Zjawiska powierzchniowe 

i 

kataliza przemysłowa

GENEZA SŁOWA KATALIZA

Termin 

kataliza

 (z 

greckiego 

 

- rozłożenie, 
rozprężenie), 
wprowadzony został 
w roku 1836 przez 
Berzeliusa.

Jöns Jacob Berzelius

1779-1848 

GENEZA SŁOWA KATALIZA

 przyspieszenie przemiany 

skrobi w glukozę w obecności 
rozcieńczonych kwasów 
(Kirchhof,  1811-1814), 

 rozkład amoniaku i 

rozcieńczonych roztworów 
nadtlenku wodoru w obecności 
pewnych ciał stałych (Thenard, 
1813-1818), 

 utlenianie alkoholu etylowego 

lub wodoru w temperaturze 
pokojowej w obecności platyny 
(Davy, 1817; Dbereiner, 1821), 

 powstawanie etylenu z alkoholu 

etylowego w obecności kwasu 
siarkowego(VI) (Mitscherlich, 
1833). 

Eilhard Mitscherlich 

(1794 - 1863

) 

Johann W. Döbereiner

(1780 - 1849) 

Humphry Davy 

(1778 - 1829) 

Louis Jacques Thénard 

(1777 - 1857) 

3

KLASYCZNE DEFINICJE KATALIZATORA 

Ostwald (1896-1900)
Katalizator - substancja zwiększająca 

szybkość reakcji chemicznej.

Nagroda Nobla z Chemii – 1909 r.

„za prace nad katalizą i warunkami
równowagi chemicznej oraz
szybkością reakcji chemicznych”

Wilhelm Ostwald 

(1853-1932)

KLASYCZNE DEFINICJE KATALIZATORA 

Mittasch i Willsttter (1933)
katalizator - substancja 

zwiększająca szybkość 
reakcji chemicznej, 

która 

przy tym albo nie zmienia się 
chemicznie w czasie reakcji, 
albo ulega nieznacznym 
jedynie zmianom w 
porównaniu z ilościami 
substratów przetworzonych 
w  czasie reakcji, 
skierowująca reakcję 
chemiczną na jedną z kilku 
możliwych termodynamicznie 
dróg (selektywność 
katalizatora). 

Richard Willstatter 

(1872 - 1942) 

WSPÓŁCZESNA DEFINICJA

Kataliza

 - 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. 

CECHY 

KATALIZATORÓW

 oddziaływują 

chemicznie z 
substratami 
reakcji, tworząc 
nietrwałe 
połączenia 
przejściowe, 

 nie są zużywane w 

reakcji i nie 
występują w jej 
równaniu 
stechiometrycznym
. 

 nie zmieniają 

położenia stanu 
równowagi 
chemicznej, 

 wpływa jedynie na 

szybkość 
dochodzenia 
układu do tego 
stanu.

Zależność energii swobodnej Gibbsa od 

współrzędnej reakcji

AB* - kompleks aktywny w reakcji niekatalitycznej, ABK

1

* i 

ABK

2

* - kompleksy aktywne reakcji katalitycznych

 

Zależność energii potencjalnej od 

współrzędnej reakcji

Fig. Course of a heterogeneously catalyzed gas-phase reaction AGPG
E

a,0

 = activation energy of the homogeneous uncatalyzed gas-phase reaction

E

a,1

 = true activation energy; E

a,2

 = apparent activation energy of the catalyzed 

reaction

Z

1

 = transition state of the gas-phase reaction; Z

2

 = transition state of the surface 

reaction

H

R

 = reaction enthalpy

Aktywność katalizatora

Ilościowa miara działania przyspieszającego daną 

reakcję chemiczną

v

k

 – szybkość reakcji katalitycznej,

v

n 

–

 

szybkość reakcji niekatalitycznej

n

k

k

v

v

A





The space velocity is the 
volume flow rate V

˙0

, 

relative to the catalyst 
mass mcat

X- converion

Na podstawie: Jens Hagen, Industrial Catalysis, Wiley-VCH, 2006

TOF  (turnover  frequency) 

=  mol  produktu/mol 

katalizatora/czas 

reakcji, 

h

-1

; 

charakteryzuje 

aktywność  katalizatora,  wpływa  na  zdolność 

produkcyjną.

W  wypadku  zastosowań  przemysłowych  TON  w 

zakresie 10

-2

-10

2

. 

Inne wielkości charakteryzujące katalizator

 

objetosc

centrow

liczba

reakcji

szybkosc

wa

Objetoscio

TOF

/

_

_

_



Na podstawie: Jens Hagen, 
Industrial Catalysis, 
Wiley-VCH, 2006

TON 

(turnover 

number) 

= 

 

mol 

produktu/mol  katalizatora;    określa 

produkcyjność  katalizatora,  determinuje 

koszt katalizatora.

W  wypadku  zastosowań  przemysłowych 

TON w zakresie 10

6

-10

7

. 

Inne wielkości charakteryzujące 
katalizator 

TON  =    TOF 

.

  czas  życia 

katalizatora

Selektywność reakcji 





i

P

P

i

i

i

C

C

S

Z definicji SS

i

=1

nych

przeragowa

A 

 

moli

 

liczba

 

calkowita

P

 

do

conych 

przeksztal

A 

 

moli

 

liczba

i



i

S

Inne wielkości charakteryzujące 
katalizator 

A

A

A

A

P

A

A

A

P

P

P

n

n

n

n

n

n

S









)

(

/

/

)

(

/

0

,

0

,









W praktyce przemysłowej selektywność waha się między 70-95%

Na podstawie: Jens Hagen, Industrial Catalysis, Wiley-VCH, 2006

Możliwe kierunki reakcji utleniania propylenu

CH2=CH-CHO

CH2=CH-COOH  +

CH2=CH-CHO

CH

3

C

O

CH

3

CH-CH

3

O

CH

2

CH-CH

3

O

CH

2

CH3-CHO + HCHO

Warunki reakcji

Główne produkty

Katalizator

O

2

, T~650K

Bi

2

(MoO

4

)

3

O

2

, T~650K

NiMoO

4

O

2

, H

2

O, T~500K

CoMoO

4

+MoO

3

nadtlenek t-

butylowy, T~350K

Mo(CO)

6

O

2

, T~300K

enzymy (peroksydaza chlorkowa+epoksydaza 

chlorohydrynopwa)

O

2

, T~700K

V

2

O

5

O

2

, T~800K

BiPO

4

O

2

, T>600K

Pt lub Co

3

O

4

CH2=CH-CH2CH2CH2-CH=CH2

CO2 + H2O

 Stworzenie w pierwszych dekadach XX w. wielkiego 

przemysłu związków azotowych, których dostępność stała 
się podstawą szybkiego wzrostu produkcji rolniczej. 

Nagroda Nobla z 

Chemii z 1918 r. 

„za opracowanie przemysłowej 
syntezy amoniaku”

Fritz Haber

(1868-
1934)

N

2

  +  3 H

2

2NH

3

+  H

2

O

2NH

3

  +  CO

2

N

H

2

NH

2

O

16

Ważniejsze osiągnięcia katalizy

Opracowanie katalizatorów do krakingu ropy 

naftowej stało się w latach 30-40-tych XX w. 
warunkiem rozwoju motoryzacji i lotnictwa. 

Nafta i ciężkie  frakcje 
olejowe z destylacji ropy 
naftowej podczas 

krakingu katalitycznego

 

przetwarzane są w 
benzynę. 
(katalizatory:Al

2

O

3

/SiO

2

, 

zeolity; 500-550

o

C, 1-20 

bar)

 Opracowanie katalizatorów do 

reformingu

 

benzyny

 jako źródło paliw 

wysokooktanowych (od 1940 r. )

Prowadzi  do  zwiększenia  LO  frakcji  naftowych  o 
temperaturze  wrzenia  -  70-190C  z  40  do  95 
jednostek. 

Stanowi 

metodę 

przerobu 

niskooktanowej  benzyny  na  benzynę  o  wysokiej 
jakości  oraz    podstawowe  źródło  aromatów 
(Pt/Al

2

O

3

; 470-530

o

C, 13-40 bar)

 Opracowanie we wczesnych latach 50-tych XX w. 

aktywnych i selektywnych katalizatorów polimeryzacji 

Nagroda Nobla z Chemii – 1963 r.

„Za odkrycia na polu chemii i 

technologii polimerów 

(katalizatory polimeryzacji)”

1/2

1/2

Karl Ziegler 
(1898-
1973)

Giulio Natta 
(1903-
1979)

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

R

H

R

H

R

H

R

H

R

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

izotaktyczny

Kataliza asymetryczna - Nagroda Nobla z Chemii – 2001

„za osiągnięcia z zakresu 

katalitycznej 

syntezy asymetrycznej”

William S. Knowles 

(ur. 1917)

Ryoji Noyori 
(ur. 1938-)

K. Barry Sharpless 

(ur. 1941)

1/4

„Za prace dotyczące 
wykorzystania chiralnych 
układów katalitycznych w 
asymetrycznym uwodornieniu”

„ za prace z zakresu wykorzystania 
chiralnych układów katalitycznych w 
reakcjach asymetrycznego utlenienia”

H

H

COOC

2

H

5

H

H

COOC

2

H

5

1mol % chiral Cu cat

+ N

2

CHCOOC

2

H

5

+

10 % ee

6 % ee

O

Cu

N

C

6

H

5

O

N

C

6

H

5

Chiral Cu catalyst

1/4

1/2

Pierwszy przykład (Nozaki, Noyori et al., 1966) 

Nagroda Nobla z chemii - 2005

„za 

rozwój 

metod 

metatezy”

Yves Chauvin

Richard R. Schrock

1/3 

1/3 

Robert H. Grubbs

1/3 

Nagroda Nobla z chemii  - 2007

Gerhard Ertl

„za badania procesów chemicznych
na powierzchni ciał stałych”

DZIEDZINY ZASTOSOWANIA KATALIZY

 w procesach przemysłu rafineryjnego i 

petrochemicznego do wytwarzania surowców 
stosowanych jako źródła energii: benzyn, 
nafty, olejów napędowych, wodoru (produkcja 
rzędu kilkuset milionów ton rocznie);

 produkcja związków nieorganicznych - 

amoniaku, tlenków siarki i azotu, używanych 
do produkcji nawozów sztucznych, kwasów 
siarkowego(VI) i azotowego(V) (produkcja 
wielkotonażowa);

 do wytwarzania surowców do przeróbki 

chemicznej, takie jak lekkie alkeny  (C

2

-C

3

), 

dieny (C

4

), węglowodory aromatyczne (C

6

-C

8

), 

gaz syntezowy CO+H

2

 (produkcja rzędu od 

kilku do kilkunastu milionów ton rocznie); 

 do wytwarzania produktów przeróbki 

chemicznej: alkoholi, aldehydów, kwasów, 
amin, ketonów, amidów, estrów, polimerów 
(produkcja od kilku tysięcy do kilku milionów 
ton rocznie);

 do wytwarzania produktów lekkiej syntezy 

organicznej, takich jak środki zapachowe, 
konserwujące, farmaceutyki (produkcja od 
kilku do kilkunastu ton na rok);

 w ochronie środowiska naturalnego - 

katalityczne dopalanie spalin 
samochodowych, usuwanie zanieczyszczeń 
zarówno organicznych jak i nieorganicznych z 
gazów wylotowych z instalacji 
przemysłowych.

DZIEDZINY ZASTOSOWANIA KATALIZY

Główne cele działalności gospodarczej w 
XIX w.

 stałe zwiększanie produkcji przy 

możliwie małym zużyciu energii i 
radykalnym ograniczeniu 
wytwarzania odpadów,

 likwidacja zanieczyszczenia 

środowiska naturalnego,

 wprowadzanie nowych źródeł 

energii.

Typy katalizy

Czyste metale

Heterogeniczna

Homogeniczna

Metale na nośniku

Tlenki metali, siarczki, itp.

Związki metali na nośniku

Kompleksy metaloorganiczne 

na nośniku

Biologiczna

Enzymy

Kompleksy metali

Kwasy

Zasady