выход продукта 90-91%.
^

2. Восстановление на платиновых и палладиевых катализаторах


Платиновые и палладиевые катализаторы, обладая всеми достоинствами никелевых, значительно активнее их. Водородом в их присутствии восстанавливают почти все органические соединения , способные к восстановлению, причем часто при атмосферном давлении. Однако платиновые и палладиевые катализаторы дорогие и, из-за большой активности, обычные катализаторы обладают малой селективностью . Для изменения активности катализаторов и увеличения их селективности используют различные добавки .

Наиболее часто их применяют в виде платиновой или палладиевой черни , либо после осаждения металлов, их хлоридов и оксидов на носители – активированный уголь, пемзу, кремнезем, силикагель.

1. Нитрогруппа восстанавливается водородом в присутствии платиновой или палладиевой черни очень легко. В результате с почти количественным выходом образуются амины. Эта реакция была открыта М.М. Зайцевым (младшим братом знаменитого А.М. Зайцева) в 1872 г. Восстановление можно проводить как в паровой (газовой) фазе, так и в жидкой фазе.

^ 2. Восстановление двойных или тройных связей в алифатических или алициклических соединениях протекает значительно легче восстановления аренов. В противоположность водороду в момент выделения каталитически активированный водород легче взаимодействует с изолированными двойными связями, чем с сопряженными. Очень чувствительны к действию активированного водорода соединения ацетиленового ряда. Вначале они восстанавливаются до этиленовых производных, а затем до насыщенных соединений.

Для избирательного восстановления тройной связи до двойной применяют катализатор Линдлара , который представляет собой палладий, осажденный на карбонате кальция с добавлением ацетата свинца. Процесс этот используется во многих химико-фармацевтических производствах, в том числе и в производстве витаминов Е и А:

^ 5. Восстановление аренов идет наиболее трудно. Легкость восстановления ароматических углеводородов увеличивается с возрастанием числа конденсированных колец: бензол . Благодаря сходству ароматических и гетероароматических соединений последние гидрируются во многом аналогично. Однако пиридин в этом случае гидрируется легче бензола:

Полициклические соединения в зависимости от активности катализатора и условий ведения процесса гидрируются полностью или частично . Моноциклические соединения восстанавливаются труднее всего, причем получаются только продукты полного восстановления .

В случае пятичленных гетероциклов часто имеет место расщепление кольца. Например, сильван восстанавливается до 5-гидрокси-2-пентанона:

Частичное восстановление гетероциклических соединений можно проводить, используя в качестве катализаторов медь или хромиты .

Кроме палладиевых и платиновых катализаторов применяют и более дешевые , например, хромит меди, но реакции идут в значительно более жестких условиях. Так, арилкетоны восстаналвиваются с хорошими выходами до алкилбензолов при 180-250°С в присутствии медно-хромового катализатора . При 110-130°С о - и п -гидроксибензальдегиды восстанавливаются до соответствующих крезолов, а о - и п -гидроксиарилкетоны гидрируются до гидроксиалкилбензолов:

2-Метилфуран (сильван) получают путем пропускания смеси фурфурола и водорода при 200-250°С и нормальном давлении над мелкораздробленным хромитом меди на угле:

На платиновом и палладиевых катализаторах аналогичные процессы проходят в мягких условиях (40-90°С, 0,1-0,5 МПа).
^

Электролитическое восстановление


Это наиболее перспективный промышленный метод восстановления. Обладая всеми достоинствами каталитического гидрирования, электролитическое восстановление имеет существенные преимущества :

1) Отсутствие в производстве водорода, а, следовательно, резко понижается взрыво-пожароопасность производства. 2) Процесс идет при атмосферном давлении – не нужны автоклавы и все, связанные с ними, меры безопасности.

Недостатками метода являются его недостаточная изученность, энергоемкость, некоторые технические и технологические затруднения, неоднородность получающихся продуктов восстановления. Несмотря на хорошие выходы, электрохимические методы не нашли широкого применения в тонком органическом синтезе. Это объясняется, в частности, и отсутствием серийного выпуска специальной аппаратуры.

^ Электрохимически восстановливают связи С=С , например, синтез пиперидина из пиридина (1896 г. Аренс), нитросоединения до аминов (могут быть получены и все промежуточные продукты), карбоновые кислоты, в том числе и до альдегидов, альдегиды в спирты и др.

Электролиз салициловой кислоты проводят в электролизерах с диафрагмой из пористой резины с применением амальгированных медных вращающихся катодов при плотности тока 1500 А/м 2 и скорости вращения 1800 об/мин. Аноды изготовляются из перфторированного свинца.

^ Для проведения процессов электролитического восстановления необходим источник постоянного тока и специальное оборудование . В сосуд для восстановления помещают два электрода, отделяя катодное пространство от анодного пористой диафрагмой. Восстановление проходит на катоде . Для равномерного поступления восстанавливаемого вещества к катоду необходима мешалка . Поскольку органические соединения либо не диссоциируют, либо диссоциируют очень слабо, то в качестве электролитов используют неорганические кислоты или щелочи.

Подбор условий восстановления (соответствующий катод, плотность тока, растворитель, температуру, концентрацию, длительность процесса) для отдельных соединений обычно осуществляется опытным путем .
^

Особенности техники безопасности при проведении процессов восстановления


При проведении процессов восстановления многие виды сырья и продуктов могут быть источником пожара, взрыва или отравления.

В помещениях, где проводят восстановление щелочными металлами недопустимо использование воды в качестве тепло- и хладоносителя. Должны быть предусмотрены и другие меры, исключающие попадание воды на щелочной металл.

Цинковая пыль образует взрывоопасные смеси с воздухом. Поэтому загрузку цинковой пыли целесообразно производить в виде суспензии.

При восстановлении сернистыми щелочами герметизация аппаратуры, из которой может выделяться сероводород, должна быть настолько полной, чтобы в помещении не ощущался запах H 2 S. Отравление сероводородом наступает уже при концентрации его в воздухе 0,15 г/м 3 .

Процессы восстановления водородом и гидридами металлов , особенно при использовании пирофорных катализаторов являются чрезвычайно взрыво- и пожароопасными. Поэтому особое внимание должно обращаться на соблюдение технологии, герметизацию оборудования и эффективность вентиляции.

Для предотвращения создания взрывоопасных концентраций газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей и ядовитых газов в аварийных условиях, в опасных местах должны быть установлены автоматические сигнализаторы с включением аварийной вентиляции или принятием иных мер по технике безопасности. Противопожарные мероприятия в цехах должны быть направлены главным образом на предотвращение пожара и взрыва, а также на их локализацию в случае возникновения.

Приготовление и регенерация пирофорных катализаторов должны проводиться в отдельном помещении. Необходимо следить, чтобы частички катализатора не забрасывались на стенки реактора, так как при подсыхании они способны к самовозгоранию. Может загореться также и отработанный катализатор. Поэтому его не отжимают на фильтре досуха и транспортируют в виде суспензии в воде или спирте. В тех случаях, когда это возможно, следует пользоваться непирофорными катализаторами.

Передавливание взрывоопасных реакционных масс производят азотом или другим инертным газом.

Многие субстраты и продукты реакции в процессах восстановления являются вредными или ядовитыми.

§ 24. Определение соединений железа (III)

Определение соединений железа (III) перманганатометрическим методом основано на предварительном восстановлении до соответствующим восстановителем и последующем титровании железа (II) стандартным раствором перманганата.

Восстановление железа (III) до железа (II) может быть проведено цинком, алюминием, висмутом, хлоридом олова (II), жидкими амальгамами и др. Из металлов чаще всего пользуются гранулированным цинком, цинковой пылью или амальгамированным цинком. Восстановление металлическим цинком или амальгамированным цинком целесообразно проводить при отсутствии в анализируемом растворе других ионов, способных восстанавливаться (например, титана, ванадия, хрома, молибдена и т. п.).

Восстановление соединений железа (III) хлоридом олова (II). Иногда -ионы восстанавливают хлоридом олова (II):

Избыток хлорида олова (II) окисляют прибавлением хлорида ртути (II):

Образующаяся каломель при титровании железа (II) перманганатом окисляется очень медленно и не мешает определению.

Восстановление соединений железа (III) металлическим цинком. При восстановлении цинком рассчитанную навеску соли железа (III) помещают в круглодонную колбу, в которую прибавляют разбавленной ( серной кислоты; затем в колбу высыпают рассчитанное (с большим избытком) количество цинковой пыли или стружек. Колбу закрывают пробкой, снабженной клапаном Бунзена (рис. 54) и нагревают на водяной бане до полного растворения цинка. Колбу устанавливают косо во избежание разбрызгивания. После растворения цинка раствор охлаждают и количественно переносят в мерную колбу, перемешивают и титруют перманганатом.

Восстановление соединений железа (III) амальгамированным цинком (в редукторе Джойса). Редуктор Джонса (рис. 55) представляет собой стеклянную трубку длиной 25-30 см и внутренним диаметром см. В верхней части трубка имеет расширение емкостью . В нижней части трубка сужена и снабжена стеклянным краном, как бюретка. Приемником служит коническая колба. Если восстановленный раствор легко окисляется воздухом, то колбу закрывают пробкой с двумя отверстиями, через одно из которых проходит трубка редуктора (при титровании заменяется бюреткой), через другое - трубка, через которую колбу можно наполнить двуокисью углерода.

Примечание. Если восстановление вести при доступе воздуха, то образуется перекись водорода, которая восстанавливает окислитель при последующем титровании восстановителя.

В нижнюю часть редуктора помещают дырчатую фарфоровую пластинку, пористую стеклянную пластинку или несколько стеклянных шариков, на которые положен слой стеклянной ваты. На фильтрующий слой помещают кусочки (величиной мм) амальгамированного цинка.

Цинк амальгамируют обработкой раствором хлорида окисной ртути , для чего 200 г цинка высыпают в -ного раствора хлорида окисной ртути, перемешивают 5-6 мин и промывают декантацией горячей водой.

Для зарядки редуктор сначала наполняют дистиллированной водой и затем осторожно насыпают в него цинк, следя за тем, чтобы в слой металла не попали пузырьки воздуха. Высота слоя цинка 20-25 см. Верхний слой металла всегда должен быть покрыт водой.

Способы повышения содержания же­леза в железорудных материалах по­лучили название процессов металлизации. Получаемый продукт называ­ют метаялизованным. Под степенью металлизации обычно понимают процентное содержание железа в продукте.

По назначению металлизованные продукты обычно делят на три группы в зависимости от степени металлиза­ции:

1) до 85% Fe -продукт исполь­зуют в качестве шихты доменной плавки;

2) 85-95 % Fe - продукт использу­ют в качестве шихты при выплавке стали;

3) >98 % Fe - продукт используют для производства железного порошка.

Процессы металлизации железо­рудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000-1200 °С, т. е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железо­рудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипа­ния на стенки агрегатов. Такие про­цессы прямого получения железа из руд получили название процессов твердофазного восстановления (ПТВ). Поскольку получаемый материал на­поминает пористую губку, его часто называют «губчатым железом». За рубежом принята аббревиатура DRI (от англ. Direct-Reduced-Iron) или DI (Direct-Iron). Основная масса получа­емых продуктов используется в каче­стве шихты сталеплавильных агрега­тов.

Для восстановления оксидов желе­за в качестве восстановителя обычно используют или уголь (твердый вос­становитель), или природный газ (га­зообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не «сырого» природного газа, а горя­чих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом восста­новительных газов.

Восстановительные газы получают конверсией 1 газообразных углеводо­родов либо газификацией твердоготоплива. Конверсия природного газа может быть:

кислородной (воздушной)

СН 4 + 1/2О 2 = СО + 2Н 2 + Q,

СН 4 + Н 2 0 = СО + ЗН 2 – Q,

углекислотной

СН 4 + СО 2 = 2СО + 2Н 2 - Q,

В случае паровой и углекислотной конверсии для протекания реакции требуются затраты тепла. Конверсию осуществляют в специальных аппара­тах с использованием катализаторов.

Газификация твердого топлива осуществляется по следующим реак­циям:

С + 1/2О 2 = СО + Q,

С + Н 2 О = СО + Н 2 - Q,

С + С0 2 = 2СО - Q,

В настоящее время в мире работает много установок прямого восстанов­ления, главным образом в странах, располагающих дешевым сырьем (Ин­дия, Мексика, Венесуэла, ЮАР).

Существует несколько типов про­цессов и установок ППЖ (рис. 7.1). Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (MIDREX, США) и ХиЛ (HyL, по названию фир­мы Hojalata-y-Lamina, Мексика). Спо­собом Мидрекс осуществляется при­мерно 2/3 всего мирового производ­ства железа прямого получения, способом ХиЛ - примерно ¼

1 От лат. conversio - изменение, превра­щение

Рис. 7.1. Принципиальные схемы агрегатов

прямого восстановления, используемых в

процессах:

а-Мидрекс (MIDREX); 6-ХиЛ (HyL); е-Круп-па (Krypp-Rennverfahren). Обозначения: О-желе­зорудные окатыши; Р - руда; ГЖ- губчатое желе­зо; ВГ- восстановительный газ; ОТ- отходящий газ; Т- топливо; У- уголь

Главным отличием процесса Мид­рекс (рис. 7.2) является способ кон­версии природного газа, которая в этом процессе осуществляется диок­сидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе, по реакции СН 4 + СО 2 = 2СО + 2Н 2 . Перед пода­чей отходящего газа в конверсионную установку он проходит очистку от пыли и Н 2 О. Конвертированный газ, содержащий -35 % СО и ~65 % Н 2 , подают в печь при температуре 750 "С. Кроме этого в нижнюю часть печи по­дают охлажденный оборотный газ. Ох­лажденные окатыши содержат ~95 % Fe и ~1 % С. Содержание углерода в губке при необходимости может быть повышено.

Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгружаются в бункер емкостью 5 тыс. т, где хранятся в инертной атмосфере до плавки в ду­говых печах. Расход природного газа на процесс составляет около 350 м 3 на 1 т продукта. Этот процесс осуществ­лен у нас на Оскольском электроме­таллургическом комбинате.

Рис. 7.2. Принципиальная схема процесса MIDREX:

1 -воздуходувка; 2 -теплообменник; 3 -смеситель газов; -/-конверсионная установка­м-компрессор; 6 -скруббер для колошникового газа; 7-шахтная печь; 8- скруббер-9- вибрационный грохот; 10- брикетный пресс

Основной особенностью процесса восстановления в периодически дей­ствующих ретортах ХиЛ (HyL) явля­ется применение паровой конверсии природного газа, осуществляемой в аппаратах, в которых расположена кирпичная насадка с добавкой никеля в качестве катализатора. Конверсия протекает по реакции СН 4 + Н 2 0 = СО + ЗН 2 .

Газ перед конверсией подвергается десульфурации. Получаемый конвер­тированный газ содержит около 14 % СО, 58 % Н 2 , 21 % Н 2 О и 4-5 % СО 2 . Горячий газ проходит через котел-ути­лизатор и освобождается от паров воды. Сухой конвертированный газ содержит около 73 % Н 2 , 15-16 % СО и 6-7 % СО 2 . Он подогревается до температуры 980-1240 ºС в трубчатых рекуператорах, отапливаемых газом, выходящим из агрегатов восстановле­ния. В этих агрегатах окатыши или руда нагреваются в результате исполь­зования физического тепла восстано­вительного газа и при температуре 870-1050 °С происходит восстановле­ние железа водородом и оксидом угле­рода. На первых установках в качестве агрегатов восстановления применя­лись реторты. На установке таких ре­торт четыре.

Устройство реторты показано на рис. 7.3. Перестановкой реторт с од­ной позиции на другую обеспечивает ся циклический характер процесса, складывающегося из последователь­ных

Рис. 7.3. Реторта для металлизации по способу HyL:

1 - гидравлический цилиндр; 2 - тележка; 3 - при­вод; 4 - кожух; 5- крышка; 6- загрузочная горло­вина; 7-площадка для обслуживания; 8- резец с рычагами для удаления губки; 9- футеровка; 10- механизм управления откидным днищем; 11 - от­кидное днище; 12- разгрузочный желоб

операций загрузки, нагрева и вос­становления железорудной шихты, ох­лаждения и выгрузки губчатого желе­за. После загрузки шихты в реторты в них подают сверху газ. Для выгрузки готовой губки служат резец и специ­альные разгрузочные скребки. Губча­тое железо поступает на желоб и далее на сборный конвейер, транспортиру­ющий губку в сталеплавильный цех. На каждой установке в газовом цикле участвуют четыре реторты, в которых протекают следующие процессы: в одной - предварительный подогрев шихты и восстановление ее газом, вы­ходящим из других реторт, осушенным (без Н 2 О) и подогретым; в двух - довосстановление железа шихты подо­гретым газом, получаемым в конвер­сионной установке; в последней - на­углероживание.

Степень восстановления железа в готовом продукте составляет 75-92 %. На 1 т продукта (губчатого железа) затрачивают 600 м 3 природного газа и около 36 МДж электроэнергии.

Другие способы получения губ­чатого железа широкого распрост­ранения не получили. Заслуживают внимания лишь технологии, обеспе­чивающие бескоксовую организа­цию переработки комплексных руд, содержащих помимо железа такие ценные компоненты, как ванадий, ти­тан, никель и др. Так, например, в Институте металлургии Уральского отделения РАН разработан процесс углетермического восстановления ру-доугольных окатышей при высоких температурах на колосниковых уста­новках с использованием любых не­коксующихся углей в качестве твердо­го восстановителя.

Технологическая схема выглядит следующим образом: 1) окомкование железорудного материала с твердым топливом с получением рудоугольных окатышей; 2) обжиг окатышей на ус­тановках колосникового типа с полу­чением высокометаллизованного сы­рья; 3) использование металлизован-ных окатышей в качестве легирующей присадки при получении стали в элек­тропечах.

Основное количество получаемого методами прямого восстановления ме-таллизованного продукта используют в качестве шихтового материала. Этот продукт имеет ряд отличий от обычно используемой шихты (металлического лома и чугуна).

1. Металлизованный продукт, по­лученный из чистой шихты, практи­чески не содержит примесей (Cr, Ni, Си, Sn и др.), характерных для обыч­ного металлического лома. Такое цен­ное качество этого продукта делает его незаменимым сырьем при получении очень чистой стали ответственного на­значения.

2. При содержании в продукте 92- 95 % Fe в нем содержится 5-8 % пус­той породы (обычно кремнезема и некоторого количества невосстановив­шихся оксидов железа). При последу­ющей плавке пустая порода переходит в шлак, увеличивая его количество и затраты тепла на его расплавление. Кроме того, для ошлакования кремне­зема, содержащегося в пустой породе, требуется дополнительный расход из­вести, что увеличивает массу шлака еще в большей степени.

3. Получаемый методами прямого восстановления продукт имеет невы­сокую плотность, поэтому на ряде ус­тановок горячий металлизованный продукт подвергают брикетированию, чтобы увеличить его насыпную плот­ность, использовать металлизованную мелочь, а также чтобы повысить стой­кость продукта против вторичного окисления (пассивировать продукт).

Некоторые характеристики метал-лизованного продукта приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1 . Характеристики металлизованного продукта

4. Продукт прямого восстановле­ния часто содержит некоторое коли­чество углерода (в процессе Мидрекс 1-2 %). Это необходимо учитывать при использовании такого материала для производства низкоуглеродистых сталей.

5. Продукт прямого восстановления обычно содержит некоторое количе­ство (<2 %, а иногда и более) оксидов железа. При переплаве такого продукта эти оксиды должны быть восстановле­ны. Поскольку одновременно с окси­дами железа продукт содержит углерод, то при более высоком содержании уг­лерода в продукте допустима наиболее низкая степень металлизации и в связи с этим введено понятие эквивалентная степень металлизации". М ЭКВ = M ф акт + а %С, где М факт - фактическая степень металлизации. Если принять, что в металлизованном продукте окислен­ное железо находится в виде FeO, то в соответствии с реакцией FeO + С = СО + Fe на 1 маc. долю Fe при восста­новлении расходуется 6 маc. долей С, т.е. а = 6 и М экв = М факт + 6 %С. При избытке углерода он расходуется на на­углероживание стали. В этих рассужде­ниях не учтено, однако, что процесс восстановления железа происходит с затратой тепла. Использование про­дукта прямого восстановления для ох­лаждения конвертерной плавки пока­зало, что охлаждающее воздействие металлизованного продукта может быть принято в 1,2 раза большим, чем обычного металлического лома.

6. Мелкие кусочки однородной крупности металлизованного материа­ла позволяют организовать высокоме­ханизированную и при необходимости непрерывную подачу этого материала к сталеплавильным агрегатам.

7. Высокопористый высокометал-лизованный продукт (почти чистое железо) обладает повышенной окисляемостью и пирофорностъю 1 .

При открытом хранении степень металлизации за несколько месяцев и даже недель может снизиться до 70- 90 %. В присутствии влаги окисление сопровождается выделением тепла. Если в закрытое помещение, в котором хранится пирофорный материал, попа­дет вода, то температура повысится и может произойти возгорание. Прихо­дится учитывать также возможность выделения водорода Fe + Н 2 О = FeO + H 2 , поэтому принимают меры для пассивации металлизованных материа­лов. Продукты прямого восстановле­ния, учитывая их пирофорность, тре­буют особых мер предосторожности при хранении и транспортировке.

1 От греч.руг- огонь и pharos - несущий (способность металлов в мелкораздроблен­ном состоянии самовоспламеняться на воз­духе).

7.3. «АТОМНАЯ» («ЯДЕРНАЯ») МЕТАЛЛУРГИЯ

Весьма заманчивой является возмож­ность использования в металлургичес­ких процессах энергии ядерных реакторов. Имеется ряд предложений и проектов, связанных с реализацией этой идеи. В большинстве из них рас­сматриваются варианты использова­ния тепла ядерных реакторов для проведения операций твердофазного восстановления. Существуют также предложения использовать атомную энергию для разложения воды с пос­ледующим использованием водорода для восстановления железа.

В нашей стране разработана схема ядерно-металлургического комплекса (ЯМК). Предварительные расчеты по­казали, что использование тепла ядер­ных реакторов непосредственно для восстановления более эффективно по сравнению с использованием этого тепла на стадии получения восстано­вительных газов.

В разработанной схеме ЯМК пре­дусмотрены: высокая производитель­ность агрегата, непрерывность про­цесса, рециркуляция восстанови­тельных газов, так как агрегаты устанавливаются в непосредственной близости от ядерных реакторов. В ка­честве теплоносителя (от реакторной установки) выбран гелий. Восстанови­телем выбран природный газ, конвер­тируемый теплом гелия, нагретого от атомного реактора.

Согласно схеме железорудные ма­териалы должны поступать в шахтную печь, где при температуре около 850 °С произойдет восстановление же­леза. Полученный продукт предусмот­рено использовать в качестве шихто­вого материала в сталеплавильных пе­чах. По схеме ЯМК отходящие из шахтной печи газы должны очищаться от Н 2 О и СО 2 и многократно исполь­зоваться.

Будущее покажет, какой метод ис­пользования ядерной энергии в метал­лургии окажется более эффективным.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

Катализ распространен в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (большая часть всех промышленных реакций — каталитические). Поэтому мы решили подробнее изучить данное явление.

Объект исследования: катализ

Предмет исследования: условия, влияющие на протекание процесса катализа

Гипотеза: если будет выявлена зависимость протекания катализа от различных факторов и созданы соответствующие условия, то практическое применение катализа будет эффективным

Цель: выявить зависимость протекания катализа от различных факторов, определяющих его практическое применение

Задачи:

1) Изучить историю развития теории катализа в химии

2) Исследовать виды катализа

3) Изучить условия протекания каталитических реакций

4) Экспериментально доказать влияние катализаторов и условий протекания реакций на их скорость, что определяет их практическое применение

2. Основная часть

Катализ - изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.

Катализаторы - вещества, повышающие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

Ингибиторы- вещества, замедляющие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

2.1. Изучение истории развития теории катализа в химии

Слово «катализ», вероятно, впервые введено в 16 веке химиком А. Либавиусом в его учебнике «Алхимия» и имело значение «разложение» или «разрушение». В 1835 г. этот термин узаконен И. Берцелиусом для реакций, протекающих в присутствии посторонних соединений, которые сами как будто в реакции не участвуют. Точнее Берцелиус писал о каталитической силе, приводящей к разложению тел.

На самом деле даже “небиологический”, т.е. неферментативный катализ был известен задолго до Либавиуса и тем более Берцелиуса. Первый известный нам пример небиологического каталитического процесса - синтез диэтилового эфира из спирта при участии серной кислоты (8 в., Джабир ибн Хайам). Вторично эта реакция была открыта в 1540 г. Валерием Кордусом и получила технологическое оформление в работах С. Фробениуса.

В 17 и 18 веках во время создания научных основ химии было открыто несколько каталитических реакций с участием небиологических катализаторов. Так, в 1666 г. А. Лефебр и Н. Лемери разработали камерный способ синтеза серной кислоты, базируясь на предыдущих разработках. Это 17 век. И только в конце следующего, 18 века, механизм синтеза серной кислоты изучен М. Клеманом и Х. Дезормом.

18-19 века в целом характеризуются бурным развитием промышленности, однако химическая промышленность только начинает зарождаться, востребованы в больших количествах в первую очередь минеральные кислоты, поэтому появляются каталитические процессы получения H 2 SO 4 , затем - процессы получения HNO 3 .

Конец 19 - начало 20 веков - развитие сельского хозяйства -необходимость в минеральных удобрениях. Появляется габеровский процесс синтеза аммиака и процесс окисления аммиака, то есть синтез азотной кислоты.

30-40-е годы 20-го века:

Германия, активно развивающая военную промышленность и нуждающаяся в горючем для военной техники, отрезана от источников углеводородного сырья. Такая ситуация провоцирует бурный всплеск работ по получению синтетического горючего из альтернативных источников сырья. Это работы Фишера-Тропша и работы Реппе.

И, наконец, 50-60-е годы прошлого века - начало бурного развития нефтехимии и химии полимеров - Циглер и Натта создают катализаторы полимеризации олефинов, появляются процессы получения кислородсодержащих продуктов при окислении олефинов.

2.2. Исследование видов катализа

По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать "отрицательным катализом", поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой (Приложение 1).

Отдельно стоит упомянуть микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном или высокомолекулярном состоянии. Примерами этого рода катализа могут служить биокаталитические процессы, в которых катализаторами являются ферменты, ускоряющие многие химические реакции, существенные для протекания жизненных процессов.

По характеру промежуточного взаимодействия различают две группы каталитических реакций - кислотно-основного и окислительно-восстановительного катализа.

В реакциях первой группы имеет место промежуточное кислотно-основное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором, то есть переход протона от катализатора к одному из реагирующих веществ или, наоборот, от реагирующего вещества к катализатору. При последующих стадиях каталитической реакции протон перемещается в обратном направлении и катализатор восстанавливает свой состав. Примерами кислотно-основного катализа могут служить: гидролиз сложных эфиров, ускоряемый кислотами, гидратация олефинов в присутствии фосфорно-кислотных катализаторов, изомеризация крекинг углеводородов на алюмосиликатных катализаторах и многие другие реакции.

При реакциях окислительно-восстановительного катализа промежуточное взаимодействие связано с электронными переходами между катализатором и реагирующими веществами. К этой группе каталитических реакций относятся окисление двуокиси серы в триокись в производстве серной кислоты, окисление аммиака до окиси азота при получении азотной кислоты, многочисленные реакции парциального окисления органических соединений, например этилена в окись этилена, нафталина во фталевый ангидрид, гидрогенизация, дегидрогенизация, циклизация и ароматизация углеводородов, разложение перекиси водорода, восстановление и окисление ионов металлов в растворах и многие другие реакции.

Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

2.3. Изучение условий протекания каталитических реакций

Катализаторы изменяют скорость химической реакции за счёт изменения механизма её протекания. Допустим, между веществом А и веществом В возможно взаимодействие с образованием вещества АВ: А + В → А…В → АВ

Энергия активации этой реакции большая - поэтому реакция протекает с очень малой, практически равной нулю, скоростью. Допустим, имеется вещество К (катализатор) , которое, легко вступая во взаимодействие с веществом А, образует соединение АК: А + К → А…К → АК

Эта реакция протекает быстро, т. к. её энергия активации мала. Соединение АК по той же причине легко взаимодействует с веществом В образуя вещества АВ и К: В + АК → В…А…К → АВ + К. Энергетическая схема реакции представлена в Приложении 2.

Суммируя два последних уравнения, получим:

В + АК = АВ + К

Таким образом, вещество К приняло участие в процессе, но в результате него осталось химически неизменным. При отсутствии катализатора реакция протекала при непосредственном взаимодействии веществ А и В очень медленно. Каталитическая реакция происходит в две стадии: через образование промежуточного соединения АК - очень быстро.

3. Экспериментальная часть

Для практического изучения явления катализа мы провели ряд опытов, фото которых помещены в Приложение 3.

Эксперимент №1. Процесс катализа. Реакция проводилась в вытяжном шкафу. Мы перемешали 1 г алюминиевого порошка и 4 г растёртого в ступке йода. Затем высыпали конусообразной кучкой. Признаков реакции не наблюдалось, тогда мы добавили пару капель воды. Постепенно начал выделяться густой фиолетовый дым (фото1). В этой реакции вода выступает в роли катализатора.

Эксперимент №2. Пример гомогенного катализа. Мы проводили реакцию разложения пероксида водорода в присутствии раствора сульфата тетраамминмеди (II) SO 4 . Катализатор мы приготовили зарание, смешав сульфат меди (II) с раствором аммиака.

Cu SO 4 + 4NH3 ∙ H 2 O = SO 4 + 4H 2 O

SO4

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

Эксперимент №3. Пример гетерогенного катализа. Мы окисляли аммиак кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III), который образуется при разложении дихромата аммония:

(NH 4)2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O

В химическую колбу ёмкостью 500 мл поместили раствор аммиака и закрыли пробкой. На спиртовке нагрели дихромат аммония, затем поместили в колбу с аммиаком. Частицы дихромата аммония заискрились из-за горящего вокруг них аммиака. Такой опыт называется «звездный дождь» (фото 3).

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O

Эксперимент №4. Положительный и отрицательный катализатор. а) В химический стаканчик с 3 мл воды мы добавили по 1 капле растворов роданида калия и хлорида железа (III). Образовался раствор красного цвета, который налили в две пробирки поровну. В две другие пробирки по 2 мл тиосульфата натрия и в одну из них добавили несколько капель раствора сульфата меди (II) - катализатора. К раствору роданида железа (III) добавили раствор тиосульфата натрия. Раствор приобрёл жёлтый цвет. Ко второй пробирке с роданидом железа добавили тиосульфат натрия с сульфатом меди. Раствор также пожелтел, однако здесь выпал осадок (фото 4).

FeCl 3 + 3KCNS = Fe(CNS) 3 + 3KCl

2Fe(SCN) 3 + 2Na 2S2 O 3 = Na 2S4 O 6 + 2Fe (SCN) 2 + 2NaSCN

б) Мы налили в две пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместили в каждую по грануле алюминия. В одну из пробирок добавили несколько кристаллов катализатора - поваренной соли. В пробирке с катализатором гранула быстро покрылась налётом меди, а другая осталась неизменной. Хлорид натрия ускоряет процесс (фото 5).

2Al + 3CuSO 4 = Al 2 (SO 4)3 + 3Cu

в) Разложение пероксида водорода в присутствии борной кислоты. Процесс шел медленно, так как борная кислота Н 3 ВО 3 выполняет роль ингибитора (фото 6).

Эксперимент №5. Биологические катализаторы - ферменты. а) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёного картофеля, а в другой картофельный сок. В первом стакане ничего не происходило, а во втором пероксид моментально начал разлагаться.

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

б) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёной моркови, а во второй морковный сок. Результаты соответствуют предыдущим (фото 7).

Пероксид водорода - ядовитое вещество, образующееся в клетке в процессе жизнедеятельности. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, оно может вызвать самоотравление (денатурацию белков, в частности, ферментов). Накоплению Н 2 О 2 препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н 2 О 2 на воду и кислород, играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1с 200 000 молекул.

Эксперимент №6. Качественное определение активности различных катализаторов. Катализаторами являлись оксид свинца (II) и оксид марганца (IV). В две пробирки мы внесли по 10 капель 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили немного оксида свинца, а в другую - столько же оксида марганца, и заметили время полного разложения в каждой. В пробирке с оксидом марганца разложение закончилось за 55 с, а в пробирке соксидом свинца за 7 мин. Из этого следует, что оксид марганца активнее оксида свинца.

Эксперимент №7. Изучение влияния количества катализатора на скорость разложения пероксида водорода. В две пробирки с помощью мерного цилиндра мы налили по 5 мл 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили на кончике шпателя порошка оксида марганца (IV), во вторую в два раза больше. В первой пробирке разложение закончилось за 2 мин 46 с, а во второй за 1 мин 35с. Следовательно, чем больше катализатора, тем быстрее проходит реакция.

Эксперимент №8. Автокатализ. Мы изучали явление автокатализа на примере взаимодействия перманганата калия с щавелевой кислотой, протекающей по уравнению:

5H 2 C 2 O 4 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 10CO 2 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8H 2 O

Внесли в пробирку одну каплю раствора перманганата калия, добавили к раствору дистилированной воды в таком количестве, чтобы получился прозрачный розовый раствор. В сухую пробирку налили 10 капель полученного раствора, 2 капли щавелевой кислоты и 4 капли раствора серной кислоты. Встряхнули пробирку. Раствор обесцветился за 38 с. В другую пробирку налили тоже самое, предварительно добавив к смеси один кристаллик сульфата марганца (II). Раствор обесцветился мгновенно. В первом случае реакция постепенно ускоряется из-за увеличивающегося количества ионов марганца, являющихся катализатором. Во втором случае реакция проходит быстро, потому что ионы марганца присутствовали в растворе изначально.

4. Заключение

Применение катализаторов способствовало бурному развитию химической промышленности. Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс), нередко более дешевых, чем применявшиеся прежде. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую роль играют каталитические процессы в охране окружающей среды.

1) Катализ позволяет проводить при обычных условиях реакции, которые требуют больших затрат энергии.

2) Катализ - это неотъемлемая часть нашей жизни. Он участвует во многих процессах.

Проведя исследовательскую работу, я выяснил, в чем заключается сущность процесса катализа, выявил зависимость протекания этого явления от различных факторов, определяющих его практическое применение.

Таким образом, гипотеза моего исследовавния подтверждена.

5. Список литературы

1. Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. В мире катализа. М.: Наука, 1977. — 107 с.

2. Ахметов Н. С. Неорганическая химия. Учеб. для Вузов. - 4-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2001. - 743 с.

3. Балаев И.И. Домашний эксперимент по химии. М.: Просвещение, 1977

4. Збарский Б.И., Иванов И.И., Мардашев С.Р. Биологическая химия. Л.: Медицина. Лен. отд., 1972

5. Краткая химическая энциклопедия т. 1-5. Под ред. И.Л. Кнунянца, М.: «Советская энциклопедия», 1981-1987 гг.

6. Николаев Л.А. Химия жизни. М.: Просвещение, 1973

7. Ольгин О.М. Опыты без взрывов. М.: Химия, 1986

Интернет-сайты:

http://www.hemi.nsu.ru/ucheb216.htm

http://www.himhelp.ru/section23/section5/section33ytrg/

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1913.html

6. Приложения

Приложение 1. Классификация катализа

Приложение 2. Энергетическая схема каталитического процесса

Приложение 3. Фото опытов