触媒と反応工学
反応速度を上げる触媒は化学産業の心臓部であり、エネルギー消費・選択性・経済性のすべてを左右します。
基本知識
触媒の定義: 反応速度を増大させるが、自身は反応前後で変化しない物質。活性化エネルギーEaを下げることで反応経路を変える。
分類:
・均一系触媒: 反応物と同じ相(液体溶液中の溶解触媒)
・不均一系触媒: 異なる相(固体触媒+気体/液体反応物)
・酵素触媒: タンパク質性、基質特異性高い、温和な条件
歴史的工業触媒:
・ハーバー・ボッシュ法(N2+H2→NH3): Fe-K2O-Al2O3(1909年)
・接触法(SO2→SO3): V2O5
・オストワルト法(NH3→HNO3): Pt-Rh(白金ロジウム合金)
・水素化(C=C+H2→C-C): Ni, Pt, Pd
・クメン法(ベンゼン+プロピレン→クメン): リン酸/ゼオライト
・クロスカップリング(C-C結合形成): Pd(2010年根岸・鈴木・ヘック・ノーベル賞)
・不斉合成(立体選択的合成): BINAP-Ru(2001年野依・ノーベル賞)
・オレフィンメタセシス(C=Cの組換え): Grubbs触媒(2005年ノーベル賞)
自動車触媒(三元触媒): Pt-Pd-Rhを担体に分散。
・酸化: 2CO + O2 → 2CO2、 CxHy + O2 → CO2 + H2O
・還元: 2NO + 2CO → N2 + 2CO2
3種の有害ガス(CO, HC, NOx)を同時除去。
反応工学のパラメータ: 温度・圧力・反応時間・撹拌・流量・触媒量・濃度。連続流反応器(フロー反応)はバッチ反応より制御性・安全性・スケールアップ性に優れ、現代工業で拡大中。
触媒（活性化エネルギーを下げる、自身は変化なし）
均一系/不均一系（相が同じか否か）
三元触媒（自動車排ガス浄化、Pt/Pd/Rh）
ゼオライト（多孔質結晶アルミノケイ酸塩、分子ふるい・触媒）
不斉触媒（鏡像体を選択的に合成、医薬品製造に必須）
フロー化学（連続流反応、安全性・制御性に優れる）
深掘り (原理・応用)
不均一系触媒の表面化学: 反応物が触媒表面に吸着(化学吸着または物理吸着)→表面反応(結合切断/再形成)→脱離(生成物が表面を離れる)の3段階。Sabatier原理: 吸着が強すぎても弱すぎてもダメ、中程度の結合強度で最大活性。
表面積の最大化: 触媒は粉末・多孔質担体(SiO2, Al2O3, 活性炭, ゼオライト)に分散させ、表面積1 g当たり数百〜数千 m2を実現。
失活: 被毒(S, P, As等が活性点を覆う)、シンタリング(高温で粒子凝集して表面積低下)、コーキング(炭素堆積)。再生・取り替えが必要。
水電解触媒: 再生可能電力でH2OからH2を作るための触媒(白金代替の地球豊富元素触媒)が、グリーン水素経済の鍵。CO2還元触媒: CO2+電子→CO/HCOOH/CH3OH/エチレン等の有用化合物への変換、カーボンニュートラルへの道。
人工光合成: 太陽光+H2O+CO2→燃料・化学品、20世紀後半からの夢の技術。日本のNEDO・人工光合成化学プロジェクトで国家戦略として推進中。
- 触媒はEaを下げる、反応前後で変化なし
- 均一系/不均一系/酵素の3分類
- 歴史的触媒: Fe(NH3), V2O5(SO3), Pt-Rh(HNO3)
- 自動車三元触媒(Pt-Pd-Rh)
- 不斉触媒(野依・BINAP-Ru)で医薬製造
- 不均一触媒は吸着→反応→脱離の3段
- 水電解・CO2還元・人工光合成が未来の課題
注意点 (混同しやすい・頻出ミス)
① 触媒は平衡を動かさない(順反応・逆反応の両方を等しく加速)。平衡定数Kは変わらない。② 正触媒と負触媒: 通常「触媒」=正触媒。負触媒(阻害剤)もある。③ 酵素も触媒: 生体高分子触媒、温度pH依存性大、最大速度Vmaxとミカエリス定数Kmで特徴づけ。④ 多くのノーベル賞が触媒関連: 2001野依・2005Grubbs・2007Ertl・2010根岸・鈴木・ヘック等。
練習
- 触媒が反応速度を上げるが平衡を動かさない理由を、活性化エネルギーの観点から説明せよ。
- 自動車三元触媒の3つの反応を式で書き、各々のNOxの還元に必要な還元剤を答えよ。
- 不均一系触媒が失活する3つの主な原因を挙げ、対策を述べよ。